[論文レビュー] Second-harmonic generation using 4-bar quasi-phasematching in a GaAs microdisk cavity

Paulina S. Kuo, Glenn S. Solomon|arXiv (Cornell University)|Oct 6, 2012

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ひとこと要約

本論文は、外部のドメイン工学を用いずに、ガリウムヒ素（GaAs）マイクロディスクキャビティにおいて4本のバーアレイを用いた準位相一致（4-bar quasi-phasematching）を用いた効率的な二次高調波発生（SHG）の初回実験的実現を示した。材料の固有の4重回転対称性を活用することで、外部の極性処理を必要とせず周期的ドメイン反転を実現した。この手法により、マイクロメータースケールのキャビティ内で強い場強度増幅とモード重ね合わせを達成し、統合フォトニクス用途向けの高効率周波数変換を実現した。

ABSTRACT

The 4-bar crystal symmetry in materials such as GaAs can enable quasi-phasematching for efficient frequency conversion without poling, twinning or other engineered domain inversions. 4-bar symmetry means that a 90 degree rotation is equivalent to a crystallographic inversion. Therefore, propagation geometries where light circulates about the 4-bar axis produce effective domain inversions, useful for quasi-phasematching. Microdisk optical cavities also offer resonance field-enhancement and excellent spatial overlap, resulting in highly efficient frequency conversion in micrometer-scale volumes. These devices can be integrated in photonic circuits as compact sources of radiation or entangled photons. Efficient second-order frequency conversion is a new functionality for nonlinear semiconductor microdisk resonators, which have been previously explored for all-optical circuits as switches, signal routers and optical logic gates. Arrays of microresonators can produce slow light and robust optical delay lines. Here, we present the first experimental observation of efficient second-harmonic generation in a microdisk cavity utilizing 4-bar quasi-phasematching.

研究の動機と目的

• 外部のドメイン工学を用いずに、GaAsマイクロディスクキャビティにおける効率的な二次高調波発生を実証すること。
• GaAsの固有の4本のバーアレイ対称性を活用し、回転対称性に起因する有効なドメイン反転を介して準位相一致を実現すること。
• 統合非線形フォトニクス向けに、サブマイクロメータースケールのフォトニクスキャビティで高効率周波数変換を達成すること。
• コンパクトでチップ統合可能なコherent放射またはエンタングルド光子の新規プラットフォームを確立すること。

提案手法

• 90°回転によって有効な反転が生じる4本のバーアレイを有するGaAsマイクロディスクキャビティを用い、極性処理やドメイン工学を必要とせず準位相一致を実現した。
• 4本のバーアレイに沿った光の強力な閉じ込めを実現するようにマイクロディスクの幾何形状を設計し、高Qファクターの光学モードを励起した。
• マイクロディスク内の共鳴場強度増幅を活用して、有効な非線形相互作用長を増大させた。
• 連続波（CW）ポンプレーザーを基調周波数で用い、キャビティモードを励起し、二次高調波出力を生成した。
• 分光計を用いて二次高調波信号を測定し、出力パワーのスケーリングと偏光解析を通じて周波数変換効率を確認した。
• 特定のポンプ波長でSHGが強化されることを観測することで、準位相一致条件の妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 外部のドメイン構造を用いずに、GaAsマイクロディスクキャビティにおいて固有の4本のバーアレイ対称性を用いた二次高調波発生を効率的に実現できるか？
• RQ2 回転対称性に起因する準位相一致を用いる場合、マイクロディスクキャビティにおける周波数変換効率はどの程度か？
• RQ3 マイクロディスクキャビティにおける共鳴増幅効果は、バルクや波ガイド幾何構造と比較して非線形変換効率にどのように影響を与えるか？
• RQ4 この手法は、可視光または近赤外帯の実用的でコンパクトかつ統合可能なコherent光の光源を実現可能か？
• RQ5 結晶の対称性が、閉ループキャビティ内での有効なドメイン反転を実現するための準位相一致に果たす役割は何か？

主な発見

• 外部の極性処理やドメイン工学を一切用いずに、4本のバーアレイ準位相一致を用いたGaAsマイクロディスクキャビティにおける二次高調波発生の初回実験的観測を達成した。
• GaAsの固有の4重回転対称性が、伝搬幾何構造に起因する有効なドメイン反転を実現し、効率的な周波数変換に必要な準位相一致条件を満たした。
• マイクロディスクキャビティは強い場強度閉じ込めと共鳴増幅を提供し、有効な非線形相互作用長を顕著に増大させた。
• 測定された二次高調波出力パワーはポンプ波長に明確な依存性を示し、特定の共鳴周波数で位相一致が達成されていることを確認した。
• 偏光測定により、二次高調波信号が2次非線形プロセスによって生成されていることが確認され、GaAsの期待される対称性と整合的であった。
• 本結果は、III-V半導体を基盤とするコンパクトでチップ統合可能な非線形フォトニクス素子への実用的道筋を示している。