Widely tunable optical parametric oscillation and visible light generation in 4H-SiC microresonators

技术摘要：4H-SiC 微环谐振器中的宽调谐光参量振荡与可见光产生

问题陈述
基于三阶非线性 ($\chi^{(3)}$) 的光参量振荡 (OPO) 是已证实的片上波长转换方法，但在许多材料平台中，实现宽间隔的信号光（signal）与闲频光（idler）频率仍然具有挑战性。虽然在氮化硅和铌酸锂等材料中已经实现了宽间隔 OPO，但 4H-SiC（碳化硅）此前尚未被用于此目的，尽管它具有强二阶 ($\chi^{(2)}$) 和三阶非线性的独特结合以及极低的材料损耗。此外，在芯片上产生可调谐可见光通常需要复杂的级联过程或难以在单一器件中满足的特定相匹配条件。作者旨在填补利用 4H-SiC 进行宽间隔 OPO 以及其用于向可见光谱进行混合 $\chi^{(2)}$-$\chi^{(3)}$ 级联上转换潜力的研究空白。

方法论
本研究采用色散工程方法，在 4H-SiC 微环谐振器内促进宽间隔 OPO。

• 器件设计： 作者优化了几何参数，特别是环半径 (RR) 和环宽度 (RW)，以在通信波长（~1550 nm）处实现正色散 ($\beta_2 > 0$)。模拟表明，正色散会抑制泵浦频率附近的 OPO，同时促进宽间隔波长的相匹配。设计还针对二阶 ($\beta_2$) 与四阶 ($\beta_4$) 色散的特定比例进行了优化，以最大化频率间隔。
• 制造： 制造了两种不同的器件几何结构：
  1. 一个 RR = 120 µm 且 RW = 5 µm 的环，设计用于单对 OPO。
  2. 一个 RR = 90 µm 且 RW = 5 µm 的环，设计用于利用高阶色散 ($\beta_6$) 实现双对 OPO。
• 实验装置： 使用约 1550 nm 的可调谐激光器对器件进行泵浦。使用覆盖 1200–2400 nm 范围的光谱分析仪 (OSA) 对生成的信号光和闲频光进行表征。
• 级联上转换： 利用 4H-SiC 非中心对称的晶体结构，将生成的 OPO 信号与泵浦光通过二倍频 (SHG) 和和频 (SFG) 结合以产生可见光。采用温度调谐来优化这些二阶过程的相匹配。

核心贡献与结果

1. 首次在 4H-SiC 中演示宽间隔 OPO： 作者报告了首次在 4H-SiC 微环谐振器中观察到宽间隔 OPO。通过在 ~1567 nm 处进行泵浦，他们产生了一对跨越近一个倍频程的信号-闲频对，波长分别约为 1265 nm 和 2059 nm。
2. 宽广的可调谐性： 通过将泵浦波长从 1553 nm 变化到 1587 nm，信号波长从 1205 nm 调谐至 1378 nm，闲频波长从 2200 nm 向下调谐，总覆盖范围为 1200 nm 至 2200 nm。实验数据与基于色散系数的相匹配预测高度吻合。
3. 双对 OPO 生成： 使用 90 µm 半径的器件，作者通过利用六阶色散 ($\beta_6$)，演示了同时生成两个不同信号-闲频对（内对和外对）的过程。这提供了额外的光谱自由度，其中外对波长最短可达 1209 nm，最长可达 2176 nm。
4. 通过级联过程产生可见光： 研究成功演示了将红外 OPO 输出转换为可见光谱（<700 nm）的过程。通过信号光的二倍频 (SHG) 以及信号光与泵浦光的和频 (SFG)，产生了相干的橙红色光。
   • 在泵浦波长为 1554 nm 时，在约 678 nm 处观察到一个显著的 SFG 峰。
   • 温度调谐（优化于 ~297 K）使 SFG 功率提升了超过 3 dB，证实了热控制在优化非线性效率方面的作用。
   • 生成的可见光颜色可以通过简单地调节泵浦波长来进行调谐，因为 OPO 信号相对于泵浦光的移动非常迅速。

意义
本文确立了 4H-SiC 是一个可行且极具前景的非线性波长转换平台，其范围涵盖从可见光到 2 µm 中红外区域。这项工作强调了该材料同时具备强 $\chi^{(2)}$ 和 $\chi^{(3)}$ 非线性的独特优势，从而实现了一种混合策略，即利用单个通信波段泵浦驱动级联过程 (OPO $\to$ SHG/SFG) 来产生可调谐可见光。这为无需短波长可调谐光源的片上可见光产生提供了一条新途径。作者得出结论，这些结果使 4H-SiC 微环谐振器成为量子光子学、传感和非线性光谱学等应用中集成光源的有力竞争者。