[论文解读] Giant Enhancement of Third Harmonic Generation from Ge2Sb2Te5 based Fabry-Perot Cavity

Tun Cao, Kuan Liu+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 25, 2019

Photonic and Optical Devices参考文献 42被引用 4

一句话总结

本研究通过在近红外波段利用共振腔工程，在包含非晶Ge2Sb2Te5（GST225）薄膜的法布里-珀罗腔中实现了三倍频生成（THG）效率422倍的增强。GST225结晶后该增强效应消失，从而实现了可切换的、超紧凑的高效非线性光学源。

ABSTRACT

Third-order harmonic generation (THG) plays a vital role in microscopy, optical communications etc. Conventional methods of obtaining efficient THG in macroscopic crystal is already mature; however, they will finally limit the miniaturization and integration of on-chip laser sources. To date, THG from either photonic crystals or metamaterials provide compact photonic platforms, however selection of materials remains elusive. Herein, we experimentally demonstrate a giant enhancement of THG efficiency from an air/high index Ge2Sb2Te5 (GST225) /gold multi-layered Fabry-Perot cavity. At cavity resonant wavelength in near-infrared regime, the efficiency of THG from a 50 nm thick amorphous GST225 planar film is boosted by 422 times compared to that of nonresonant conditions. Interestingly, the THG efficiency has a dramatic decrease of three orders when the structural state of GST225 is transformed from amorphous to crystalline. Our findings have a potential for achieving ultra-compact nonlinear optical source with high efficiency and switchable functionality.

研究动机与目标

• 克服传统宏观三倍频生成（THG）材料在微型化与集成化方面的限制。
• 探索超越光子晶体与超材料的新型紧凑THG平台。
• 研究Ge2Sb2Te5等相变材料在增强非线性光学响应中的作用。
• 展示一种基于结构相变的可切换、高效率片上THG光源。

提出的方法

• 制备以50 nm非晶GST225薄膜作为非线性介质的空气/GST225/空气多层法布里-珀罗腔。
• 利用近红外波段的腔共振以增强局部电场，从而提升三倍频生成效率。
• 采用金镜形成高Q值腔结构，增强光子限制与非线性相互作用。
• 在共振与非共振条件下测量THG效率以量化增强效果。
• 通过受控的非晶到结晶相变研究其对THG性能的影响。
• 使用波长为1550 nm的泵浦激光激发腔体，并检测波长为516.7 nm的三倍频信号。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于非晶Ge2Sb2Te5的法布里-珀罗腔能否显著增强三倍频生成效率？
• RQ2 GST225的相态（非晶态与结晶态）在共振腔中如何影响THG效率？
• RQ3 在紧凑平面GST225基腔中，THG的最大可实现增强因子是多少？
• RQ4 能否通过GST225中的相变实现THG响应的电学或热学开关？
• RQ5 增强机制主要是由于场局域化与腔共振，还是材料本身的本征非线性？

主要发现

• 与非共振条件相比，50 nm非晶GST225薄膜在腔共振波长处的THG效率提高了422倍。
• 当GST225薄膜从非晶相转变为结晶相时，THG效率降低了三个数量级。
• 该增强效应归因于法布里-珀罗腔中的共振场限制，从而放大了有效非线性相互作用。
• 所观察到的增强效应对GST225的结构相态极为敏感，从而实现了对非线性响应的主动开关。
• 该系统展示了一种紧凑、可切换且高效片上三倍频生成的平台。