全光开关吸引了人们的注意，因为它们有可能克服电开关的速度限制。但是，由于现有材料固有的光学非线性小，实现超快、高能效的全光开关一直具有挑战性。作为解决方案，我们建议使用负载石墨烯的深亚波长等离子体波导（30×20 nm²）。由于极端的光限制，我们大大增强了石墨烯中的光学非线性吸收，并以35 fJ的开关能量和260 fs的开关时间，实现了超快的全光开关。开关能量比以前基于石墨烯的器件小四个数量级，并且是所有在几皮秒或更短时间内运行的全光开关的最小值。该器件可以有效地连接到常规的硅波导，并可以用在硅光子集成电路中。我们相信，这种基于石墨烯的器件将为芯片的超快和高能效的光子处理铺平道路。
 
Figure 1. （a）负载石墨烯的金属-绝缘体-金属(MIM)-WG的示意图。（b）MIM-WG的横截面侧视图，如(a)所示的红色虚线。（c）石墨烯负载的MIM-WG本征模的场分布（|E|₂）。（d）计算不同w_slot和t_Au值下，石墨烯的吸收系数。（e）各种w_slot和t_Au值的场增强因子EF。
 

Figure 2. （a）模式转换器周围的SEM图像，w_slot为70 nm，t_Au为40 nm。比例尺，1μm。（b）加载石墨烯的MIM-WG的俯视示意图。石墨烯负载的MIM-WG的SEM图，其中w_slot = 70 nm，t_Au = 40 nm和石墨烯长度l_G为（c）3.2μm和（d）7.2μm。MIM-WG长度l_MIM为10μm。比例尺，2μm。
 

Figure 3. （a）平均相对透射率与MIM-WG长度的关系。（b）对于各种w_slot和t_Au值，测量和计算的石墨烯的吸收系数。

 
Figure 4. （a）在装有石墨烯的（单层，双层）MIM-WG和参考硅线WG（不含石墨烯）中，皮秒激光脉冲可产生的饱和吸收。（b）在皮层负载石墨烯的MIM-WG中，皮秒级激光脉冲采用皮秒激光脉冲进行全光交换（红色圆圈），w_slot=30 nm，t_Au=20 nm和l_MIM=4μm。（c）泵-探头测量示意图。（d）在与（a）相同的样品中，用飞秒激光脉冲进行的饱和吸收。输入脉冲的波长为1550nm。
 

Figure 5. （a）在双层石墨烯负载的MIM-WG中，w_slot=30 nm，t_Au=20 nm和l_MIM=4μm，进行全光交换（红色圆圈）。还绘制了输入脉冲的自相关（蓝色圆圈）。（b）对于双层石墨烯负载的MIM-WG，消光比的控制脉冲能量依赖性（w_slot=30 nm，t_Au=20 nm和l_MIM=4μm）。
 
      相关研究成果于2019年由日本NTT公司纳米光子学中心Masaaki Ono课题组，发表在Nature Photonics（https://doi.org/10.1038/s41566-019-0547-7）上。原文：Ultrafast and energy-efficient all-optical switching with graphene-loaded deep-subwavelength plasmonic waveguides。