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太赫兹全光器件开关过程的光学主动调控
发布时间:2020-06-18 21:16:08 阅读:83

来源:中国光学期刊网

    近日,国防科技大学江天研究员课题组在太赫兹主动调控器件研究方面取得进展,利用构建电磁感应透明超表面和复合光敏层的方法,成功制备了响应时间从皮秒到纳秒主动可调的太赫兹全光开关,实现了光控太赫兹超快器件的实时动态调控。

    太赫兹技术在公共安全、宽带通讯、生物医学、材料科学等领域展现出广阔的前景,被美国列为“改变未来世界的十大技术”之一。难以获得主动高效的太赫兹调控元器件,是影响太赫兹技术发展和应用的关键因素之一。

    利用人工二维平面结构和主动可控材料构建复合太赫兹超表面,能够实现对光波振幅、相位、偏振等的灵活调控,具有强大的光场操控能力,在超快太赫兹主动调制方面展露出了独特的优势。然而,光控太赫兹超快调控器件的响应时间是由半导体材料决定的,光激发态寿命难以通过简易的方式得到有效的调控。虽然研究人员通过寻找不同的材料能够制备不同响应速度的调控器件,但是在同一器件中实现对响应时间数量级的主动调节,依然是光控太赫兹技术亟待解决的难题。

    江天研究员课题组提出在光控太赫兹开关器件上设计复合光敏层来解决这一问题。利用超快弛豫时间差别很大的不同材料构建复合光敏层,根据复合光敏层中不同材料对激光波长吸收率的区别,通过控制泵浦光的波长对太赫兹超快开关动态过程进行选择性调控(如图a所示),在同一器件中实现了响应时间数量级的主动调节,为超快光控太赫兹器件提供了新的操控维度。

图(a):复合半导体杂化太赫兹超表面器件原理示意图;图(b):近红外激光驱动下的太赫兹超快开光演化过程;图(c):近紫外激光驱动下的太赫兹超快开关动态过程。

    在这项工作中,研究人员首先在硅外延薄膜上构筑好电磁感应透明超表面;然后通过溅射的方法将锗膜附加到硅外延层上形成复合光敏层。下层硅薄膜由外延生长法制备,具有较小的缺陷态密度,拥有较慢的载流子复合速率;而上层锗膜在溅射过程中引入大量的缺陷,形成大量杂质复合中心,极大地加速了载流子弛豫过程。由于硅和锗对不同波长激光的吸收存在明显差异,可以通过改变泵浦激光的波长对复合光敏层半导体中自由载流子浓度进行调控,实现对泵浦光颜色敏感的高动态范围可调超快开关行为。

    实验结果表明,采用近红外激光泵浦时,上层锗膜基本透明,硅层中的自由载流子得到激发,超快开关过程由硅层中的载流子驰豫过程决定,半恢复时间为0.78ns(如图b所示);而采用近紫外激光泵浦时,光子被锗层完全吸收,仅有锗层中的自由载流子得到激发,超快开关效应的半恢复时间缩短至8.8ps(如图c所示)。这样,通过改变泵浦激光的波长实现了太赫兹器件响应时间两个数量级的主动调控。

    在此基础上,该团队利用飞秒激光泵浦太赫兹探测技术研究了整个器件的载流子动力学过程,分析了复合光敏层与太赫兹波的相互作用,更加全面地分析了光生载流子的弛豫过程对太赫兹器件性能的影响机制。

    该工作不仅为操控快光控超快太赫兹调制器瞬态过程提供了全新的解决方案,还为全光器件调控提供了崭新的思路,对促进光子集成器件的发展具有重要意义,相关成果以“Pump-Color Selective Control of Ultrafast All-Optical Switching Dynamics in Metaphotonic Devices”为题于6月5日发表于Advanced Science,通讯作者为国防科技大学江天研究员。

    另外,该团队近期还实现了超快太赫兹调制的速率主动调控(Nanophotonics 20200017, 2192-8614)、共振频率调谐(Advanced Optical Materials, 7, 1901050, 2019)、复杂共振模式调谐(Laser & Photonics Reviews, 1900338, 2020)和超快太赫兹振幅调制(Nano Energy, 68, 104280, 2020),为发展主动调控的太赫兹元器件开辟了新路径。

    论文链接:https://doi.org/10.1002/advs.202000799

 
 

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