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最近，来自罗切斯特大学的研究人员提出并演示了一种集成非线性光子学的新概念：半非线性纳米光子波导。这种波导在光学非线性中表现出破坏的空间对称性，可以在各种材料的光子芯片上实现高效的波长转换。
 半非线性纳米光子波导中二次谐波的图形表示
为什么是波长转换？
激光波长受到激光器增益介质的限制，这阻碍了许多需要非常规波长相干辐射的应用。利用光学非线性（特别是二次非线性χ（2）），可以产生光学参量产生过程，从而实现波长转换，从而扩展相干光源的光谱。波长转换器在频率计量、光学显微镜和量子信息处理等领域有着广泛的应用。
挑战是什么？
非线性光学参量的产生主要依赖于所涉及的光波长之间的相位匹配，这需要仔细的色散管理来克服材料和几何色散。域工程波导中的准相位匹配可以提供有效的波长转换，但需要的非线性光栅只能在少数材料中实现。另一方面，不同阶模之间的模式相位匹配是促进波长转换的常用方法，特别是在模式面积较小的集成光子器件中。然而，相互作用模式之间的模式重叠不良会导致相位不一致，抵消了对非线性增益的贡献，这使得这些器件无法实现严格的光学限制所带来的更高的转换效率。
他们是怎么做到的？
这种半非线性纳米光子波导的核心由两种高折射率材料组成，一种具有较大的χ（2）非线性，另一种具有消失的χ（2）。与传统的单片非线性光子芯片相比，通过打破光学非线性的空间对称性，可以优化相位匹配的不同阶模之间的模式重叠，从而显著提高转换效率。为了利用1550nm波长泵产生775nm波长的光，研究人员设计了一种以铌酸锂为非线性介质，非晶态氧化钛为线性元件的半非线性波导，使二次谐波的产生效率提高了一个数量级以上，与准相位匹配铌酸锂块体或模式相位匹配单片薄膜铌酸锂波导进行了比较。通过实验测量验证了所设计波导的正确性。
罗切斯特大学电子与计算机工程副教授、光学副教授林强认为：“关键是将小型器件与最佳模式重叠结合起来。”。林是本研究的主要研究者。
领域工程，通过周期性极化或取向图案化生长，已经成功地实现了高效率的准相位匹配波长转换，尽管只适用于一小部分非线性光学材料。现在我们可以用一个普遍的概念将这种成功扩展到模式相位匹配设备上，”这项研究的主要作者、罗切斯特大学光学研究所的博士生Rui Luo说。
下一步呢？
“半非线性波导可以在各种集成的非线性光子平台的基础上开发出许多新的功能，高效率的实现低功耗，”Rui Luo说。此外，非线性介质可以有非线性增益，而线性介质只有线性损耗，这对非厄米光子学有潜在的应用价值
这项题为“用于高效二次谐波产生的半非线性纳米光子波导”的研究发表在《激光与光子学评论》（Laser&Photonics Reviews）上，并刊登在2019年3月号的封面上。
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