Ultrafast and energy-efficient all-optical switching with graphene-loaded deep-subwavelength plasmonic waveguides

超短脉冲 石墨烯 光电子学 光子学 材料科学 等离子体子 超快光学 光学 纳米技术 物理 激光器
作者
Masaaki Ono,Masanori Hata,Masato Tsunekawa,Kengo Nozaki,Hisashi Sumikura,H. Chiba,Masaya Notomi
出处
期刊:Nature Photonics [Nature Portfolio]
卷期号:14 (1): 37-43 被引量:124
标识
DOI:10.1038/s41566-019-0547-7
摘要

All-optical switches have attracted attention because they can potentially overcome the speed limitation of electric switches. However, ultrafast, energy-efficient all-optical switches have been challenging to realize owing to the intrinsically small optical nonlinearity in existing materials. As a solution, we propose the use of graphene-loaded deep-subwavelength plasmonic waveguides (30 × 20 nm2). Thanks to extreme light confinement, we have greatly enhanced optical nonlinear absorption in graphene, and achieved ultrafast all-optical switching with a switching energy of 35 fJ and a switching time of 260 fs. The switching energy is four orders of magnitude smaller than that in previous graphene-based devices and is the smallest value reported for any all-optical switch operating at a few picoseconds or less. This device can be efficiently connected to conventional silicon waveguides and used in silicon photonic integrated circuits. We believe that this graphene-based device will pave the way towards on-chip ultrafast and energy-efficient photonic processing. All-optical switching with a switching energy of 35 fJ and a switching time of 260 fs is reported in a nanoscale integrated optical circuit.
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