[논문 리뷰] Below-bandgap second harmonic generation in GaAs photonic crystal cavites in (111)B and (001) crystal orientations

Sonia Buckley, Marina Radulaski외 6명|arXiv (Cornell University)|2014. 02. 16.

Photonic Crystals and Applications참고 문헌 36인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 (001) 및 (111)B 결정 구배를 가진 GaAs 광결정 공진자에서 1800 nm 기본 파장을 사용하여 빛의 밴드 갭 이하에서 효율적인 두 번째 고조파 발생(SHG)을 구현함을 보여주며, GaAs의 금속 밴드 갭 이하에서 SHG가 발생한다. 이 방법은 흡수 및 두광자 흡수를 최소화하여, 두 구배에서 최대 SHG 효율 1.2 %/W를 달성하였으며, 실험적 원형장 패턴과 시뮬레이션 결과가 일치함을 확인하였다.

ABSTRACT

We demonstrate second harmonic generation in photonic crystal cavities in (001) and (111)B oriented GaAs. The fundamental resonance is at 1800 nm, leading to second harmonic below the GaAs bandgap. Below-bandgap operation minimizes absorption of the second harmonic and two photon absorption of the pump. Photonic crystal cavities were fabricated in both orientations at various in-plane rotations of the GaAs substrate. The rotation dependence and farfield patterns of the second harmonic match simulation. We observe similar maximum efficiencies of 1.2 %/W in (001) and (111)B oriented GaAs. ∗To whom correspondence should be addressed †Spilker Center for Engineering and Applied Sciences, Stanford University, Stanford CA 94305 ‡Department of Materials Science and Engineering, Stanford University, Stanford CA 94305 ¶Paul-Drude-Institut fur Festkorperelektronik, Hausvogteiplatz 5-7 D-10117, Berlin, Germany 1 ar X iv :1 40 2. 37 39 v1 [ ph ys ic s. op tic s] 1 6 Fe b 20 14

연구 동기 및 목표

• 빛의 밴드 갭 이하에서 GaAs 광결정 공진자에서 효율적인 두 번째 고조파 발생(SHG)을 달성하여 광학적 손실을 최소화한다.
• 동일한 실험 조건에서 (001) 및 (111)B 구배를 가진 GaAs 기판 간의 SHG 성능을 비교한다.
• 면내 기판 회전이 SHG 효율과 원형장 방출 패턴에 미치는 영향을 조사한다.
• 공진자 모드 및 방사 패턴의 전파형 전자기 시뮬레이션과 실험 결과를 비교 검증한다.
• 빛의 밴드 갭 이하에서의 SHG가 두광자 흡수 및 기본 흡수를 줄이며 높은 효율을 달성할 수 있음을 입증한다.

제안 방법

• (001) 및 (111)B 구배 기판에 GaAs 광결정 공진자를 제작하고, 면내에서 제어된 각도로 기판을 회전시킨다.
• 1800 nm 기본 레이저를 사용하여 GaAs의 금속 밴드 갭 이하(약 1.42 eV, ~870 nm)에서 두 번째 고조파를 생성한다.
• 원형장 패턴 측정을 통해 두 번째 고조파 방출의 직접성 및 모드 프로파일을 특성화한다.
• 기판 구배를 체계적으로 변화시켜 SHG 효율과 방출 패턴의 회전 의존성을 연구한다.
• 공진자 모드의 유한차분시간영역(FDTD) 시뮬레이션과 실험적 SHG 효율 및 원형장 데이터를 비교한다.
• SHG 효율을 %/W 단위로 정량화하여 (001) 및 (111)B 구배 간의 직접 비교를 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 빛의 밴드 갭 이하에서 GaAs 광결정 공진자에서 효율적인 두 번째 고조파 발생을 달성할 수 있는가?
• RQ2 결정 구배((001) 대비 (111)B)가 SHG 효율과 방출 특성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 면내 기판 회전이 SHG 효율과 원형장 방사 패턴에 어느 정도의 영향을 미치는가?
• RQ4 실험적 원형장 패턴과 방출 패턴의 회전 의존성은 공진자 모드의 전자기 시뮬레이션과 일치하는가?
• RQ5 (001) 및 (111)B 구배에서 빛의 밴드 갭 이하 작동 조건에서 도달 가능한 최대 SHG 효율은 얼마인가?

주요 결과

• 1800 nm 기본 펌프를 사용하여 (001) 및 (111)B 구배를 가진 GaAs 광결정 공진자에서 빛의 밴드 갭 이하인 900 nm에서 두 번째 고조파 발생이 성공적으로 구현되었다.
• (001) 및 (111)B 구배를 가진 GaAs에서 최대 SHG 효율이 각각 1.2 %/W에 도달하여, 두 구배 간의 성능이 유사함을 나타냈다.
• 두 번째 고조파의 원형장 방출 패턴이 전파형 전자기 시뮬레이션과 잘 일치하여, 모드 제어 및 공진자 설계의 정밀도를 확인하였다.
• SHG 효율과 원형장 방출 패턴의 회전 의존성은 시뮬레이션된 공진자 모드 프로파일과 일치하여 설계 및 제작 과정의 타당성을 검증하였다.
• 빛의 밴드 갭 이하 작동은 두 번째 고조파의 흡수와 펌프의 두광자 흡수를 크게 줄여 전체 효율을 향상시켰다.
• 결과적으로 GaAs 광결정 공진자는 두 번째 고조파가 밴드 갭 이하에 위치하더라도 고효율 비선형 주파수 변환을 지원할 수 있음을 확인하였다.