【儀表網 研發快訊】近日，中國科學院上海光學精密機械研究所超強激光科學與技術全國重點實驗室聯合華東師范大學、深圳大學和之江實驗室在弱微擾薄膜鈮酸鋰光學微腔(1)高效二次諧波和(2)低閾值孤子微梳產生等方面取得進展，相關研究成果分別以“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，發表于Laser & Photonics Reviews和Opto-Electronic Advances。
薄膜鈮酸鋰光學微腔，結合了薄膜鈮酸鋰平臺透明窗口寬、二階非線性系數大和電光效應強等物理性質，以及回音壁模式光學微腔所具有的高品質因子(Q值)和小模式體積的雙重優勢，在高效非線性頻率轉換、孤子微梳產生和高亮度片上量子光源等領域具有重要應用價值。然而，這些應用對微腔的色散調控、加工精度以及周期極化提出了嚴格的要求。比如，在高效二次諧波產生方面，它就要求利用上鈮酸鋰最大的二階非線性系數d33(~27 pm/V@1064 nm)，這通常需要引入周期極化結構來實現準相位匹配，但周期極化通常會顯著增加光學微腔的損耗以及微納加工的復雜度；在孤子微梳產生方面，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，而實現這些條件往往以犧牲微腔品質因子為代價，導致孤子微梳的閾值較大。
在高效二次諧波產生方面，團隊設計了色散合理的X切薄膜鈮酸鋰微盤腔，結合飛秒激光光刻輔助的化學機械拋光技術，成功制備了高品質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，誘導近簡并模式發生重組，形成了本征品質因子高至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，實現了對非線性系數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連續光泵浦該正方形模式，激發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換效率達到48%的高效頻率轉換，驗證了該微腔結構在高效頻率轉換方面的良好性能。
圖1基于薄膜鈮酸鋰微腔正方形模式的高效二次諧波產生。(a)微腔上二次諧波發射的光學顯微圖。(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生方面，團隊通過對微腔引入弱微擾，發展靈活的后加工色散調控手段，嘗試突破鈮酸鋰微盤腔面臨的色散調控難題。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，生成負載品質因子達4.13x106的正方形模式，并成功將其群速度色散調控至反常色散區(-4.9 ps2 /km)。實驗采用1543 nm附近連續光泵浦該正方形模式時，觀測到了孤子微梳產生，其光譜范圍覆蓋1450 nm至1620 nm的寬帶區域(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：孤子微梳產生時微腔的光學顯微圖。
這些研究進展，豐富了弱微擾薄膜鈮酸鋰微腔在色散調控方面的實踐，拓展了其在非線性頻率轉換方面的應用，將推動片上量子光源的高效產生乃至光子集成芯片的發展。
相關研究得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、上海市科學技術委員會、量子科學與技術創新計劃的支持。
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