[论文解读] Electrically tunable VO2-metal metasurface for mid-infrared switching, limiting, and nonlinear isolation

Jonathan King, Chenghao Wan+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 16, 2023

Optical Wireless Communication Technologies被引用 8

一句话总结

论文证明了一种在中红外区域通过金属的焦耳加热实现的电控 VO2-金属超表面，可作为可调光开关、限幅器和非线性隔离器。实现了约100倍的透射变化，以及可调的限幅阈值和隔离范围。

ABSTRACT

We demonstrate an electrically controlled metal-VO2 metasurface for the mid-wave infrared that simultaneously functions as a tunable optical switch, an optical limiter with a tunable limiting threshold, and a nonlinear optical isolator with a tunable operating range. The tunability is achieved via Joule heating through the metal comprising the metasurface, resulting in an integrated optoelectronic device. As an optical switch, the device has an experimental transmission ratio of ~100 when varying the bias current. Operating as an optical limiter, we demonstrated tunability of the limiting threshold from 20 mW to 180 mW of incident laser power. Similar degrees of tunability are also achieved for nonlinear optical isolation, which enables asymmetric (nonreciprocal) transmission.

研究动机与目标

• 开发用于中红外操作的电控 VO2-金属超表面。
• 展示在同一器件中实现可调开关、限幅和非线性隔离。
• 量化透射、限幅阈值和隔离带宽的可调性。
• 利用金属的焦耳加热实现集成光电子控制。

提出的方法

• 制作与焦耳加热机制集成的 VO2-金属超表面。
• 利用焦耳加热通过金属部件诱导 VO2 相变。
• 在不同偏置电流下表征光学透射以评估开关性能。
• 通过改变入射激光功率并记录透射抑制的起始来测量限幅阈值。
• 演示具有非对称（非往返性）透射的可调非线性隔离。
• 分析偏置电流、VO2相态与光学响应之间的相关性。

实验结果

研究问题

• RQ1 金属在 VO2-金属超表面中的焦耳加热如何实现中红外的电控可调开关、限幅和非线性隔离？
• RQ2 在该器件中透射、限幅阈值和隔离器工作窗口的可调范围有多大？
• RQ3 VO2相态如何调制光学性质以实现非往返透射？

主要发现

• 在偏置电流变化时，实验透射比约为100用于开关。
• 限幅阈值可在入射激光功率20 mW至180 mW之间实现可调。
• 实现了类似的可调性用于非线性光学隔离，能够实现非对称透射。
• 证明在中红外区域实现了 VO2 基超表面与光电子控制的集成。
• 在单一器件中展示了开关、限幅器和隔离器的并存功能。