基于石墨烯的太赫兹透明度超快调控

1. 导读

太赫兹频段集成非线性光学器件对于太赫兹高速调制，信息传递，太赫兹产生，多物理场太赫兹调控具有重要意义。最近，电子科技大学王兰博士后在Nanophotonic期刊发表了最新的研究进展。该工作利用多层石墨烯-金属复合结构超表面作为平台，通过同向泵浦飞秒激光调控石墨烯超快热力学非线性电导率，实现了太赫兹波透明度的显著提升。在时间泵浦探测实验中，观测到太赫兹透明度响应延迟小于10ps。

2. 研究背景

由于无带隙的狄拉克-费米子分布，从太赫兹到深紫外的超宽范围内石墨烯都显示出极高的非线性。同时，由于石墨烯是一种原子层厚的纳米材料，易于封装在各种光学结构中，非常适合用于太赫兹集成非线性光学器件的开发。但是，石墨烯超薄的厚度也带来了与光弱相互作用的问题。超表面结构对电磁波灵活的控制特性使其在光子器件、集成芯片、传感器中都显示出巨大的应用潜力。更重要的是，由微结构组成的超表面其亚波长电容间隙中存在着强烈的局域场，对于外部激发非常敏感，可用于增强光与物质的相互作用。

3. 创新研究

针对以上研究背景，研究人员在碳化硅衬底上制备了多层石墨烯与金属复合的超表面腔（GMCs）。石墨烯中的自由载流子在光泵浦下通过带内光电导机制吸收光子能量并转化成电子热，这一过程与热电子产生，载流子-载流子散射的增强，以及晶格温度增加引起的载流子散射紧密相关。当散射和晶格温度对石墨烯电导率的影响超过载流子浓度的增加带来的影响时，在宏观上体现为石墨烯电导率的降低。这种非线性效应使得太赫兹波强度增强,ΔT∝M |∆𝜎| IpITHz,其中∆𝜎为GMCs的有效电导率退化，Ip和ITHz分别为泵浦和太赫兹波的原始强度，M为损失系数。在此过程中，两个环之间的耦合效应提供了相当大的局域场，促进了太赫兹-石墨烯的相互作用。具体而言，利用超表面腔结构有助于增加ITHz，同时抑制线性损失，提供更高的增强效率，如图1所示。

图1 基于多层石墨烯的超表面

对于掺杂EF < 1/2hfp的石墨烯来说，饱和吸收通常具有较小的阈值，随着泵浦功率的增加，石墨烯的电导率由于热电子的产生而降低，因此石墨烯对于泵浦激光和太赫兹波的吸收都将降低，此过程中可以观测到泵浦光和太赫兹波透明度的增加。如图2所示，当泵浦光功率从0提升到75mW时，仅有石墨烯的Gr-SiC中的泵浦光传输增加。但是GMCs中，由于meta结构谐振引起的高局域场促进了太赫兹波与石墨烯的相互作用，观察到了更高的泵浦光消耗和太赫兹透明度的增长。当激光功率高于200mW时，石墨烯吸收达到饱和。

图2 SiC、Gr-SiC和GMCs的非线性传输

采用可控的自由空间延迟线，在泵浦探测测量中观测到GMCs太赫兹透明度提升展示出独特的超快响应。图3 c和d蓝线和红线分别表征泵浦光和太赫兹波强度随时间的变化过程，当动态延迟的激光脉冲和太赫兹脉冲重叠时，石墨烯电子气消耗泵浦功率同时增添太赫兹波。在此过程中，时间宽度下降/峰值小于10ps，证明超快激光动态控制太赫兹波传输速度超过100GHz。

图3 超快光调控太赫兹波过程

4. 应用与展望

该研究提出的基于石墨烯-金属复合结构超表面展示出独特的可调谐能力，响应延迟小于10ps的超快光学开关，以及控制石墨烯费米能级的电光调制潜力。二维材料超表面和超快非线性光学的结合在纳米尺度上架起了光波和太赫兹波的桥梁，为未来超高速太赫兹通信和信号处理开辟了新的平台。

该研究成果以“Ultrafast terahertz transparency boosting in graphene meta-cavities”为题在线发表在Nanophotonics。

本工作电子科技大学为第一完成单位，博士后王兰和博士生安宁为共同第一作者。电子科技大学的张雅鑫教授、姚佰承教授与中国电子科技集团公司第十三研究所蔚翠研究员为共同通讯作者。此项工作得到了国家重点研发计划项目、国家自然科学基金项目、中国博士后科学基金会等的资助。