[论文解读] Demonstration of second harmonic generationin gallium phosphide nano-waveguides

Aravind P. Anthur, Haizhong Zhang+5 more|arXiv (Cornell University)|Jan 17, 2020

Photonic and Optical Devices参考文献 62被引用 35

一句话总结

该论文通过模相位匹配实现了在磷化镓（GaP）纳米波导中高效产生二次谐波（SHG），在O波段（1310 nm）使用低功率连续波泵浦，实现了约655 nm的可见光输出。关键贡献在于通过精确控制波导宽度和泵浦波长，实验验证了模式依赖的SHG，测得的外部转换效率为1.34 × 10⁻⁴ % W⁻¹cm⁻²，并表现出接近理想的二次方功率依赖关系。

ABSTRACT

We designed, fabricated and tested gallium phosphide (GaP) nano-waveguides for second harmonic generation (SHG). We demonstrate SHG in the visible range around 655 nm using low power continuous-wave pump in the optical communication O-band. Our structures utilize modal phase matching, such that lower order eigenmodes of the pump are phase matched to higher order eigenmodes of the second harmonic. We observe phase matched SHG for different combinations of interacting modes by varying the widths of the waveguides and tuning the wavelength of the pump. The presented results contribute to the development of integrated photonic platforms with efficient nonlinear wave-mixing processes for classical and quantum applications.

研究动机与目标

• 开发基于磷化镓（GaP）的集成光子平台，实现电信与可见光波段之间的高效非线性频率转换。
• 解决量子光子学（可见光波段）与光纤通信（电信波段）之间存在的技术鸿沟，利用紧凑、片上非线性波导实现跨波段连接。
• 通过低功率连续波泵浦，在GaP纳米波导中实现模相位匹配的二次谐波生成（SHG）。
• 通过测量并确认晶体轴取向及其对模式耦合的影响，验证GaP波导中SHG的理论模型。

提出的方法

• 使用包含非线性极化率张量χ(2)（d36 = 50 pm/V）的耦模方程对GaP波导中的SHG进行理论建模，相位失配Δβmnl(ω) = βm(ω) + βn(ω) − βl(2ω)。
• 通过在正入射下进行SHG测量，实验确认GaP晶体轴取向，相对于[111]方向的倾斜角θ = 15°。
• 在蓝宝石衬底上利用电子束光刻和反应离子刻蚀工艺，制备具有SiO2包层的GaP纳米波导，波导顶部宽度可调范围为300–340 nm。
• 采用波长为1311.8 nm的连续波钛蓝宝石激光器作为泵浦源（光纤输出功率160 mW），通过放大光电探测器和锁相放大器检测SHG信号。
• 测量SHG效率随输入泵浦功率和波长的变化，采用对数线性拟合以确认其与泵浦功率的二次方依赖关系。
• 通过有效相互作用长度Leff建模损耗效应，该长度基于传播损耗（αω ≈ 0.2 dB/μm，泵浦波长；2ω波长处更高）推导，以解释理论与实验之间的偏差。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在GaP纳米波导中通过模相位匹配与低功率连续波泵浦实现高效的二次谐波生成？
• RQ2 波导宽度与泵浦偏振如何影响GaP波导中的相位匹配波长与模式耦合？
• RQ3 与理论预测相比，制造引起的非均匀性与传播损耗在多大程度上影响了实验测得的SHG转换效率？
• RQ4 晶体轴取向在决定重叠积分与GaP波导中SHG效率方面起什么作用？

主要发现

• 实验测得的SHG输出功率与输入泵浦功率呈二次方关系，对数坐标下斜率分别为2.3（H偏振）和2.5（V偏振），证实了预期的二阶非线性过程。
• 实验测得的相位匹配带宽约为1.2 nm（FWHM），宽于模拟值约0.2 nm，可能源于波导的非均匀性。
• 在340 nm宽波导中，H偏振泵浦（1303.1 nm）的外部归一化转换效率为1.34 × 10⁻⁴ % W⁻¹cm⁻²，泵浦功率160 mW时测得的二次谐波功率为773 pW。
• 理论内部归一化转换效率计算值为356 % W⁻¹cm⁻²，表明通过降低耦合损耗与传播损耗仍有显著提升空间。
• 通过调节波导宽度实现了不同模式组合的相位匹配SHG，实验测得的相位匹配波长与模拟结果高度一致。
• 传播损耗估计为2 dB/mm（泵浦波长），由于粗糙度散射的λ⁻²依赖关系，2ω波长处损耗预计更高。