近日，中國科學院上海光學精密機械研究所薄膜光學實驗室在基于波紋ENZ（epsilon-near-zero）材料增強非線性吸收的寬帶超快全光開關(guān)研究方面取得新進展?？蒲袌F隊提出了一種基于ENZ材料增強非線性吸收的寬帶超快全光開關(guān)方案，并利用亞波長波紋ITO薄膜在1450-1650nm波段實現(xiàn)了寬帶超快全光開關(guān)，其品質(zhì)因子優(yōu)于已報道的基于平面AZO薄膜、ITO納米棒及MIM納米微腔的全光開關(guān)。相關(guān)研究成果以Broad-Band Ultrafast All-Optical Switching Based on Enhanced Nonlinear Absorption in Corrugated Indium Tin Oxide Films為題，發(fā)表在ACS Nano上。

超快全光開關(guān)是光通信、光計算與量子信息處理領(lǐng)域的核心器件。近年來，ENZ增強非線性折射為超快全光開關(guān)提供了有效的解決方案。然而，非線性折射誘導共振模式漂移難以實現(xiàn)寬波長操作。此外，平面ENZ薄膜的ENZ增強非線性折射具有本征的偏振和角度依賴特征，限制了這些全光開關(guān)的應(yīng)用場景。無帶隙石墨烯的寬帶非線性吸收可解決基于非線性折射的超快全光開關(guān)的窄帶問題，為基于ENZ材料的寬帶全光開關(guān)提供了新思路。然而，與石墨烯不同，平面ENZ薄膜難以在寬波長范圍內(nèi)實現(xiàn)平坦的完美吸收，因而無法直接構(gòu)建寬帶全光開關(guān)。

本工作提出了基于波紋ITO薄膜增強非線性吸收的寬帶超快全光開關(guān)方案，其核心思想是利用波紋ITO薄膜中的ENZ和LSPR模式實現(xiàn)的寬帶完美吸收和場增強，增強寬帶非線性吸收，進而利用ITO材料特有的帶內(nèi)超快非線性響應(yīng)實現(xiàn)寬帶超快全光開關(guān)。研究設(shè)計制備了基于SiO₂微球掩膜的亞波長波紋ITO薄膜，利用其ENZ和LSPR模式在1450-1650nm范圍內(nèi)實現(xiàn)了完美吸收（A>98%）和大的局域場增強，使得器件在1450nm處的非線性飽和吸收系數(shù)高達-1.5 10⁵ cm/GW，對應(yīng)的消光比和開關(guān)時間在18.51 mJ/cm²泵浦通量下分別為14.32 dB和350 fs。此外，波紋ITO薄膜良好的結(jié)構(gòu)對稱性使全光開關(guān)在200 nm吸收帶內(nèi)具有偏振無關(guān)和廣角特征。波紋ENZ薄膜可在不增加響應(yīng)時間的前提下克服平面ENZ薄膜本征的窄帶、偏振依賴和角度依賴問題，是潛在的ENZ超快全光開關(guān)材料平臺。

研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、中國博士后科學基金面上資助項目及中科院國際合作局對外合作重點項目的支持。

（a）1450nm處器件在18.51 mJ/cm²泵浦通量下的瞬態(tài)漂白動力學，（b）器件在入射角為10 時的寬帶特征

表1 基于ENZ材料的超快全光開關(guān)性能指標

來源：中國科學院上海光學精密機械研究所