导读
近来，南京大学胡小鹏、谢臻达教授团队和中山大学蔡鑫伦教授课题组合作，发展了高品质周期极化铌酸锂薄膜波导的制备技术，在通讯波段的归一化倍频效率超过理论值的80%。
铌酸锂晶体具有宽的透明窗口、低的吸收损耗、高的抗光学损伤性能，以及大的非线性光学、电光、热光和声光系数等，是集成化的量子通信和量子计算、经典光信息处理、精密测量及传感等芯片的基质材料。在集成光学发展的早期，采用传统的钛扩散、质子交换工艺，铌酸锂晶片就已经被用于电光调制光信息芯片。近年来，铌酸锂单晶薄膜（Lithium Niobate on Insulator, LNOI）材料和微纳光子结构制备方面取得了历史性突破，实现光约束性能更好，有效厚度仅为数百纳米的铌酸锂薄膜光子芯片的基本障碍已经被扫除。哈佛大学在2017年底在网站上发布了题为“Now entering, lithium niobate valley”（意为：现在该进入铌酸锂谷时代了）的公告，文中强调：“铌酸锂对于光子学的意义，等同于硅对于电子学的意义。”这一领域国际竞争愈演愈烈。
由于铌酸锂薄膜的厚度为几百纳米，相比传统的质子交换等弱束缚波导，光场束缚能力提高了一个量级，因此周期极化铌酸锂薄膜波导可用于实现超高效率的非线性频率转换。此前，哈佛大学Marko Loncar课题组等研制出归一化效率为2200-2600%/(W·cm2)的周期极化铌酸锂薄膜倍频波导，此效率虽为传统质子交换波导的20倍，也只达到理论效率的60%，主要原因是铁电畴的占空比偏离最优值，以及铁电畴的不均匀，薄膜极化技术遇到了瓶颈。
本次胡小鹏等在铌酸锂薄膜极化中使用还是传统的电场极化技术，此技术在上个世纪九十年代，由南京大学祝世宁等人独立发展并成功用于制备体块铌酸锂晶体的极化。为了获得高品质的铌酸锂薄膜周期极化结构，该团队发展了以下三点关键技术：一是在极化过程中采用多脉冲技术控制反转铁电畴的横向扩展，使得占空比接近最优值50:50；二是使用倍频共聚焦显微术作为铁电畴形貌无损观测手段，实时监控畴的横向扩展；三是采取了先周期极化再刻蚀脊型波导的工艺流程，从而可以选取在极化质量较好的铁电畴区域刻蚀脊型波导。
图1 （a）工艺流程示意图；（b）反转铁电畴横向生长随着高压脉冲个数的演化图；（c）使用倍频共聚焦显微术观测的铁电畴反转区域放大图；（d）脊型波导选取在占空比接近50:50的区域（红色虚线框内）；（e）铌酸锂薄膜脊型波导的截面示意图。
通过上述的优化技术方案，成功制备了长度6mm、周期4.3μm的周期极化铌酸锂薄膜脊型波导。该波导用于通讯S波段的1469.6nm倍频，归一化倍频效率达到3061%/(W·cm2)，实测效率达到理论效率的83%；此外，倍频调谐曲线的半高宽为4nm，接近理论半高宽3.2nm，表明在6mm的波导长度上，极化质量均匀。该项技术的发展，为研制高性能的铌酸锂集成光子芯片打下了坚实的基础。
图2（a）理论、实验和修正的归一化倍频效率随着基波光波长的变化关系曲线；（b）输出倍频光功率随基波功率的平方线性增长关系。
该成果近期以“Optimizing the efficiency of a periodically poled LNOI waveguide using in situ monitoring of the ferroelectric domains”为题在线发表在《应用物理快报》(Appl. Phys. Lett. 116, 101104 (2020))上。南京大学物理学院博士生钮云飞为论文第一作者，南京大学林晨同学、陈琰同学、张勇教授和中山大学刘潇月同学对本工作亦有重要贡献。南京大学胡小鹏教授、谢臻达教授和中山大学蔡鑫伦教授为论文的共同通讯作者。祝世宁院士精心指导了本工作。相关研究得到了南京大学卓越计划、国家重点研发计划、自然科学基金、江苏省自然科学基金前沿引领技术基础研究专项和广东省重点领域研发计划等的支持。
文章链接
https://doi.org/10.1063/1.5142750
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