[論文レビュー] Epsilon-Near-Zero Al-Doped ZnO for Ultrafast Switching at Telecom Wavelengths: Outpacing the Traditional Amplitude-Bandwidth Trade-Off

Nathaniel Kinsey, Clayton DeVault+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 26, 2015

Plasmonic and Surface Plasmon Research参考文献 69被引用数 166

ひとこと要約

本論文は、低エネルギー励起（<4 mJ/cm²）条件下で1.3 µm波長で40%の反射率変調を達成し、1 ps未満のキャリア再結合ダイナミクスを示す、エプシロン近ゼロ（ENZ）状態のアルミニウムドーピング亜鉛酸化亜鉛（AZO）薄膜の実証を行った。低温プロセスを用いて酸素空孔を増加させ、超高濃度キャリアを実現することで、従来の変調深度とスイッチング速度のトレードオフを克服し、7.5 µmの伝搬長で3 dBの利得を達成するTHz速度の全光パラスモニック変調器を実現した。

ABSTRACT

Transparent conducting oxides have recently gained great attention as CMOS-compatible materials for applications in nanophotonics due to their low optical loss, metal-like behavior, versatile/tailorable optical properties, and established fabrication procedures. In particular, aluminum doped zinc oxide (AZO) is very attractive because its dielectric permittivity can be engineered over a broad range in the near infrared and infrared. However, despite all these beneficial features, the slow (&gt; 100 ps) electron-hole recombination time typical of these compounds still represents a fundamental limitation impeding ultrafast optical modulation. Here we report the first epsilon-near-zero AZO thin films which simultaneously exhibit ultra-fast carrier dynamics (excitation and recombination time below 1 ps) and an outstanding reflectance modulation up to 40% for very low pump fluence levels (&lt; 4 mJ/cm2) at the telecom wavelength of 1.3 μm. The unique properties of the demonstrated AZO thin films are the result of a low temperature fabrication procedure promoting oxygen vacancies and an ultra-high carrier concentration. As a proof-of-concept, an all-optical AZO-based plasmonic modulator achieving 3 dB modulation in 7.5 μm and operating at THz frequencies is numerically demonstrated. Our results overcome the traditional "modulation depth vs. speed" trade-off by at least an order of magnitude, placing AZO among the most promising compounds for tunable/switchable nanophotonics.

研究の動機と目的

• 透明導電酸化物におけるキャリア再結合が100 ps以上も遅いために生じる根本的な速度制限を克服すること。
• 通信波長（1.3 µm）におけるパラスモニック応答を向上させるために、AZO薄膜にエプシロン近ゼロ（ENZ）状態を実現すること。
• 従来の振幅帯域幅トレードオフに反して、高い変調深度と超高速スイッチングを同時に達成すること。
• ENZ AZOを用いた実用的全光パラスモニック変調器をTHz周波数で動作させることの実証。
• 超高速ダイナミクスを実現するための高キャリア濃度および酸素空孔を有する材料を実現するためのプロセスルートの確立。

提案手法

• AZO薄膜内の酸素空孔を促進し、キャリア濃度を増加させる低温プロセスを用いる。
• 1.3 µmにおける誘電率の誘電率をエプシロン近ゼロ（ENZ）条件に調整し、光学的非線形性を向上させる。
• 超短パルスポンププローブ分光法を用いて、励起および再結合時間のキャリアダイナミクスを測定する。
• 有限差分時域法（FDTD）シミュレーションを用いて、ENZ AZOを基盤とする全光パラスモニック変調器のモデル化を行う。
• THz動作周波数で3 dB変調深度を達成するための変調器ジオメトリ（例：7.5 µm長さ）を最適化する。
• エネルギー効率と性能評価のため、低ポンプフラランス（<4 mJ/cm²）下での反射率変調を測定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 AZO薄膜を1.3 µmで超高速キャリアダイナミクスを示すエプシロン近ゼロ（ENZ）状態に加工可能か？
• RQ2 低ポンプフラランス（<4 mJ/cm²）下でENZ AZOにおける最大の反射率変調はどの程度か？
• RQ3 酸化物ベースのパラスモニック変調器において、従来の変調深度とスイッチング速度のトレードオフを克服可能か？
• RQ4 低温プロセスはAZOにおける酸素空孔濃度およびキャリアダイナミクスにどのように影響するか？
• RQ5 通信波長におけるENZ AZOを基盤とする全光パラスモニック変調器の理論的性能限界は何か？

主な発見

• 製造されたAZO薄膜は、従来のAZOよりも顕著に高速なサブ1 psのキャリア再結合ダイナミクスを示した。
• 4 mJ/cm²未満のポンプフラランス下で1.3 µm波長で最大40%の反射率変調を達成し、高い効率と強力な光学応答を示した。
• 低温プロセスにより酸素空孔が効果的に増加し、ENZ状態に不可欠な超高濃度キャリアを実現した。
• 数値シミュレーションにより、ENZ AZOを用いた全光パラスモニック変調器が、わずか7.5 µmの伝搬長で3 dBの変調を達成できることを確認した。
• 変調器はTHz周波数で動作し、統合ナノフォトニクス回路における超高速光スイッチングの可能性を示した。
• 従来の振幅帯域幅トレードオフを、性能指標において少なくとも1桁以上上回る画期的な成果を達成した。