二維材料轉移應用之

從微腔耦合到量子光學

南京譜量光電科技有限公司

在微觀尺度下，光與物質的相互作用不再是簡單的吸收與發射。

當光被限制在微米甚至亞波長的空間中——例如微腔（microcavity）或光子晶體腔內——光場強度會成百上千倍增強，從而引發激子–光子強耦合、極化子凝聚、單光子發射與非線性效應等量子光學現象。

而二維材料（2D materials）——如過渡金屬硫屬化物（TMDs，MoS?、WS?、WSe? 等）和六方氮化硼（hBN）——憑借其原子級厚度、高激子結合能與直接帶隙，成為理想的光學活性層。當這些二維材料被“嵌入”微腔之中，就能在極小體積中實現極強光場調控，開啟量子光學器件的新篇章。

在 Nature Communications (2023)，Zhao 等人通過將多個 WS? 單層堆疊嵌入平面布拉格反射腔（DBR cavity）中，實現了系統性調控真空 Rabi 分裂，從 36 meV 提升至 72 meV。

這意味著光子與激子形成了混合態——極化子（polaritons），并在室溫下仍保持強耦合穩定。研究者通過時間分辨泵浦-探測實驗進一步揭示：體系中的非線性行為主要受激子相空間填充（phase-space filling）效應主導。這類結構預示著低功率全光調制與室溫極化子晶體管的可能。

分布式布拉格反射鏡（DBR）腔體嵌入二維（2D）材料的幾種不同結構和應用↑

早期的基礎性工作來自 Nature Communications (2015)，Dufferwiel 等人將單層 MoSe? / hBN 異質結嵌入可調諧 Fabry–Pérot 腔中，首次在 TMDC 中觀測到 20–29 meV 的 Rabi 分裂。這一實驗奠定了二維材料強耦合體系的基礎。

上面的圖表描述了研究人員如何制備 (b、c) 高質量 (d) 的二維材料異質結構，并將其嵌入 (a) 一個可調諧的開放式微腔中，為研究二維材料中的基本光物理現象和開發新型光電器件奠定了基礎。↑

2025 年 Chinese Optics Letters 報道了由中國科大某研究團隊完成的工作：
研究者將單層 WS? 精準放置在高 Q 石英微球腔表面，腔內形成強烈的“耳語廊模”（WGM）。在連續波激發下，二次諧波信號較裸片增強 1.46 × 10? 倍，并實現 MHz 級輸出速率。

在單層 WS2中增強二次諧波生成 (SHG) 的實驗研究。

微腔提供了強光場局域，二維材料則提供高 χ^(2) 非線性，兩者相乘構成了一種可片上集成的非線性光源，可望用于量子頻率轉換、光學計算與集成光譜儀。

在 Nature Communications (2021)，Barra-Burillo 等人展示了另一類更“低頻”的耦合體系：
他們將薄層 hBN 嵌入金屬–MoS? 腔體中，系統研究了光子與晶格振動（光學聲子）之間的相互作用，從弱耦合逐步過渡到超強耦合。

當 hBN 厚度增至完全填充腔體時，系統的耦合強度接近體相聲子極化子的極限，實現了微腔聲–光混合模式的可調諧生成。

這類研究為紅外光–聲子調控、熱輻射調制、以及 THz 激光器提供了新途徑。

不同腔體配置下，六方氮化硼（hBN）或填充材料的極化子（Polariton）色散關系。

代表體系：
 WS? / MoSe? in DBR cavity

關鍵物理現象：
 Rabi 分裂、極化子凝聚

應用前景：
 室溫極化子激光器、量子調制

代表體系：
 WS? on WGM microsphere

關鍵物理現象：
 二次諧波增強 ×10?

應用前景：
 光頻轉換、片上光源

代表體系：
 hBN / MoS? cavity

關鍵物理現象：
 微腔聲子極化子

應用前景：
 THz 控制、熱光學調制

共性技術基底：高質量的二維材料干法轉移

這些研究讓二維材料真正成為“光學材料中的量子平臺”，推動從基礎物理到器件應用的跨越。