[논문 리뷰] Individual nanoantennas empowered by bound states in the continuum for nonlinear photonics

Kirill Koshelev, Sergey Kruk외 5명|arXiv (Cornell University)|2019. 08. 26.

Photonic and Optical Devices참고 문헌 31인용 수 175

한 줄 요약

본 논문은 구조화된 빛으로 구동되어 준-BIC 공명을 갖는 고립된 서브파장 AlGaAs 나노공진자를 실험적으로 시연하고, 이를 비선형 나노안테나로 이용하여 역대 최고 수준의 이차조파 생성 효율을 달성한다.

ABSTRACT

Bound states in the continuum (BICs) represent localized modes with energies embedded in the continuous spectrum of radiating waves. BICs were discovered initially as a mathematical curiosity in quantum mechanics, and more recently were employed in photonics. Pure mathematical bound states have infinitely-large quality factors (Q factors) and zero resonant linewidth. In optics, BICs are physically limited by a finite size, material absorption, structural disorder, and surface scattering, and they manifest themselves as the resonant states with large Q factors, also known as supercavity modes or quasi-BICs. Optical BIC resonances have been demonstrated only in extended 2D and 1D systems and have been employed for distinct applications including lasing and sensing. Optical quasi-BIC modes in individual nanoresonators have been discovered recently but they were never observed in experiment. Here, we demonstrate experimentally an isolated subwavelength nanoresonator hosting a quasi-BIC resonance. We fabricate the resonator from AlGaAs material on an engineered substrate, and couple to the quasi-BIC mode using structured light. We employ the resonator as a nonlinear nanoantenna and demonstrate record-high efficiency of second-harmonic generation. Our study brings a novel platform to resonant subwavelength photonics.

연구 동기 및 목표

• 비선형 광학을 위한 고립된 나노공진기에서 연속체 바운드 상태(BICs)를 동기부여하고 실현한다.
• 서브파장 나노공진기에서 준-BIC 모드의 실험적 구동을 시연한다.
• 나노안테나를 높은 이차조파 생성 효율을 갖는 비선형 소자로 선보인다.

제안 방법

• 공학적으로 설계된 기판 위에 서브파장 AlGaAs 나노공진자를 제작한다.
• 구조화된 빛으로 준-BIC 모드에 결합하도록 식별하고 조정한다.
• 공진 품질인자와 비선형 응답을 특성화한다.
• 나노안테나로부터 이차조파 생성을 시연한다.
• 일반 공진기와의 성능 비교를 통해 준-BIC의 이점을 강조한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고립된 서브파장 나노공진기가 효율적으로 구동될 수 있는 준-BIC 공명을 호스팅할 수 있는가?
• RQ2 준-BIC 모드에 결합하는 것이 단일 나노안테나에서 향상된 비선형 광학 과정을 가능하게 하는가?
• RQ3 구조화된 빛으로 구동될 때 이러한 나노안테나의 달성 가능한 이차조파 생성 효율은 얼마인가?

주요 결과

• 준-BIC 공명을 호스팅하는 고립된 서브파장 나노공진자가 실험적으로 시연된다.
• 공진자는 설계된 기판 위의 AlGaAs로 제작되며 구조화된 빛에 의해 구동된다.
• 나노안테나는 기록적인 높은 이차조파 생성 효율을 갖는 비선형 소자로 작용한다.
• 개별 나노공진기에서의 준-BIC 모드는 소형 플랫폼에서 고-Q 공명을 가능하게 한다.