[论文解读] 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 6

一句话总结

本文提出基于GaAs和III-V族半导体异质结构的超快全介质超表面，通过设计的Mie共振和束缚态在连续谱（BIC）实现增强的非线性光学效应。关键成果是实现了迄今为止报道的全介质超表面中最高的二次谐波生成效率，达到分数百分之一水平，且厚度亚波长、泵浦功率低，适用于片上量子光源和全光调制。

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.

研究动机与目标

• 开发具有增强非线性光学响应的全介质超表面，用于片上光子学应用。
• 通过设计亚波长谐振器集中光学场，克服体材料非线性材料的局限性。
• 通过Mie共振和BIC模式，在低泵浦功率下实现高转换效率的二次谐波生成。
• 将量子阱中的亚能级跃迁与光子谐振模式结合，产生巨大的非线性响应。
• 探索超表面作为量子光学平台的潜力，包括自发参量下转换。

提出的方法

• 设计基于GaAs的超表面，其纳米尺度谐振器支持Mie型电偶极子和磁偶极子模式。
• 利用束缚态在连续谱（BIC）实现高品质因子光学模式，实现强场局域化。
• 将多个量子阱（multi-QWs）与亚能级跃迁（IST）集成到介质谐振器中，以增强非线性极化率。
• 采用磁偶极子激发，高效耦合泵浦光进入谐振模式，最大化场增强。
• 应用参量和级联非线性过程（如χ(2)和χ(3)），在可见光和近红外光谱范围内生成谐波频率。
• 优化光子模式增强与材料非线性的相互作用，同时最小化吸收损耗。

实验结果

研究问题

• RQ1 在全介质超表面中，Mie共振和BIC模式如何在纳米尺度增强非线性频率转换？
• RQ2 在亚波长厚度的全介质超表面中，可实现的最高二次谐波生成效率是多少？
• RQ3 嵌入介质谐振器中的量子阱中亚能级跃迁能否产生巨大的非线性响应？
• RQ4 半导体超表面中的级联非线性过程如何实现全光调制或锁模等新功能？
• RQ5 束缚态在连续谱能否增强自发参量下转换，以实现片上量子光源？

主要发现

• 通过嵌入多量子阱和磁偶极子激发的基于GaAs的超表面，实现了迄今为止报道的全介质超表面中最高的二次谐波生成效率。
• 在厚度小于真空中泵浦波长五分之一的超表面中，效率达到百分之一以下，实现了低泵浦功率工作。
• 束缚态在连续谱（BIC）共振显著增强了场局域化和非线性响应，优于传统Mie共振。
• 在GaAs超表面中实验验证了级联的二阶非线性效应，实现了在可见光和近红外光谱范围内生成十个新频率。
• 将AlInAs/InGaAs异质结构中的亚能级跃迁与光子谐振器结合，实现了中红外波段的强非线性响应。
• 理论预测表明，BIC模式可显著增强纳米尺度的自发参量下转换速率，从而实现高效的片上量子光源。