[論文レビュー] On-chip directional octave-spanning supercontinuum generation from high order mode in near ultraviolet to infrared spectrum using AlN waveguides

Hong Chen, Jingan Zhou+13 more|arXiv (Cornell University)|Aug 13, 2019

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 29被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、アルミナイト（AlN）波guidesを用いて、高次モードTE10を活用することで非正則分散を実現し、490 nmから1100 nmを超えるスペクトルにわたる方向性のあるオクターブ帯域スーパーコンティンウム生成をオンチップで実証した。0.36 nJのパルスエネルギーで、近紫外から近赤外にわたる広帯域でコherentな出力が得られ、フルスペクトルのオンチップ周波数メトロロジーを可能にした。

ABSTRACT

On-chip ultraviolet to infrared (UV-IR) spectrum frequency metrology is of crucial importance as a characterization tool for fundamental studies on quantum physics, chemistry, and biology. Due to the strong material dispersion, traditional techniques fail to demonstrate the device that can be applied to generate coherent broadband spectrum that covers the full UV-IR wavelengths. In this work, we explore several novel techniques for supercontinuum generation covering near-UV to near-IR spectrum using AlN micro-photonic waveguides, which is essential for frequency metrology applications: First, to create anomalous dispersion, high order mode (TE10) was adopted, together with its carefully designed high efficiency excitation strategies. Second, the spectrum was broadened by soliton fission through third order dispersion and second harmonic generation, by which directional energy transfer from near-IR to near-UV can be obtained. Finally, high quality single crystalline AlN material was used to provide broadband transparency from UV to IR. Under decently low pulse energy of 0.36 nJ, the experimental spectrum from supercontinuum generation covers from 490 nm to over 1100 nm, with a second harmonic generation band covering from 405 nm to 425 nm. This work paves the way towards UV-IR full spectrum on-chip frequency metrology applications.

研究の動機と目的

• 統合フォトニクスデバイスを用いて、近紫外から近赤外にわたるフルスペクトルのオンチップ周波数メトロロジーを実現すること。
• 強い材料分散のため、従来の材料では広帯域でコherentなスーパーコンティンウム生成が制限されることを克服すること。
• UVからIRにわたる高透過性を示すAlN波guidesを用いて、コンactで効率的かつ方向性のあるスーパーコンティンウム源を開発すること。
• 高次モード励起と非線形効果（ソリトン分裂や第二高調波生成など）を活用して、オクターブ帯域のスペクトル拡張を達成すること。

提案手法

• ソリトン形成に不可欠な非正則群速度分散を誘発するために、AlN波guidesで高次モードTE10を励起した。
• 三次モード分散と第二高調波生成を活用して、近赤外から近紫外への方向性エネルギー移動を実現した。
• 405 nmから1100 nmを超える広帯域透過性を確保するため、高品質で単結晶のAlNを用いた。
• 損傷と非線形歪みを低減しつつスペクトル拡張を維持するため、パルスエネルギーを0.36 nJに低く抑えた。
• 適切に設計された結合構造と波guides幾何形状により、TE10モードの効率的励起を達成した。
• 時間積分および波長分解測定を用いてスペクトル拡張を評価し、オクターブ帯域のコherenceを確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 AlN波guidesにおける高次モード励起が、UV-IRスペクトル全域にわたるスーパーコンティンウム生成に不可欠な非正則分散を実現できるか？
• RQ2 コンパクトなオンチッププラットフォーム上で、近赤外から近紫外への方向性エネルギー移動をどのように実現できるか？
• RQ3 単結晶AlNの広帯域透過性が、オクターブ帯域スーパーコンティンウム生成にどの程度寄与するか？
• RQ4 高いコherenceを維持した状態で、UVからIRにわたるフルスペクトルカバーを達成するための最小パルスエネルギーは何か？
• RQ5 第二高調波生成とソリトン分裂を、1つのAlN波guides内でコherently統合して広帯域出力を得られるか？

主な発見

• スーパーコンティンウムスペクトルは490 nmから1100 nmを超える範囲に広がり、高いコherenceを持つオクターブ帯域をカバーした。
• 405 nmから425 nmの範囲に第二高調波生成帯が観測され、紫外領域における非線形周波数変換が確認された。
• わずか0.36 nJのパルスエネルギーでスペクトル拡張が達成されたため、高い効率性が示された。
• 近赤外から近紫外への方向性エネルギー移動が実験的に実証され、広帯域カバーが可能になった。
• 単結晶AlN波guidesが、UV-IR動作に不可欠な広帯域透過性を提供した。
• TE10高次モードが非正則分散を実現し、ソリトン分裂とスペクトル拡張を促進した。