任何材料的光學性質都可以從其介電常數導出。我們知道介電體的介電常數大于0，而金屬的介電常數小于0。當材料的介電常數趨近于0時，其光學性質會發生許多奇妙的變化。例如光在其中傳播的相速度會趨于無限大，而最近的研究表明，材料的非線性光學性質在介電常數趨近于0時也顯著增大。
目前，在光頻波段介電常數為0的材料主要有兩大類，一種是人工設計制備的金屬/介電體復合材料；另一種是一些載流子濃度小于常見金屬的導電氧化物，例如ITO（銦錫氧化物）。
圖1 ITO溶膠納米晶的線性、非線性光學性質：a)不同摻雜濃度的ITO納米晶薄膜歸一化吸收光譜；b)載流子濃度和摻雜濃度的依賴關系；c)不同摻雜濃度的ITO納米晶薄膜的介電常數（實部）；d)介電常數近零點（ENZ）的波長和載流子濃度的依賴關系；e) 摻雜5%，f)12%的ITO納米晶薄膜的Z-掃描曲線。
浙江大學邱建榮教授課題組的劉小峰副教授最近研究發現，ITO這一介電常數近零點在近紅外波段的導電氧化物，可用來實現光通訊波段的超快光開關。相關成果發表在Advanced Materials [29, 1700754 (2017)]上。
在實驗中，該課題組的博士生郭強兵通過濕化學法制備了尺寸約為10 nm的不同摻雜濃度的ITO納米晶，并將其制成薄膜，研究發現其介電常數近零點因載流子濃度不同，在1300 – 1600 nm范圍內變化，并且非線性吸收測試表明，在相應波段這些ITO納米晶薄膜都呈現負的非線性吸收系數，也即可飽和吸收。超快光譜測試表明，其源于自由載流子的響應速率在100 fs量級，因此可用來實現超快光開關。
圖2 基于ITO納米晶薄膜的超快激光器：a)Er摻雜光纖脈沖激光器示意圖，（EDF，Er摻雜光纖；PC，偏振控制器；OC，輸出端；PI-TIWDM，不依賴偏振的波分復用器）；b) 激光的輸出光譜；c)鎖模脈沖輸出序列；d)自相關譜。
為了演示基于可飽和吸收效應的超快光開關，該課題組將ITO納米晶制成復合薄膜，耦合到一摻Er光纖激光器中（圖2），成功實現了在1550 nm光通訊波段的鎖模脈沖激光輸出，最小脈沖寬度為593 fs，信噪比為56 dB。通過調制摻雜濃度，這一材料可以實現從近紅外到中紅外較寬波段的光開關。
和目前各類基于二維材料的光開關相比，這種基于氧化物的光開關具有更好的穩定性，并且其可通過各種商用技術來實現大量制備，因此這一研究成果將為超快鎖模激光器的光開關提供更加可靠且經濟的解決方案，也有望打破目前SESAM在商用可飽和吸收體市場的壟斷地位。
