作者 | 虞紹良

光調(diào)制是現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)中的基本環(huán)節(jié)，通過光與材料的相互作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)光束的調(diào)控，在光通信、超快激光和光傳感領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。目前傳統(tǒng)的方式是通過電學(xué)方法來提高信息處理速度，但zui快也只能在20~30個(gè)皮秒內(nèi)完成信息處理。

基于此背景，浙江大學(xué)童利民教授研究組與復(fù)旦大學(xué)劉韡韜教授等合作，另辟蹊徑，以二維材料為基礎(chǔ)，采用全光調(diào)制，將處理時(shí)間提升至2~3個(gè)皮秒內(nèi)，達(dá)到傳統(tǒng)方法的近十倍速度。

具體如何實(shí)現(xiàn)?請(qǐng)跟隨我們的腳步一起來探究吧。

石墨烯全光調(diào)制技術(shù)，

實(shí)現(xiàn)光信號(hào)處理速度提升近10倍

首先我們了解一下全光調(diào)制的基本原理：利用不同材料的非線性效應(yīng), 實(shí)現(xiàn)一束光對(duì)另外一束光強(qiáng)度和相位等物理量的調(diào)控。

具體來看，研究組將脈沖光和連續(xù)光同時(shí)作用于石墨烯，在脈沖光的激發(fā)下，石墨烯中載流子的躍遷和弛豫過程，會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)帶電子的耗盡和價(jià)帶能級(jí)的填充。因?yàn)榕堇枞?，?huì)形成連續(xù)光吸收的減少，也就實(shí)現(xiàn)了脈沖光對(duì)連續(xù)光進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)控。

基于二維材料的光調(diào)制的基本原理與響應(yīng)時(shí)間范圍

石墨烯的線性能帶結(jié)構(gòu)使該過程發(fā)生在2~3個(gè)皮秒內(nèi)，相比傳統(tǒng)電光調(diào)制，光信號(hào)的處理速度提升了近十倍。

石墨烯超快全光相位調(diào)制，

實(shí)現(xiàn)更高調(diào)制效率和更低光損耗率

研究中，脈沖光的激發(fā)不僅會(huì)影響石墨烯對(duì)光的吸收，也會(huì)改變其折射率，導(dǎo)致連續(xù)光相位的移動(dòng)。為實(shí)現(xiàn)更高的調(diào)制效率和更低的光損耗率，在基于石墨烯直接光強(qiáng)度調(diào)制的基礎(chǔ)上，研究人員進(jìn)一步提出用脈沖光調(diào)控連續(xù)光相位的構(gòu)想（即石墨烯超快全光相位調(diào)制）。實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)連續(xù)光相位移動(dòng)時(shí)，研究人員觀察到連續(xù)光強(qiáng)度發(fā)生了顯著變化。

基于石墨烯的全光相位調(diào)制，在保持超快速響應(yīng)的基礎(chǔ)上，同時(shí)還可以將器件的調(diào)制深度大幅提升，插入損耗大幅降低， 這樣很好地克服了直接強(qiáng)度調(diào)制中這兩個(gè)參數(shù)之間互相制約的問題。

相關(guān)研究已發(fā)表了綜述論文。論文中，作者不僅介紹了石墨烯全光調(diào)制研究工作，也對(duì)二維材料在光調(diào)制應(yīng)用中的發(fā)展現(xiàn)狀、優(yōu)勢(shì)和不足進(jìn)行了系統(tǒng)分析。

相比傳統(tǒng)的體材料 ，二維材料由于其特殊的結(jié)構(gòu)尺寸和光學(xué)性質(zhì)，在響應(yīng)時(shí)間、工作波段和高密度集成等方面有著明顯的優(yōu)勢(shì)。但同時(shí)也存在二維材料的線性吸收、熱效應(yīng)等因素，限制了其在大功率器件上的應(yīng)用，還有待未來的研究工作解決。

該系列實(shí)驗(yàn)過程中，HORIBA  iHR 320光譜儀主要用于對(duì)石墨烯轉(zhuǎn)移過程中的層數(shù)判斷和定位。如果您也想了解相關(guān)產(chǎn)品信息，可通過文末左下角“閱讀原文”提交信息查看相關(guān)產(chǎn)品資料。

浙江大學(xué)童利民教授課題組

浙江大學(xué)童利民教授課題組長(zhǎng)期致力于微納光子學(xué)研究，在微納尺度光場(chǎng)的產(chǎn)生、約束和調(diào)控等方向深耕多年，以一維波導(dǎo)為核心，發(fā)展了微納諧振腔、激光器、調(diào)制器、傳感器等多種光器件。

二維材料超快光調(diào)制為課題組近年的研究方向之一。研究組在該方向的系列論文發(fā)表于Nano Lett. 14, 955-959 (2014)、Light: Science & Applications 4, e348 (2015)、Optica 3, 541-544 (2016)、Adv. Mater. 29, 1606128 (2017)。該工作得到了科技部、國家科學(xué)基金委的資助。

>>>>HORIBA科學(xué)儀器事業(yè)部

結(jié)合旗下具有近 200 多年發(fā)展歷史的 Jobin Yvon 光學(xué)光譜技術(shù)，HORIBA Scientific 致力于為科研及工業(yè)用戶提供先進(jìn)的檢測(cè)和分析工具及解決方案。如：光學(xué)光譜、分子光譜、元素分析、材料表征及表面分析等先進(jìn)檢測(cè)技術(shù)。今天HORIBA 的高品質(zhì)科學(xué)儀器已經(jīng)成為科研、各行業(yè)研發(fā)及質(zhì)量控制的。