近日，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所超強激光科學(xué)與技術(shù)全國重點實驗室聯(lián)合華東師范大學(xué)、深圳大學(xué)和之江實驗室在弱微擾薄膜鈮酸鋰光學(xué)微腔(1)高效二次諧波和(2)低閾值孤子微梳產(chǎn)生等方面取得進展，相關(guān)研究成果分別以“Second harmonic generation with 48% conversion efficiency from cavity polygon modes in a monocrystalline lithium niobate microdisk resonator”和“Soliton microcomb generation by cavity polygon modes”為題，發(fā)表于Laser & Photonics Reviews和Opto-Electronic Advances。
薄膜鈮酸鋰光學(xué)微腔，結(jié)合了薄膜鈮酸鋰平臺透明窗口寬、二階非線性系數(shù)大和電光效應(yīng)強等物理性質(zhì)，以及回音壁模式光學(xué)微腔所具有的高品質(zhì)因子(Q值)和小模式體積的雙重優(yōu)勢，在高效非線性頻率轉(zhuǎn)換、孤子微梳產(chǎn)生和高亮度片上量子光源等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價值。然而，這些應(yīng)用對微腔的色散調(diào)控、加工精度以及周期極化提出了嚴格的要求。比如，在高效二次諧波產(chǎn)生方面，它就要求利用上鈮酸鋰最大的二階非線性系數(shù)d33(~27 pm/V@1064 nm)，這通常需要引入周期極化結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)準相位匹配，但周期極化通常會顯著增加光學(xué)微腔的損耗以及微納加工的復(fù)雜度；在孤子微梳產(chǎn)生方面，它通常要求微腔必須具備反常色散，且需要抑制鈮酸鋰很強的拉曼活性，而實現(xiàn)這些條件往往以犧牲微腔品質(zhì)因子為代價，導(dǎo)致孤子微梳的閾值較大。
在高效二次諧波產(chǎn)生方面，團隊設(shè)計了色散合理的X切薄膜鈮酸鋰微盤腔，結(jié)合飛秒激光光刻輔助的化學(xué)機械拋光技術(shù)，成功制備了高品質(zhì)因子的圓對稱微盤腔。通過錐形光纖與微盤腔的上表面邊緣直接接觸耦合引入弱微擾，誘導(dǎo)近簡并模式發(fā)生重組，形成了本征品質(zhì)因子高至3.86x107的正方形模式。該模式具有兩條平行邊垂直于晶體晶軸的特定取向特征，在不引入精細的周期性極化工程的前提下，實現(xiàn)了對非線性系數(shù)d33的有效利用，并獲得~80%的模場重疊積分。實驗采用水平偏振的1561 nm連續(xù)光泵浦該正方形模式，激發(fā)了與微腔其他正方形模式共振的二次諧波，在4.6 mW泵浦功率下獲得了絕對轉(zhuǎn)換效率達到48%的高效頻率轉(zhuǎn)換，驗證了該微腔結(jié)構(gòu)在高效頻率轉(zhuǎn)換方面的良好性能。
圖1基于薄膜鈮酸鋰微腔正方形模式的高效二次諧波產(chǎn)生。(a)微腔上二次諧波發(fā)射的光學(xué)顯微圖。(b)二次諧波光譜，插圖：正方形模式相對于晶軸的空間分布。
在低閾值孤子微梳產(chǎn)生方面，團隊通過對微腔引入弱微擾，發(fā)展靈活的后加工色散調(diào)控手段，嘗試突破鈮酸鋰微盤腔面臨的色散調(diào)控難題。團隊制備了水平偏振基模在1550 nm通信波段呈正常色散(25.5 ps2 /km)的鈮酸鋰微盤腔，通過錐形光纖與微盤腔耦合引入模式微擾，生成負載品質(zhì)因子達4.13x106的正方形模式，并成功將其群速度色散調(diào)控至反常色散區(qū)(-4.9 ps2 /km)。實驗采用1543 nm附近連續(xù)光泵浦該正方形模式時，觀測到了孤子微梳產(chǎn)生，其光譜范圍覆蓋1450 nm至1620 nm的寬帶區(qū)域(包含了60余根梳齒)，而且泵浦閾值僅為11 mW。
圖2 基于薄膜鈮酸鋰微腔正方形模式的低閾值孤子微梳產(chǎn)生。(a)基模和正方形模式的色散，插圖：微盤腔的掃描電鏡圖，標尺20μm。(b)孤子微梳的光譜，插圖：孤子微梳產(chǎn)生時微腔的光學(xué)顯微圖。
這些研究進展，豐富了弱微擾薄膜鈮酸鋰微腔在色散調(diào)控方面的實踐，拓展了其在非線性頻率轉(zhuǎn)換方面的應(yīng)用，將推動片上量子光源的高效產(chǎn)生乃至光子集成芯片的發(fā)展。
相關(guān)研究得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、上海市科學(xué)技術(shù)委員會、量子科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新計劃的支持。
