基于鈮酸鋰納米光子平臺的飛焦飛秒全光開關

  論文題目：Femtojoule femtosecond all-optical switching in lithium niobate nanophotonics

  作者：Qiushi Guo, Ryoto Sekine, Luis Ledezma, Rajveer Nehra, Devin J. Dean,Arkadev Roy, Robert M. Gray, Saman Jahani, Alireza Marandi

  完成單位：加州理工學院，康奈爾大學

  論文導讀

  光學非線性對集成光子學中的應用至關重要，包括全光信息處理、光子神經網絡和片上超快光源。然而，大多數納米光子平臺的固有非線性較弱，需要通過大驅動能量、高Q腔或與其他具有更強非線性的材料集成，這極大地阻礙了該領域的發(fā)展。近日，來自加州理工學院和康奈爾大學的科研人員利用鈮酸鋰納米波導的強瞬時二次非線性實現了無腔全光開關，并以“Femtojoule femtosecond all-optical switching in lithium niobate nanophotonics”發(fā)表在Nature子刊Nature Photonics上。該工作為實現片上超快和節(jié)能的全光信息處理、計算系統和光源打下良好基礎。

  研究背景

全光信息處理被認為是可以消除電子和光電系統帶寬和能耗限制的先進技術，但光學系統非線性通常較弱，限制了全光信息處理的發(fā)展?；诹⒎椒蔷€性(χ(3))半導體材料與可飽和吸收的全光開關通常需要皮焦或更高數量級的脈沖能量，在大多數場景并不適用;而基于光腔增強的非線性效應會使得光開關的時間增加，帶寬減小。為了獲得能量和開關時間之間的性能權衡，具有更強的瞬時非線性的平方非線性(χ(2))材料，尤其是薄膜鈮酸鋰(TFLN)成為了研究的焦點，該工作便利用集成的TFLN實現了超低功耗且超快的全光開關。

  技術突破

該工作通過色散和準相位匹配，有效地利用鈮酸鋰納米波導的強瞬時二次非線性來實現無腔全光開關。該光開關由集成的TFLN非線性分路器構成，分路器級聯了兩個不同的相位匹配χ(2)非線性過程，分別是二次諧波生成(SHG)和簡并光學參量放大(DOPA)。同時，經過色散調控之后，該器件可以在長度上對脈沖進行時空限制，從而實現具有高消光比的超低能量(飛焦)和超快(飛秒)全光切換。另外，傳統開關的切換源于由χ(2)非線性相位不匹配和輸入脈沖的自相位調制引起的倏逝波耦合的擾動，而該工作的切換機制來自相位匹配的波長轉換和線性定向耦合器的光譜選擇性，因此才獲得了創(chuàng)紀錄的卓越性能。

  圖1 全光開關的設計和工作原理[圖片來源：NAT PHOTONICS]

  圖2 集成非線性分路器及其線性光學特性[圖片來源：NAT PHOTONICS]

  圖3 集成非線性分路器中的超低能量非線性光傳輸[圖片來源：NAT PHOTONICS]

  一觀點評述該工作在鈮酸鋰納米光子平臺上實現了飛焦飛秒全光開關，該器件的超高速、低能量操作和更大的調制深度對于產生超短脈沖、自啟動鎖模和產生的激光脈沖的長期穩(wěn)定性至關重要;飛焦開關能量和太赫茲級別的帶寬也可以為用于通信和計算的光時分復用系統中的太比特(Tbps)全光信息處理提供全新的機遇。

  發(fā)表于：Nature Photonics論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41566-022-01044-5