中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
導讀
2024年2月21日，南方科技大學(xué)工學(xué)院材料科學(xué)與工程系、精密光學(xué)工程中心李貴新教授課題組在超構表面全光超快開(kāi)關(guān)領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。作者基于雙光束泵浦的幾何相位超構表面上的倍頻過(guò)程，實(shí)現了一種調制深度達97%和響應時(shí)間約為500飛秒的全光偏振開(kāi)關(guān)。相關(guān)成果以“All-optical ultrafast polarization switching with nonlinear plasmonic metasurfaces”為題發(fā)表在Science Advances雜志上。
研究背景
光開(kāi)關(guān)在光計算、光通信等以光為信息載體的系統中發(fā)揮著(zhù)關(guān)鍵作用。開(kāi)關(guān)時(shí)間和調制深度是光開(kāi)關(guān)的兩個(gè)關(guān)鍵參數。前者決定工作頻率的上限，后者決定信噪比。開(kāi)發(fā)具有超短響應時(shí)間和大調制深度的全光開(kāi)關(guān)是人們長(cháng)期以來(lái)的目標。傳統光開(kāi)關(guān)的物理機制包括電光效應、聲光效應、磁光效應等。然而，這些開(kāi)關(guān)通常存在開(kāi)關(guān)速度低的問(wèn)題。為了克服這一限制，基于非線(xiàn)性光學(xué)過(guò)程的全光開(kāi)關(guān)引起了科學(xué)家們的廣泛關(guān)注?？藸栃侨忾_(kāi)關(guān)最重要的機制之一，其描述了材料的折射率取決于泵浦光的強度的一種現象。目前，基于克爾效應的片上干涉儀、波導環(huán)形諧振腔、光子晶體、等離激元波導和超構表面被廣泛用于設計多種全光開(kāi)關(guān)。在這些研究中，通常需要權衡全光開(kāi)關(guān)的響應時(shí)間和調制深度。大調制深度的全光開(kāi)關(guān)通常需要較長(cháng)的光與物質(zhì)相互作用長(cháng)度，這將不可避免地增加開(kāi)關(guān)時(shí)間。另一方面，如果全光開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)時(shí)間較短，則調制深度通常也較小。非線(xiàn)性倍頻過(guò)程為兼顧開(kāi)關(guān)時(shí)間和調制深度的全光開(kāi)關(guān)提供了一個(gè)出色的解決方案。此前人們在不同材料體系中提出了熱電子遷移、光電流誘導對稱(chēng)性破缺、偏振選擇性開(kāi)關(guān)等機理和方法，為實(shí)現基于倍頻過(guò)程的光開(kāi)關(guān)奠定了重要基礎。這類(lèi)全光開(kāi)關(guān)的調制深度通常較大，開(kāi)關(guān)時(shí)間也僅受到泵浦脈沖寬度的限制。近年來(lái)，超構表面的非線(xiàn)性光學(xué)性質(zhì)研究不斷取得進(jìn)展，為實(shí)現高性能的全光開(kāi)關(guān)提供了新的思路。
研究亮點(diǎn)
作者基于雙光束泵浦的幾何相位超構表面上的倍頻過(guò)程，實(shí)現了一種調制深度達97%和響應時(shí)間約為500飛秒的全光偏振開(kāi)關(guān)。如圖1所示，超構表面由三重旋轉對稱(chēng)性(C3)的金等離激元超構單元組成。當兩個(gè)泵浦脈沖之間的時(shí)間延遲大于脈沖持續時(shí)間時(shí)，就會(huì )產(chǎn)生水平偏振倍頻光。然而，當兩個(gè)泵浦脈沖在時(shí)域重合時(shí)，可以觀(guān)察到豎直偏振倍頻光。因此，該等離激元超構表面具有應用于全光超快偏振開(kāi)關(guān)的潛力。
圖1 基于非線(xiàn)性等離激元超構表面的倍頻光偏振開(kāi)關(guān)。 (a) C3h金超構單元的幾何參數。(b) 水平和豎直偏振泵浦光的不同組合及其對應的倍頻光的偏振方向。(c) 基于超構表面上倍頻光產(chǎn)生的全光偏振開(kāi)關(guān)原理圖。當兩個(gè)泵浦脈沖的時(shí)間延遲較大時(shí)分別產(chǎn)生水平偏振倍頻光；而當它們在時(shí)域重合時(shí)，則瞬間產(chǎn)生豎直偏振倍頻光。
該超快開(kāi)關(guān)的物理機制為：具有C3旋轉對稱(chēng)性的金超構單元的等效非線(xiàn)性極化率存在四個(gè)不為零的分量：
。當水平和豎直偏振的泵浦飛秒激光分別入射到超構單元上時(shí)，根據非線(xiàn)性極化率的xxx和xyy分量可知所產(chǎn)生的倍頻光的偏振均沿水平(x)方向。然而，當水平和豎直偏振的兩束飛秒激光同時(shí)激發(fā)超構表面時(shí)，不為零的分量為：yxy和yyx，所產(chǎn)生的倍頻光變?yōu)樨Q直(y)偏振。這一過(guò)程通常在極短的時(shí)間內發(fā)生(通常受制于激光脈沖寬度本身)。
圖2 基于周期性等離激元超構表面的全光超快偏振開(kāi)關(guān)。(a) 計算所得倍頻光強度與雙泵浦光束的延遲時(shí)間之間的關(guān)系；(b)全光超快開(kāi)關(guān)的飛秒激光泵浦-探測裝置；(c) 實(shí)驗測量的離激元超構表面中生成的延時(shí)依賴(lài)的豎直偏振的倍頻光強度。該結果可用半高寬為521飛秒的高斯函數（實(shí)線(xiàn)）擬合。
假設泵浦光的線(xiàn)偏振沿x軸方向，超構單元的面內旋轉角為，根據非線(xiàn)性光學(xué)幾何相位原理，左、右旋圓偏振倍頻光的相位為。超構單元上生成的倍頻光的偏振角與x軸夾角為。對于周期性排列的等離激元超構表面，理論計算所得的倍頻光強度隨偏振方向垂直的兩束泵浦光的時(shí)間延遲的變化規律 (圖2a)。如圖2b所示，針對近紅外波段(1150 nm-1550 nm) 的飛秒激光，搭建了表征全光超快開(kāi)關(guān)的泵浦-探測裝置。通過(guò)控制兩束飛秒激光的偏振和脈沖延遲時(shí)間可以測量等離激元超構表面上產(chǎn)生的倍頻光的偏振、調制深度、開(kāi)關(guān)時(shí)間等特性。圖2c為實(shí)驗測量結果，通過(guò)掃描延遲時(shí)間可測得倍頻光的開(kāi)關(guān)時(shí)間為521飛秒，調制深度為97%。
圖3 基于雙通道等離激元超構表面的全光超快偏振開(kāi)關(guān)。(a) 具有“τ”圖案的雙通道非線(xiàn)性等離激元超構表面示意圖。在“τ”（紅色）區域，超構單元是C3v，周?chē)鷧^域是C3h。超構表面的掃描電子顯微鏡圖像如下所示(比例尺：500 nm)，其中橙色虛線(xiàn)標記了兩種超構單元之間的邊界。(b) 水平和豎直偏振的兩個(gè)泵浦脈沖在不同時(shí)間延遲時(shí)，超構表面上倍頻光的圖像呈現亮、暗兩種編碼方式。
為了進(jìn)一步展示該全光超快開(kāi)關(guān)的并行信息處理能力，我們設計并制備了由包含不同旋轉角的金超構單元組成的圖案化超構表面。如圖3所示，字母和周邊環(huán)境的倍頻光的圖像強度取決于兩束泵浦光的延遲時(shí)間和檢偏器的方向，從而實(shí)現了雙通道全光開(kāi)關(guān)功能。
總結與展望
該研究提出的非線(xiàn)性等離激元超構表面提供了一種易于擴展的平臺，可用于設計多路并行的全光開(kāi)關(guān)，有望為非線(xiàn)性光學(xué)超構表面在超快光信息處理領(lǐng)域的應用奠定重要基礎。該工作所提出的方法可用于在時(shí)域中控制光的矢量場(chǎng)、自旋-軌道角動(dòng)量等自由度，還可以用于開(kāi)發(fā)全光邏輯門(mén)、時(shí)變全息光學(xué)成像功能。
南科大材料科學(xué)與工程系研究助理教授王衡、博士生胡子賢為該論文的并列第一作者，李貴新教授為該論文的通訊作者。南科大材料系高級研究學(xué)者李敬輝、量子科學(xué)與工程研究院研究助理教授鄧俊鴻、南科大材料系博士生張學(xué)才和陳佳菲為論文共同作者。該研究得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、張江國家實(shí)驗室、國家自然科學(xué)基金委員會(huì )、廣東省珠江人才計劃創(chuàng )新創(chuàng )業(yè)團隊項目和深圳市科技創(chuàng )新委員會(huì )的資助。
文章鏈接：
https://www.science.org/doi/epdf/10.1126/sciadv.adk3882
