[논문 리뷰] Highly-tunable efficient second-harmonic generation in a lithium niobate nanophotonic waveguide

Rui Luo, Yang He외 3명|arXiv (Cornell University)|2018. 04. 10.

Photorefractive and Nonlinear Optics참고 문헌 2인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 리튬니오브산염(LN) 나노광학적 파손에서 강한 열광학적 이방성(thermo-optic birefringence)을 활용하여 온도 조절을 통한 유형-I 다중모드 위상 일치를 실현함으로써, 매우 조절 가능하고 효율적인 두 번째 고조파 생성(second-harmonic generation, SHG)을 보여준다. 이 장치는 파장 조절 범위가 0.84 nm/K인 통신 대역의 펌프를 사용하여 단지 8 mm의 파손 길이로 기록적인 4.7% W⁻¹의 변환 효율을 달성하였으며, 기존의 효율-조절 가능성 간의 상충 관계를 극복하였다.

ABSTRACT

Highly-tunable coherent light generation is crucial for many important photonic applications. Second-harmonic generation (SHG) is a dominant approach for this purpose, which, however, exhibits a trade-off between the conversion efficiency and the wavelength tunability in a conventional nonlinear platform. Recent development of the integrated lithium niobate (LN) technology makes it possible to achieve a large wavelength tuning while maintaining a high conversion efficiency. Here we report on-chip SHG that simultaneously achieves a large tunability and a high conversion efficiency inside a single device. We utilize the unique strong thermo-optic birefringence of LN to achieve flexible temperature tuning of type-I inter-modal phase matching. We experimentally demonstrate spectral tuning with a tuning slope of 0.84 nm/K for a telecom-band pump, and a nonlinear conversion efficiency of 4.7% W$^{-1}$, in a LN nanophotonic waveguide only 8~mm long. Our device shows great promise for efficient on-chip wavelength conversion to produce highly-tunable coherent visible light for broad applications, while taking advantage of the mature and cost-effective telecom laser technology.

연구 동기 및 목표

• 기존 비선형 플랫폼을 사용한 두 번째 고조파 생성(SHG)에서 오랫동안 지속된 변환 효율과 파장 조절 가능성 간의 상충 관계를 극복하기 위해.
• 통합 나노광학적 파손에서 유연한 온도 기반 조절을 가능하게 하는 리튬니오브산염(LN)의 강력한 열광학적 이방성을 활용하기 위해.
• 공간 모드 오버랩을 최대화하고 강한 광학적 구속을 이용하여 소형, 온칩 장치에서 높은 변환 효율을 달성하기 위해.
• 성숙한 통신 대역 레이저 기술과 효율적인 온칩 파장 변환을 조합하여 실용적이고 매우 조절 가능한 비가시광 영역의 간섭성 빛 생성을 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 강한 모드 구속성과 높은 모드 오버랩을 가능하게 하기 위해 최적화된 횡단면 치수(1200 nm 너비, 460 nm 상부 층, 100 nm 하부 층)를 갖춘 Z-절단 리튬니오브산염(LN) 나노광학적 파손을 사용하여 강한 모드 구속성과 높은 모드 오버랩을 달성하였다.
• 수직 편광(TE₀,tele)과 수평 편광(TMⱼ,vis) 간의 유형-I 다중모드 위상 일치를 통해 온도 제어를 통한 넓은 파장 조절 가능성을 확보하였다.
• 유도된 모드의 효과적 굴절률을 조절하여 통신 대역 전체에서 동적 위상 일치를 가능하게 하기 위해 LN의 강력한 열광학적 이방성을 활용하였다.
• 다양한 온도에서 모드 프로파일, 효과적 굴절률, 위상 일치 조건을 모델링하기 위해 유한요소법(FEM) 시뮬레이션을 수행하였다.
• 변환 효율과 조절 반응을 실험적으로 특성화하기 위해 가변 주기의 통신 대역 레이저, 열전 냉각 장치, 액체 질소 냉각을 사용한 분광계를 사용하였다.
• 저손실 전파를 달성하기 위해 전자선 리소그래피, 아르곤 이온 밀링, 에칭 후 처리(산소 플라즈마 및 희석 황산)를 통해 제작을 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 리튬니오브산염의 강력한 열광학적 이방성을 활용하여 온칩 두 번째 고조파 생성에서 넓은 파장 조절 가능성을 달성할 수 있는가?
• RQ2 나노광학적 파손에서 공간 모드 오버랩을 최대화함으로써, 유형-I 다중모드 SHG에서도 높은 변환 효율을 유지할 수 있는가?
• RQ3 온도 조절을 통한 위상 일치 조건 조절을 사용한 소형 LN 파손에서 도달 가능한 조절 기울기와 변환 효율은 무엇인가?
• RQ4 나노스케일 LN 파손에서 스펙트럼 반응과 위상 일치 파장은 온도 변화에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ5 소형, 저손실 LN 파손은 기존의 유형-0 구성과 비슷한 SHG 효율을 달성할 수 있을까? 동시에 수십만 배 이상의 조절 가능성을 확보할 수 있는가?

주요 결과

• 8 mm 길이의 파손에서 측정된 두 번째 고조파 생성(SHG) 변환 효율은 4.7% W⁻¹로, 소형 구조에서 매우 높은 효율을 보였다.
• 통신 대역 펌프에 대해 실험적으로 0.84 nm/K의 스펙트럼 조절 기울기를 측정하였으며, 이는 기존의 유형-0 SHG 대비 거의 10배 향상된 성능을 나타낸다.
• 이론적으로는 강한 모드 오버랩과 강한 구속으로 인해 정규화된 SHG 효율이 22.2% W⁻¹cm⁻²에 도달하였으며, 이는 유형-I 구성에서도 높은 효율을 달성할 수 있음을 시사한다.
• 통신 대역에서의 전파 손실은 0.54 dB/cm로 측정되었으며, 이는 현재까지의 LN 나노광학적 파손에서 최고 수준의 성능이다.
• 실험적 조절 기울기는 시뮬레이션과 밀도적으로 일치하였으며, 미모델링된 피로전기 효과 및 열팽창 효과로 인한 미세한 편차가 존재하였다.
• 이 장치는 효율적인 온칩 비가시광 영역 간섭성 빛 생성을 가능하게 하며, 성숙한 통신 대역 레이저 소스와 호환되며 통합 광학 응용에 적합하다.