导读

近日，瑞士洛桑联邦理工学院的Camille-Sophie Brès团队设计了一种芯片级二次谐波源。这种二次谐波源基于半导体激光器的频率倍增，并自注入锁定到氮化硅微谐振器上。注入锁定机制与高Q值微谐振器相结合，使得基谐波频率的超窄本征线宽小至41 Hz。研究人员展示了如何利用这种光学极化技术，在整个C和L电信波段提供高效的二次谐波生成，从而克服了对极化电极的需求。

背景介绍

二次谐波（SHG）在非线性光学领域发挥着基础性作用，它能在保持光场相干性的同时，将频谱的倍频程间隔区域连接起来。其应用范围包括激光物理与技术、成像、材料科学以及频率梳的自参考等。SHG应用于体光学领域的非线性性质需要以下条件：（1）高强度相干源；（2）具有二阶非线性的材料；（3）精心设计的相位匹配条件。这些障碍激发了集成光学领域的大量研究工作，而在芯片上集成倍频技术有望以紧凑、省电和可扩展的方式实现新型设备。

片上集成本身具有优势，通过波导中的横向约束以及谐振结构的使用，可以增强相互作用的强度。此外，几种材料的纳米制造技术已经得到发展。然而，尽管取得了巨大进步，由于这些新兴平台与成熟的制造工艺缺乏兼容性，特别是与电子市场广泛采用的硅基互补金属氧化物（CMOS）技术缺乏兼容性，这些新兴平台仍然难以在实际设备中得到应用。

氮化硅光子学因其与CMOS制造工艺的兼容性，已成为一种成熟的集成光子学平台。氮化硅光子器件具有超低传播损耗、从中红外到近紫外的宽透明窗口、大带隙和可忽略不计的拉曼效应等显著优势，使其成为高功率和特殊非线性应用的理想选择。这些优势通常归因于三阶非线性过程。不过最近的研究表明，氮化硅波导和谐振器可通过相干光电效应获得光诱导的二阶非线性。这种现象利用单光子和多光子吸收之间的干涉产生的相干电流，打破了非晶材料的中心对称性，从而刻画出一个二阶光栅，该光栅通过反映传播场之间的相位差，自动满足准相位匹配条件。事实证明，这种技术可实现较高的二次谐波光转换效率。由于可实现较高的场增强值，这种转换效率在谐振结构中尤为明显。

创新研究

在这项工作中，来自瑞士洛桑联邦理工学院的研究人员展示了如何在氮化硅微环谐振器中同时发生自注入锁定（SIL）和光诱导二阶非线性现象，从而创建一个独立的双波长光源，在基波（FH）和二次谐波（SH）频率上同时发出高度相干的光（图1A）。该谐振器的高Q因子可缩小赫兹级附近的本征激光线宽，尽管使用的是非本征二阶材料，但其高精细度仍可在SH波段有效地产生毫瓦级光。研究人员展示了如何通过简单调整器件的工作条件来调整所产生的SH波长，并提供了C波段和L波段工作点的完整映射图，显示了合适的双共振条件的丰富性。这里产生的光与泵浦光场具有相同的特性，包括相干性。这使得该芯片级光源成为一种潜在的强大工作，不仅可用于受益于超窄线宽的应用，如基于Rb和Sr的芯片级原子钟和集成量子光子学，还可用于受益于两束光的相互相干性的应用，如光学频率梳的自参考。

图1是自注入锁定二次谐波源，图1A是自注入锁定机制示意图。DFB激光器向环形谐振器总线波导注入FH波长的光。环内循环光的一小部分通过瑞利反向散射（虚线箭头）反射并注入DFB腔，从而使发射线宽比自由运行时大幅缩小。这种高相干激光场显示出很高的腔内强度，用于出发相干光电效应并产生SH光（蓝色箭头）。图1B是实验装置示意图，DFB激光器安装在温度稳定的控制板上，并用导线固定，控制板的位置由微动器进行微调。氮化硅芯片的温度可独立控制，以调整谐振条件。图1C是FH波长的透射光谱。图1D用于SIL-SHG的共振细节。图1E在FH和SH频率（实线）上涉及TE模式的色散有限元模拟。

图1 自注入锁定二次谐波源

图2是全光极化和二次谐波发生。图2A表示使用外部可调谐激光器的环形谐振器的全光极化。使用透镜光纤对光进行内耦合。相机传感器可以看到产生的SH光，显示出谐振器内部强烈的循环功率。在样品的不同温度下通过扫描泵浦功率获得的输出FH和SH的二维图。图2B显示的是在C波段工作的氮化硅样品的结果，而C对应的是在L波段工作的不同样品。其中一个DFB的近似可调谐区域以白色阴影表示。图2D是CE与泵浦波长和样品温度的函数关系图，突出显示了最佳失谐条件。图2E是产生的SH功率峰值与输入泵浦电平的函数关系图。

图2 全光极化和二次谐波发生

该文章被发表在《Light: Science & Applications》期刊上，题为“A chip-scale second-harmonic source via self-injection-locked all-optical poling”，Marco Clementi是文章的第一作者，Marco Clementi和Camille-Sophie Brès是通讯作者。（来源：LightScienceApplications微信公众号）

相关论文信息：‍‍https://www.nature.com/articles/s41377‍-023-01329-6