Optimal third-harmonic generation in an optical microcavity with χ⁽²⁾ and χ⁽³⁾ nonlinearities

Abstract

Third-harmonic generation can be realized via both χ (3) and cascaded χ (2) nonlinear processes in a triply-resonant microcavity. It is still unknown how these processes interfere with each other and the optimization of the conversion efficiency still remains as a question. In this work, the interplay between the direct third-harmonic generation and the cascaded process combining of the second-harmonic generation and the sum-frequency generation are investigated. It is found that the interference effect between these two processes can be used to improve the conversion efficiency. By optimizing the cavity resonance and the external coupling conditions, the saturation of the nonlinear conversion is mitigated and the third-harmonic conversion efficiency is increased. A design rule is provided for achieving efficient third-harmonic generation in an optical microcavity, which can be generalized further to the high-order harmonic generations.

Nonlinear optics in gallium phosphide cavities: simultaneous second and third harmonic generation

“…This dependence can be expressed as a set of steady-state equations giving the field amplitudes of each optical mode in the microdisk as functions of the other optical mode amplitudes, as well as the field of the input coupling waveguide. The amplitude equation for a standingwave mode in a waveguide coupled cavity of generic mode index k is [10,45,24,32,21]:…”

“…Due to nonlinear effects, it can couple to the SH and TH cavity modes. Following the analyses of Rodriguez et al [45] and Li et al [24], we obtain a set of coupled mode equations,…”

Effective four-wave mixing in the lithium niobate on insulator microdisk by cascading quadratic processes

“…Both modal phase matched SHG and difference frequency generation (DFG) processes have been demonstrated in the same LN microring resonator with a high conversion efficiency [22]. Furthermore, by harnessing the cascading of quadratic nonlinearity, it is feasible to achieve efficient third-order ones for nonlinear phase shift, and third-and high-order harmonic generation [20][21][22][23][24][25]. In many situations, the cascaded effect can outcompete a direct process.…”

Μη Γραμμικές Νανοφωτονικές Διατάξεις Συντονισμού Της Πλασμονικής Και Του Γραφενίου

“…Ειδικά για το φαινόμενο Kerr, είναι συνηθισμένη η χρήση ενός ή παραπάνω ισχυρών κυμάτων για τον πλήρως οπτικό έλεγχο ενός ασθενούς σήματος, καθώς τα πρώτα μεταβάλλουν τις ιδιότητες του μέσου που αντιλαμβάνεται το τελευταίο [99]. Επιπρόσθετα, το φαινόμενο Kerr επιτρέπει τη γένεση κυμάτων σε νέες συχνότητες κανονικά διατεταγμένες σε σχέση με την προσπίπτουσα, μέσω της γένεσης τρίτης αρμονικής (third-harmonic generation, THG) [206]. Επίσης, δύναται να παρατηρηθεί μίξη κυμάτων, όταν εμπλέκονται παραπάνω του ενός κύματα, για την παραγωγή νέων συχνοτήτων σε γραμμικούς συνδυασμους των αρχικών· το φαινόμενο καλείται μίξη τεσσάρων κυμάτων (four-wave mixing, FWM), ενώ απαντώνται και εκφυλισμένες (degenerated) εκδοχές αυτής [207,208].…”

“…τα −60 dB [378], επίδοση παρόμοια με ολοκληρωμένες διατάξεις κυματοδήγησης, έως και την εξαιρετικά υψηλή τιμή των −10 dB [206]. Η μεγάλη διακύμανση οφείλεται κυρίως στον σχεδιασμό της κοιλότητας, που πρέπει να έχει συχνότητες συντονισμού που να ταυτίζονται με τις ω και 3ω, κάτι που δεν είναι τετριμμένο, κυρίως λόγω της υποκείμενης διασποράς υλικού και κυματοδηγού.…”