Nat. Commun.| 非线性共激发的石墨烯等离激元电光逻辑门

撰稿|由课题组供稿

近日，电子科技大学光纤传感与通信教育部重点实验室饶云江教授、姚佰承教授课题组展示了一种新的电光信息处理器件：在石墨烯异质复合波导中，采用对向双激光频率梳泵浦，通过二阶非线性差频（DFG）技术，首次在0~50THz的大带宽范围内产生了多个不同频率的石墨烯等离激元。这些等离激元具有独立的电可调特性，进而在单个波导器件中实现了多样化的超快逻辑门操作，响应速度达到亚ps量级。相关工作以“Nonlinear co-generation of graphene plasmons for optoelectronic logic operations”为题发表在Nature Communications（《自然·通讯》）上。

全光信息处理具有远超现有电子电路的带宽和响应速率，被广泛认为是下一代CPU芯片的革新性关键技术。然而，受限于光子衍射极限，传统光子元件非常难以高密度集成，难以在有限尺度匹敌现有的纳米级集成电路规模。近十年来，石墨烯等离激元为此提出了新的解决方案，其拥有超高频率、超紧凑场约束和超快可调谐的独特优势，能够将数十THz的高频光场交互局限在纳米量级，并实现电光操控。这使得碳基光信息处理成为了新的全球热点。但纵使性能优越，在光子器件中产生、调控和探测多个石墨烯等离激元一直是公认的挑战，也是其逻辑功能实现的关键瓶颈。

面向上述问题，该研究提出了以二阶光子非线性差频（DFG）方法，通过两个重频锁定的光频梳反向泵浦一个声子共振的石墨烯-光纤异质波导微结构，巧妙的满足了大带宽导波DFG-SPP激发的相位匹配条件，进而产生多个异频等离激元，其分布在0-50THz的大范围内。这些石墨烯等离激元各自拥有独立的频率响应和电光调谐特性。通过载流子注入，研究人员实现了亚皮秒（>1THz）速度的等离激元幅频动态调控。进而在单个器件上，凭借精确的在线滤波，展现了丰富的电致光逻辑操作，涵盖了可选择的与、或、与非等核心基本功能。这一新方案为下一代超高速全光信息处理打开了新的大门。

电子科技大学博士生李艺威、安宁为论文第一作者，饶云江教授、姚佰承教授为论文通讯作者。湖南大学博士生鲁哲驿为共同第一作者，刘渊教授为共同通讯作者。上海交通大学苏翼凯教授课题组、深圳大学王义平教授课题组，以及中国工程物理研究院和德国耶拿大学参与了研究工作。该研究得到了国家重点研发项目、国家自然基金重点项目、欧盟地平线2020计划和之江实验室重大项目的支持。

图1（a）和1（b）展示了基于石墨烯的异质D形光纤波导结构（GDF），其具有平整的上侧面，类似于片上波导，能够方便石墨烯晶体管的集成组合。采用同一个及光频率梳作为激发源，一路正向注入GDF（pump），一路经超连续放大反向注入GDF（probe），以满足DFG-SPP的相位匹配条件。当DFG-SPP产生时，差频增强会在平坦的probe频梳上（覆盖到中红外）显示出增益尖峰，这也为光学波段观测THz DFG激发提供了独特的窗口。这一方案无需THz源和THz探测器，实现了全光在线的测量，极大的降低了系统复杂度。图1（c）展示了在不同石墨烯费米能级下，等离激元的色散谱。高能级使得石墨烯的频率-动量比增加，受声子耦合影响，在0~50THz范围，能够劈裂出三个不同的谐振区间。在同一个相位匹配方程（白色虚线）决定下，激发出三个不同频率的等离激元。这些等离激元出现的条件受电载流子掺杂影响。

图1 波导中的二阶非线性产生多个石墨烯等离激元

（a）器件示意图（b）器件模场分布和纤维照片（c）不同情况下的等离激元激发条件

图2（a）展示该光生THz等离激元的快速响应。多个等离激元在pumping-probing测试下，具有亚ps的时间延迟，这预示着其等离激元调控的极限速度能达到1THz量级。图2（b）描述了使用多个等离激元实现不同逻辑操作的机理。通过双极时序电压源分别表征两路信号，其组合起来的电压有3种状态，单独出现（OR），同时出现（AND），都不出现（NOR）。与之对应，石墨烯等离激元具有3个独立响应的频率区间。通过滤波，就能在光频展现各自相应的逻辑门功能。图2（c）给出了一个典型的示范验证。两个长度为16的图像数据（X和Y）以电信号的形式同时序注入器件，10THz，27THz和36THz的等离激元分别输出NOR，OR，NAND逻辑信号。

图2 超快等离激元逻辑操作

（a）多个等离激元的时延迟测量，（b）不同等离激元的电控区间，其不同的频响是各个逻辑操作能够分离出来的基础，（c）逻辑操作实例，三个频率不同的等离激元对两组电时序信号完成了三个不同类型的逻辑功能 

文章链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-022-30901-8