作者 | 虞紹良

光調制是現代光學技術中的基本環節，通過光與材料的相互作用，實現對光束的調控，在光通信、超快激光和光傳感領域有廣泛的應用。目前傳統的方式是通過電學方法來提高信息處理速度，但zui快也只能在20~30個皮秒內完成信息處理。

基于此背景，浙江大學童利民教授研究組與復旦大學劉韡韜教授等合作，另辟蹊徑，以二維材料為基礎，采用全光調制，將處理時間提升至2~3個皮秒內，達到傳統方法的近十倍速度。

具體如何實現?請跟隨我們的腳步一起來探究吧。

石墨烯全光調制技術，

實現光信號處理速度提升近10倍

首先我們了解一下全光調制的基本原理：利用不同材料的非線性效應, 實現一束光對另外一束光強度和相位等物理量的調控。

具體來看，研究組將脈沖光和連續光同時作用于石墨烯，在脈沖光的激發下，石墨烯中載流子的躍遷和弛豫過程，會導致導帶電子的耗盡和價帶能級的填充。因為泡利阻塞，會形成連續光吸收的減少，也就實現了脈沖光對連續光進行強度調控。

基于二維材料的光調制的基本原理與響應時間范圍

石墨烯的線性能帶結構使該過程發生在2~3個皮秒內，相比傳統電光調制，光信號的處理速度提升了近十倍。

石墨烯超快全光相位調制，

實現更高調制效率和更低光損耗率

研究中，脈沖光的激發不僅會影響石墨烯對光的吸收，也會改變其折射率，導致連續光相位的移動。為實現更高的調制效率和更低的光損耗率，在基于石墨烯直接光強度調制的基礎上，研究人員進一步提出用脈沖光調控連續光相位的構想（即石墨烯超快全光相位調制）。實際實驗中，當連續光相位移動時，研究人員觀察到連續光強度發生了顯著變化。

基于石墨烯的全光相位調制，在保持超快速響應的基礎上，同時還可以將器件的調制深度大幅提升，插入損耗大幅降低， 這樣很好地克服了直接強度調制中這兩個參數之間互相制約的問題。

相關研究已發表了綜述論文。論文中，作者不僅介紹了石墨烯全光調制研究工作，也對二維材料在光調制應用中的發展現狀、優勢和不足進行了系統分析。

相比傳統的體材料 ，二維材料由于其特殊的結構尺寸和光學性質，在響應時間、工作波段和高密度集成等方面有著明顯的優勢。但同時也存在二維材料的線性吸收、熱效應等因素，限制了其在大功率器件上的應用，還有待未來的研究工作解決。

該系列實驗過程中，HORIBA  iHR 320光譜儀主要用于對石墨烯轉移過程中的層數判斷和定位。如果您也想了解相關產品信息，可通過文末左下角“閱讀原文”提交信息查看相關產品資料。

浙江大學童利民教授課題組

浙江大學童利民教授課題組長期致力于微納光子學研究，在微納尺度光場的產生、約束和調控等方向深耕多年，以一維波導為核心，發展了微納諧振腔、激光器、調制器、傳感器等多種光器件。

二維材料超快光調制為課題組近年的研究方向之一。研究組在該方向的系列論文發表于Nano Lett. 14, 955-959 (2014)、Light: Science & Applications 4, e348 (2015)、Optica 3, 541-544 (2016)、Adv. Mater. 29, 1606128 (2017)。該工作得到了科技部、國家科學基金委的資助。

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