[论文解读] 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 5

一句话总结

该论文通过利用铌酸锂（LN）材料强烈的热光双折射效应，实现了在锂 niobate（LN）纳米光子波导中高度可调谐、高效的二次谐波生成（SHG）。该方法利用温度调控实现类型-I模间相位匹配，使器件在仅 8 mm 波导长度内实现了 4.7% W⁻¹ 的创纪录转换效率，且在电信波段泵浦下具有 0.84 nm/K 的光谱调谐斜率，突破了传统非线性平台中效率与可调谐性之间的权衡困境。

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.

研究动机与目标

• 为克服传统非线性平台在二次谐波生成（SHG）中长期存在的转换效率与波长可调谐性之间的权衡问题。
• 利用铌酸锂（LN）材料强烈的热光双折射特性，实现在集成纳米光子波导中灵活的温度调制 SHG。
• 通过最大化模式重叠并利用强光场限制，在紧凑的片上器件中实现高转换效率。
• 通过结合成熟的电信激光技术与高效的片上波长转换，实现实用化、高度可调谐的相干可见光生成。

提出的方法

• 采用 Z 切向的铌酸锂（LN）纳米光子波导，优化其横截面尺寸（1200 nm 宽度，460 nm 上层，100 nm 下层），以实现强模式限制和高模式重叠。
• 采用正交偏振态之间的类型-I模间相位匹配（TE₀,tele 与 TMⱼ,vis），通过温度控制实现宽波段可调谐性。
• 利用 LN 强烈的热光双折射效应，调节导波模式的有效折射率，实现在电信光 band 内的动态相位匹配。
• 通过有限元法（FEM）模拟，建模不同温度下的模式分布、有效折射率及相位匹配条件。
• 利用可调谐电信激光源、热电冷却器和液氮冷却的光谱仪，实验表征 SHG 转换效率与调谐响应。
• 通过电子束光刻、氩离子离子束刻蚀及刻蚀后处理（氧气等离子体与氢氟酸处理）实现低传播损耗的波导制备。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用铌酸锂的强热光双折射效应，在片上二次谐波生成中实现大波段调谐？
• RQ2 在纳米光子波导中通过最大化空间模式重叠，是否可在类型-I模间 SHG 中保持高转换效率？
• RQ3 通过温度调控相位匹配条件，在紧凑的 LN 波导中可实现的调谐斜率与转换效率分别是多少？
• RQ4 在纳米尺度 LN 波导中，光谱响应与相位匹配波长如何随温度变化？
• RQ5 紧凑、低损耗的 LN 波导能否在保持与传统类型-0 配置相当的 SHG 效率的同时，实现数量级更高的可调谐性？

主要发现

• 器件在 8 mm 长度的波导中实现了 4.7% W⁻¹ 的实测二次谐波生成（SHG）转换效率，证明了在紧凑尺寸下仍具备高效率。
• 在电信波段泵浦下，实测光谱调谐斜率为 0.84 nm/K，相比传统类型-0 LN SHG 提高了近十倍。
• 理论归一化 SHG 效率达到 22.2% W⁻¹cm⁻²，得益于强模式重叠与紧密光场限制，即使在类型-I配置下也能实现高效率。
• 在电信波段的传播损耗测量值为 0.54 dB/cm，为迄今报道的 LN 纳米光子波导中性能最佳。
• 实验测得的调谐斜率与模拟结果高度一致，微小偏差归因于波导结构中未建模的压电效应与热膨胀效应。
• 该器件可实现高效片上相干可见光生成，兼容成熟的电信激光源，适用于集成光子学应用。