Sum-frequency generation by isolated optical nanoantennas

The technology-driven downsizing is pushing photonic devices toward the micro- and nano-metric dimensions. Bringing nonlinear optical processes to the nanoscale would allow nonlinear signal generation and manipulation on a photonic chip. Due to the intrinsically weak nonlinear optical interaction, the exploitation of electromagnetic resonances is fundamental to achieve efficient nonlinear conversion. At present metal- and semiconductor-based nanostructures are the two most suitable platforms. In my work I have experimentally demonstrated and characterized sum-frequency generation (SFG) by AlGaAs-on-AlOx nanocylinders and coupled V-shaped gold nanoantennas. The experiment consists into a confocal detection of SFG excited with a 160 femtosecond pulse at a telecom wavelength (1551 nm) and its frequency-doubled replica (775 nm). In AlGaAs we obtained an efficient frequency tripling via SFG, which is degenerate with third-harmonic generation (THG), but far more intense as it is based on a χ(2) process. By comparing the two signals, I was able to experimentally retrieved χ(3) = 7e–20 m^2/V^2. SFG is also obtained by gold nanoantennas for particular pump polarizations, dictated by the symmetry of the nanostructure. In both cases I observed a rich and sensitive dependence on geometry and polarization which on one hand stresses the importance of a precise fabrication process and on the other hand may be interesting for precise control of the wavefront properties at the nanoscale. Enabling frequency mixing at the nanoscale might be the first step toward intriguing applications in all-optical switching and nanoscale control of quantum states.

La miniaturizzazione della tecnologia sta spingendo lo sviluppo di dispositivi fotonici a scale micro e nanometriche. Portare i processi ottici non lineari alla nanoscala consentirebbe la generazione e la manipolazione di segnali non lineari a livello di chip fotonici integrati. A causa dell’intrinseca debolezza dell’interazione nonlineare, lo sfruttamento delle risonanze del campo elettromagnetico è fondamentale per ottenere un’efficiente conversione nonlineare. Attualmente le nanostrutture plasmoniche e semiconduttrici sono le due soluzioni più adatte per una conversione efficiente della luce non lineare su scala nanometrica. Nel mio lavoro ho realizzato e caratterizzato sperimentalmente la generazione di frequenza somma (SFG) da nanocilindri di AlGaAs-su-AlOx e da nanoantenne d’oro accoppiate a forma di V. L’esperimento consiste in un rilevamento confocale della SFG eccitata tramite un laser a 160 femtosecondi nelle lunghezze d’onda delle telecomunicazioni (1551 nm) e la sua replica a frequenza doppia (775 nm). Dall’AlGaAs ho ottenuto un’efficiente frequenza tripla a 517 nm tramite SFG, con intensità oltre un ordine di grandezza maggiore rispetto alla generazione di terza armonica (THG). Infine ho stimato sperimentalmente la χ(3) = 7e–20 m^2/V^2 dell’AlGaAs, grazie a un confronto diretto tra i due segnali, che risultano degeneri in frequenza. La SFG è stata ottenuta anche da nanoantenne d’oro in particolari configurazioni di polarizzazione degli impulsi di pompa. In entrambi i casi sono state osservate dipendenze interessanti della SFG dalla geometria e dalla polarizzazione delle pompe, sottolineando da un lato l’importanza di un processo di fabbricazione preciso, dall’altro la possibilità di controllare otticamente le proprietà di un segnale ottico alla nanoscala. Ottenere la combinazione nonlineare di frequenze alla nanoscala costituisce il primo passo verso applicazioni promettenti nell’ambito del controllo ottico e delle sorgenti miniaturizzate di fotoni entangled.