[論文レビュー] Two-color all-optical switching in Si-compatible epsilon-near-zero hyperbolic metamaterials

Alessandro Pianelli, Rakesh Dhama+3 more|arXiv (Cornell University)|May 11, 2023

Metamaterials and Metasurfaces Applications被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、チタニウム窒化物（TiN）とインジウムトインオキサイド（ITO）の積層膜で構成されるSi準拠の双曲的メタマテリアル（HMM）を提案しており、可視光および近赤外（通信O〜Sバンド）領域に二つの明確に分離されたイプシロン・ネア・ゼロ（ENZ）波長を示す。超短パルスポンプ・プローブ透過吸収分光法を用いて、数フェムト秒の応答時間を有する全光的スイッチングを実証し、超高速光集積回路における同時多波長変調を可能にする。

ABSTRACT

All-optical ultrafast switches enabled by artificial materials are considered at the forefront of the next generation of photonic communications and data processing. During the last two decades, the photonic applications, impact, and interest have tremendously increased in the framework of epsilon-near-zero (ENZ) photonics. Here, we experimentally propose a novel multilayered metamaterial utilizing Si-compatible titanium nitride and indium-tin-oxide materials. The device exhibits two effective ENZ wavelengths in the visible and near-infrared spectrum, with switching times down to a few hundred femtoseconds at the corresponding ENZ regions. This novel approach will bring ENZ metamaterials towards new hybrid integrated CMOS photonic circuit components for ultrafast all-optical terahertz modulation.

研究の動機と目的

• 超高速全光スイッチングを実現するSi準拠で低損失の双曲的メタマテリアルの開発。
• 可視光および近赤外波長帯で二色のENZ動作を達成し、多波長変調を実現。
• 積層HMMにおける設計された非線形性により、ピコ秒未満のスイッチング速度を実現。
• 熱励起電子のダイナミクスがENZ領域で均一なTiNまたはITO膜と比較してより速いスイッチングを可能にすることを実験的に示すこと。
• ハイブリッド光集積システムにおけるテラヘルツレート全光変調器のCMOS準拠プラットフォームを提供すること。

提案手法

• ガラス基板上に磁気スパッタリングと電子ビーム蒸着を用いてTiNおよびITOの薄膜を形成。
• 個々のTiNおよびITO膜の屈折率（n）および吸収係数（k）を取得するために分光的屈折率測定法を用いる。
• 可視光および近赤外スペクトルに二つの有効ENZ波長を達成するために、TiNとITOの積層膜を交互に配置した多層HMMを設計。
• 20倍の目的レンズとOcean Optics Flame UV-VIS分光計を用いた広帯域反射率および透過率測定により、スペクトル応答を特徴づける。
• 800 nm中心波長の100 fsパルスと可変周波数のOPA生成ポンプパルスを用い、非線形ダイナミクスを調査する超短パルスポンプ・プローブ透過吸収分光法を適用。
• ポンプとプローブパルス間の時間遅延を制御するための遅延ラインを用い、ポンプ繰り返し周波数500 Hz、プローブ1 kHzの条件下で時間分解吸収測定を実施。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 可視光および近赤外スペクトルに二つの明確に分離されたイプシロン・ネア・ゼロ（ENZ）波長を示すSi準拠の双曲的メタマテリアルを設計可能か？
• RQ2 その有効ENZ領域において、このような多層HMMの超高速全光スイッチング応答時間はどの程度か？
• RQ3 ENZ波長において、HMM内の熱励起電子ダイナミクスは、個々のTiNまたはITO薄膜と比較してどのように異なるか？
• RQ4 このHMMは、100 fs未満の応答時間で複数波長の同時全光変調を可能にするか？
• RQ5 このHMMは、テラヘルツレート応用を想定した高速・低損失・CMOS統合型光スイッチングをどの程度実現できるか？

主な発見

• HMMは、可視光帯域と近赤外（通信O〜Sバンド）スペクトルにそれぞれ一つの有効ENZ波長を示し、二色の全光スイッチングを可能にする。
• 超高速透過吸収分光法により、両ENZ波長で数フェムト秒の応答時間を有するスイッチングが確認された。
• HMM内での熱励起電子ダイナミクスは、個々のTiNまたはITO薄膜と比較して顕著に高速であり、ENZ領域における非線形応答の強化を示している。
• 1.8–3.1 THz周波数帯域で全光変調が可能であり、テラヘルツレート光スイッチングへの応用可能性を示している。
• 低損失のSi準拠材料（TiNおよびITO）を用いることで、CMOS光集積プラットフォームおよびハイブリッド統合への適合性が確保された。
• HMMの設計により、双曲的分散を介した広帯域非線形増幅が達成され、ENZ条件における強い光・物質相互作用が実現された。