半非线性波导:晶片上的高效率光学频率转换

激光因拥有高相干性、高准直性和高单色性而成为现代光学的基础。然而,受限于其增益介质,激光并不能直接产生所有的光学频率,而这也限制了激光的应用场景。幸运的是,光学材料的二阶非线性()可以有效地实现光学频率转换,拓展激光的频率范围,并因此被广泛应用于可调激光、频率计量、光学显微、光谱分析、量子信息等领域。

然而,二阶非线性光学过程依赖于相位匹配,即相互作用的各光学频率之间需要满足苛刻的相速度关系,对实际应用造成一定难度。例如,倍频(二次谐波)生成需要波长为的基频光和波长为的倍频光拥有相等的相速度,即相等的有效折射率。由于材料本身和波导形状导致的色散,相位匹配的实现需要专门的色散管理。一种常见办法是准相位匹配(quasi-phase matching)。例如,在反向质子交换(reverse-proton-exchanged)铌酸锂波导中,可以利用其材料的铁磁性,用强电场对波导进行周期极化(periodic poling),使的极性产生周期性的永久翻转;再如,在砷化镓波导中,可以利用其材料的外延性生长原理,对薄膜进行定向生长(orientation-patterned growth),从而分步产生符号相反的周期性结构;这两种波导中的非线性光栅都能产生额外的动量以补偿色散,实现较高的频率转换效率,但其制备过程强烈依赖于材料的特殊性质,从而不适用于大多数非线性光学材料。另一种更普适的办法是模式相位匹配(modal phase matching)。例如,在多模波导中,基频光的基模(fundamental mode)和倍频光的某个高阶模(high-order mode)可以实现完美相位匹配。然而,不同阶模式的电场分布重合度(mode overlap)很低,使得波导横截面上各部分的非线性效应正负抵消,导致频率转换效率受到很大限制。

另一方面,集成光学因其在器件集成度、设计灵活性、多功能性和应用成本上的优势而在近年来迅速发展。特别地,在非线性光学领域,集成光学晶片上的纳米光子学器件相比于体材料器件而言展示出更大的折射率对比度,提供了更紧实的光场约束,增加了光场强度,有希望大大增强非线性光学效应。同时,集成光学器件也在相位匹配的设计上提供了更多自由度,从而有利于非线性光学器件性能的提升和功能的创新。

近期,美国罗彻斯特大学(University of Rochester) Qiang Lin (林强)研究团队提出并验证了一个新的集成非线性光学波导概念:半非线性纳米光子学波导(semi-nonlinear nanophotonic waveguide)。这种波导通过打破非线性光学系数的空间对称性,优化了模式相位匹配情况下的模式重合度,从而提高了集成光学晶片上的频率转换效率。该波导具有两层结构,其中一层是非线性()的X切铌酸锂,另一层是线性()的无定形态二氧化钛,两者折射率相近。通过设计波导横截面的几何形状,1550 nm波长的横电基模(TE00)可以和775 nm波长的一个横电高阶模(TE01)实现相位匹配。由于TE01电场的不同极性部分分别处于线性和非线性材料中,而非线性效应仅来自于非线性材料,使得波导横截面上不同位置的倍频增益不会正负抵消,从而大大增加模式重合度,可实现极高的频率转换效率。该波导的理论约化倍频转换效率高达2900% W-1cm-2,比准相位匹配的体材料铌酸锂波导和模式相位匹配的同质薄膜铌酸锂波导高出一个量级以上,并可与准相位匹配的薄膜铌酸锂波导相媲美。实验测得的约化倍频转换效率达到650% W-1cm-2,成功验证了该方案的可行性。

这类半非线性波导可通过常规的刻蚀和气相沉积工艺制备,不依赖于材料的周期极化或定向生长,从而可以广泛应用于各种通过模式相位匹配实现非线性光学过程的集成晶片上,包括氮化铝、氮化硅、氮化镓、碳化硅、氧化锌等,以高效、低能耗地产生用于经典光学的紫外、可见、红外光和用于量子信号处理的纠缠光子对。另外,这种波导由一层拥有非线性增益的非线性结构和一层只有线性损耗的线性结构组成,形成一种天然的宇称-时间对称(parity-time-symmetric)系统,从而具有应用于非厄米光子学(non-Hermitian photonics)的潜力。

本工作以题为《Semi-nonlinear nanophotonic waveguides for highly efficient second-harmonic generation》的封面文章的形式发表在Laser & Photonics Reviews(DOI: 10.1002/lpor.201800288)上,第一作者为罗彻斯特大学光学系博士生Rui Luo (罗睿)。