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专家视点
同步泵浦的光学参量振荡器是长波长脉冲和非经典光的高效光源，使其在光谱学、计量学、多光子显微镜和量子计算中的应用非常宝贵。基于自由空间腔的典型系统要么非退化地运转，这限制了它们的效率，要么使用主动反馈控制来实现简并运转，这将这些系统限制在专用的低噪声环境中。在此，Nayara Jornod等人实现了一种在周期性极化铌酸锂中使用反向质子交换波导的单片集成同步泵浦超快光学参量振荡器。当由自由运行的10 GHz超快激光器以1 µm为中心的125 fs脉冲驱动时，该参量振荡器可以在没有任何主动反馈控制的情况下振荡。这种改进的机械稳定性使得能够简单地通过调谐自由运行的泵浦激光器的重复率来表征超快光学参量振荡器的工作状态。实验中，研究人员观察到许多阈值在110 mW和160 mW之间的2 µm谐振，其中最低阈值谐振对应于泵浦和光学参量振荡腔之间的完美同步。当进一步驱动到阈值以上时，这些谐振中的每一个都实现了5-10%之间的转换效率以及40 nm到60 nm之间的3-dB带宽。通过研究这些谐振的稳态功率谱作为泵浦功率和失谐的函数，研究人员观察到在自由空间腔中遇到的几种脉冲成形机制，即盒脉冲、明暗孤子的形成和非简并运转。原则上，这些运转机制可以用于在紧凑的芯片级系统中实现少周期脉冲、非经典光和相干伊辛机。该工作发表在Optica上。
Nayara Jornod, Marc Jankowski, Léonard M. Krüger, Valentin J. Wittwer, Norbert Modsching, Carsten Langrock, Christopher R. Phillips, Ursula Keller, Thomas Südmeyer and Martin M. Fejer, Monolithically integrated femtosecond optical parametric oscillators, Optica 10(7): 826-831 (2023).
飞秒光学参量振荡器是许多学科的重要工具。在工程、环境监测和生物科学中，短中红外或远红外脉冲的可用性可用于遥感、分子光谱和更复杂的泵浦-探针诊断。在物理学中，简并光学参量振荡器已成为一种非经典光源，可用于量子传感和计算，也是一种很有前途的模拟计算平台。此时，商业上可获得的自由空间系统是单谐振的，其中短波长泵浦脉冲产生宽可调谐信号，而闲频脉冲产生较长波长。这些系统产生约100 fs的脉冲持续时间和纳焦的脉冲能量。
近年来，光学参量振荡器的研究主要集中在简并运转和单片集成器件的发展上。同步泵浦简并光学参量振荡器使其产生的信号与泵浦本质上锁相，从而继承其频率稳定性。在这个极限中，光学参量振荡器可以以超过量子缺陷所施加的传统极限的转换效率进行运转且稳定脉冲形成机制（如二次亮暗孤子，也称为时间同步子）的发现使得能够进行少周期运转。在实践中，基于自由空间腔的简并光学参量振荡器需要有源长度稳定才能工作，这限制了它们在光学实验室之外的使用。相反，单片光学参量振荡器在没有有源腔长稳定的情况下稳定工作。光学参量振荡器的单片集成也保证了更低的功率要求和更大的稳定性。使用不同的平台，如周期性极化铌酸锂、定向图案化砷化镓、氮化铝、光子微环谐振器、碳化硅或集成薄膜铌酸锂光子电路，已实现了完全集成的连续波光学参量振荡器。然而，到目前为止，同步泵浦芯片级光学参量振荡器的实现仅限于皮秒脉冲持续时间且仅实现了非简并运转。
01
这里研究的单片集成光学参量振荡器包括三个部分：扩散波导、周期性极化的非线性部分和一对涂层端面，以形成法布里-珀罗腔[图1(a)]。在铌酸锂上使用反向质子交换过程来形成1047 nm泵浦光和产生2094 nm信号的波导。输入部分具有5 µm的掩模宽度，以限制1047 nm空间模式的数量，并简化输入耦合，同时仍引导2094 nm光。然后，波导逐渐变细为9 µm宽的非线性部分，通过呈现相位失配（波导宽度的弱函数）来实现非临界相位匹配。当波导埋在顶表面以下几微米时，波导模式的长倏逝尾将对表面条件进行采样，并引起损耗和相移。为了更好地将波导模式与顶表面隔离并使输入锥中的模式对称，用五氧化二钽涂覆波导的顶表面。波导的总长度为6.5 mm，在2094 nm处的近似自由光谱范围为10.5 GHz。
为了形成非线性谐振器，周期性地极化锥形非线性部分，并用端面涂层包围波导。非线性部分使用标称极化周期来准相位匹配2094 nm光的简并光学参量放大。由于相互作用波之间100 fs/mm的群速度失配（根据模拟估计），该非线性部分的长度决定了在光学参量放大期间累积的总时间走行。具有比泵浦脉冲持续时间短的组延迟的非线性部分限制了由泵浦施加的小信号增益，因此增加了阈值。相反，具有比泵浦脉冲持续时间长得多的累积群延迟的非线性部分将通过稳态信号的二次谐波产生而引起非线性损耗，从而限制转换效率。为了更好地优化这种权衡，将光学参量振荡器芯片设计为包括许多长度的非线性部分。注意，泵浦脉冲持续时间和光栅长度的同时增加将总是以产生较少的信号带宽为代价来降低光学参量振荡器阈值。波导正面经过光学涂层，可实现1 µm泵浦的高传输（>99%）和2 µm信号的部分反射率（50%）。背面涂层设计用于1 µm和2 µm的高反射率（95%）。选择背面上的小透射率（5%）来帮助成像非线性部分中的1 µm模式，这有助于耦合到TM<2 style="outline: 0px;color: rgb(0, 0, 0);text-indent: 34px;text-wrap: wrap;background-color: rgb(255, 255, 255);font-family: 微软雅黑;font-size: 15.04px;letter-spacing: 1px;">
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