[논문 리뷰] Second-harmonic generation using 4-bar quasi-phasematching in a GaAs microdisk cavity

Paulina S. Kuo, Glenn S. Solomon|arXiv (Cornell University)|2012. 10. 06.

Photonic and Optical Devices참고 문헌 23인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 외부 도메인 공학 없이 4-바 고위상일치를 이용하여 GaAs 마이크로디스크 공진기에서 효율적인 두 번째 고조파 생성(SHG)을 처음으로 실험적으로 실현했다. 이는 재료의 고유한 4중 회전 대칭성을 활용해 외부 도메인 균열 없이 주기적인 도메인 역전을 가능하게 하여, 마이크로미터 크기의 공진기에서 강한 전기장 강화와 모드 오버랩을 달성함으로써 통합 광학 응용을 위한 고효율 주파수 변환을 가능하게 한다.

ABSTRACT

The 4-bar crystal symmetry in materials such as GaAs can enable quasi-phasematching for efficient frequency conversion without poling, twinning or other engineered domain inversions. 4-bar symmetry means that a 90 degree rotation is equivalent to a crystallographic inversion. Therefore, propagation geometries where light circulates about the 4-bar axis produce effective domain inversions, useful for quasi-phasematching. Microdisk optical cavities also offer resonance field-enhancement and excellent spatial overlap, resulting in highly efficient frequency conversion in micrometer-scale volumes. These devices can be integrated in photonic circuits as compact sources of radiation or entangled photons. Efficient second-order frequency conversion is a new functionality for nonlinear semiconductor microdisk resonators, which have been previously explored for all-optical circuits as switches, signal routers and optical logic gates. Arrays of microresonators can produce slow light and robust optical delay lines. Here, we present the first experimental observation of efficient second-harmonic generation in a microdisk cavity utilizing 4-bar quasi-phasematching.

연구 동기 및 목표

• 외부 도메인 공학 없이 GaAs 마이크로디스크 공진기에서 효율적인 두 번째 고조파 생성을 실현하기 위해
• GaAs의 고유한 4-바 대칭성을 활용하여 회전 대칭에 의해 유도되는 효과적 도메인 역전을 통해 고위상일치를 가능하게 하기 위해
• 통합 비선형 광학을 위한 마이크로미터 이하 크기의 광학 공진기에서 고효율 주파수 변환 달성하기 위해
• 소형·칩 통합형 비선형 광소스 또는 얽힌 광자 소스를 위한 새로운 플랫폼 구축하기 위해

제안 방법

• 90°의 회전이 효과적 역전을 유도하는 4-바 결정 대칭성을 가진 GaAs 마이크로디스크 공진기를 사용하여, 도메인 공학 없이도 고위상일치를 가능하게 하였다.
• 4-바 축을 따라 빛을 강하게 구속하는 고-Q 광학 모드를 지원하도록 마이크로디스크 기하구조를 설계하였다.
• 마이크로디스크 내의 공진 전기장 강화를 활용하여 효과적 비선형 상호작용 길이를 증가시켰다.
• 기본 주파수에서 연속파 펌프 레이저를 사용하여 공진기 모드를 자극하고 두 번째 고조파 출력을 생성하였다.
• 스펙트럼계를 사용하여 두 번째 고조파 신호를 측정하고, 출력 전력 스케일링 및 편광 분석을 통해 주파수 변환 효율을 확인하였다.
• 특정 펌프 파장에서의 SHG 강화를 관측하여 고위상일치 조건을 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 외부 도메인 공학 없이 GaAs 마이크로디스크 공진기에서 고유한 4-바 대칭성을 이용하여 효율적인 두 번째 고조파 생성을 달성할 수 있는가?
• RQ2 역행 대칭을 통한 고위상일치를 이용할 경우, 마이크로디스크 공진기에서의 주파수 변환 효율은 어떠한가?
• RQ3 마이크로디스크 공진기 내의 공진 강화는 부피 또는 웨이브가이드 기하구조에 비해 비선형 변환 효율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 이 방법은 가시광선 또는 가까운 적외선 영역에서 실용적이고 소형·통합 가능한 일관된 빛의 소스를 가능하게 할 수 있는가?
• RQ5 결정의 대칭성이 폐쇄된 루프 공진기에서 고위상일치를 위한 효과적 도메인 역전을 어떻게 가능하게 하는가?

주요 결과

• 외부 도메인 균열 또는 도메인 공학 없이도 GaAs 마이크로디스크 공진기에서 4-바 고위상일치를 이용한 두 번째 고조파 생성을 처음으로 실험적으로 관측하였다.
• GaAs의 고유한 4중 회전 대칭성이 전파 기하구조에 의해 효과적 도메인 역전을 가능하게 하여, 효율적인 주파수 변환을 위한 고위상일치 조건을 충족시켰다.
• 마이크로디스크 공진기는 강한 전기장 구속과 공진 강화를 제공하여 효과적 비선형 상호작용 길이를 크게 증가시켰다.
• 측정된 두 번째 고조파 출력 전력은 특정 공진 조건에서의 펌프 파장 의존성을 보여주어 고위상일치 조건을 확인하였다.
• 편광 측정 결과 두 번째 고조파 신호가 예상되는 GaAs의 대칭성과 일치하는 두 번째 순서 비선형 과정에 의해 생성되었음을 확인하였다.
• 결과적으로, III-V 반도체 기반의 소형·칩 통합형 비선형 광학 장치를 위한 실현 가능한 길을 제시하였다.