Le microcavità ottiche di silice sono dispositivi fotonici fondamentali, apprezzati per la loro perdita intrinsecamente bassissima negli spettri a banda larga e nei processi di fabbricazione maturi, ma sfortunatamente, soffrono di bassa non linearità ottica del secondo e terzo ordine. Una caratteristica notevole della microcavità è il campo evanescente intrinseco che perde in superficie, che apre la finestra per le interazioni luce-materia in superficie.

Ora, un gruppo di ricerca guidato dal professor Yun-Feng Xiao dell'Università di Pechino, in collaborazione con il professor Xiaoqin Shen alla Shanghai Tech University, ha raggiunto la generazione di terza armonica (THG) ad alta efficienza record in una microcavità di silice funzionalizzata in superficie. Questo lavoro è stato pubblicato online in Lettere di revisione fisica intitolato "Ottica non lineare a microcavità con una superficie organicamente funzionalizzata".

In questo lavoro, molecole organiche coniugate sono impiegate per la funzionalizzazione della superficie della microcavità, che mantengono una risposta ottica non lineare molto ampia a causa dei loro grandi sistemi di elettroni delocalizzati. Attraverso una strategia di funzionalizzazione della superficie, è promettente per collegare le microcavità del fattore di alta qualità (Q) con la vasta libreria di molecole non lineari.

Data la geometria e la dispersione del materiale in una cavità, la mancata corrispondenza della frequenza ottica per la luce della pompa e il segnale della terza armonica (TH) con le relative modalità di cavità può rovinare il potenziamento doppiamente risonante dell'uscita TH, soprattutto nelle microcavità ad altissimo Q. "La non linearità del terzo ordine migliorata dalla superficie è una parte della storia per THG efficiente, " disse Jin-hui Chen, un postdottorato "Boya" nel gruppo del professor Xiao. "Sviluppiamo il metodo di adattamento di fase dinamico sfruttando gli effetti Kerr e termici per affrontare la difficile dispersione della modalità ottica nelle microcavità ad altissimo Q".

Questi effetti introducono in modo collaborativo uno spostamento di frequenza delle modalità della cavità, e portare alla compensazione dinamica sia della pompa che della mancata corrispondenza della risonanza TH. Di conseguenza, il segnale TH luminoso viene osservato con una potenza della pompa di diversi milliwatt, con efficienza di conversione massimizzata fino a 1, 680 percento/W2, che è quattro ordini di grandezza superiore a quello delle microcavità di silice pura meglio riportate. L'elevatissima efficienza di conversione è dovuta alla forte non linearità delle molecole organiche e al potenziamento della risonanza Q ultraelevata sia della luce della pompa che del segnale TH.

Per identificare ulteriormente le origini dei segnali non lineari, i ricercatori hanno analizzato l'uscita TH dipendente dalla polarizzazione della pompa o frequenza di somma di terzo ordine (TSF). Hanno scoperto che la potenza in uscita TH o TSF con una polarizzazione della pompa elettrica trasversale è di circa due ordini di grandezza superiore a quella con una polarizzazione della pompa magnetica trasversale a causa dell'allineamento superficiale delle molecole organiche.

"L'esperimento raggiunge il più alto record di efficienza THG nella fotonica della silice, " ha detto il professor Xiao. "Ancora più importante, il lavoro potrebbe aprire un nuovo orizzonte per migliorare le proprietà ed espandere le applicazioni delle microcavità, che è fatto di materiali sfusi convenzionali, come la silice e il nitruro di silicio. La tecnologia e il meccanismo che abbiamo appreso e sviluppato in questo lavoro, compresa la funzionalizzazione della superficie e il metodo di adattamento di fase dinamico, fungerà da base per varie applicazioni, specialmente nella fotonica non lineare sintonizzabile a banda larga."