全光開關(guān)吸引了人們的注意，因?yàn)樗鼈冇锌赡芸朔婇_關(guān)的速度限制。但是，由于現(xiàn)有材料固有的光學(xué)非線性小，實(shí)現(xiàn)超快、高能效的全光開關(guān)一直具有挑戰(zhàn)性。作為解決方案，我們建議使用負(fù)載石墨烯的深亞波長(zhǎng)等離子體波導(dǎo)（30×20 nm
2）。由于極端的光限制，我們大大增強(qiáng)了石墨烯中的光學(xué)非線性吸收，并以35 fJ的開關(guān)能量和260 fs的開關(guān)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了超快的全光開關(guān)。開關(guān)能量比以前基于石墨烯的器件小四個(gè)數(shù)量級(jí)，并且是所有在幾皮秒或更短時(shí)間內(nèi)運(yùn)行的全光開關(guān)的最小值。該器件可以有效地連接到常規(guī)的硅波導(dǎo)，并可以用在硅光子集成電路中。我們相信，這種基于石墨烯的器件將為芯片的超快和高能效的光子處理鋪平道路。
Figure 1. （a）負(fù)載石墨烯的金屬-絕緣體-金屬(MIM)-WG的示意圖。（b）MIM-WG的橫截面?zhèn)纫晥D，如(a)所示的紅色虛線。（c）石墨烯負(fù)載的MIM-WG本征模的場(chǎng)分布（|E|
2）。（d）計(jì)算不同w
slot和t
Au值下，石墨烯的吸收系數(shù)。（e）各種w
slot和t
Au值的場(chǎng)增強(qiáng)因子EF。
Figure 2. （a）模式轉(zhuǎn)換器周圍的SEM圖像，w
slot為70 nm，t
Au為40 nm。比例尺，1μm。（b）加載石墨烯的MIM-WG的俯視示意圖。石墨烯負(fù)載的MIM-WG的SEM圖，其中w
slot = 70 nm，t
Au = 40 nm和石墨烯長(zhǎng)度l
G為（c）3.2μm和（d）7.2μm。MIM-WG長(zhǎng)度l
MIM為10μm。比例尺，2μm。
Figure 3. （a）平均相對(duì)透射率與MIM-WG長(zhǎng)度的關(guān)系。（b）對(duì)于各種w
slot和t
Au值，測(cè)量和計(jì)算的石墨烯的吸收系數(shù)。
Figure 4. （a）在裝有石墨烯的（單層，雙層）MIM-WG和參考硅線WG（不含石墨烯）中，皮秒激光脈沖可產(chǎn)生的飽和吸收。（b）在皮層負(fù)載石墨烯的MIM-WG中，皮秒級(jí)激光脈沖采用皮秒激光脈沖進(jìn)行全光交換（紅色圓圈），w
slot=30 nm，t
Au=20 nm和l
MIM=4μm。（c）泵-探頭測(cè)量示意圖。（d）在與（a）相同的樣品中，用飛秒激光脈沖進(jìn)行的飽和吸收。輸入脈沖的波長(zhǎng)為1550nm。
Figure 5. （a）在雙層石墨烯負(fù)載的MIM-WG中，w
slot=30 nm，t
Au=20 nm和l
MIM=4μm，進(jìn)行全光交換（紅色圓圈）。還繪制了輸入脈沖的自相關(guān)（藍(lán)色圓圈）。（b）對(duì)于雙層石墨烯負(fù)載的MIM-WG，消光比的控制脈沖能量依賴性（w
slot=30 nm，t
Au=20 nm和l
MIM=4μm）。
相關(guān)研究成果于2019年由日本NTT公司納米光子學(xué)中心Masaaki Ono課題組，發(fā)表在Nature Photonics（https://doi.org/10.1038/s41566-019-0547-7）上。原文：Ultrafast and energy-efficient all-optical switching with graphene-loaded deep-subwavelength plasmonic waveguides。
