[논문 리뷰] Two-color all-optical switching in Si-compatible epsilon-near-zero hyperbolic metamaterials

Alessandro Pianelli, Rakesh Dhama외 3명|arXiv (Cornell University)|2023. 05. 11.

Metamaterials and Metasurfaces Applications인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 실리콘 기반 공정과 호환되는 탄소질화티타늄(TiN)과 인듐주석산화물(Indium-tin-oxide, ITO) 다층막으로 구성된 초평면성 광학재료(Hyperbolic Metamaterial, HMM)를 제안하며, 가시광선 및 가까운 적외선(통신 O-에서 S밴드까지) 영역에서 두 가지 구분되는 에프사-근처영역(epsilon-near-zero, ENZ) 파장을 나타낸다. 초고속 펌프-프로브 일시적 흡수 분광법을 통해 저자들은 몇백 펫토초 이내의 반응 시간을 가지는 광학적 스위칭을 실험적으로 입증하였으며, 이는 초고속 광학 집적 회로에서 동시에 다중 파장 조절이 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 초고속 광학 집적 회로에서 사용 가능한 실리콘 기반, 저손실 초평면성 광학재료를 개발하기 위해.
• 가시광선 및 근적외선 영역에서 이중 색상의 ENZ 작동을 실현하여 다중 파장 조절을 가능하게 하기 위해.
• 다층 HMM의 설계된 비선형성 덕분에 피코초 이하의 스위칭 속도를 달성하기 위해.
• ENZ 영역에서의 핫 전자 역학이 균일한 TiN 또는 ITO 필름보다 더 빠른 스위칭을 가능하게 한다는 것을 실험적으로 입증하기 위해.
• 하이브리드 광학 집적 시스템에서 테라헤르츠 수준의 모든 광학 조절기용 CMOS 호환 플랫폼을 제공하기 위해.

제안 방법

• 유리 기판 위에 자기장 스퍼터링과 전자빔 증착을 각각 사용하여 TiN 및 ITO 박막을 제작하였다.
• 개별 TiN 및 ITO 층의 굴절률(n)과 흡수율(k)을 추출하기 위해 분광학적 굴절률 측정법을 사용하였다.
• 가시광선 및 근적외선 스펙트럼에서 두 가지 효과적인 ENZ 파장을 달성하기 위해 교차로 배열된 TiN 및 ITO 이중층을 포함한 다층 HMM을 설계하였다.
• 20X 목표 렌즈와 Ocean Optics Flame UV-VIS 분광계를 사용하여 광역 반사율 및 투과율 측정을 수행하여 스펙트럼 반응을 특성화하였다.
• 100 fs 펄스를 사용한 800 nm 중심 파장의 초고속 펌프-프로브 일시적 흡수 분광법을 적용하여 비선형 역학을 탐측하였다. 터널링 가능한 OPA 생성 펌프 펄스를 사용하였다.
• 펌프 및 프로브 펄스 간의 시간 지연을 제어하기 위해 딜레이 라인 사용으로 500 Hz의 펌프 반복 주기 및 1 kHz의 프로브 반복 주기에서 시간 해상도 흡수 측정을 실현하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실리콘 기반 초평면성 광학재료를 설계하여 가시광선 및 근적외선 스펙트럼에서 두 가지 명확한 에프사-근처영역(ENZ) 파장을 가지게 할 수 있는가?
• RQ2 이러한 다층 HMM이 효과적인 ENZ 영역에서 초고속 광학적 스위칭 반응 시간은 얼마인가?
• RQ3 ENZ 파장에서 HMM 내의 핫 전자 역학은 개별 TiN 또는 ITO 필름에 비해 어떻게 다른가?
• RQ4 이 HMM은 피코초 이하의 반응 시간을 가지며 동시에 다중 파장의 광학 조절을 지원할 수 있는가?
• RQ5 이 HMM은 얼마나 높은 속도, 낮은 손실 및 CMOS 통합 가능성을 갖추고 있어 테라헤르츠 수준의 응용에 적합한 광학 스위칭을 가능하게 하는가?

주요 결과

• HMM은 가시광선 영역과 근적외선(통신 O-에서 S밴드까지) 스펙트럼 영역에서 각각 하나의 효과적인 ENZ 파장을 나타내어 이중 색상 광학 스위칭이 가능하다.
• 초고속 일시적 흡수 분광법을 통해 두 ENZ 파장 모두에서 수백 펫토초 이내의 스위칭 반응 시간이 확인되었다.
• HMM 내의 핫 전자 역학은 개별 TiN 또는 ITO 박막보다 현저히 빠르며, ENZ 영역에서 비선형 반응이 향상됨을 시사한다.
• 장치는 1.8–3.1 THz 주파수 범위에서 광학 조절이 가능하며, 테라헤르츠 수준의 광학 스위칭 잠재력을 보여준다.
• 저손실 특성을 지닌 실리콘 기반 재료(TiN 및 ITO)를 사용함으로써 CMOS 광학 플랫폼과의 호환성 및 하이브리드 통합이 가능하다.
• 초평면성 분산을 통한 광역 비선형 증폭을 달성하여 ENZ 조건에서 강한 빛-물질 상호작용이 가능하다.