浙江大学课题组发现超快光开关

任何材料的光学性质都可以从其介电常数导出。我们知道介电体的介电常数大于0，而金属的介电常数小于0。当材料的介电常数趋近于0时，其光学性质会发生许多奇妙的变化。例如光在其中传播的相速度会趋于无限大，而最近的研究表明，材料的非线性光学性质在介电常数趋近于0时也显著增大。

目前，在光频波段介电常数为0的材料主要有两大类，一种是人工设计制备的金属/介电体复合材料；另一种是一些载流子浓度小于常见金属的导电氧化物，例如ITO（铟锡氧化物）。

浙江大学课题组发现超快光开关
 

图1 ITO溶胶纳米晶的线性、非线性光学性质：a)不同掺杂浓度的ITO纳米晶薄膜归一化吸收光谱；b)载流子浓度和掺杂浓度的依赖关系；c)不同掺杂浓度的ITO纳米晶薄膜的介电常数（实部）；d)介电常数近零点（ENZ）的波长和载流子浓度的依赖关系；e) 掺杂5%，f)12%的ITO纳米晶薄膜的Z-扫描曲线。
 

浙江大学邱建荣教授课题组的刘小峰副教授最近研究发现，ITO这一介电常数近零点在近红外波段的导电氧化物，可用来实现光通讯波段的超快光开关。相关成果发表在Advanced Materials [29, 1700754 (2017)]上。
 

在实验中，该课题组的博士生郭强兵通过湿化学法制备了尺寸约为10 nm的不同掺杂浓度的ITO纳米晶，并将其制成薄膜，研究发现其介电常数近零点因载流子浓度不同，在1300 – 1600 nm范围内变化，并且非线性吸收测试表明，在相应波段这些ITO纳米晶薄膜都呈现负的非线性吸收系数，也即可饱和吸收。超快光谱测试表明，其源于自由载流子的响应速率在100 fs量级，因此可用来实现超快光开关。

图2 基于ITO纳米晶薄膜的超快激光器：a)Er掺杂光纤脉冲激光器示意图，（EDF，Er掺杂光纤；PC，偏振控制器；OC，输出端；PI-TIWDM，不依赖偏振的波分复用器）；b) 激光的输出光谱；c)锁模脉冲输出序列；d)自相关谱。
 

为了演示基于可饱和吸收效应的超快光开关，该课题组将ITO纳米晶制成复合薄膜，耦合到一掺Er光纤激光器中（图2），成功实现了在1550 nm光通讯波段的锁模脉冲激光输出，最小脉冲宽度为593 fs，信噪比为56 dB。通过调制掺杂浓度，这一材料可以实现从近红外到中红外较宽波段的光开关。
 

和目前各类基于二维材料的光开关相比，这种基于氧化物的光开关具有更好的稳定性，并且其可通过各种商用技术来实现大量制备，因此这一研究成果将为超快锁模激光器的光开关提供更加可靠且经济的解决方案，也有望打破目前SESAM在商用可饱和吸收体市场的垄断地位。

（来源：中国机床商务网）