#周期极化薄膜铌酸锂 #掺镁薄膜铌酸锂 #光量子器件
摘要
尽管薄膜铌酸锂促进了高效信号生成以及非线性和量子相互作用，但在集成芯片中实现能够同时提供超宽带和高增益操作的光学参量放大器仍然是一个挑战。在此，我们展示了在1.6 cm长的X-cut MgO掺杂、色散工程和自适应极化TFLN波导中的连续波泵浦OPA，实现了覆盖450 nm宽光学波长窗口的平坦顶部轮廓，对应于约56 THz的3-dB增益带宽。在报道的TFLN平台中，我们的器件表现出最宽的3-dB增益带宽。同一器件可以通过二阶χ⁽²⁾相互作用在可见光波长直接泵浦，或通过级联χ⁽²⁾过程在电信波段泵浦，后者消除了对高功率可见光泵浦激光器的需求。在直接和级联方案中，我们分别在74 mW和170 mW的片上泵浦功率下实现了8.87±0.39 dB和10.79±0.43 dB的最大增益。我们进一步直接探测了1650-1900 nm波长范围内的OPA增益，该区域的实验增益测量仍然很少。在1.21 dB/(W·mm)的归一化片上增益下，我们的器件在报道的级联χ⁽²⁾非线性过程中树立了新的基准。本工作推动了集成光学参量放大器的实现，提供了高效率、鲁棒增益、超宽带带宽和连续波操作，从而为下一代量子传感和光子系统提供了新能力。
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文章名：Ultra-broadband integrated optical parametric amplifier for quantum sensing
作者：Kai‑Chi Chang¹,*, Tushar Sanjay Karnik¹,³,*, Chun‑Ho Lee¹,², Kiyoung Ko¹, Xinyi Ren¹,², Ian Christen¹, Reshma Kopparapu¹,², Clayton Cheung¹,², Kiwon Kwon¹, Kamila Kunes¹,², Zaijun Chen¹,², Mengjie Yu¹,²,³,†
机构：1 Department of Electrical Engineering and Computer Sciences, University of California, Berkeley, CA 94720, USA
2 Ming Hsieh Department of Electrical and Computer Engineering, University of Southern California, Los Angeles, CA 90089, USA
3 Materials Sciences Division, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, CA 94720, USA
* 共同一作
1. 引言
光学放大支撑了现代信息基础设施的大部分，使长距离光传输、全球光纤网络以及从卫星链路到数据中心互连的一系列当前应用成为可能。尽管这项技术已经很成熟，但对超出标准铒波段放大的需求日益增长，这由高容量电信系统的S、C和L波段多波段传输、数据中心O波段链路、长波红外应用[1]以及近红外/可见光波长量子应用所推动。
然而，基于光纤的OPA的实际部署仍然困难，因为它们需要数百米的高非线性光纤，并且需要抑制由高泵浦功率引起的布里渊散射[2]。在过去几年中，TFLN已成为实现OPA和压缩光生成的突出材料平台，得益于其紧光学模式约束和强二阶非线性响应[3,4]。例如，压缩光在过去十年中推动了引力波探测器的重大灵敏度提升[5]，突显了其在量子传感中的价值[6-16]。它还在双梳光谱学[17]、光机械传感[18]和量子计算[19-22]中提升了性能。通过将光约束在更小的模式场尺寸中，TFLN器件实现了比块体材料显著更强的非线性[23-27]，为以显著降低的峰值功率运行的高增益OPA开辟了新的可能性，例如使用连续波泵浦。传统上，通过χ⁽²⁾非线性过程实现参量增益需要直接在基频两倍处泵浦或使用单独的非线性晶体来产生强二次谐波生成。一种更优雅的方法依赖于级联χ⁽²⁾非线性过程。该方法使得能够使用成熟的电信波段泵浦源，如掺铒放大器，而不是需要可见激光器的直接泵浦。基于Kerr[28-30]和二阶非线性[31]的OPA最近已在各种光子集成平台中得到展示，包括TFLN、氮化硅、磷化镓和薄膜钽酸锂，显示出相对于光纤对应物的明显优势[32]。
在本工作中，我们展示了在TFLN平台上实现的CW泵浦OPA。我们采用了可见光直接泵浦以及通过级联SHG和OPA过程的间接近红外泵浦。我们测量了片上CW平坦顶部参量增益，覆盖450 nm的超宽带带宽，相当于约56 THz，比传统铒放大器的带宽宽一个数量级以上，并且是TFLN平台上展示的最宽带宽。这是通过精确的集成TFLN器件增益带宽的高阶色散工程实现的，将其扩展到S、C和L波段电信波长之外[33]。在可见光泵浦下，最大增益在74 mW片上泵浦功率下达到8.87±0.39 dB。相比之下，NIR泵浦在170 mW片上泵浦功率下产生高达10.79±0.43 dB的最大增益。这是通过利用最近开发的适应性极化TFLN平台[15]上构建的准相位匹配[34,35]波导的二阶非线性实现的。此外，我们表征了1650-1900 nm范围内的OPA增益，这是迄今为止缺乏直接增益测量的区域。本工作在级联χ⁽²⁾非线性过程中实现了1.21 dB/(W·mm)的归一化片上增益，是迄今为止报道的最高值[36-41]。这些发现标志着向实际的光子集成OPA迈出了有意义的进步，这些OPA在低噪声CW区域运行，处理足够的输入功率，并为量子传感和光子系统提供超宽带平坦顶部增益。
2. 结果
如图1(a)所示，我们展示了在单次通过TFLN器件中OPA过程的示意图，包括可见光和NIR泵浦、探针光沿波导的演化。PPLN波导的双光子显微镜图像，显示其整个长度上均匀的畴反转。我们的方法使用16 mm长的TFLN波导，由602 nm厚的MgO掺杂X-cut TFLN晶圆制造[15]。我们使用适应性极化技术[15,25]来解决限制非线性转换效率的问题。PPLN波导宽度设置为1.9 µm，以最小化电信波段和可见光波长的传播损耗。图1(b)和1(c)是说明 χ² 和级联 χ² 过程的能级图。然后，在图1(d)和1(e)中，对于可见光直接泵浦和NIR泵浦，波导的损耗分别测量为0.1 dB/cm和0.4 dB/cm[15,16]。在图1(d)中，紫色线是170 mW功率的可见光直接泵浦，而红色线是74 mW功率的可见光直接泵浦。对于可见光直接泵浦，片上功率随波导传播损耗减小，并且较高的片上功率将提供比NIR泵浦情况更高的参量增益。在图1(e)中，对于NIR泵浦，这种级联方法允许在同一波导中使用SHG生成然后OPA过程。蓝线是NIR泵浦的功率，这种方法允许使用成熟的电信波段泵浦源和放大器，而不是直接可见光泵浦。通过该方案，输入耦合只需针对电信波段波长进行优化。绿线是级联 χ² 过程中建立的SHG可见光功率。对于可见光直接泵浦和NIR泵浦，参量增益放大在通过TFLN波导传播时建立。总体而言，可见光和电信波段泵浦提供了互补优势。可见光泵浦在可用足够泵浦功率时有利于高增益操作，在简并基频处促进相位敏感增益，并允许泵浦与信号的直接光谱分离和滤波。相比之下，电信波段泵浦受益于成熟的高功率源和光学组件的可用性，在芯片刻面处提供更鲁棒的功率处理，减少光折变效应，并消除了对高功率可见光激光器的需求。在本工作中，我们利用两种方案来研究TFLN器件中OPA的增益带宽和性能。我们在图1(d)和1(e)中用星号叠加了实验最大增益。
图2(a)是在高功率NIR泵浦下波导发光的OPA芯片图像。通过适应性极化设计，我们定制了局域极化周期以在完整器件长度上维持强参量增益，实现了3953.15%/W的SHG效率，如图2(b)所示。在图2(b)插图中，SHG使用电信泵浦激光器（Santec TSL 570）测量。本工作中使用透镜光纤耦合到TFLN波导，平均光纤到芯片插入损耗为4.2 dB（C波段）和5.31 dB（780 nm）。图2(c)是TFLN波导的横截面视图。器件参数如下：波导宽度1.9 µm，长度1.6 cm，侧壁角60°，刻蚀深度356 nm，氧化物厚度100 nm，总器件厚度602 nm。在图2(d)中，我们展示了TFLN波导的模拟色散系数 β₂ 和 β₄。通过拟合色散曲线，我们估计色散系数为 β₂ ≈ 3.357 fs²/mm，β₄ ≈ 1143.032 fs⁴/mm，固定泵浦波长如绿线所示。图2(e)显示了TFLN器件的模拟3-dB增益带宽，产生了宽平坦顶部增益谱。模拟OPA 3-dB增益带宽为454 nm。这些模拟使用图2(c)中的器件参数进行。图2(e)插图是总相位失配模拟。由于OPA的3-dB增益带宽由三波混频过程中的相位失配决定，我们使用相同器件参数绘制总相位失配。近零二阶色散 β₂ 和四阶色散 β₄ 的组合是在固定泵浦波长下实现平坦宽带增益分布的原因。色散关系可总结为以下方程：
其中 ω_p 和 ω_s 分别是泵浦和信号角频率。然后，我们进行NIR泵浦的OPA增益带宽测量。我们使用L波段放大器级联可调谐带通滤波器（OZ Optics）来放大电信波段泵浦，同时抑制L波段放大器的背景放大自发辐射噪声。TFLN波导的输出路由到OSA（Yokogawa AQ6370D），设置为0.1 nm分辨率带宽，根据感兴趣的波长范围选择。图2(f)是集成OPA的测量自发发射谱，显示TFLN放大器的3-dB带宽为450 nm，与我们在图2(d)中的模拟结果一致。此外，最近集成OPA的3-dB增益带宽与先前文献的比较见补充材料图S1。我们的3-dB增益带宽是TFLN平台中最宽的[33,36]。
在此基础上，我们通过784.45 nm可见光直接泵浦进行OPA增益实验，示意图如图3(a)所示。OPA芯片放置在温度控制的金属支架上，稳定性为2 mK。我们使用Booster TA放大可见光泵浦激光器，并使用片外WDM在芯片前后组合和分离强可见光泵浦与探针光。探针光设置为-30 dBm用于参量增益测量。在我们的测量中，探针光分别包括O波段（Santec 570）、S、C、L波段（Santec 570）和1650-1900 nm（Radiantis）范围。输出WDM的780 nm端口用于监测可见光泵浦光，而另一端口路由到OSA进行增益测量。在以下增益测量中，我们保持24 dBm的片外可见光功率，片上可见光功率达到74 mW。选择该功率是为了在增益测量中获得更好的稳定性。图3(b)至3(d)显示了在1360、1550和1690 nm处，可见光泵浦开启和关闭时TFLN波导芯片的测量原始光谱，分别产生1.45 dB、8.52 dB和8.26 dB的测量增益。其他波长的额外OPA增益测量见补充材料图S2。我们记录以探针光波长为中心的5 nm窗口内单个频率的增益谱，分辨率带宽为0.1 nm。在1500 nm处，最小噪声系数为3.34 dB。图3(e)至3(f)是跨O、S、C和L波段以及1650-1900 nm范围的增益测量，后者采样更密集，因为该范围内的OPA增益在很大程度上仍未被报道[33,36-41]。实验增益计算为 G = P_on/P_off，其中 P_on 和 P_off 分别是可见光泵浦开启和关闭时测量的输出探针光功率。从图2(b)的SHG测量中，通过求解耦合模方程，理论最大增益为9.25 dB。因此，我们的测量与理论和图2(f)的发射谱非常吻合，最大增益达到8.87±0.39 dB。理论最大增益的计算见补充材料图S3。在450 nm 3-dB放大带宽之外的波长处的偏差解释了那里低于预测的增益。误差条反映三次测量的标准偏差。
接下来，我们进行TFLN波导中使用1568.9 nm NIR泵浦的宽带放大测量。对于该测量，WDM被替换为90:10光纤耦合器，以覆盖探针光最宽可能的带宽。图4(a)是实验装置，我们使用L波段放大器、可调谐滤波器和OSA。在该装置中，我们将探针光保持在-20 dBm，以与图3(a)中的探针光功率水平一致。对于后续增益测量，我们保持片外电信功率为26.5 dBm，对应170 mW的片上功率，选择该水平以提高测量稳定性。在补充材料图S4中，我们提供了NIR泵浦下SHG转换效率测量与模拟的比较。实验测量的SHG转换效率峰值为87.59%，接近相似NIR泵浦功率输入下88.43%的理论极限。该理论极限来自考虑波导传播损耗的耦合模方程模拟。图4(b)至4(d)是在1360、1550和1690 nm处，电信泵浦开启和关闭时TFLN波导芯片的测量原始光谱，测量增益分别为2.05 dB、10.17 dB和10.81 dB。其他波长的额外OPA增益测量见补充材料图S5。为了与图3中的测量一致，这里增益谱在固定频率下以探针波长为中心的5 nm跨度上捕获，分辨率带宽设置为0.1 nm。在1500 nm处，噪声系数达到最小值3.48 dB。这里使用的较高泵浦功率相对于可见光直接泵浦导致略高的噪声系数。图4(e)至4(f)是覆盖O、S、C和L波段以及1650-1900 nm范围的增益测量，后者如前所述采样更密集。我们使用 G = P_on/P_off 获得测量增益，其中 P_on 和 P_off 分别是电信泵浦开启和关闭时测量的输出探针光功率。从图2(b)的SHG测量中，预测增益为11.21 dB。我们的结果与理论和图2(f)的发射谱一致，最大增益达到10.79±0.43 dB；理论最大增益的计算见补充材料图S6。在某些波长处低于预测的增益反映了在450 nm 3-dB放大带宽之外的操作。误差条代表三次测量的标准偏差。这里我们还解释了在增益测量中观察到的背景放大（图3(b)至3(d)，4(b)至4(f)）。当泵浦开启时，放大探针光的相同非线性过程也在OPA增益带宽内的其他波长处参量放大真空涨落，与先前报道一致[33,36,41]。在补充材料图S1中，我们将本工作和其他近期工作的器件长度和片上泵浦功率归一化的片上增益进行了比较。本工作在级联χ⁽²⁾非线性过程中具有最高的片上归一化增益1.21 dB/(W·mm)。
3. 结论
总之，通过使用TFLN波导，我们展示了级联和直接二阶连续波泵浦OPA，平坦顶部带宽高达450 nm。我们的波导仅1.6 cm长，设计在反常但近零群速度色散区域工作，无需通过温度或泵浦波长调整进行相位匹配调谐即可产生连续宽带宽。与光纤和块体晶体中的窄带OPA不同[32]，后者无法在光谱上自由定位，必须在具有可用高功率泵浦源的波段附近工作，我们的TFLN OPA跨越所有标准通信波段并远超出，消除了在这些成熟波长区域之外对高功率源的需求。在这个超宽带450 nm 3-dB增益带宽内，通过适应性极化技术减轻纳米尺度不均匀性，我们在低片上泵浦功率74 mW和170 mW下分别实现了8.87±0.39 dB和10.79±0.43 dB的最大增益。与先前报道的TFLN平台相比，我们的器件展示了最宽的3-dB增益带宽[33,36]。本工作在级联χ⁽²⁾非线性过程中具有创纪录的归一化片上增益1.21 dB/(W·mm)[36-41]。值得注意的是，这一性能是在最简单的器件架构——单次通过直波导中实现的。通过放弃复杂的光子结构和基于腔的增强，集成OPA在实际部署中获得了卓越的鲁棒性和可靠性。此外，TFLN中的OPA增益带宽可以进一步色散工程以覆盖更大的波长范围，使其成为宽带和双模压缩协议的有前景平台。例如，通过略微增加刻蚀深度或减小波导宽度可以实现负二阶色散系数β₂，从而产生更宽的增益带宽。此外，通过将NIR和可见光波长的波导传播损耗降低到约1.3 dB/m[15]和6 dB/m[42]，有可能将SHG效率推向其理论极限7774.72%/W。这可以在170 mW NIR片上泵浦功率下实现19.73 dB的更高光学参量增益。此外，相位敏感放大[43-46]和片上压缩光[6-16]可以进一步演示，以完全实现在标准量子极限以下的高信噪比优势。这里展示的高效、低损耗非线性集成器件不仅作为光通信[1]、光子处理器和光子计算[47]中光子学应用的重要OPA，而且作为跨越量子光学[48]和精密光谱学[17]的基础研究的多功能工具。
图注
图1. 薄膜铌酸锂波导中的芯片级OPA。 (a) 单次通过TFLN器件中OPA过程的示意图，包括可见光和NIR泵浦、探针光沿波导的演化。器件的周期性极化畴用双光子显微镜图像显示。(b)和(c)，χ²和级联χ²过程的方案。(d)和(e)，对于可见光直接泵浦和NIR泵浦，波导的损耗分别测量为0.1 dB/cm和0.4 dB/cm[15]。(d)，紫色：170 mW功率的可见光直接泵浦，与NIR泵浦情况使用相同的泵浦功率。红色：74 mW功率的可见光直接泵浦（用于我们的实验）。(e)，蓝色：对于NIR泵浦，这种方法允许使用成熟的电信泵浦源和放大器，而不是直接可见光泵浦。绿色：级联χ²过程中的SHG功率。紫色：级联χ²过程的增益。我们可以看到两种方案的参量增益放大在通过TFLN波导传播时建立。我们在面板(d)和(e)中用星号叠加了实验最大增益。
图2. 片上宽带TFLN OPA测量。 (a) 通过高功率NIR泵浦使波导发光的OPA芯片照片。(b) 线性拟合的SHG效率（3953.15%/W）。插图是通过适应性极化设计实现的TFLN波导的测量SHG谱。(c) TFLN波导的横截面视图。(d) 我们的TFLN波导的模拟二阶和四阶色散系数 β₂ 和 β₄。通过拟合色散曲线，我们估计色散系数为 β₂ ≈ 3.357 fs²/mm，β₄ ≈ 1143.032 fs⁴/mm，固定泵浦波长如绿线所示。(e) 3-dB增益带宽的模拟。我们生成了宽平坦顶部增益谱。计算的OPA 3-dB增益带宽为454 nm。插图是总相位失配模拟。这里近零二阶和四阶色散 β₂ 和 β₄ 的组合在固定泵浦波长下实现了平坦宽带增益分布。(f) 集成OPA的测量发射谱。PPLN放大器的3-dB带宽达到450 nm，与我们在面板(e)中的模拟结果一致。此外，我们还在图S1中提供了集成OPA的3-dB增益带宽与文献的总结比较。
图3. 通过可见光泵浦在PPLN波导中的宽带放大测量。 (a) CW泵浦OPA的实验装置，其中可见光以高功率运行以为探针光提供增益。我们将探针光设置为-30 dBm功率。片上可见光功率为74 mW，对应24 dBm的片外可见光功率。使用WDM来组合和分离强可见光泵浦光和探针光。(b)至(d)，PPLN波导芯片在可见光泵浦开启和关闭时分别在1360、1550和1690 nm处的光学谱。这三个波长的测量增益分别为1.45 dB、8.52 dB和8.26 dB。不同波长的其他选定光学谱包含在图S2中。(e)至(g)，探针光分别在O波段、S、C、L波段和1650-1900 nm范围的增益测量。我们对1650-1900 nm范围收集了更多测量，因为该波长范围的OPA增益测量至今仍很少。基于图2(b)中SHG测量的增益理论预测为9.25 dB。我们的测量与理论和图2(f)中的发射谱一致，最大增益为8.87±0.39 dB。实验增益低于预测增益的波长是因为它们落在450 nm 3-dB放大带宽之外。最大增益的理论计算见图S3。误差条通过三次测量的标准偏差确定。
图4. 通过NIR泵浦在PPLN波导中的宽带放大测量。 (a) CW泵浦OPA的实验装置，其中电信光以高功率运行以为探针光提供增益。我们将探针光设置为-20 dBm功率。片上电信功率为170 mW，对应26.5 dBm的片外电信功率。使用90:10耦合器来组合和分离电信泵浦光和探针光。(b)至(d)，TFLN波导芯片在电信泵浦开启和关闭时分别在1360、1550和1690 nm处的光学谱。这三个波长的测量增益分别为2.05 dB、10.17 dB和10.81 dB。不同波长的其他选定光学谱包含在图S5中。(e)至(g)，探针光分别在O波段、S、C、L波段和1650-1900 nm范围的增益测量。我们对1650-1900 nm范围收集了更多测量，因为该波长范围的OPA增益测量至今仍很少。基于图2(b)中SHG测量的增益理论预测为11.21 dB。总之，我们的测量与理论和图2(f)中的发射谱一致，最大增益为10.79±0.43 dB，实验增益低于预测增益的波长是因为它们落在450 nm 3-dB放大带宽之外。最大增益的理论计算见图S6。误差条通过一组三次测量的标准偏差确定
