铌酸锂集各种优异的光学性质于一身，具有宽透明窗口，可以实现宽波段范围的多种光学应用。此外铌酸锂作为双折射负单轴晶体较高的折射率还可以对光进行更强的约束。回音壁模式微腔其超小的光场模式体积和超低的光学损耗，可以把光子长时间地限制在腔体中，能够极大增强光与物质的相互作用。铌酸锂薄膜（LNOI）微盘腔因此成为研究弱光非线性光学的理想平台。和频作为重要的非线性频率转换过程，在泵浦光的作用下，能将低频弱光信号有效转化为高频光信号，从而大大降低了探测红外信号的成本，甚至能探测太赫兹光子。除此之外，通过SFG过程可以对单光子的频率和脉冲形状进行调控，并且不会破坏其量子性质。

我们通过模拟仿真设计，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，利用循环相位匹配方法实现了高效的和频过程。

图一(a) 实验装置图。(b) 透射谱。(c) 洛伦兹拟合。

实验上，我们通过结合光刻和化学机械抛光的方式，制备出X-LONI微盘，测量其在1520 nm-1560 nm波长范围内的透射谱，通过与仿真模拟结果结合比较，确定自由光谱范围 (FSR) ，结果如图一所示，FSR为6.1 nm，品质因子Q为5.8×10^6。

图二(a) 和频和倍频光谱图。(b) 和频信号光随泵浦光变化图。(c)(d) 泵浦光波长洛伦兹拟合。

一束泵浦光功率和波长不变，我们通过改变另一束泵浦光的功率来研究和频信号光随泵浦光的变化规律，最后对实验数据进行线性拟合，可以得出和频归一化效率为2.52×10^-4/mW。

图三(a) 和频和泵浦光模式图。(b)-(c) 有效折射率随方位角变化。(d) 相位矢配量随方位角变化。

根据微盘的尺寸与模式分布，可以计算得到等效非线性系数的第13级光栅的倒格矢正好落在了波矢失配量震荡范围内，如图三所示，其与波矢失配量在0到2pi范围内有4个交点，意味着泵浦光与和频光在微盘中传播一周的过程中，在四个位置可以完全满足相位匹配，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。

该成果发表在“Jiefu Zhu, Xuerui Sun, Tingting Ding, Yongzhi Tang, Shijie Liu, Yuanlin Zheng, and Xianfeng Chen, Sum-frequency generation in high-quality thin film lithium niobate microdisk via cyclic quasi-phase matching, Journal of the Optical Society of America B, 40(5), D44-49 (2023)”。

论文链接：https://doi.org/10.1364/JOSAB.482270