English

Periodically poled LiNbO3 (PPLN) waveguides have been successfully used for efficient nonlinear interactions using quasi phase matching (QPM) due to the fact that the optical wave is confined in the waveguide with a high intensity. A further increase in nonlinear conversion efficiency requires strongly reduced cross section dimensions which can be only achieved in a waveguide of a high refractive index contrast. Such a waveguide not only facilitates efficient nonlinear interactions but also enables fabrication of sub-micrometer periodical domain structures. Therefore, counter-propagating nonlinear interactions can be realized. The aim of this work is to develop PPLN waveguides of high refractive index contrast and small cross sectional dimensions, and then to investigate various nonlinear interactions in such waveguides. Towards this goal, two different types of LiNbO3 waveguides, i.e. ridge waveguides on X(Y)-cut substrates and LiNbO3-on-Insulator (LNOI) photonic wires, are developed. The methods of fabricating periodical domain structures in such waveguides are investigated to enable quasi-phase-matching (QPM) nonlinear interactions. First, ridge waveguides on X(Y)-cut LiNbO3 substrates are fabricated using plasma etching and a subsequent Ti in-diffusion. A local poling technique is developed to fabricate periodical domain structures only in the body of the ridge guide. Various characterization methods have been used to evaluate the quality of the ridge guides as well as the periodical domain structures. A reduced mode size compared to a conventional Ti in-diffused channel waveguide is observed. The inverted domains inside the body of the ridge are sufficiently deep (~5 µm) to overlap the transmitted optical modes. As a result, a normalized SHG conversion efficiency of 16.5 % W-1 cm-2 is obtained, which is 50 % higher than that in a conventional Ti in-diffused channel waveguide. Moreover, as a promising feature, a strongly reduced sensitivity to photorefractive effects is observed. This could be of strong interest for the nonlinear applications using high optical power. Second, periodically poled LiNbO3-on-Insulator (PPLNOI) material platform is fabricated by direct bonding of PPLN in collaboration with Hu. PPLNOI photonic wires are then fabricated using Argon milling. 1st order SHG is demonstrated using a PPLNOI photonic wire of 3.2 µm periodicity; a parabolic dependence of the generated SH power vs. the fundamental power is observed. We also demonstrate the second approach of fabricating PPLNOI by directly poling LiNbO3 thin film. The promises as well as challenges presented in our preliminary experiments are discussed in detail.

Deutsch

Periodisch gepolte LiNbO3 Wellenleiter (PPLN) sind erfolgreich für leistungsfähige nichtlineare Interaktionen unter Verwendung der Quasi- Phasenanpassung (QPM) benutzt worden, weil die optische Welle im Wellenleiter mit einer hohen Intensität begrenzt wird. Eine weitere Zunahme der nichtlinearen Umwandlungswirkungsgrade erfordert stark verringerte Querschnittsmaße, die nur in einem Wellenleiter eines hohen Brechungskoeffizient-Kontrastes erzielt werden können. Solch ein Wellenleiter erleichtert nicht nur leistungsfähige nichtlineare Interaktionen, sondern ermöglicht auch die Herstellung submikrometer QPM Strukturen. Folglich kann die Gegenlauf-Fortpflanzung nichtlinearer Interaktionen verwirklicht werden. Das Ziel dieser Arbeit ist, PPLN Wellenleiter mit hohen Brechungskoeffizient-Kontrasten und kleinen Querschnittsmaßen zu entwickeln und verschiedene nichtlineare Interaktionen in solchen Wellenleitern dann nachzuforschen. In Richtung zu diesem Ziel werden zwei verschiedene Arten LiNbO3 Wellenleiter, d.h. Rippenwellenleiter auf X (Y)-Schnitt-Substraten und LiNbO3-on-Insulator (LNOI)-Photonikdrähte entwickelt. Die Methoden der Fabrikation der periodischen Domänenstrukturen in solchen Wellenleitern werden nachgeforscht, um Quasi-phase-matching (QPM) nichtlineare Interaktionen zu ermöglichen. Zuerst werden Rippenwellenleiter auf X (Y)-Schnitt-Substrate des LiNbO3 unter Verwendung der Plasmaradierung und einer folgenden Ti In-Diffusion fabriziert. Eine lokale Polungstechnik wird entwickelt, um periodische Domänenstrukturen nur im Körper der Rippe zu fabrizieren. Verschiedene Kennzeichnungsmethoden sind angewendet worden, um die Qualität der Rippen sowie die periodischen Domänenstrukturen auszuwerten. Eine verringerte Modusgröße, die mit einem herkömmlichen Ti in-zerstreuten Streifenwellenleiter verglichen wird, wird beobachtet. Die umgekehrten Domäne innerhalb des Körpers der Rippen sind (~5 μm) tief genug, um die übertragenen optischen Moden zu überlappen. Infolgedessen erhält man einen normalisierten SHG Umwandlungswirkungsgrad von 16.5 % W-1 cm-2 , der 50 % höher als in einem herkömmliches Ti in-zerstreuten Streifenwellenleiter ist. Außerdem wird als vielversprechende Eigenschaft eine stark verringerte Empfindlichkeit gegenüber photorefrakiven Effekten beobachtet. Dieses könnte von großem Interesse für die nichtlinearen Anwendungen unter Verwendung der hohen optischen Energie sein. Zweitens wird eine periodisch gepolte LiNbO3-on-Insulator (PPLNOI) materielle Plattform durch direktes Abbinden von PPLN gemeinsam mit Hu fabriziert. PPLNOI Photonikdrähte werden dann unter Verwendung des Argonprägens fabriziert. SHG wird unter Verwendung eines PPLNOI Photonikdrahtes der 3.2 μm Periodizität demonstriert; eine parabolische Abhängigkeit der erzeugten SH Energie gegen die grundlegende Energie wird dabei beobachtet. Wir demonstrieren auch die zweite Annäherung der Fabrikation von PPLNOI, indem wir direkt LiNbO3 Dünnfilm polen. Die Versprechungen sowie die Herausforderungen, die in unseren einleitenden Experimenten dargestellt werden, werden im Detail besprochen