Guía de ondas de niobato de litio semino lineal y sin grabado con estados ligados en el continuo

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Esquema de la guía de onda fotónica semi-no lineal basada en BIC y su conversión de frecuencia no lineal.

CRÉDITO
por Xueshi Li, Jiantao Ma, Shunfa Liu, Peinian Huang, Bo Chen, Dunzhao Wei, Jin Liu

Abstracto:
La niobita de litio (LN) con una ventana transparente óptica ultraancha ha mostrado excelentes efectos no lineales, electro-ópticos, acústico-ópticos, piezoeléctricos, termoeléctricos y fotorrefractivos. Es una excelente plataforma para realizar dispositivos fotónicos no lineales χ(2) con bajo consumo de energía y alta eficiencia. Sin embargo, se requieren condiciones de coincidencia de fase entre los campos ópticos interactivos no lineales y técnicas avanzadas de nanofabricación para realizar dispositivos no lineales LN de alto rendimiento. Por un lado, se ha propuesto una estructura de guía de ondas LN sin grabado, basada en estados ligados en el continuo (BIC), para simplificar el proceso de nanofabricación. Por otro lado, la mayoría de los procesos de coincidencia de fase modal (MPM) sufren disparidades significativas en el perfil de modo entre la frecuencia fundamental (FF) y las ondas del segundo armónico (SH), lo que da como resultado una superposición modal no lineal pequeña o incluso nula y, en consecuencia, limitar la eficiencia de conversión. Alternativamente, la coincidencia de cuasifase se puede lograr mediante la polarización periódica de las guías de onda LN para maximizar la superposición modal no lineal, pero el proceso de polarización no es trivial desde el punto de vista tecnológico.

Guía de ondas de niobato de litio sin grabado semi-no lineal con estados ligados en el continuo

Changchún, China | Publicado el 4 de noviembre de 2022

Xueshi Li, Dunzhao Wei, Jin Liu et al. de la Universidad Sun Yat-sen han informado de SHG eficiente al aprovechar el BIC en una guía de ondas semi-no lineal de alta ingeniería construida con una guía de ondas de resistencia de haz de electrones y nitruro de silicio de película delgada (SiN) y LN, como se muestra en la Fig.1. Este dispositivo presenta las siguientes ventajas: (a) Bajas pérdidas de propagación para ondas FF y SH; (b) logro de MPM; (c) Gran superposición modal no lineal para el modo FF TM00 y SH TM01.

Los modos de propagación unidos del dispositivo fueron guiados por una guía de ondas de bajo índice de refracción (LRI) pero confinada en películas delgadas de SiN/LN de alta refracción. Dado que los modos similares a TM están inmersos en los modos similares a TE continuos de alta pérdida, encontrará pérdidas de propagación debido a su acoplamiento con los modos similares a TE. Sin embargo, mediante el diseño cuidadoso de BIC de separación de octavas para los modos TM de interacción no lineal en una estructura híbrida de este tipo, se pueden reducir en gran medida las pérdidas de propagación de las ondas FF y SH. Además, la generación eficiente de segundo armónico (SHG) no solo requiere la coincidencia de fase entre los modos FF y SH, sino que también depende de sus integrales de superposición modal no lineal. En la conversión no lineal entre el modo FF TM00 en la banda de telecomunicaciones y el modo SH TM01 en la banda visible, la integral superpuesta no lineal ya no es cero debido a la desaparición de χ(2) de SiN, lo que podría lograr una conversión teórica normalizada eficiencia de 327% W-1cm-2.

Dichos dispositivos pueden fabricarse mediante procedimientos simples. En primer lugar, se deposita una capa de SiN de espesor similar sobre la película delgada de LN. Luego, se fabrica una estructura de guía de ondas LRI mediante litografía por haz de electrones sobre la capa de SiN, como se muestra en la Fig. 2a. los procesos de grabado y polarización del dominio ferroeléctrico no están involucrados. Se utiliza un sistema óptico de fibra acoplada que se muestra en la Fig. 2b para caracterizar el SHG. La Figura 2c muestra la relación entre la intensidad SH y la longitud de onda FF, lo que prueba la existencia del proceso MPM. Fijando la longitud de onda FF en el punto de coincidencia de fase de 1570 nm, se mide la dependencia de potencia de la onda SH, como se muestra en la Fig. 2d. La eficiencia de conversión normalizada en el chip del dispositivo se calcula en 4.05 % W-1cm-2.

Este trabajo proporciona una plataforma versátil y fácil de fabricar para estudiar procesos ópticos no lineales en chip con alta eficiencia en el contexto de la nanofotónica y la óptica cuántica, y explorar nuevos fenómenos físicos no lineales, como sistemas no hermitianos, topologías no lineales, etc.

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