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图1 超快全光开关的结构和双相开关效果图
1. 导读
超快全光开关在光通信、光计算、超快传感等领域有重要的应用价值。目前超快全光开关已经在可见光、红外和太赫兹光谱成功实现了亚皮秒的开关速度。然而，由于材料限制和结构加工方面的困难，在紫外波段内的亚皮秒全光调控仍难以实现。此外，传统的全光开关在特定波长的激发下，仅具备光激发前平衡态（0态）与激发后吸收系数单一变化的非平衡态（1态）两种状态，难以满足日益丰富的光开关应用需求。针对这些问题，近日厦门大学杨志林教授团队与汕头大学李明德教授课题组合作在Nanophotonics发表文章，提出了一种紫外波段双相超快全光开关。利用ITO带边的带间跃迁与Si3N4-ITO纳腔的相互作用，实现了紫外波段的超快开关，该全光开关可以在较低的泵浦功率下（0.17
mJ/cm2）得到500fs的开关速度。特别值得指出的是，该体系可以在保持ITO层不变的情况下，通过改变覆盖层Si3N4的厚度来实现瞬态反射谱（ΔR/R）在同一激发波长处符号相反的亚皮秒信号。这意味着一组开关在相同的激发条件下可以存在平衡态（0态）、吸收系数增加的非平衡态（1态）、吸收系数减少的非平衡态（-1态）三种状态，如图1所示。2. 研究背景
超快全光开关是全光调控中的重要研究对象，其开关状态是通过脉冲光的作用改变材料的光学响应来实现的。由于其极高的速度和在芯片上集成的潜力，可广泛应用于光计算、光通讯和传感。全光开关的研究可追溯至1976年的光双稳态实验。自问世以来，全光开关响应速度的提升和工作波长的扩展一直是研究的重点。目前，研究人员在可见光波段通过金属等离激元结构以及硅和磷化镓等半导体材料进行了大量的全光开关研究；在红外波段透明金属氧化物是主要研究对象；而在太赫兹频段石墨烯和过渡金属硫化物等二维材料在研究中发挥了重要的作用。得益于光学克尔效应（OKE）和双光子吸收（TPA）等超快的三阶非线性过程，这些光开关在不同光谱范围内的响应速度已达到亚皮秒级。紫外波段在研究生物和化学分子、宽禁带半导体中具有重要意义，可广泛应用于高分辨率成像、光刻和传感技术。高速光场调控为深入理解和操控这些材料在紫外波段的动态过程提供了新的可能。近期，研究人员通过利用CdFe的退磁动力学，实现了在极紫外波段的超快全光磁开关，其开关速度达到了百皮秒量级。这一进展引发了科研人员对紫外波段全光控制的广泛关注。然而，由于材料的带间跃迁响应相对缓慢、缺乏有效的控制机制，以及在亚300纳米尺度下的微纳加工难度等挑战，当前尚未在紫外光谱中实现亚皮秒级的全光开关。3. 创新研究
针对上述挑战，研究者设计并制备了Si3N4-ITO反射薄膜纳米腔，旨在通过叠加ITO带间跃迁和Fabry-Pérot（FP）谐振，将全光开关的工作波长扩展到紫外范围。ITO是透明金属氧化物材料的代表之一，因其介电函数特性而作为红外波段全光调控的常用研究对象。但研究者注意到其低电子热容及紫外波段的光响应也有可能应用于紫外波段全关开关的开发。在该工作中，研究者首先利用Si3N4覆盖层与ITO工作层共同构成纳米腔，将光场的能量高效耦合进开关体系。之后通过精确设计腔体的尺寸将谐振的波长确定在ITO的带边，使紫外波段的带间跃迁和FP模式共同作用。最终在带内激发的条件下使纳米腔体系表现了亚皮秒的响应速度，实现了紫外波段的超快全光开关，如图2所示。![]()
图2 Si3N4-ITO体系的不同泵浦波长下瞬态反射光谱和动力学过程
随后，研究团队对相同ITO不同Si3N4厚度层的一组器件进行了表征。实验结果图中可以看出，在相同的激发条件下紫外波段（330nm处）的瞬态反射信号呈现出ΔR/R符号相反，绝对值和响应速度几乎一致的两种状态，如图3所示。这种同一波长处相反的瞬态反射信号（1，-1）再加上激发前的平衡态（0）可以看做是一组双相全光开关。受益于带间跃迁引起的电子弛豫过程的叠加效果，紫外全光开关的速度比可见区更快，这种方法还可以拓展到其他波段的全光调控中。![]()
图3 瞬态反射谱中的双相调控效果
4. 应用与展望
该研究成果填补了紫外波段亚皮秒全光开关的研究空白，其带间跃迁和光学模式叠加的结构设计和振幅双相全光调控的效果为新型全光开关的开发提供了新的思路。这种光学模式叠加带间跃迁的思路未来可以在透明金属氧化物中广泛拓展，实现更多波段的全光调控。同时，双相开关则增加了全光调控的自由度，在光通信、光计算等领域都有广阔的应用前景。该研究成果以“Sub-picosecond Biphasic Ultrafast All-Optical
Switching in Ultraviolet Band”为题在线发表在Nanophotonics。本文作者是Xiaoxiang Dong, Yonglin He,Tao Zhu, Renxian Gao, Lingyun Hu, Jiayu Li, Peiwen Ren, Jian-Feng Li, Ming-De
Li, Zhilin Yang，其中Xiaoxiang
Dong, Yonglin He为共同第一作者， Zhilin Yang教授为通讯作者。
