Chinese Optics Letters 2022年第11期Editors’ Pick:
Zhenzhong Hao, Li Zhang, Jie Wang, Fang Bo, Feng Gao, Guoquan Zhang, Jingjun Xu. Sum-frequency generation of a laser and its background in an on-chip lithium-niobate microdisk[J]. Chinese Optics Letters, 2022, 20(11): 111902.
铌酸锂晶体光学微腔，兼具铌酸锂晶体优异的非线性光学性质和微腔模式体积小、品质因子高的特性，可以极大增强光与物质的相互作用，是开展非线性光学效应和频率转换器件研究的重要平台。
非线性光学频率转换可被用于制备量子光源、脉冲光源等，也可用于成像、弱光探测等领域的研究中。近年来，研究人员不仅实现了接近铌酸锂材料吸收极限的高品质因子光学微腔的制备，同时高效率的非线性光学频率转换，如二次谐波、和频、差频产生，参量下转换过程，四波混频等相继被报道。
由于铌酸锂晶体本身具有较强的二阶非线性，在开展非线性光学频率转换相关实验时，往往会观察到许多不明来源的非线性信号。
南开大学弱光非线性光子学教育部重点实验室郝振中等人在Chinese Optics Letters ，2022年第20卷第11期上发表了题为“Sum-frequency generation of a laser and its background in an on-chip lithium-niobate microdisk”的文章，对实验中观察到的多峰非线性信号的来源进行了研究，并讨论了其对非线性过程的影响，进一步加深了对于铌酸锂微腔体系的理解。
图1 光学微腔多峰非线性信号光谱图与泵浦波段透射光谱
该研究小组在开展基于铌酸锂微腔的二次谐波产生的研究中，观察到了除二次谐波信号以外的一系列强度不一的非线性信号，见图1（a）。而该现象曾多次在类似的体系中被观察到，却始终无法给出合理的解释。起初研究者认为该信号可能来自于高强度泵浦激发了晶体在泵浦波段的三阶非线性效应，再经历倍频过程产生。然而，在对透射光谱进行表征探测后，并未发现任何三阶非线性信号。随后，在对透射光谱分析时发现，其泵浦光源除工作波长以外，同时具有较强的边带噪声，如图1（b）长波方向。
通过对多峰非线性信号波长、激光工作波长和微腔谐振波长的测量和计算，以及多峰非线性信号功率对泵浦功率响应特性进行研究后，研究者认为该现象是激光工作波长与较强的宽谱边带噪声之间的和频效应。
该效应可被用于非相干弱光探测等相关研究中。尽管在特定场景下该效应或许会产生不利影响，如造成泵浦能量耗散、不利于位相锁定等，但采取高边模抑制比的泵浦光源或者引入光学带通滤波器、能够有效抑制非线性噪声的产生。
该现象也从另一个角度反映了铌酸锂微腔在非线性光学频率转换效应研究方面所具备的巨大潜力，结合（准）相位匹配技术和色散工程可以进一步提升非线性转换效率、拓展非线性频率转换带宽，以及开展级联非线性频率转换等方面的研究。
南开大学弱光非线性光子学教育部重点实验室在铌酸锂晶体材料生长、调控、加工和应用等方面的研究已有数十年的积累。近年来，在铌酸锂薄膜集成光学器件方面的研究取得了一系列进展。实验室成功实现了高品质因子二氧化硅-铌酸锂复合微腔，单晶、多晶、周期极化、稀土离子掺杂铌酸锂微腔的批量制备；对铌酸锂微腔共振波长的主动调控，热光效应，倍频、和频等非线性光学效应也开展了系统研究；还成功制备了片上微盘、微环腔激光器和光波导放大器等器件。
[1]. Lithium Niobate Based Photonic Devices 2021.
[2]. Renhong Gao, Ni Yao, Jianglin Guan, Li Deng, Jintian Lin, Min Wang, Lingling Qiao, Wei Fang, Ya Cheng. Lithium niobate microring with ultra-high Q factor above 108[J]. Chinese Optics Letters, 2022, 20(1): 011902.
[3]. Chunyan Jin, Wei Wu, Lei Cao, Bofeng Gao, Jiaxin Chen, Wei Cai, Mengxin Ren, Jingjun Xu. Fabrication of lithium niobate metasurfaces via a combination of FIB and ICP-RIE[J]. Chinese Optics Letters, 2022, 20(11): 113602.
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