[논문 리뷰] Nonlinear and Ultrafast All-Dielectric Metasurfaces at the Center for Integrated Nanotechnologies

Sylvain D. Gennaro, Raktim Sarma외 1명|arXiv (Cornell University)|2022. 04. 06.

Plasmonic and Surface Plasmon Research참고 문헌 135인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 GaAs 및 III-V 반도체 이종구조를 기반으로 한 초고속, 전적으로 유전체 메타표면을 제안하며, 설계된 Mie 공진과 연속체 내에 있는 결속 상태(BIC)를 통해 비선형 광학 효과를 향상시킨다. 주요 결과는 전적으로 유전체 메타표면에서 보고된 바 있는 가장 높은 두 번째 고조파 생성 효율을 달성한 것으로, 하위파장 두께와 낮은 펌프 파워 조건에서도 분수 수준의 효율을 달성하여, 온칩 양자 광원 및 전광학적 변조를 가능하게 한다.

ABSTRACT

Metasurfaces control optical wavefronts via arrays of nanoscale resonators laid out across a surface. When combined with III-V semiconductors with strong optical nonlinearities, a variety of nonlinear effects such as harmonic generation and all optical modulation can be enabled and enhanced at the nanoscale. This review presents our research on engineering and boosting nonlinear effects in ultrafast and nonlinear semiconductor metasurfaces fabricated at the Center for Integrated Nanotechnologies (CINT). We cover our recent works on parametric generation of harmonic light via direct and cascaded processes in GaAs-metasurfaces using Mie-like optical resonances or symmetric-protected Bound State in the Continuum, and then describe the recent advances on harmonic generation in all-dielectric metasurfaces coupled to intersubband transitions in III-V semiconductor heterostructures. The review concludes on the potential of metasurfaces to serve as the next platform for on-chip quantum light generation.

연구 동기 및 목표

• 온칩 포토닉 응용을 위한 비선형 광학 반응이 향상된 전적으로 유전체 메타표면을 개발하기 위해.
• 광학장을 집중시키는 하위파장 공진기를 설계하여 부피 비선형 재료의 한계를 극복하기 위해.
• Mie 공진과 BIC 모드를 통해 낮은 펌프 파워로도 높은 변환 효율을 달성하기 위해.
• 양자 우물의 다중준위 전이와 광학 공진을 통합하여 거대한 비선형 반응을 생성하기 위해.
• 메타표면을 양자 광학 플랫폼으로서의 잠재력을 탐색하기 위해, 예를 들어 자발적 파라메트릭 분할과 같은 현상 포함.

제안 방법

• Mie 유형의 전기 및 자석 듐프 옹호를 지원하는 나노스케일 공진기를 갖춘 설계된 GaAs 기반 메타표면.
• 강한 전자기장 국소화를 달성하기 위해 연속체 내에 있는 결속 상태(BIC)를 활용하여 고품질 인자 광학 모드를 구현.
• 비선형 감도를 향상시키기 위해 유전체 공진기 내에 다중 양자우물(다중-QW)과 다중준위 전이(IST)를 통합.
• 펌프 빛을 공진 모드로 효율적으로 커플링하기 위해 자석 드립 옹호를 이용하여 최대한의 전자기장 강화를 달성.
• 다양한 스펙트럼에서 가시광선 및 가까운 적외선 영역의 고조파 주파수를 생성하기 위해 비선형성의 매개 및 연쇄 과정(예: χ(2) 및 χ(3))를 적용.
• 광학 모드 강화와 재료의 비선형성 간의 최적화를 통해 흡수 손실을 최소화.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전적으로 유전체 메타표면에서 Mie 공진과 BIC 모드는 나노스케일에서 비선형 주파수 변환을 어떻게 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 하위파장 두께의 전적으로 유전체 메타표면에서 달성 가능한 최대 두 번째 고조파 생성 효율은 얼마인가?
• RQ3 유전체 공진기에 내장된 양자우물의 다중준위 전이가 거대한 비선형 반응을 생성할 수 있는가?
• RQ4 반도체 메타표면에서의 연쇄 비선형 과정은 전광학적 변조나 모드 락킹과 같은 새로운 功能을 어떻게 가능하게 하는가?
• RQ5 연속체 내에 있는 결속 상태(BIC)는 온칩 양자 광원을 위한 자발적 파라메트릭 분할을 어떻게 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• GaAs 기반 메타표면에 다중 양자우물을 내장하고 자석 드립 옹호를 적용한 결과, 전적으로 유전체 메타표면에서 보고된 바 있는 가장 높은 두 번째 고조파 생성 효율을 달성하였다.
• 펌프 파장의 1/5 이하의 두께를 가진 메타표면에서 낮은 펌프 파워 조건에서도 효율이 분수 수준에 도달하였다.
• 연속체 내에 있는 결속 상태(BIC) 공진은 전자기장 국소화와 비선형 반응을 크게 향상시켰으며, 전통적인 Mie 공진을 뛰어넘었다.
• GaAs-메타표면에서 연쇄 제2차 비선형성이 실험적으로 입증되었으며, 이로 인해 가시광선 및 가까운 적외선 스펙트럼 영역에서 10개의 새로운 주파수가 생성되었다.
• AlInAs/InGaAs 이종구조에서 다중준위 전이와 광학 공진기를 통합함으로써 중적외선 영역에서 강력한 비선형 반응이 가능해졌다.
• 이론적 예측에 따르면 BIC 모드는 나노스케일에서 자발적 파라메트릭 분할의 속도를 극적으로 향상시켜 효율적인 온칩 양자 광원을 가능하게 할 수 있다.