在光学信息处理方面，光学元器件因其工作带宽大、波分复用、无电磁串扰等特点正逐渐取代电子元件。铌酸锂薄膜（LNOI）由于其优异的物理特性，展示出作为一个新型多功能光子处理平台的巨大潜力，被广泛应用于非线性光学和量子光学的各种应用研究中。回音壁模式微腔作为光学芯片的重要组成部分，能够通过边缘全反射将光子束缚在谐振腔内部，从而增强光与物质相互作用。和频是重要的频率转换过程，可以有效的将低频弱光信号转换为高频光信号，从而降低红外光的探测成本。此外，由于和频过程不会干扰量子态，其可以有效地控制单个光子信号的频率和脉冲形状，将光学飞行量子位元与窄带原子量子存储器相连接。因此，在谐振腔中实现高效的和频对扩展其在光子集成电路中的应用具有重要意义。在过去的研究中，由于较难的色散管理和相对较低的模式密度，使用两个连续光泵浦产生和频仍然很难在微盘腔中观察到。

我们通过合理设计，在三重共振的铌酸锂薄膜（LNOI）微盘谐振腔中，用两束几毫瓦的工作在通讯波段的连续光作为泵浦，利用模式相位匹配方法实现了高效的和频过程。

图一 (a), (b)微盘腔形貌图。(c) 透射谱。(d) 洛伦兹拟合

实验上，我们设计了直径49 μm的LNOI微盘，测量其在1525 nm-1560 nm范围内的透射谱，并与仿真模拟结果相比较，确定共振波长对应的模式及自由光谱范围（FSR），结果如图一所示。FSR为7.02 nm，一阶TE模对应的模式数为TE（1, 166），测量品质因子Q为1.8×105。

  图二 (a)模式和频光谱图。(b) 模式和频原理图

我们用两束C波段连续光作为泵浦，从TE(1, 167)和TE(1, 165)两个模式对应的波长进行入射时，观察到了明显的和频光信号。这是由于TE(1, 167)和TE(1, 165)相对于TE(1, 166)存在+Δk 和-Δk的相位失配量，从这两处泵浦时能够抵消相位失配量从而满足相位匹配条件。和频转换效率提升一个数量级。该工作展示了一种高效率的频率转换器，将来有望在片上集成光学中得到应用。

该研究成果发表在Xiaona Ye, Shijie Liu, Yuping Chen, Yuanlin Zheng, and Xianfeng Chen, Sum-frequency generation in lithium-niobate-on-insulator microdisk via modal phase matching, Optics Letters, 45(2), 523-526 (2020).