【仪表网 研发快讯】近日，中国科学院上海光学精密机械研究所超强激光科学与技术全国重点实验室联合华东师范大学、深圳大学和之江实验室在弱微扰薄膜铌酸锂光学微腔(1)高效二次谐波和(2)低阈值孤子微梳产生等方面取得进展，相关研究成果分别以“Second harmonic generation with 48% conversion efficiency from cavity polygon modes in a monocrystalline lithium niobate microdisk resonator”和“Soliton microcomb generation by cavity polygon modes”为题，发表于Laser & Photonics Reviews和Opto-Electronic Advances。
薄膜铌酸锂光学微腔，结合了薄膜铌酸锂平台透明窗口宽、二阶非线性系数大和电光效应强等物理性质，以及回音壁模式光学微腔所具有的高品质因子(Q值)和小模式体积的双重优势，在高效非线性频率转换、孤子微梳产生和高亮度片上量子光源等领域具有重要应用价值。然而，这些应用对微腔的色散调控、加工精度以及周期极化提出了严格的要求。比如，在高效二次谐波产生方面，它就要求利用上铌酸锂最大的二阶非线性系数d33(~27 pm/V@1064 nm)，这通常需要引入周期极化结构来实现准相位匹配，但周期极化通常会显著增加光学微腔的损耗以及微纳加工的复杂度；在孤子微梳产生方面，它通常要求微腔必须具备反常色散，且需要抑制铌酸锂很强的拉曼活性，而实现这些条件往往以牺牲微腔品质因子为代价，导致孤子微梳的阈值较大。
在高效二次谐波产生方面，团队设计了色散合理的X切薄膜铌酸锂微盘腔，结合飞秒激光光刻辅助的化学机械抛光技术，成功制备了高品质因子的圆对称微盘腔。通过锥形光纤与微盘腔的上表面边缘直接接触耦合引入弱微扰，诱导近简并模式发生重组，形成了本征品质因子高至3.86x107的正方形模式。该模式具有两条平行边垂直于晶体晶轴的特定取向特征，在不引入精细的周期性极化工程的前提下，实现了对非线性系数d33的有效利用，并获得~80%的模场重叠积分。实验采用水平偏振的1561 nm连续光泵浦该正方形模式，激发了与微腔其他正方形模式共振的二次谐波，在4.6 mW泵浦功率下获得了绝对转换效率达到48%的高效频率转换，验证了该微腔结构在高效频率转换方面的良好性能。
图1基于薄膜铌酸锂微腔正方形模式的高效二次谐波产生。(a)微腔上二次谐波发射的光学显微图。(b)二次谐波光谱，插图：正方形模式相对于晶轴的空间分布。
在低阈值孤子微梳产生方面，团队通过对微腔引入弱微扰，发展灵活的后加工色散调控手段，尝试突破铌酸锂微盘腔面临的色散调控难题。团队制备了水平偏振基模在1550 nm通信波段呈正常色散(25.5 ps2 /km)的铌酸锂微盘腔，通过锥形光纤与微盘腔耦合引入模式微扰，生成负载品质因子达4.13x106的正方形模式，并成功将其群速度色散调控至反常色散区(-4.9 ps2 /km)。实验采用1543 nm附近连续光泵浦该正方形模式时，观测到了孤子微梳产生，其光谱范围覆盖1450 nm至1620 nm的宽带区域(包含了60余根梳齿)，而且泵浦阈值仅为11 mW。
图2 基于薄膜铌酸锂微腔正方形模式的低阈值孤子微梳产生。(a)基模和正方形模式的色散，插图：微盘腔的扫描电镜图，标尺20µm。(b)孤子微梳的光谱，插图：孤子微梳产生时微腔的光学显微图。
这些研究进展，丰富了弱微扰薄膜铌酸锂微腔在色散调控方面的实践，拓展了其在非线性频率转换方面的应用，将推动片上量子光源的高效产生乃至光子集成芯片的发展。
相关研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、上海市科学技术委员会、量子科学与技术创新计划的支持。
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