[논문 리뷰] Visible to Ultraviolet Frequency Comb Generation in Lithium Niobate Nanophotonic Waveguides

Tsung‐Han Wu, Luis Ledezma외 7명|arXiv (Cornell University)|2023. 05. 13.

Advanced Fiber Laser Technologies인용 수 10

한 줄 요약

논문은 chi(2)와 chi(3) 비선형성을 모두 활용하여 330 nm에서 2400 nm까지의 격차 없는 주파수 콤을 생성하고, 1550 nm 펌프로부터 약 20% 전환 효율, sub-100 pJ 에너지에서 이를 달성하는 다중 구간 박막 리튬 나이오베이트 웨이브가이드를 제시한다.

ABSTRACT

The introduction of nonlinear nanophotonic devices to the field of optical frequency comb metrology has enabled new opportunities for low-power and chip-integrated clocks, high-precision frequency synthesis, and broad bandwidth spectroscopy. However, most of these advances remain constrained to the near-infrared region of the spectrum, which has restricted the integration of frequency combs with numerous quantum and atomic systems in the ultraviolet and visible. Here, we overcome this shortcoming with the introduction of multi-segment nanophotonic thin-film lithium niobate (LN) waveguides that combine engineered dispersion and chirped quasi-phase matching for efficient supercontinuum generation via the combination of $χ^{(2)}$ and $χ^{(3)}$ nonlinearities. With only 90 pJ of pulse energy at 1550 nm, we achieve gap-free frequency comb coverage spanning 330 to 2400 nm. The conversion efficiency from the near-infrared pump to the UV-Visible region of 350-550 nm is nearly 20%. Harmonic generation via the $χ^{(2)}$ nonlinearity in the same waveguide directly yields the carrier-envelope offset frequency and a means to verify the comb coherence at wavelengths as short as 350 nm. Our results provide an integrated photonics approach to create visible and UV frequency combs that will impact precision spectroscopy, quantum information processing, and optical clock applications in this important spectral window.

연구 동기 및 목표

• 분광학, 양자 정보, 광학 시계를 지원하기 위한 가시대 및 UV까지의 광대역 주파수 콤 커버리지를 촉진하고 구현한다.
• 높은 효율로 1550 nm에서 350–550 nm의 UV-가시 영역까지 주파수 콤을 확장하는 통합된 저에너지 플랫폼을 개발한다.
• 다중 구간 얇은 필름 LN 웨이브가이드에서 분산과 quasi-phase matching을 설계하여 chi(2)를 cascaded chi(2) 프로세스로 활용해 스펙트럼 확장을 달성한다.
• 일관되고 격차 없는 스펙트럼을 시연하고 하모닉 및 이종 검출을 통해 f_ceo를 검증한다.

제안 방법

• 12.5 μm에서 2.5 μm로 선형으로 치핑된 폴링 영역이 뒤따르는 비폴링 구간이 있는 다중 구간 얇은 필름 LN 웨이브가이드를 제조한다.
• 1550 nm에서 sub-100 fs 펄스(~90 pJ 온칩)로 펌프하여 chi(3) 자체 위상 변조를 시작하고 그다음 chi(2) 하모닉 생성 및 cascaded 프로세스를 구동한다.
• chi(2) 및 chi(3) 항을 포함하는 단일 엔벨로프, 단방향 전파 방정식으로 스펙트럴 진화를 모델링하고 실험과 비교한다.
• 350–620 nm에 걸친 비트노트를 검출하여 f_ceo 코히런스를 검증하고 주요 파장에서는 샷노이즈 한계의 코히런스를 시연한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다중 구간 LN 웨이브가이드를 설계하면 통신 대역의 파장 빛이 UV까지 연속적이고 격차 없는 스펙트럼을 얻을 수 있는가?
• RQ2 정상 분산 LN 웨이브가이드에서 chi(2) 연쇄를 이용해 1550 nm 펌프 에너지를 UV-가시 파장으로 얼마나 효율적으로 변환하는가?
• RQ3 생성된 UV-가시 콤은 얼마나 코히어런스하며 UV에서 f_ceo를 직접 측정할 수 있는가?
• RQ4 폴링 설계, 비폴링 길이, 및 분산 엔지니어링이 스펙트럼 커버리지와 효율성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 실용적 성능 한계와 중적 IR 또는 더 넓은 스펙트럼 창으로 확장하기 위한 경로는 무엇인가?

주요 결과

• 90 pJ 온칩 펌프에서 330 nm에서 2400 nm까지의 격차 없는 스펙트럼 커버리지를 달성했다.
• 근적외 펌프에서 UV-가시대 350–550 nm로 20% 이상의 전환 효율을 시연했다(350–550 nm의 온칩 출력 1.5 mW, 펌프 9 mW).
• 350 nm에서 UV, 620 nm 및 400 nm에서 SNR >35 dB (10 kHz RBW)로 f_ceo의 상대 위상 오프셋 주파수를 검출했다.
• 약 10 GHz 공진 EO 콤이 유사한 고조파 내용을 보이며, 손상 없이 더 높은 재생속도에 대한 확장 가능성을 시사했다(입사 전력 약 2.5 W).
• 단일 엔벨로프 프레임워크를 사용한 수치 시뮬레이션이 실험과 잘 일치하며, 최적의 웨이브가이드 설계로 추가 효율 향상이 예측된다(350–490 nm 윈도우에서 >30% 잠재력).
• 시뮬레이션 및 측정은 추가 최적화를 통해 전체 가시-자외선 커버리지가 가능하다는 것을 시사하며, 동일 아키텍처로 적절한 분산/폴링을 갖춘 경우 중적 IR로 확장 가능성이 있다.