[論文レビュー] Demonstration of second harmonic generationin gallium phosphide nano-waveguides

Aravind P. Anthur, Haizhong Zhang+5 more|arXiv (Cornell University)|Jan 17, 2020

Photonic and Optical Devices参考文献 62被引用数 35

ひとこと要約

本論文は、モード位相一致を用いたガリウムホスファイド（GaP）ナノ波ガイドにおける効率的な二次高調波発生（SHG）を示しており、Oバンド（1310 nm）の低出力連続波ポンプを用いて約655 nmの可視光発光を達成した。主な貢献は、波ガイド幅とポンプ波長の精密制御を通じたモード依存SHGの実験的検証であり、測定された外部変換効率は1.34 × 10⁻⁴ % W⁻¹cm⁻²で、ポンプパワーにほぼ理想的な2次則に従う。

ABSTRACT

We designed, fabricated and tested gallium phosphide (GaP) nano-waveguides for second harmonic generation (SHG). We demonstrate SHG in the visible range around 655 nm using low power continuous-wave pump in the optical communication O-band. Our structures utilize modal phase matching, such that lower order eigenmodes of the pump are phase matched to higher order eigenmodes of the second harmonic. We observe phase matched SHG for different combinations of interacting modes by varying the widths of the waveguides and tuning the wavelength of the pump. The presented results contribute to the development of integrated photonic platforms with efficient nonlinear wave-mixing processes for classical and quantum applications.

研究の動機と目的

• 通信波長帯と可視光帯の間で効率的な非線形周波数変換を実現するガリウムホスファイド（GaP）を基盤とする統合フォトニクスプラットフォームの開発を目的とする。
• 量子フォトニクス（可視帯）と光ファイバー通信（通信帯）の間のギャップを、コンactなオンチップ非線形波ガイドを用いて埋める挑戦に応えることを目的とする。
• 低出力連続波ポンプを用いたモード位相一致によるGaPナノ波ガイドにおける二次高調波発生（SHG）の実証を目的とする。
• 実験的に測定・確認した結晶軸方位がモード結合に与える影響を検証することで、GaP波ガイドにおけるSHGの理論モデルを検証することを目的とする。

提案手法

• 非線形感受率テンソルχ(2)を含む、結合モード方程式を用いたGaP波ガイドにおけるSHGの理論的モデル化。位相不一致Δβmnl(ω) = βm(ω) + βn(ω) − βl(2ω)を用い、d36 = 50 pm/Vの非線形感受率を考慮する。
• 垂直入射下でのSHGを用いたGaP結晶軸方位の実験的測定と確認。[111]方向からの傾き角θ = 15°。
• 電子ビームリソグラフィーと反応性イオンエッチングを用いた、サファイア基板上へのSiO2クラッド付きGaPナノ波ガイドの作製。上部幅を300–340 nmの範囲で可変に制御。
• 1311.8 nm（ファイバー出力で160 mW）の連続波Tiサファイアレーザーをポンプ源として用い、SHG信号は増幅フォトダイオードとロックインアンプで検出。
• 入力ポンプパワーおよび波長依存のSHG効率を測定し、対数線形フィッティングを用いて2次則に従うことを確認。
• 伝搬損失（αω ≈ 0.2 dB/μm、ポンプ周波数）を考慮した有効相互作用長Leffを用いた損失効果のモデル化。理論と実験の乖離を説明する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低出力連続波ポンプを用いたモード位相一致により、GaPナノ波ガイドにおける二次高調波発生は効率的に達成可能か？
• RQ2 波ガイド幅とポンプ偏光は、GaP波ガイドにおける位相一致波長とモード結合にどのように影響するか？
• RQ3 プロセスに起因する非均一性および伝搬損失は、理論予測と比較して実験的SHG変換効率にどの程度の影響を及えるか？
• RQ4 結晶軸方位は、GaP波ガイドにおける重なり積分とSHG効率にどのように寄与するか？

主な発見

• 実験的SHG出力パワーは入力ポンプパワーに2乗則に従い、対数スケールでH偏光では2.3、V偏光では2.5の勾配を示し、期待される2次非線形プロセスを確認した。
• 位相一致帯域幅は実験的に約1.2 nm（FWHM）で測定され、シミュレーションの約0.2 nmよりも広く、波ガイドの非均一性が原因とされる。
• 340 nm幅の波ガイドでH偏光ポンプ（1303.1 nm）を用いた外部正規化変換効率は1.34 × 10⁻⁴ % W⁻¹cm⁻²で測定され、ポンプパワー160 mWの下で160 mWの2次高調波パワー773 pWを達成した。
• 理論的内部正規化変換効率は356 % W⁻¹cm⁻²と算出され、結合損失および伝搬損失の低減によりさらなる改善の余地があることを示した。
• 波ガイド幅の調整により、異なるモード組み合わせにおける位相一致SHGが可能となり、実験的位相一致波長はシミュレーションとよく一致した。
• 伝搬損失はポンプ周波数で2 dB/mmと推定され、粗さ散乱のλ⁻²依存性により、2倍周波数ではより高い損失が予想された。