[论文解读] Ultrabroadband Nonlinear Optics in Nanophotonic Periodically Poled Lithium Niobate Waveguides

Marc Jankowski, Carsten Langrock+7 more|arXiv (Cornell University)|Sep 19, 2019

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 5被引用 12

一句话总结

本文通过协同设计色散与周期畴极化，首次在纳米光子周期畴铌酸锂（PPLN）波导中实现了超宽带准相位匹配非线性光学。该工作实现了仅需<100 fJ脉冲能量的二次谐波生成，以及仅需2 pJ脉冲能量的多倍频程超连续谱生成，与传统器件相比能量需求降低数个数量级，从而在集成光子平台上实现了高效的飞焦量级非线性光学。

ABSTRACT

Quasi-phasematched interactions in waveguides with quadratic nonlinearities enable highly efficient nonlinear frequency conversion. In this article, we demonstrate the first generation of devices that combine the dispersion-engineering available in nanophotonic waveguides with quasi-phasematched nonlinear interactions available in periodically poled lithium niobate (PPLN). This combination enables quasi-static interactions of femtosecond pulses, reducing the pulse energy requirements by several orders of magnitude, from picojoules to femtojoules. We experimentally demonstrate two effects associated with second harmonic generation. First, we observe efficient quasi-phasematched second harmonic generation with &lt;100 fJ of pulse energy. Second, in the limit of strong phase-mismatch, we observe spectral broadening of both harmonics with as little as 2-pJ of pulse energy. These results lay a foundation for a new class of nonlinear devices, in which co-engineering of dispersion with quasi-phasematching enables efficient nonlinear optics at the femtojoule level.

研究动机与目标

• 为克服传统周期畴铌酸锂波导存在的相位匹配带宽窄和脉冲能量需求高的局限性。
• 将纳米光子色散工程与周期畴χ(2)非线性相结合，实现超宽带、低能量的非线性频率转换。
• 在飞焦量级实现高效的二次谐波生成（SHG）与多倍频程超连续谱生成（SCG）。
• 通过协同设计波导几何结构与畴周期，实现新型集成非线性光子器件，提升效率与带宽。

提出的方法

• 采用电子束光刻与反应离子束刻蚀技术，在周期畴铌酸锂（PPLN）中制备了直接刻蚀的纳米光子脊波导。
• 通过调控波导几何结构以控制群速度与群速度色散，实现准相位匹配相互作用的超宽带相位匹配。
• 设计畴周期以实现中心波长约为2 μm的二次谐波生成（SHG）的准相位匹配，带宽最高达约250 nm。
• 采用分步傅里叶法模拟非线性动力学过程，包括自相位调制与孤子分裂，同时引入三阶色散与半经典真空噪声。
• 利用光谱仪测量输出光谱，并与模拟结果对比，验证光谱相干性与展宽特性。
• 通过一阶相干函数|g(1)|进行相干性分析，评估生成谐波的光谱相干性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在纳米光子PPLN波导中，色散工程是否能显著提升准相位匹配非线性过程的相位匹配带宽？
• RQ2 在色散工程的PPLN波导中，实现高效二次谐波生成所需的最小脉冲能量是多少？
• RQ3 通过有效非线性度工程，能否在相位失配的PPLN波导中显著增强自相位调制与光谱展宽？
• RQ4 能否在基于PPLN的集成平台上，以亚皮焦量级脉冲能量实现多倍频程超连续谱生成？
• RQ5 在此类系统中，多个谐波之间的生成超连续谱光谱相干性如何？

主要发现

• 仅使用60 fJ脉冲能量（中心波长2 μm）即实现了超过50%饱和转换效率的二次谐波生成（SHG）。
• SHG转移函数的带宽达到约250 nm，相位匹配带宽相比传统波导提升了10倍。
• 与传统PPLN波导相比，实现高效SHG所需的脉冲能量降低了30倍，现已进入飞焦量级。
• 在相位失配工作条件下，输入脉冲能量低至2 pJ时，即观察到前五阶谐波的光谱展宽。
• 在相位失配区域，有效非线性度比铌酸锂的本征χ(3)非线性度高出两个多数量级。
• 模拟结果表明光谱相干性极高，输入能量为4 pJ时，基频光|g(1)|≈0.9996，二次谐波|g(1)|≈0.9990，表明实现了近乎相干的超连续谱生成。