[論文レビュー] Below-bandgap second harmonic generation in GaAs photonic crystal cavites in (111)B and (001) crystal orientations

Sonia Buckley, Marina Radulaski+6 more|arXiv (Cornell University)|Feb 16, 2014

Photonic Crystals and Applications参考文献 36被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、(001)および(111)B結晶指向を用いたGaAsフォトニクスクリスタルキャビティにおいて、1800 nmの基本波を用いて、GaAsのバンドギャップ未満の波長で効率的な準位外第二高調波発生（SHG）を実証した。この手法により吸収および二光子吸収が最小限に抑えられ、両指向性で最大1.2 %/WのSHG効率を達成した。実験による遠方場パターンおよび回転依存性がシミュレーションと一致しており、妥当性が確認された。

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

研究の動機と目的

• GaAsフォトニクスクリスタルキャビティにおいて、GaAsのバンドギャップ未満で効率的な第二高調波発生（SHG）を実現し、光学損失を最小限に抑えること。
• 同一の実験条件下で、(001)および(111)B指向のGaAs基板におけるSHG性能を比較すること。
• 面内基板回転がSHG効率および遠方場放射パターンに与える影響を調査すること。
• キャビティモードおよび放射パターンのフル波動電磁界シミュレーションと照らし合わせて、実験結果を検証すること。
• バンドギャップ未満のSHGが、二光子吸収および基本波吸収を低減させつつ、高い効率を実現できることを示すこと。

提案手法

• (001)および(111)B指向の基板に、制御された面内回転を有するGaAsフォトニクスクリスタルキャビティのプロセスを実施した。
• 1800 nmの基本波レーザー源を用い、GaAsのバンドギャップ（約1.42 eV、~870 nm）未満の波長で第二高調波を生成した。
• 第二高調波放射の指向性およびモードプロファイルを特徴付けるために、遠方場パターン測定を実施した。
• 基板指向の系統的変更により、SHG効率および放射パターンの回転依存性を調査した。
• キャビティモードの有限差分時間領域（FDTD）シミュレーションと照らし合わせ、実験的SHG効率および遠方場データを比較した。
• SHG効率を%/W単位で定量し、(001)および(111)B指向間の直接比較を可能にした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 第二高調波がバンドギャップ未満である場合、GaAsフォトニクスクリスタルキャビティで効率的な第二高調波発生を達成できるか？
• RQ2 結晶指向（(001)対(111)B）がSHG効率および放射特性に与える影響は何か？
• RQ3 面内基板回転がSHG効率および遠方場放射パターンに及ぼす影響の程度はどの程度か？
• RQ4 実験的遠方場パターンおよび回転依存性は、キャビティモードの電磁界シミュレーションと一致するか？
• RQ5 両結晶指向におけるバンドギャップ未満動作での最大SHG効率はどの程度達成可能か？

主な発見

• 1800 nmの基本波を用いて、(001)および(111)B指向のGaAsフォトニクスクリスタルキャビティの両方で、900 nm（GaAsのバンドギャップ未満）の第二高調波発生が成功裏に実証された。
• 両指向性で最大SHG効率が1.2 %/Wに達し、結晶指向の違いにかかわらず同等の性能を示した。
• 第二高調波の遠方場放射パターンがフル波動電磁界シミュレーションとよく一致しており、モード制御およびキャビティ設計の正確性が裏付けられた。
• SHG効率および遠方場パターンの回転依存性が、シミュレートされたキャビティモードプロファイルと一貫しており、設計およびプロセスの妥当性が検証された。
• バンドギャップ未満動作により、第二高調波の吸収および基本波の二光子吸収が顕著に低減され、全体の効率が向上した。
• 結果から、GaAsフォトニクスクリスタルキャビティは、第二高調波がバンドギャップ未満に位置する場合でも、高効率な非線形周波数変換を実現可能であることが確認された。