氧化钽克尔非线性集成光子学

集成光子学在现代科学与技术中扮演着核心角色，它使从非线性科学到量子信息、超精密测量与传感，以及数据通信和信号处理等高级应用的实验成为可能。具有优良特性的光学材料对于集成光子器件的纳米制造至关重要。本文介绍一种用于集成非线性光子学的材料——五氧化二钽（Ta$_2$O$_5$，以下简称氧化钽），它具有低本征材料应力、低光学损耗以及高效利用克尔非线性过程的特性。我们采用离子束溅射法在氧化硅晶片上沉积了厚度超过800纳米的氧化钽薄膜。这些氧化钽薄膜含有38 MPa的低残余拉伸应力，并提供了$n_2$=6.2(23)$\times10^{-19}$ m$^2$/W的克尔指数，这大约是氮化硅的三倍。我们制造了集成非线性谐振器和波导，而没有遇到在化学计量比氮化硅中普遍存在的开裂难题。氧化钽谐振器的光学品质因子高达$3.8\times10^6$，这使我们能够以低阈值功率产生超宽带克尔孤子频率梳。此外，氧化钽波导能够利用低能量、超快种子脉冲在近红外波段实现超连续谱产生。我们的工作为集成、低损耗纳米光子学引入了一个多功能材料平台，该平台可广泛应用并实现异质集成。