用于非均匀二次谐波产生的光子集成电路
摘要：GaAs基激光器与倍频波导的异质集成为在所谓的绿隙中实现可扩展相干源提供了一条清晰的途径，但到目前为止，倍频系统一直依赖于单独制造的激光器来提供足够的功率用于二次谐波产生。在这项工作中，提出了一种光子集成电路（PIC），它减轻了对集成倍频器的性能要求。两个增益部分通过波导连接，中间有一个变频器和一个波长分离器。基波光在增益部分之间循环，直到它被转换并通过波长分离器发射。讨论了这种分离增益PIC的变体，PIC是用薄fflm铌酸锂和直接键合的GaAs基激光器实现的，通过片上刻面和绝热锥耦合，实现了515-595nm范围内的可见光产生。
2.二次谐波发生PIC
所提出的PIC如图1a所示：两个增益部分相互指向，远端有高反射率反射镜。在较近的端部，两个增益部分耦合到两个TFLN波导中。这些波导通过波长分离器彼此耦合，该波长分离器传输增益波长但不传输二次谐波波长的光；理想情况下，所有基波光都在两个波导之间传输，而没有二次谐波光传输，如图1b所示。在其中一个波导上，包括倍频结构（特别是周期性极化的铌酸锂波导）。因为在倍频器中转换的光不会在波导之间传输，所以它会作为输出离开系统。当两个增益部分被充分泵浦时，PIC在增益波长处振荡，但其输出是二次谐波光。
图1 用于二次谐波发生（SHG）的光子集成电路（PIC）。（a）基本分离增益PIC。（b）用于波长分离的定向耦合器。（c）多增益部分PIC。（d）共振SHG PIC。（e） 游标环PIC。
4.结果
尽管存在制造困难，但激光器和功能分离增益PIC都用三种键合外延进行了演示。如图1c所示，在室内照明下，眼睛可以看到稳定的二次谐波，在多个分离的增益PIC中测得最佳性能。
图2a-b显示了完整的设备（数码单反相机图像和显微镜图像），图2c-h显示了不同设备在运行中的被动部分的相机图像，有和没有Thorlabs FGS900短通波长滤光片来去除散射的基波。未滤波和滤波的相机图像的对比清楚地表明，二次谐波光是在两个增益区域之间的TFLN波导中产生的。值得注意的是，最亮的区域在PPLN部分之外，这表明二次谐波频率的高阶模式与基频的传播模式提供了最佳的相位匹配。
由于高阶模与侧壁的相互作用更强，因此转换为高阶模会增加上述波导蚀刻问题的损耗贡献。
图2 异质集成二次谐波产生。（a）二次谐波发生光子集成电路（SHG PIC）的数码单反相机图像，Thorlabs FGS900。（b）SHG PIC的显微镜图像（无抖动）。（c-e）具有1030 nm QW、1180 nm QW和1150 nm QD外延的SHG PIC的显微镜图像（无滤光片）。（f-h）用抖动器重复来自（c-d）的图像（FGS900）。（i-k）（c-d）中器件的光谱。
使用横河AQ6374光谱分析仪（OSA）测量了该输出的光谱，表明SHG光必须分别在1030 nm QW、1180 nm QW和“1150 nm”QD器件中在大约517 nm、597 nm和580-590 nm的波长处产生（图2i-k）。这些值与眼睛和各种相机观察到的颜色非常吻合。在最高驱动电流下，量子点器件在激发态（在1100纳米的低值）的激光更强烈，SHG光呈现出明显更绿的颜色。
通过使用银抛物面镜准直向上散射的光来测量SHG功率。准直光束通过Thorlabs FGS900和FGB37荧光镜，以高放大设置进入PDA100A2探测器。该设置如图3a所示。通过这种设置，三个增益部分的偏置电流被一起扫到750 mA的最终组合电流，如图3b-d所示。（由于两个左增益部分共享触点，它们被一起驱动到500 mA的组合电流，而右增益部分被驱动到250 mA，为所有增益材料提供了相似的电流密度。如图3b-d所示，1030 nm QW PIC测得的光功率大于0.5 nW，而1180 nm QW和1150 nm QD PIC各自产生的光功率均大于2 nW。考虑到大部分散射光没有被引导到聚焦镜中，产生的功率可能高于这些曲线所示。
由于PIC的性质和制造过程中器件之间的差异，无法准确估计光转换效率。然而，二次谐波壁塞效率（WPE）如图3b-d所示。在550-600nm范围内，WPE>2E-9。性能较好的设备（图3c和图3d）中的WPE曲线看起来相对不稳定（尽管有噪声），而不是增加。这种行为表明，频率转换过程是一种线性损耗机制，这意味着频率转换是饱和的。由于饱和转换效率随着相位失配而下降，因此通过校正准相位匹配，饱和效率有望显著提高。
图3 二次谐波发生光子集成电路（SHG PIC）的测量。（a） 用于测量散射二次谐波的测量装置。光用抛物面银镜准直，穿过两个滤光片（Thorlabs FGS900和FGB37），然后用Thorlabs PDA100A2可变放大光电二极管收集。（b-d）使用1030 nm QW、1180 nm QW和1150 nm QD外延测量SHG PIC的二次谐波功率。二次谐波壁塞效率以十亿分之几绘制。
