基于零阶共振与临界耦合的超薄活性材料腔体通用设计框架

《Nature Communications》：Critically coupled zeroth-order resonance for ultrathin nonlinear photonics

　　

摘要

超薄活性材料是紧凑型非线性光子器件和量子光子器件的重要组成部分，但目前优化这些材料的腔体以同时实现场增强和反射抑制仍依赖于试错法。在这项研究中，我们提出了一种通用设计规则，用于通过零阶共振和临界耦合来最大化光与物质的相互作用。我们推导出一个封闭形式的条件，将（n, k）平面划分为三种最优腔体结构：临界耦合的开放式腔体、具有半透明顶镜的过度耦合封闭式腔体，以及依靠间隔层辅助的欠耦合腔体结构。对于损耗较低的材料，封闭式腔体能够将耗散与场积累在空间上分离，从而通过外部反射镜而非材料本身的吸收来控制品质因数。通过使用3R-MoS?材料验证这一框架，我们发现其二次谐波强度相比单层材料提高了1.19 × 10?，并实现了几乎完全的泵浦光反射抑制。该框架将材料的光学常数与适用于非线性和量子光子器件的最优腔体结构建立起对应关系。