[論文レビュー] Tuning nonlinear second-harmonic generation in AlGaAs nanoantennas via chalcogenide phase change material

Tingting Liu, Xinyuan Fang+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 15, 2021

Plasmonic and Surface Plasmon Research参考文献 57被引用数 26

ひとこと要約

本稿では、Ge2Sb2Te5 (GST) 相変化材料層を統合することで、AlGaAs ナノアンテナにおける二次高調波発生 (SHG) の非揮発的で多段階のチューニング戦略を提案する。GSTのアモルファス相と結晶相の間の屈折率対比を活用し、Mie型共鳴を制御することで、最大で540%のSHG変調深さを達成し、CMOSプロセスと互換性があり、再設定可能で低損失な非線形光デバイスの実現を可能にする。

ABSTRACT

The ability to engineer nonlinear optical processes in all-dielectric nanostructures is both of fundamental interest and highly desirable for high-performance, robust, and miniaturized nonlinear optical devices. Herein, we propose a novel paradigm for the efficient tuning of second-harmonic generation (SHG) process in dielectric nanoantennas by integrating with chalcogenide phase change material. In a design with Ge$_{2}$Sb$_{2}$Te$_{5}$ (GST) film sandwiched between the AlGaAs nanoantennas and AlO$_{x}$ substrate, the nonlinear SHG signal from the AlGaAs nanoantennas can be boosted via the resonantly localized field induced by the optically-induced Mie-type resonances, and further modulated by exploiting the GST amorphous-to-crystalline phase change in a non-volatile, multi-level manner. The tuning strategy originates from the modulation of resonant conditions by changes in the refractive index of GST. With a thorough examination of tuning performances for different nanoantenna radii, a maximum modulation depth as high as 540$\%$ is numerically demonstrated. This work not only reveals out the potential of GST in optical nonlinearity control, but also provides promising strategy in smart designing tunable and reconfigurable nonlinear optical devices, e.g., light emitters, modulators, and sensors.

研究の動機と目的

• 全ダイエレクトリックナノ構造における非揮発的で多段階のチューニング機構を、非線形二次高調波発生 (SHG) に開発すること。
• 既存の非線形ナノフォトニクスデバイスにおける熱的または電気的駆動による変調に起因する揮発的チューニング手法の限界を克服すること。
• チalcogenide系GSTのアモルファス相と結晶相の間の大きな屈折率対比を活用し、AlGaAs ナノアンテナにおける共鳴条件を動的に制御すること。
• チューナブルで再設定可能な非線形光デバイス（発光素子、変調器、センサなど）のための、CMOSプロセスと互換性があり、耐久性に優れたプラットフォームを実証すること。
• 相変化誘発の誘電環境変調と高屈折率ナノ構造における非線形光応答の相乗的相互作用を解明すること。

提案手法

• COMSOL Multiphysics を用いた3次元有限要素法 (FEM) シミュレーションにより、AlOx基板上に50 nmのGST膜を有する、高さ300 nm、半径を変化可能なAlGaAsナノシリンダーをモデル化する。
• 空気中から1550 nmのx偏光平面波を入射させ、全方向に吸収を実現するための完全整合層を適用する。
• 二次高調波発生 (SHG) は2段階で計算する：まず基本波における線形応答を計算し、次に2次スケーラー磁化率テンソル χ(2)ijk = 100 pm/V を用いた非線形極化を計算する。
• 非線形極化方程式を用いてSHG電場を計算する：P(2ω)i = ε₀χ(2)ijkE(ω)jE(ω)k （i ≠ j ≠ k）。
• 外部刺激によって非揮発的なアモルファス〜結晶相への相変化がGST膜で発生し、実験データから抽出された屈折率変化（アモルファス状態ではn ≈ 3.5、結晶状態ではn ≈ 4.5）を適用する。
• チューニング機構は、相変化に起因するMie共鳴のシフトに依存し、これによりAlGaAs ナノアンテナにおける線形および非線形光応答が変化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 チalcogenide相変化材料を統合することで、AlGaAs ナノアンテナにおける非線形SHG効率を非揮発的にチューニング可能か？
• RQ2 GSTの相変化（アモルファス〜結晶）が、ナノアンテナ系における共鳴条件およびSHG応答にどのように影響を与えるか？
• RQ3 全GST相変化プロセスにおいて、SHG効率の最大変調深さはどの程度達成可能か？
• RQ4 異なるナノアンテナ半径は、チューニング性能およびSHGの共鳴増幅にどのように影響を及ぼすか？
• RQ5 GSTの中間相は、非線形光出力の多段階的で連続的なチューニングを可能にするか？

主な発見

• AlGaAs ナノアンテナにおけるGSTの全アモルファス〜結晶相への相変化過程において、数値的に最大540%のSHG変調深さが実証された。
• 外部刺激を停止後も屈折率変化が保持されるため、チューニング機構は非揮発的かつ多段階的である。
• SHGの増幅は、AlGaAs ナノアンテナにおける光学的励起によるMie型電気的および磁気的デューポール共鳴に起因する共鳴局在化した電場に起因する。
• チューニング性能はナノアンテナの半径に強く依存しており、特定の幾何的パラメータで最適な変調が観察された。
• 相変化に起因する誘電環境のシフトにより、線形および非線形共鳴条件が変化し、非線形応答の動的制御が可能になった。
• 本手法により、耐久性に優れ、CMOSプロセスと互換性があり、再設定可能な高効率でチューナブルな非線形光デバイスの実現が可能になった。