前沿 | 首次！钽酸锂薄膜微盘腔中最短UV光的产生

Chinese Optics Letters 2023年第6期Editors’ Pick:

Miao Xue, Xiongshuo Yan, Jiangwei Wu, Rui Ge, Tingge Yuan, Yuping Chen, Xianfeng Chen. On-chip ultraviolet second-harmonic generation in lithium-tantalate thin film microdisk[J]. Chinese Optics Letters, 2023, 21(6): 061902 | Fast Track .

紫外（UV）光器件在光学数据存储、光学信息处理和光学传感器等许多应用中具有优势，常见UV区域定义为10 nm~400 nm的波长范围，进一步细分为四个不同的区域：UV-A或长波UV（320~400 nm）；UV-B或中波紫外线（290~320 nm）；UV-C或短波紫外线（200~290 nm）和真空UV（10~200 nm）。在诸如KTiOPO₄、LiNbO₃ 和LiTaO₃的晶体中，已经研究了通过准相位匹配在体材料和波导器件中的倍频产生。然而，从准相位匹配材料产生紫外光有几个限制，例如在紫外波长的透射率较低、光学损伤和制备困难等。因此，芯片上紧凑可靠的紫外线相干光至关重要。

钽酸锂是一种具有铁电性质的正单轴晶体，广泛应用于声光、电光、集成光学、非线性光学等领域。与铌酸锂材料相比，钽酸锂在更大的波段范围内（0.28~5.5 um）是透明的，这可以作为铌酸锂在实现紫外相干光方面的有益补充。目前，对绝缘体上钽酸锂（LTOI）的研究较少，大部分研究都是基于钽酸锂块体材料。LTOI具有较高的激光辐射损伤阈值和较高的光折变损伤阈值。

上海交通大学陈玉萍，陈险峰教授课题组首次在钽酸锂薄膜微盘腔中通过模式相位匹配产生片上384.3 nm紫外倍频光，是迄今为止所知的铁电畴晶体薄膜中最短UV光的产生；显示了钽酸锂薄膜在集成紫外光源平台中的巨大应用前景。该项研究成果从投稿到接收仅十天时间快速发表于Chinese Optics Letters 2023年第21卷第6期（Miao Xue, et al., On-chip ultraviolet second-harmonic generation in lithium-tantalate thin film microdisk）,并被选为当前Editors’ Pick。

有效的倍频需要同时满足能量守恒和动量守恒，本研究中使用了有限元方法（FEM）来计算相位匹配条件。工艺制造上利用聚焦离子束（FIB）对直径为50 μm的微盘进行研磨，然后进行化学机械抛光（CMP），使微盘腔表面和边缘光滑，在可见光波段的品质因子达到2.74×10⁵，实现了波长为384.3 nm的片上紫外倍频相干光，归一化转换效率为5.74×10^-6/W。研究人员认为，通过优化泵浦波长、功率和相位匹配条件，可以获得中波紫外线（UV-B，280~320 nm），通过进一步优化结构和实验方案，可以实现更高的效率。

钽酸锂材料与铌酸锂材料类似，同属于铁电晶体，但其为一种具有不同色散特性的正单轴晶体。钽酸锂材料在抗激光损伤和光折变上较铌酸锂具有很大优势，因而对基于钽酸锂薄膜的微纳光子器件而言，也更容易产生一些高阶的非线性光学现象，其较低的紫外截止波长也预示了独特的应用前景。虽然钽酸锂材料在电光调制器应用上极少，但是其光弹系数与铌酸锂材料相当，在声光调制器、声表面滤波器方向得到广泛应用，而且其温度稳定性比铌酸锂好，能用做高频大带宽滤波器。

上海交通大学先进光子学材料和物理实验室（https://olab.physics.sjtu.edu.cn）由陈险峰教授主持，该团队长期致力于非线性光学和纳米光子学等方向。课题组长期从事非线性光学领域的研究工作，特别是对周期性畴反转铌酸锂（PPLN）晶体的物理特性及应用背景有着长达20余年的研究经验。近五年来，课题组基于铌酸锂薄膜（LNOI）和钽酸锂薄膜（LTOI）微盘腔，微环腔，光子晶体微腔和电光调制器等，掺杂稀土离子LNOI的激光器和放大器，研究亚波长纳尺度下声/光/热/力/电等多维度光场调控的新方法，新技术和物理机理；研究该高度局域光场调控下的新物理效应和现象的同时，发展了基于片上高效集成多功能光子芯片的光子器件及其多维物理场的调控，为科研成果进一步走向应用奉献“铌酸锂谷”光子智慧。

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[1].Bin Fang, Shenglun Gao, Zhizhang Wang, Shining Zhu, Tao Li. Efficient second harmonic generation in silicon covered lithium niobate waveguides[J]. Chinese Optics Letters, 2021, 19(6): 060004.

[2].Biao Mu, Xianfang Wu, Yunfei Niu, Yan Chen, Xinlun Cai, Yanxiao Gong, Zhenda Xie, Xiaopeng Hu, Shining Zhu. Locally periodically poled LNOI ridge waveguide for second harmonic generation [Invited][J]. Chinese Optics Letters, 2021, 19(6): 060007.

科学编辑 | 薛苗 上海交通大学；陈玉萍 上海交通大学