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(cè)器等眾多領(lǐng)域，具有重要的應(yīng)用價(jià)值和研究意義。此外，通過(guò)與基于薄膜鈮酸鋰平臺(tái)的其他器件結(jié)合，薄膜周期鈮酸鋰還輔助實(shí)現(xiàn)了超高性能的量子壓縮態(tài)光源、超快飛秒全光開(kāi)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(jí)、電子束曝光和手動(dòng)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(zhǎng)度較長(zhǎng)的周期極化鈮酸鋰波導(dǎo)的絕對(duì)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(zhǔn)相位匹配頻譜出現(xiàn)多峰、展寬等現(xiàn)象。針對(duì)這一問(wèn)題，香港城市大學(xué)王騁教授團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)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(guò)分區(qū)域加熱的方式改變各個(gè)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(biāo)波長(zhǎng)，進(jìn)而提升了轉(zhuǎn)化效率。該工作為設(shè)計(jì)和制備高絕對(duì)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(dòng)基于周期極化薄膜鈮酸鋰的晶圓級(jí)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(qiáng)大的非線性轉(zhuǎn)化效率以及對(duì)光模斑的強(qiáng)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(lái)說(shuō)，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(lái)，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(chǎng)景：在經(jīng)典光學(xué)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(kāi)關(guān)等光通信系統(tǒng);在量子光源、通信以及量子計(jì)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(cè)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(gè)厘米級(jí)芯片的電子束曝光以及逐個(gè)器件的晶體極化過(guò)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(jì)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(duì)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(duì)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(huì)導(dǎo)致其局部的準(zhǔn)相位匹配波長(zhǎng)變化，造成準(zhǔn)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(duì)這些問(wèn)題，香港城市大學(xué)王騁教授團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了晶圓級(jí)周期極化薄膜鈮酸鋰器件制備工藝，并通過(guò)分段可調(diào)諧的微加熱器來(lái)調(diào)整局部的準(zhǔn)相位匹配波長(zhǎng)，從而將畸變的準(zhǔn)相位匹配光譜重新對(duì)準(zhǔn)回目標(biāo)波長(zhǎng)，最終實(shí)現(xiàn)提升周期極化薄膜鈮酸鋰器件絕對(duì)轉(zhuǎn)化效率的目標(biāo)。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(duì)晶圓級(jí)周期極化薄膜鈮酸鋰光波導(dǎo)的分段微加熱器設(shè)計(jì)概念圖。如圖1(c)所示，相較于理論預(yù)測(cè)光譜，在沒(méi)有打開(kāi)微分段加熱器之前，周期極化薄膜鈮酸鋰器件的準(zhǔn)相位匹配光譜常會(huì)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(lái)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(guò)逐一控制沿波導(dǎo)傳播方向上各個(gè)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(zhǔn)相位匹配波長(zhǎng)，并將原本散亂的準(zhǔn)相位匹配光譜重新對(duì)準(zhǔn)到目標(biāo)轉(zhuǎn)換波長(zhǎng)。調(diào)整后的準(zhǔn)相位匹配光譜如圖1(b)所示。

　　圖1 針對(duì)晶圓級(jí)周期極化鈮酸鋰波導(dǎo)設(shè)計(jì)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(zhǔn)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(shí)驗(yàn)中利用上述的微分段加熱器結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的非線性轉(zhuǎn)換效率提升。如圖2(a)所示，對(duì)于一個(gè)長(zhǎng)度6 mm的周期極化鈮酸鋰器件，在沒(méi)有分段加熱器的調(diào)諧下，有三個(gè)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(lán)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(gè)均勻分布的分段式微加熱器上。通過(guò)多次迭代和對(duì)各個(gè)微加熱器功率的細(xì)致調(diào)節(jié)(圖2(e))，最終實(shí)現(xiàn)了如圖2(b)所示的優(yōu)化后的準(zhǔn)相位匹配光譜。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)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(dāng)于理論轉(zhuǎn)換效率(4500% W?1 cm?2)的84%。

　　測(cè)試中剩余的與理想效率的微小差異主要?dú)w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(guò)施加其他微加熱器功率組合來(lái)按需得到其他準(zhǔn)相位匹配的光譜也是可行的，如圖2(c)所示。

　　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(cè)試準(zhǔn)相位匹配光譜;(d)–(f) 在(a)–(c)中分別對(duì)應(yīng)的對(duì)分段式微加熱器功率

　　該論文的第一作者李曉婷表示：“通過(guò)這種分段熱調(diào)諧的方法，我們成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)于畸變準(zhǔn)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(cè)值。這對(duì)于未來(lái)在單個(gè)鈮酸鋰芯片上實(shí)現(xiàn)多個(gè)非線性器件的更大規(guī)模集成具有重要應(yīng)用價(jià)值。"

　　該研究的通訊作者王騁教授表示：“利用‘后加工’的方法實(shí)現(xiàn)周期極化薄膜鈮酸鋰器件準(zhǔn)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(jí)的器件加工工藝，這對(duì)于未來(lái)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(zhǎng)、轉(zhuǎn)化效率的一致性的提升非常重要。期待這項(xiàng)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(tuán)隊(duì)將進(jìn)一步優(yōu)化微分段加熱器的設(shè)計(jì)，通過(guò)增加加熱器的數(shù)量使調(diào)諧更加細(xì)化，以更加精準(zhǔn)地對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)波長(zhǎng)。團(tuán)隊(duì)還將開(kāi)發(fā)算法程序來(lái)提高準(zhǔn)相位匹配光譜的對(duì)準(zhǔn)速度。