オンチップ・ペタヘルツ電子ネットワークを用いた光位相検出

Light phase detection with on-chip petahertz electronic networks.

• Yujia Yang
• Marco Turchetti
• Praful Vasireddy
• William P Putnam
• Oliver Karnbach
• Alberto Nardi
• Franz X Kärtner
• Karl K Berggren
• Phillip D Keathley

抄録

超高速・高強度の光と物質の相互作用により、アト秒レベルの時間応答を持つ光電界駆動型の光電流が生成されます。これらの光電界駆動型光電界は、短い光パルスのキャリア・エンベロープ相（CEP）の検出に利用でき、高速情報処理のための光周波数ペタヘルツ（PHz）エレクトロニクスを可能にします。近年、様々なナノスケール固体材料での光電界駆動型光電場が報告されていますが、これらのデバイスの高機能化・小型化のための大規模電子集積化の検討はほとんど行われていませんでした。本研究では、数百平方ミクロンの領域内にある電気的に接続されたプラズモニック・ボウタイ・ナノアンテナのモノリシック配列において、光電界駆動光電流を介したオンチップCEP検出を強化したことを実証した。この技術は拡張性があり、イオン化をベースとした代替技術と比較して、数桁のパルスエネルギーを必要としないショットツーショットのCEPタギングアプリケーションに使用できる可能性がある。我々の結果は、コンパクトな時間領域、オンチップCEP検出の道を開き、PHzエレクトロニクス用集積回路、アト秒および強磁場科学のための集積プラットフォームの開発に役立つ。

Ultrafast, high-intensity light-matter interactions lead to optical-field-driven photocurrents with an attosecond-level temporal response. These photocurrents can be used to detect the carrier-envelope-phase (CEP) of short optical pulses, and enable optical-frequency, petahertz (PHz) electronics for high-speed information processing. Despite recent reports on optical-field-driven photocurrents in various nanoscale solid-state materials, little has been done in examining the large-scale electronic integration of these devices to improve their functionality and compactness. In this work, we demonstrate enhanced, on-chip CEP detection via optical-field-driven photocurrents in a monolithic array of electrically-connected plasmonic bow-tie nanoantennas that are contained within an area of hundreds of square microns. The technique is scalable and could potentially be used for shot-to-shot CEP tagging applications requiring orders-of-magnitude less pulse energy compared to alternative ionization-based techniques. Our results open avenues for compact time-domain, on-chip CEP detection, and inform the development of integrated circuits for PHz electronics as well as integrated platforms for attosecond and strong-field science.