[論文レビュー] Nonlinear and Ultrafast All-Dielectric Metasurfaces at the Center for Integrated Nanotechnologies

Sylvain D. Gennaro, Raktim Sarma+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 6, 2022

Plasmonic and Surface Plasmon Research参考文献 135被引用数 6

ひとこと要約

本論文では、ガリウムヒ素（GaAs）およびIII-V族半導体ヘテロ構造を用いた超高速で全誘電体のメタサーフェスを提案し、設計されたミエ共振と境界状態を連続状態（BIC）によって、非線形光学効果を強化している。主な結果として、全誘電体メタサーフェスにおける報告済み最高の二次高調波生成効率を達成しており、波長未満の厚さと低パワーパンプ入力で、分数パーセントレベルの効率を実現した。これにより、オンチップ量子光源や全光スイッチングが可能となった。

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.

研究の動機と目的

• オンチップ光子デバイス向けに、非線形光学応答を強化した全誘電体メタサーフェスの開発。
• 光場を集中させるサブ波長共振器を設計することで、バルク非線形材料の限界を克服すること。
• ミエ共振とBICモードを用いて、低パワーパンプで高い変換効率を達成する二次高調波生成の実現。
• 量子井戸内の準位間遷移を光子共振器と統合し、巨大な非線形応答を生成すること。
• メタサーフェスを量子光学のプラットフォームとして活用し、自然なパラメトリック下変換の可能性を検討すること。

提案手法

• ミエ型電気双極子モードおよび磁気双極子モードを支持するナノスケール共振器を有する、設計されたGaAsベースのメタサーフェス。
• 境界状態を連続状態（BIC）を用いて、高品質因子の光学モードと強い場の局在化を実現。
• 非線形感受率の増強のため、複数量子井戸（multi-QWs）と準位間遷移（IST）を誘電体共振器に統合。
• 磁気双極子励起を用いて、パンプ光を効率的に共振モードに結合し、場の強度増幅を最大化。
• パラメトリックおよびカスケード非線形プロセス（例：χ(2)およびχ(3)）を適用し、可視光および近赤外領域のスペクトルにわたる高調波周波数を生成。
• 光子モードの強化と材料の非線形性の最適化を図りつつ、吸収損失を最小限に抑える。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 全誘電体メタサーフェスにおけるミエ共振とBICモードは、ナノスケールで非線形周波数変換をどのように強化できるか？
• RQ2 サブ波長厚さの全誘電体メタサーフェスで、二次高調波生成効率は最大でどの程度達成可能か？
• RQ3 誘電体共振器内に埋め込まれた量子井戸内の準位間遷移は、巨大な非線形応答を生成できるか？
• RQ4 半導体メタサーフェスにおけるカスケード非線形プロセスは、全光スイッチングやモードロックングといった新機能を実現できるか？
• RQ5 境界状態を連続状態（BIC）は、オンチップ量子光源向けに自然なパラメトリック下変換を強化できるか？

主な発見

• 本番の全誘電体メタサーフェスにおける報告済み最高の二次高調波生成効率が、埋め込まれた多重量子井戸と磁気双極子励起を有するGaAsベースのメタサーフェスにより達成された。
• パワーパンプ入力が低く、真空中のパンプ波長の五分の一未満の厚さのメタサーフェスで、効率が分数パーセントに達した。
• 境界状態を連続状態（BIC）の共振は、場の局在化と非線形応答を顕著に強化し、従来のミエ共振を上回った。
• ガリウムヒ素メタサーフェスでカスケード二次高調波非線形性が実験的に確認され、可視光および近赤外領域にわたる10の新しい周波数が生成された。
• AlInAs/InGaAsヘテロ構造における準位間遷移を光子共振器と統合することで、中赤外領域で強い非線形応答が実現された。
• 理論的予測によれば、BICモードはナノスケールで自然なパラメトリック下変換の発生レートを著しく向上させられ、効率的なオンチップ量子光源の実現が可能となる。