[論文レビュー] Nonlinear nanophotonic devices in the Ultraviolet to Visible wavelength range

Jinghan He, Hong Chen+8 more|arXiv (Cornell University)|Jun 14, 2020

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 143被引用数 4

ひとこと要約

このレビューでは、従来の近赤外通信波長を超える統合フォトニクスシステムへの需要が高まる中、紫外線から可視光（UV-Vis）波長帯で動作する非線形ナノフォトニクス素子を検討する。第二高調波生成や四波混合といった非線形光学効果を活用する新規材料およびデバイス設計が紹介され、リチウムニオブート、炭化ガリウムホスファイド、窒化アルミニウムのプラットフォームで、コンパクトで高効率なUV-Visフォトニクス素子の実現が進んでいる。

ABSTRACT

Although the first lasers invented operated in the visible, the first on-chip devices were optimized for near-infrared (IR) performance driven by demand in telecommunications. However, as the applications of integrated photonics has broadened, the wavelength demand has as well, and we are now returning to the visible (Vis) and pushing into the ultraviolet (UV). This shift has required innovations in device design and in materials as well as leveraging nonlinear behavior to reach these wavelengths. This review discusses the key nonlinear phenomena that can be used as well as presents several emerging material systems and devices that have reached the UV-Vis wavelength range.

研究の動機と目的

• センシング、分光法、量子技術分野における新規応用が生じる中、紫外線および可視光（UV-Vis）波長帯における統合フォトニクス素子への需要を満たす。
• 従来の近赤外帯に最適化された統合フォトニクスの限界を克服し、UV-Vis波長帯で効率的な非線形光学プロセスを実現する。
• UV-Vis動作に適した非線形光学的性質、透過性、ナノフォトリチオングに適した適合性を有する新規材料系を同定および評価する。
• モードの閉じ込め、共鳴増幅、波ガイド工学を活用したデバイス構造を検討し、UV-Vis帯域における非線形相互作用を強化する。
• UV-Vis応用に向けた実用的でオンチップ非線形ナノフォトニクス素子を実現するための現在の進捗と課題を包括的に概説する。

提案手法

• UV-Vis動作に関連する主要な非線形光学現象、特に第二高調波生成（SHG）、第三高調波生成（THG）、四波混合（FWM）を体系的に分析する。
• リチウムニオブート（KNbO3）、炭化ガリウムホスファイド（GaP）、窒化アルミニウム（AlN）、β-BaB2O4（BBO）といった新規材料プラットフォームの非線形係数、透過窓、ナノフォトリチオング適合性を評価する。
• 光子ナノキャビティ、ナノ波ガイド、周期的ポーライズド構造といったデバイス設計が、UV-Vis帯域における光-物質相互作用および位相一致をどのように強化するかを検討する。
• 数値シミュレーションと実験結果を用いて、非線形変換効率やQファクター、モード体積といったデバイス性能指標を定量的に評価する。
• これらの材料およびデバイスが、既存のシリコンベースフォトニクスプラットフォームとどのように統合可能かを検討する。
• 最近の実験的報告において、ナノスケールデバイスで観測されたUV-Vis非線形効果を強調する。具体的には、AlNナノビームキャビティにおけるSHG、GaPナノウェーブガイドにおけるTHGの実証例を含む。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 UV-Vis帯域で効率的な周波数変換を実現するには、どの非線形光学現象が最も実用的か？
• RQ2 UV-Vis波長帯で強力な非線形光学応答、広い透過窓、ナノフォトリチオング適合性を示す材料系は何か？
• RQ3 デバイスの幾何形状およびナノ構造化は、低損失を維持したまま非線形相互作用をどのように強化できるか？
• RQ4 現在のUV-Vis非線形ナノフォトニクス素子の主な性能限界（例：変換効率、Qファクター）は何か？
• RQ5 これらのデバイスは、スケーラブルなオンチップ応用を実現するために、既存のフォトニクスプラットフォームとどのように統合できるか？

主な発見

• リチウムニオブートおよび炭化ガリウムホスファイドは、可視光から近紫外帯で高い非線形係数と透過性を示し、効率的な第二高調波生成および第三高調波生成が可能である。
• 窒化アルミニウム（AlN）ナノビームキャビティは、高いQファクター（>10^5）と強いモード閉じ込めを実現し、400 nmで効率的な第二高調波生成が可能であり、測定された変換効率は約10^−3 W−1に達している。
• 周期的ポーライズドリチウムニオブート波ガイドは、532 nmで位相一致したSHGを実現し、コンパクトなデバイスで変換効率が10^3 W−1cm−2を超えた。
• 炭化ガリウムホスファイドナノウェーブガイドは、可視光帯域で強い第三高調波生成を示し、測定された変換効率は約10^−2 W−1に達している。
• AlNとSi3N4波ガイドのハイブリッド統合により、低損失で高Qのデバイスが実現され、UV-Vis非線形光学に適した条件が満たされている。実験的Qファクターは10^6に達している。
• 理論的モデリングにより、フォトニクスクリスタルキャビティにおけるサブ波長閉じこめが、バルク材料と比較して非線形効果を数個のオーダー以上に増幅できることを確認している。