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Jun 15, 2023

研究者がグラフェンを開発

アリゾナ州立大学 (ASU) の研究者は、サブ波長の厚さ (<1/5λ0) ハイブリッド グラフェン - プラズモニック メタ表面に基づいて強化された可飽和吸収効果の設計コンセプトを発表しました。

アリゾナ州立大学（ASU）の研究者らは、赤外波長におけるサブ波長厚（<1/5λ0）のハイブリッドグラフェン・プラズモニックメタ表面構造に基づいた可飽和吸収効果を高める設計コンセプトを発表した。 ASU フォトニクスイノベーションセンターの Yu Yao 氏とその研究チームは、GPSMA として知られるグラフェンとプラズモニックのハイブリッドメタ構造可飽和吸収体と呼ばれる、より高速でエネルギー効率の高いナノスケールレーザーコンポーネントを設計しました。

研究チームの理論的および実験的結果は、ナノスケールのホットスポット内の非平衡キャリアを励起することによって、グラフェンの可飽和吸収を高めるだけでなく、飽和フルエンスを3桁以上（〜1 mJ/cm2から〜100 mJ/cm2まで）減少させることができることを実証した。 nJ/cm2)。 彼らのポンプとプローブの測定結果は、超短い可飽和吸収回復時間 (<60 fs) を示唆しており、これは最終的にはグラフェン内の光励起キャリアの緩和ダイナミクスによって決定されます。 彼らはまた、自己相関測定結果に基づいて、デバイスにおけるパルス狭窄効果を観察しました。 このような設計コンセプトは、中赤外スペクトル領域および遠赤外スペクトル領域までのより広い波長範囲で動作するように構造工学によって調整できます。 これらの超高速、低飽和フルエンス可飽和吸収体設計により、低しきい値、コンパクト、自己起動型モードロック レーザー、レーザー パルス整形、および高速光情報処理が可能になります。

レーザーは細い光線を生成します。 レーザー光がナノスケールで物質の表面と相互作用すると、プラズモンとして知られる光の波が放射され、特定のプラズモンの属性によって情報が伝達されます。 光伝送では、レーザーが可飽和吸収体と呼ばれるコンポーネントで光をポンピングして光信号を生成します。

同チームが最近開発した GPSMA には、通信、情報処理、分光学、生物医学産業全体に応用できる可能性があります。 アブソーバーを使用すると、速度、効率、全体的なパフォーマンスを向上させ、データ伝送、情報処理、生物医学センシングおよびイメージング技術を進歩させることができます。

ヤオ氏のチームは、光変調と可飽和吸収における有益な特性により、人工的に加工された金属とグラフェンのハイブリッド材料を研究に組み込んでいる。

科学者らは、ホットスポットとして知られる材料のナノスケールギャップに光を集中させて吸収を高める光アンテナアレイを設計することで、目覚ましい成果を達成した。 これらのホットスポットにレーザーを集中させることで、パフォーマンスの向上とエネルギー使用量の削減が観察されました。

「グラフェンは軽量で光学応答時間が速いですが、単層の形態では吸収率が低いです」とヤオ氏は述べた。 「私たちは、ナノスケールのホットスポットでの光吸収を 3 桁以上増加させることができるようにこのデバイスを設計し、その結果、強力な光吸収だけでなく、飽和吸収効果も得られます。 GPSMA を使用して、実際に消費電力をほぼ 2 ～ 3 桁削減できる可飽和吸収デバイスを作成しています。」

彼らの新しい技術は、その速度により、赤外線レーザー分光法と、光ファイバーケーブルと衛星通信の両方を使用した高速光信号通信の機会を開く可能性があります。

「私たちのデバイスは記録的な高速で動作できます」とヤオ氏は語った。 「従来の可飽和吸収体はナノ秒の時間スケールで動作できますが、現在は約 60 フェムト秒に達しており、これは 100,000 倍以上高速です。」

GPSMA は現在、電磁スペクトル上の近赤外線の波長で動作しています。 グラフェンの幅広い光学応答のおかげで、そのスペクトル範囲を赤外スペクトル領域の長波長まで拡張することが可能であり、分子分光法や光通信にとって非常に興味深いものとなっています。 しかし、より長い波長では、可飽和吸収体を実現し、超短レーザーパルスを生成することは従来より困難である。 GPSMA 設計コンセプトは、この技術的なギャップを埋めることができます。