Elektrycznie dostrajalna trzeciorzędowa nieliniowa odpowiedź optyczna w grafenie

Anonim

Badania skoncentrowane na materiałach 2D zintensyfikowały ich potencjał do modulowania światła w celu uzyskania lepszej wydajności i realizacji aplikacji, które mogą ulepszyć istniejące technologie. Grafen, najbardziej znany materiał 2D, wywodzący się z grafitu trójwymiarowego, stanowi monowarstwę atomów węgla ułożoną w sześciokątną sieć 2-D, wykazującą silne oddziaływania ultrafioletowe o bardzo szerokim spektrum, zdolne do działania w niezwykle szerokim spektrum zakres, odpowiedni dla fotoniki następnej generacji i urządzeń optoelektronicznych. Unikalne właściwości elektronowe grafenu pochodzą ze stożków Diraca, cechujących się elektronowymi strukturami pasmowymi, które zawierają nośniki ładunku o zerowej skutecznej masie, tak zwane bezmasowe ferriony Diraca występujące w materiałach 2D. Naukowcy zajmujący się materiałami znajdują się obecnie na etapie eksperymentalnego dzieciństwa, aby zrealizować wiele interesujących właściwości nieliniowych reakcji optycznych grafenu, aby pomóc w spełnieniu obietnicy zakłócenia istniejącej technologii i ułatwienia stosowania szerokiej gamy zastosowań.

Narodziny optyki nieliniowej przypisuje się eksperymentowi przeprowadzonemu w 1961 r. Przez Petera Frankena i współpracowników za pomocą pulsacyjnego lasera rubinowego, w którym po raz pierwszy zaobserwowali nieliniowy efekt generowania drugiej harmonicznej (SHG, podwojenie częstotliwości). Dynamiczna kontrola nieliniowości optycznych pozostaje obecnie ograniczona do laboratoriów badawczych jako narzędzie spektroskopowe.

Teraz pisze w Nature Photonics, Tao Jiang i in. donieść, że nieliniowe generowanie trzeciej harmonicznej (THG, potrojenie częstotliwości) może być szeroko dostrajane w grafenie przy użyciu elektrycznego napięcia bramki. Ma to wiele potencjalnych zastosowań - pożądane, nieliniowe mechanizmy optyczne grafenu i innych materiałów grafenopodobnych 2D są pożądane do zaprojektowania przyszłościowych układów fotonowych i optoelektronicznych z bardzo dużą prędkością i komplementarną kompatybilnością półprzewodników z tlenku metalu (CMOS) do wykonania urządzenia. Generowane elektrycznie generowanie drugiej harmonicznej było wcześniej zgłaszane w innych materiałach 2-D, takich jak diselenide Tungsten (WSe 2) z ekscytonami, chociaż szerokość widmowa była ograniczona. Eksperymentalnie, dostrojenie częstotliwości wejściowych lub potencjału chemicznego (E f) grafenu może dostarczyć szczegółowych informacji na temat nieliniowej odpowiedzi optycznej trzeciego rzędu, do tej pory sugerowanej w teorii.

Procesy nieliniowe trzeciego rzędu są również znane jako mieszanie czterofalowe, ponieważ mieszają one trzy pola, aby wytworzyć czwartą. Najnowsze wyniki Jiang i wsp. wynikają z możliwości dostosowania potencjału chemicznego (E f) grafenu i elektrycznego przełączania lub wyłączania pojedynczych fotonów i wielofotonowych przejść rezonansowych z bramkowaniem jonowo-żelowym (znanym również jako domieszkowane bramkami) dla danego zestawu częstotliwości wejściowych. Wyniki eksperymentalne dobrze pasowały do ​​teoretycznych obliczeń, aby zapewnić solidną podstawę do zrozumienia nieliniowych procesów trzeciego rzędu w grafenowych i grafenopodobnych materiałach Diraca.

Operacyjna szerokość pasma przestrajalnego THG wahała się od ~ 1300 nm do 1650 nm, pokrywając najbardziej rozpowszechniony zakres widmowy dla telekomunikacji światłowodowej przy 1550 nm. Tak szerokie pasmo operacyjne wynikało z rozkładu energii grafenowych fermionów Diraca. Obserwacja jest podobna do równoległego badania opublikowanego w Nature Nanotechnology, aby elektrycznie kontrolować efektywność THG (THGE) grafenu, podobnie przypisywanego fuzjom Diraca bez użycia mas. Ogólnie rzecz biorąc, doświadczalnie obserwowane szerokopasmowe, przestrajane przez bramkę nieliniowości optyczne grafenu oferują nowe podejście do konstruowania elektrycznie dostrajanych nieliniowych urządzeń optycznych w praktyce.

Istniejące połączenia elektroniczne (kable miedziane) na przykład cierpią na utratę przepustowości ze względu na ograniczenia wydajności, co utrudnia przyspieszone przetwarzanie informacji wymagane do przesyłania strumieniowego multimediów, przetwarzania w chmurze i Internetu rzeczy (IoT). Istnieje rosnące zapotrzebowanie na regulację światła i opracowanie kompaktowych, opłacalnych i wydajnych interkonektów optycznych dla większej przepustowości i mniejszych strat.

Przyszłe wysiłki badawcze prawdopodobnie wzmocnią obserwowane efekty przy użyciu różnych podejść, w tym integracji falowodów / włókien i rezonatorów optycznych. Ponadto, różne polaritony i metamateriały fotoniczne mogą zapewnić zlokalizowane wzmocnienie i manipulację nieliniowościami optycznymi w materiałach 2-D w celu wytworzenia powierzchniowych plazmonów i sprostania przewidywanym wyzwaniom związanym z nieliniową nanofotoniką i rozwojem urządzeń nanofizycznych, z zaawansowanymi rozwiązaniami optycznymi.

Wiedzę można rozszerzyć na inne nieliniowe procesy optyczne w grafenie, w tym generowanie wyższych harmonicznych wyższych rzędów. Istniejąca technologia z tradycyjnymi kryształami masowymi osiągnęła techniczne ograniczenia, aby zrealizować przewidywane zastosowania optoelektroniczne, ze względu na ich stosunkowo niewielką nieliniową podatność optyczną oraz złożone i kosztowne metody wytwarzania i integracji. Udowodnione nieliniowe wzmocnienie interakcji optycznych w materiałach 2-D powinno idealnie zostać opracowane równolegle z produkcją materiałów 2D na dużą skalę i wysokiej jakości, aby umożliwić całkowicie odmienne podejście do elektrycznie przestrajanej konstrukcji nanourządzeń. Takie nanourządzenia mogą ułatwiać proponowane postępy w dziedzinie metrologii, wykrywania, obrazowania, technologii kwantowej i telekomunikacji.

menu
menu