基于石英微纳光纤的二阶非线性光学效应增强及应用研究

Silica fiber is a prominent carrier for nonlinear optics. Its excellent light-transparency property allows scalable optical functionalities to be linked together. However, silica material only possesses weak third-order nonlinearity, which disables the more interesting second-order nonlinear functionalities. Although micro/nano-fibers have already provided merits such as greatly-shrunk cross-section area and high-refractive-index contrast, the second-order nonlinear coefficient in silica fiber is still too low from the viewpoint of applications. In this proposal, we provide a new plan to hybrid microfiber with other structures, e.g. lithium-niobate-on-insulator slab waveguide. Our preliminary investigations reveal that several hundreds of enhancement of the nonlinear coefficient, i.e. from one hundred thousand to one million increase of energy conversion efficiency, can be achieved, which implies possible breakthroughs in laser frequency doubling and quantum correlated photon-pair generation. Meanwhile, the newly-added degrees of freedom of adjustment in our hybrid structures could provide many advantages in practical applications and possibly enable high-density on-chip integration of nonlinear functionality. Following our past efforts in developing linear functional microfiber devices, this time, we hope to expand our research to second-order nonlinear microfiber and finally lead to a more flexible platform for fiber optical applications.

石英光纤是非线性光学应用的理想平台，它优良的通光性能是光互联的重要基础。但是石英材料只有微弱的三阶非线性，如何大幅提高光纤链路上的非线性尤其是功能更为丰富的二阶非线性是光学研究的一个重要课题。微纳光纤可以缩小波导的横截面积，同时具有很强的色散调控能力，但是这些性质仍然无法满足非线性光学应用的实际需求。在本申请中，我们首次提出将石英微纳光纤与亚微米铌酸锂层状波导等结构混合起来大幅提高二阶非线性的新方案。初步研究结果表明加入铌酸锂波导之后可以使二阶非线性系数提高2-3个数量级，使高密度光学功能集成成为可能。同时，我们将对模式间相位匹配机制进行深入研究，展示出它的结构自由度给激光倍频和量子光源产生等实际应用带来的重要好处。在过去10年间，申请人在石英微纳光纤上展示了多种基于线性效应的光学应用，本项目将把工作拓展到二阶非线性领域，将极大丰富石英微纳光纤光学的研究，使其成为一个灵活方便的光学应用平台

石英光纤是人们熟知的性能优良的光波导。它的透明窗口宽，传输损耗低，无需光路对准，在许多实际应用中发挥着重要的作用。当微纳技术应用于光纤，拉制出微米/亚微米尺寸的光纤时，光纤模式的光学属性可以发生显著的人为的改动，这已经发展成为光纤技术继续进步的一个重要方向。本项目从研究如何大幅提高微纳光纤的二阶非线性效应出发，设计出了具有宽带高效率特点的“微纳光纤-铌酸锂薄膜”混合波导及器件，走出了一条从基础原理到物理效应再到实际应用的探索之路。我们在学术界中第一次清晰阐明了不对称波导之间模式杂化效应的机理，通过将多个模式调节到相邻波长范围内可以触发它们之间的模式杂化和耦合，进而将原本只在一个波长处发生相位匹配的效应推广到多个相位匹配点的情况。在这一图像的启发下，我们不仅设计成功并实验展示了半高全宽增大十倍（>100nm）的宽带二次谐波器件，而且找到了高纯度（>0.95）参量下转换的预报式单光子源波导结构。通过质子交换技术对铌酸锂薄膜进行精确的分层材料改性后，我们可以获得200微米长波导2.5×10−9的泵浦光子向信号光/闲频光转换的效率，等价于三倍于传统PPLN波导最高纪录值的归一化二阶非线性效率。得益于微纳光纤的自由悬空的结构特点，我们的量子光源器件还展现了灵活的工作波长调节功能和极低的插入损耗（<0.3dB）。这些好处叠加在一起预示着一个性能优良的量子光源器件的诞生。此外，我们搭建了精确表征光纤基数据传输性能的全套系统，对经典传输和量子传输分别进行了偏移耦合条件测试和偏振态层析测试。经过四年的努力，本项目完成了预设目标，在微纳光纤器件的机理研究和实际应用方向上探索出一条前景光明的道路。将微纳波导模式调控、新材料加工制作、和新应用场景展现这三个方面的研究内容融合起来，相信可以发展出更多有实际应用价值的光纤基微纳光子器件。