Coherent control of the nonlinear emission of an all-dielectric Metasurface

Laser technology has enabled the investigation of nonlinear optical phenomena, whereby multi-photon interactions, mediated by electrons in matter, occur. Nowadays, nonlinear optical processes are pivotal for a number of applications, from bio-sensing and imaging to frequency conversion for high-intensity lasers. As well, the control of nonlinear-optical processes is pivotal for the future of optical signal processing. For instance, ultrafast alloptical switching with large modulation depth was obtained on several platforms. However, it is essential to devise new strategies to enhance the nonlinear signal intensity: given the high frequency of optical signals, nanoscale optical devices have been recently proposed as a new platform for efficient all-optical signal manipulation. Indeed, by engineering the geometry of nanostructures, strong field enhancement may be achieved, which is crucial for nonlinear optical phenomena. Additionally, resonant modes can be exploited to boost nonlinear processes such as harmonic generation. The recent advances in the field of nanotechnology set the ground for the realization of the next generation of nanoscale optical devices. For example, metasurfaces obtained as arrays of nanoresonators may open a plethora of new functionalities in nanophotonics. Here I describe a mechanism for coherent-control of the nonlinear emission from an all-dielectric AlGaAs metasurface, constituted by an ordered array of cylindrical metaatoms. We employed a two-color illumination scheme (ω − 2ω, the latter obtained as a frequency-doubled replica) to study the interference of the two emitted nonlinear signals, namely third-harmonic generation (THG) and sum-frequency generation (SFG), which result degenerate in frequency. By fine-tuning the phase-delay between the two pumps we achieved efficient optical modulation. We obtained visibility up to 90% while still demonstrating high conversion efficiency. As well, the switching behaviour presents strong polarization and geometry dependency. This study might pave the way for the realization of new photonic devices based on ultrafast reconfigurable metasurfaces, with application in the field of all-optical information encoding. Given the strong phase-sensitivity of the signal, which is related to the interferometric mechanism at the basis, new ideas for lab-on-chip sensing applications may arise from this work.

La tecnologia laser ha permesso l’indagine dei fenomeni ottici non lineari, in cui si verificano interazioni a molti fotoni, mediate dagli elettroni nella materia. Al giorno d’oggi, i processi ottici non lineari sono fondamentali per una serie di applicazioni, dal bio-sensing e imaging alla conversione di frequenza per laser ad alta intensità. Inoltre, il controllo dei processi ottici non lineari è fondamentale per il futuro dell’elaborazione ottica di segnali. Ad esempio, è stata osservata su diverse piattaforme la modulazione all-optical ultra-veloce con grande efficienza. Tuttavia, è essenziale elaborare nuove strategie per migliorare l’intensità del segnale non lineare: poiché i segnali ottici sono caratterizzati da alte frequenze, i dispositivi ottici su scala nanometrica sono stati recentemente proposti come una nuova efficace piattaforma per la manipolazione di segnale. Infatti, progettando la geometria delle nanostrutture, si può ottenere una forte amplificazione di campo, che è cruciale per i fenomeni ottici non lineari. Inoltre, i modi risonanti possono essere sfruttati per potenziare i processi non lineari come ad esempio la generazione di armoniche. I recenti progressi nel campo delle nanotecnologie sono un ingrediente fondamentale per realizzare, in futuro, dispositivi ottici su scala nanometrica. Per esempio, si possono costruire metasuperfici, disponendo insiemi di nano-risonatori, grazie alle quali una pletora di nuove funzionalità possono essere studiate nel campo della nanofotonica. Qui descrivo un meccanismo per il controllo coerente dell’emissione non lineare da una metasuperficie completamente dielettrica (AlGaAs), costituita da un array ordinato di meta-atomi cilindrici. Abbiamo impiegato un sistema di illuminazione a due colori (ω−2ω, dove il secondo è ottenuto come una replica del primo a frequenza dopppia) per studiare l’interferenza dei due segnali non lineari emessi, vale a dire la generazione di terza armonica (THG) e la generazione di frequenza-somma (SFG), che risultano degeneri in frequenza. Variando finemente il ritardo di fase tra le due pompe abbiamo ottenuto un’efficiente modulazione ottica. Abbiamo osservato visibilità fino a 90% dimostrando anche alta efficienza di conversione. Inoltre, il comportamento di modulazione presenta una forte dipendenza dalla polarizzazione e dalla geometria. Questo studio potrebbe aprire la strada alla realizzazione di nuovi dispositivi fotonici basati su metasuperfici riconfigurabili ultraveloci. Questi potrebbero trovare applicazione nei campi della codifica ottica delle informazioni. Data la marcata sensibilità del segnale dalla differenza di fase, associata all’utilizzo di un meccanismo interferometrico, nuove idee per applicazioni lab-on-chip possono derivare da questo lavoro.