片上高效紧凑的频率转换器有望成为波分复用（WDM）系统的关键组件之一，在包括可调谐相干辐射、通信、光谱学和量子光学等领域有广泛的应用。非线性光学为获取我们所需频率提供了一条便利途径。光学回音壁模式微腔由于其超高质量因子和小模式体积对光场的强约束，可以显著增强光与物质的相互作用，使其成为用于研究非线性光学效应、超高灵敏度传感器及其他物理应用的理想平台。

我们的工作展示了一种使用基于z切绝缘体薄膜钽酸锂（LTOI）的片上非线性效应来获得近红外、可见光和其他感兴趣波长的方法。由于钽酸锂具有较高的激光辐射诱导h和更高的光折射损伤阈值，以及更宽的紫外波段透明范围，可通过直接光学跃迁实现芯片上宽波长范围的输出。我们的工作在LTOI微盘腔中同时实现了级联三波和四波混频(图1)，表明薄膜钽酸锂在集成非线性光子学中的应用潜力。

图1 LTOI微盘中产生的多个非线性过程的示意图和相应的能级图。

通过优化制作工艺，我们制备了一种高质量因子(Q~10^6)的直径50um的z切LTOI微盘，随着所选泵浦激光（约1556.86nm）功率的增加和优化耦合条件，首先观察到可见光信号（红色778.43nm和绿色519.03nm）的产生，这些信号源于三波混频（SHG）、四波混频（THG、cFWM）和级联三波混频过程（cSFG）(图2a)。此外，伴随着可见光信号的产生，还产生了微弱的近红外信号。进一步计算有效折射率满足模式相位匹配要求，表明近红外信号源于LTOI微盘腔中的χ^(2)-χ^(3)级联四波混频过程，且级联四波混频过程是简并的。

实验中当泵浦光增大至36.19 mW 时我们可以观测到明显的近红外信号 (1037.75 nm) ，将输入功率持续增加到78.89mW左右近红外信号对通信波段泵浦具有功率依赖性，且随着泵浦功率的增加产生的近红外信号波长略有波动（图2b），这可能是在高输入功率条件下由热效应和光折射效应引起的。进一步计算输入泵浦波(FW)、其倍频信号(SHG)和生成的近红外信号(cFWM)的有效折射率，结果表明满足模式相位匹配要求，且产生的近红外信号光强度与泵浦光强度呈三次拟合关系（图2c,d）。

图2 钽酸锂薄膜微腔中非线性频谱产生。（a） 36.19mW泵浦功率下的可见光信号（SHG、cSFG/THG）和cFWM信号的光谱。 （b） 具有不同输入功率的cFWM近红外信号生成。（c） 通信波段基波光（FW）、可见倍频光（SHG）和近红外四波混频（cFWM）波长对应的有效折射率。（d）四波混频信号强度与泵浦功率的立方关系。

通过优化LTOI微腔的几何结构、泵浦波长、功率、相位匹配条件等可以提高转换效率，进一步的周期性极化畴结构和色散设计可以产生更多的光学非线性过程，结合LTOI微腔相对较高的损伤阈值，也可以实现更宽的光谱跨度频率梳甚至紫外信号的观测。非线性过程的生成展现了LTOI在非线性光子学中的巨大应用前景，其优异的物理性能使其有望成为优秀的非线性光子学和混合光子集成平台。

该成果发表在“Xiongshuo Yan, Miao Xue, Tingge Yuan, Jiangwei Wu, Rui Ge, Yuping Chen, and Xianfeng Chen. Cascaded degenerate four-wave mixing generation in thin-film lithium tantalate microdisk cavity. Physical Review Applied, 21(2), 024033 (2024)”。

论文链接：https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.21.024033