Le niobite de lithium (LN) avec une fenêtre transparente optique ultra-large a montré d’excellents effets non linéaires, électro-optiques, acoustiques-optiques, piézoélectriques, thermoélectriques et photoréfractifs. C’est une excellente plate-forme pour réaliser des dispositifs photoniques non linéaires χ(2) à faible consommation d’énergie et à haut rendement.
Cependant, une condition d’accord de phase entre les champs optiques interactifs non linéaires et des techniques de nanofabrication avancées sont nécessaires pour réaliser des dispositifs non linéaires LN hautes performances. D’une part, une structure de guide d’onde LN sans gravure, basée sur des états liés dans le continuum (BIC), a été proposée pour simplifier le processus de nanofabrication.
D’autre part, la plupart des processus d’adaptation de phase modale (MPM) souffrent des disparités importantes du profil de mode entre la fréquence fondamentale (FF) et les ondes de deuxième harmonique (SH), entraînant un chevauchement modal non linéaire faible, voire nul, et par conséquent limiter le rendement de conversion. Alternativement, l’accord de quasi-phase peut être obtenu par polarisation périodique des guides d’ondes LN pour maximiser le chevauchement modal non linéaire, mais le processus de polarisation n’est pas trivial sur le plan technologique.
Xueshi Li, Dunzhao Wei, Jin Liu et al. de l’Université Sun Yat-sen ont rapporté un SHG efficace en exploitant le BIC dans un guide d’ondes semi-non linéaire hautement technique construit par un guide d’ondes résistif à faisceau d’électrons et du nitrure de silicium (SiN) et LN à couche mince. Ce dispositif présente les avantages suivants : (a) Faibles pertes de propagation pour les ondes FF et SH ; (b) la réalisation du MPM ; ( c ) Grand chevauchement modal non linéaire pour les modes FF TM00 et SH TM01.
Les modes de propagation liés du dispositif ont été guidés par un guide d’ondes à faible indice de réfraction (LRI) mais confinés dans des films minces SiN/LN à réfraction élevée. Étant donné que les modes de type TM sont immergés dans les modes de type TE continus à perte élevée, il subira une perte de propagation en raison de son couplage avec des modes de type TE. Cependant, en concevant soigneusement des BIC à séparation d’octave pour les modes TM à interaction non linéaire dans une telle structure hybride, on peut largement réduire les pertes de propagation des ondes FF et SH.
De plus, la génération efficace de deuxième harmonique (SHG) nécessite non seulement un accord de phase entre les modes FF et SH, mais dépend également de leurs intégrales de chevauchement modal non linéaires. Dans la conversion non linéaire entre le mode FF TM00 dans la bande télécom et le mode SH TM01 dans la bande visible, l’intégrale de recouvrement non linéaire n’est plus nulle en raison de la disparition de χ (2) de SiN, ce qui pourrait atteindre une conversion normalisée théorique efficacité de 327% W-1cm-2.
De tels dispositifs peuvent être fabriqués par des procédures simples. Dans un premier temps, une couche de SiN d’épaisseur similaire est déposée sur le film mince de LN. Ensuite, une structure de guide d’ondes LRI est fabriquée par lithographie par faisceau d’électrons au-dessus de la couche de SiN. les processus de gravure et de polarisation du domaine ferroélectrique ne sont pas impliqués. Un système optique couplé à la fibre est utilisé pour caractériser le SHG. En fixant la longueur d’onde FF au point d’accord de phase de 1570 nm, la dépendance en puissance de l’onde SH est mesurée. L’efficacité de conversion normalisée sur puce de l’appareil est calculée à 4,05 % W-1cm-2.
La recherche est publiée dans Lumière : science et applications.
Plus d’information:
Xueshi Li et al, Génération efficace de deuxième harmonique en exploitant les états liés dans le continuum dans des guides d’ondes semi-non linéaires en niobate de lithium sans gravure, Lumière : science et applications (2022). DOI : 10.1038/s41377-022-01017-x