文章 | Georgiev K, Kamali KZ, Trifonov AA et al. Ultrafast all-optical modulation of wide- bandw idt h pul ses enable d by s ilicon-metasurfaces. Opto-Electron A dv 9, 260007 (2026).

作 者 ： Kaloyan Georgiev ? , Kh osro Zangeneh Kamali ? , Anton A. Trifonov, Giulia Crotti, Lyuben Petrov, Stefan Georgiev, Hristo Iliev, Lei Xu, Unai Arregui Leon, Mohsen Rahmani, Giuseppe Della Valle, Ivan Buchvarov*, Dragomir Neshev*

?同等贡献作者；*通信作者

研究背景

调制单色光的强度早已是成熟技术：干涉仪、电光调制器都能胜任。宽带光却难得多：带宽一大，相干长度就短，靠干涉工作的器件随之失效；能容纳宽谱的电光开关又往往体积庞大、需要复杂的驱动电路。超表面因此被寄予厚望——亚波长谐振器能把光场压缩在极小体积内，从而放大克尔效应和自由载流子产生等非线性过程，器件尺寸也小得多。

但共振的锐度同时决定了取舍。品质因数越高，同样大小的谱移能换来更大的调制深度，可透过率变化陡峭的窗口也越窄，谱移稍大就饱和甚至反号；近零介电常数材料的折射率变化幅度大，偏偏折射率太低，光很难高效耦合进去。于是强全光调制长期被关在窄谱带里，而几十飞秒的脉冲本身就占据几十纳米的带宽，这类器件无从下手。要让强调制覆盖几十纳米的带宽，亟需一种不再依赖单一窄共振的思路。

本文亮点

针对这一带宽瓶颈 ，澳大利亚国立大学（ANU） 、保加利亚索非亚大学“圣克利门特·奥赫里德斯基 ”分校（SU） 及约翰·阿塔纳索夫生物与纳米光子学中心（JAC BNP） 、意大利米兰理工大学（PoliMi） 和英国诺丁汉特伦特大学（NTU） 的科研人员把设计目标反过来 ：不追求单一共振更尖 ，而是让透射谱出现一个不对称的“折点”——短波侧陡升 ，长波侧是一段宽而浅的凹陷 ，位置在近红外 1 μm 附近。注入自由载流子后 ，整个特征向短波平移： 陡沿上透射由开到关 ，平缓一侧几乎不动。一次位移改变的是一段波长上的光强 ，而非某一条谱线（图 1）。

图1超快强度调制的概念。(a)高Q共振只能调制窄带信号；(b)折点形透射特征可调制宽带信号；(c)实际折点谱在λ1透射、在λ2截止；(d)折点蓝移后λ1处透射显著下降，λ2处基本不受影响

几何由遗传算法优化： 100 nm 晶体硅薄膜置于蓝宝石衬底 ，刻成周期 500 nm 的方形网格， 中心留一个 320 nm × 250 nm 的长方体 ，经电子束曝光与两次等离子体刻蚀成型 ，扫描电镜证实了单元结构。实测透射谱与仿真吻合， y 偏振因制备误差与粗糙度对比度略降。折点的来源清楚： 中心长方体打破面内对称性 ，支撑一个暗态环偶极连续域束缚态 ，与可被正入射激发的亮态电偶极耦合 ，形成单向 Fano 线型（图 2）。

图 2 超表面的设计与制备。 (a) 单元结构 ， h= 100 nm、 p = 500 nm、 L1 =320 nm、 W1 =250nm、 L2 = 100 nm、 W2 = 120 nm； (b)(c) 俯视与斜视扫描电镜图； (d) x、y 偏振下的实测（实线）与仿真（虚线）透射谱；(e)(f)多极展开与笛卡尔矩分析

开关过程用泵浦-探测光谱测量： 520 nm、 130 fs、 1.4 kHz、单脉冲 39± 5 nJ 的泵浦给出 460 μJ/cm2 入射通量 ，约 8%（37 μJ/cm2) 被吸收； 探针是 1250 nm 泵浦钇铝石榴石晶体产生的超连续谱 。 共振在 0.5 ps 内完成蓝移， 载流子约 25 ps 减半 、 100 ps 内复合完毕 ，约 1 ns 后出现小幅红移 ，来自复合放热与硅的正热光系数。 y 偏振下绝对调制 28%、带宽 14 nm， x偏振下 10%、带宽 49 nm（带宽按绝对调制量高于峰值一半的谱段计） 。 25 ps 的响应足以开关短于 50 fs 的脉冲（图 3）。

图 3 调制动力学。 (a)(b) x 偏振下的绝对与相对透射调制； (c) 1001 nm 与 1028 nm 处的调制曲线； (d)(e) y 偏振下的绝对与相对调制； (f) 1070 与 1090 nm 处的调制曲线 ，插图为 1 ps 以内放大

速率方程模型复现了实测数据 ：载流子密度与晶格温度在陷阱辅助复合、双分子复合与俄歇过程下演化 ，介电常数的改变分别进入 Drude 项与热光项 ，再经线性化微扰计算转成各波长的透射率。仿真与实验同量级并基本吻合 ，还给出了实验难以直接测到的代价： 附加吸收峰值略高于 4% ，持续 30 ps 以上。

该 工 作 以 “Ultrafast all-optical modulation of wide-bandwidth pulses enabled by silicon-metasurfaces”为题发表在 Opto-Electronic Advances 2026 年第 9 期。

研究团队简介

本研究由来自澳大利亚国立大学（ANU） 、保加利亚索非亚大学“圣克利门特·奥赫里德斯基 ”分校（SU） 及约翰·阿塔纳索夫生物与纳米光子学中心（JAC BNP） 、 意大利米兰理工大学（PoliMi） 和英国诺丁汉特伦特大学（NTU） 的四个研究团队共同合作完成 。该项目在欧盟“ 地 平 线 2020 ” 计 划 METAFAST 项 目 框 架 下 开 展 ， 并 获 得 保 加 利 亚 教 育 与 科 学 部HEPHAESTUS 研究基础设施项目的支持。研究构想由 JAC BNP 和 SU 团队提出 ，其在先进激光仪器和超快光–物质相互作用研究方面的专长 ， 为项目提供了重要的实验基础 。 ANU 和NTU 团队主要负责色散工程超表面的设计 ，其中超表面器件由 ANU 依托澳大利亚国家制造设施（ANFF） ACT 节点完成制备 ，并在澳大利亚研究理事会（ARC） 变革性超光学系统卓越中心（TMOS） 的支持框架下开展 。 TMOS 是目前全球规模最大的超光学研究联盟 。 PoliMi 团队则负责对所制备超表面的动态特性进行建模与分析 ， 以揭示其时间响应机制 。 最终实验在保加利亚 JAC BNP 和 SU 的先进实验平台上完成 。整个项目通过多次跨机构交流与合作顺利推进 ，充分体现了国际多学科协作在前沿光子学研究中的重要作用。

Neshev 教授和 Buchvarov 教授在 JAC BNP 的泵浦探测实验装置前

领导 METAFAST 项目的 Polimi 团队

NTU 的 Rahmani 教授和 Xu教授

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