論文の概要: Ultrahigh free-electron Kerr nonlinearity in all-semiconductor waveguides for all-optical nonlinear modulation of mid-infrared light
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2503.04711v1
- Date: Thu, 06 Mar 2025 18:57:25 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2025-03-07 15:58:21.224923
- Title: Ultrahigh free-electron Kerr nonlinearity in all-semiconductor waveguides for all-optical nonlinear modulation of mid-infrared light
- Title（参考訳）: 中赤外光の全光非線形変調のための全半導体導波路の超高自由電子カー非線形性
- Authors: Gonzalo Álvarez-Pérez, Huatian Hu, Fangcheng Huang, Tadele Orbula Otomalo, Michele Ortolani, Cristian Ciracì,
- Abstract要約: 長手バルクプラズモンは導波路において非常に強いKerr非線形性を生成することができることを示す。
これらの導波路は10$7$W$-1$km$-1$を超える超高非線形係数を達成し、100$mu$m以上の伝搬を持つ長伝搬モードをサポートする。
この研究は、フォトニック集積回路のための重ドープ半導体における自由電子非線形性の変換ポテンシャルを証明している。
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- Abstract: Nonlinear optical waveguides, particularly those harnessing the optical Kerr effect, are promising for advancing next-generation photonic technologies. Despite the Kerr effect`s ultrafast response, its inherently weak nonlinearity has hindered practical applications. Here, we explore free-electron-induced Kerr nonlinearities in all-semiconductor waveguides, revealing that longitudinal bulk plasmons (inherently nonlocal excitations) can generate exceptionally strong Kerr nonlinearities. We specifically develop a nonlinear eigenmode analysis integrated with semiclassical hydrodynamic theory to compute the linear and nonlinear optical responses originating from the quantum behavior of free electrons in heavily doped semiconductors. These waveguides achieve ultrahigh nonlinear coefficients exceeding 10$^7$ W$^{-1}$km$^{-1}$ and support long-propagating modes with propagation distances over 100 $\mu$m. Additionally, we confirm the robustness of the nonlinear response under realistic conditions by considering viscoelastic and nonlinear damping mechanisms. Finally, we implement our all-semiconductor waveguides in a Mach-Zehnder interferometer, demonstrating efficient nonlinear modulation of the transmittance spectrum via the free-electron Kerr effect. This work evidences the transformative potential of free-electron nonlinearities in heavily doped semiconductors for photonic integrated circuits, paving the way for scalable on-chip nonlinear nanophotonic systems.
- Abstract（参考訳）: 非線形光導波路、特に光カー効果を利用したものは、次世代のフォトニック技術の進歩を約束している。
カー効果の超高速応答にもかかわらず、本質的に弱い非線形性は実用的な応用を妨げる。
ここでは、全半導体導波路における自由電子誘起Kerr非線形性について検討し、長手バルクプラズモン(本質的に非局所励起)が極めて強いKerr非線形性を生成することを明らかにした。
具体的には、半古典的流体力学理論と統合された非線形固有モード解析を開発し、重ドープ半導体中の自由電子の量子的挙動から生じる非線形および非線形光学応答を計算する。
これらの導波路は10$^7$W$^{-1}$km$^{-1}$を超える超高非線形係数を達成し、100$\mu$m以上の伝搬距離を持つ長伝搬モードをサポートする。
さらに, 粘弾性および非線形減衰機構を考慮し, 現実的な条件下での非線形応答のロバスト性を確認する。
最後に,全半導体導波路をマッハ・ツェンダー干渉計に実装し,自由電子カー効果による透過スペクトルの効率的な非線形変調を実証した。
この研究は、フォトニック集積回路のための重ドープ半導体における自由電子非線形性の変換ポテンシャルを証明し、スケーラブルなオンチップ非線形ナノフォトニクスシステムへの道を開いた。
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