[論文レビュー] Individual nanoantennas empowered by bound states in the continuum for nonlinear photonics

Kirill Koshelev, Sergey Kruk+5 more|arXiv (Cornell University)|Aug 26, 2019

Photonic and Optical Devices参考文献 31被引用数 175

ひとこと要約

本論文は、孤立したサブ波長のAlGaAsナノ共鳴体が準BIC共鳴を搭持し、構造光で励起され、非線形ナノアンテナとして用いられ、史上最高レベルの二次高調波発生効率を達成することを実験的に示している。

ABSTRACT

Bound states in the continuum (BICs) represent localized modes with energies embedded in the continuous spectrum of radiating waves. BICs were discovered initially as a mathematical curiosity in quantum mechanics, and more recently were employed in photonics. Pure mathematical bound states have infinitely-large quality factors (Q factors) and zero resonant linewidth. In optics, BICs are physically limited by a finite size, material absorption, structural disorder, and surface scattering, and they manifest themselves as the resonant states with large Q factors, also known as supercavity modes or quasi-BICs. Optical BIC resonances have been demonstrated only in extended 2D and 1D systems and have been employed for distinct applications including lasing and sensing. Optical quasi-BIC modes in individual nanoresonators have been discovered recently but they were never observed in experiment. Here, we demonstrate experimentally an isolated subwavelength nanoresonator hosting a quasi-BIC resonance. We fabricate the resonator from AlGaAs material on an engineered substrate, and couple to the quasi-BIC mode using structured light. We employ the resonator as a nonlinear nanoantenna and demonstrate record-high efficiency of second-harmonic generation. Our study brings a novel platform to resonant subwavelength photonics.

研究の動機と目的

• 孤立したナノ共鳴体における連続体上の結合状態（BIC）を、非線形光子学のために動機づけ実現する。
• サブ波長ナノ共鳴体における準BICモードの実験的励起を実証する。
• ナノアンテナを高い二次高調波発生効率を備えた非線形素子として示す。

提案手法

• 設計された基板上にサブ波長のAlGaAsナノ共鳴体を作製する。
• 構造光を用いて準BICモードへ結合するよう特定・調整する。
• 共振品質因子と非線形応答を特徴づける。
• ナノアンテナからの二次高調波発生を実証する。
• 準BICの利点を強調するため、従来の共振器と性能を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 孤立したサブ波長ナノ共鳴体は、効率的に励起できる準BIC共鳴をホストできるのか。
• RQ2 準BICモードへの結合は、単一ナノアンテナにおける非線形光学過程の強化を可能にするのか。
• RQ3 構造光で駆動した場合、そのようなナノアンテナで達成可能な二次高調波発生効率はどれくらいか。

主な発見

• 準BIC共鳴をホストする孤立したサブ波長ナノ共鳴体が実験的に示された。
• この共鳴体は、設計された基板上のAlGaAsから作製され、構造光を介して励起される。
• ナノアンテナは記録的に高い二次高調波発生効率を持つ非線形要素として機能する。
• 個々のナノ共鳴体における準BICモードは、コンパクトなプラットフォームで高Q共振を実現する。