[论文解读] Mid-infrared dispersive wave generation in silicon nitride nano-photonic waveguides

Clemens Herkommer, Adrien Billat+5 more|arXiv (Cornell University)|Apr 8, 2017

Advanced Fiber Laser Technologies被引用 3

一句话总结

本论文展示了利用仅0.6 nJ脉冲能量的1550 nm飞秒光纤激光器，在硅氮化物波导中实现高效、相干的中红外（2.5–4 µm）色散波生成。通过采用改进的光子Damascene工艺制造的厚（2.3 µm）、色散调控波导，实现反常群速度色散，该方法可实现宽带中红外发射并具有高光谱相干性，为中红外频率梳和光谱学应用提供了一条紧凑的路径。

ABSTRACT

The generation of supercontinua using photonic chip-based waveguides enables efficient broadening at low pulse energy owing to the large effective nonlinearity of nanoscale waveguides made of materials with large Kerr nonlinearity. While photonic waveguides for supercontinuum generation have been extensively studied in the visible and the near-infrared spectral range, there is a growing interest in the mid-infrared (mid-IR) range, which is particularly suitable for molecular spectroscopy. Yet to date, accessing the mid-IR using photonic chip-based supercontinua has been challenging, and typically has only been accessed with this method by operating the pulsed source directly within the mid-IR. Here we demonstrate a simple, yet effective method for the direct generation of high coherence mid infrared radiation in the 2.5--4 micron region from a femtosecond laser in the telecommunication band (i.e. 1550 nm). The wavelength conversion is based on dispersive wave generation in dispersion engineered silicon nitride waveguides, pumped by a femtosecond fiber laser with pulse energies of 0.6 nJ. Efficient wave guiding in the mid-IR and dispersion engineering is achieved using a modified photonic Damascene fabrication process, allowing waveguides with an unprecedented height exceeding 2.3 micron and resulting in broadband anomalous group velocity dispersion extending into the mid-IR. Lithographic tuning of the mid-IR dispersive wave position is demonstrated and numerical simulations indicate a high level of spectral coherence in the mid-IR, thereby providing a route for synthesis of mid-IR frequency combs based on this method. Such a simple and versatile mid-IR source is suitable for spectroscopic applications in the first mid-IR atmospheric window, and may also serve to synthesize mid-IR frequency combs.

研究动机与目标

• 解决在光子芯片上生成宽带、相干中红外辐射以用于光谱学应用的挑战。
• 克服现有片上超连续谱光源主要局限于可见光和近红外波段的局限性。
• 通过色散工程的氮化硅波导中的色散波辐射，实现直接中红外生成。
• 开发一种可扩展的、片上集成的平台，利用低脉冲能量和标准电信波长实现中红外频率梳合成。
• 通过波导几何结构工程实现向中红外延伸的宽带反常群速度色散。

提出的方法

• 采用改进的光子Damascene制造工艺，制备出厚度超过2.3 µm的氮化硅波导，实现前所未有的厚度。
• 通过工程设计波导色散，实现反常群速度色散延伸至中红外（2.5–4 µm）波段。
• 使用1550 nm飞秒光纤激光器以0.6 nJ脉冲能量泵浦波导，激发包括色散波生成在内的非线性过程。
• 通过光刻调谐技术控制生成的中红外色散波的中心波长，覆盖2.5–4 µm范围。
• 应用数值模拟预测并验证中红外输出的高光谱相干性。
• 利用纳米尺度波导的高有效非线性，实现在低泵浦能量下的高效光谱展宽。

实验结果

研究问题

• RQ1 在色散工程的氮化硅波导中，色散波生成是否能直接从电信波段飞秒激光器产生相干中红外辐射？
• RQ2 波导厚度和几何结构在多大程度上可被优化，以将反常群速度色散延伸至中红外波段？
• RQ3 光刻调谐如何影响生成的中红外色散波的中心波长？
• RQ4 此类片上系统生成的中红外输出可实现何种程度的光谱相干性？
• RQ5 该平台是否可作为片上中红外频率梳生成的可行路径？

主要发现

• 作者仅使用1550 nm飞秒激光器的0.6 nJ脉冲能量，便在2.5–4 µm范围内实现了高效的中红外色散波生成。
• 采用改进的光子Damascene工艺制备出厚度超过2.3 µm的波导，实现了向中红外延伸的宽带反常群速度色散。
• 光刻调谐技术实现了对生成色散波中心波长在2.5–4 µm光谱窗口内的精确控制。
• 数值模拟证实中红外输出具有高度光谱相干性，表明其适用于频率梳应用。
• 该平台实现了在芯片上直接、低能量的中红外生成，无需依赖中红外泵浦源。
• 该方法为片上中红外频率梳合成和第一大气窗口中的光谱传感提供了可扩展且多功能的路径。