[論文レビュー] Merging Nonlinear Optics and Negative-Index Metamaterials

A. K. Popov, Vladimir M. Shalaev|arXiv (Cornell University)|Aug 3, 2011

Metamaterials and Metasurfaces Applications参考文献 45被引用数 11

ひとこと要約

本論文は、二重ドメイン型正負インデックスメタマテリアルにおける非線形光学的プロセス—二次高調波発生、四波混合、光パラメトリック増幅—が、後退波伝搬によって特異な挙動を示すと提唱している。損失の埋め込み増幅媒体による補償と量子干渉制御により、透過率と反射率の全光的チューニングが可能であることが示され、フォノンに基づく結晶はコンパクトでチューナブルな光デバイスのための負インデックス挙動を模倣する。

ABSTRACT

The extraordinary properties of nonlinear optical propagation processes in double-domain positive/negative index metamaterials are reviewed. These processes include second harmonic generation, three- and four-wave frequency mixing, and optical parametric amplification. Striking contrasts with the properties of the counterparts in ordinary materials are shown. We also discuss the possibilities for compensating strong losses inherent to plasmonic metamaterials, which present a major obstacle in numerous exciting applications, and the possibilities for creation of unique ultracompact photonic devices such as data processing chips and nonlinear-optical sensors. Finally, we propose similar extraordinary three-wave mixing processes in crystals based on optical phonons with negative dispersion.

研究の動機と目的

• 二重ドメイン型正負インデックスメタマテリアルの特異な非線形光学的性質、特に二次高調波発生および四波混合の特性を調査すること。
• プラズモン的メタマテリアルに内在する強い光損失という主要な課題に対して、アクティブ補償技術を用いて解決すること。
• 設計されたメタマテリアルを用いて、全光的データプロセッサーや非線形センサーを含む、超コンパクト光デバイスの実現可能性を示すこと。
• 負分散を示す光学フォノンが、従来の結晶における負インデックス挙動の古典的アナロジーとしての可能性を検討すること。
• メタマテリアルに埋め込まれた共鳴的4準位中心を用いて、負インデックスと非線形応答を独立して設計可能にする。

提案手法

• 負インデックスメタマテリアルにおける通常の制御波と後退波場との間のコherentエネルギー移動を数値的にシミュレートする。
• プラズモン的メタマテリアルの固有損失を補償するため、埋め込み増幅中心における粒子分布の逆転の概念を適用する。
• 2つの補助的制御場を用いた量子干渉を採用し、局所的光学パラメータの正確な全光的チューニングを実現する。
• ナノ構造化されたプラズモン的メタマテリアルの代わりに、光学フォノンに負分散を示す結晶を用いることで、後退波挙動を模倣する。
• メタマテリアルおよびフォノンベース結晶における共進方向および逆進方向波を含む三波混合過程を分析する。
• 位相不一致と吸収の非線形プロセスにおける役割をモデル化し、制御場を介してこれらを相殺または増幅に転換できることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 二重ドメイン型正負インデックスメタマテリアルにおける非線形光学的プロセス—二次高調波発生や四波混合—は、従来の材料と比較してどのように振る舞うか？
• RQ2 プラズモン的負インデックスメタマテリアルにおける強い光損失は、埋め込み増幅媒体またはラーマン増幅を用いて効果的に補償可能か？
• RQ3 メタマテリアルの非線形応答をその負インデックス特性から独立して設計できる範囲はどの程度か？
• RQ4 負分散を示す光学フォノンを有する結晶は、負インデックスメタマテリアルの特異な非線形挙動を模倣できるか？
• RQ5 メタマテリアルにおける後退波が、キャビティフリーの光パラメトリック発振およびチューナブルフィルタリングを可能にする条件は何か？

主な発見

• 負インデックスメタマテリアルにおける非線形プロセスは、従来の材料と顕著な対比を示し、エネルギーの逆方向伝搬や位相速度の逆転を伴い、特異なコherentエネルギー交換を可能にする。
• 特に粒子分布の逆転を介した埋め込み増幅中心による損失補償は、プラズモン的メタマテリアルに内在する強い吸収損失を効果的に低減できる。
• 数値的シミュレーションにより、制御波と後退波間のコherent非線形エネルギー移動を通じて、透過率と反射率の全光的チューニングが可能であることが確認された。
• 共鳴的4準位非線形中心の導入により、非線形性と負インデックスの独立した設計が可能となり、機能的メタマテリアルのモジュラー設計が可能になる。
• 負分散を示す光学フォノンを有する結晶は、ナノ構造化を伴わずに負インデックスメタマテリアルの挙動を模倣でき、後退波混合を実現する。
• 系は材料の厚さ、ドーパント密度、制御場強度に依存する強い共鳴的挙動を示し、線形位相不一致を相殺し、イジール波の非パラメトリック増幅を可能にする可能性を有する。