Sub-100 Femtosecond All-Optical Modulation Beyond Electron–Phonon Limits

超短脉冲 飞秒 皮秒 等离子体子 光电子学 光子学 材料科学 调制(音乐) 硅光子学 放松(心理学) 物理 调幅 纳米光子学 光学 平面的 相位调制
作者
Renxian Gao,Jie Li,Xiaoxiang Dong,Yonglin He,Wenbin Chen,Peiwen Ren,Xiaoyu Zhao,Ming-De Li,Zhilin Yang
出处
期刊:Nano-micro Letters [Springer Science+Business Media]
卷期号:18 (1)
标识
DOI:10.1007/s40820-026-02166-z
摘要

Ultrafast all-optical modulators are central to the advancement of next-generation photonic computing and signal-processing systems. However, the intrinsic electron-phonon relaxation bottleneck in plasmonic materials has long constrained modulation speeds to the picosecond regime, hindering the realization of sub-100 fs modulation. Here, we report a metastructured silver-single-crystal silicon nanodisk antenna that delivers experimentally resolved sub-100 fs all-optical modulation. Distinct from conventional planar metal-semiconductor junctions, the nanodisk architecture spatially co-localizes plasmonic energy deposition with the metal-semiconductor transfer boundary within a nanoscale-confined volume. This configuration markedly shortens hot-carrier transport pathways and preferentially activates interfacial carrier extraction during the earliest relaxation stage, thereby establishing an interface-dominated modulation pathway that precedes electron-phonon thermalization. By enabling modulation on timescales comparable to intrinsic electronic response limits, this work establishes a physical foundation for ultrafast photonic modulation, including femtosecond free-space photonic computing architectures, temporal optical gating, and other ultrafast systems constrained by carrier or cavity lifetimes.
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