近日，来自斯坦福大学的Jelena Vu?kovi?教授团队基于逆向设计的方式，在绝缘碳化硅上实现了可用于量子和非线性光子实验的光学法布里帕罗（FP）腔，并且以二阶相位匹配条件为目标，在FP腔中实现了二阶和三阶非线性光的产生，从而将受激参数过程扩展到可见光谱中。
研究背景
基于梯度优化的逆向设计模式吸引了研究者的极大关注，该设计模式可以在硅光电实现操作鲁棒性和紧凑的器件尺寸。迄今为止已经有许多逆向设计设备和系统应用的实验演示，如粒子加速器、光学测距和通信。除了硅，逆向设计还应用于金刚石、碳化硅、铌酸锂和硫属化物玻璃等其他材料。为了在量子光学和经典光学状态下有效地触发光学非线性，需要极低的散射损耗。虽然最近研发了低损耗反向设计反射器，但是逆向设计的结构中存在高度不规则的几何形状，不能通过内在对称性来防止这种损耗，因此还需要一种具有适当非线性并且易于制备的材料。
碳化硅（SiC）具有引人注目的光学特性，包括高折射率、高二阶和三阶非线性以及宽光学透明窗口。所有这些优势与电子行业中成熟的SiC制造技术相结合，使SiC成为开发下一代单片光电系统的一种很有前途的材料。尽管逆向设计已经得到了快速的发展，但是应用于非线性光子学的逆向设计一直受到限制。
创新研究
逆向设计彻底改变了光子学领域，实现了复杂结构和几何形状的自动化开发，具有经典设计无法比拟的独特功能。然而，逆向设计在非线性光子学中的应用受到了限制。
图1.一种逆向设计的SiC光学腔（a）器件原理图。光通过总线波导传输，该总线波导倏逝地耦合到谐振器的波导部分。（b） 300μm和400μm长器件的谐振质量因子与谐振波长的关系图，米色区域表示数据在平均值的标准偏差内显示出稳健的性能。（c） 不同腔长的本征质量因子的散点图，包括反射率为99.56%的FP器件的拟合质量因子曲线，（红色）和（绿色）波导损耗为3.0 dB/cm。（d） 测量色散与腔长的关系图。拟合曲线（红色），色散关系与L−3成比例，主要由反向设计反射器的色散决定。仅波导色散的模拟曲线（蓝色），与L−2成比例。
在这项工作中，Jelena Vuckovic教授团队通过逆向设计技术与SiC良好的非线性光学特性相结合，使用逆向设计的反射器在绝缘碳化硅（SiCOI）中实现了可用于量子和非线性光子实验的光学法布里帕罗（FP）腔。在多个波长上优化逆向设计的FP腔以获得低散射损耗和制造误差鲁棒性，同时约束FP腔以获得预先指定的色散，最终实现的反射器结构为6.75μm×1μm的紧凑面积。
图2. 低于阈值的量子梳（a）量子梳生成实验中使用的测量装置图（EDFA：掺铒光纤放大器，MC：单色仪，DMC：双单色仪、PD：光电探测器，SNSPD：超导纳米线单光子探测器）（b）在单光子光谱分析仪（SPOSA）上观察到的低于阈值的克尔频率梳形成。以米色突出显示的区域表示泵噪声高的频率。频谱的采集持续时间为20分钟。（c，d）分别在0.5 MHz（采集时间45分钟）和0.1 MHz（采集时长7.25小时）的对生成速率下，对模式数μ=±16和μ=±18进行互相关测量，CAR比分别为110和275。
研究人员通过实验证明了逆向设计的光学FP腔的优异性能，实现了自发的四波混频，可以产生信号和空闲光子对，在0.1MHz的光子产生率下，CAR指数为275。此外，研究人员还分别通过三阶和二阶非线性过程证明了C波段的受激参数振荡，以及可见波长下的非线性频率生成。
研究团队展示了器件在优化反射率带上的稳健性，该反射率带可在整个芯片上产生，反射率受波导损耗而非逆向设计的反射器限制，这为未来器件的显著改进提供了可靠途径。同时，实验结果展示了逆向设计的FP腔的实用性，这是逆向设计在量子和非线性光生成中的首次实验演示，是量子和非线性光子学通用能力的关键补充，尤其是与碳化硅等高度非线性材料相结合时，突出了非线性光学的逆向设计优势。
图3. 在逆向设计的碳化硅谐振器中形成微梳（a）非线性光产生实验中使用的测量装置图（EDFA：掺铒光纤放大器，PC：偏振控制器，OSA：光谱分析仪）。（b）测量FP器件相对于相对模数μ的积分色散，中心模为μ=0（频率=194 THz）。虚线绘制了色散的数值拟合，参数为D1=174.8GHz和D2/2π=10.1MHz。（c）测量微梳形成不同阶段的OPO电信光谱和SFG可见光谱，阈值功率为400mW。插图：相位匹配的电信和可见模式的模拟轮廓。
该研究成果被发表在《Light: Science & Applications》期刊上，题为“Inverse-designed silicon carbide quantum and nonlinear photonics”，Joshua Yang为本文的第一作者，Jelena Vu?kovi?为本文的通讯作者。（来源：LightScienceApplications微信公众号）
相关论文信息：https://www.nature.com/articles/s41377-023-01253-9
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