[논문 리뷰] On-chip directional octave-spanning supercontinuum generation from high order mode in near ultraviolet to infrared spectrum using AlN waveguides

Hong Chen, Jingan Zhou외 13명|arXiv (Cornell University)|2019. 08. 13.

Advanced Fiber Laser Technologies참고 문헌 29인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 알루미나 나이트라이드(AlN) 웨이브가이드를 이용해 고차 모드인 TE10 모드를 활용하여 이방성 군속도 분산을 유도함으로써, 490 nm에서 1100 nm 이상으로 확장되는 방향성 초광대역 슈퍼컨티누움 생성을 실현하였다. 이는 솔리톤 분열과 제2차 고조파 생성을 가능하게 하였으며, 0.36 nJ의 낮은 펄스 에너지만으로도 가시광자외선에서 가시광자적외선에 이르는 넓은 스펙트럼의 간섭계적 출력을 달성하여, 전체 스펙트럼을 대상으로 한 칩 내 주파수 메트로로지 구현이 가능해졌다.

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.

연구 동기 및 목표

• 통합 광학 장치를 이용해 가시광자외선에서 가시광자적외선에 이르는 전체 스펙트럼에 걸쳐 칩 내 주파수 메트로로지 실현을 목표로 한다.
• 강한 재료 분산로 인해 전통적 재료가 광범위한 간섭계적 슈퍼컨티누움 생성을 지원하는 데에 한계를 가진다는 점을 극복하기 위한 목표이다.
• 자외선에서 적외선까지 높은 투과도를 보이는 AlN 웨이브가이드를 이용해 소형, 효율적이고 방향성 있는 슈퍼컨티누움 소스를 개발하는 것을 목표로 한다.
• 고차 모드 자극과 비선형 효과인 솔리톤 분열 및 제2차 고조파 생성을 통해 오кт브 스펙트럼 확장을 실현하는 것

제안 방법

• 솔리톤 형성에 필수적인 이방성 군속도 분산를 유도하기 위해 AlN 웨이브가이드에서 고차 모드인 TE10 모드를 자극하였다.
• 제3차 분산 및 제2차 고조파 생성을 활용하여 근적외선에서 근자외선 스펙트럼으로의 방향성 에너지 이행을 가능하게 하였다.
• 405 nm에서 1100 nm 이상까지 광범위한 투과도를 확보하기 위해 고품질의 단결정 AlN을 사용하였다.
• 손상과 비선형 왜곡을 최소화하면서도 스펙트럼 확장을 유지하기 위해 펌프 펄스 에너지를 0.36 nJ로 낮게 유지하였다.
• 정밀하게 설계된 커플링 및 웨이브가이드 기하구조를 통해 TE10 모드의 효율적 자극을 달성하였다.
• 시간 적분 및 스펙트럼 해상도 측정을 통해 슈퍼컨티누움의 오кт브 스펙트럼 협동성 여부를 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 AlN 웨이브가이드에서 고차 모드 자극이 자외선-적외선 스펙트럼 전역에서 슈퍼컨티누움 생성에 필수적인 이방성 분산를 유도할 수 있는가?
• RQ2 소형 칩 내 플랫폼에서 근적외선에서 근자외선으로의 방향성 에너지 이행은 어떻게 실현될 수 있는가?
• RQ3 단결정 AlN의 광범위한 투과도가 오кт브 스펙트럼 확장을 위한 슈퍼컨티누움 생성을 얼마나 잘 지원하는가?
• RQ4 높은 간섭계적 특성을 확보하기 위해 전 자외선에서 적외선 스펙트럼 커버리지 달성에 필요한 최소 펌프 펄스 에너지는 얼마인가?
• RQ5 제2차 고조파 생성과 솔리톤 분열이 단일 AlN 웨이브가이드에서 간섭계적으로 활용되어 광범위한 스펙트럼 출력을 생성할 수 있는가?

주요 결과

• 슈퍼컨티누움 스펙트럼은 490 nm에서 1100 nm 이상으로 확장되어 높은 간섭계적 특성을 보이며 오кт브 대역폭을 커버한다.
• 405 nm에서 425 nm 사이에 제2차 고조파 생성 밴드가 관측되어 자외선 범위에서의 비선형 주파수 변환의 존재를 확인하였다.
• 펌프 펄스 에너지가 0.36 nJ에 불과함에도 불구하고 스펙트럼 확장을 달성하여 높은 효율성을 입증하였다.
• 근적외선에서 근자외선으로의 방향성 에너지 이행이 실험적으로 입증되어 광범위한 스펙트럼 커버리지가 가능해졌다.
• 단결정 AlN 웨이브가이드는 자외선-적외선 작동에 필수적인 광범위한 투과도를 제공하였다.
• TE10 고차 모드가 이방성 분산를 유도하여 솔리톤 분열 및 스펙트럼 확장을 가능하게 하였다.