【资讯】周期极化薄膜铌酸锂的非线性转换效率

周期极化薄膜铌酸锂器件，可以应用于高效率的光频率转换，广泛应用于宽带光参量放大器、纠缠量子光源、频率上转换的硅单光子探测器等众多领域，具有重要的应用价值和研究意义。此外，通过与基于薄膜铌酸锂平台的其他器件结合，薄膜周期铌酸锂还辅助实现了超高性能的量子压缩态光源、超快飞秒全光开关、光参量振荡器，以及全片上的Pockels激光器等非常重要的片上器件。然而，目前周期极化薄膜铌酸锂器件的制备仍然主要集中在芯片级、电子束曝光和手动极化工艺，这极大地限制了周期极化薄膜铌酸锂器件向更大规模片上集成系统的发展。此外，目前器件长度较长的周期极化铌酸锂波导的绝对转化效率并不高，这主要是由于晶圆的铌酸锂薄膜层厚度不均匀，导致准相位匹配频谱出现多峰、展宽等现象。针对这一问题，香港城市大学王骋教授团队设计了一种基于分段式可调加热器的周期极化薄膜铌酸锂波导，通过分区域加热的方式改变各个局部区域等效厚度，将原本杂乱或者展宽的光谱峰重新整合在统一的目标波长，进而提升了转化效率。该工作为设计和制备高绝对转化效率的周期极化铌酸锂器件提供了新的思路，有望推动基于周期极化薄膜铌酸锂的晶圆级大规模非线性集成器件的发展。

　　周期极化薄膜铌酸锂器件因其强大的非线性转化效率以及对光模斑的强束缚能力，在光通信以及量子通信领域都有着非常重要的应用。通常来说，薄膜铌酸锂波导的横截面积只有1 μm2.是体材料铌酸锂波导的1/10.因此产生相同的非线性转换效率所需的泵浦功率仅为体材料的1/100.从而大大提升了频率转换器件的性能。近年来，高效周期极化薄膜铌酸锂器件已应用于许多不同的应用场景：在经典光学领域，周期极化薄膜铌酸锂器件可应用于光参量放大器、全光开关等光通信系统;在量子光源、通信以及量子计算领域，周期极化薄膜铌酸锂也有诸多的应用，包括高效率的纠缠量子光源、高效率的量子压缩态光源以及基于上转换的硅单光子探测器等。

　　尽管周期极化薄膜铌酸锂在诸多领域都有蓬勃的发展和优异的性能，目前的主流器件制备方案仍然依赖于逐个厘米级芯片的电子束曝光以及逐个器件的晶体极化过程，加工的速度和良率都较为受限;这极大地阻碍了周期极化薄膜铌酸锂器件在诸如量子计算或信息处理等大规模片上集成领域的应用。除了缺乏可量产的加工工艺以外，目前周期极化薄膜铌酸锂器件虽然归一化的非线性转化效率很高，但其绝对转化效率仍然低于体材料的周期极化铌酸锂器件。这是由于薄膜器件对于上底宽度、刻蚀深度、薄膜厚度等光波导几何参数的变化更为敏感，这些几何参数沿着波导传播方向变化的不均匀性会导致其局部的准相位匹配波长变化，造成准相位匹配光谱的畸变，即出现带宽展宽或者多峰等现象。

　　近期，针对这些问题，香港城市大学王骋教授团队开发了晶圆级周期极化薄膜铌酸锂器件制备工艺，并通过分段可调谐的微加热器来调整局部的准相位匹配波长，从而将畸变的准相位匹配光谱重新对准回目标波长，最终实现提升周期极化薄膜铌酸锂器件绝对转化效率的目标。相关研究成果以“Advancing large-scale thin-film PPLN nonlinear photonics with segmented tunable micro-heaters"为题发表于Photonics Research 2024年第8期。

　　图1展示了针对晶圆级周期极化薄膜铌酸锂光波导的分段微加热器设计概念图。如图1(c)所示，相较于理论预测光谱，在没有打开微分段加热器之前，周期极化薄膜铌酸锂器件的准相位匹配光谱常会出现线宽展宽或者多峰的情况，这是薄膜厚度不均或者加工误差带来的其他波导几何形状(如刻蚀深度或上底宽度等)变化所导致的。通过逐一控制沿波导传播方向上各个微加热器的热调谐功率(图1(a))，研究者得以精确地局部调整器件不同区域对应的准相位匹配波长，并将原本散乱的准相位匹配光谱重新对准到目标转换波长。调整后的准相位匹配光谱如图1(b)所示。

　　图1 针对晶圆级周期极化铌酸锂波导设计的微分段加热器概念图。(a)–(b) 在加热功率分布如(a)所示的情况下，效率得到提升的准相位匹配光谱(b);(c) 未加热前薄膜厚度不均导致的非理想光谱

　　图2展示了在实验中利用上述的微分段加热器结构实现的非线性转换效率提升。如图2(a)所示，对于一个长度6 mm的周期极化铌酸锂器件，在没有分段加热器的调谐下，有三个主峰分别为1545.1 nm，1548.8 nm和1554.9 nm。由于转换效率分散，最高主峰的效率仅为理论效率的64%，如蓝色虚线所示。随后，研究者将直流电流源加载在集成于周期极化铌酸锂器件两侧的四个均匀分布的分段式微加热器上。通过多次迭代和对各个微加热器功率的细致调节(图2(e))，最终实现了如图2(b)所示的优化后的准相位匹配光谱。实验结果表明，通过热调谐后的二次谐波产生的转换效率为3802% W−1 cm−2.比初始值(2878% W−1 cm−2)提高了32%，相当于理论转换效率(4500% W−1 cm−2)的84%。

　　测试中剩余的与理想效率的微小差异主要归因于1560.9 nm处的残留的小子峰，在这组特定器件中，它不能合并到主峰中，这可能是由于芯片特定位置的厚度变化比预期更大。此外，通过施加其他微加热器功率组合来按需得到其他准相位匹配的光谱也是可行的，如图2(c)所示。

　　图2 (a)–(c) 在施加调谐电流之前(a)，在加热器功率优化之后(b)，以及在一组任意调谐参数下(c)的测试准相位匹配光谱;(d)–(f) 在(a)–(c)中分别对应的对分段式微加热器功率

　　该论文的第一作者李晓婷表示：“通过这种分段热调谐的方法，我们成功实现了对于畸变准相位匹配光谱的品质提升，使其转化效率接近理论预测值。这对于未来在单个铌酸锂芯片上实现多个非线性器件的更大规模集成具有重要应用价值。"

　　该研究的通讯作者王骋教授表示：“利用‘后加工’的方法实现周期极化薄膜铌酸锂器件准相位匹配光谱的优化及其非线性转化效率的提升，加上晶圆级的器件加工工艺，这对于未来大规模集成的非线性器件性能以及非线性转化的工作波长、转化效率的一致性的提升非常重要。期待这项技术可以为以后的量子以及通信领域的器件研发提供参考。"

　　后续，团队将进一步优化微分段加热器的设计，通过增加加热器的数量使调谐更加细化，以更加精准地对准目标波长。团队还将开发算法程序来提高准相位匹配光谱的对准速度。