铌酸锂基集成光子学在过去几十年里一直备受关注。近年来绝缘体上铌酸锂(LNOI)的出现极大地推动了该领域的发展。借助铌酸锂的高二阶非线性系数(d33=27pm/V)，铌酸锂脊波导呈现出优越的频率转换能力。在保证器件高性能的同时，可规模化制备和光纤兼容性对实际应用也尤为重要。我们的基于3μm厚绝缘体上铌酸锂微米波导显示出优秀的综合集成潜力。利用紫外光刻和等离子干蚀刻技术制作微波导的工艺具有制作成本低、技术难度小的特点。透镜光纤或高数值孔径光纤可直接与微米波导高效耦合，降低了器件整体的插入损耗。微米波导的模式面积比传统的质子交换或钛扩散波导小数倍，从而确保了更高的转换效率。

我们采用0型一阶准相位(QPM)方案以利用铌酸锂最大的二阶非线性系数d33，并针对1550nm处设计了波导的极化周期。接着，利用紫外光刻和干法刻蚀技术在周期极化绝缘体上铌酸锂(PPLNOI)上制备了微米级脊型波导（横截面约2.6×3μm^2），光纤波导耦合损耗仅1.2dB/facet。

图1 PPLNOI微米波导中的倍频实验。（a）倍频实验装置图。插图：波导光路图、基波和倍频光斑图；（b）低输入功率下倍频和基频功率的平方关系图；（c）高输入功率下倍频和基频功率关系图

图2 PPLNOI微米波导中的和频实验。(a)和频实验装置图；(b)156mW（虚线）和300mW（实线）输入功率下和频光功率和信号光功率的关系图；（c）5mW信号光功率下和频光转换效率与泵浦光的关系图

测试结果表明PPLNOI微米波导在通信波段下能实现高效的二次谐波产生，归一化转换效率达164%W-1cm-2，并在1W基频光输入条件下展现出57%的高效的绝对频率转换效率。同时，该微米波导还可实现高效的和频转换，在300mW泵浦光下的小信号和频上转换效率为139%，相当于上转换了约70%的信号光子。优秀的频率转换性能、可规模化制备以及良好的光纤兼容性使微米级LNOI波导展现出巨大吸引力，并可推动集成光子学基础研究和光量子信息应用发展。

在保证高效频率转换的基础上，我们在波导的器件化上也进行了研究。将PPLNOI微米波导封装成光纤器件，更利于实际应用。我们的PPLNOI倍频器插损4.4dB，且在1W泵浦下，整体器件达到30%的绝对转换效率，并在长时间运作下保持较好的稳定性。一小时内基频光和倍频光输出波动误差小于3%，倍频转换效率波动小于0.3%。

图3 PPLNOI微米波导封装器件

图4 PPLNOI微米波导中倍频稳定性测试。(a)500mW输入下器件1小时内的基频和倍频输出；(b)1W输入下器件倍频转换效率的稳定性测试

我们的微米波导与光纤具有良好的兼容性，插入损耗低，综合性能好，不仅兼顾了归一化效率、耦合效率和器件长度，还能在高功率输入时实现高效的绝对频率转换。封装器件在瓦级功率下也仍能保持高效、稳定的频率转换，体现出LNOI微米波导在器件化方面的巨大价值，未来有望发展出更多的多功能器件，并为非线性光学其他领域的发展提供更好的平台。

该成果发表在“丁文君，张玉婷，仇晶，唐永志，张景，丁婷婷，黎浩，刘时杰，郑远林，陈险峰，微米量级薄膜铌酸锂脊型波导中高效非线性频率转换（特邀），光学学报，44(15) 1513006 (2024)”。

论文链接：https://www.opticsjournal.net/Articles/OJec0d23e29e7c682e/FullText