Femtojoule femtosecond all-optical switching in lithium niobate nanophotonics

铌酸锂 光子学 纳米光子学 超短脉冲 光开关 分路器 光电子学 飞秒 非线性光学 光学双稳态 材料科学 物理 光学 激光器
作者
Qiushi Guo,Ryoto Sekine,Luis Ledezma,Rajveer Nehra,Devin J. Dean,Arkadev Roy,Robert M. Gray,Saman Jahani,Alireza Marandi
出处
期刊:Nature Photonics [Nature Portfolio]
卷期号:16 (9): 625-631 被引量:82
标识
DOI:10.1038/s41566-022-01044-5
摘要

Optical nonlinear functions are crucial for various applications in integrated photonics, including all-optical information processing1, photonic neural networks2,3 and on-chip ultrafast light sources4,5. However, the weak native nonlinearity of most nanophotonic platforms has imposed barriers for such functions by necessitating large driving energies, high-Q cavities or integration with other materials with stronger nonlinearity. Here we effectively utilize the strong and instantaneous quadratic nonlinearity of lithium niobate nanowaveguides for the realization of cavity-free all-optical switching. By simultaneous engineering of the dispersion and quasi-phase matching, we design and demonstrate a nonlinear splitter that can achieve ultralow switching energies down to 80 fJ, featuring a fastest switching time of ~46 fs and a lowest energy–time product of 3.7 × 10−27 J s in integrated photonics. Our results can enable on-chip ultrafast and energy-efficient all-optical information processing, computing systems and light sources. Researchers exploit the quadratic nonlinearity of lithium niobate nanowaveguides and demonstrate cavity-free all-optical switching. Switching energies down to 80 fJ, switching times down to ~46 fs and energy–time products of 3.7 × 10−27 J s are shown.
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