关键词：ENZ材料；全光开关；定向耦合器；Lumerical；FDTD
一、文章简要介绍
这篇文章来自北京大学深圳研究生院和清华深圳国际研究生院，2022年发表在Scientific Reports上，DOI：10.1038/s41598-022-22573-7。讲的是一种全光开关：用掺镝氧化镉这种透明导电氧化物（TCO）的介电常数近零（ENZ）效应，在硅氮化物波导平台上做非对称定向耦合器，用一束泵浦光控制另一束信号光的走向。
做开关的常见路子有两条：硅基热光开关靠双光子吸收改折射率，功耗高、体积大；微环、光子晶体这类谐振结构速度快一些，但工作带宽窄，对加工误差敏感。ENZ材料的好处是泵浦一来折射率变化大、响应飞秒级，这篇文章把它第一次用进了集成波导开关。
图1 提出的全光开关结构：输入波导与TCO负载波导的透视图和截面
图1是器件结构：两根并排的硅氮化物波导，一根走信号光叫输入波导，另一根顶上压着60纳米厚的TCO层，叫TCO负载波导。泵浦光以离轴40度照在TCO上，信号光从输入波导进来，输出端分直通口和交叉口两个口。
二、Lumerical仿真方法与过程
先说TCO层为什么会有这么大折射率变化。TCO在近红外呈类金属性质，介电常数用Drude模型描述，实部在1.55微米处过零，这就是ENZ波长。光脉冲照上去后，电子被加热，导带是非抛物带，等离子频率会随电子温度变。文章用双温模型算电子和晶格温度的演化，得到折射率n和吸收系数k随泵浦能量密度的变化。
非线性大小看场增强。文章先用Lumerical FDTD Solution算TCO薄膜的色散关系：在膜里放一圈相位朝向不同的偶极子源，边界用Bloch条件，跑足够长时间等模式出来。结果在193.8太赫兹附近出现近乎平坦的色散带，对应1.55微米；光锥外侧是ENZ模式（长程表面等离激元），内侧是Ferrell-Berreman漏模，p偏振斜入射就能直接激发，电场被卡在膜里放大，这就是非线性放大的来源。
图2 (a)等离子频率随电子温度变化 (b)场增强因子随波长与入射角 (c)FDTD算的色散
图2c是FDTD算的色散。图2b显示场增强因子在波长1.55微米、入射角40度时达到11.2倍，是最佳激发条件；图2a是等离子频率随电子温度升高而下降。
图3 TCO层的折射率与吸收系数在不同泵浦能量密度下的调制及飞秒瞬态
图3是双温模型的输出：n和k在ENZ波长附近变化最大，泵浦能量密度取0.0569毫焦每平方厘米时，折射率变化够大、吸收还低，最适合做耦合。瞬态看，折射率上升约109飞秒、恢复约302飞秒，对应1.35太赫兹的调控速度。
然后定结构参数。TCO负载波导在泵浦关和开时，Lumerical Mode Solution（有限元模式求解器）算出的有效折射率分别是1.498减0.012i和1.575减0.003i。要让输入波导在泵浦开时和它相位匹配，扫输入波导宽度，取750纳米。两波导后端用Euler弯曲波导分开，避免意外的模式耦合。
图4 (a)输入波导有效折射率随宽度变化 (b)Euler弯曲波导示意
图4a是输入波导TM模式有效折射率随宽度的曲线，红点是750纳米的相位匹配点；图4b是Euler弯曲的几何原理，曲率随弧长线性增长，弯曲损耗小。
图5 模式与超模分析：泵浦关/开状态模场与耦合长度
图5看模式。泵浦关时TCO折射率低，光被挤在TCO层里，和输入波导折射率差太多，两波导互相不搭理；泵浦开时TCO折射率抬高，光主要待在硅氮化物芯里，两波导的有效折射率对齐，出现偶对称和奇对称两个超模。耦合长度由两者折射率差决定，1.55微米下算得21.5微米；间隙宽度取400纳米，平衡耦合长度和插损。
三、关键结果与发现
传输性能用Lumerical FDTD做三维仿真。泵浦关时，TM光整个待在输入波导里走完，直通口插损只有0.02分贝，串扰负18.93分贝。泵浦开时，信号光先是走输入波导，然后倏逝耦合转移到TCO负载波导，从交叉口出来，插损0.70分贝，串扰负19.54分贝。
图6 FDTD传播场分布与Bar/Cross端口传输谱（泵浦关与开）
图6上半是泵浦关和开时的归一化场分布，下半是直通口和交叉口的传输谱。可以看出泵浦开时能量从输入波导一步步漏到另一根波导。
再看调控。传输随泵浦能量密度单调变化，能量密度越高，交叉口透射越高。单比特能耗估算14.6皮焦。瞬态上，直通口上升221飞秒、交叉口652飞秒，3分贝带宽覆盖1527到1594纳米。和近年同类开关比，它的调制深度、带宽和速度三项指标都占优。
图7 (a)传输随泵浦能量密度变化 (b)开关的飞秒瞬态响应
图7a是两端口透射随泵浦能量密度的曲线，图7b是飞秒级瞬态切换过程。
文章也提了两个实际限制：CdO和硅氮化物界面的晶粒散射会抬高Drude阻尼，增加插损；界面处的声子热阻让电子冷却变慢，靠近界面的响应时间会拉长。但总体上，把ENZ效应搬进集成波导开关这条路算是走通了，为高速全光信号处理芯片提供了新元件。
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