[论文解读] More efficient second harmonic generation of whispering gallery modes by selective out-coupling

Luke S. Trainor, Florian Sedlmeir+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 7, 2017

Photonic and Optical Devices参考文献 23被引用 4

一句话总结

该论文通过使用铌酸锂透镜实现选择性出射耦合，使x切铌酸锂回音壁模式谐振器中的二次谐振生成（SHG）效率提高了15倍。该方法利用双折射效应独立控制泵浦光和二次谐波模式的耦合速率，在1555.4 nm输入光下实现了777.7 nm波长下5.28% / mW的SHG效率。

ABSTRACT

We demonstrate second harmonic generation (SHG) in an $x$-cut congruent lithium niobate (LN) whispering gallery mode resonator. We first show theoretically that independent control of the coupling of the pump and signal modes is optimal for high conversion rates. A scheme based on our earlier work in Ref. [1] is then implemented experimentally to verify this. Thereby we are able to improve on the efficiency of SHG by more than an order of magnitude by selectively out-coupling using a LN prism, utilizing the birefringence of it and the resonator in kind. We report 5.28%/mW efficiency for SHG from 1555.4 nm to 777.7 nm.

研究动机与目标

• 解决回音壁模式（WGM）谐振器中泵浦光与二次谐波（SHG）模式无法同时实现临界耦合的问题，因为其倏逝场衰减长度不同。
• 实验验证一种理论框架，该框架通过双折射材料实现选择性耦合，从而独立控制泵浦光和SHG模式的耦合速率。
• 通过优化二次谐波信号的出射耦合，同时保持泵浦光的临界耦合，显著提升SHG效率。
• 将选择性耦合方法扩展至x切WGM谐振器，特别是在具有双折射特性的非线性晶体（如与质比铌酸锂）中的应用。
• 提供一种可扩展、兼容宽带的高效频率转换方法，无需复杂反射镜涂层或大型腔体结构。

提出的方法

• 基于品质因数（Q）形式的WGM谐振器耦合理论建模，其中Q = Q⁰ + Qᶜ，Qᶜ由与√λ × e^(-2κd)成正比的耦合速率γᶜ推导得出，κ与折射率和波长相关。
• 实施双棱镜耦合方案：使用铌酸锂（LN）棱镜选择性地实现二次谐波模式的出射耦合，使用金刚石棱镜实现泵浦光的入射耦合，利用双折射效应解耦耦合效率。
• 在WGM谐振器和LN棱镜中均利用双折射效应，产生波长依赖的倏逝场衰减长度，从而实现对泵浦光和SHG模式γᶜ的独立调节。
• 通过金刚石棱镜在1555.4 nm波长下实现泵浦光的临界耦合，同时调节LN棱镜以最大化777.7 nm二次谐波信号的出射耦合。
• 基于最大可实现入射功率（40.7%）进行功率扩展，以校正非选择性配置中的非临界耦合损耗，确保效率比较的公平性。
• 对二次谐波输出与泵浦输入功率进行二次幂律拟合，以确认频率倍频并量化转换效率。

实验结果

研究问题

• RQ1 在WGM谐振器中，能否通过独立控制泵浦光和二次谐波模式的耦合速率，显著提升SHG效率，使其超越传统单棱镜耦合的性能？
• RQ2 在谐振器和耦合棱镜中均利用双折射效应，能在多大程度上实现对二次谐波信号的选择性出射耦合，同时不损害泵浦光的耦合效率？
• RQ3 当x切铌酸锂WGM谐振器中的泵浦光和信号光模式均实现临界耦合时，其最大SHG转换效率能达到多少？
• RQ4 在考虑传统单棱镜耦合中非临界入射耦合损耗的情况下，选择性耦合的效率与之相比如何？
• RQ5 当使用x切棱镜实现模式选择性出射耦合时，选择性耦合方法在z切谐振器中是否依然有效？

主要发现

• 该论文在x切同质比铌酸锂WGM谐振器中实现了5.28% / mW的二次谐波生成效率，较非选择性情况提高了15倍。
• 选择性耦合的最大SHG效率是使用单个金刚石棱镜所能达到的最佳效率的15倍，后者受限于泵浦光过耦合和信号光欠耦合。
• 当泵浦光过耦合（对比度9%）时，非选择性情况的效率仅为0.34% / mW，但若将入射功率校正至最大可能值（40.7%），效率可提升至6.53% / mW，凸显了正确功率归一化的必要性。
• 二次谐波输出与泵浦光功率呈二次幂律关系（α = 1.00 ± 0.03），证实所观测信号确为二次谐波。
• 该方法通过使用铌酸锂棱镜选择性地实现777.7 nm信号的出射耦合，同时通过金刚石棱镜保持1555.4 nm泵浦光的临界耦合，已通过实验验证。
• 该结果在使用x切棱镜时也适用于z切谐振器，扩展了该方法在x切系统之外的应用范围。