宽带相干光源，如超短激光、超连续谱产生（SCG）和光频梳（OFCs）等，在各种基础物理和重要应用中至关重要，如精密计量、光谱学和时钟同步。人们在高非线性和光子晶体光纤以及各种集成光子学平台上已经实现了近红外（NIR）范围内跨倍频的SCG和OFCs。过去几十年里，SCG和OFC范围已经很好地扩展到近红外和更长的波长，但由于材料色散较强，直接产生可见光或紫外短波长的宽带相干发射仍然是一个巨大的挑战。到目前为止，光谱展宽机制仍然主要依赖于三阶非线性效应。一种很有前途的波长扩展或频率转换方法是使用三波混频过程，如二次谐波产生（SHG），将近红外SCG或OFC转换为其谐波可见光波段。这种机制优点是二阶非线性数量级远大于三阶非线性。然而色散使得长相互作用长度内很难实现大带宽的非线性频率转换。由于受到严格的相位匹配条件限制，SHG通常需要在转换带宽和效率之间进行权衡。因此缓解或解决大带宽相位匹配问题对于SCG和OFCs以及其他更广泛的非线性光混频过程至关重要。

我们在LNOI微米级脊形波导中通过适当的色散管理实现了紧凑型和光纤兼容的宽带相位匹配和高效二次谐波过程。我们在实验上获得了跨倍频程的双折射相位匹配（BPM）二次谐波产生，即从近红外到可见光范围的超连续光谱的超宽带倍频转换。采用光纤-波导-光纤的方式，在低插入损耗的情况下，在近红外范围内实现了135THz的大频率范围转换和针对100 pJ能量泵浦的1%的高转换效率。我们的方案提供了一种灵活的方式可以直接将宽带光从近红外范围转换为可见光范围。该方案为构建跨倍频程的短波长SCG和OFCs提供了一种有有效的范例。

图1 用于超宽带频率转换的LNOI微米波导原理图。 LNOI微米波导中跨倍频SHG的概念说明，将近红外SCG或OFCs转换为可见范围。插图: 微米波导的端面SEM图像和模拟的在1550 nm波长处的光学模式轮廓。LN光轴沿z轴方向。

在实验中，我们采用近红外超连续谱光源作为泵浦来验证跨倍频程SHG并研究了二阶非线性变频过程。其原理图如图2a所示，实验设置如图2b所示。图2c显示了实验得到的不同宽度波导产生的跨倍频程SHG光谱，实验测量的光谱结果与理论预测结果吻合较好。近红外超连续光谱的频率翻倍达到550-1100纳米的范围（跨越270THz）。随着波导宽度从4.4μm增加到7.2μm，产生的宽带SH谱也分别在长波和短波方向上变宽，这与理论预测一致。可见光谱-30 dB带宽约为550 nm，对应的BPM谱宽为Δλ≈1100 nm或Δf≈135 THz，相应的，带宽-长度乘积为ΔλL≈22 000μm^2。为了进一步验证宽带BPM机制，我们还使用连续光（cw）和脉冲光激光器进行了SHG实验。在7 mW脉冲光输入下，光纤-芯片-光纤的转换效率约为3.5%，对应片上转换效率为17.5%。

图2  LNOI微米波导中跨倍频程SHG。（a）从近红外超连续谱到可见光谱转换过程的示意图。（b）宽带SHG实验装置。（c）不同宽度LNOI微米波导实验和理论宽带SHG光谱图。插图:倍频过程中波导芯片俯视照片。

该成果发表在“Yongzhi Tang, Tingting Ding, Yuting Zhang, Wenjun Ding, Yiwen Huang, Jiayu Wang, Hao Li, Shijie Liu, Yuanlin Zheng, and Xianfeng Chen Octave-Spanning Second-Harmonic Generation in Dispersion Engineered Lithium Niobate-on-Insulator Micro-Waveguide, Advanced Photonics Research, 2400051 (2024)”。

论文链接：http://doi.org/10.1002/adpr.202400051