[論文レビュー] Photo-induced cascaded harmonic and comb generation in silicon nitride microresonators

Jianqi Hu, Edgars Nitišs+6 more|arXiv (Cornell University)|Mar 29, 2022

Advanced Fiber Laser Technologies被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、光起因の周期的空間電荷分布を誘起する光起電力効果により、窒化ケイ素（Si3N4）マイクロレゾネータにおいて、準位相一致したχ²回折格子を光学的に書き込むことで、光誘起の連鎖的高次調波およびマイクロコム生成を実証した。得られたχ²格子は、一次コム生成のための周波数合成と位相一致を可能にし、二重共振のポンプおよび二次高調波場が連鎖的三次高調波生成を駆動することで、通常分散プラットフォームにおいて低ノイズで広帯域のマイクロコム状態を実現した。

ABSTRACT

Silicon nitride (Si$_3$N$_4$) is an ever-maturing integrated platform for nonlinear optics. Yet, due to the absence of second-order ($χ^{(2)}$) nonlinearity, Si$_3$N$_4$ is mostly considered for third-order ($χ^{(3)}$) nonlinear interactions. Recently, this limitation was overcome by optical poling in both Si$_3$N$_4$ waveguides and microresonators via the photogalvanic effect, resulting in the inscription of quasi-phase-matched $χ^{(2)}$ gratings. Here, we report cascaded nonlinear effects in a normal dispersion Si$_3$N$_4$ microresonator with combined $χ^{(2)}$ and $χ^{(3)}$ nonlinearities. We demonstrate that the photo-induced $χ^{(2)}$ grating also provides phase-matching for the sum-frequency generation process, enabling the initiation and successive switching of primary combs at pump wavelength. Additionally, the doubly resonant pump and second-harmonic fields allow for cascaded third-harmonic generation, where a secondary optically written $χ^{(2)}$ grating is identified. Finally, we reach a low-noise, broadband microcomb state evolved from the sum-frequency coupled primary comb. These results expand the scope of cascaded effects in $χ^{(2)}$ and $χ^{(3)}$ microresonators.

研究の動機と目的

• 集積非線形光学における窒化ケイ素（Si3N4）の内在的第二準位非線形性（χ²）の欠如を克服すること。
• 光起電力効果による光学的誘起χ²非線形性が、Si3N4マイクロレゾネータにおける連鎖的非線形プロセスを可能にすることを実証すること。
• 自己組織的で光で書かれたχ²格子を用いて、位相一致した周波数合成と三次高調波生成を実現すること。
• 連鎖的χ²およびχ³非線形性を用いて、通常分散Si3N4マイクロレゾネータで低ノイズで広帯域のマイクロコム状態を生成すること。
• 複数の準位相一致格子の光学的露光と、それらが複雑な非線形ダイナミクスを可能にする役割を検証すること。

提案手法

• 光起電力効果による光学ポーリングにより、Si3N4マイクロレゾネータ内に周期的な空間電荷分布が誘起され、有効なχ²格子が形成される。
• ポンプ波と二次高調波（SH）波の干渉がマイクロレゾネータ周囲で生じ、ポンプおよびSH波のビート長に一致する周期的なχ²格子が形成される。
• 遅い光起電力ダイナミクスを測定し、連鎖的非線形性の再現可能な観測を可能にするために、時間分解型ポンプ波長スイープ（数十秒）が用いられた。
• 横断的位相マッピング（TPM）イメージングを用いて、フェムト秒レーザーを走査し、二次高調波信号を検出することで、露光されたχ²格子の空間構造を可視化した。
• マイクロレゾネータは924 µmの半径、超低損失を有し、高調波波長で複数の空間モードを励起可能である。
• 周波数モードのスペクトル的および空間的重畳を分析することで、周波数合成と三次高調波生成の位相一致条件が確認された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Si3N4マイクロレゾネータにおける光誘起χ²非線形性は、通常分散領域で周波数合成とコム生成を可能にするか？
• RQ2 二重共振のポンプおよび二次高調波場が存在する中で、自己組織的で光学で書かれたχ²格子は、どのように連鎖的三次高調波生成を支援するか？
• RQ3 光起電力効果が、複数の非線形プロセスを同時に支持する位相一致χ²格子を形成する役割は何か？
• RQ4 Si3N4マイクロレゾネータ内におけるχ²およびχ³非線形性の相互作用は、低ノイズで広帯域のマイクロコム状態の形成を可能にするか？
• RQ5 露光されたχ²格子の空間的およびスペクトル的特性は、連鎖的高次調波およびコム生成の効率と安定性にどのように影響するか？

主な発見

• 横断的位相マッピングイメージングにより、ポンプ波と二次高調波のビート長に一致する周期的構造を有する光誘起χ²格子が明確に確認された。
• 露光されたχ²格子は、周波数合成のための位相一致を提供し、ポンプ波長で一次マイクロコムの生成を可能にした。
• ポンプおよび二次高調波場の二重共振相互作用により、連鎖的三次高調波生成が観測され、二次的な光学的露光χ²格子が同定された。
• 周波数合成結合による一次コムに起因する低ノイズで広帯域のマイクロコム状態が達成され、安定な非線形ダイナミクスを示した。
• 光起電力効果の遅い時間的ダイナミクス（数十秒オーダー）のおかげで、連鎖的非線形効果の信頼性があり、手動でチューニング可能な再現が可能となった。
• 本プラットフォームは、通常分散Si3N4マイクロレゾネータで効率的な高次調波およびコム生成を可能にし、従来のKerrコム生成を超える集積非線形光学の応用範囲を拡張した。