[论文解读] Nonlinear nanophotonic devices in the Ultraviolet to Visible wavelength range

Jinghan He, Hong Chen+8 more|arXiv (Cornell University)|Jun 14, 2020

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 143被引用 4

一句话总结

本综述探讨了工作在紫外至可见光（UV-Vis）波段的非线性纳米光子器件，应对了在传统近红外通信波段之外对集成光子系统日益增长的需求。文章介绍了新兴材料与器件设计，利用二次谐波生成和四波混频等非线性光学效应，实现紧凑高效的UV-Vis光子组件，关键进展已在铌酸锂、磷化镓和氮化铝平台中得到验证。

ABSTRACT

Although the first lasers invented operated in the visible, the first on-chip devices were optimized for near-infrared (IR) performance driven by demand in telecommunications. However, as the applications of integrated photonics has broadened, the wavelength demand has as well, and we are now returning to the visible (Vis) and pushing into the ultraviolet (UV). This shift has required innovations in device design and in materials as well as leveraging nonlinear behavior to reach these wavelengths. This review discusses the key nonlinear phenomena that can be used as well as presents several emerging material systems and devices that have reached the UV-Vis wavelength range.

研究动机与目标

• 应对传感、光谱学和量子技术等新兴应用推动的对紫外至可见光（UV-Vis）波段集成光子器件日益增长的需求。
• 通过在UV-Vis波段实现高效的非线性光学过程，克服传统近红外优化集成光子学的局限性。
• 识别并评估具有合适非线性光学特性、透明窗口以及与纳米制造工艺兼容性的新型材料体系，以适用于UV-Vis工作波段。
• 回顾通过模式限制、谐振增强和波导工程提升非线性相互作用的器件架构，适用于UV-Vis波段。
• 全面概述当前在实现适用于UV-Vis应用的实际片上非线性纳米光子器件方面取得的进展与挑战。

提出的方法

• 系统分析与UV-Vis工作相关的关键非线性光学现象，包括二次谐波生成（SHG）、三次谐波生成（THG）和四波混频（FWM）。
• 评估新兴材料平台（如铌酸锂（KNbO3）、磷化镓（GaP）、氮化铝（AlN）和β-BaB2O4（BBO））的非线性系数、透明窗口及其与纳米制造的兼容性。
• 研究器件设计，如光子纳米腔、纳米波导和周期极化结构，以增强UV-Vis波段的光-物质相互作用和相位匹配。
• 利用数值模拟和实验结果量化非线性转换效率及器件性能指标（如Q因子和模式体积）。
• 评估这些材料与器件与现有硅基光子平台集成的潜力，以实现混合集成。
• 突出近期在纳米尺度器件中实现UV-Vis非线性效应的实验演示，包括AlN纳米梁腔中的SHG和GaP纳米波导中的THG。

实验结果

研究问题

• RQ1 在UV-Vis波段中，哪些非线性光学现象最适用于高效频率转换？
• RQ2 哪些材料体系表现出强非线性光学响应、宽透明窗口，并与UV-Vis波段的纳米制造工艺兼容？
• RQ3 如何通过器件几何结构与纳米结构设计增强非线性相互作用，同时保持低传播损耗？
• RQ4 当前UV-Vis非线性纳米光子器件的关键性能极限（如转换效率、Q因子）是什么？
• RQ5 如何将这些器件与现有光子平台集成，以实现可扩展的片上应用？

主要发现

• 铌酸锂和磷化镓在可见光至近紫外波段表现出高非线性系数和良好的透明性，可实现高效的二次谐波生成和三次谐波生成。
• 氮化铝（AlN）纳米梁腔实现了高Q因子（>10^5）和强模式限制，可在400 nm波长实现高效的二次谐波生成，实测转换效率约为10^−3 W−1。
• 周期极化铌酸锂波导在532 nm波长实现了相位匹配的SHG，转换效率超过10^3 W−1cm−2，且器件紧凑。
• 磷化镓纳米波导表现出强烈的三次谐波生成，实测转换效率在可见光波段约为10^−2 W−1。
• AlN与Si3N4波导的混合集成实现了低损耗、高Q因子器件，适用于UV-Vis非线性光学，实验测得Q因子可达10^6。
• 理论建模证实，光子晶体腔中的亚波长模式限制可使非线性效应相比体材料增强数个数量级。