[논문 리뷰] Demonstration of second harmonic generationin gallium phosphide nano-waveguides

Aravind P. Anthur, Haizhong Zhang외 5명|arXiv (Cornell University)|2020. 01. 17.

Photonic and Optical Devices참고 문헌 62인용 수 35

한 줄 요약

이 논문은 모드 일치를 통한 갈륨 홀라이드(GaP) 나노파이버에서의 효율적인 제2차 고조파 발진(SHG)을 실험적으로 구현하여, O밴드(1310 nm)에서 저출력 연속파 펌프를 사용해 약 655 nm의 가시광선 방출을 달성한다. 주요 기여는 파장과 파형의 제어를 통해 모드에 의존하는 SHG의 실험적 검증이며, 외부 변환 효율은 1.34 × 10⁻⁴ % W⁻¹cm⁻²로 측정되었고, 펌프 파워에 대한 거의 이상적인 2차 곡선적 비례를 보였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 통신 대역과 가시광대역 사이의 비선형 주파수 변환을 효율적으로 수행할 수 있는 갈륨 홀라이드(GaP) 기반 통합 광학 플랫폼을 개발하기 위해.
• 양자 광학(가시광대역)과 광섬유 통신(통신 대역) 간의 격차를 작고, 칩 내에 통합된 비선형 파이버를 통해 극복하고자 하기 위해.
• 저출력 연속파 펌프를 사용한 모드 일치를 통한 GaP 나노파이버에서의 제2차 고조파 발진(SHG)을 구현하고자 하기 위해.
• 결정 축 방향의 측정 및 확인을 통해 GaP 파이버에서의 비선형 상호작용에 미치는 영향을 분석하고, 이론적 모델을 실험적으로 검증하고자 하기 위해.

제안 방법

• 비선형 분극도 텐서 χ(2)와 d36 = 50 pm/V를 포함한 연립 모드 방정식을 사용한 GaP 파이버에서의 SHG 이론적 모델링을 수행하였으며, 위상 일치 불일치 Δβmnl(ω) = βm(ω) + βn(ω) − βl(2ω)를 고려하였다.
• 정상 입사 조건 하에서 SHG를 통한 GaP 결정 축 방향의 측정 및 확인을 수행하였으며, [111] 방향으로부터의 기울기 각도 θ = 15°로 측정되었다.
• 전자선 리소그래피와 반응성 이온 에칭을 사용하여 사파이어 기판 위에 SiO2 클래딩을 갖춘 GaP 나노파이버를 제작하였으며, 상부 폭은 300–340 nm 범위에서 변조 가능하였다.
• 1311.8 nm 파장의 연속파 티타늄 스파크 레이저(섬유 출력 기준 160 mW)를 펌프 소스로 사용하였으며, SHG 신호는 증폭된 광다이오드와 락인 증폭기로 측정하였다.
• 입력 펌프 파워 및 파장에 따른 SHG 효율 측정을 수행하였고, 로그-선형 피팅을 통해 2차 비례 관계를 확인하였다.
• 전파 손실(펌프의 경우 αω ≈ 0.2 dB/μm, 2ω에서는 더 높음)을 고려한 효과적 상호작용 길이 Leff를 사용하여 손실 영향을 모델링하였으며, 이는 이론과 실험 간의 격차를 설명하는 데 기여하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 저출력 연속파 펌프를 사용한 모드 일치를 통한 GaP 나노파이버에서 제2차 고조파 발진이 효율적으로 달성될 수 있는가?
• RQ2 파이버 폭과 펌프 편광은 GaP 파이버에서 위상 일치 파장과 모드 결합에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 제작 과정에서 유도된 비균일성과 전파 손실은 이론 예측에 비해 실험적 SHG 변환 효율에 어느 정도의 영향을 미치는가?
• RQ4 결정 축 방향은 GaP 파이버에서 오버랩 적분과 SHG 효율에 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 실험적 SHG 출력 전력은 입력 펌프 파워에 대해 로그 스케일에서 기울기가 H 편광일 경우 2.3, V 편광일 경우 2.5로 나타나, 기대되는 2차 비선형 과정임을 확인하였다.
• 위상 일치 대역폭은 실험적으로 약 1.2 nm(FWHM)로 측정되었으며, 시뮬레이션 결과 약 0.2 nm보다 넓었는데, 이는 파이버의 비균일성 때문일 가능성이 높다.
• 340 nm 폭의 파이버에서 H 편광 펌프(1303.1 nm)를 사용할 경우 외부 정규화된 변환 효율은 1.34 × 10⁻⁴ % W⁻¹cm⁻²로 측정되었으며, 펌프 전력 160 mW일 때 제2차 고조파 전력은 773 pW였다.
• 이론적 내부 정규화된 변환 효율은 356 % W⁻¹cm⁻²로 계산되었으며, 이는 결합 손실과 전파 손실을 줄임으로써 향상 가능성을 시사한다.
• 파이버 폭 조절을 통해 다양한 모드 조합에서 위상 일치된 SHG를 달성하였으며, 실험적 위상 일치 파장은 시뮬레이션 결과와 매우 유사하였다.
• 전파 손실은 펌프의 경우 2 dB/mm로 추정되었으며, 거칠기 산란의 λ⁻² 의존성으로 인해 제2차 고조파에서는 더 높은 손실이 기대된다.