[논문 리뷰] Ultrabroadband Nonlinear Optics in Nanophotonic Periodically Poled Lithium Niobate Waveguides

Marc Jankowski, Carsten Langrock외 7명|arXiv (Cornell University)|2019. 09. 19.

Advanced Fiber Laser Technologies참고 문헌 5인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 나노광학적 주기적으로 도핑된 리튬니오브산염(PPLN) 파손에서 분산과 주기적 도핑을 공동으로 설계하여 초광대역 준위상일치 비선형 광학을 구현한다. 100 fJ 이하의 펄스 에너지로도 두차선 주파수 생성을 달성하고, 2 pJ의 최소 에너지로 다중옥타브 슈퍼컨티누움 생성을 실현하여 기존 장치 대비 에너지 요구량을 수개의 차수 감소시켰으며, 통합 플랫폼에서 피코줄 수준의 비선형 광학을 효율적으로 실현한다.

ABSTRACT

Quasi-phasematched interactions in waveguides with quadratic nonlinearities enable highly efficient nonlinear frequency conversion. In this article, we demonstrate the first generation of devices that combine the dispersion-engineering available in nanophotonic waveguides with quasi-phasematched nonlinear interactions available in periodically poled lithium niobate (PPLN). This combination enables quasi-static interactions of femtosecond pulses, reducing the pulse energy requirements by several orders of magnitude, from picojoules to femtojoules. We experimentally demonstrate two effects associated with second harmonic generation. First, we observe efficient quasi-phasematched second harmonic generation with <100 fJ of pulse energy. Second, in the limit of strong phase-mismatch, we observe spectral broadening of both harmonics with as little as 2-pJ of pulse energy. These results lay a foundation for a new class of nonlinear devices, in which co-engineering of dispersion with quasi-phasematching enables efficient nonlinear optics at the femtojoule level.

연구 동기 및 목표

• 기존의 주기적으로 도핑된 리튬니오브산염 파손이 좁은 위상일치 대역폭과 높은 펄스 에너지 요구량을 가지는 데서 기인하는 한계를 극복하기 위해.
• 나노광학적 분산 공학을 주기적으로 도핑된 χ(2) 비선형성과 융합하여 초광대역, 저에너지 비선형 주파수 변환을 가능하게 하기 위해.
• 피코줄 수준에서 효율적인 두차선 주파수 생성(SHG)과 다중옥타브 슈퍼컨티누움 생성(SCG)을 실현하기 위해.
• 파손 기하구조와 도핑 간격을 공동 설계하여 통합 비선형 광학 장치의 효율성과 대역폭을 향상시켜 새로운 유형의 통합 비선형 광학 장치를 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 전자선 리소그래피와 반응성 이온 에칭을 사용하여 직접 에칭한 나노광학적 리지 파손을 주기적으로 도핑된 리튬니오브산염(PPLN)에서 제작하였다.
• 군속도 및 군속도 분산을 제어하기 위해 파손 기하구조를 설계하여 준위상일치 상호작용에 적합한 광대역 위상일치를 가능하게 하였다.
• 약 2 μm에서 두차선 주파수 생성(SHG)을 위한 준위상일치를 달성하기 위해 도핑 간격을 설계하였으며, 대역폭은 최대 약 250 nm에 이르렀다.
• 자기위상변조 및 솔리톤 분열을 포함한 비선형 동역학을 시뮬레이션하기 위해 스텝-스텝 푸리에 방법을 활용하였으며, 고차 분산 및 반고전적 진공 노이즈를 통합하였다.
• 스펙트럼 분석기로 출력 스펙트럼을 측정하고 시뮬레이션과 비교하여 간섭성과 스펙트럼 확장의 타당성을 검증하였다.
• 일阶 간섭 함수 |g(1)|를 통한 간섭성 분석을 수행하여 생성된 조화파의 스펙트럼 간섭성을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 나노광학적 PPLN 파손에서 분산 공학이 준위상일치 비선형 과정의 위상일치 대역폭을 크게 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 분산 공학이 적용된 PPLN 파손에서 효율적인 두차선 주파수 생성을 달성하기 위해 필요한 최소 펄스 에너지는 얼마인가?
• RQ3 효율적인 비선형성 공학을 통해 위상일치되지 않은 PPLN 파손에서 자기위상변조 및 스펙트럼 확장은 어느 정도 향상될 수 있는가?
• RQ4 PPLN 기반 통합 플랫폼에서 피코줄 이하의 펄스 에너지로 다중옥타브 슈퍼컨티누움 생성을 달성할 수 있는가?
• RQ5 이러한 시스템에서 여러 조화파에 걸쳐 생성된 슈퍼컨티누움 스펙트럼은 어느 정도 간섭성을 유지하는가?

주요 결과

• 2 μm에서 60 fJ의 펄스 에너지만으로도 포화 전환 효율이 50%를 초과하는 두차선 주파수 생성(SHG)을 달성하였다.
• SHG 전달 함수는 약 250 nm의 대역폭을 보였으며, 이는 기존 파손 대비 위상일치 대역폭에서 10배 향상된 결과이다.
• 효율적인 SHG를 위한 펄스 에너지 요구량이 기존 PPLN 파손 대비 30배 감소하여 이제 피코줄 수준에 도달하였다.
• 위상일치되지 않은 작동 조건에서 첫 다섯 조화파에 대해 2 pJ의 입력 펄스 에너지로도 스펙트럼 확장을 관측하였다.
• 위상일치되지 않은 영역에서의 유효 비선형성은 리튬니오브산염의 본질적 χ(3) 비선형성보다 두 개 이상의 차수 높은 것으로 나타났다.
• 시뮬레이션 결과, 기본파에 대해 |g(1)| ≈ 0.9996, 두차선 주파수에 대해 0.9990의 높은 스펙트럼 간섭성을 보였으며, 이는 거의 간섭성 슈퍼컨티누움 생성을 의미한다.