近日，亚利桑那州立大学电气、计算机和能源工程学院的Yu Yao教授团队在国际顶尖学术期刊《Light: Science & Applications》发表题为“Ultrafast Low-pump Fluence All-Optical Modulation Based on Graphene-Metal Hybrid Metasurfaces”的高水平论文。来自亚利桑那州立大学的Ali Basiri博士为本文的第一作者，Yu Yao教授为本文的通讯作者，此外，亚利桑那州立大学光子创新中心也对本工作提供了帮助。Yu Yao教授团队展示了基于亚波长厚度的石墨烯-金属杂化等离子体超表面结构的超快全光调制器，可以在近红外和中红外波段（超过6μm）下高效工作。该研究目前已得到了国家科学基金会、亚利桑那州国家大学启动资金的支持和资助。
研究背景
高速光调制是许多应用的重要组成部分，在光互连、超快分子光谱、材料处理、光学信息处理和计算等领域中有着广泛的应用。与基于热、磁、声、机械和电效应的其他技术相比，全光调制能够实现最高可达太赫兹的调制带宽。到目前为止，研究者们已经利用多种材料设计并验证了各式各样的全光调制器件，如半导体介质波导、胶体等离子体纳米晶体、硅基纳米天线、支持Mie型共振的砷化镓纳米颗粒、等离子体共振结构、石墨烯包覆的光纤、石墨烯-等离子体狭缝波导等。在实验中，大多数全光调制器都是在可见光和近红外（IR）波长范围内工作，但是在中远红外波长的工作效率并不理想，而这一波段的超快光学调制对于超快分子光谱、空间通信、遥感、生物医学诊断和天文应用是非常重要的。因此，研究人员探索了基于光泵亚波长结构光学膜的全光调制器，其工作波长可以达到6µm，但是由于光学材料固有的光学吸收和/或弱非线性，实现波长大于6µm的超快全光调制器仍然具有挑战性。在迄今为止研究的所有全光调制材料中，石墨烯具有线性和无间隙色散关系，同时由于强大的量子限制、增强的载流子-载流子相互作用以及无质量狄拉克费米子的存在，石墨烯在亚皮秒时间尺度上具有超快载流子弛豫，这些特性使得石墨烯有望在可见光到太赫兹的宽光谱区域实现超快全光调制。
基于石墨烯的光调制器主要分为三大类，即电泵调制器、热光调制器和全光调制器。其中，电泵石墨烯调制器已被证明具有高达35GHz的调制速度，但是需要受外部控制电路的RC常数限制；热光调制器的响应时间较慢，通常为几百纳秒，同时还会受到大多数材料的缓慢热扩散率限制；石墨烯全光调制器具有超快的响应时间，一般为皮秒量级，但是超薄石墨烯层中的有限吸收和超短的光载流子寿命使该全光调制器需要高泵浦。在已有的研究中，增强光与石墨烯之间相互作用的典型方案包括与介电波导、微光纤、空穴和等离子体狭缝波导的集成。然而，在中红外波段下实现基于低泵浦石墨烯的超快全光调制仍然具有很大的挑战性。
创新研究
石墨烯具有超快的光学响应和较宽的光谱覆盖范围，是一种极具吸引力的全光调制材料。然而，由于超短的光载流子寿命和在石墨烯中的有限吸收，石墨烯全光调制器具有需要高泵浦的局限性。Yu Yao教授团队设计了一种基于石墨烯-金属杂化等离子体的超表面结构的全光调制器（GMMA），从而在高响应速度的前提下实现了器件的低泵浦，同时还可以在中红外波段（超过6μm）下进行高效的工作。解决了传统全光调制器的工作波长受限以及基于石墨烯的全光调制器需要高泵浦的问题。
最后，研究人员还开展了一系列实验来验证所提出的全光调制器（GMMA）的性能，实验结果表面调制器的响应时间最终取决于皮秒尺度上石墨烯的超快光载流子弛豫时间，即该全光调制器不但具有传统石墨烯调制器的超快响应时间（皮秒级），还具有低泵浦的优势。类似的设计理念也适用于中远红外光谱区域中更长波长的全光调制，有望解决中远红外波长超快全光调制器实现中的挑战。
论文信息：
该文章被发表在《Light: Science & Applications》期刊上，题为“Ultrafast Low-pump Fluence All-Optical Modulation Based on Graphene-Metal Hybrid Metasurfaces”，来自亚利桑那州立大学的Ali Basiri博士为本文的第一作者，Yu Yao教授为本文的通讯作者，此外，亚利桑那州立大学光子创新中心也对本工作提供了帮助。
论文地址：https://www.nature.com/articles/s41377-022-00787-8
（文章来源： Light新媒体 ）
