铌酸锂（LN）晶体以其优越的电光性能而可以高效地将电子信号转换为光信号，已经是最广泛使用的光学材料之一。而随着半导体制备工艺在商用光学级铌酸锂薄膜的广泛使用和日趋成熟，该材料的力，热，声性能开始显著，与其卓越的非线性光学（电光，非线性频率转换，光折变等）性能一起，为薄膜铌酸锂在未来集成光子信息领域逐渐找到一系列的应用，人们开始期待不受半导体载流子迁移速率影响的超级带宽的“光谷”时代的到来。

但是，铌酸锂（LN）晶体材料由于本身光损伤阈值较低（0.12 GW/cm-2）以及在深紫外波段不透明（350 nm-5000 nm）的特性限制了其在高功率器件以及深紫外波段的应用。相比而言，钽酸锂（LT）晶体材料具有更宽更低的透明波段（280 nm-5500 nm）和更高的损伤阈值（0.5 GW/cm-2），这使得其能在紫外波段及高功率器件的应用上发挥独特的优势。  

1997年，南京大学祝世宁院士等人曾在体材料钽酸锂中成功制备出一种Fibonacci准晶结构，实现了准相位匹配的倍频，和级联的高效三次谐波产生（Science, 1997, 278(5339): 843-846），开启了基于铁电畴工程的准位相匹配非线性光学、多波长激光技术以及量子光学应用。在科技发展日新月异的今天，基于体材料晶体的多种非线性光学应用也随着集成光子学和半导体制备技术的发展在芯片器件集成上开始得到越来越多的关注。

近日，上海交通大学陈玉萍、陈险峰课题组利用绝缘体上氧化物钽酸锂薄膜（LTOI-LT薄膜600 nm, 二氧化硅氧化层2 µm，硅衬底0.5 mm）首次制备了微米级钽酸锂微盘腔（直径50 µm）结构，研究了薄膜钽酸锂微盘腔的非线性频率转换特性，并观察到了有效的倍频输出和级联三倍频输出。同时，实验上验证了钽酸锂微腔在高功率输入光下稳定工作的可能性。实验中功率为500 mW的1.55 µm波段可调连续激光通过拉锥光纤耦合到较高品质因子（Q~10^5）的钽酸锂微盘腔中，钽酸锂微盘腔未出现结构损坏（Q值未降低），并获得了波长为773.68 nm的2 µW的倍频光输出，以及肉眼可见的三倍频散射光。当输入激光功率达到507 mW时，钽酸锂微盘腔可能被损坏（Q值显示明显下降），此时计算得到的腔内功率密度约为82.8 kW/cm-2。

基于上述工作，研究人员预测了钽酸锂薄膜的激光损伤阈值约为100 kW/cm-2量级，为钽酸锂薄膜材料在集成光子领域的高功率应用提供了一个参考。而随着钽酸锂薄膜制备技术的成熟及其商业化，钽酸锂材料在未来紫外波段以及高功率器件的集成应用中或可扮演重要的角色，这对于发挥不同材料的优势性能，进行混合集成光路的开发具有重要意义。

图一：较低功率输入下钽酸锂微盘结构中倍频和级联三倍频的产生。
（a）钽酸锂微盘腔倍频产生（773.68 nm） （b）倍频和基频的二次关系曲线。
（c）钽酸锂微盘腔三倍频（515.91 nm）信号的产生（d）基频与三倍频的三次关系。

图二：输入功率为503 mW时获得了2 µW的波长为773.68 nm的倍频，内插图为钽酸锂微腔的倍频及三倍频的散射图样。

该成果发表在 “Xiongshuo Yan, Yi’an Liu, Licheng Ge, Bing Zhu, Jiangwei Wu, Yuping Chen*, and Xianfeng Chen, High optical damage threshold on-chip lithium tantalate microdisk resonator，Optics Letters, 45(15), 4100 (2020)”

论文链接：https://doi.org/10.1364/OL.394171