FOE | 浙江大学林宏焘教授课题组：石墨烯与光结合会产生什么
论文标题：Graphene-based all-optical modulators (基于石墨烯的全光调制器)
期刊：Frontiers of Optoelectronics
作者：Chuyu ZHONG(钟础宇), Junying LI, Hongtao LIN(林宏焘)
发表时间：28 June 2020
DOI： 10.1007/s12200-020-1020-4
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《Frontiers of Optoelectronics》期刊近日发表了浙江大学信息与电子工程学院林宏焘研究员课题组撰写的有关基于石墨烯的全光调制器件的综述性论文，该文章总结了基于石墨烯的全光调制的多种机理以及器件形式，对基于不同调制原理以及器件类型的器件进行了广泛的介绍，并进行比较分析，为未来的全光调制器特别是二维材料全光调制器提供有价值的参考。
Graphene-based all-optical modulators
Chuyu ZHONG, Junying LI, Hongtao LIN
Front. Optoelectron.. 2020, 13 (2): 114-128.
研究背景
随着信息化进程的发展，下一代信息处理技术对调制器件的集成度、速度、功耗等方面提出了新的需求，科研人员需要探寻新的光调制材料和器件工作方式。全光调制器因其在光处理链路中无需电光转换，以及可以实现超快调制的特点，在未来的光电信息处理技术中具有重要应用前景。同时，石墨烯作为具有超短响应时间的一种二维材料，被引入到全光调制中。由于其独特的结构以及能带特性，石墨烯可以与多种微纳光子结构进行灵活集成，构成不同形式的超快全光调制器。
浙江大学林宏焘研究员课题组在本论文中总结讨论了基于石墨烯的全光调制器的调制原理以及不同的器件形式。所讨论的四种调制原理包括热光效应、光致载流子调制效应、光克尔效应以及可饱和吸收效应，其中可饱和吸收效应的响应时间可达亚皮秒量级。本论文还总结了三种形式的石墨烯全光调制器，包括空间光全光调制器、微光纤集成全光调制器以及波导集成型全光调制器。其中，空间光调制器以及光纤器件的制备较为便利。然而，空间光与石墨烯相互作用较弱，需要利用共振效应提升调制效果。在微光纤集成器件中，信号光以光纤倏逝场的形式与石墨烯进行相互作用。这大大加大了相互作用强度，同时响应时间可达皮秒级别。但是，光纤中的功率密度仍然较大。对于在片集成型的器件，通过合理设计光子结构与石墨烯的集成形式，可以使得器件尺寸更小、石墨烯与光的相互作用强度更大。因而当前所报道的关于石墨烯全光调制的工作中，最低功耗以及最快速响应的器件由在片集成型器件所实现。
内容简介
本文介绍了浙江大学林宏焘研究员课题组关于石墨烯全光调制器的最新研究进展的调研：讨论了基于石墨烯全光调制的四种调制原理。介绍了空间光调制器型，微光纤集成型以及在片集成型石墨烯全光调制器的优势及挑战。这些研究揭示了石墨烯全光调制器在全光信息处理运算的巨大应用潜力。
图文导读
图1. 石墨烯全光调制器调制机理及响应时间
图2. 空间光调制的石墨烯全光调制器 [ACS Nano, 2012, 6(10): 9118–9124; Scientific Reports, 2014, 4(1): 7409; ACS Photonics, 2015, 2(11): 1513–1518]
图3. 微光纤集成石墨烯全光调制器 [Laser Physics Letters, 2013, 10(6): 065901; Nano Letters, 2014, 14(2): 955–959; Light, Science & Applications, 2015, 4(12): e360; Optics Express, 2015, 23(8): 10764–10770]
图4. 波导集成型石墨烯全光调制器 [ACS Nano, 2014, 8(11): 11386–11393; Scientific Reports, 2017, 7(1): 17046; Nanotechnology, 2018, 29(13): 135201; Applied Physics Express, 2019, 12(4): 042009]
图5. 超快超低功耗石墨烯全光调制器；（a）结构示意图及光场分布图，（b）Pump-probe测试法测量的响应时间曲线以及不同调制光能量下的调制深度曲线。[Nature Photonics, 2020, 14(1): 37–43]
摘要：All-optical devices, which are utilized to process optical signals without electro-optical conversion, play an essential role in the next generation ultrafast, ultralow power-consumption optical information processing systems. To satisfy the performance requirement, nonlinear optical materials that are associated with fast response, high nonlinearity, broad wavelength operation, low optical loss, low fabrication cost, and integration compatibility with optical components are required. Graphene is a promising candidate, particularly considering its electrically or optically tunable optical properties, ultrafast large nonlinearity, and high integration compatibility with various nanostructures. Thus far, three all-optical modulation systems utilize graphene, namely free-space modulators, fiber-based modulators, and on-chip modulators. This paper aims to provide a broad view of state-of-the-art researches on the graphene-based all-optical modulation systems. The performances of different devices are reviewed and compared to present a comprehensive analysis and perspective of graphene-based all-optical modulation devices.
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