混合GaSe–SiN波导中的二次谐波与和频生成

《ACS Photonics》：Second-Harmonic and Sum-Frequency Generation in Hybrid GaSe–SiN Waveguide

硅氮光子平台通过混合GaSe材料突破二阶非线性响应限制，在直波导中实现0.06%/W SHG效率，并基于此构建光子学自相关器，结合微环共振器（Q值3.6×103）实现5300%/W高效SHG。该方案为CMOS兼容SiN光子学非线性信号处理提供新途径。

　　

氮化硅（SiN）光子平台具有超低的线性和非线性传输损耗、宽的光学传输窗口以及与CMOS兼容的制造工艺，使其成为实现线性和非线性功能的光子集成电路的理想选择。然而，由于氮化硅的中心对称性，其本质上缺乏二阶非线性光学响应（χ⁽²⁾），这限制了诸如二次谐波产生（SHG）和和频产生（SFG）等基于χ⁽²⁾的过程。在这里，我们展示了一种混合GaSe–SiN光子平台，该平台克服了这一固有限制，实现了高效的非线性效应。通过利用模式相位匹配和GaSe较强的χ⁽²⁾特性，在连续波激光泵浦下，我们在直通GaSe–SiN波导中实现了0.06%/W的SHG效率。为了进一步展示该平台的能力，我们基于混合GaSe–SiN波导产生的SHG信号实现了一个片上单次自相关器，从而能够精确测量超短脉冲宽度以及波导模式的群折射率。此外，我们还制造了一种混合GaSe–SiN微环谐振器（MRR），其共振模式的品质因数为3.6 × 10³。MRR的共振增强效应使得SHG和SFG的效率分别达到了5300%/W和2580%/W，对应的有效χ⁽²⁾值约为5.7 pm/V。随着包括具有χ⁽²⁾特性的GaSe和InSe在内的二维材料在晶圆尺度上的快速生长和集成，所展示的这一平台有望在基于CMOS的SiN光子系统中实现高效的非线性光学信号处理和特性分析。