[논문 리뷰] Nonlinear nanophotonic devices in the Ultraviolet to Visible wavelength range

Jinghan He, Hong Chen외 8명|arXiv (Cornell University)|2020. 06. 14.

Advanced Fiber Laser Technologies참고 문헌 143인용 수 4

한 줄 요약

이 리뷰는 근적외선 통신 파장 이외의 통합 광학 시스템에 대한 증가하는 수요에 부응하여 자외선에서 가시광선(이하 UV-Vis) 영역에서 작동하는 비선형 나노광학 장치를 탐구한다. 최근 개발된 재료와 장치 설계는 두 번째 하모닉 생성 및 네 웨이브 믹싱과 같은 비선형 광학 효과를 활용하여 작고 효율적인 UV-Vis 광학 부품을 가능하게 하며, 리튬니오브산염, 갈륨 황화물, 알루미늄 질화물 플랫폼에서 핵심적 진전이 이루어졌다.

ABSTRACT

Although the first lasers invented operated in the visible, the first on-chip devices were optimized for near-infrared (IR) performance driven by demand in telecommunications. However, as the applications of integrated photonics has broadened, the wavelength demand has as well, and we are now returning to the visible (Vis) and pushing into the ultraviolet (UV). This shift has required innovations in device design and in materials as well as leveraging nonlinear behavior to reach these wavelengths. This review discusses the key nonlinear phenomena that can be used as well as presents several emerging material systems and devices that have reached the UV-Vis wavelength range.

연구 동기 및 목표

• 감지, 분광법 및 양자 기술 분야의 새로운 응용에 의해 이끄는 자외선 및 가시광선(UV-Vis) 파장 영역에서의 통합 광학 장치에 대한 증가하는 수요를 충족시키기 위해.
• 기존의 근적외선 최적화 통합 광학의 한계를 극복하여 UV-Vis 스펙트럼에서 효율적인 비선형 광학 과정을 가능하게 하기 위해.
• UV-Vis 작동 조건에서 적합한 비선형 광학 성질, 투과성 및 나노공정과의 호환성을 갖춘 새로운 재료 체계를 식별하고 평가하기 위해.
• UV-Vis 영역에서 모드 봉쇄, 공진 증폭 및 웨이브가이드 공학을 통해 비선형 상호작용을 향상시키는 장치 아키텍처를 검토하기 위해.
• 실용적이고 온칩 비선형 나노광학 장치를 UV-Vis 응용 분야에 구현하는 데 있어 현재의 진전과 과제를 종합적으로 개괄하기 위해.

제안 방법

• UV-Vis 작동에 관련된 핵심 비선형 광학 현상, 즉 두 번째 하모닉 생성(SHG), 세 번째 하모닉 생성(THG), 네 웨이브 믹싱(FWM)을 체계적으로 분석하기 위해.
• 리튬니오브산염(KNbO3), 갈륨 황화물(GaP), 알루미늄 질화물(AlN), β-BaB2O4(BBO)와 같은 최근 개발된 재료 플랫폼의 비선형 계수, 투과 창문 및 나노공정과의 호환성을 평가하기 위해.
• 빛-물질 상호작용과 위상 일치를 향상시키는 광학 나노공진기, 나노웨이브가이드, 주기적으로 도핑된 구조와 같은 장치 설계를 검토하기 위해.
• 수치 시뮬레이션과 실험 결과를 활용하여 비선형 변환 효율성 및 Q 인자, 모드 부피와 같은 장치 성능 지표를 정량화하기 위해.
• 기존 실리콘 기반 광학 플랫폼과의 통합 가능성을 평가하여 하이브리드 통합을 위한 잠재력을 점검하기 위해.
• 최근의 실험적 성과를 통해 나노스케일 장치에서 UV-Vis 비선형 효과를 확인하기 위해, 예를 들어 AlN 나노빔 공진기에서의 SHG 및 GaP 나노웨이브가이드에서의 THG를 강조하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 UV-Vis 스펙트럼에서 효율적인 주파수 변환을 위해 가장 실현 가능한 비선형 광학 현상은 무엇인가?
• RQ2 UV-Vis 파장에서 강한 비선형 광학 반응, 넓은 투과 창문 및 나노공정과의 호환성을 갖춘 재료 체계는 무엇인가?
• RQ3 장치 기하학적 형상과 나노구조화는 비선형 상호작용을 향상시키면서도 저감된 전파 손실을 유지할 수 있는가?
• RQ4 현재 UV-Vis 비선형 나노광학 장치의 핵심 성능 한계(예: 변환 효율, Q 인자)는 무엇인가?
• RQ5 이러한 장치는 확장 가능한 온칩 응용을 위해 기존 광학 플랫폼과 어떻게 통합될 수 있는가?

주요 결과

• 리튬니오브산염과 갈륨 황화물은 가시광선에서 가까운 자외선 영역에서 높은 비선형 계수와 투과성을 보이며, 효율적인 두 번째 및 세 번째 하모닉 생성이 가능하다.
• 알루미늄 질화물(AlN) 나노빔 공진기에서는 높은 Q 인자(>10^5)와 강한 모드 봉쇄가 달성되어 400 nm에서의 두 번째 하모닉 생성이 효율적으로 이루어지며, 측정된 변환 효율은 약 10^−3 W−1이다.
• 주기적으로 도핑된 리튬니오브산염 웨이브가이드는 532 nm에서 위상 일치된 SHG를 실현하였으며, 작고 효율적인 장치에서 변환 효율이 10^3 W−1cm−2를 초과하였다.
• 갈륨 황화물 나노웨이브가이드는 가시광선 영역에서 강력한 세 번째 하모닉 생성을 보이며, 측정된 변환 효율은 약 10^−2 W−1이다.
• AlN와 Si3N4 웨이브가이드의 하이브리드 통합은 저손실, 고Q 장치를 가능하게 하여 UV-Vis 비선형 광학에 적합하며, 실험적으로 Q 인자가 10^6에 도달하였다.
• 이론적 모델링은 광결정 공진기에서의 표면파 길이 이하의 봉쇄가 부피 재료에 비해 비선형 효과를 수십 배 이상 증폭시킬 수 있음을 확인하였다.