L'un des principaux objectifs de l'optique est le contrôle de la propagation et du confinement de la lumière. Les progrès de l'optique ont commencé historiquement avec le développement de lentilles et de miroirs volumineux, puis de prismes et de réseaux, etc. L'amélioration de ces appareils s'est ralentie à mesure que la limite de diffraction se rapprochait. La nanophotonique vise à manipuler les ondes électromagnétiques à une échelle inférieure à la longueur d'onde pour dépasser cette limite. L'évolution récente des technologies de fabrication, des outils numériques et des modèles théoriques a ouvert la voie à de nouveaux dispositifs aux performances sans précédent.

Les métasurfaces optiques sont des réseaux d'antennes optiques, avec une taille et une séparation inférieures à la longueur d'onde. Ils représentent un concept original d'optique plate sans analogues classiques. Ils permettent la miniaturisation ultime des composants optiques, ainsi que la possibilité de nouvelles fonctionnalités impossibles à ce jour. Au cours des deux dernières décennies, les propriétés optiques des métasurfaces ont été intensément étudiées dans le régime linéaire, avec des nanostructures diélectriques métalliques ou amorphes.

Récemment, l'optique plate non linéaire a fait l'objet d'une attention croissante, avec des effets de conversion de fréquence observés d'abord dans les points chauds associés aux résonances plasmoniques localisées dans les nanoantennes métalliques, puis en association aux résonances multipolaires de type Mie dans les nanostructures diélectriques. Dans cette transition vers l'échelle nanométrique, le rôle de l'accord de phase a été remplacé par celui des résonances en champ proche se produisant dans des nanostructures ouvertes non hermitiennes.

Dans le nouveau domaine des métasurfaces non linéaires, pour lequel le nom de méta-optique non linéaire a été proposé, les implémentations diélectriques ont fourni les rendements de génération non linéaire les plus élevés :d'abord avec la génération de troisième harmonique dans des plates-formes amorphes ou de silicium sur isolant, puis avec la deuxième génération d'harmoniques et down-conversion paramétrique spontanée dans des matériaux non centrosymétriques comme les semi-conducteurs III-V et le niobate de lithium. Plus récemment, la communauté scientifique s'est également intéressée à la mise en forme du front d'onde des champs harmoniques, allant des simples méta-réseaux et des méta-lentilles à la génération non linéaire de méta-hologrammes complexes et de faisceaux spéciaux.

Les auteurs de cet article passent en revue les progrès récents de l'optique non linéaire avec des métasurfaces diélectriques, en se concentrant sur l'effet paradigmatique de la génération de deuxième harmonique. Ils discutent des plates-formes technologiques les plus utilisées qui ont soutenu ces avancées et analysent différentes approches de contrôle. Leur article commence par une introduction sur le thème de la génération non linéaire dans les résonateurs "Mie" de sous-longueur d'onde, soulignant les principales figures de mérite pour un rendement élevé dans les systèmes non hermitiens. Ensuite, ils passent en revue les principales approches adoptées ces dernières années pour contrôler ou stimuler la génération d'harmoniques dans les métasurfaces. Ils comparent enfin leurs performances avec d'autres technologies bien établies, illustrent l'état de l'art actuel et imaginent quelques scénarios dans lesquels ces appareils pourraient bientôt offrir des opportunités sans précédent. Dans leur conclusion, deux perspectives possibles émergent pour le domaine en plein essor des métasurfaces diélectriques non linéaires.

D'une part, le recours aux nanoantennes couplées et aux résonances collectives semble la stratégie la plus judicieuse pour maximiser la génération non linéaire. Cependant, les métasurfaces présentant les facteurs de qualité les plus importants sont également des ordres de grandeur moins efficaces que les autres plates-formes. Ce résultat découle du fait qu'à ce jour, la plupart des études adoptant cette approche se sont concentrées sur la création d'une seule résonance à Q élevé autour de FF. Au lieu de cela, il faut s'attendre à ce qu'un tel écart avec les autres technologies puisse être comblé par une conception soignée offrant un bon équilibre entre le couplage en espace libre et les facteurs de qualité de mode, tout en mettant en œuvre une condition de double résonance et en optimisant l'intégrale de chevauchement non linéaire.

D'autre part, les antennes à faible Q représentent un véritable changement de paradigme en ce qui concerne à la fois les structures guidées et les cristaux photoniques. Leur efficacité de génération non linéaire actuellement plus faible est largement contrebalancée par des possibilités intrigantes allant de l'accordabilité dynamique de l'émission de méta-atomes individuels à la mise en forme des impulsions, des dispositifs paramétriques à large bande, de l'imagerie non linéaire, de la mise en forme du front d'onde et de la méta-holographie. Leur développement rapide est actuellement soutenu par des progrès continus dans la nanofabrication, de nouveaux matériaux non linéaires prometteurs comme les TMDC, et des méthodes analytiques et numériques pour modéliser la génération non linéaire dans les cavités qui fuient. L'amélioration de tels outils mathématiques semble particulièrement importante pour la conception non intuitive et l'optimisation de nanorésonateurs hautement multimodes.

Sur la base des réalisations impressionnantes de cette nouvelle branche de l'optique non linéaire, il est raisonnable de s'attendre à ce qu'une nouvelle classe de méta-dispositifs photoniques non linéaires surgisse dans les années à venir, pour la commutation à grande vitesse, les sources de photons intriqués, la génération de supercontinuum et l'imagerie non linéaire. + Explorer plus loin

Booster la génération de deuxième harmonique avec la monocouche TMD