[论文解读] 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 1

一句话总结

本研究展示了在GaAs光子晶体微腔中，利用(001)和(111)B晶面取向实现高效的带下二阶谐波产生（SHG），在1800 nm基频波长下实现低于GaAs带隙的SHG。该方法最小化了吸收和双光子吸收，两种取向的SHG最大效率均达到1.2 %/W，实验测得的远场模式分布和旋转依赖性与仿真结果高度一致。

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

研究动机与目标

• 在GaAs光子晶体微腔中实现低于GaAs带隙的高效二阶谐波产生（SHG），以最小化光学损耗。
• 在相同实验条件下，比较(001)和(111)B取向GaAs衬底的SHG性能。
• 研究平面内衬底旋转对SHG效率和远场辐射模式的影响。
• 通过全波电磁仿真验证实验结果，包括腔模和辐射模式。
• 证明带下SHG可实现高效率，同时减少双光子吸收和基频光吸收。

提出的方法

• 在(001)和(111)B取向的衬底上制备GaAs光子晶体微腔，并控制其平面内旋转角度。
• 使用1800 nm基频激光源，在低于GaAs带隙（≈1.42 eV，~870 nm）的条件下产生二次谐波光。
• 通过远场模式测量表征二次谐波辐射的指向性和模场分布。
• 系统性地改变衬底取向，研究SHG效率和辐射模式的旋转依赖性。
• 将实验测得的SHG效率和远场数据与腔模的有限元时域（FDTD）仿真结果进行对比。
• 以%/W为单位量化SHG效率，以便在(001)和(111)B取向之间进行直接比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 当二次谐波低于带隙时，是否可在GaAs光子晶体微腔中实现高效的二阶谐波产生？
• RQ2 晶面取向（(001)与(111)B）如何影响SHG效率和辐射特性？
• RQ3 平面内衬底旋转在多大程度上影响SHG效率和远场辐射模式？
• RQ4 实验测得的远场模式分布和旋转依赖性是否与腔模的电磁仿真结果一致？
• RQ5 在两种晶面取向下，带下运行的SHG最大可实现效率是多少？

主要发现

• 在(001)和(111)B取向的GaAs光子晶体微腔中，成功实现了900 nm（低于GaAs带隙）的二次谐波产生，泵浦波长为1800 nm。
• 在(001)和(111)B取向的GaAs中，SHG最大效率均达到1.2 %/W，表明两种取向的性能相当。
• 二次谐波的远场辐射模式与全波电磁仿真结果高度吻合，证实了模式控制和腔体设计的精确性。
• SHG效率和远场模式的旋转依赖性与仿真所得腔模分布一致，验证了设计与制备流程的可靠性。
• 带下运行显著降低了二次谐波的吸收以及泵浦光的双光子吸收，从而提升了整体效率。
• 结果表明，即使二次谐波位于带隙以下，GaAs光子晶体微腔仍可支持高效非线性频率转换。