[論文レビュー] Giant Enhancement of Third Harmonic Generation from Ge2Sb2Te5 based Fabry-Perot Cavity

Tun Cao, Kuan Liu+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 25, 2019

Photonic and Optical Devices参考文献 42被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、近赤外領域における共鳴キャビティ工学を活用して、非アモルファスなGe2Sb2Te5（GST225）膜を内蔵したファブリ・ペロー共振器を用いて、第三高調波生成（THG）効率を422倍に向上させることに成功した。GST225の結晶化に伴いこの増幅効果は消失するため、高効率で超小型のスイッチング可能な非線形光デバイスの実現が可能となる。

ABSTRACT

Third-order harmonic generation (THG) plays a vital role in microscopy, optical communications etc. Conventional methods of obtaining efficient THG in macroscopic crystal is already mature; however, they will finally limit the miniaturization and integration of on-chip laser sources. To date, THG from either photonic crystals or metamaterials provide compact photonic platforms, however selection of materials remains elusive. Herein, we experimentally demonstrate a giant enhancement of THG efficiency from an air/high index Ge2Sb2Te5 (GST225) /gold multi-layered Fabry-Perot cavity. At cavity resonant wavelength in near-infrared regime, the efficiency of THG from a 50 nm thick amorphous GST225 planar film is boosted by 422 times compared to that of nonresonant conditions. Interestingly, the THG efficiency has a dramatic decrease of three orders when the structural state of GST225 is transformed from amorphous to crystalline. Our findings have a potential for achieving ultra-compact nonlinear optical source with high efficiency and switchable functionality.

研究の動機と目的

• 従来の大型第三高調波生成（THG）材料の小型化および統合の限界を克服すること。
• フォトニクス結晶やメタマテリアルを超えた、代替的なコンactなTHGプラットフォームの探求。
• Ge2Sb2Te5のような相変化材料が非線形光学応答を強化する役割を果たすかの調査。
• 構造的相転移を用いたスイッチング可能で高効率なオンチップTHG光源の実証。

提案手法

• 非線形媒質として50 nmのアモルファスGST225膜を有する空気/GST225/空気多層膜ファブリ・ペロー共振器の作製。
• 近赤外領域におけるキャビティ共鳴を活用し、局所電場を増幅することで、第三高調波生成効率を向上。
• 高Q値キャビティ構造を形成するための金反射板の使用により、光子の閉じ込めを強化し、非線形相互作用を増大。
• 共鳴および非共鳴条件下でのTHG効率を測定し、増幅効果を定量。
• GST225のアモルファスから結晶相への制御された相転移を実施し、THG性能への影響を評価。
• 1550 nmのポンプレーザーを用いてキャビティを励起し、516.7 nmでの第三高調波を検出。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アモルファスGe2Sb2Te5を有するファブリ・ペロー共振器は、第三高調波生成効率を顕著に向上させ得るか？
• RQ2 GST225の相状態（アモルファス対結晶）が、共鳴キャビティ内でのTHG効率に与える影響は何か？
• RQ3 コンパクトで平面型のGST225ベースのキャビティで、THGの最大増幅要因はどれほど達成可能か？
• RQ4 GST225の相転移によって、THG応答を電気的または熱的にスイッチング可能か？
• RQ5 増幅メカニズムの主因は、場の局在化とキャビティ共鳴にあるのか、それとも物質の固有の非線形性にあるのか？

主な発見

• 50 nmのアモルファスGST225膜のTHG効率は、共鳴波長で非共鳴条件と比較して422倍に向上した。
• GST225膜がアモルファスから結晶相に転移すると、THG効率は3桁低下した。
• この増幅は、ファブリ・ペロー共振器内での共鳴的場の閉じ込めに起因し、有効な非線形相互作用が増幅されたことによる。
• 観察された増幅効果は、GST225の構造的相に極めて敏感であり、非線形応答の能動的スイッチングが可能であることが示された。
• 本システムは、オンチップ第三高調波生成のためのコンパクトでスイッチング可能かつ高効率なプラットフォームを示している。