Forschungsteam entwickelt Ultrabreitband-Kantenkoppler für die hocheffiziente Erzeugung der zweiten Harmonischen

Dünnfilm-Lithiumniobat (TFLN) hat sich kürzlich als vielseitige nanophotonische Plattform herausgestellt. Mit den Vorteilen eines hohen optischen Einschlusses, einer verbesserten Licht-Materie-Wechselwirkung und einer flexiblen Dispersionskontrolle übertreffen TFLN-basierte periodisch gepolte Lithiumniobit (PPLN)-Geräte ihre älteren Gegenstücke sowohl in der nichtlinearen optischen Effizienz als auch im Geräte-Footprint.

Eine große Herausforderung von TFLN-basierten PPLN-Geräten besteht darin, eine effiziente und breitbandige Off-Chip-Kopplung zu erreichen. Aufgrund des Fehlens eines effizienten Breitbandkopplungsschemas sind die normalisierten Wirkungsgrade (Faser-zu-Faser) der Gesamt- und On-Chip-Generierung der zweiten Harmonischen (SGH) zu niedrig für viele praktische Anwendungen von TFLN-basierten PPLN-Geräten. Bis heute ist es möglich, eine hohe Kopplungseffizienz im C-Band zu erreichen, aber ein effizienter Kantenkoppler, der sowohl Wellenlängen im nahen Infrarot (~1550 nm) als auch im nahen sichtbaren Bereich (~775 nm) abdecken kann, wurde bisher nicht entwickelt .

Wie in berichtet Advanced Photonics Nexushaben Forscher der Sun Yat-sen University und der Nanjing University einen ultrabreitbandigen und effizienten TFLN-Kantenkoppler entworfen und hergestellt. Sie fanden heraus, dass der herkömmliche zweischichtige Koppler im 775-nm-Band aufgrund der Fehlanpassung des Brechungsindex zwischen dem Mantelwellenleiter und der Struktur des Punktgrößenwandlers (SSC) nicht gut funktioniert.

Um dieses Problem anzugehen, entwarfen sie einen effizienten Koppler, der sowohl bei 1550 nm als auch bei 775 nm arbeitet. Es besteht aus einem aufgehängten SiO2-Wellenleiter mit Stützarmen und einem dreischichtigen SSC, einschließlich Top-, Middle- und Bottom-Layer-Taper. Das Licht von der mit Linsen versehenen Faser wird in den SiO2-Wellenleiter eingekoppelt und dann durch den SSC zu den TFLN-Rippenwellenleitern übertragen. Der dreischichtige SSC löst das Kopplungsproblem der herkömmlichen zweischichtigen Kopplerstruktur bei kurzen Wellenlängen. Der gemessene Kopplungsverlust beträgt 1 dB/Facette bei 1550 nm und 3 dB/Facette bei 775 nm.

Die Arbeit demonstriert auch die Vorteile des entworfenen Kopplers in nichtlinearen Anwendungen. Sie erreichen einen rekordhohen normalisierten SGH-Gesamtwirkungsgrad mit einem Faser-zu-Chip-Kopplungsschema und einen hohen entsprechenden zweiten harmonischen Wirkungsgrad auf dem Chip. Verglichen mit Geräten nach dem Stand der Technik ist der normierte Gesamtwirkungsgrad Berichten zufolge um zwei bis drei Größenordnungen höher.

Seniorautor Xinlun Cai, Professor an der School of Electronics and Information Technology der Sun Yat-sen University, bemerkt: „Eine erhöhte Faser-zu-Faser-SHG-Effizienz ist ein kritischer Aspekt fast aller Photonik-Demonstrationen. Sie ist von besonderer Bedeutung für nichtlineare und quantenphotonische Chips, die oft als geeignet für den Einsatz in photonischen Systemen der nächsten Generation angepriesen werden, aber unter sehr hohen Kopplungsverlusten leiden.“ Das Team geht davon aus, dass seine Arbeit die praktischen Anwendungen von TFLN-basierten PPLN-Geräten erweitern wird.