Terahertz-Wellen (THz) und THz-Technologien haben nach und nach neue Wege in den Bereichen Kommunikation, Cloud-basierte Speicherung/Datenverarbeitung, Informationswettbewerb und medizinische Geräte eröffnet. Mit der Weiterentwicklung der THz-Technologien sind Studien zur nichtlinearen THz-Optik entstanden, die sowohl in der Physik als auch in der Technologie zu erheblichen Durchbrüchen führten.
Studien zum THz-Kerr-Effekt (TKE) können solch eine faszinierende Blaupause jedoch noch nicht stützen. In der Literatur werden TKE-Ergebnisse in den komplizierten Anwendungsfällen entweder als schwach oder instabil beschrieben.
In einem neues Papier veröffentlicht in Licht: Wissenschaft und Anwendungenein Team von Wissenschaftlern unter der Leitung von Professor Qiang Wu, Yao Lu und Jingjun Xu vom Key Laboratory of Weak-Light Nonlinear Photonics, Bildungsministerium, TEDA Applied Physics Institute und School of Physics, Nankai University, Tianjin, China, und Kollegen haben einen neuen Licht-Materie-Wechselwirkungsmechanismus durch stimulierte Phonon-Polaritonen (SPhPs) genutzt und eine riesige TKE in einer chipgroßen Lithiumniobat-Fabry-Pérot-Mikrokavität demonstriert.
Unter dem Einfluss der riesigen TKE führten die leistungsabhängigen Brechungsindexänderungen zu Frequenzverschiebungen der Resonanzmodi in einer Einzelmodus-Mikrokavität, die experimentell gemessen und analysiert wurden.
Die experimentell nachgewiesene, durch SPhPs erhöhte nichtlineare optische Suszeptibilität dritter Ordnung war vier Größenordnungen größer als die im sichtbaren oder Infrarotbereich, was mit den theoretischen Vorhersagen der nichtlinearen Huang-Gleichungen übereinstimmt. Darüber hinaus stimmen auch die durch die Hybridmodulation (TKE und Kreuzmodulation) in der Multimode-Mikrokavität verursachten Frequenzverschiebungen gut mit den theoretischen Vorhersagen überein.
Die berichteten Ergebnisse stellen eine innovative Plattform für eine Reihe praktischer THz-Photonikgeräte dar, die die Entwicklung einer Hochgeschwindigkeits-THz-Kommunikation fördert und auf vielseitige, stabile und kompakte THz-Photonikchips anwendbar ist.
In der Zukunft könnte die Untersuchung von Superkontinuumsspektren möglicherweise auf den THz-Frequenzbereich ausgeweitet werden, was der durch SPhPs verbesserten TKE die Möglichkeit bieten könnte, ihr Potenzial bei der Erzeugung von Breitband-Terahertzwellen unter Beweis zu stellen.
In ihrer Arbeit wird eine Fabry-Pérot-Mikrokavität auf einem 50 μm dicken, kreuzgeschnittenen MgO:LiNbO3 (LN)-Plattenwellenleiter unter Verwendung der Femtosekunden-Laserdirektschreibtechnik hergestellt. THz-Wellen in der Mikrokavität werden durch Femtosekunden-Laserpulse über nichtlineare Effekte erzeugt, deren Frequenz zwischen 0,2 und 1,2 THz liegt. Die Mikrokavität wurde zunächst als Einmodus-Mikrokavität konzipiert, bei der der Resonanzmodus bei 0,63 THz liegt.
Durch Fokussierung der Pumpimpulse im Zentrum der Mikrokavität wird die Einmoden-Mikrokavität angeregt. Da TKE existiert, würde die effektive Resonanzfrequenz der Mikrokavität durch die THz-Eingangsintensität beeinflusst werden, mit einer leistungsunabhängigen Frequenzverschiebung.
Darüber hinaus untersuchten die Forscher auch die „Hybridmodulation“ einer ähnlichen Doppelmodus-Mikrokavität mit Resonanzfrequenzen von 0,32 THz und 0,38 THz. Beide Ergebnisse deuten auf eine riesige TKE im Chipmaßstab hin, die einen nichtlinearen Koeffizienten aufweist, der vier Größenordnungen größer ist als der im sichtbaren/infraroten Bereich.
„Die gemeldeten riesigen TKE-Ergebnisse im LN-Chip zeigen, dass polare kristalline Materialien, insbesondere LN, auch ein hervorragender Kandidat für eine nichtlineare THz-Plattform sein könnten, und zwar mehr als nur ein hervorragendes Material für die THz-Erzeugung und -Erkennung.
„Das durch SPhPs verbesserte TKE stellt eine innovative Plattform für eine Reihe praktischer THz-Photonikgeräte dar, die die Entwicklung der Hochgeschwindigkeits-THz-Kommunikation erheblich fördert und auf vielseitige, stabile und kompakte THz-Photonikchips anwendbar ist“, fügten sie hinzu.
„In Zukunft könnte sich die Untersuchung von Superkontinuum-Spektren möglicherweise auf den THz-Frequenzbereich ausweiten, was der durch SPhPs verbesserten TKE die Möglichkeit bieten könnte, ihr großes Potenzial bei der Erzeugung von Breitband-Terahertz-Wellen zu zeigen“, schreiben die Wissenschaftler.
Weitere Informationen:
Yibo Huang et al., Giant Kerr-Nichtlinearität von Terahertzwellen vermittelt durch stimulierte Phonon-Polaritonen in einem Mikrokavitätschip, Licht: Wissenschaft und Anwendungen (2024). DOI: 10.1038/s41377-024-01509-y
Zur Verfügung gestellt von der Nankai University