KIP-Veröffentlichungen

Frequenzkonverter zur Frequenzverdopplung (SHG) sind essenzielle Komponenten photonisch integrierter Schaltungen und ermöglichen Anwendungen von ”continuous-variable” - Quantencomputingsystemen bis hin zur Erweiterung des Frequenzbereichs von Laserquellen. Dünnschicht- Lithiumniobat (TFLN) ist aufgrund seiner starken Nichtlinearität und der Möglichkeit, mittels elektrischer Feldpolung periodisch gepolte Wellenleiter im Submikrometerbereich zu realisieren, eine etablierte Plattform für solche Bauelemente. Die starke Modenführung erhöht die lokale Feldstärke und ermöglicht hohe Konversionseffizienzen bei vergleichsweise geringen Eingangsleistungen. Fertigungsbedingte Schwankungen der Schichthöhe in kommerziell verfügbarem TFLN führen jedoch zu Phasenanpassungsfehlern, wodurch eine effiziente SHG bei einer vorgegebenen Zielwellenlänge erschwert wird. Diese Arbeit konzentriert sich auf die Realisierung einer zuverlässigen Frequenzkonversion bei 1550 nm in periodisch gepoltem TFLN durch eine gezielte Anpassung der Wellenleiterbreite. Mithilfe von Finite-Elemente- Simulationen werden der Zusammenhang zwischen Wellenleitergeometrie und Konversionseffizienz, der Einfluss von Variationen in der Herstellung auf unterschiedliche Wellenleiterdesigns, sowie die Möglichkeit zur Realisierung breitbandiger SHG untersucht. Darüber hinaus wird die Machbarkeit einer nachträglichen Feinabstimmung der SHG mittels Zwei-Photonen- Polymerisationsdruck analysiert. Die Schichtdicke vor der Fertigung wird mittels Reflektometrie mit kleinem Messfleck vermessen, um die Anpassung der Wellenleiterbreite zu ermöglichen. Die Ergebnisse dieser ersten Implementierung werden präsentiert, aktuelle Limitationen hervorgehoben und die Bedingungen für eine robuste und reproduzierbare Frequenzkonversion aufgezeigt.

Frequency converters for second-harmonic generation (SHG) and spontaneous parametric downconversion (SPDC) are essential components in photonic integrated circuits, enabling applications ranging from continuous variable quantum computing to extending the frequency range of laser sources. Thin-film Lithium Niobate (TFLN) is a prominent platform for such devices due to its strong second order nonlinearity and ability to use electric-field poling to achieve the phase matching condition by periodically poling waveguides. The sub-micron scale mode confinement increases local field strength and enables high conversion efficiencies with relatively low input powers. However, fabrication-induced film height variations in commercially available TFLN introduce phase-matching errors, making efficient SHG at a target wavelength challenging. This thesis focuses on creating reliable frequency conversion at 1550 nm wavelength in periodically poled TFLN by adapting waveguide width. Using finite element simulations, the relation between waveguide geometry and conversion efficiency, the influence of different waveguide designs to variations in fabrication and the possibility to create broadband SHG is investigated. In addition, the feasibility of post-fabrication tuning of SHG using two-photon polymerization printing is examined. Experimentally, small-spot reflectometry is employed to map film thickness prior to fabrication, in order to adapt waveguide width. The results of this initial implementation are presented, highlighting current limitations and the conditions required for robust and repeatable frequency conversion.