光学参量振荡器是如何工作的?

概述

光参量振荡器（OPO）是利用非线性频率转换产生可调谐相干辐射的多功能设备。它们能够覆盖直接激光发射无法充分覆盖的光谱范围。OPO 具有类似激光的光源功能，但它利用的是非线性晶体中参量放大产生的光增益，而不是受激发射。与激光器类似，OPO 也有一个泵浦功率阈值，低于该阈值，输出功率可以忽略不计。

参量化过程简介

参量相互作用是发生在非中心对称介质（如晶体）中的一种三波混合现象，Photoniques 的专家对此进行了解释。以最高角频率 ωp 为特征的泵浦是强度最大的光束。当频率为 ωs 的信号波与泵浦波同时入射到非线性晶体上时，信号波会被放大，而泵浦波则会被耗尽。同时，在差分频率 ωi = ωp - ωs 处产生一个闲频波。光参量过程是在非线性介质中发生的多波相互作用。在这些过程中，几种光波激发介质，介质的非线性响应产生新的辐射，其频率是传入频率的简单组合，如和或差。与用于激光的演化方程相比，控制这些相互作用的演化方程通常需要较少的近似值。

光参量振荡器的工作原理

与激光振荡器类似，通过将非线性晶体置于光腔中，也可以制造出光参量振荡器（OPO）。在光参量振荡器中，信号波和闲频波在光腔中每次往返时都会被放大，从而产生参量，并建立在量子噪声的基础上。由于同时存在三种相互作用的波，OPO 的光学谐振器配置比激光振荡器的配置更加多样。在光参量振荡器（OPO）中，泵浦光的电场会驱动部分晶体电子发生振荡。通过精心的设计选择，晶体的电子不仅能够以泵浦光的频率振荡，还能以信号频率和闲频频率显示其振荡成分。

这导致信号光和闲频光的发射和放大。随着信号光和闲频光的放大，泵浦光逐渐减弱。如果在晶体周围放置反射镜来增强晶体内的光场，这一过程就会非常有效。镜面的存在迫使反射光反复穿过晶体，从而将系统转化为振荡器。如果没有反射镜，该系统将发挥光参量放大器（OPA）的功能。

LOTIS TII 公司的OPO系列产品

什么是光子晶体 OPO？

长期以来，器件微型化一直是微电子学和光子学的关键目标，其驱动力是对更密集集成、更多功能和大幅降低功耗的渴望。在各种纳米结构中，半导体光子晶体（PhCs）具有显著的优势，能够制造准终极光腔。

据《Nature Photonics》报道，研究人员在一类重要的光源--光参量振荡器（OPO）--中采用了PhCs，旨在开发功能更强的新型OPO。该 OPO 采用 20 μm长的半导体光子晶体腔开发，可在电信波长范围内工作。参数振荡是通过将高品质因数模式热调谐成三重谐振配置来实现的，而其他参量相互作用则被有效抑制。

据估计，这种光源的最低泵浦功率阈值在 50-70 μW 之间。该 OPO 展示了理想变性光参量振荡器的特性，使其适合在量子光路中应用，并有助于开发用于压缩光或纠缠光子对的密集集成、高效非线性源。

倍频程可调谐红外参量振荡器的应用

一组研究人员在发表于《Science Advances》上的文章中成功展示了铌酸锂纳米光子学中的超宽可调双谐振 OPO，将其适用范围扩展到了近红外和可见光范围。这些纳米光子 OPO 具有立方和二次非线性特性，可提供广泛的可调谐相干光源，对于包括多通道光通信和激光雷达在内的各种应用至关重要。铌酸锂纳米光子学的发展为实现不同光谱范围的高可调谐紧凑型 OPO 器件开辟了新的可能性。

该研究团队在色散工程周期性极化铌酸锂纳米光子学方面取得了令人瞩目的进展，展示了超宽可调谐光参量振荡器（OPO）。利用 1 μm 附近的 100 ns 脉冲，研究小组在单个芯片内产生了从 1.53 μm 到 3.25 μm 的可调谐输出波长，输出功率达到数十毫瓦。这一突破性成就标志着纳米光子学领域首次出现了延伸至中红外的倍频程跨度可调光源，为众多集成光子学应用开辟了可能性。

纳米光子学中的超宽可调谐 OPO。(A) 1 μm 左右的窄调谐（<30 nm）泵浦可产生超过 1500 nm 的 OPO 信号和闲频调谐范围。(B) 双谐振参量振荡器的示意图，该振荡器带有一个频率选择谐振器，只对信号和闲频进行反馈，同时实现泵浦的连续调谐。(C) 突出显示单个 OPO 所占区域的芯片图像。(D) OPO（绿色）和直波导（紫色，用于校准和相位匹配验证）的假彩色光学显微镜图像。插图显示了周期性极化的双光子显微镜图像和绝热输出耦合器的特写。(E) 四种不同极化周期Λ0 至Λ3 的 OPO 调谐曲线示例。垂直虚线和蓝色条纹是为了引导观察如何通过四个极化周期和仅 30 nm 的泵浦调谐来实现超过一个倍频度的连续调谐。资料来源：LUIS LEDEZMA等人，《Octave-spanning tunable infrared parametric oscillators in nanophotonics》，《Science Advances》（2023）。

片上 OPO 的片上输出功率和波长覆盖范围与其他集成可调谐光源的比较。功率是所有 OPO 的信号光和闲频光之和。资料来源：LUIS LEDEZMA等人，《Octave-spanning tunable infrared parametric oscillators in nanophotonics》，《Science Advances》（2023）。

一种新型后向波OPO

后向波光参量振荡器（BWOPO）标志着光参量振荡模式的转变。传统的光参量振荡器产生的信号光和闲频光会沿着泵浦的方向传播，而 BWOPO 则不同，它产生的信号光和闲频光会反向传播。这种独特的反平行相互作用无需腔体即可实现分布式反馈，从而使 BWOPO 成为一种坚固耐用、易于校准和高效的单通道器件。在这种方法中，最初是在 KTiOPO4 (KTP) 中制作离子交换光栅，既作为波导，又作为矫顽场光栅。通过矫顽场解决了制造过程中的难题。随后，波导进行周期性极化，从而消除了进一步热处理的必要性。振荡阈值是在 325 nJ 的泵浦能量下实现的，与最近使用相同激光泵浦的批量 BWOPO 实验相比，显著降低了 19 倍。

芯片上的集成激光器，特别是可见光和近红外波段的激光器，在推动各种量子技术，如量子传感器、量子时钟、单光子和纠缠光子对源等方面发挥着至关重要的作用。片上微谐振腔光学参量振荡(OPO)是一种很有前景的产生宽波长激光的方法。3D打印和制造技术的最新进展促进了高效纳米级 OPO 的制造，进一步提高了它们在现代光学和量子技术中的重要性。

参考文献：

【1】Mutter, P.等人，《The First Backward Wave Optical Parametric Oscillator Waveguide》（2023）。

【2】Gabriel Marty等人，《Photonic crystal optical parametric oscillator》，《Nature Photonics》（2021）。

【3】LUIS LEDEZMA等人，《Octave-spanning tunable infrared parametric oscillators in nanophotonics》，《Science Advances》（2023）。