[論文レビュー] Visible to Ultraviolet Frequency Comb Generation in Lithium Niobate Nanophotonic Waveguides

Tsung‐Han Wu, Luis Ledezma+7 more|arXiv (Cornell University)|May 13, 2023

Advanced Fiber Laser Technologies被引用数 10

ひとこと要約

本論文は、chi(2)とchi(3)の両方の非線形性を用いて、330 nmから2400 nmまでのギャップのない周波数コムを生成し、1550 nmのポンプから約20%の変換効率を実現するマルチセグメント薄膜リチウムニオブ酸波導を示す。エネルギーはサブ100 pJレベル。

ABSTRACT

The introduction of nonlinear nanophotonic devices to the field of optical frequency comb metrology has enabled new opportunities for low-power and chip-integrated clocks, high-precision frequency synthesis, and broad bandwidth spectroscopy. However, most of these advances remain constrained to the near-infrared region of the spectrum, which has restricted the integration of frequency combs with numerous quantum and atomic systems in the ultraviolet and visible. Here, we overcome this shortcoming with the introduction of multi-segment nanophotonic thin-film lithium niobate (LN) waveguides that combine engineered dispersion and chirped quasi-phase matching for efficient supercontinuum generation via the combination of $χ^{(2)}$ and $χ^{(3)}$ nonlinearities. With only 90 pJ of pulse energy at 1550 nm, we achieve gap-free frequency comb coverage spanning 330 to 2400 nm. The conversion efficiency from the near-infrared pump to the UV-Visible region of 350-550 nm is nearly 20%. Harmonic generation via the $χ^{(2)}$ nonlinearity in the same waveguide directly yields the carrier-envelope offset frequency and a means to verify the comb coherence at wavelengths as short as 350 nm. Our results provide an integrated photonics approach to create visible and UV frequency combs that will impact precision spectroscopy, quantum information processing, and optical clock applications in this important spectral window.

研究の動機と目的

• 可視光および紫外領域までのブロードバンド周波数コムのカバレッジを動機づけ、分光、量子情報、光時計を支援する。
• 高効率で1550 nmから350–550 nmのUV-可視領域へ周波数コムを統合プラットフォームを開発する。
• マルチセグメント薄膜LN波導における分散と準位相整合を設計し、chi(2)とカスケードchi(2)プロセスを用いて広帯域化を図る。
• コヒーレントでギャップのないスペクトルを実証し、ハーモニクスおよびヘテロダイン検出によってキャリア・オフセット周波数を検証する。

提案手法

• 12.5 μm から 2.5 μm までの線形にチヤープされたポリング領域を備えた未ポール処理のセクションの後に、マルチセグメント薄膜 LN波Guideを製造する。
• 1550 nmでサブ-100 fsパルス（オンチップ約90 pJ）をポンプとしてchi(3) 自相位変 modulationを開始し、次いで chi(2)高調波生成とカスケードプロセスを駆動する。
• 単一エンベロープ、片方向伝搬方程式を用いて chi(2)および chi(3)項を含むスペクトル進化をモデル化し、実験と比較する。
• 350–620 nm全域でビートノートを検出し、UV領域350 nmおよび620 nmおよび400 nmでSNR >35 dB（10 kHz RBW）でキャリア・エンベロープオフセット周波数 f_ceo のコヒーレンスを検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マルチセグメント設計LN波導は、テレコム波長でポンプした場合、UV〜可視の連続的でギャップのないスペクトルを達成できるか？
• RQ2 通常分散LN波導におけるchi(2)カスケードを用いたエネルギーを1550 nmポンプからUV-可視波長へ変換する効率はどのくらいか？
• RQ3 得られたUV-可視コムのコヒーレンスはどれくらいで、f_ceoを直接UVで測定できるか？
• RQ4 ポリング設計、未ポール長、および分散工学はスペクトルカバレッジと効率にどう影響するか？
• RQ5 実用的な性能限界と、中波長域またはより広いスペクトル窓へ拡張する経路は？

主な発見

• 90 pJ on-chip 1550 nmポンプを用いて330 nm〜2400 nmのギャップのないスペクトルを達成。
• 近赤外ポンプからUV-可視領域の350–550 nmへ>20%の変換効率を実証（350–550 nmでオンチップ1.5 mW出力、ポンプ9 mW）。
• UV領域350 nmおよび620 nmと400 nmでSNR >35 dB（10 kHz RBW）でキャリア・エンベロープオフセット周波数 f_ceo を直接検出。
• 10 GHz共振EOコムが等しい高調波含有を示し、損傷なく高い繰り返し周波数へ拡張可能性を示唆（約2.5 W入射電力）。
• 単一エンベロープ框架を用いた数値シミュレーションは実験と良く一致し、最適化された波Guide設計でさらなる効率向上が見込まれる（350–490 nm窓で>30%の潜在可能性）。
• シミュレーションと測定は、適切な分散/ポリングと同じアーキテクチャで中波長域へ拡張する道があることを示唆。