基于鈮酸鋰納米光子平臺的飛焦飛秒全光開(kāi)關(guān)

  論文題目：Femtojoule femtosecond all-optical switching in lithium niobate nanophotonics

  作者：Qiushi Guo, Ryoto Sekine, Luis Ledezma, Rajveer Nehra, Devin J. Dean,Arkadev Roy, Robert M. Gray, Saman Jahani, Alireza Marandi

  完成單位：加州理工學(xué)院，康奈爾大學(xué)

  論文導讀

  光學(xué)非線(xiàn)性對集成光子學(xué)中的應用至關(guān)重要，包括全光信息處理、光子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )和片上超快光源。然而，大多數納米光子平臺的固有非線(xiàn)性較弱，需要通過(guò)大驅動(dòng)能量、高Q腔或與其他具有更強非線(xiàn)性的材料集成，這極大地阻礙了該領(lǐng)域的發(fā)展。近日，來(lái)自加州理工學(xué)院和康奈爾大學(xué)的科研人員利用鈮酸鋰納米波導的強瞬時(shí)二次非線(xiàn)性實(shí)現了無(wú)腔全光開(kāi)關(guān)，并以“Femtojoule femtosecond all-optical switching in lithium niobate nanophotonics”發(fā)表在Nature子刊Nature Photonics上。該工作為實(shí)現片上超快和節能的全光信息處理、計算系統和光源打下良好基礎。

  研究背景

全光信息處理被認為是可以消除電子和光電系統帶寬和能耗限制的先進(jìn)技術(shù)，但光學(xué)系統非線(xiàn)性通常較弱，限制了全光信息處理的發(fā)展?；诹⒎椒蔷€(xiàn)性(χ(3))半導體材料與可飽和吸收的全光開(kāi)關(guān)通常需要皮焦或更高數量級的脈沖能量，在大多數場(chǎng)景并不適用;而基于光腔增強的非線(xiàn)性效應會(huì )使得光開(kāi)關(guān)的時(shí)間增加，帶寬減小。為了獲得能量和開(kāi)關(guān)時(shí)間之間的性能權衡，具有更強的瞬時(shí)非線(xiàn)性的平方非線(xiàn)性(χ(2))材料，尤其是薄膜鈮酸鋰(TFLN)成為了研究的焦點(diǎn)，該工作便利用集成的TFLN實(shí)現了超低功耗且超快的全光開(kāi)關(guān)。

  技術(shù)突破

該工作通過(guò)色散和準相位匹配，有效地利用鈮酸鋰納米波導的強瞬時(shí)二次非線(xiàn)性來(lái)實(shí)現無(wú)腔全光開(kāi)關(guān)。該光開(kāi)關(guān)由集成的TFLN非線(xiàn)性分路器構成，分路器級聯(lián)了兩個(gè)不同的相位匹配χ(2)非線(xiàn)性過(guò)程，分別是二次諧波生成(SHG)和簡(jiǎn)并光學(xué)參量放大(DOPA)。同時(shí)，經(jīng)過(guò)色散調控之后，該器件可以在長(cháng)度上對脈沖進(jìn)行時(shí)空限制，從而實(shí)現具有高消光比的超低能量(飛焦)和超快(飛秒)全光切換。另外，傳統開(kāi)關(guān)的切換源于由χ(2)非線(xiàn)性相位不匹配和輸入脈沖的自相位調制引起的倏逝波耦合的擾動(dòng)，而該工作的切換機制來(lái)自相位匹配的波長(cháng)轉換和線(xiàn)性定向耦合器的光譜選擇性，因此才獲得了創(chuàng )紀錄的卓越性能。

  圖1 全光開(kāi)關(guān)的設計和工作原理[圖片來(lái)源：NAT PHOTONICS]

  圖2 集成非線(xiàn)性分路器及其線(xiàn)性光學(xué)特性[圖片來(lái)源：NAT PHOTONICS]

  圖3 集成非線(xiàn)性分路器中的超低能量非線(xiàn)性光傳輸[圖片來(lái)源：NAT PHOTONICS]

  一觀(guān)點(diǎn)評述該工作在鈮酸鋰納米光子平臺上實(shí)現了飛焦飛秒全光開(kāi)關(guān)，該器件的超高速、低能量操作和更大的調制深度對于產(chǎn)生超短脈沖、自啟動(dòng)鎖模和產(chǎn)生的激光脈沖的長(cháng)期穩定性至關(guān)重要;飛焦開(kāi)關(guān)能量和太赫茲級別的帶寬也可以為用于通信和計算的光時(shí)分復用系統中的太比特(Tbps)全光信息處理提供全新的機遇。

  發(fā)表于：Nature Photonics論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41566-022-01044-5