最近，薄膜铌酸锂（TFLN）平台的出现将集成非线性光子学以及基于LN的器件的发展推向了一个新的高度，其中回音壁模式（WGM）微谐振器是频率转换不可或缺的单元，因为它们可以长时间将光限制在小体积内，并大大增强光与物质的相互作用。铌酸锂薄膜也是光频梳（OFC）生成的理想平台。通常，有两种不同的片上频率梳生成方法。最常见的方法是基于Kerr非线性进行光谱增宽。另一种方法是由与倍频（SHG）或和频（SFG）级联过程产生的二次频率梳。用于二次频率梳的宽带SHG一直是困难的，因为需要在具有强色散的宽波长上进行有效的波长转换。

我们利用循环准相位匹配（CQPM）方案在高品质因子3.32×10^7的X切TFLN微盘中实现了宽带SHG。在不同的光源下，包括连续（cw）激光、飞秒（fs）激光、超连续谱（SC）激光和放大自发辐射（ASE）激光，观察到了宽带倍频的生成。使用连续光泵浦实现了15.2%/mW的高归一化倍频转换效率，并且获得超过100 nm的转换带宽。这些结果表明，TFLN微盘具有强大的通用性，可用于集成非线性变频器，在实现二次OFC的生成有巨大潜力。

本实验使用的LNOI微盘是利用紫外光刻结合化学机械抛光(CMP)的方法制备而成，具有极其光滑的侧壁和大约4°的小楔角。微盘样品的扫描电子显微镜(SEM)形貌如图一所示。在第二次CMP工艺之后，LN薄膜的厚度减小到550 nm。本实验使用的X切LNOI微盘直径约为100 μm，腐蚀后二氧化硅的直径约50 μm。大尺寸的LNOI微盘具有高模式密度，支持高阶WGM模式，这可以促进非线性光学过程中不同光波的同时共振。

Fig. 1. False-colored SEM images of the TFLN microdisk viewed at different angles.

实验装置如图二(a)所示。泵浦光分别是通信波段的连续波（cw）、飞秒（fs）、超连续谱（SC）和放大自发辐射（ASE）激光。实验所用微盘的透射光谱图二(b)的测量是在0.5 μW的低泵浦功率下扫描连续激光波长得来的。通过在接近临界耦合条件下1563.3 nm波长模式的洛伦兹拟合，我们实验所用LNOI微盘的负载品质因子为3.32×10^7，如图二(c)所示，1563.3 nm基频波长对应的倍频波长781.7 nm处的品质因子为2.83×10^6，如图二(d)所示。

Fig. 2. (a) Schematic of the experimental setup. (b) Transmission spectrum of the TFLN microdisk. (c)-(d) Lorentzian fitting of the resonances at 1563.3 nm and 781.7 nm, revealing a loaded Q factor of 3.32×10^7 and 2.83×10^6, respectively.

图三(a)显示了在782.2 nm波长(泵浦波长为1564.3 nm)下观察到的SHG信号光谱。实验中还观察到级联三次谐波生成(cTHG)，即基频光和生成的倍频光再发生和频过程。通过对图三(b)中0.8 mW以下的数据点进行二次拟合，计算出微盘的归一化SHG转换效率为15.2%/mW。

Fig. 3. Experimental results of SHG in the TFLN microdisk. (a) Spectrum of the SHG and cTHG. (b) SH power as a function of the cw pump.

LNOI微盘中的SHG过程可以在宽带波长范围内观察到。图四(a)显示了连续光泵浦的波长从1510到1630 nm以1 nm的波长间隔扫描时记录的SHG光谱。图四(b)显示了连续光泵浦波长以约0.1 nm的间隔从1550到1552 nm波长范围内进行微调时的SHG光谱。根据实验结果可知，我们的高品质因子LNOI微盘显示出强大的高效非线性转换能力，这为宽带通讯波段光源直接转换为可见光波段提供了重要的前景。

Fig. 4. Experimental results of broadband SHG in the TFLN microdisk using tunable cw pump. (a)-(b) Spectra of broadband SHG with an wavelength interval of 1 nm and 0.1 nm, respectively.

在我们的实验中，使用fs、SC激光器和ASE激光器仍然可以观察到宽带倍频信号。fs激光器在与微盘耦合之前(蓝线)和之后(红线)的光谱如图五(a)所示。图五(b)显示了fs泵浦产生的带宽为10nm的宽带SHG的光谱。输入fs功率与产生的SHG功率的二次函数关系如图五(c)所示，归一化转换效率为3.5×10^-5/mW。同理，图五(d)-(f)为使用SC激光的实验结果，(g)-(i)为使用ASE激光的实验结果。

Fig. 5. Experimental results of the broadband SHG pumped by fs, SC laser and ASE in the TFLN microdisk. (a) Spectra of the fs laser before and after coupling into the microdisk. (b) Broadband SHG of fs laser. (c) SH power varies with respect to the incident fs pump. (d) Spectra of the SC laser before and after coupling into the microdisk. (e) Broadband SHG of the SC laser. (f) SH power varies with respect to the incident SC pump. (g) Spectra of the ASE before and after coupling into the microdisk. (h) Broadband SHG of ASE. (i) SH power varies with respect to the incident ASE pump.

根据实验结果可以预见我们工作对光频梳在LNOI微盘中实现倍频具有重要的应用前景，并且如果光频梳能直接在微盘中产生，则其倍频转换效率可以高许多。

该成果发表在“Zhu J, Ding T, Sun X, et al. Broadband second-harmonic generation in thin-film lithium niobate microdisk via cyclic quasi-phase matching[J]. Chinese Optics Letters, 2024, 22(3): 031903”。