[论文解读] An on-chip diamond optical parametric oscillator

Birgit J. M. Hausmann, İrfan Bulu+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 4, 2013

Advanced Fiber Laser Technologies被引用 3

一句话总结

该论文首次展示了基于单晶金刚石微环谐振器中四波混频效应的片上金刚石光学参量振荡器。在品质因数接近1×10⁶的条件下，器件实现了低至20 mW的阈值，泵浦功率低于100 mW时即可生成高达20个边带，带宽达165 nm，实现了电信号波段高效片上非线性光学应用。

ABSTRACT

Efficient, on-chip optical nonlinear processes are of great interest for the development of compact, robust, low-power consuming systems for applications in spectroscopy, metrology, sensing and classical and quantum optical information processing. Diamond holds promise for these applications, owing to its exceptional properties. However, although significant progress has been made in the development of an integrated diamond photonics platform, optical nonlinearities in diamond have not been explored much apart from Raman processes in bulk samples. Here, we demonstrate optical parametric oscillations (OPO) via four wave mixing (FWM) in single crystal diamond (SCD) optical networks on-chip consisting of waveguide-coupled microring resonators. Threshold powers as low as 20mW are enabled by ultra-high quality factor (1*10^6) diamond ring resonators operating at telecom wavelengths, and up to 20 new wavelengths are generated from a single-frequency pump laser. We also report the inferred nonlinear refractive index due to the third-order nonlinearity in diamond at telecom wavelengths.

研究动机与目标

• 通过四波混频（FWM）在单晶金刚石（SCD）中实现片上光学参量振荡（OPO），推动集成非线性光子学的发展。
• 利用金刚石卓越的非线性与热学性能，实现紧凑、坚固光子系统中低阈值、高效率的频率转换。
• 通过调控波导色散并利用超高品质因数微环谐振器，在电信号波长范围内实现低阈值参量振荡。
• 测量并推断金刚石在电信号波长下的三阶非线性折射率（n₂），以定量表征其非线性响应。
• 通过集成非线性光子学探索基于金刚石的片上频率梳与量子-经典接口平台的可行性。

提出的方法

• 采用电感耦合等离子体反应离子束刻蚀（ICP-RIE）与电子束光刻技术，在SiO₂/Si基底上制备单晶金刚石（SCD）微环谐振器。
• 通过SU-8聚合物凸块实现渐变锥形波导，实现光在芯片内的高效输入与输出耦合。
• 采用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）在器件表面沉积3 µm厚的二氧化硅盖层，用于端面抛光与器件保护。
• 利用有限元法（COMSOL）模拟波导与微环谐振器的色散特性，结合实测的SiO₂与PECVD氧化物光学参数。
• 通过三维FDTD仿真优化直波导与微环谐振器之间的耦合间隙，实现Q_c > 5×10⁵。
• 利用金刚石的χ⁽³⁾非线性效应实现四波混频（FWM），即通过能量与动量守恒，将两个泵浦光子转换为信号光子与闲频光子。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在单晶金刚石中通过四波混频在电信号波长下实现片上光学参量振荡？
• RQ2 在高Q因子金刚石微环谐振器中，参量振荡所需的泵浦阈值功率是多少？
• RQ3 在电信号波长下，金刚石的非线性折射率（n₂）的实验推断值是多少？
• RQ4 波导几何结构在多大程度上可被工程化以实现金刚石中异常群速度色散（GVD），从而提升FWM效率？
• RQ5 吸收损耗与热效应在多大程度上限制了金刚石基片上非线性器件的性能？是否可通过优化缓解？

主要发现

• 成功在片上单晶金刚石微环谐振器中实现光学参量振荡，最低泵浦阈值为20 mW。
• 微环谐振器的品质因数达到约1×10⁶，显著增强了光强，实现了低阈值四波混频。
• 在泵浦功率低于100 mW时，生成了多达20个边带，覆盖165 nm的波长范围，表明具备宽带频率转换能力。
• 所有边带的总生成功率最高可达泵浦功率的1.1%，与Si₃N₄等其他集成非线性平台的性能相当。
• 推断得到的金刚石在电信号波长下的非线性折射率为(8.2 ± 3.5)×10⁻²⁰ m²/W，证实其具有强χ⁽³⁾非线性响应。
• 热效应与吸收损耗（可能源于PECVD氧化物与表面态）被识别为当前主要限制因素，表明进一步的色散工程与损耗降低有望实现更高Q因子与频率梳生成。