宽带的二阶非线性过程可以用于波分复用网络、超短脉冲非线性、量子密钥分配和宽带单光子源生成，一直以来广受研究人员的关注。一般来说，大带宽的非线性过程要求在较宽的频谱范围内满足相位匹配条件，这意味着基频与非线性谐波的群速度和相速度需要在时域上同时匹配。我们在X切薄膜铌酸锂(TFLN)微纳光子结构上实现了非线性带宽的大幅提高。基于双折射诱导的倍频光模式杂化，当光在片上的跑道环中传播一个周期（一圈）过程中，群速度失配的符号会在直道和弯道上发生周期性的正负交替性改变，从而满足准群速度匹配（QGVM）条件。运用这个方案，我们在跑道环腔和弯曲波导中实现了十至几十倍的倍频带宽增大。通过进一步的亚微米波导色散设计和结构优化，该片上QGVM还可以应用于飞秒激光脉冲的和频产生(SFG)、差频产生(DFG)和光参量振荡(OPO)等参数过程。

我们在X切TFLN上设计并制备了如图1（a）的跑道型微环谐振器，其中直道沿铌酸锂晶体Y轴方向，长度为L0，弯道半径为R。这一结构用到了课题组在之前工作中提出的自发准相位匹配（SQPM），即光在跑道腔传播过程中，在两个直道部分感受到符号相反的有效非线性系数deff，且在弯道部分FW与SH积累特定的相位差，如图1（b）所示，该方案可以通过仔细的结构设计实现不需极化的准相位匹配非线性过程。在弯道部分，由于双折射效应，SH将发生模式杂化，有效折射率将发生改变，波矢色散也将发生变化。当波导结构参数满足L0 (dΔk1/dλ)λ0=-ΠR (dΔk2/dλ)λ0时，即可以实现宽带的SQPM。

图一 x切TFLN双折射跑道型谐振腔示意图，其中SH波段光在半圆波导中经历模式杂化。(b) SQPM示意图。插图为周期性反转的有效非线性系数以及基于SQPM的SHG强度与基于完美相位匹配(PPM)、QPM和相位失配(PMM)下SHG强度的比较。(c)半圆波导中SH杂化模式和FW( TE0模式)的有效折射率对比，以及两者之间的波矢色散失配。(d)不同FW波长的波矢色散失配，在直波导中为正，在半圆波导中为负。

图二 实验装置。 (b) SQPM跑道型谐振腔C波段透射谱，(c)（b）中共振模式的洛伦兹拟合。(d) FW在各个共振模式下的SHG强度。

对比之前工作中完美满足SQPM条件与部分满足SQPM但是完美满足QGVM的跑道型微腔，如图二（d），可观察到后者倍频带宽显著变大，由1nm提升到13nm。此外，我们还将QGVM设计应用到了弯曲波导上，并演示了飞秒脉冲的倍频转换。

随着制造工艺的发展，工艺精度提高，片上器件的损耗降低。该方案可以在与CMOS工艺兼容，最简单的微环腔或者波导结构中，仅通过结构和色散的设计，实现丰富的集成非线性的宽带频率转换；可实现超短脉冲的片上无展宽频率转换，有望取代利用KDP晶体实现飞秒激光进行频率转换的方案，为未来提供芯片级别的量子光源和信息处理应用方向提供极大的想象空间。

该成果发表在“Tingge Yuan, Jiangwei Wu, Xueyi Wang, Chengyu Chen, Hao Li, Bo Wang, Yuping Chen, Xianfeng Chen, "Chip-scale nonlinear bandwidth enhancement via birefringent mode hybridization," Adv. Photon. 6, 056012 (2024)”。

论文链接：https://www.researching.cn/articles/OJfa94a34fc77e64ef