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供稿| 介电体超晶格实验室
导读
近日，南京大学祝世宁院士、李涛教授研究组报道了他们在铌酸锂薄膜波导研究方面取得的新进展。他们通过设计特殊的超表面光栅，同时实现了面外光场到面内导模的耦合、非线性频率转换以及波束整形的功能。成果以“Second-harmonic generation and manipulation in lithium niobate slab waveguides by grating metasurfaces”为题发表在知名光学刊物《Photonics Research》（Photonics Research 8, 1296-1300 (2020)）。南京大学现代工学院李涛教授为该论文的通讯作者，16级直博生方彬为论文第一作者。
铌酸锂晶体作为一种传统的光电材料，拥有诸多优良特性，包括较高的折射率、宽的透明窗口、低的吸收损耗，以及大的非线性光学、电光、热光和声光系数等，是未来实现光量子集成化芯片的重要基石。尤其近年来铌酸锂单晶薄膜（Lithium Niobate on Insulator, LNOI）材料的商业化生产和微纳光学加工工艺的突破，更是极大地促进了基于铌酸锂薄膜平台的光电子器件的研究和发展。
传统在铌酸锂波导内实现谐波的产生和波前调控的过程往往包含多个步骤：基波光耦入波导、满足相位匹配的频率转换以及使用额外的器件或结构对谐波进行波束整形。多个过程在降低效率的同时，也使得设计更加复杂，体积更为庞大。值得注意的是，近年来快速发展的超构表面技术，通过对亚波长结构单元的设计操控，能够灵活调控光的振幅、相位、偏振、频率等多个自由度，为复杂光场调控带来了新的可能。
本工作基于铌酸锂单晶薄膜平波波导，通过引入亚波长光栅超表面设计，将空间传输的基波光有效地转化为导波模式的倍频光，并实现了倍频光波束整形的功能。作者首先设计了具有特定周期的最普通的亚波长光栅结构，在基波光满足特定斜入射角度的条件下，利用亚波长光栅结构提供的倒格矢，实现了基波光和倍频光在波导传播方向上的波矢匹配，从而将光的耦合和非线性频率转换过程合二为一，得到了有效的倍频光的输出（图1和图2）。进一步的，作者通过引入全息设计的理念，在满足非线性相位匹配过程的同时，将所需目标光场的振幅和相位信息编码到特殊的光栅超表面结构中，实现了对倍频导波光波前的灵活调控，在实验上演示了光束的单聚焦、多聚焦以及产生无衍射的艾里光束等功能（图3）。该工作利用亚波长的光栅超构表面，将空间光到导波的耦合、基波到倍频的非线性转换、以及输出波前调控的三个过程合为一，为芯片集成的多功能光学器件的设计和应用提供了新的方案。
相关研究得到了科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金委、南京大学登峰人才计划等项目的支持。
图1. 理论设计和仿真。（a）相位匹配过程示意图。（b）FDTD仿真的倍频光场在波导内的演化。（c）FDTD仿真的不同入射角度下倍频光能量积累过程。（d）FDTD仿真的倍频光输出能量与入射角度的关系。
图2. 样品加工和实验表征。（a）不同长度仅实现倍频过程的样品SEM图和波导端面耦出光斑。（b）实验表征光路示意图。（c）实验测量倍频光输出能量和仿真结果对比。（d）实验测量倍频光能量随基波光能量平方线性增长关系。
图3. 倍频导波光波前的灵活调控。（a）（e）（i）普通实现倍频功能；（b）（f）（j）实现倍频光的聚焦功能。（c）（g）（k）实现倍频光双聚焦功能；（d）（h）（l）产生倍频的艾里光束。
文章链接
https://www.osapublishing.org/prj/abstract.cfm?uri=prj-8-8-1296
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