Resonant enhancement of second harmonic generation in etchless thin film lithium niobate heteronanostructure

铌酸锂 二次谐波产生 材料科学 光电子学 飞秒 非线性光学 光学 能量转换效率 薄膜 共振(粒子物理) 激光器 纳米技术 物理 原子物理学
作者
Zhijin Huang,Kaiwen Luo,Ziwei Feng,Zhanyuan Zhang,Yang Li,Wentao Qiu,Heyuan Guan,Yi Xu,Xiangping Li,Huihui Lu
出处
期刊:Science China Physics, Mechanics & Astronomy [Springer Nature]
卷期号:65 (10) 被引量:32
标识
DOI:10.1007/s11433-022-1937-8
摘要

Lithium niobate has received interest in nonlinear frequency conversion due to its wide transparency window, from ultraviolet to mid-infrared spectral regions, and large second-order nonlinear susceptibility. However, its nanostructure is generally difficult to etch, resulting in low-Q resonance and lossy nanostructures for second harmonic generation. By applying the concept of bound states in the continuum, we performed theoretical and experimental investigations on high-Q resonant etchless thin-film lithium niobate with SiO2 nanostructures on top for highly efficient second harmonic generation. In the fabricated nanostructured devices, a resonance with a Q factor of 980 leads to the strong enhancement of second harmonic generation by over 1500 times compared with that in unpatterned lithium niobate thin film. Although the pump slightly deviates from central resonance, an absolute conversion efficiency of 6.87×10−7 can be achieved with the fundamental pump peak intensity of 44.65 MW/cm2, thus contributing to the normalized conversion efficiency of 1.54×10−5 cm2/GW. Our work establishes an etchless lithium niobate device for various applications, such as integrated nonlinear nanophotonics, terahertz frequency generation, and quantum information processing.
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