Microcavidades ópticas de sílica são dispositivos fotônicos básicos, valorizado por sua perda intrinsecamente ultrabaixa nos espectros de banda larga e processos de fabricação maduros, mas infelizmente, eles sofrem de baixa não linearidade óptica de segunda e terceira ordem. Uma característica notável da microcavidade é o campo evanescente de vazamento inerente na superfície, que abre a janela para interações luz-matéria na superfície.

Agora, um grupo de pesquisa liderado pelo professor Yun-Feng Xiao na Universidade de Pequim, em colaboração com o professor Xiaoqin Shen da Shanghai Tech University, alcançou geração recorde de terceiro harmônico (THG) em uma microcavidade de sílica funcionalizada de superfície. Este trabalho foi publicado online em Cartas de revisão física intitulado "Óptica não linear de microcavidade com uma superfície organicamente funcionalizada."

Nesse trabalho, moléculas orgânicas conjugadas são empregadas para a funcionalização da superfície da microcavidade, que mantêm uma resposta óptica não linear muito grande devido aos seus grandes sistemas de elétrons deslocalizados. Por meio de uma estratégia de funcionalização de superfície, é promissor para unir as microcavidades de fator de alta qualidade (Q) com a vasta biblioteca de moléculas não lineares.

Dada a geometria e a dispersão do material em uma cavidade, a incompatibilidade de frequência óptica para luz de bomba e sinal de terceiro harmônico (TH) com seus modos de cavidades correspondentes pode prejudicar o aumento duplamente ressonante da saída de TH, especialmente em microcavidades com Q ultra-alto. "A não linearidade de terceira ordem aprimorada pela superfície é uma parte da história para um THG eficiente, "disse Jin-hui Chen, um pós-doutorado "Boya" no grupo do Professor Xiao. "Nós desenvolvemos o método de correspondência de fase dinâmica aproveitando o Kerr e os efeitos térmicos para enfrentar o desafio da dispersão do modo óptico em microcavidades com Q ultra-alto."

Esses efeitos introduzem de forma colaborativa uma mudança de frequência dos modos de cavidade, e levar à compensação dinâmica da bomba e da incompatibilidade de ressonância TH. Como resultado, o sinal de TH brilhante é observado sob uma potência de bomba de vários miliwatt, com eficiência de conversão maximizada de até 1, 680 por cento / W2, que é quatro ordens de magnitude maior do que as microcavidades de sílica pura mais bem relatadas. A ultra-alta eficiência de conversão é contribuída pela forte não linearidade das moléculas orgânicas e o ultra-alto Q-ressonante aprimoramento da luz da bomba e do sinal TH.

Para identificar ainda mais as origens dos sinais não lineares, os pesquisadores analisaram a saída do TH dependente da polarização da bomba ou da frequência de soma de terceira ordem (TSF). Eles descobriram que a potência TH ou TSF de saída com uma polarização de bomba elétrica transversal é cerca de duas ordens de magnitude maior do que com uma polarização de bomba magnética transversal devido ao alinhamento da superfície das moléculas orgânicas.

"O experimento atinge o maior recorde de eficiência THG em fotônica de sílica, "disse o professor Xiao." Ainda mais importante, o trabalho pode abrir um novo horizonte para melhorar propriedades e expandir aplicações de microcavidades, que é feito de materiais a granel convencionais, tais como sílica e nitreto de silício. A tecnologia e o mecanismo que aprendemos e desenvolvemos neste trabalho, incluindo a funcionalização de superfície e o método de correspondência de fase dinâmica, funcionará como base para várias aplicações, especialmente em fotônica não linear ajustável de banda larga. "