[논문 리뷰] Photo-induced cascaded harmonic and comb generation in silicon nitride microresonators

Jianqi Hu, Edgars Nitišs외 6명|arXiv (Cornell University)|2022. 03. 29.

Advanced Fiber Laser Technologies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 광학적 작용에 의해 광기전효과를 통해 유도된 준위상일치 χ² 격자로 실리콘 nitride 마이크로레조너에서 광유도 캐스케이드 2차 및 복합 주파수 생성을 구현함을 보여준다. 유도된 χ² 격자는 합성주파수 생성과 주요 복합 주파수 생성을 위한 위상일치를 가능하게 하며, 이중 공진되는 펌프 및 제2차 하모닉 필드는 캐스케이드 3차 하모닉 생성을 이끌어내어 정규 산란 플랫폼에서 저노이즈, 넓은 대역의 마이크로콤 상태를 생성한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 통합 비선형 광학에서 실리콘 나이트라이드(Si3N4)의 내재된 제2차 비선형성(χ²) 부족 문제를 해결하기 위해.
• 광학적으로 유도된 χ² 비선형성이 광기전효과를 통해 Si3N4 마이크로레조너에서 캐스케이드 비선형 과정을 가능하게 함을 보여주기 위해.
• 자기조직화된 광학적 기록된 χ² 격자를 이용해 위상일치된 합성주파수 생성 및 3차 하모닉 생성을 달성하기 위해.
• 캐스케이드 χ² 및 χ³ 비선형성을 통해 정규 산란 Si3N4 마이크로레조너에서 저노이즈, 넓은 대역의 마이크로콤 상태를 생성하기 위해.
• 다중 준위상일치 격자들의 광학적 기록 및 그들이 복잡한 비선형 역학을 가능하게 하는 역할을 검증하기 위해.

제안 방법

• 광기전효과를 통한 광학적 폴링이 Si3N4 마이크로레조너 내에서 주기적인 공간 전하 분포를 유도하여 효과적인 χ² 격자를 생성한다.
• 펌프 및 제2차 하모닉(_SH_) 파동이 레조너 둘레에서 간섭하여, 펌프 및 SH 필드의 비트 길이와 일치하는 주기적인 χ² 격자를 형성한다.
• 느린 광기전효과 동역학을 탐색하고 캐스케이드 비선형성을 재현 가능한 방식으로 관찰하기 위해 시간 해상도가 높은 펌프 파장 스윕(수십 초)을 사용한다.
• 횡방향 위상 매핑(TPM) 영상 기법을 활용하여 파장 100 fs 레이저를 스캔하고 제2차 하모닉 신호를 측정함으로써 기록된 χ² 격자의 공간적 구조를 시각화한다.
• 마이크로레조너는 924 µm 반경, 초저손실을 지닌 구조로 설계되었으며, 하모닉 파장에서 다수의 공간 모드를 지원한다.
• 공진 모드의 스펙트럼적 및 공간적 오버랩 분석을 통해 합성주파수 생성 및 3차 하모닉 생성을 위한 위상일치 조건을 확인한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Si3N4 마이크로레조너에서 광학적으로 유도된 χ² 비선형성이 정규 산란 영역에서 합성주파수 생성 및 복합 주파수 생성을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ2 이중 공진되는 펌프 및 제2차 하모닉 필드 존재 하에서 자기조직화된 광학적 기록된 χ² 격자는 어떻게 캐스케이드 3차 하모닉 생성을 지원하는가?
• RQ3 광기전효과가 동시에 다수의 비선형 과정을 지원하는 위상일치된 χ² 격자를 형성하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 Si3N4 마이크로레조너에서 χ² 및 χ³ 비선형성 간의 상호작용이 저노이즈, 넓은 대역의 마이크로콤 상태 형성에 기여하는가?
• RQ5 기록된 χ² 격자의 공간적 및 스펙트럼적 특성이 캐스케이드 하모닉 및 복합 주파수 생성의 효율성과 안정성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 횡방향 위상 매핑 영상에 의해 광학적으로 유도된 χ² 격자가 명확히 확인되었으며, 펌프 및 제2차 하모닉 파동의 비트 길이와 일치하는 주기적 구조를 보였다.
• 기록된 χ² 격자는 합성주파수 생성을 위한 위상일치를 제공하여, 펌프 파장에서 주요 마이크로콤의 시작을 가능하게 하였다.
• 펌프 및 제2차 하모닉 필드의 이중 공진 상호작용으로 인해 캐스케이드 3차 하모닉 생성이 관측되었으며, 추가로 두 번째의 옵티컬 기록된 χ² 격자가 확인되었다.
• 합성주파수 결합된 주요 복합 주파수에서 유래된 저노이즈, 넓은 대역의 마이크로콤 상태가 달성되었으며, 안정된 비선형 역학을 시사하였다.
• 광기전효과의 느린 시간 동역학(수십 초의 순서) 덕분에 캐스케이드 비선형 효과의 신뢰성 있고 손으로 조절 가능한 재현이 가능하다.
• 이 플랫폼은 정규 산란 Si3N4 마이크로레조너에서 효율적인 하모닉 및 복합 주파수 생성을 가능하게 하여, 기존의 케러 복합 주파수 생성을 초월한 통합 비선형 광학의 응용 범위를 넓혔다.