Silica optische microcavities zijn steunpilaar fotonische apparaten, gewaardeerd om hun intrinsiek ultralage verlies in de breedbandspectra en volwassen fabricageprocessen, maar helaas, ze lijden aan lage tweede- en derde-orde optische niet-lineariteit. Een opmerkelijk kenmerk van de microholte is het inherente lekkende verdwijnende veld aan de oppervlakte, die het venster opent voor interacties tussen licht en materie aan het oppervlak.

Nutsvoorzieningen, een onderzoeksgroep onder leiding van professor Yun-Feng Xiao aan de Universiteit van Peking, in samenwerking met professor Xiaoqin Shen aan de Shanghai Tech University, heeft een recordhoge efficiënte derde harmonische generatie (THG) bereikt in een microcaviteit van silica met functionele oppervlakte. Dit werk is online gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven getiteld "Microcavity niet-lineaire optica met een organisch gefunctionaliseerd oppervlak."

In dit werk, geconjugeerde organische moleculen worden gebruikt voor de functionalisering van het oppervlak van de microholte, die een zeer grote niet-lineaire optische respons hebben vanwege hun grote gedelokaliseerde elektronensystemen. Door middel van een oppervlaktefunctionaliseringsstrategie, het is veelbelovend om de hoogwaardige factor (Q)-microholten te overbruggen met de enorme bibliotheek van niet-lineaire moleculen.

Gezien de geometrie en materiaaldispersie in een holte, de optische frequentie-mismatch voor pomplicht en derde harmonische (TH) signaal met hun corresponderende holtes kan de dubbel resonante verbetering van TH-output bederven, vooral in microholtes met ultrahoge Q. "De aan het oppervlak verbeterde niet-lineariteit van de derde orde is een deel van het verhaal voor efficiënte THG, " zei Jin-hui Chen, een "Boya" postdoctoraal in de groep van professor Xiao. "We ontwikkelen de dynamische fase-aanpassingsmethode door gebruik te maken van de Kerr- en thermische effecten om de uitdagende optische modusdispersie in ultrahoge Q-microholten aan te pakken."

Deze effecten introduceren gezamenlijk een frequentieverschuiving van de holtemodi, en leiden tot de dynamische compensatie van zowel de pomp als de TH-resonantiemismatch. Als resultaat, het heldere TH-signaal wordt waargenomen bij een pompvermogen van enkele milliwatt, met een maximale conversie-efficiëntie zo hoog als 1, 680 procent/W2, wat vier ordes van grootte hoger is dan die van de best gerapporteerde microholtes van zuiver siliciumdioxide. De ultrahoge conversie-efficiëntie wordt bijgedragen door de sterke niet-lineariteit van organische moleculen en de ultrahoge Q-resonante verbetering van zowel pomplicht als TH-signaal.

Om de oorsprong van de niet-lineaire signalen verder te identificeren, de onderzoekers analyseerden de pomppolarisatie-afhankelijke TH- of derde-orde somfrequentie (TSF) -uitvoer. Ze ontdekten dat het uitgangsvermogen van TH of TSF met een transversale elektrische pomppolarisatie ongeveer twee ordes van grootte hoger is dan die met een transversale magnetische pomppolarisatie vanwege de oppervlakte-uitlijning van organische moleculen.

"Het experiment behaalt het hoogste record van THG-efficiëntie in silica-fotonica, " zei professor Xiao. "Nog belangrijker, het werk kan de nieuwe horizon openen om eigenschappen te verbeteren en toepassingen van microholtes uit te breiden, die is gemaakt van conventionele bulkmaterialen, zoals silica en siliciumnitride. De technologie en het mechanisme dat we in dit werk hebben geleerd en ontwikkeld, inclusief de oppervlaktefunctionalisering en dynamische fase-aanpassingsmethode, zal fungeren als de basis voor verschillende toepassingen, vooral in breedband afstembare niet-lineaire fotonica."