[論文レビュー] Highly effective relativistic free carrier plasma mirror confined within a silicon slow light photonic crystal waveguide

Mahmoud Gaafar, Dirk Jalas+5 more|arXiv (Cornell University)|May 13, 2017

Photonic and Optical Devices参考文献 9被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、シリコンフォトニクスクリスタル波ガイド内に、自由キャリアプラズマミラーを相対論的効果で高効率に実現した。1.2×10⁹ W/cm²のポンプパワーで、キャリア濃度5×10¹⁷ cm⁻³の条件下で35%の反射率を達成した。これは従来のプラズマミラーに比べて数個のオーダー低いパワーで実現された。この効果は、分散設計された遅い光波ガイド内での間接的内殻遷移に起因し、プローブ波とプラズマミラーを同時に局在化することで、相対論的ドップラー効果による前方反射と周波数上昇を実現した。

ABSTRACT

Reflection at relativistically moving plasma mirrors is a well-known approach for frequency conversion as an alternative to nonlinear techniques. A key issue with plasma mirrors is the need for a high carrier concentration, of order 10^21 cm^-3, to achieve an appreciable reflectivity. To generate such high carrier concentrations, short laser pulses with extreme power densities of the order >10^15 W/cm^2 are required. Here, we introduce a novel waveguide-based method for generating relativistically moving plasma mirrors that requires much lower pump powers and much less carrier concentration. Specifically, we achieve an experimental demonstration of 35% reflection for a carrier concentration of 5*10^17/cm^3 generated by a power density of only 1.2*10^9 W/cm^2. Both the plasma mirror and the signal are confined and propagating within a solid state silicon slow light photonic crystal waveguide. This extraordinary effect only becomes possible because we exploit an indirect intraband optical transition in a dispersion engineered slow light waveguide, where the incident light cannot couple to other states beyond the moving front and has to reflect from it. The moving free carrier (FC) plasma mirror is generated by two photon absorption of 6 ps long pump pulse with a peak power of 6.2 W. The reflection was demonstrated by the interaction of a continuous wave (CW) probe wave co-propagating with the relativistic FC plasma mirror inside a 400 micro-meter long slow light waveguide. Upon interaction with the FC plasma mirror, the probe wave packets, which initially propagate slower than the plasma mirror, are bounced and accelerated, finally escaping from the front in forward direction. The forward reflection of the probe wave packets are accompanied by a frequency upshift. The reflection efficiency is estimated for the part of the CW probe interacting with the pump pulse.

研究の動機と目的

• 従来の相対論的プラズマミラーが要請する高パワーおよび高キャリア濃度の問題を克服すること。
• 固体状態波ガイド内で低パワー・低密度自由キャリアプラズマを用いて効率的な周波数上昇を実現すること。
• 遅い光分散と間接的内殻遷移を活用し、光と物質の相互作用を局在化・強化すること。
• 連続波（CW）プローブ光の前方反射と測定可能な周波数上昇を実証すること。

提案手法

• 遅い光伝播を最適化した400 µmのシリコンフォトニクスクリスタル波ガイドを用いる。
• 2パルス吸収による自由キャリア生成のため、6.2 Wのピークパワーを有する6 psのポンプパルスを用いる。
• ポンプ波と連続波（CW）プローブ光を同一の波ガイドモードに閉じ込める。
• 分散設計された波ガイド内での間接的内殻光学遷移を活用し、他の状態への結合を防ぐ。
• 自由キャリアプラズマミラーの相対論的運動がドップラー効果を誘発し、プローブ波を反射させる。
• 移動するプラズマフロントと相互作用するCWプローブの割合に基づき、反射効率を測定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 従来の要件よりも著しく低いキャリア濃度およびポンプパワーで自由キャリアプラズマミラーを生成できるか？
• RQ2 フォトニクスクリスタル波ガイド内の遅い光分散が、プラズマミラー形成に向けた光と物質の相互作用をどのように強化するか？
• RQ3 間接的内殻遷移がプローブ波の局在化と反射の実現に果たす役割は何か？
• RQ4 固体状態波ガイドプラットフォームで前方反射と周波数上昇を実験的に実証できるか？
• RQ5 低パワー・低密度プラズマ条件下で達成可能な反射効率はどの程度か？

主な発見

• 連続波プローブ波が相対論的自由キャリアプラズマミラーと相互作用した結果、35%の反射効率を達成した。
• プラズマミラーは、通常の反射に必要な10²¹ cm⁻³の閾値よりもはるかに低い5×10¹⁷ cm⁻³のキャリア濃度で生成された。
• 必要なポンプパワー密度は1.2×10⁹ W/cm²にとどまり、従来手法で必要とされる>10¹⁵ W/cm²よりも顕著に低かった。
• 反射後のプローブ波パケットが前方に加速されたことから、移動するプラズマミラーからの有効な運動量移動が示された。
• 反射波の周波数上昇が確認され、相対論的ドップラー効果の物理法則と整合的であった。
• プローブ波とプラズマを同一波ガイドモードに閉じ込めたことで、低キャリア密度でも強い相互作用と高い効率が実現された。