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Bi2Se3-Functionalized Metasurfaces for Ultrafast All-Optical Switching and Efficient Modulation of Terahertz Waves
ACS Photonics ( IF 6.5 ) Pub Date : 2021-01-04 , DOI: 10.1021/acsphotonics.0c01194 Yuze Hu 1 , Mingyu Tong 1 , Xiang’ai Cheng 1 , Jun Zhang 2 , Hao Hao 2 , Jie You 3 , Xin Zheng 3 , Tian Jiang 1
ACS Photonics ( IF 6.5 ) Pub Date : 2021-01-04 , DOI: 10.1021/acsphotonics.0c01194 Yuze Hu 1 , Mingyu Tong 1 , Xiang’ai Cheng 1 , Jun Zhang 2 , Hao Hao 2 , Jie You 3 , Xin Zheng 3 , Tian Jiang 1
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Because of the wealth of fascinating physical phenomena observed in topological insulators (TIs), their exciting properties have been intensively investigated for electronic and optoelectronic applications, such as quantum devices, saturable absorbers, and photodetectors, in the visible to terahertz (THz) spectral range. However, their potential for metaphotonic devices has yet to be explored. Here, we present a comprehensive investigation on the active photonic performance of a novel metaphotonic device by hybridizing ultrathin Bi2Se3 bridges into metamaterials in the THz range. Unlike THz modulation via Fano-like plasmon-phonon destructive interference in the pure Bi2Se3 structure, our Bi2Se3 microribbon arrays with high photoconductivity can short-circuit the circulating surface currents in the proposed metasurfaces, leading to remarkable electromagnetically induced transparency (EIT) transmission and group delay modulations at the operational frequency. Additionally, the width of the Bi2Se3 bridges is optimized to 20 μm to maximize the modulation depth, with the modulation of the transmission resonance amplitude and the group delay as high as 31% and 2.7 ps, respectively. Due to the short photocarrier lifetime in Bi2Se3 films (within a few picoseconds), the full recovery time after photoinjection is less than 9.5 ps, enabling an ultrafast switching speed up to a hundred GHz. The ultrafast and effective control of the light spectrum in Bi2Se3-functionalized metaphotonic systems lays the foundation for promoting the emergence of TI-based optoelectronics.
中文翻译：
Bi 2 Se 3-功能化的超表面，用于太赫兹波的超快全光切换和高效调制
由于在拓扑绝缘体（TI）中观察到了许多引人入胜的物理现象，因此已针对可见光和太赫兹（THz）光谱范围内的电子和光电应用（例如量子器件，饱和吸收体和光电探测器）进行了深入研究，研究了其令人兴奋的特性。 。但是，它们在超光子器件方面的潜力尚待探索。在这里，我们通过将超薄的Bi 2 Se 3桥杂化到THz范围的超材料中，对新型超光子器件的有源光子性能进行了全面的研究。在纯Bi 2 Se 3结构中，通过类似Fano的等离激元-声子相消干涉进行太赫兹调制，与我们的Bi 2 Se 3不同具有高光电导性的微带阵列可以使拟议的超表面中的循环表面电流短路，从而导致在工作频率下产生显着的电磁感应透明（EIT）传输和群时延调制。此外，Bi 2 Se 3桥的宽度被优化为20μm，以最大程度地提高调制深度，传输共振幅度和群延迟的调制分别高达31％和2.7 ps。由于Bi 2 Se 3中的光电载流子寿命短胶片（在几皮秒内），光注入后的完全恢复时间小于9.5 ps，可实现高达100 GHz的超快开关速度。Bi 2 Se 3功能化的超光子系统中光谱的超快有效控制为促进基于TI的光电技术的出现奠定了基础。
更新日期：2021-01-04
中文翻译：
Bi 2 Se 3-功能化的超表面，用于太赫兹波的超快全光切换和高效调制
由于在拓扑绝缘体（TI）中观察到了许多引人入胜的物理现象，因此已针对可见光和太赫兹（THz）光谱范围内的电子和光电应用（例如量子器件，饱和吸收体和光电探测器）进行了深入研究，研究了其令人兴奋的特性。 。但是，它们在超光子器件方面的潜力尚待探索。在这里，我们通过将超薄的Bi 2 Se 3桥杂化到THz范围的超材料中，对新型超光子器件的有源光子性能进行了全面的研究。在纯Bi 2 Se 3结构中，通过类似Fano的等离激元-声子相消干涉进行太赫兹调制，与我们的Bi 2 Se 3不同具有高光电导性的微带阵列可以使拟议的超表面中的循环表面电流短路，从而导致在工作频率下产生显着的电磁感应透明（EIT）传输和群时延调制。此外，Bi 2 Se 3桥的宽度被优化为20μm，以最大程度地提高调制深度，传输共振幅度和群延迟的调制分别高达31％和2.7 ps。由于Bi 2 Se 3中的光电载流子寿命短胶片（在几皮秒内），光注入后的完全恢复时间小于9.5 ps，可实现高达100 GHz的超快开关速度。Bi 2 Se 3功能化的超光子系统中光谱的超快有效控制为促进基于TI的光电技术的出现奠定了基础。
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