[论文解读] Visible to Ultraviolet Frequency Comb Generation in Lithium Niobate Nanophotonic Waveguides

Tsung‐Han Wu, Luis Ledezma+7 more|arXiv (Cornell University)|May 13, 2023

Advanced Fiber Laser Technologies被引用 10

一句话总结

该论文展示了一种多段薄膜铌酸锂波导的多段结构，利用 chi(2) 和 chi(3) 非线性，在从 330 nm 到 2400 nm 的带隙无缝频率梳，来自 1550 nm 泵浦的约 20% 转换效率，能量低于 100 pJ。

ABSTRACT

The introduction of nonlinear nanophotonic devices to the field of optical frequency comb metrology has enabled new opportunities for low-power and chip-integrated clocks, high-precision frequency synthesis, and broad bandwidth spectroscopy. However, most of these advances remain constrained to the near-infrared region of the spectrum, which has restricted the integration of frequency combs with numerous quantum and atomic systems in the ultraviolet and visible. Here, we overcome this shortcoming with the introduction of multi-segment nanophotonic thin-film lithium niobate (LN) waveguides that combine engineered dispersion and chirped quasi-phase matching for efficient supercontinuum generation via the combination of $χ^{(2)}$ and $χ^{(3)}$ nonlinearities. With only 90 pJ of pulse energy at 1550 nm, we achieve gap-free frequency comb coverage spanning 330 to 2400 nm. The conversion efficiency from the near-infrared pump to the UV-Visible region of 350-550 nm is nearly 20%. Harmonic generation via the $χ^{(2)}$ nonlinearity in the same waveguide directly yields the carrier-envelope offset frequency and a means to verify the comb coherence at wavelengths as short as 350 nm. Our results provide an integrated photonics approach to create visible and UV frequency combs that will impact precision spectroscopy, quantum information processing, and optical clock applications in this important spectral window.

研究动机与目标

• 推动并实现可覆盖可见光和紫外光的宽带频率梳，以支持光谱学、量子信息与光学钟。
• 开发一个集成的、低能耗的平台，将频率梳从 1550 nm 扩展到 350–550 nm 的 UV-可见范围，且效率高。
• 在多段薄膜 LN 波导中设计色散和准相位匹配，以利用 chi(2) 与级联 chi(2) 过程实现展宽。
• 展示相干、无缝谱，并通过高次谐波和外差检测验证载波-包络偏置频率（f_ceo）。

提出的方法

• 制备带未极化段的多段薄膜 LN 波导，随后是一个从 12.5 μm 到 2.5 μm 的线性啁啶区域。
• 在 1550 nm 处使用亚 100 fs 脉冲（约 90 pJ 就载芯片）以引发 chi(3) 自相位调制，然后驱动 chi(2) 谐波产生和级联过程。
• 用单包络、单向传播方程建模光谱演化，包含 chi(2) 和 chi(3) 项，并与实验进行比较。
• 通过检测 350–620 nm 区间的拍频来验证 f_ceo 相干性，并在关键波长处展示快门噪声极限（shot-noise-limited）的相干性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在通信波段泵浦时，多段结构、经过设计的 LN 波导是否能实现从 UV 到可见光的连续、无缝谱？
• RQ2 在正常色散 LN 波导中，使用 chi(2) 级联将 1550 nm 泵浦能量转换到 UV-可见波长的效率是多少？
• RQ3 所得 UV-可见梳的相干性如何，f_ceo 能否在 UV 中直接测量？
• RQ4 极化设计、未极化长度和色散工程如何影响光谱覆盖与效率？
• RQ5 实际性能极限是什么，以及将覆盖扩展到中红外或更宽谱段的途径？

主要发现

• 使用 90 pJ on-chip 的 1550 nm 泵浦实现了从 330 nm 到 2400 nm 的无缝谱覆盖。
• 实现从近红外泵浦到 UV-可见 350–550 nm 的转换效率>20%（在 350–550 nm 的片上输出 1.5 mW，泵浦为 9 mW）。
• 在 UV 的 350 nm 直接检测到载波-包络偏移频率 f_ceo，在可见的 620 nm 和 400 nm 处检测到，SNR>35 dB（10 kHz RBW）。
• 显示 10 GHz 共振电子-光学梳产生的谐波含量相当，表明可扩展到更高重频率且不损伤（入射功率约 2.5 W）。
• 使用单包络框架的数值仿真与实验高度一致，并预测通过优化波导设计可进一步提高效率（对 350–490 nm 窗口潜在 >30%）。
• 仿真与测量表明在进一步优化下可实现全可见至 UV 的覆盖，相同结构在适当的色散/极化设计下也可扩展到中红外。