高折射率掺杂二氧化硅波导中可见超连续谱产生的动力学

《Optics & Laser Technology》：Dynamics of visible supercontinuum generation in high-index doped silica waveguide

　　

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  具有χ?2?-χ?3?耦合的HDSG波导中的可见光超连续谱产生。
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  观察到对称破缺诱导的二阶非线性。
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  实验证明了明亮的蓝、绿和红发射。
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  非线性相互作用实现了新的频率转换通道。
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  可见光非线性光子应用的集成平台。

引言

超连续谱产生（SCG）一直是光子学领域的重要研究课题，因其在光谱学 [1]、[2]、光学相干断层扫描 [3]、光通信 [4]、[5] 和计量学 [6] 等领域的广泛应用前景而备受关注。该过程涉及通过 χ⁽²⁾ 和 χ⁽³⁾ 非线性光学过程，将窄带激光源转变为宽带谱，通常在高非线性光纤和块状晶体中实现。尽管已有大量研究，但在紧凑的集成光子器件中实现高效的可见光超连续谱仍然是个挑战。

在过去十年中，人们探索了多种集成平台以实现宽带SCG，包括硅 [7]、[8]、[9]、氮化硅 [10]、[11]、硫系玻璃 [12]、氮化铝 [13]、[14]、铌酸锂（LN）[15]、[16]、[17] 以及 III-V 族半导体 [18]、[19]、[20]。特别是，铁电材料的最新进展突显了级联 χ⁽²⁾-χ⁽³⁾ 非线性相互作用在宽带光谱产生中的重要性。例如，H. Xiong 等人提出了一种级联周期极化铌酸锂波导，将近红外（NIR）SCG 与宽带相位匹配频率转换相结合，理论上可实现从可见光到中红外波段的光谱覆盖，使用标准 C 波段飞秒泵浦 [21]。T. Wu 等人通过实验证明了集成铌酸锂波导中色散工程化的 χ⁽³⁾ 和级联 χ⁽²⁾ 过程的协同相互作用所产生的高效可见光和近紫外光产生 [16]。最近，L. Wang 等人报道了在色散工程化薄膜铌酸锂波导中，从紫外光延伸到 2400 nm 以上的三个倍频程 SCG [22]。这些工作确立了级联二阶和三阶非线性作为实现相干、低噪声和超宽带片上超连续谱光源的强大途径。

在过去二十年中，与 CMOS 兼容的高折射率掺杂石英玻璃（HDSG）波导 [23] 已成为集成非线性光子学的引人注目的平台。HDSG 在可见光和近红外波段具有低线性损耗，且其克尔非线性比标准石英玻璃高 200 倍，能够在保持优异的加工容差和长期稳定性的同时实现高效的非线性过程。此外，其中等的折射率对比度能够实现有效的色散工程，同时避免与强约束纳米光子波导通常相关的过度散射损耗，使 HDSG 特别适用于宽带和可见光波长工作。除了固有的 χ⁽³⁾ 响应外，经过精心设计的 HDSG 波导还可以支持由波导芯层和包层界面处的对称破缺产生的有效 χ⁽²⁾ 过程 [24]，使得在单个集成器件中同时实现二阶和三阶非线性相互作用成为可能 [25]、[26]。

在纯 χ⁽³⁾ 平台上，克尔诱导的孤子动力学启动宽带谱扩展，而三阶上转换过程（如三次谐波产生（THG）和三阶和频产生（TSFG））可以激发可见光成分。然而，仅这些机制会对频率转换效率和谱再分配施加固有限制。相比之下，同时支持 χ⁽²⁾ 和 χ⁽³⁾ 非线性的波导引入了额外的频率转换通道，动态耦合新产生的谱成分。由此产生的协同 χ⁽²⁾-χ⁽³⁾ 相互作用从根本上改变了超连续谱的演化，实现了更高效且可控的可见光波段产生。这些发现确立了 HDSG 作为非线性谱工程的多功能平台，并为混合 χ⁽²⁾ 和 χ⁽³⁾ 集成系统中的可见光 SCG 动力学提供了新的见解。

在本工作中，我们对同时具有有效 χ⁽²⁾ 和固有 χ⁽³⁾ 非线性的集成 HDSG 波导中的可见光 SCG 动力学进行了实验和数值研究。我们系统分析了克尔驱动孤子动力学、色散波辐射和级联二阶非线性过程之间的相互作用，以产生明亮的可见光发射。我们的结果表明，χ⁽²⁾ 和 χ⁽³⁾ 非线性之间的相互作用在谱形成中起主导作用，为集成光子平台中工程化可见光超连续谱提供了灵活的策略。

章节摘要

原理与设计

对于所提出的波导，采用螺旋结构以在紧凑的芯片面积内实现长的非线性相互作用长度。相邻波导段之间保持 10 μm 的间距，以最小化不必要的波导间耦合 [27]。在此配置中，螺旋结构主要用于在紧凑的面积内提供所需的传播长度，而非线性谱演化主要由局部波导色散和非线性决定

结果与讨论

为了将谱扩展到可见光区域（尤其是 <600 nm），需要具有高峰值功率的飞秒脉冲激光器 [31]、[32]。我们采用飞秒脉冲光纤激光器（FFL，PriTel）作为 SCG 实验的泵浦源（图 1(f)）。脉冲宽度为 1558 nm 处的 390 fs，重复频率为 20 MHz，通过 FR-103XL 自相关仪测量，假设为高斯轮廓。泵浦脉冲激光的偏振态由偏振分束器（PBS）分离，保偏光纤（黄绿线位于

结论

总之，我们实验证明并数值研究了同时支持有效 χ⁽²⁾ 和固有 χ⁽³⁾ 非线性的集成 HDSG 波导中的可见光 SCG。在单个芯片上实现了明亮的蓝、绿和红发射，并系统分析了控制其形成的物理机制。除了传统的以 χ⁽³⁾ 为主导的超连续谱动力学外，我们表明引入 χ⁽²⁾ 带来了额外的频率转换通道，从而

CRediT 作者贡献声明

Yuan Yao： 初稿撰写、方法论、形式化分析、数据整理、概念构思。Zehao Li： 验证、软件、调查、形式化分析。Shuyu Lv： 调查。Xiaotian Zhu： 调查。Sai T. Chu： 资源。Roy R. Davidson： 资源。Brent E. Little： 资源。Yuhua Li： 审稿与编辑、监督、项目管理、资金获取、概念构思。Zhe Kang： 审稿与编辑、方法论、资金获取。

利益冲突声明

作者声明，他们没有任何已知的财务利益或个人关系可能影响本文所报道的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金委员会 [62105291]；和浙江科技大学基本研究基金 [26062144-Y] 的支持。

Yuan Yao | Zehao Li | Shuyu Lv | Xiaotian Zhu | Sai T. Chu | Roy R. Davidson | Brent E. Little | Yuhua Li | Zhe Kang