[论文解读] Ultralow-threshold thin-film lithium niobate optical parametric oscillator

Juanjuan Lu, Ayed Al Sayem+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 12, 2021

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 47被引用 8

一句话总结

该论文首次实现了基于准相位匹配、高品质因子（Q）微环谐振器的薄膜铌酸锂芯片级光学参量振荡器（OPO），实现了约30 μW的超低阈值泵浦功率——比以往集成平台低400倍。该器件在93 μW泵浦功率下实现了11%的芯片内功率转换效率，并可通过调节泵浦波长或温度实现宽波段调谐，适用于紧凑、高效且可扩展的经典与量子光源。

ABSTRACT

Materials with strong $χ^{(2)}$ optical nonlinearity, especially lithium niobate, play a critical role in building optical parametric oscillators (OPOs). However, chip-scale integration of low-loss $χ^{(2)}$ materials remains challenging and limits the threshold power of on-chip $χ^{(2)}$ OPO. Here we report the first on-chip lithium niobate optical parametric oscillator at the telecom wavelengths using a quasi-phase matched, high-quality microring resonator, whose threshold power ($\sim$30 $μ$W) is 400 times lower than that in previous $χ^{(2)}$ integrated photonics platforms. An on-chip power conversion efficiency of 11% is obtained at a pump power of 93 $μ$W. The OPO wavelength tuning is achieved by varying the pump frequency and chip temperature. With the lowest power threshold among all on-chip OPOs demonstrated so far, as well as advantages including high conversion efficiency, flexibility in quasi-phase matching and device scalability, the thin-film lithium niobate OPO opens new opportunities for chip-based tunable classical and quantum light sources and provides an potential platform for realizing photonic neural networks.

研究动机与目标

• 通过集成非线性材料实现芯片级光学参量振荡器（OPO），实现超低阈值功率。
• 利用薄膜铌酸锂的强非线性特性，克服芯片级χ(2) OPO中高阈值功率的挑战。
• 在可扩展的芯片级平台上实现高转换效率与宽波段调谐，适用于经典与量子光子应用。
• 通过薄膜LN中的周期性畴工程实现灵活的准相位匹配，以增强参量增益。
• 确立薄膜铌酸锂作为集成非线性光子学与量子光学的领先平台。

提出的方法

• 采用周期性畴反转铌酸锂微环谐振器（PPLNMR）实现高效χ(2)参量下转换的准相位匹配。
• 器件工作在三重共振配置中，泵浦、信号与闲频模式均被限制在高品质因子（Q）为10^7–10^8的高Q微环中。
• 通过光学损耗与参量增益之间的平衡关系，推导理论阈值泵浦功率，使用真空耦合强度g和加载Q因子（Qp,1, Qs, Qi）。
• 通过调节泵浦波长与芯片温度，实现宽OPO调谐带宽（180 nm，23 THz），并实现简并振荡。
• 高光学限制与三模式间强空间重叠增强了真空耦合强度g，从而降低阈值。
• 制造工艺包括在薄膜铌酸锂中进行高精度周期性畴工程，以实现所需周期性畴反转结构以实现相位匹配。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在薄膜铌酸锂中实现芯片级χ(2)光学参量振荡器，其阈值功率显著低于现有集成平台？
• RQ2 在低泵浦功率下，基于PPLNMR的OPO可实现的最大芯片内功率转换效率是多少？
• RQ3 通过调节泵浦波长与温度控制，OPO输出可调谐的范围有多大？
• RQ4 薄膜LN中高Q因子与准相位匹配的结合如何增强参量增益并降低阈值？
• RQ5 该平台能否支持适用于经典与量子光子应用的可扩展、紧凑且广泛可调谐的光源？

主要发现

• OPO实现了约30 μW的创纪录最低阈值泵浦功率，相比以往集成χ(2)平台降低了400倍。
• 在93 μW泵浦功率下，实现了11%的芯片内功率转换效率，展现出高能量效率。
• 通过仅调节泵浦波长5 nm（2.5 THz），实现了180 nm（23 THz）的调谐带宽。
• 温度调谐可实现对信号与闲频波长的精细控制，且在约100 °C的最优温度下实现了简并OPO。
• 器件表现出高Q因子（10^7–10^8）与强模式重叠，通过增强的真空耦合实现高效参量振荡。
• 该平台可通过畴工程实现灵活的准相位匹配，支持可扩展且可重构的非线性光子学。