氮化硅光子学中高效光诱导二次谐波产生

 二阶(χ(2))非线性光学是许多经典和量子应用的基石。例如，为了实现光学频率合成和光学原子时钟的紧凑功能，基于三阶(χ(3))非线性过程的频率梳需要通过有效的二次谐波产生(SHG)进行自我参考，理想情况下是在同一硅片上。然而，硅光子学中常见的材料，包括硅(Si)、氮化硅(Si3N4)和二氧化硅(SiO2)，在电偶极子近似下不支持χ(2)体响应。因此，在硅片上实现有效的SHG是特别具有挑战性的(例如，对于频率梳中的f-2f锁定)。 因此，基于硅光子技术的系统往往依赖传统平台，如厘米尺度的周期性极化铌酸锂波导来χ(2)功能。 另外，在非硅基薄膜平台（包括氮化铝、砷化镓和铌酸锂）中实现有效的SHG方面取得了相当大的进展。这种进展通常需要与硅基平台进行异构集成，以便在上述频率梳应用程序中优化性能。另一方面，碳化硅纳米光子学最近取得了重大进展，在光子晶体腔和微环谐振器都证明了χ(2)过程。然而，在碳化硅(SiC)中实现高性能的制造工艺表明，它与硅光子学平台的其余部分的集成可能是具有挑战性的。

       也有一些工作旨在在典型的硅光子学材料中直接演示有效的高阶χ(2)过程。一种方法利用硅基系统中存在的弱χ(2)非线性(例如，由于对称性破坏），结合高质量因子微腔中的完美相位匹配，将归一化SHG效率提高到0.1%W−1和0.049%W−1。通过优化输入/输出波导-谐振器耦合可以提高这些效率，但最终由于χ(2)非线性的弱点而受到限制。另一种方法使用了一个大的有效χ(2)非线性，它是通过电场和介质的χ(3)非线性相结合而产生的，在光子波导中没有腔增强。这种电场可以直接由外部电极或光学通过光伏面效应诱导，并导致χ(2)非线性高达41pmV−1和归一化SHG效率高达13%W−1。诱导场不仅产生了大大超过现有固有非线性的非线性，而且支持准相位匹配(QPM)，相位要么是预先确定的，要么是自组织/光子诱导的。然而，与使用传统χ(2)材料的设备相比，上述方法单独使用时效率低下，因此远远不能产生毫瓦级连续波S HG输出。

       近日，来自美国国家标准和技术研究所的Xiyuan Lu等人为了实现高效的SHG，设计了利用强有效χ(2)非线性和共振增强的器件。他们使用Si3N4平台，它已经成功地应用于许多宽带非线性光子学演示，包括八度跨越频率梳，经典/量子频率转换和光学参数振荡。在这里，正在使用的物理过程是光范数场诱导的SHG，这是几十年前首次在掺锗玻璃纤维中发现的。与Si3N4波导和SiO2纤维等非共振几何中的光诱导χ(2)的报道相比，他们在高Q Si3N4微共振器中证明了一种有效的光诱导χ(2)非线性。 他们表明，这种共振增强的光诱导χ(2)非线性过程使高效率的SHG具有可观的连续波输入输出功率。相关工作发表在《Nature photonics》上。（郑江坡）

文章链接：https://doi.org/10.1038/s41566-020-00708-4