全光開關吸引了人們的注意，因為它們有可能克服電開關的速度限制。但是，由于現有材料固有的光學非線性小，實現超快、高能效的全光開關一直具有挑戰性。作為解決方案，我們建議使用負載石墨烯的深亞波長等離子體波導（30×20 nm
2）。由于極端的光限制，我們大大增強了石墨烯中的光學非線性吸收，并以35 fJ的開關能量和260 fs的開關時間，實現了超快的全光開關。開關能量比以前基于石墨烯的器件小四個數量級，并且是所有在幾皮秒或更短時間內運行的全光開關的最小值。該器件可以有效地連接到常規的硅波導，并可以用在硅光子集成電路中。我們相信，這種基于石墨烯的器件將為芯片的超快和高能效的光子處理鋪平道路。
Figure 1. （a）負載石墨烯的金屬-絕緣體-金屬(MIM)-WG的示意圖。（b）MIM-WG的橫截面側視圖，如(a)所示的紅色虛線。（c）石墨烯負載的MIM-WG本征模的場分布（|E|
2）。（d）計算不同w
slot和t
Au值下，石墨烯的吸收系數。（e）各種w
slot和t
Au值的場增強因子EF。
Figure 2. （a）模式轉換器周圍的SEM圖像，w
slot為70 nm，t
Au為40 nm。比例尺，1μm。（b）加載石墨烯的MIM-WG的俯視示意圖。石墨烯負載的MIM-WG的SEM圖，其中w
slot = 70 nm，t
Au = 40 nm和石墨烯長度l
G為（c）3.2μm和（d）7.2μm。MIM-WG長度l
MIM為10μm。比例尺，2μm。
Figure 3. （a）平均相對透射率與MIM-WG長度的關系。（b）對于各種w
slot和t
Au值，測量和計算的石墨烯的吸收系數。
Figure 4. （a）在裝有石墨烯的（單層，雙層）MIM-WG和參考硅線WG（不含石墨烯）中，皮秒激光脈沖可產生的飽和吸收。（b）在皮層負載石墨烯的MIM-WG中，皮秒級激光脈沖采用皮秒激光脈沖進行全光交換（紅色圓圈），w
slot=30 nm，t
Au=20 nm和l
MIM=4μm。（c）泵-探頭測量示意圖。（d）在與（a）相同的樣品中，用飛秒激光脈沖進行的飽和吸收。輸入脈沖的波長為1550nm。
Figure 5. （a）在雙層石墨烯負載的MIM-WG中，w
slot=30 nm，t
Au=20 nm和l
MIM=4μm，進行全光交換（紅色圓圈）。還繪制了輸入脈沖的自相關（藍色圓圈）。（b）對于雙層石墨烯負載的MIM-WG，消光比的控制脈沖能量依賴性（w
slot=30 nm，t
Au=20 nm和l
MIM=4μm）。
相關研究成果于2019年由日本NTT公司納米光子學中心Masaaki Ono課題組，發表在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。
