撰稿|由课题组供稿
在现代光学研究中，具有较大非线性光学系数的铌酸锂材料可以用来产生二次谐波 (SHG)。随着亚波长尺度下的光场探测以及集成纳米制造技术的发展，无需满足相位匹配条件的非线性纳米结构得到了广泛地研究，然而要获得更高效的非线性光学器件，仍需通过光与物质的强相互作用来进一步提高非线性光学性能。近日，暨南大学卢惠辉教授团队（通信作者），在权威期刊Science China Physics, Mechanics & Astronomy发表以题为“Resonant Enhancement of Second Harmonic Generation in Etchless Thin Film Lithium Niobate Hetero-nanostructure”(铌酸锂薄膜（LNOI @NanoLN）异质微纳结构谐振增强的二次谐波产生)的研究成果。
鉴于包含基于各向异性层的异质结所构集成连续体束缚态（BIC）光场的灵活调控优势，在文章中，提出了一种以铌酸锂薄膜为基底的二氧化硅光子晶体（如图1a-b所示）作为BIC光场的构筑结构，其中的各向异性铌酸锂薄膜为异质微纳结构提供可色散调控的光与物质的相互作用。其光场也能被有效地局域在具有强二次非线性的铌酸锂薄膜中，从而有效提高非线性光学产生，其异质微纳结构的色散关系如图1c所示。图1d则表明其光场被有效局域在异质集成微纳结构的铌酸锂薄膜中，从而有利于二次谐波的激发。
图1：a. 基于X-Cut铌酸锂薄膜的异质微纳结构示意图；b. 单个原包结构的示意图；c. 异质微纳结构的理论能带结构；d. x-y截面的计算场分布图。
通过优化基于LNOI的异质微纳结构的设计并完成该结构的制备，通过角度分辨传输光谱实验测得其色散关系与理论吻合，如图2a和2b。
图2：a. LNOI异质微纳结构（周期P=395nm，孔径D=210）的能带关系和对应的Q值，灰度值代表Q值的大小；b. 通过角度分辨传输光谱实验测得异质微纳结构的色散关系。
图3a和b为LNOI异质微纳结构的制备电镜图（SEM），而异质微纳结构的制备由于不用刻蚀铌酸锂，更兼容CMOS制备工艺。而且从图3c和d中可知，实验测得其色散关系可找到对应类BIC的谐振峰，在波长为832.3 nm处的谐振峰Q值接近1000。
图3：a. LNOI异质微纳结构的制备电镜图（SEM）；b. 结构的放大图；c和d. 分别为LNOI异质微纳结构的传输光谱和实验结果的拟合曲线。
利用如图4a的实验测试装置，可以测量其二次谐波的产生效率和增强效应，通过比较LNOI有无异质微纳结构结构的二次谐波强度的对比（如图4b），可以量化出其二次谐波的增强因子约为1500。其二次谐波转化效率可以直接从实验测得的泵浦光功率和二次谐波光功率得到(图4c)。与此同时，二次谐波产生的偏振相关特性也从实验结果得到了验证。
图4：a. 实验测试装置示意图；b. LNOI有无异质微纳结构结构的二次谐波产生的对比；c. 泵浦功率与二次谐波产生功率的对应关系；d. 二次谐波产生的偏振相关特性。
结合各向异性的LNOI异质微纳结构可色散调控实现非线性光波产生的效率，这种有效增强光与物质相互作用的机制具有灵活的光场调控性，在显微成像、非线性光集成、量子光子器件等微纳尺度的集成光子学中具有广泛的潜在应用。暨南大学理工学院光电工程系研究生黄志进等同学和暨南大学李向平教授、广东工业大学徐毅教授参与了相关研究工作，该研究得到国家自然科学基金、广东省杰出青年基金和广东省国际科技合作项目的资助。
文章连接：
https://doi.org/10.1007/s11433-022-1937-8
Z. Huang, et al., Resonant enhancement of second harmonic generation in etchless thin film lithium niobate heteronanostructure, Sci. China-Phys. Mech. Astron. 65, 104211 (2022)
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