【資訊】周期極化薄膜鈮酸鋰的非線性轉(zhuǎn)換效率

更新時間：2024-12-18

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周期極化薄膜鈮酸鋰器件，可以應(yīng)用于高效率的光頻率轉(zhuǎn)換，廣泛應(yīng)用于寬帶光參量放大器、糾纏量子光源、頻率上轉(zhuǎn)換的硅單光子探測器等眾多領(lǐng)域，具有重要的應(yīng)用價值和研究意義。此外，通過與基于薄膜鈮酸鋰平臺的其他器件結(jié)合，薄膜周期鈮酸鋰還輔助實現(xiàn)了超高性能的量子壓縮態(tài)光源、超快飛秒全光開關(guān)、光參量振蕩器，以及全片上的Pockels激光器等非常重要的片上器件。然而，目前周期極化薄膜鈮酸鋰器件的制備仍然主要集中在芯片級、電子束曝光和手動極化工藝，這極大地限制了周期極化薄膜鈮酸鋰器件向更大規(guī)模片上集成系統(tǒng)的發(fā)展。此外，目前器件長度較長的周期極化鈮酸鋰波導(dǎo)的絕對轉(zhuǎn)化效率并不高，這主要是由于晶圓的鈮酸鋰薄膜層厚度不均勻，導(dǎo)致準相位匹配頻譜出現(xiàn)多峰、展寬等現(xiàn)象。針對這一問題，香港城市大學王騁教授團隊設(shè)計了一種基于分段式可調(diào)加熱器的周期極化薄膜鈮酸鋰波導(dǎo)，通過分區(qū)域加熱的方式改變各個局部區(qū)域等效厚度，將原本雜亂或者展寬的光譜峰重新整合在統(tǒng)一的目標波長，進而提升了轉(zhuǎn)化效率。該工作為設(shè)計和制備高絕對轉(zhuǎn)化效率的周期極化鈮酸鋰器件提供了新的思路，有望推動基于周期極化薄膜鈮酸鋰的晶圓級大規(guī)模非線性集成器件的發(fā)展。

　　周期極化薄膜鈮酸鋰器件因其強大的非線性轉(zhuǎn)化效率以及對光模斑的強束縛能力，在光通信以及量子通信領(lǐng)域都有著非常重要的應(yīng)用。通常來說，薄膜鈮酸鋰波導(dǎo)的橫截面積只有1 μm2.是體材料鈮酸鋰波導(dǎo)的1/10.因此產(chǎn)生相同的非線性轉(zhuǎn)換效率所需的泵浦功率僅為體材料的1/100.從而大大提升了頻率轉(zhuǎn)換器件的性能。近年來，高效周期極化薄膜鈮酸鋰器件已應(yīng)用于許多不同的應(yīng)用場景：在經(jīng)典光學領(lǐng)域，周期極化薄膜鈮酸鋰器件可應(yīng)用于光參量放大器、全光開關(guān)等光通信系統(tǒng);在量子光源、通信以及量子計算領(lǐng)域，周期極化薄膜鈮酸鋰也有諸多的應(yīng)用，包括高效率的糾纏量子光源、高效率的量子壓縮態(tài)光源以及基于上轉(zhuǎn)換的硅單光子探測器等。

　　盡管周期極化薄膜鈮酸鋰在諸多領(lǐng)域都有蓬勃的發(fā)展和優(yōu)異的性能，目前的主流器件制備方案仍然依賴于逐個厘米級芯片的電子束曝光以及逐個器件的晶體極化過程，加工的速度和良率都較為受限;這極大地阻礙了周期極化薄膜鈮酸鋰器件在諸如量子計算或信息處理等大規(guī)模片上集成領(lǐng)域的應(yīng)用。除了缺乏可量產(chǎn)的加工工藝以外，目前周期極化薄膜鈮酸鋰器件雖然歸一化的非線性轉(zhuǎn)化效率很高，但其絕對轉(zhuǎn)化效率仍然低于體材料的周期極化鈮酸鋰器件。這是由于薄膜器件對于上底寬度、刻蝕深度、薄膜厚度等光波導(dǎo)幾何參數(shù)的變化更為敏感，這些幾何參數(shù)沿著波導(dǎo)傳播方向變化的不均勻性會導(dǎo)致其局部的準相位匹配波長變化，造成準相位匹配光譜的畸變，即出現(xiàn)帶寬展寬或者多峰等現(xiàn)象。

　　近期，針對這些問題，香港城市大學王騁教授團隊開發(fā)了晶圓級周期極化薄膜鈮酸鋰器件制備工藝，并通過分段可調(diào)諧的微加熱器來調(diào)整局部的準相位匹配波長，從而將畸變的準相位匹配光譜重新對準回目標波長，最終實現(xiàn)提升周期極化薄膜鈮酸鋰器件絕對轉(zhuǎn)化效率的目標。相關(guān)研究成果以“Advancing large-scale thin-film PPLN nonlinear photonics with segmented tunable micro-heaters"為題發(fā)表于Photonics Research 2024年第8期。

　　圖1展示了針對晶圓級周期極化薄膜鈮酸鋰光波導(dǎo)的分段微加熱器設(shè)計概念圖。如圖1(c)所示，相較于理論預(yù)測光譜，在沒有打開微分段加熱器之前，周期極化薄膜鈮酸鋰器件的準相位匹配光譜常會出現(xiàn)線寬展寬或者多峰的情況，這是薄膜厚度不均或者加工誤差帶來的其他波導(dǎo)幾何形狀(如刻蝕深度或上底寬度等)變化所導(dǎo)致的。通過逐一控制沿波導(dǎo)傳播方向上各個微加熱器的熱調(diào)諧功率(圖1(a))，研究者得以精確地局部調(diào)整器件不同區(qū)域?qū)?yīng)的準相位匹配波長，并將原本散亂的準相位匹配光譜重新對準到目標轉(zhuǎn)換波長。調(diào)整后的準相位匹配光譜如圖1(b)所示。

【資訊】周期極化薄膜鈮酸鋰的非線性轉(zhuǎn)換效率

　　圖1 針對晶圓級周期極化鈮酸鋰波導(dǎo)設(shè)計的微分段加熱器概念圖。(a)–(b) 在加熱功率分布如(a)所示的情況下，效率得到提升的準相位匹配光譜(b);(c) 未加熱前薄膜厚度不均導(dǎo)致的非理想光譜

　　圖2展示了在實驗中利用上述的微分段加熱器結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的非線性轉(zhuǎn)換效率提升。如圖2(a)所示，對于一個長度6 mm的周期極化鈮酸鋰器件，在沒有分段加熱器的調(diào)諧下，有三個主峰分別為1545.1 nm，1548.8 nm和1554.9 nm。由于轉(zhuǎn)換效率分散，最高主峰的效率僅為理論效率的64%，如藍色虛線所示。隨后，研究者將直流電流源加載在集成于周期極化鈮酸鋰器件兩側(cè)的四個均勻分布的分段式微加熱器上。通過多次迭代和對各個微加熱器功率的細致調(diào)節(jié)(圖2(e))，最終實現(xiàn)了如圖2(b)所示的優(yōu)化后的準相位匹配光譜。實驗結(jié)果表明，通過熱調(diào)諧后的二次諧波產(chǎn)生的轉(zhuǎn)換效率為3802% W?1 cm?2.比初始值(2878% W?1 cm?2)提高了32%，相當于理論轉(zhuǎn)換效率(4500% W?1 cm?2)的84%。

　　測試中剩余的與理想效率的微小差異主要歸因于1560.9 nm處的殘留的小子峰，在這組特定器件中，它不能合并到主峰中，這可能是由于芯片特定位置的厚度變化比預(yù)期更大。此外，通過施加其他微加熱器功率組合來按需得到其他準相位匹配的光譜也是可行的，如圖2(c)所示。

【資訊】周期極化薄膜鈮酸鋰的非線性轉(zhuǎn)換效率

　　圖2 (a)–(c) 在施加調(diào)諧電流之前(a)，在加熱器功率優(yōu)化之后(b)，以及在一組任意調(diào)諧參數(shù)下(c)的測試準相位匹配光譜;(d)–(f) 在(a)–(c)中分別對應(yīng)的對分段式微加熱器功率

　　該論文的第一作者李曉婷表示：“通過這種分段熱調(diào)諧的方法，我們成功實現(xiàn)了對于畸變準相位匹配光譜的品質(zhì)提升，使其轉(zhuǎn)化效率接近理論預(yù)測值。這對于未來在單個鈮酸鋰芯片上實現(xiàn)多個非線性器件的更大規(guī)模集成具有重要應(yīng)用價值。"

　　該研究的通訊作者王騁教授表示：“利用‘后加工’的方法實現(xiàn)周期極化薄膜鈮酸鋰器件準相位匹配光譜的優(yōu)化及其非線性轉(zhuǎn)化效率的提升，加上晶圓級的器件加工工藝，這對于未來大規(guī)模集成的非線性器件性能以及非線性轉(zhuǎn)化的工作波長、轉(zhuǎn)化效率的一致性的提升非常重要。期待這項技術(shù)可以為以后的量子以及通信領(lǐng)域的器件研發(fā)提供參考。"

　　后續(xù)，團隊將進一步優(yōu)化微分段加熱器的設(shè)計，通過增加加熱器的數(shù)量使調(diào)諧更加細化，以更加精準地對準目標波長。團隊還將開發(fā)算法程序來提高準相位匹配光譜的對準速度。

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