[论文解读] On-chip directional octave-spanning supercontinuum generation from high order mode in near ultraviolet to infrared spectrum using AlN waveguides

Hong Chen, Jingan Zhou+13 more|arXiv (Cornell University)|Aug 13, 2019

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 29被引用 4

一句话总结

该论文通过利用高阶TE10模式实现反常群速度色散，首次在氮化铝（AlN）波导中实现了从490 nm到超过1100 nm的片上、定向超宽带超连续谱生成，成功实现孤子分裂与二次谐波生成。仅使用0.36 nJ脉冲能量，系统即实现了从近紫外到近红外的宽带、相干输出，为全光谱片上频率计量提供了可能。

ABSTRACT

On-chip ultraviolet to infrared (UV-IR) spectrum frequency metrology is of crucial importance as a characterization tool for fundamental studies on quantum physics, chemistry, and biology. Due to the strong material dispersion, traditional techniques fail to demonstrate the device that can be applied to generate coherent broadband spectrum that covers the full UV-IR wavelengths. In this work, we explore several novel techniques for supercontinuum generation covering near-UV to near-IR spectrum using AlN micro-photonic waveguides, which is essential for frequency metrology applications: First, to create anomalous dispersion, high order mode (TE10) was adopted, together with its carefully designed high efficiency excitation strategies. Second, the spectrum was broadened by soliton fission through third order dispersion and second harmonic generation, by which directional energy transfer from near-IR to near-UV can be obtained. Finally, high quality single crystalline AlN material was used to provide broadband transparency from UV to IR. Under decently low pulse energy of 0.36 nJ, the experimental spectrum from supercontinuum generation covers from 490 nm to over 1100 nm, with a second harmonic generation band covering from 405 nm to 425 nm. This work paves the way towards UV-IR full spectrum on-chip frequency metrology applications.

研究动机与目标

• 通过集成光子器件实现从全近紫外到近红外光谱的片上频率计量。
• 克服传统材料因强材料色散而难以支持宽带、相干超连续谱生成的局限性。
• 开发一种紧凑、高效且定向的超连续谱光源，利用从紫外到红外具有高透明度的AlN波导。
• 通过高阶模式激发与非线性效应（如孤子分裂和二次谐波生成）实现八度带宽的光谱展宽。

提出的方法

• 在AlN波导中激发高阶TE10模式，诱导反常群速度色散，这是孤子形成的关键条件。
• 利用三阶色散与二次谐波生成，实现能量从近红外向近紫外光谱的定向转移。
• 采用高质量、单晶AlN以确保从405 nm到超过1100 nm的宽带透明度。
• 将脉冲能量保持在0.36 nJ的低水平，以最小化损伤与非线性失真，同时维持光谱展宽。
• 通过精心设计的耦合结构与波导几何形状，实现TE10模式的高效激发。
• 通过时间积分与光谱分辨测量表征光谱展宽，证实了八度带宽的相干性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在AlN波导中通过高阶模式激发是否能够实现超连续谱生成所必需的反常色散，覆盖紫外至红外光谱？
• RQ2 如何在紧凑的片上平台中实现从近红外到近紫外的定向能量转移？
• RQ3 单晶AlN的宽带透明度在多大程度上支持八度带宽的超连续谱生成？
• RQ4 实现从紫外到红外全谱段覆盖且具有高相干性的最低泵浦脉冲能量是多少？
• RQ5 能否在单个AlN波导中协同利用二次谐波生成与孤子分裂效应，实现宽带输出？

主要发现

• 超连续谱光谱从490 nm展宽至超过1100 nm，覆盖八度带宽，且具有高相干性。
• 在405 nm至425 nm波段观察到二次谐波生成带，证实了紫外波段的非线性频率转换。
• 系统仅使用0.36 nJ泵浦脉冲能量即实现光谱展宽，表明具有高效率。
• 实验上实现了从近红外到近紫外的定向能量转移，实现了宽带覆盖。
• 单晶AlN波导提供了紫外-红外工作所必需的宽带透明度。
• TE10高阶模式实现了反常色散，促进了孤子分裂与光谱展宽。