面向原子层状半导体中紧凑型相位匹配波导非线性光学
光学
2022-10-05 v1 材料科学
摘要
非线性频率转换是产生光、纠缠和操控光子的基本工具。过渡金属硫族化合物 (TMDs) 具有巨大的非线性极化率，而 3R 堆叠的 TMD 晶体更兼具破缺的反演对称性和有序的层状结构，是能以极小尺寸提升非线性光学增益的理想候选材料。在此，我们报告了 3R-MoS2 的高效频率转换，揭示了其卓越的二阶非线性过程沿寻常（面内）和非常（面外）方向的演化。通过测量不同厚度——从单层（约 0.65 nm）到块材（约 1 μm）——的 3R-MoS2 的二次谐波产生 (SHG)，我们首次测量了其在 1520 nm 处的面内 SHG 相干长度（约 530 nm），并实现了范德华材料中创纪录的非线性光学增强，比单层强 10^4 倍以上。研究发现，3R-MoS2 薄片表现出与铌酸锂相似的转换效率，但在电信波段的传播长度却缩短了 100 倍以上。此外，沿非常轴方向，我们在波导几何结构中实现了 3R-MoS2 的宽带可调谐 SHG，首次揭示了此类结构中的相干长度。我们利用近场纳米成像表征了各向异性 3R-MoS2 晶体的完整折射率谱，并量化了其两个双折射分量。借助这些数据，我们评估了在波导几何结构中可实现的 3R-MoS2 转换效率和非线性光学过程的内在极限。我们的分析凸显了 3R 堆叠 TMDs 在集成光子学中的潜力，为设计高效片上非线性光学器件（包括周期性极化结构、谐振器、紧凑型光学参量振荡器和放大器以及光学量子电路）提供了关键参数。
引用
@article{arxiv.2204.12618,
title = {Towards compact phase-matched and waveguided nonlinear optics in atomically layered semiconductors},
author = {Xinyi Xu and Chiara Trovatello and Fabian Mooshammer and Yinming Shao and Shuai Zhang and Kaiyuan Yao and Dmitri N. Basov and Giulio Cerullo and P. James Schuck},
journal= {arXiv preprint arXiv:2204.12618},
year = {2022}
}