由杂原子掺杂实现的亚秒级低阈值全光开关
光学
2025-09-11 v1
摘要
超快全光开关（AOS）是推动集成光子器件发展的关键技术，涵盖高速光子信息处理至下一代全光计算和通信网络的应用。然而，传统非线性材料 suffer from 响应缓慢、阈值过高、非线性弱且带宽窄，严重限制了其实际应用前景。本文报道了一种杂原子工程策略，通过设计零维氮掺杂碳量子点（N-CQDs）实现远超现有技术的非线性光学性能。利用空间自相位调制（SSPM）和超快泵浦探测技术，我们首次构建了一个集成的 AOS 平台，其中 femtosecond 激光脉冲同时作为控制光束和信号光束。该 AOS 同时实现了亚秒级响应时间（520 fs）、超低能量阈值（2.2 W/cm^2）和巨大的非线性折射率（10^{-5} cm^2/W），工作波段广达 400-1064 nm，性能远超当前领先的碳基非线性材料（如碳纳米管）。光谱和带隙分析表明，这种独特性能源于氮掺杂所增强的 n-π 相互作用，放大了非线性极化动力学。更重要的是， ultrafast 荧光光谱学结果揭示了 N-CQDs 具有大型双光子吸收截面，挑战了宽带 SSPM 必须基于单光子激发的常规认识。这一发现阐明了基于单光子和双光子过程协同作用的多通道 AOS 机制。本工作为实现高速、宽带且能效高的 AOS 提供了新的设计范式。
引用
@article{arxiv.2509.08663,
title = {Femtosecond low-threshold all-optical switching enabled by giant broadband optical nonlinearity from heteroatom doping},
author = {Xuefeng Zhang and Zhongquan Nie and Jinhai Zou and Hanke Zhang and Xiaobin Wang and Jian Wu and Yuqiu Zhang and Jinyong Leng and Guohui Li and Yue Tian and Baohua Jia and Pu Zhou},
journal= {arXiv preprint arXiv:2509.08663},
year = {2025}
}