【儀表網 研發快訊】近日，上海交通大學物理與天文學院鄭遠林、陳險峰教授研究組研究了非線性晶體納米腔中增強的光參量過程，在薄膜鈮酸鋰中通過Anapole共振機制克服了材料的折射率限制并將光強局域在納米腔內，實現了四個數量級的二次諧波增強。該成果以“Enhanced second-harmonic generation in thin-film lithium niobate circular Bragg nanocavity”為題發表在Nano Letters 24, 11676 (2024)。
 

　　二階非線性效應可引發許多獨特的物理現象，例如二次諧波產生，這在基礎科學和各種應用中起著重要作用。微納尺度下光與物質相互作用過程，特別是非線性參量過程，有賴于材料本身強非線性還需將光局域在小模式體積內以增強作用強度。在各種材料中，鈮酸鋰是目前最廣泛使用的非線性晶體之一，它具有強烈的二階非線性效應。而鈮酸鋰折射率并不太高，對鈮酸鋰的加工也十分困難且蝕刻側壁也不夠陡直，這限制了其將光束限制在納米尺度的能力，從而限制了其在納米光子學中的應用。
 

　　團隊在納米薄膜鈮酸鋰(TFLN)平臺上利用圓形布拉格環柵腔(CBG)并在腔中心盤內設計Anapole共振條件將光限制在1.5個波長直徑內，最終實現了非線性效應的顯著增強。CBG結構以其高光收集效率和垂直表面發射而廣泛應用于激光器、量子發射器和非線性器件中。Anapole共振由于振蕩電偶極矩和環形偶極矩遠場輻射模式相消干涉而沒有遠場輻射，是在亞波長尺度上增強光與物質相互作用的理想選擇。在此研究中，團隊在x切薄膜鈮酸鋰上的CBG中實驗實現了Anapole共振增強的二次諧波產生，見圖1。在泵浦強度為1.9 MW/cm^2下的歸一化轉換效率達1.21×10^-2 cm^2/GW；相比于薄膜鈮酸鋰，增強因子達到了42000倍。此外，團隊還研究了橢圓形布拉格環柵腔(EBG)中二次諧波產生的特性，并在不降低非線性轉換效率(約10^-2 cm^2/GW)的情況下實現了s/p入射光偏振無關二次諧波的產生。
 

　　圖1. (a,b) CBG增強二次諧波過程示意圖，(c,d) CBG的電子顯微圖和原理圖，(e,f) 光場模式在CBG中心盤內分布，(g,h) Anapole共振波長下的電場和磁場分布。
 

　　在鈮酸鋰基集成非線性光學平臺上，人們利用過各種機制來增強非線性過程。通過將金屬與鈮酸鋰結合可以提高二次諧波的轉換效率，但金屬的歐姆損耗、零體二階非線性以及低損傷閾值導致非線性轉換效率較低。受鈮酸鋰的折射率限制，鈮酸鋰納米顆粒Mie共振的品質因數一般低于100，從而也限制了其非線性效率。Fano和Anapole共振、導模共振(GMR)和membrane 超表面結構等已將歸一化轉換效率提高到10^-5 cm^2/GW甚至更高。鈮酸鋰光柵波導(LNGW)結構理論上可以實現10^-3 cm^2/GW的轉換效率，但實現起來比較困難。團隊利用薄膜鈮酸鋰上CBG結構來增強二次諧波產生的效果已超越當前鈮酸鋰納米尺度上其他同類的非線性轉換效率，實現了在最低泵浦強度下的最高歸一化轉換效率，性能對比如圖2。
 

圖2. 不同共振機制增強二次諧波的性能對比。
 

圖3. 薄膜鈮酸鋰平臺上基于各類增強機制的非線性效應研究進展。
 

　　團隊的方案還可以擴展到其他非線性光學平臺，如過渡金屬二硫化物和III-V族半導體等。該工作為在無相位匹配條件下研究納米尺度非線性光學提供了一種新途徑。這一方向的發展動力近年來表現強勢，圖3顯示的是薄膜鈮酸鋰平臺上各類非線性共振增強機制的最新進展。未來人們期望能將非線性歸一化效率再提高兩個數量以上，實現更高效的非線性光學調控器件。
 

　　陳險峰研究組近年來在薄膜鈮酸鋰光子芯片領域獲得了系列重要的進展。研制出超過100GHz的薄膜鈮酸鋰MZ調制器，以及高速相位、偏振和空間光調制器光子芯片。研制出微米級周期性極化薄膜鈮酸鋰波導光子芯片，其激光頻率轉換效率達到國際先進水平，已經得到廣泛應用。研究得到國家基金委重大項目、重點項目、國家重點研發計劃、國家量子2030專項、上海市科技重大專項等項目支持。研究組正在開展面向下一代光通信、微波光子學、光計算、量子計算等應用的高性能薄膜鈮酸鋰光子芯片研發，已經取得了重要進展。
 

　　物理與天文學院博士生李增亞為論文第一作者，鄭遠林和陳險峰教授為共同通訊作者。論文合作者還包括物理與天文學院胡卓然、葉曉娜、毛正陽、馮娟、黎浩、劉時杰、王波。