[論文レビュー] All-optical nonreciprocity due to valley polarization in transition metal dichalcogenides

Yuma Kawaguchi, Sriram Guddala+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 29, 2020

Neural Networks and Reservoir Computing参考文献 2被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、円偏光励起下での非線形なバルク選択的励起子-励起子相互作用を活用し、写像されたバルク極化を介してモノレイヤーWS2における全光的非再帰性を実証した。この効果は室温で観測され、外部磁場を必要とせず、磁性材料に依存しないオンチップ光分離器として顕著な非再帰的透過対比を実現し、フェリトライズド分離器のスケーラブルな代替手段を提供する。

ABSTRACT

Nonreciprocity and nonreciprocal optical devices play a vital role in modern photonic technologies by enforcing one-way propagation of light. Most nonreciprocal devices today are made from a special class of low-loss ferrites that exhibit a magneto-optical response in the presence of an external static magnetic field. While breaking transmission symmetry, ferrites fail to satisfy the need for miniaturization of photonic circuitry due to weak character of nonreciprocal responses at optical wavelengths and are not easy to integrate into on-chip photonic systems. These challenges led to the emergence of magnetic-free approaches relying on breaking time reversal symmetry, e.g. with nonlinear effects modulating optical system in time. Here, we demonstrate an all-optical approach to nonreciprocity based on nonlinear valley-selective response in transition metal dichalcogenides (TMDs). This approach overcomes the limitations of magnetic materials and it does not require an external magnetic field. We provide experimental evidence of photoinduced nonreciprocity in a monolayer WS2 pumped by circularly polarized light. Nonreciprocity stems from valley-selective exciton-exciton interactions, giving rise to nonlinear circular dichroism controlled by circularly polarized pump fields. Our experimental results reveal a significant effect even at room temperature, despite considerable intervalley-scattering, showing potential for practical applications in magnetic-free nonreciprocal platforms. As an example, we propose a device scheme to realize an optical isolator based on a pass-through silicon nitride (SiN) ring resonator integrating the optically biased TMD monolayer.

研究の動機と目的

• 磁性材料の非再帰的フォトニクス素子への応用における限界、特にスケーラビリティの低さやオンチップシステムへの統合困難を克服すること。
• 外部磁場を必要とせず、光周波数で動作する磁性材料フリーの非再帰的アプローチを開発すること。
• 遷移金属ジ chalcogenides (TMDs) のバルク自由度を活用し、非線形的かつ非再帰的な光学的応答を誘発すること。
• 円偏光励起光がモノレイヤーTMD（例：WS2）に強い、チューナブルな非再帰性を誘発できることを実験的に示すこと。
• 光バイアスを施したTMDモノレイヤーを内蔵するSiNリングレゾネータを用いた実用的デバイス構造を提案し、全光的分離器を実現すること。

提案手法

• 励起子状態に強いスピン-バルクロックを示すモノレイヤータングステンジサルファイド (WS2) を非線形光学媒質として用いる。
• 円偏光励起光を用いてTMD内の特定のバルクに選択的に励起を誘発し、バルク極化を誘導する。
• バルク選択的である非線形励起子-励起子相互作用に依存し、入射光の偏光状態に応じた差別的光学応答を生じさせる。
• 入射光の偏光が反対のプローブ光の前向きおよび逆向き伝搬における透過率の非対称性（非再帰性）を測定する。
• 光-物質相互作用を強化し、実用的デバイス動作を可能にするために、TMDモノレイヤーと統合されたSiNリングレゾネータを設計する。
• ポンプ強度および温度の変化に応じたシステム応答を分析し、性能および耐障害性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 TMDにおけるバルク選択的非線形性は、外部磁場を必要とせず、強力な全光的非再帰性を生成できるか？
• RQ2 モノレイヤーWS2におけるバルク間散乱が顕著であるにもかかわらず、室温でも非再帰性はどの程度持続するか？
• RQ3 バルク極化によって誘発される非線形円偏光ディクロイズムは、統合フォトニクス回路における光分離にどのように活用できるか？
• RQ4 室温下で、光バイアスを施したTMDベースのレゾネータにおける実現可能な非再帰的透過対比はどの程度か？
• RQ5 光バイアスを施したTMDモノレイヤーを内蔵するSiNリングレゾネータを用いて、実用的でオンチップ化可能な光分離器を実現できるか？

主な発見

• 円偏光励起光下で、モノレイヤーWS2において実験的に非再帰性が確認され、共円偏光および反円偏光プローブビーム間の透過対比が測定可能である。
• この効果は室温でも持続しており、バルク間散乱というバルクトロニクスの応用において大きな障害となる要因に対しても頑健であることが示された。
• 観測された非再帰的応答は、偏光依存透過測定により確認された非線形バルク選択的励起子-励起子相互作用に起因する。
• 光バイアスを施したTMDモノレイヤーを内蔵する提案されたSiNリングレゾネータ構成では、最大約10 dBの顕著な非再帰的透過対比が達成された。
• ポンプ強度および偏光の制御により、非再帰性がチューナブルであり、光分離の動的制御が可能である。
• 結果として、TMDにおける磁性材料フリーで全光的非再帰性が実現可能であることが実証され、小型で統合可能なフォトニクス分離器への道筋が示された。