#周期极化薄膜铌酸锂 #超均匀薄膜铌酸锂晶圆 #LNOI晶圆 

摘要

我们通过偏振不敏感的亚微米周期极化技术，在薄膜铌酸锂微环谐振腔中演示了双光学参量振荡。在简并反向准相位匹配条件下，反向传播的信号光和闲频光波矢相互抵消，使得相位匹配条件仅由泵浦光波矢决定。因此，单个亚微米极化周期在同一器件中同时支持0型（TM → TM + TM）和I型（TM → TE + TE）参量相互作用。通过温度控制的谐振对准，可进一步选择性激活任一偏振通道。我们观察到0型过程和I型过程的光学参量振荡阈值分别为290 µW和3 mW，两者均与最先进的片上OPO阈值相当。这些结果确立了亚微米极化TFLN作为偏振多样参量光生成的紧凑可重构平台。

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I. 引言

光学参量振荡器及其阈值以下的量子对应——自发参量下转换——是一种用途广泛的光源，在经典和量子领域都有广泛应用，例如产生超越传统光学增益介质频率范围的激光、光谱学[1-3]、量子计算[4,5]以及先进计量学[6-10]。在集成光子学中，薄膜铌酸锂因其大的非线性系数、低传播损耗以及用于畴工程的铁电特性，已成为实现紧凑高效χ⁽²⁺⁾器件的领先平台[11-14]。特别是TFLN微环谐振腔，已展示出低阈值[15-18]和宽带可调谐[19]的χ⁽²⁺⁾光学参量振荡器。

然而，迄今为止的大多数OPO被设计为支持单一非线性过程，通常是共传播的0型或I型相位匹配，这限制了这些参量光源的灵活性和可重构性。通常，实现不同类型的OPO（0型、I型或II型）需要对基于不同非线性张量元件的相互作用进行相应的相位匹配工程。在块状晶体中，这通常通过晶体角度调谐实现双折射相位匹配（例如在BBO或LBO中）[20,21]；而在铁电薄膜材料（如KTP和铌酸锂）中，周期极化允许对特定的偏振和频率组合进行准相位匹配[22]。在单个结构中同时实现多个非线性过程已在块状和芯片级系统中得到探索，包括使用空间模式工程、复合周期极化光栅或高阶QPM的方法[23-25]，尽管这些方法通常在效率、复杂性和可控性方面面临权衡。

在这项工作中，我们在单个亚微米极化的薄膜铌酸锂微环中实现了0型和I型光学参量振荡。由于简并反向相位匹配[26,27]，信号光和闲频光的波矢相互抵消，因此单个极化周期可以同时相位匹配TM → TM + TM和TM → TE + TE的相互作用。我们实验性地观察到了两个通道的低阈值振荡，并通过谐振对准在它们之间进行热切换。这项工作引入了一个紧凑、可重构的非线性平台，支持偏振多样的参量光生成，为具有经典和量子功能的集成光源铺平了道路。

II. 微环的设计与制备

我们器件的工作原理如图1(a)所示。简并情况下的反向相位匹配强制了一种反向传播的配置，其中信号光和闲频光的波矢（kₛ和kᵢ）大小相等、方向相反。在此条件下，它们在动量守恒关系中的贡献相互抵消，准相位匹配条件简化为kₚ − k_QPM = 0，这意味着极化波矢k_QPM仅补偿泵浦动量。这一关键简化使得单个极化周期能够满足多种偏振配置。图1(c)还显示了相应的相互作用机制：780 nm的TM₀₀模式通过d₃₃张量元（0型过程）与1560 nm的TM₀₀模式相互作用，或者通过d₃₁张量元（I型过程）与1560 nm的TE₀₀模式相互作用。由于这两个过程在简并点共享相同的780 nm波矢，因此它们需要相同的极化周期来实现准相位匹配，计算得出Λ = λᵤᵢₛ / n_eff,vis = 371 nm。图1(b)中的伪彩色扫描电子显微镜图像证实了在微环中实现了亚微米周期极化，其中反转畴被氢氟酸选择性腐蚀，在SEM图像中呈现为深蓝色标记的沟槽。这些特征共同构成了在单个反向相位匹配的TFLN谐振腔内同时实现0型和I型参量振荡的物理基础。

图1. (a) 具有371 nm极化周期的铌酸锂环形谐振腔。(b) 双反向相位匹配条件。(c) 反向相位匹配方案中的0型 (i) 和 I型 (ii) 光学参量振荡。

我们设计的微环旨在同时支持TM偏振的780 nm泵浦以及TE和TM两种偏振的1560 nm信号/闲频波段的耦合。在基于腔的OPO中，振荡阈值和转换效率之间存在固有的权衡：降低阈值通常需要更高的负载Q值，因此倾向于欠耦合；而有效提取产生的场则需要足够的过耦合[15]。因此，在这项工作中，我们力求在保持泵浦的高负载Q值和实现信号/闲频场的有效输出耦合之间取得折衷。为了在波长间隔很宽的范围内实现这一点，我们采用了环绕（滑轮）耦合器结构，这为同时工程设计780 nm和1560 nm的耦合强度提供了额外的自由度[28,29]。总线波导与环之间的耦合由模场重叠和相位匹配共同决定。由于780 nm模式被限制得更紧，其倏逝波重叠较弱，因此其相位匹配条件更具限制性。因此，在确定总线结构时，我们优先考虑泵浦波长处的相位匹配。具体来说，我们固定环半径为70 μm，环宽度为1.4 μm，耦合间隙为0.4 μm，在600 nm厚的z切铌酸锂薄膜中刻蚀深度为0.4 μm。然后，我们扫描总线波导的宽度以确定相位匹配的耦合区域，如图2(a)所示。从该扫描中选择0.53 μm的宽度，这为泵浦提供了最佳的相位匹配。环绕角确定为40度，以在1560 nm处实现更强的耦合。

图2. (a) 总线波导宽度变化时的折射率匹配扫描。ρ = (R + Wgap) / (R + Wring/2 + 4Wbus/2) 是环模式与总线模式之间的有效半径比。(b) 同时测量1560 nm透射率和780 nm对称二次谐波产生的实验装置。IR PD：红外光电探测器；VIS PD：近可见光电探测器；WDM：780 nm/1560 nm波长解复用器；FPC：光纤偏振控制器。(c) 随温度变化的SHG光谱与相应的红外透射谱叠加。(i) 在23.5°C时，SHG峰与1560 nm TE₀₀共振对齐，对应于I型SHG过程。(ii) 在40.1°C时，SHG峰与1560 nm TM₀₀共振对齐，对应于0型SHG过程。(d) 测得的780 nm TM₀₀模式（左）和1560 nm TE₀₀模式（右）的腔谐振线形及洛伦兹拟合，从中提取负载品质因数。

对于非线性频率转换，通过在TFLN薄膜顶部的镍电极上施加电压，实现了周期为371 nm的周期极化，然后在极化区域内图案化微环谐振腔。更多制备细节请参见[26]。我们还采用了高品质因数（高Q）的制备策略，包括浅刻蚀以最小化模式与侧壁的重叠，以及优化的湿法刻蚀条件（50°C的RCA溶液处理10分钟）以减少反转畴中的缺陷。

为了表征制备的器件，我们测量了780 nm TM模式和1560 nm TE模式的负载Q值。如图2(d)所示，780 nm TM泵浦模式的本征Q值为Q₀ = 4.2 × 10⁶，负载Q值为Q_L = 3.3 × 10⁶；而1560 nm TE模式表现出Q₀ = 1.4 × 10⁶和Q_L = 5 × 10⁵。1560 nm TM模式没有显示出适合可靠拟合的明确洛伦兹线形，这可能是由于过耦合较强。然而，通过估计分裂共振的线宽，我们得到1560 nm TM模式的Q_L ≃ 1.2 × 10⁵和Q_in ≃ 6.5 × 10⁵。

III. 测量结果

在直接测量OPO之前，我们首先使用相应的对称二次谐波过程作为便捷探针，来识别两个非线性转换通道并校准它们随温度变化的切换行为。在我们的器件中，0型（1560 nm TM → 780 nm TM）和I型（1560 nm TE → 780 nm TM）SSHG过程都设计为通过相同的周期极化结构实现相位匹配。实验上哪个过程占主导取决于谐振对齐条件 δω(T) = 2ω_IR(T) − ω_VIS(T)，该条件可通过温度T进行调谐。在给定温度下，如果 δω_TM ≪ δω_TE，则0型过程将占主导。换句话说，每个过程都有其自身的最佳工作温度，我们可以通过温度调谐选择性地激活其中一个过程。

为了通过实验表征这种行为，我们进行了温度调谐测量。图2(b)展示了实验装置。一个连续波的1560 nm激光器从耦合波导的一端注入器件。由于相对端面的反射，环内也存在一个弱的反向传播的1560 nm场，从而有效地满足了对称SHG的要求。在此配置下，当光开关设置为连接到红外光电探测器的下臂时，我们可以同时监测1560 nm的透射和相应的780 nm SHG信号。

图2(c)展示了温度如何调谐基频波和二次谐波模式之间的谐振匹配。在23.5°C时，SHG峰[图2(c-i)]与1560 nm TE共振良好对齐，表明这是I型过程的最佳条件。当温度升高到40.1°C时，SHG峰偏移到与TM模式对齐，这有利于0型过程。

为了量化SHG效率，我们进一步调谐到每个过程的最佳温度，并激活对称泵浦配置（图2(b)中的开关连接到上端口）以测量产生的SHG功率。结果如图3(a,b)所示。在非耗尽状态下，I型SSHG的提取归一化转换效率为5.89×10⁴ %/W，而0型SSHG的转换效率达到1.15×10⁶ %/W。观察到的效率比与所涉及的非线性张量元件的相对大小一致。已知d₃₃ ≈ 19.6 pm/V和d₃₁ ≈ 3.2 pm/V，预期的效率比例 η_SHG ∝ d_eff² 给出 (d₃₃/d₃₁)² ~ 37，与实验比例约20基本一致，剩余差异归因于耦合条件和腔负载Q值的不同。

图3. (a-b) 测得的I型（0型）对称二次谐波效率。(c) 在I型和0型过程各自优化温度下，将可见泵浦波长调谐通过共振时，从一个1560 nm端口测得的OPO输出功率。(d) I型和0型过程单侧OPO输出的OSA光谱，颜色编码与(c)中相同。(e) I型过程的OPO输出功率与片上泵浦功率的关系，显示阈值约为3 mW。(f) 0型过程的OPO输出功率与片上泵浦功率的关系，显示阈值为290 μW。

为了测量OPO响应，将可见光泵浦激光器注入左侧WDM的780 nm端口，通过参量振荡产生的反向传播的信号光和闲频光从WDM的两个1560 nm输出端口输出，并使用两个红外光子探测器收集。这种配置自然地实现了简并操作，其中信号和闲频频率通过反向传播相位匹配条件自动锁定到简并点[27]。同一器件同时支持0型（780 nm TM → 1560 nm TM + TM）和I型（780 nm TM → 1560 nm TE + TE）参量振荡过程。通过调节器件温度以对齐红外和可见光谐振，可以选择性地激活每个过程。

我们通过调谐可见光泵浦波长跨过共振，并记录从一个WDM输出端口产生的红外输出来进一步表征OPO发射，如图3(c)所示。OPO峰出现在两个工作温度对应的简并波长处，证实了I型和0型过程的选择性激活。图3(c)中0型过程更宽的特征反映了更大的泵浦失谐振荡范围。这是预期的，因为1560 nm TM模式的过耦合更强且负载Q值更低，从而具有更宽的共振线宽。再加上更强的d₃₃介导的非线性增益，0型OPO可以在更宽的泵浦波长范围内保持在阈值之上。通过OSA测量的光谱[图3(d)]显示了两种过程的OPO发射。为简洁起见，图3(c,d)显示了单侧OPO输出。

图3(e-f)显示了从两个1560 nm端口收集的测量总简并OPO输出功率与片上泵浦功率的关系，分别对应两种不同过程，实线代表分析拟合。对于TM-TE（I型）过程[图3(e)]，我们观察到明显的阈值行为，测得的OPO阈值约为3 mW，最大转换效率为11%。对于TM-TM（0型）过程[图3(f)]，阈值显著降低至约290 μW，而由于1560 nm TM模式更强的过耦合，最大转换效率达到23%。使用测得的SHG效率以及提取的腔Q值，我们推算出有效耦合强度g₃₁/2π = 0.026 MHz和g₃₃/2π = 0.37 MHz，对应的I型过程预测OPO阈值为2.6 mW，0型过程为226 μW，与测量值吻合良好。

这些结果证实了该器件能够使用相同的亚微米极化环谐振腔，在0型和I型配置下实现具有良好转换效率的低阈值OPO操作。反向相位匹配、亚微米周期极化以及高品质因数谐振腔设计的结合，使得跨两个偏振通道实现灵活、高效的参量振荡成为可能。

IV. 讨论与结论

总之，我们展示了一种亚微米周期极化的薄膜铌酸锂微环谐振腔，该器件在0型和I型配置下均能支持高效、低阈值的光学参量振荡。通过利用亚微米尺度周期极化实现反向相位匹配，该器件能够实现具有不同偏振组合的简并OPO，并可通过温度调谐选择性地访问这些组合。这些结果确立了亚微米极化薄膜铌酸锂微环作为集成、可调谐和偏振多样参量源的通用平台。

除了经典操作之外，反向0型和I型相互作用的同时可用性对于量子光子学也具有意义，因为它们低于阈值的SPDC对应过程可以产生具有两种偏振态且空间分离的反向传播光子对，从而有助于集成线路中的路由和滤波[30, 31]。近期反向传播SPDC的演示进一步凸显了亚微米铁电图案化用于集成反向χ⁽²⁾光源的潜力[32, 33]。

更广泛地说，在单个器件内实现多个参量过程的能力为构建紧凑且可重构的非线性光子学系统提供了一条途径。这一能力可能促成多功能频率转换、偏振工程参量源以及用于集成非线性和量子光子学的可扩展架构。未来的工作将集中在将这些结果扩展到阈值以下，以实现芯片级的纠缠光子对或压缩态光源。

1、Department of Electrical Engineering, Yale University, New Haven, CT 06511, USA