WHITE PAPER: Wellenlängenmanipulation mit nichtlinearen optischen Kristallen

Nichtlineare optische Kristalle

Nichtlineare optische (NLO) Kristalle bieten eine äußerst flexible Lösung zur Erzeugung neuer Wellenlängen aus handelsüblichen Laserquellen. Das optische Wellenlängenspektrum im Mikrometerbereich µm wird in einer Vielzahl von Anwendungen genutzt, die stetig wächst – von der UV-Sterilisation über Quantennetzwerke und -rechner im µm , Bildgebung im sichtbaren Bereich, Telekommunikation und Umweltsensorik bis hin zur Terahertz-Spektroskopie und vielen weiteren. Für all diese Anwendungen ist die Lichtquelle eine entscheidende Komponente, da sie die erforderliche Anregungswellenlänge, Leistung, Linienbreite und andere wichtige spektrale Eigenschaften µm liefert.

Obwohl eine Vielzahl kommerziell erhältlicher Laserquellen den erweiterten optischen Spektralbereich µm , ist es nach wie vor nicht immer möglich, für alle Anwendungen eine direkte oder kostengünstige Lichtquelle zu finden
. Gerade in Fällen, in denen keine praktikable, direkte Quelle verfügbar ist, bietet die Wellenlängenkonversion mithilfe hocheffizienter, nichtlinearer optischer Kristalle eine leistungsstarke Lösung.

WELCHE ANWENDUNGEN?

„PPLN-Kristalle finden in vielfältigen Anwendungen Verwendung, von Raumfahrt- und Verteidigungstechnologien bis hin zum Quanten- µm -Computing. Durch unsere Forschung und die Arbeit unserer Kunden entdecken wir ständig neue Einsatzmöglichkeiten für unsere Lösungen.“
Prof. Corin Gawith , CTO , Covesion

Prinzip der Wellenlängenumwandlung

Das Prinzip der Wellenlängenumwandlung mittels nichtlinearer optischer Effekte ist seit Jahrzehnten bekannt. Mit den Fortschritten in der Lasertechnologie und der Entdeckung hochwertiger Kristalle mit hoher optischer Nichtlinearität haben die entsprechenden Effizienzgewinne die praktische Anwendung von NLO-Kristallen in Forschung und Industrie ermöglicht.^{^1,2} Eine der wichtigsten Entwicklungen war die Verwendung von Materialien, deren Domänenstruktur gezielt verändert werden kann. Dadurch lässt sich Quasi-Phasenanpassung (QPM) nutzen, um die relative Phase zwischen den wechselwirkenden Wellen aufrechtzuerhalten.<sup> ³

Im Vergleich zur herkömmlichen doppelbrechenden Phasenanpassung (BPM), die in homogenen Materialien verwendet wird, bieten mikrostrukturierte QPM-Materialien die Vorteile einer einfachen kollinearen optischen Ausrichtung, eines unkritischen Winkelversatzes, des Zugangs zu den größten nichtlinearen Koeffizienten und eines hochflexiblen Gestaltungsspielraums.

NLO-Kristalle bieten eine praktische Lösung für die Erzeugung von Wellenlängen, die mit direkten Laserquellen nicht ohne Weiteres zugänglich sind.

Auswahl des NLO-Kristalls

Die Wahl des NLO-Kristalls für eine bestimmte Anwendung hängt von der benötigten Wellenlänge, den verfügbaren p- µm -p-Quellen und dem NLO-Umwandlungswirkungsgrad ab. Weitere Kriterien sind die benötigte Ausgangsleistung, die Linienbreite, die Betriebstemperatur usw. Bei der Betrachtung verschiedener Kristallmaterialien stellt µm (LiNbO₃) aufgrund seines sehr hohen nichtlinearen Koeffizienten eine besonders attraktive Option dar.⁴

Lithi µm Niobat ist ein ferroelektrisches Material, dessen Domänenstruktur durch Anlegen eines elektrischen Feldes umgekehrt werden kann. Durch Anlegen eines räumlich strukturierten elektrischen Feldes, die sogenannte periodische Polung, lässt sich eine periodische Umkehr der inhärenten Polarisation im Kristall erzeugen. Dies ermöglicht die Nutzung der Quantenphasenmodulation (QPM) zum Erreichen des höchsten nichtlinearen Koeffizienten (d33). Die Dotierung mit 5 % MgO erhöht den optischen und photorefraktiven Widerstand des Kristalls signifikant, während sein hoher nichtlinearer Koeffizient erhalten bleibt. Dank der höheren Zerstörschwelle eignet sich MgO:PPLN für Anwendungen mit höherer Leistung.

Dank seines hohen nichtlinearen Koeffizienten, der Möglichkeit zur periodischen Polung und der breiten optischen Transmission stellt MgO:PPLN eine äußerst flexible Lösung für die Erzeugung von Wellenlängen vom blauen Bereich (<400 nm) bis zum mittleren Infrarot und darüber hinaus (THz) dar. Die gewünschte Wellenlänge wird durch die Anpassung des PPLN-Kristalldesigns an den jeweils geeignetsten nichtlinearen Prozess (z. B. SHG, SFG, DFG) erreicht.

Nichtlineare optische Prozesse

Die Frequenzverdopplung (auch Zweite-Harmonische-Erzeugung, SHG) ist der am häufigsten verwendete nichtlineare Prozess zweiter Ordnung. Bei der SHG werden zwei Eingangsphotonen p µm p mit der gleichen Wellenlänge λ _{P SHG} zu erzeugen , wobei λ _SHG = λ _P /2 (oder in Bezug auf die Frequenz f _SHG = 2f _P ) gilt.

MgO:PPLN SHG-Kristalle können mit QPM-Gitterperioden hergestellt werden, die für eine breite Palette von kommerziell erhältlichen p µm p Laserwellenlängen von 976 nm bis 2100 nm geeignet sind, wodurch die Erzeugung von frequenzverdoppeltem Licht zwischen 488 nm und 1050 nm ermöglicht wird.

der S µm Frequenzerzeugung (SFG) werden zwei Eingangsphotonen bei λ _P und λ _S , um ein Ausgangsphoton bei λ _SFG , wobei λ _SFG = (1/ λ _P + 1/ λ _S )-1 (oder in Bezug auf die Frequenz f _SHG = f _P + f _S ).

Durch die Kombination von leicht verfügbaren festen (z. B. 1550 nm) und abstimmbaren (z. B. 780/810 nm) p µm p Laserquellen können MgO:PPLN SFG-Kristalle abstimmbares Ausgangslicht zwischen 500 und 700 nm liefern.

Die Differenzfrequenzerzeugung (DFG) tritt auf, wenn zwei Eingangsphotonen mit den Wellenlängen λ_{_P} und λ_{_S} auf einen Kristall treffen. Das niederfrequente Signalphoton λ_{_S} regt das p µm -Photon λ_{_P} zur Emission eines Signalphotons λ<sub> _S und eines Idlerphotons mit der Wellenlänge λ _i , wobei λ _{_i = (1/λ _{_P} – 1/λ _{_S} ) ^{^-1} (oder frequenzmäßig f _{_i} = f _P} – f_{_S}). Dabei verlassen zwei Signalphotonen und ein Idlerphoton den Kristall, was zu einem verstärkten Signalfeld führt. Dies wird als optische parametrische Verstärkung (OPA) bezeichnet. Durch die Platzierung des nichtlinearen Kristalls in einem optischen Resonator, auch optischer parametrischer Oszillator (OPO) genannt, lässt sich die Effizienz deutlich steigern.

MgO:PPLN DFG-Kristalle können so konstruiert werden, dass sie mit gängigen festen und abstimmbaren p µm p Wellenlängen (z. B. 1064/1550/775 nm) arbeiten, um einen breiten, kontinuierlichen Abstimmbereich vom nahen Infrarot bis über 4,5 µm im mittleren Infrarot abzudecken.

Das Design von MgO:PPLN-QPM-Gittern kann weiterentwickelt werden, um Prozesse dritter Ordnung wie die Erzeugung der dritten Harmonischen (THG) zu ermöglichen. Obwohl ^dritter Ordnung deutlich geringer ist als die zweiter ^{Ordnung ,} konnte die Erzeugung nutzbarer UV-Lichtintensitäten durch SFG dritter Ordnung (1064 nm + 532 nm → 355 nm) in MgO:PPLN demonstriert werden.⁵

Anwendungen in der Praxis

MgO;PPLN lässt sich problemlos in verschiedenen Formen – von Kristallstrukturen bis hin zu Wellenleitern – herstellen und bietet so ein breites Anwendungsspektrum sowie eine verbesserte Konversionseffizienz. Wellenlängenkonvertierungschips, ob als Kristallstruktur oder Wellenleiter, können einfach mit fasergekoppelten Ein- und Ausgängen ausgestattet werden – für eine komfortable Handhabung. Die Kombination aus fasergekoppeltem Gehäuse und hochpräziser Temperaturregelung ergibt eine sofort einsatzbereite Wellenlängenkonvertierungslösung.

Beispiele aus der Praxis, die den Nutzen der Wellenlängenmanipulation mithilfe von PPLN-Kristallen verdeutlichen, sind:

780nm-Erzeugung aus einer 1560nm-Quelle (SHG).

Magneto-optische Pinzette (MOT) von Rubidium-Atomen in Anwendungen mit Kaltatominterferometrie, wie z. B. gravimetrischer Sensorik und Atomuhren.^⁶ In dieser Anwendung lassen sich handelsübliche Telekommunikationslaser mit einer Wellenlänge von 1560 nm effizient auf 780 nm frequenzverdoppeln, wobei für Wellenleiterlösungen Wirkungsgrade von bis zu 70 % erzielt wurden.^⁷ Die Kombination von handelsüblichen p- µm -Laserkomponenten mit einem Frequenzverdopplerkristall ermöglicht die kostengünstige Erzeugung sowohl der für die Rubidium-Atom-Parametrisierung erforderlichen Leistung bei 780 nm als auch der schmalen Linienbreite.

Bidirektionale Konversion von 422 nm <-> 1550 nm (SFG/DFG).

µm Netzwerke ermöglichen die Quantenschlüsselverteilung (QKD) im µm -Bereich. Diese Anwendung erfordert eine effiziente Konvertierung zwischen den kurzwelligen atomaren Übergängen, die für Ionenfallen-Qubits genutzt werden, und dem Telekommunikations-C-Band für verlustarme Glasfaserübertragung. Der Einsatz speziell entwickelter PPLN-Kristalle hat sowohl die Aufwärts- als auch die Abwärtskonvertierung auf Einzelphotonenebene zwischen 422 nm (Sr+-Emission) und 1550 nm demonstriert. Dies stellt eine entscheidende Komponente für den Aufbau großflächiger µm Netzwerke dar.⁸

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass

Zusammenfassend bieten NLO-Kristalle eine praktische Lösung zur Erzeugung eines breiten Wellenlängenspektrums, das mit direkten Laserquellen nur schwer zugänglich ist. Der Einsatz hocheffizienter, mikrostrukturierbarer Materialien wie MgO:PPLN, die QPM ermöglichen, schafft ein äußerst flexibles Produktökosystem. Als führender Anbieter von PPLN-basierten Wellenlängenkonversionsprodukten berät Covesion zu kundenspezifischen Lösungen und bietet technischen Support bei Einrichtung, Anwendung und Optimierung. Mit einem umfangreichen Portfolio an COTS-Produkten und kundenspezifischen Entwicklungskapazitäten ist Covesion bestens aufgestellt, um ein breites Spektrum an Wellenlängenkonversionsanwendungen zu unterstützen.

Referenzen

1. Maker et al., Phys. Rev. Lett., 8(1):21–23, 1962
2. H µm et al, CR Physique 8 (2007) 180–198
3. Armstrong et al., Phys. Rev., 127(6):1918–1939, 1962
4. M. Houe et al., J. Phys. D Appl. Phys., 28:1747–1763, 1995
5. Hsu et al., Proc. SPIE 1126412 (2. März 2020)
6. Devani et al., CEAS Space Journal Bd. µm e 12, 539–549 (2020)
7. Berry et al., OSA Continu µm , Bd. 2, Nr. 12, 15. Dezember 2019, 3456
8. Wright et al, Phys Rev Appl 10, 044012 (2018)