[論文レビュー] Highly-tunable efficient second-harmonic generation in a lithium niobate nanophotonic waveguide

Rui Luo, Yang He+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 10, 2018

Photorefractive and Nonlinear Optics参考文献 2被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、リチウムニobレート（LN）ナノフォトニクス波導における高効率で高調整性の第二高調波発生（SHG）を、材料の強い熱光屈折率相反性を活用して実現した。温度制御による型Iモード間位相一致を可能にし、通信帯域のポンプ光を用いて、8 mmの波導長で記録的な4.7% W⁻¹の変換効率と0.84 nm/Kのスペクトル調整傾斜を達成した。これにより、従来の効率-調整性トレードオフを克服した。

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.

研究の動機と目的

• 従来の非線形プラットフォームを用いた第二高調波発生（SHG）における、変換効率と波長調整性の長年のトレードオフを克服すること。
• リチウムニオブレート（LN）の強い熱光屈折率相反性を活用し、統合ナノフォトニクス波導における温度に基づくSHGの柔軟な調整を実現すること。
• 空間モード重ね合わせを最大化し、強い光閉じ込めを活用することで、コンactなオンチップデバイスで高効率な変換を達成すること。
• 成熟した通信レーザー技術と効率的なオンチップ波長変換を組み合わせることで、実用的で高調整性のコherent可視光生成を実現すること。

提案手法

• 強いモード閉じこめと高いモード重ね合わせを実現するため、最適化された断面寸法（幅1200 nm、上層100 nm、下層100 nm）を有するZ面切りリチウムニオブレート（LN）ナノフォトニクス波導を用いた。
• 温度制御により広い波長調整性を実現するため、直交偏光（TE₀,tele と TMⱼ,vis）間の型Iモード間位相一致を採用した。
• LNの強い熱光屈折率相反性を活用し、ガイドモードの有効屈折率を調整することで、通信帯域全域での動的位相一致を可能にした。
• 有限要素法（FEM）シミュレーションを用いて、さまざまな温度におけるモードプロファイル、有効屈折率、および位相一致条件をモデル化した。
• 可変周波数通信レーザー、熱電冷却、液体窒素冷却を施した分光計を用いて、実験的にSHG効率と調整応答を測定した。
• 電子線リソグラフィー、アルゴンイオンエッチング、エッチング後の処理（酸素プラズマおよびヒドロフルオリック酸処理）を実施し、低損失を達成した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 リチウムニオブレートの強い熱光屈折率相反性を活用することで、オンチップ第二高調波発生における大波長調整が可能になるか？
• RQ2 ナノフォトニクス波導における空間モード重ね合わせを最大化することで、型Iモード間SHGにおいても高効率を維持できるか？
• RQ3 温度による位相一致条件の調整を用いたコンパクトLN波導で、達成可能な調整傾斜と変換効率は何か？
• RQ4 ナノスケールのLN波導において、温度変化に伴うスペクトル応答と位相一致波長のシフトはどのように変化するか？
• RQ5 コンパクトで低損失のLN波導は、従来の型0配置と同等のSHG効率を達成できるか、かつ、1000倍以上の高い調整性を実現できるか？

主な発見

• 8 mmの波導長で測定された第二高調波発生（SHG）変換効率は4.7% W⁻¹に達し、コンパクトなフォトニクス素子としての高効率を実証した。
• 通信帯域のポンプ光を用いて、実験的に0.84 nm/Kのスペクトル調整傾斜が測定された。これは、従来のLNにおける型0 SHGと比較してほぼ10倍の改善を示している。
• 理論的正規化SHG効率は、強いモード重ね合わせと強い閉じこめにより22.2% W⁻¹cm⁻²に達し、型I構成でも高い効率を実現した。
• 通信帯域における伝送損失は0.54 dB/cmと測定され、これまでに報告されたLNナノフォトニクス波導で最高の性能を達成した。
• 実験的調整傾斜はシミュレーションとよく一致しており、わずかなずれは波導構造における未モデル化のピエゾ効果および熱膨張効果に起因するとされた。
• 本デバイスは、成熟した通信レーザー源と相性が良く、高調整性のコherent可視光をオンチップで効率的に生成可能であり、統合フォトニクス応用に適している。