作者 | 虞绍良
光调制是现代光学技术中的基本环节，通过光与材料的相互作用，实现对光束的调控，在光通信、超快激光和光传感领域有广泛的应用。目前传统的方式是通过电学方法来提高信息处理速度，但快也只能在20~30个皮秒内完成信息处理。
基于此背景，浙江大学童利民教授研究组与复旦大学刘韡韬教授等合作，另辟蹊径，以二维材料为基础，采用全光调制，将处理时间提升至2~3个皮秒内，达到传统方法的近十倍速度。
具体如何实现?请跟随我们的脚步一起来探究吧。
石墨烯全光调制技术，
实现光信号处理速度提升近10倍
首先我们了解一下全光调制的基本原理：利用不同材料的非线性效应, 实现一束光对另外一束光强度和相位等物理量的调控。
具体来看，研究组将脉冲光和连续光同时作用于石墨烯，在脉冲光的激发下，石墨烯中载流子的跃迁和弛豫过程，会导致导带电子的耗尽和价带能级的填充。因为泡利阻塞，会形成连续光吸收的减少，也就实现了脉冲光对连续光进行强度调控。
基于二维材料的光调制的基本原理与响应时间范围
石墨烯的线性能带结构使该过程发生在2~3个皮秒内，相比传统电光调制，光信号的处理速度提升了近十倍。
石墨烯超快全光相位调制，
实现更高调制效率和更低光损耗率
研究中，脉冲光的激发不仅会影响石墨烯对光的吸收，也会改变其折射率，导致连续光相位的移动。为实现更高的调制效率和更低的光损耗率，在基于石墨烯直接光强度调制的基础上，研究人员进一步提出用脉冲光调控连续光相位的构想（即石墨烯超快全光相位调制）。实际实验中，当连续光相位移动时，研究人员观察到连续光强度发生了显著变化。
基于石墨烯的全光相位调制，在保持超快速响应的基础上，同时还可以将器件的调制深度大幅提升，插入损耗大幅降低， 这样很好地克服了直接强度调制中这两个参数之间互相制约的问题。
相关研究已发表了综述论文。论文中，作者不仅介绍了石墨烯全光调制研究工作，也对二维材料在光调制应用中的发展现状、优势和不足进行了系统分析。
相比传统的体材料 ，二维材料由于其特殊的结构尺寸和光学性质，在响应时间、工作波段和高密度集成等方面有着明显的优势。但同时也存在二维材料的线性吸收、热效应等因素，限制了其在大功率器件上的应用，还有待未来的研究工作解决。
该系列实验过程中，HORIBA iHR 320光谱仪主要用于对石墨烯转移过程中的层数判断和精确定位。如果您也想了解相关产品信息，可通过文末左下角“阅读原文”提交信息查看相关产品资料。
浙江大学童利民教授课题组
浙江大学童利民教授课题组长期致力于微纳光子学研究，在微纳尺度光场的产生、约束和调控等方向深耕多年，以一维波导为核心，发展了微纳谐振腔、激光器、调制器、传感器等多种光器件。
二维材料超快光调制为课题组近年的研究方向之一。研究组在该方向的系列论文发表于Nano Lett. 14, 955-959 (2014)、Light: Science & Applications 4, e348 (2015)、Optica 3, 541-544 (2016)、Adv. Mater. 29, 1606128 (2017)。该工作得到了科技部、国家科学基金委的资助。
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