可见或短波长激光器在原子、分子和光学物理中有着广泛的应用。高效的窄线宽绿光产生是许多应用中非常需要的。然而，大功率短波长激光的直接发射往往比较困难。频率转换是解决这一问题的一种有吸引力且可行的方法。在这里，我们报道了在MgO:LNOI微米波导中，通过I型非临界双折射相位匹配(BPM)实现了高效的二次谐波过程来产生绿光。该波导的归一化转换效率为37%/Wcm^2，波导对光折变效应也表现出良好的稳定性。可扩展和光纤兼容的特性使LNOI微米波导在现实应用中具有很强的吸引力。

LNOI微米波导中基频(FH)到二次谐波(SH)的非临界BPM如图1(a)所示。在非临界BPM角θ = 90◦处两者共线传播, 在此条件下不存在空间走离效应。LNOI微米波导是用紫外(UV)光刻和等离子体(ICP)蚀刻制备的。在这项工作中，我们进一步增加了蚀刻深度。顶部LNOI层的平均蚀刻深度为2.8 µm，蚀刻侧壁角为65°，脊形微米波导的顶部宽度为3.6 μm，波导长度为2 cm。图1(b)显示了制备的微米波导阵列样品的光学显微图像以及波导的横截面。图1(c)给出了在1064 nm处TE00模式和在532 nm处TM00模式以及根据微米波导尺寸的模拟有效折射率，表明在1064 nm波长附近可实现双折射相位匹配。

图1 (a) LNOI波导中非临界BPM 倍频过程示意图。(b) LNOI微波导阵列和波导端面的显微图像。(c) FH (TE00)和SH (TM00)模式在不同温度(20℃、21℃、22℃和23℃)下有效折射率的演化，显示波导中BPM波长在1064 nm左右。随着温度的升高，BPM波长红移。插图：模拟的基频和倍频模式的电场分布。

我们采用法布里-珀罗(F-P)干涉法对波导样品的传输损耗进行了评估，得到基频光在TE和TM模式下的传输损耗分别为0.3 dB/cm和0.41 dB/cm。微米波导中单通倍频的实验测量设置如图2(a)所示，其也显示了实验观测到明亮的绿光产生。测量的基频和倍频光谱如图2(b)所示，同时根据远场输出光斑可确定基频波和倍频波在波导内保持基本模态分布。图2(c)显示了在小信号近似条件下测量到的实验归一化转换效率为37%/Wcm2。考虑耦合损耗，片上转换效率估计为53%/Wcm^2。对于更高的输入功率，当泵浦耗尽时，比如在500 mW输入下，绝对转换效率为12.6%。我们的BPM微米波导很好地平衡了光纤耦合和非线性转换效率，器件性能与先前报道的一些LNOI脊形波导或TFLN纳米波导相当。最后，我们研究了倍频器的抗光折变效应及稳定性。研究发现通过MgO掺杂可以很好地减轻光折变效应。我们在2h的时间段内监测SHG的稳定性，倍频光有2%变化，主要来自泵浦光1%的波动。可见，该器件具有相对较高的效率和抗光折变效应下的良好稳定性，为高效、可扩展的绿色光源和频率转换器提供了潜在的解决方案。

图2 (a) MgO:LNOI微米波导中SHG实验装置。(b)基频和倍频波的频谱。插图：基频和倍频输出光斑。(c)基频和倍频功率之间的二次关系。在高输入功率时，随着泵的部分消耗，两者开始偏离二次方关系。

该成果发表在“Tingting Ding, Yongzhi Tang, Hao Li, Shijie Liu, Jing Zhang, Yuanlin Zheng, and Xianfeng Chen, "Noncritical birefringence phase-matched second harmonic generation in a lithium-niobate-on-insulator micro-waveguide for green light emission," Opt. Lett. 49, 1121-1124 (2024)”。

论文链接：https://doi.org/10.1364/OL.519484