撰稿|由课题组供稿
近日，华中科技大学夏金松教授课题组与中国科技大学任希峰教授、郭光灿院士团队合作，利用高品质因子一维异质结构微腔来增强薄膜铌酸锂的非线性转换效率，对比未图形化的平坦薄膜铌酸锂，实验测试得到二倍频强度提升超过1200倍，该研究成果以“Strongly Enhanced Second Harmonic Generation in a Thin Film Lithium Niobate Heterostructure Cavity”为题发表在《Physical Review Letters》上（Phys. Rev. Lett. 127, 144502(2021)）。华中科技大学助理研究员袁帅、中国科技大学博士后吴赟琨为该论文共同第一作者，通讯作者为华中科技大学夏金松教授和中国科技大学任希峰教授。合作者包括中国科技大学院士郭光灿、研究生祁晓卓，华中科技大学讲师曾成、研究生党中州。
具有优异光学性能的铌酸锂[LiNbO3，(LN)]是光学领域的关键材料。近年来，在低折射率衬底上成功制备的亚微米厚度的单晶LN，开创了绝缘体上铌酸锂(LNOI)的新型集成光电子器件平台。随着LNOI微纳加工技术的发展，各种高性能光电子器件在其上得到展示，如高速低驱压电光调制器、光频梳、PPLN等。特别来说，LN的高二阶非线性系数χ(2)和宽透明窗使其成为二阶非线性光学相互作用的理想材料。为了增强LNOI波导中的非线性过程，可采用准相位匹配方法来补偿相速度失配，或者利用梯度超表面来实现无需相位匹配的波长转换。此外，还可以利用高质量因子(Q值)光子晶体腔来实现亚波长尺寸的无相位匹配非线性转换。另一方面，考虑到光学谐振结构中的显著场增强和灵活的自由空间光耦合，谐振超表面、导波模谐振器等结构也是实现高非线性转换的理想选择。目前，已报道LN超表面实现可见光波段二倍频（SHG）转换效率超过10倍的提升，这一结果还待进一步提高，主要受限于Q值不够高和光场约束能力弱。
为了解决上述问题，在本研究中，研究人员通过对结构参数的合理设计，提出了在Γ点(对应于正入射)实现高Q值和强光场限制光学谐振的异质结构光子晶体微腔方案。通过导波模谐振器（GMR）与分布式布拉格反射镜（DBR）的结合，实现光场局域化和场增强，从而大幅提升二倍频转换效率。器件结构如图1（a）所示，器件制备使用的LNOI晶圆由500 nm厚的x-切割LN薄膜、3 μm厚的SiO2缓冲层和500 μm厚的石英衬底组成，器件结构包括中心光栅耦合器(GC)和双侧DBR，通过结构参数设计，可使GC所支持的导波模谐振落于两侧DBR的光子禁带中，从而将谐振限制在中心区域。器件设计为对沿Z方向偏振的光产生谐振并增强，与LN二阶非线性系数最大值的方向对应。在GC和DBR区域之间引入的相移(PS)区域是为了匹配谐振相位，可用于调节共振波长和强度。
图1 (a)LNOI导波模谐振器的结构示意图；(b)背面泵浦及SHG信号产生示意图；(c)一维DBR能带结构与(d)导波模谐振的色散特性；(e)导波模谐振模场分布。
图2 器件的扫描电子显微镜（a）俯视图与（b）横截面图
利用电子束曝光和感应耦合等离子体刻蚀等工艺，研究人员成功制备了高质量的LNOI导波模谐振器，器件的扫描电子显微镜图如图2中所示。搭建透射光路测试系统对所制备的一系列器件进行测试，并与时域有限差分仿真结果对比，两者能够较好吻合，如图3（a-f）所示。
图3 实验测量得到器件透射谱随（a）晶格常数、（b）刻蚀齿宽和（c）相移区宽度的变化；（c-f）与实验结构参数对应的时域有限差分仿真透射谱
通过无源测试确认器件具有窄线宽（高Q值）和大消光比（强限制）的特性后，研究人员还搭建了空间光非线性测试系统（图4（a）），利用1550nm波段的飞秒激光器对器件进行泵浦，产生的倍频光谱如图4（b）所示，倍频光的峰值波长对应于器件谐振波长的一半。对比不同器件的倍频强度，研究人员发现倍频光转换效率的增强倍数与器件的Q值具有一定的对应关系：Q值较大的器件通常刻蚀深度小，对于光场的限制能力较弱，与泵浦光耦合效率低；Q值较小的器件刻蚀深度大，但带来的局域场增强较小。所制备器件中最小线宽达到0.3nm，Q值超过5000；而实现的最大二倍频转换效率提升超过1200倍，归一化转换效率为2.03 × 10-5 cm2/GW，是同类型器件中的最佳结果。
图4 （a）倍频光测试系统示意图；（b）测试得到的二倍频光谱；（c）二倍频增强倍数随器件线宽的变化；（d）二倍频线宽随器件谐振峰线宽的变化；（e）倍频光增强倍数与偏振的关系；（f）倍频光强度随泵浦功率的变化
综上所述，研究团队展示了基于LNOI材料的高Q值导波模谐振器。利用异质结构光子晶体设计实现了局域场增强，实现了1200倍以上的倍频转换效率提升，在泵浦强度为0.05 GW/cm2时实现了高达2.03 × 10-5 cm2/GW的归一化转换效率。研究结果显示了高Q值 LNOI器件的潜力，并为LNOI平台的片上光子非线性转换器件及系统铺平了道路。
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.153901
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