Ogenomskinliga material kan släppa igenom ljus när de exciteras av en högintensiv laserstråle. Denna process, som kallas optisk blekning, ger upphov till en olinjär effekt som tillfälligt förändrar materialets egenskaper. När lasern slås på och av i mycket höga hastigheter kan effekten kontrolleras dynamiskt, vilket öppnar nya möjligheter för avancerad optisk teknik.
Flerfärgad optisk switching är ett viktigt fenomen med potentiella tillämpningar inom områden som telekommunikation och optisk databehandling. De flesta material uppvisar dock en enfärgad optisk ickelinjäritet under intensiv laserbelysning, vilket begränsar deras användning i system som kräver flerfärgs- eller flerbandsväxling. För närvarande är de flesta optiska switchar baserade på mikroelektromekaniska system, som kräver en elektrisk spänning eller ström för att fungera, vilket resulterar i långsamma svarstider.
För att åtgärda denna brist har en grupp forskare, under ledning av professor Junjun Jia från Faculty of Science and Engineering vid Waseda University, Japan, i samarbete med professor Hui Ye och Dr. Hossam A. Almossalami från College of Optical Science and Engineering vid Zhejiang University, Kina, professor Naoomi Yamada från Department of Applied Chemistry vid Chubu University, Japan, och Dr. Takashi Yagi från National Institute of Advanced Industrial Science and Technology, Japan, undersökt det optiska multivalley-omkopplingsfenomenet i germaniumfilmer (Ge).
De fokuserade på hur intensiv laserbestrålning inducerar ultrasnabb optisk växling över flera våglängder i Ge, en multivalley-halvledare. Deras studie visade på effektiv flerfärgad optisk växling med hjälp av en enfärgad pulslaser, vilket potentiellt kan övervinna begränsningarna hos traditionella enfärgade optiska olinjäriteter. Forskningen publicerades i Physical Review Applied den 24 februari 2025.
Genom att bestråla Ge med en intensiv pulslaser uppnådde teamet ultrasnabb växling mellan transparens och opacitet över ett brett våglängdsområde. Femtosekund tidsupplösta transienta transmissionsmätningar avslöjade ultrasnabb optisk växling i både Γ- och L-dalarna, på grund av förekomsten av intravalley- och intervalley-spridning.
”Våra resultat bekräftar att intensiv laserbestrålning i Ge-filmer möjliggör ultrasnabb optisk växling över flera våglängder, vilket ger möjlighet att kontrollera ett materials transparens och öppnar nya dörrar för möjliga tillämpningar inom optisk kommunikation, optisk databehandling och mycket mer”, förklarar professor Jia.
En sådan optisk multivalley-växling visar sig vara starkt beroende av bandstrukturen hos Ge. Experimentella mätningar tyder på att den transienta signalen är starkt beroende av den specifika region i bandstrukturen som är involverad. Till exempel avslöjar transienttransmissionsspektra en splittenergi på 240 meV vid den höga symmetriska punkten L.
”Ett noggrant urval av sonderingsenergier, baserat på banddispersionen beräknad med HSE06-funktionen och spin-orbitalkopplingseffekter, gjorde det möjligt för oss att exakt fånga den transienta elektroniska ockupationen i både Γ- och L-dalarna”, säger professor Jia. Detta gör det möjligt att extrahera spridningstider för intervall- och intravalley i multivalley-material från transienta mätningar.
Sammantaget belyser denna studie den betydande potentialen hos Ge som ett nyckelmaterial för avancerad optisk växling, med lovande tillämpningar inom höghastighetsdataöverföring och databehandling. Genom att möjliggöra kontroll över transparens vid flera våglängder med hjälp av en enfärgad pulslaser öppnas spännande möjligheter för utveckling av ultrasnabba optiska switchar.
”Denna upptäckt förväntas tillgodose den växande efterfrågan på högre datahastigheter och säkerhet i samband med den ökande internettrafiken, vilket innebär ett viktigt steg framåt i utvecklingen av ultrasnabba optiska switchar”, avslutar Prof. Jia.
För mer information: Junjun Jia et al, Multivalley optical switching in germanium, Physical Review Applied (2025). DOI: 10.1103/PhysRevApplied.23.024060
