[论文解读] Photo-induced cascaded harmonic and comb generation in silicon nitride microresonators

Jianqi Hu, Edgars Nitišs+6 more|arXiv (Cornell University)|Mar 29, 2022

Advanced Fiber Laser Technologies被引用 4

一句话总结

该论文通过光致效应在氮化硅微腔中实现了基于光写入准相位匹配χ²周期性结构的级联谐波与光梳生成。所形成的χ²周期性结构实现了和频生成及主光梳启动的相位匹配，而双共振的泵浦场与二次谐波场则驱动级联三次谐波生成，从而在正常群速度色散平台中实现了低噪声、宽带的微腔光梳态。

ABSTRACT

Silicon nitride (Si$_3$N$_4$) is an ever-maturing integrated platform for nonlinear optics. Yet, due to the absence of second-order ($χ^{(2)}$) nonlinearity, Si$_3$N$_4$ is mostly considered for third-order ($χ^{(3)}$) nonlinear interactions. Recently, this limitation was overcome by optical poling in both Si$_3$N$_4$ waveguides and microresonators via the photogalvanic effect, resulting in the inscription of quasi-phase-matched $χ^{(2)}$ gratings. Here, we report cascaded nonlinear effects in a normal dispersion Si$_3$N$_4$ microresonator with combined $χ^{(2)}$ and $χ^{(3)}$ nonlinearities. We demonstrate that the photo-induced $χ^{(2)}$ grating also provides phase-matching for the sum-frequency generation process, enabling the initiation and successive switching of primary combs at pump wavelength. Additionally, the doubly resonant pump and second-harmonic fields allow for cascaded third-harmonic generation, where a secondary optically written $χ^{(2)}$ grating is identified. Finally, we reach a low-noise, broadband microcomb state evolved from the sum-frequency coupled primary comb. These results expand the scope of cascaded effects in $χ^{(2)}$ and $χ^{(3)}$ microresonators.

研究动机与目标

• 为解决氮化硅（Si3N4）在集成非线性光学中固有的二阶非线性（χ²）缺失问题。
• 证明通过光电致效应诱导的光学χ²非线性可在Si3N4微腔中实现级联非线性过程。
• 利用自组织、光写入的χ²周期性结构实现相位匹配的和频生成与三次谐波生成。
• 通过级联χ²与χ³非线性，在正常群速度色散的Si3N4微腔中实现低噪声、宽带微光梳态。
• 验证多个人工准相匹配周期性结构的光学写入及其在实现复杂非线性动力学中的作用。

提出的方法

• 通过光电致效应实现光学极化，在Si3N4微腔中诱导周期性空间电荷分布，形成有效χ²周期性结构。
• 在微腔边缘，基频波与二次谐波（SH）波的干涉形成周期性χ²结构，其周期与泵浦场与SH场的拍频长度匹配。
• 采用时间分辨的泵浦波长扫描（数十秒量级）探测缓慢的光电致动力学，实现级联非线性的可重复观测。
• 采用横向相位映射（TPM）成像技术，通过扫描飞秒激光并检测二次谐波信号，可视化所写入χ²周期性结构的空间分布。
• 微腔设计为半径924 µm，具有超低传播损耗，并在谐波波长处支持多种空间模式。
• 通过分析共振模式的光谱与空间重叠，确认和频生成与三次谐波生成的相位匹配条件。

实验结果

研究问题

• RQ1 在正常群速度色散区域，Si3N4微腔中光致χ²非线性是否可实现和频生成与光梳启动？
• RQ2 在双共振泵浦场与二次谐波场共存条件下，自组织、光学写入的χ²周期性结构如何支持级联三次谐波生成？
• RQ3 光电致效应在形成同时支持多种非线性过程的相位匹配χ²周期性结构中起什么作用？
• RQ4 Si3N4微腔中χ²与χ³非线性之间的相互作用是否可导致低噪声、宽带微光梳态的形成？
• RQ5 所写入χ²周期性结构的时空特性如何影响级联谐波与光梳生成的效率与稳定性？

主要发现

• 通过横向相位映射成像明确证实了光致χ²周期性结构的存在，其呈现周期性结构，周期与泵浦场和二次谐波场的拍频长度一致。
• 所写入的χ²周期性结构为和频生成提供了相位匹配，从而在泵浦波长处实现了主微光梳的启动。
• 由于泵浦场与二次谐波场的双共振相互作用，观测到级联三次谐波生成，同时识别出第二个次级光学写入的χ²周期性结构。
• 成功实现了低噪声、宽带微光梳态，其由和频耦合的主光梳演化而来，表明非线性动力学具有高度稳定性。
• 由于光电致效应具有数十秒量级的缓慢时间动力学，该方法可实现可靠且可手动调节的级联非线性效应重现。
• 该平台在正常群速度色散Si3N4微腔中实现了高效的谐波与光梳生成，将集成非线性光学的应用范围拓展至传统克尔光梳生成之外。