[论文解读] 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 4

一句话总结

本文提出了一种基于氮化钛（TiN）和氧化铟锡（ITO）多层结构的硅基兼容超材料，该材料在可见光和近红外（通信O至S波段）波段表现出两个独立的零介电常数（ENZ）波长。通过超快泵浦-探测瞬态吸收光谱技术，作者展示了响应时间低至几百飞秒的全光开关，实现了超快光子集成电路中同时多波长调制。

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.

研究动机与目标

• 开发一种硅基兼容、低损耗的超材料，用于集成光子电路中的超快全光开关。
• 在可见光和近红外波长范围内实现双色ENZ工作，以支持多波长调制。
• 通过在多层超材料中设计非线性特性，实现亚皮秒量级的开关速度。
• 实验验证热电子动力学在ENZ区域的响应速度优于均匀TiN或ITO薄膜。
• 为混合光子集成系统中太赫兹速率的全光调制器提供一种CMOS兼容的平台。

提出的方法

• 采用磁控溅射法和电子束蒸发法分别在玻璃基底上制备TiN和ITO薄膜。
• 利用光谱椭偏仪提取单个TiN和ITO层的光学常数（n和k）。
• 设计由交替排列的TiN和ITO双层构成的多层超材料，以在可见光和近红外光谱范围内实现两个有效ENZ波长。
• 采用20倍物镜和Ocean Optics Flame UV-VIS光谱仪进行宽带反射率和透射率测量，以表征光谱响应。
• 采用中心波长为800 nm、脉宽100 fs的超快泵浦-探测瞬态吸收光谱技术，结合可调谐OPA产生的泵浦脉冲，探测非线性动力学行为。
• 使用延迟线控制泵浦与探测脉冲之间的时间延迟，实现时间分辨吸收测量，泵浦重复频率为500 Hz，探测重复频率为1 kHz。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否设计一种硅基兼容的超材料，使其在可见光和近红外光谱范围内表现出两个独立的零介电常数（ENZ）波长？
• RQ2 该多层超材料在有效ENZ区域的超快全光开关响应时间是多少？
• RQ3 该超材料中热电子动力学与在单独的TiN或ITO薄膜中在ENZ波长下的行为相比如何？
• RQ4 该超材料能否支持多个波长同时全光调制，且响应时间小于100 fs？
• RQ5 该超材料在多大程度上可实现高速、低损耗、与CMOS兼容的光子开关，适用于太赫兹速率应用？

主要发现

• 该超材料在可见光波段和近红外波段（通信O至S波段）分别表现出两个有效ENZ波长，支持双色全光开关。
• 超快瞬态吸收光谱显示，在两个ENZ波长处，开关响应时间最快可达几百飞秒。
• 该超材料中的热电子动力学显著快于单独的TiN或ITO薄膜，表明在ENZ区域具有增强的非线性响应。
• 该器件可在1.8–3.1 THz频率范围内实现全光调制，展现出太赫兹速率光子开关的潜力。
• 采用硅基兼容材料（TiN和ITO）并具有低光学损耗，使其与CMOS光子平台兼容，并支持混合集成。
• 该超材料设计通过双曲色散实现带宽非线性增强，使在ENZ条件下实现强光-物质相互作用成为可能。