基于铌酸锂纳米光子平台的飞焦飞秒全光开关

  论文题目：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

  完成单位：加州理工学院，康奈尔大学

  论文导读

  光学非线性对集成光子学中的应用至关重要，包括全光信息处理、光子神经网络和片上超快光源。然而，大多数纳米光子平台的固有非线性较弱，需要通过大驱动能量、高Q腔或与其他具有更强非线性的材料集成，这极大地阻碍了该领域的发展。近日，来自加州理工学院和康奈尔大学的科研人员利用铌酸锂纳米波导的强瞬时二次非线性实现了无腔全光开关，并以“Femtojoule femtosecond all-optical switching in lithium niobate nanophotonics”发表在Nature子刊Nature Photonics上。该工作为实现片上超快和节能的全光信息处理、计算系统和光源打下良好基础。

  研究背景

全光信息处理被认为是可以消除电子和光电系统带宽和能耗限制的先进技术，但光学系统非线性通常较弱，限制了全光信息处理的发展。基于立方非线性(χ(3))半导体材料与可饱和吸收的全光开关通常需要皮焦或更高数量级的脉冲能量，在大多数场景并不适用;而基于光腔增强的非线性效应会使得光开关的时间增加，带宽减小。为了获得能量和开关时间之间的性能权衡，具有更强的瞬时非线性的平方非线性(χ(2))材料，尤其是薄膜铌酸锂(TFLN)成为了研究的焦点，该工作便利用集成的TFLN实现了超低功耗且超快的全光开关。

  技术突破

该工作通过色散和准相位匹配，有效地利用铌酸锂纳米波导的强瞬时二次非线性来实现无腔全光开关。该光开关由集成的TFLN非线性分路器构成，分路器级联了两个不同的相位匹配χ(2)非线性过程，分别是二次谐波生成(SHG)和简并光学参量放大(DOPA)。同时，经过色散调控之后，该器件可以在长度上对脉冲进行时空限制，从而实现具有高消光比的超低能量(飞焦)和超快(飞秒)全光切换。另外，传统开关的切换源于由χ(2)非线性相位不匹配和输入脉冲的自相位调制引起的倏逝波耦合的扰动，而该工作的切换机制来自相位匹配的波长转换和线性定向耦合器的光谱选择性，因此才获得了创纪录的卓越性能。

  图1 全光开关的设计和工作原理[图片来源：NAT PHOTONICS]

  图2 集成非线性分路器及其线性光学特性[图片来源：NAT PHOTONICS]

  图3 集成非线性分路器中的超低能量非线性光传输[图片来源：NAT PHOTONICS]

  一观点评述该工作在铌酸锂纳米光子平台上实现了飞焦飞秒全光开关，该器件的超高速、低能量操作和更大的调制深度对于产生超短脉冲、自启动锁模和产生的激光脉冲的长期稳定性至关重要;飞焦开关能量和太赫兹级别的带宽也可以为用于通信和计算的光时分复用系统中的太比特(Tbps)全光信息处理提供全新的机遇。

  发表于：Nature Photonics论文链接：https://www.nature.com/articles/s41566-022-01044-5