[論文レビュー] Ultrabroadband Nonlinear Optics in Nanophotonic Periodically Poled Lithium Niobate Waveguides

Marc Jankowski, Carsten Langrock+7 more|arXiv (Cornell University)|Sep 19, 2019

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 5被引用数 12

ひとこと要約

本稿では、分散と周期的ポーリングを共同で最適化することにより、ナノフォトニクス的周期的ポーリングLiNbO₃（PPLN）波guidesにおける超広帯域準位相一致非線形光学を実証した。100 fJ未満のパルスエネルギーで第二高調波生成（SHG）を達成し、わずか2 pJの入力エネルギーで複数オクターブにわたるスーパーコンtinウム生成を実現した。従来のデバイスと比較してエネルギー要件を数個のオーダー低下させ、統合プラットフォームにおけるフェムトジュールレベルの非線形光学を可能にした。

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.

研究の動機と目的

• 従来の周期的ポーリングLiNbO₃波guidesが示す狭帯域位相一致帯域幅と高いパルスエネルギー要件といった制限を克服すること。
• ナノフォトニクス的分散工学と周期的ポーリングによるχ(2)非線形性を統合し、超広帯域で低エネルギーの非線形周波数変換を実現すること。
• フェムトジュールレベルで効率的な第二高調波生成（SHG）および複数オクターブにわたるスーパーコンチニウム生成（SCG）を実証すること。
• 波guidesの幾何形状とポーリング周期の共同設計により、非線形光子デバイスの効率と帯域幅を向上させ、新たな統合非線形フォトニクス素子の実現を可能にすること。

提案手法

• 電子ビームリソグラフィーと反応性イオンエッチングを用いて、周期的ポーリングLiNbO₃（PPLN）に直接エッチングされたナノフォトニクス的リッジ波guidesをプロセスした。
• 群速度および群速度分散を制御する波guidesの幾何形状を設計し、準位相一致相互作用に適した広帯域位相一致を実現した。
• 2 μm付近の第二高調波生成（SHG）のための準位相一致を達成するようにポーリング周期を設計し、最大250 nmの帯域幅を達成した。
• 自己位相変調およびソリトン分裂を含む非線形ダイナミクスをシミュレートするために、スプリット・ステップ・フーリエ法を用い、三次分散および半古典的真空中ノイズを組み込んだ。
• 分光計を用いて出力スペクトルを測定し、シミュレーションと照合することで、コhereneyおよびスペクトル拡張の妥当性を検証した。
• 一次相互相関関数|g(1)|を用いたコhereney解析により、生成された高調波のスペクトルコhereneyを評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ナノフォトニクス的PPLN波guidesにおける分散工学は、準位相一致非線形プロセスの位相一致帯域幅を顕著に拡大できるか？
• RQ2 分散工学が施されたPPLN波guidesで効率的な第二高調波生成を達成するために必要な最小パルスエネルギーはどの程度か？
• RQ3 有効な非線形性工学により、位相不一致状態のPPLN波guidesにおける自己位相変調およびスペクトル拡張はどの程度強化できるか？
• RQ4 PPLNベースの統合プラットフォームで、1ピコジュール未満のパルスエネルギーで複数オクターブにわたるスーパーコンチニウム生成を達成できるか？
• RQ5 このようなシステムにおいて、複数の高調波にわたる生成されたスーパーコンチニウムスペクトルのコhereneyはどの程度か？

主な発見

• 2 μmの入力波長で60 fJのパルスエネルギーを用いて、飽和変換効率が50％を超える第二高調波生成（SHG）を達成した。
• SHGの伝達関数は約250 nmの帯域幅を示し、従来の波guidesと比較して位相一致帯域幅が10倍改善された。
• 効率的なSHGに要するパルスエネルギーは、従来のPPLN波guidesと比較して30倍低減され、フェムトジュール領域にまで達した。
• 位相不一致状態では、入力パルスエネルギーがわずか2 pJでも、最初の5つの高調波におけるスペクトル拡張が観測された。
• 位相不一致状態における有効非線形性は、LiNbO₃の固有のχ(3)非線形性よりも2個以上のオーダー以上に大きくなった。
• シミュレーションでは、入力エネルギー4 pJで、基本波の|g(1)| ≈ 0.9996、第二高調波の|g(1)| ≈ 0.9990を示し、ほぼコhereneyなスーパーコンチニウム生成であることが示された。