Lithiumniobit (LN) mit einem ultraweiten optisch transparenten Fenster hat hervorragende nichtlineare, elektrooptische, akustisch-optische, piezoelektrische, thermoelektrische und photorefraktive Effekte gezeigt. Es ist eine hervorragende Plattform für die Realisierung nichtlinearer photonischer χ(2)-Geräte mit geringem Stromverbrauch und hoher Effizienz.
Allerdings sind Phasenanpassungsbedingungen zwischen den nichtlinear interagierenden optischen Feldern und fortschrittliche Nanofabrikationstechniken erforderlich, um nichtlineare Hochleistungs-LN-Geräte zu realisieren. Einerseits wurde eine ätzfreie LN-Wellenleiterstruktur basierend auf gebundenen Zuständen im Kontinuum (BIC) vorgeschlagen, um den Nanofabrikationsprozess zu vereinfachen.
Andererseits leiden die meisten Prozesse der modalen Phasenanpassung (MPM) unter den erheblichen Disparitäten des Modenprofils zwischen der Grundfrequenz (FF) und den Wellen der zweiten Harmonischen (SH), was zu einer kleinen oder sogar verschwindenden nichtlinearen modalen Überlappung und folglich führt Begrenzung der Umwandlungseffizienz. Alternativ kann eine Quasi-Phasenanpassung durch periodisches Polen von LN-Wellenleitern erreicht werden, um die nichtlineare modale Überlappung zu maximieren, aber der Polungsprozess ist technologisch nicht trivial.
Xueshi Li, Dunzhao Wei, Jin Liu et al. von der Sun Yat-sen University haben über effizientes SHG durch Nutzung des BIC in einem hochtechnologischen semi-nichtlinearen Wellenleiter berichtet, der aus einem Elektronenstrahlresist-Wellenleiter und Dünnfilm-Siliziumnitrid (SiN) und LN besteht. Diese Vorrichtung zeigt die folgenden Vorteile: (a) Geringe Ausbreitungsverluste für FF- und SH-Wellen; (b) Erreichen von MPM; (c) Große nichtlineare modale Überlappung für FF TM00- und SH TM01-Modus.
Gebundene Ausbreitungsmoden des Geräts wurden durch einen strukturierten Wellenleiter mit niedrigem Brechungsindex (LRI) geleitet, aber in hochbrechenden SiN/LN-Dünnfilmen eingeschlossen. Da TM-ähnliche Moden in die verlustreichen kontinuierlichen TE-ähnlichen Moden eingetaucht sind, treten aufgrund ihrer Kopplung mit TE-ähnlichen Moden Ausbreitungsverluste auf. Durch sorgfältiges Entwerfen von oktaventrennenden BICs für die nichtlinear interagierenden TM-Moden in einer solchen Hybridstruktur kann man jedoch die Ausbreitungsverluste sowohl von FF- als auch von SH-Wellen stark verringern.
Außerdem erfordert die effiziente Erzeugung der zweiten Harmonischen (SHG) nicht nur eine Phasenanpassung zwischen den FF- und SH-Moden, sondern hängt auch von ihren nichtlinearen modalen Überlappungsintegralen ab. Bei der nichtlinearen Umwandlung zwischen dem FF-TM00-Modus im Telekommunikationsband und dem SH-TM01-Modus im sichtbaren Band ist das nichtlineare überlappende Integral aufgrund des verschwindenden χ(2) von SiN nicht mehr Null, wodurch eine theoretisch normalisierte Umwandlung erreicht werden könnte Wirkungsgrad von 327 % W-1cm-2.
Solche Vorrichtungen können durch einfache Verfahren hergestellt werden. Zuerst wird eine SiN-Schicht ähnlicher Dicke auf dem LN-Dünnfilm abgeschieden. Dann wird eine LRI-Wellenleiterstruktur durch Elektronenstrahllithographie oben auf der SiN-Schicht hergestellt. die Prozesse des Ätzens und der ferroelektrischen Domänenpolung sind nicht beteiligt. Zur Charakterisierung des SHG wird ein fasergekoppeltes optisches System verwendet. Durch Festlegen der FF-Wellenlänge am Phasenanpassungspunkt von 1570 nm wird die Leistungsabhängigkeit der SH-Welle gemessen. Die auf dem Chip normalisierte Umwandlungseffizienz des Geräts wird mit 4,05 % W-1 cm-2 berechnet.
Die Forschung ist veröffentlicht in Licht: Wissenschaft & Anwendungen.
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Xueshi Li et al, Effiziente Erzeugung der zweiten Harmonischen durch Nutzung gebundener Zustände im Kontinuum in semi-nichtlinearen ätzfreien Lithiumniobat-Wellenleitern, Licht: Wissenschaft & Anwendungen (2022). DOI: 10.1038/s41377-022-01017-x