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(dǎo)讀

  光學(xué)非線性對(duì)集成光子學(xué)中的應(yīng)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(shù)納米光子平臺(tái)的固有非線性較弱，需要通過大驅(qū)動(dòng)能量、高Q腔或與其他具有更強(qiáng)非線性的材料集成，這極大地阻礙了該領(lǐng)域的發(fā)展。近日，來自加州理工學(xué)院和康奈爾大學(xué)的科研人員利用鈮酸鋰納米波導(dǎo)的強(qiáng)瞬時(shí)二次非線性實(shí)現(xiàn)了無腔全光開關(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(xiàn)片上超快和節(jié)能的全光信息處理、計(jì)算系統(tǒng)和光源打下良好基礎(chǔ)。

  研究背景

全光信息處理被認(rèn)為是可以消除電子和光電系統(tǒng)帶寬和能耗限制的先進(jìn)技術(shù)，但光學(xué)系統(tǒng)非線性通常較弱，限制了全光信息處理的發(fā)展。基于立方非線性(χ(3))半導(dǎo)體材料與可飽和吸收的全光開關(guān)通常需要皮焦或更高數(shù)量級(jí)的脈沖能量，在大多數(shù)場(chǎng)景并不適用;而基于光腔增強(qiáng)的非線性效應(yīng)會(huì)使得光開關(guān)的時(shí)間增加，帶寬減小。為了獲得能量和開關(guān)時(shí)間之間的性能權(quán)衡，具有更強(qiáng)的瞬時(shí)非線性的平方非線性(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(xiàn)了超低功耗且超快的全光開關(guān)。

  技術(shù)突破

該工作通過色散和準(zhǔn)相位匹配，有效地利用鈮酸鋰納米波導(dǎo)的強(qiáng)瞬時(shí)二次非線性來實(shí)現(xiàn)無腔全光開關(guān)。該光開關(guān)由集成的TFLN非線性分路器構(gòu)成，分路器級(jí)聯(lián)了兩個(gè)不同的相位匹配χ(2)非線性過程，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)過色散調(diào)控之后，該器件可以在長(zhǎng)度上對(duì)脈沖進(jìn)行時(shí)空限制，從而實(shí)現(xiàn)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(tǒng)開關(guān)的切換源于由χ(2)非線性相位不匹配和輸入脈沖的自相位調(diào)制引起的倏逝波耦合的擾動(dòng)，而該工作的切換機(jī)制來自相位匹配的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換和線性定向耦合器的光譜選擇性，因此才獲得了創(chuàng)紀(jì)錄的卓越性能。

  圖1 全光開關(guān)的設(shè)計(jì)和工作原理[圖片來源：NAT PHOTONICS]

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

  圖3 集成非線性分路器中的超低能量非線性光傳輸[圖片來源：NAT PHOTONICS]

  一觀點(diǎn)評(píng)述該工作在鈮酸鋰納米光子平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了飛焦飛秒全光開關(guān)，該器件的超高速、低能量操作和更大的調(diào)制深度對(duì)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(zhǎng)期穩(wěn)定性至關(guān)重要;飛焦開關(guān)能量和太赫茲級(jí)別的帶寬也可以為用于通信和計(jì)算的光時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)中的太比特(Tbps)全光信息處理提供全新的機(jī)遇。

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