Science Advances：宽调谐红外参量振荡器芯片

研究背景

      光参量振荡器(optical parametric oscillator, OPO)是一种将非线性晶体放置在谐振腔内，利用晶体的非线性光学效应实现入射光的频率变换的器件。由于作为增益介质的非线性晶体不存在能级结构，因此OPO可以突破传统激光器的增益带宽限制，在满足相位匹配条件的情况下，实现多波长宽带可调谐输出，极大地拓宽了激光源的输出波长范围。

      近年来，随着泵浦源的发展以及非线性晶体制备工艺的成熟，OPO技术得以快速发展。其中，飞秒激光器泵浦的OPO，凭借着脉冲短、峰值功率高、输出波长灵活等优势，被广泛应用于光谱学、生物光子学、纳米光子学、遥感探测、高精度光学测量、光学显微成像、医疗诊断等领域。

论文导读

      中红外飞秒激光综合了宽光谱、窄脉宽及高峰值功率等特性，在纳米尺度的显微成像、阿尔茨海默病或癌症诊断、精密分子光谱学研究、微米级高精度手术、以及阿秒科学等方面均具有重要的实用价值。常见的中红外激光源有两种：激光器和OPO。半导体激光器就可以产生中红外的飞秒激光，非常适合当前设备小型化和集成化的需求。但是由于半导体的增益带宽有限，波长的调谐范围通常很窄。OPO激光源的波长调谐范围通常较宽，但因使用非线性晶体作为核心，通常尺寸较大，多用于大型台式设备，便携性不佳。因此，对中红外飞秒OPO设备的小型化和集成化研究具有重要的意义。

      为了解决这一问题，美国加州理工学院电气工程系的Alireza Marandi等人利用色散工程、谐振腔光谱响应的精确控制和准相位匹配技术，在一个铌酸锂纳米光子芯片上设计了五个OPO，实现了1.53~3.25μm的波长调谐。相关成果以Octave-spanning tunable infrared parametric oscillators in nanophotonics为题发表在Science Advances上。

技术突破

      该文所述OPO的概念如图1 A所示，利用波长1μm调谐范围30nm的泵浦光经OPO产生波长2μm左右调谐范围1500nm的信号和闲频。泵浦光进入OPO谐振腔的极化波导部分(5mm长)，经过色散工程和相位匹配将泵浦光波长的微小改变放大为输出光波长的较大调谐，具体原理如图1B所示。作者利用带有波长选择的绝热耦合器来保证泵浦光只在极化波导部分传播的同时，信号和闲频能以10GHZ自由光谱程(free spectral range, FSR)在OPO腔内振荡。从而打破了传统OPO系统中谐振腔共振条件对泵浦光的限制，大大提高了泵浦光的选择灵活性和可调谐性。

      该文所述OPO中的波导是在NANOLN商用晶圆上利用电子束光刻和氩离子干法蚀刻获得的，深度为250nm。晶圆主材为x切割的MgO掺杂铌酸锂层(厚度700nm)和SiO₂缓冲层。输入输出波导宽度为2.3μm，在耦合器部分以锥形过渡到谐振器内2.5μm宽的波导，如图1D所示。谐振腔的输入和输出耦合器是一样的：对信号和闲频的耦合因子大于80%，但对1μm附近的泵浦波长的耦合因子小于10%。泵浦光的微弱耦合会产生不到1%的环路反馈，对泵浦强度的负面影响可以忽略不计，不影响泵浦波长的调谐。

      为了提高器件的波长调谐范围，作者在同一个芯片上设计了16个OPO，如图1C所示。这些OPO的极化周期分别为5.55μm、5.56μm、5.57μm、……5.7μm，即相邻两个OPO的极化周期相差10nm。单一OPO的显微图像如图1B所示，结构伪彩色图如图1D所示，其中紫色部分为用于校准和准相位匹配验证的直波导。作者从能量(ω_p=ω_s+ω_i)和动量(k_p=k_s+k_i+2π/Λ_QPM)守恒的角度出发，结合波导色散，通过数值模拟获得的4个OPO的波长调谐曲线如图1E所示。其中，信号调谐斜率(?ω_s/?ω_p)由群速度差异的比值(1/v_i-1/v_p)/(1/v_i-1/v_s)表述，增益带宽与1/v_i-1/v_s成反比。作者通过极化波导的色散设计来优化波长调谐性能。

      作者使用比OPO的腔寿命长得多的脉冲来研究芯片的瞬/稳态特性，实验装置如图2A所示。光源为波长1050nm、脉宽100ns、重复频率10kHz的外腔半导体激光器(ECDL)，配合半导体光放大器(SOA)产生泵浦光脉冲。泵浦光脉冲由掺镱光纤放大器(YDFA)二次放大后，由单模透镜光纤耦合(约10dB损耗)进入芯片。OPO的输出由透镜光纤采集并传输到光谱分析仪(OSA)上，所得光谱如图3所示。作者还利用光纤分束器、波分复用器(WDM)、光电探测器(PD)和示波器监测OPO的输入和输出功率。由于光电探测器对2275nm的闲频光不敏感，因此只测量了1950 nm左右的信号功率(如图2B红色方框所示)。图中的黑色实线为振荡阈值30mW平均功率30μW条件下数值模拟的理论曲线。图2B中的闲频功率(紫色圆圈)是通过输出耦合响应估计获得的。片内转换效率如图2C所示，信号的最大转换效率约为9%。作者用泵浦消耗来表述泵浦光子在OPO内转化为信号光子和闲频光子的效率(如图2D所示)，实验表明最高可达约75%，突显出了将纳米光子OPO用作高效波长转换器件的潜力。

      作者给出了在同一芯片上制造的五个OPO的光谱调谐范围，如图3所示。第一行是几个OPO输出的信号和闲频光谱，其中OPO5的信号和闲频波长间隔超过一个倍频程，且闲频波长位于中红外波段。中间一行是这些OPO的更详细的输出光谱数据。其中因SiO₂缓冲层的吸收峰影响，没有2.8μm附近的光谱数据。

      这些OPO的主要调谐参数都是泵浦波长。以OPO1为例，在30nm的范围内改变泵浦波长，OPO1可以在1.76和2.51μm(超过750nm)之间调谐。

      这些OPO具有单模、少模或者多模三种不同的工作模式。当泵浦功率接近阈值时，OPO以单纵模工作，如图4A所示。随着泵浦功率的增加，纵模也随之增加，进入少模工作模式，如图4B所示。当泵浦功率为阈值的数倍以上时，进入多模工作模式，如图4C所示。产生多模的原因在于：(1) 增益带宽大于1THz，因此可被增益的模式量大(~10GHz FSR)；(2) 由于波导色散的原因，双谐振OPO的信号和闲频的FSR之间有一定差异，故而当泵浦远高于阈值的时候会产生团簇效应。

      图5表明了OPO芯片在准连续光源(quasi–continuous wave, CW)激励下的调谐范围和峰值功率水平。作者通过色散工程设计、准相位匹配结合直接蚀刻波导来优化非谐振泵浦OPO参数，实现了高性能输出。

观点评述

      该文的研究结果表明了在薄膜铌酸锂平台上实现超宽可调谐红外光源的可行性，研制了红外波段的超宽波长调谐芯片，为微纳光子学研究提供了新的实用工具。与此同时，片上OPO在阈值功率和波长调谐范围两方面对泵浦的要求不高，用低成本近红外激光二极管就能满足。作者提出通过优化输入输出耦合器设计改善耦合效率、在极化波导中设置多个极化周期提高波长调谐范围、改进缓冲层材料降低损耗等方式有可能进一步提高芯片性能，指明了进一步研究的可行方向。利用耦合器的波长选择特性，使得泵浦光只需要激励出信号和闲频光，而不用参与腔体的谐振过程，这一思路对其他非线性光学研究和应用也有一定的启发性。

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