带有等离子波导管的超快节能全光开关

NTT和东京工业大学（Tokyo Tech of Technology）共同开发了一种全光开关，该开关在超快状态下工作，响应时间在飞秒（fs）范围内，能耗在飞焦（fJ）范围内。为了同时实现速度和能量效率，研究人员将基于等离激元的纳米级光波导与石墨烯结合在一起。研究人员之所以使用石墨烯，是因为它在宽带波长范围内具有超快的非线性光学响应和大的吸收系数。单层石墨烯在从可见光到红外的波长范围内吸收2.3％的光，使其吸收系数比常规半导体大得多。另外，石墨烯显示出可饱和的吸收和非线性光学效应，并且其响应时间可以小于100 fs。研究人员说，这种超快速响应来自石墨烯载体非常短的弛豫时间。

在新的全光开关中，由可饱和吸收引起的透射率变化会切换开/关状态，并且由于光激发载流子，吸收会饱和。但是，该团队表示，石墨烯只有1个原子厚-对于光学器件来说很薄了。此外，当使用常规的由硅制成的波导时，石墨烯与光之间的相互作用较弱，这会增加能量消耗。研究团队通过将光强限制在纳米等离子波导中解决了这个问题。在纤芯宽度仅为30 nm，高度仅为20 nm的情况下，波导的纤芯面积小至λ2/ 4000（在这种情况下，波长为1550 nm）。纤芯尺寸为30×20 nm的等离激元波导的吸收系数估计要比纤芯尺寸为400×200 nm的石墨烯负载硅波导的吸收系数高得多。这使研究人员能够缩短设备长度。此外，由于等离激元波导芯小得多，所以等离激元波导中石墨烯位置处的光强度比硅波导中的石墨烯位置大310倍。该团队说，这种增强大大降低了开关所需的能量。

不同光交换架构的比较和性能。 由Tokyo Tech NTT提供。

研究人员使用NTT开发的纳米制造技术将石墨烯负载在等离子体波导上。这些等离激元波导的截面积约为紧凑硅波导截面积的1/100，而单模光纤的截面积约为1/105。

研究人员提出了一种全光开关，该开关由装有石墨烯的MIM-WG组成，该MIM-WG配备有连接到Si-WG的等离子体模式转换器。 由Tokyo Tech NTT提供。

通过实验获得负载石墨烯的等离激元波导吸收系数为1.7 dB /μm。 所获得的饱和能量为12 fJ，比负载石墨烯的硅波导小四个数量级。 因为可以将光强度的增加视为可饱和吸收中饱和能量的减少，所以该结果意味着光强度提高了四个数量级。新的全光开关的开关时间为260 fs，而开关能量为35 fJ。 根据研究人员的说法，对于任何一种以不到1皮秒的速度运行的全光开关，开关能量是有史以来报告的最小值（以前报道的最小值的1/100）。

信号灯通过控制灯打开/关闭。在TokyoTech / NTT开关中，控制光引起石墨烯的非线性光学效应。也就是说，它改变了石墨烯的吸收程度。35 fJ的开关能量可实现260 fs的开关时间。由Tokyo Tech NTT提供。

研究人员希望他们的全光开关将在未来的光子集成电路中用于超快信息处理。开关的纳米级波导还可以用作开发结合了纳米线和其他2D材料的纳米光子信息处理设备平台。 此外，全光开关装置可以用作光神经网络中的非线性激活函数。 将来，研究人员计划提高全光开关的性能，将该技术应用于其他光子设备，例如探测器，并探索使用其他纳米材料来制造该设备。