[논문 리뷰] Giant Enhancement of Third Harmonic Generation from Ge2Sb2Te5 based Fabry-Perot Cavity

Tun Cao, Kuan Liu외 4명|arXiv (Cornell University)|2019. 01. 25.

Photonic and Optical Devices참고 문헌 42인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 가시광선 근처 영역에서 공명 공진기 설계를 활용하여 비정질 Ge2Sb2Te5 (GST225) 필름을 포함한 Fabry-Perot 공진기에서 제3차 고조파 발진(THG) 효율을 422배 향상시켰음을 보여준다. GST225의 결정화가 일어나면 이 향상 효과가 사라지며, 이는 고효율의 초소형 스위치가 가능한 비선형 광학 소스를 실현한다.

ABSTRACT

Third-order harmonic generation (THG) plays a vital role in microscopy, optical communications etc. Conventional methods of obtaining efficient THG in macroscopic crystal is already mature; however, they will finally limit the miniaturization and integration of on-chip laser sources. To date, THG from either photonic crystals or metamaterials provide compact photonic platforms, however selection of materials remains elusive. Herein, we experimentally demonstrate a giant enhancement of THG efficiency from an air/high index Ge2Sb2Te5 (GST225) /gold multi-layered Fabry-Perot cavity. At cavity resonant wavelength in near-infrared regime, the efficiency of THG from a 50 nm thick amorphous GST225 planar film is boosted by 422 times compared to that of nonresonant conditions. Interestingly, the THG efficiency has a dramatic decrease of three orders when the structural state of GST225 is transformed from amorphous to crystalline. Our findings have a potential for achieving ultra-compact nonlinear optical source with high efficiency and switchable functionality.

연구 동기 및 목표

• 기존의 거대한 제3차 고조파 발진(THG) 물질의 소형화 및 통합에 한계를 극복하기 위해
• 광결정 및 메타물질을 초월한 새로운 초소형 플랫폼을 통해 효율적인 THG를 탐색하기 위해
• Ge2Sb2Te5와 같은 상전이 물질이 비선형 광학 반응을 어떻게 향상시키는지 연구하기 위해
• 구조적 상전이를 이용한 스위치가 가능한 고효율 온칩 THG 소스를 구현하기 위해

제안 방법

• 비선형 매질로 50 nm 두께의 비정질 GST225 필름을 사용한 공기/GST225/공기 다층 구조의 Fabry-Perot 공진기 제작
• 근적외선 영역에서의 공진 조건을 활용해 국소 전기장 강도를 증가시켜 제3차 고조파 발진 효율을 향상시키기
• 금속 거울을 사용해 고-Q 공진기 형상을 구현하여 광자 포획 능력과 비선형 상호작용을 증가시키기
• 공진 조건과 비공진 조건에서의 THG 효율 측정을 통해 향상 정도 정량화하기
• GST225의 비정질 상태에서 결정상으로의 제어된 상전이를 통해 THG 성능에 미치는 영향 연구하기
• 1550 nm 파장의 펌프 레이저를 사용해 공진기 구동하고 516.7 nm에서 제3차 고조파 신호 측정하기

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비정질 Ge2Sb2Te5를 포함한 Fabry-Perot 공진기는 제3차 고조파 발진 효율을 크게 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 GST225의 상 상태(비정질 대 비정질)가 공진 공진기 내에서 THG 효율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 소형 평판형 GST225 기반 공진기에서 얻을 수 있는 최대 THG 향상 계수는 얼마인가?
• RQ4 GST225의 상전이를 통해 전기적 또는 열적으로 THG 반응을 스위칭할 수 있는가?
• RQ5 향상 메커니즘은 주로 전기장 국소화와 공진기 공진에 기인한 것인가, 아니면 물질의 내재된 비선형성에 기인한 것인가?

주요 결과

• 50 nm 두께의 비정질 GST225 필름은 공진 파장에서 비공진 조건 대비 422배의 THG 효율 향상을 보였다.
• GST225 필름이 비정질에서 결정상으로 전이되면 THG 효율이 3개의 주자 수준 감소하였다.
• 이 향상은 Fabry-Perot 공진기 내에서 공진적 전기장 봉쇄로 인해 발생하며, 이는 효과적인 비선형 상호작용을 증폭시킨다.
• 관측된 향상 정도는 GST225의 구조적 상에 매우 민감하게 반응하여 비선형 반응의 능동적 스위칭이 가능하다.
• 이 시스템은 온칩 제3차 고조파 발진을 위한 소형, 스위칭 가능, 고효율 플랫폼을 구현하였다.