鈮酸鋰微諧振器中的拉曼雷射和孤子鎖模

2021-01-09 科學網

 

近日，來自美國和中國香港的科學家Mengjie Yu, Yoshitomo Okawachi, Marko Lon?ar等人共同發表了題為「Raman lasing and soliton mode-locking in lithiumniobate microresonators」的文章，在鈮酸鋰微諧振器中實現了拉曼雷射和孤子鎖模。研究人員通過選擇性激發拉曼活性聲子模式來表徵單片鈮酸鋰(LN)微諧振器中的拉曼輻射光譜。他們實現在連續波泵浦閾值功率為20mW，微分量子效率高達46%時，拉曼振蕩的主導模態為後向。研究人員在X切LNOI晶片中，通過腔幾何控制充分抑制拉曼效應，實現鎖模。該研究中對拉曼效應的分析為LNOI平臺上開發基於晶片的光子器件提供了指導。該研究成果發表在國際頂尖光學期刊《Light: Science & Applications》上。

近年來，LNOI技術的發展為光電子鄰域帶來了新的機遇。由於其結構具有較高的光學約束，可以實現性能更好、功耗更低、佔用空間更小的器件。LNOI平臺提供了較大的二階和三階非線性，以及強大的色散工程，為下一代集成光子電路提供了全新的非線性光子器件和應用。LNOI平臺結合了鈮酸鋰的材料特性和納米光子學的集成能力，為光學和電子器件在單個晶片上的大規模集成創造了新的機遇。利用超低損耗鈮酸鋰納米波導和微環諧振器的最新進展顯示，研究人員已經實現了克爾光學頻率梳、寬帶電光梳，高效二次諧波產生和超連續譜生成。

LN是一種具有拉曼活性的晶體材料，在不同的極化結構中具有多個強振動聲子分支。有證據表明，拉曼散射發生在機械拋光製造的LN光碟或回音廊諧振器。集成光子器件中的拉曼效應不僅使拉曼雷射器能夠以低光功率產生新的頻率，而且還可以通過調整色散特性來實現非平凡的非線性相互作用，影響克爾梳的形成，電光梳的形成和超連續譜的產生。最新工作已經表明，將腔的自由光譜範圍（FSR）對準拉曼增益可以生成跨度為八維的拉曼頻率梳。由於晶體材料中的大拉曼增益，因此在金剛石和矽等材料中觀察到拉曼散射與四波混合（FWM）之間的強烈相互作用，並提出通過控制FSR來抑制這些相互作用的策略。然而，在色散工程的單片LNOI器件中，拉曼散射及其對孤子鎖模的影響仍未得到充分的研究。

本文介紹的工作在鈮酸鋰微諧振器中實現了拉曼雷射和孤子鎖模。研究人員通過選擇性激發拉曼活性聲子模式來表徵單片鈮酸鋰(LN)微諧振器中的拉曼輻射光譜。在一個單片LN晶片上實現了多波長拉曼雷射，並描述了不同泵浦光偏振的不同拉曼過程。相對於泵浦光，所有拉曼振蕩都在向後的方向上佔主導地位。研究人員實現了TE偏振光的最高泵浦-斯託克斯轉換效率為46％。他們在X切LNOI晶片中，通過腔幾何控制充分抑制拉曼效應，實現鎖模。此外，研究人員研究了拉曼散射對克爾頻率梳產生的影響，觀察到拉曼效應與基於三階非線性的FWM過程之間的非平凡相互作用形成的克爾頻率梳。這項工作為深入了解LNOI平臺中拉曼散射的動力學和效應提供了理論依據，這對於基於晶片的非線性光子器件的設計和開發至關重要。

圖1 實驗裝置。

(a)LN晶體結構示意圖。晶軸沿著z軸。(b)(c)LN微諧振器在X切晶圓上的定向。一個30GHz的自由光譜範圍(FSR)的跑道形諧振器用於拉曼表徵。(b)一個250GHz的FSR微環諧振器用於拉曼-克爾相互作用。(c)TE和TM極化被指出。(d)設置向前(FW)和向後(BWD)拉曼表徵。EDFA摻鉺光纖放大器，BPF帶通濾波器，FPC光纖偏振控制器，OSA光譜分析儀。

圖2 X切LN跑道形微諧振器發出的TE偏振光的拉曼發射。

(a)三個拉曼光譜(從上到下)分別為20，200和400mW,對應於頻移為250，628和875cm-1的拉曼振蕩閾值功率。斯託克斯和泵浦是TE極化的，並且沿LN極性z軸。向前(藍色)和向後(紅色)的光譜都顯示出來。在1691nm處也觀察到來自第一斯託克斯場的級聯拉曼峰。 (b)拉曼發射功率(從上到下：1至3斯託克斯)作為泵浦功率的函數。後向的第一個斯託克斯峰值的閾值為20mW，具有46%的高差分轉換效率(線性擬合用黑色虛線表示)。當泵功率超過60mW時，偏離線性增長的原因是微型梳狀結構和其他拉曼振蕩。

圖3 TM模式(光偏振沿x軸)的拉曼發射在閾值功率為340 mW時的頻移為238 cm−1。

圖4 TE偏振光的克爾頻率梳產生。

(a)LN微諧振器作為TE模式的TE模式的拉曼和克爾振蕩泵浦雷射器被調諧到諧振腔中（從上到下）。 (b) 與(a)中底部光譜相對應的RF頻譜。

圖5 TM偏振光的克爾頻率梳產生。

(a)當泵浦雷射器紅色失諧到諧振腔諧振時（從上到下），X切LN微諧振器產生TM模式的克爾振蕩。(b)與(a)中(ii)和(iii)相對應的RF頻譜。(c)微諧振器輸出在1570 nm以上的傳輸測量，不包括泵浦波長。隨著波長的增加，雷射被調諧到共振狀態，主要受熱光效應的影響。 雷射掃描速度為80 pm/ms。(d)放大(c)中的傳輸軌跡，顯示孤子步的開始

（來源：科學網 葉欣）

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-020-0246-7

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