Optical parametric amplification by monolayer transition metal dichalcogenides

光参量放大器 纳米光子学 量子光学 参数统计 光电子学 光子 物理 材料科学 非线性光学 光子学 光学 光放大器 激光器 数学 统计
作者
Chiara Trovatello,Andrea Marini,Xinyi Xu,Changhwan Lee,Fang Liu,Nicola Curreli,Cristian Manzoni,Stefano Dal Conte,Kaiyuan Yao,Alessandro Ciattoni,James Hone,Xiaoyang Zhu,P. James Schuck,Giulio Cerullo
出处
期刊:Nature Photonics [Nature Portfolio]
卷期号:15 (1): 6-10 被引量:137
标识
DOI:10.1038/s41566-020-00728-0
摘要

Optical parametric amplification is a second-order nonlinear process whereby an optical signal is amplified by a pump via the generation of an idler field1. This mechanism is inherently related to spontaneous parametric down-conversion, which currently constitutes the building block for entangled photon pair generation2, a process that is exploited in modern quantum technologies. Here we demonstrate single-pass optical parametric amplification at the ultimate thickness limit; using semiconducting transition metal dichalcogenides3,4, we show that amplification can be attained over propagation through a single atomic layer. Such a second-order nonlinear interaction at the two-dimensional limit bypasses phase-matching requirements5 and achieves ultrabroad amplification bandwidths. In agreement with first-principle calculations, we observe that the amplification process is independent of the in-plane polarization of signal and pump fields. By the use of AA-stacked multilayers, we present a clear pathway towards the scaling of conversion efficiency. Our results pave the way for the development of atom-sized tunable sources of radiation with potential applications in nanophotonics and quantum information technology. Single-pass optical parametric amplification is demonstrated following propagation though an atomically thin semiconducting transition metal dichalcogenide. The demonstration may lead to atom-sized tunable light sources.
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