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科学家在分层极化铌酸锂光波导中实现了高效光子对的产生
近日，来自新加坡国立大学和新加坡科技研究局的朱迪教授团队研发了一种分层极化铌酸锂（LPLN）纳米光子波导。这种新型LPLN波导通过电极化利用逐层极性反转来打破空间对称性，并显著增强模态相位匹配（MPM）的非线性相互作用，实现4615%W−1cm−2的显著归一化二次谐波发生（SHG）转换效率。该研究工作以“Efficient photon-pair generation in layer-poled lithium niobate nanophotonic waveguides”为题发表在Light: Science & Applications。
文章链接：https://doi.org/10.1038/s41377-024-01645-5
相关光子对是光子量子技术的基本资源，它们通常是通过非线性光学过程产生的。集成纳米光子波导由于具有紧密的模式限制，促进了强烈的非线性相互作用，因此非常适合高效的光电对产生。
常见的集成光子材料一般缺乏固有的二阶（χ（2））非线性。它们通常依赖自发四波混频（SpFWM）来生成光子对。作为χ（3）非线性过程，SpFWM通常具有有限的非线性转换效率，在实际应用中需要长波导、腔或脉冲泵。相比之下，自发参量下变频（SPDC）是χ（2）工艺，可以实现更高的效率，但要求更严格。在各种χ（2）材料中，薄膜铌酸锂（TFLN）是一个理想的平台。它具有低损耗、宽透明窗口、大χ（2）系数，最重要的是，它具有铁电性，可以实现电极化。
在TFLN中，通常采用周期性极化来实现跨不同波长的灵活准相位匹配（QPM）。然而，周期极化铌酸锂（PPLN）纳米光子波导在制造可靠性和器件可重复性方面面临着挑战。在该文中，该团队证明了在具有由电极化诱导的反向极化层的模态相位匹配TFLN纳米光子波导中有效的光子对生成。使用分层极化铌酸锂（LPLN）波导，通过级联SHG和SPDC方案在单个LPLN波导中实验证明了高效和宽带电信光子对的产生。
图1a显示了所提出的LPLN波导的横截面。LPLN波导被设计为在1550 nm基本横电模（TE00）和775 nm一阶横电模式（TE01）之间具有MPM。由于对称性差异（图1b），在均匀波导中，这两种模式应具有接近零的重叠，导致SHG转换效率可以忽略不计。为了具有非零重叠，需要在775nm处使用偶数阶模式（例如TE20），但模式重叠不是最佳的。在这里，该团队通过电极化在x切TFLN肋波导中创建逐层反向极性，打破了非线性材料的空间对称性。这种逐层极性反转校正了TE00和TE01模式之间的对称失配，从而实现了大的非线性模式重叠。
图1用于高效光子对生成的层极化铌酸锂（LPLN）纳米光子波导。x切TFLN中LPLN波导横截面示意图。暗粉色和浅粉色表示相反的域极性。b MPM的TE00模式在1550nm和TE01模式在775nm的模式分布（Ez分量）。c不同非线性TFLN波导方案之间归一化SHG转换效率的理论比较，蓝线是归一化SHG效率与非线性耦合参数的关系。e制造的LPLN波导的俯视光学显微照片。f LPLN波导的俯视激光扫描SHG成像。g用于光子对生成的级联SHG-PDC工艺示意图。h从1486 nm到1625 nm测量的重合光谱，覆盖电信S、C和L波段。i光子对的联合光谱强度。
图1d显示了制造的LPLN波导横截面的扫描电子显微照片。假色阴影标记了由电极化引起的逐层反向极性。图1e显示了该器件的光学显微照片，其中放置了带有密集指状物的电极，用于在波导中感应均匀的电场。通过激光扫描SHG显微镜，观察到波导的极化部分变暗（图1f）。这是因为在LPLN波导的顶层和底层中产生的二次谐波光子由于材料极性的反转而异相。
该团队使用电子束光刻和干法蚀刻制造LPLN纳米光子波导，然后进行电极化，以在波导中获得逐层极性反转。图2b显示了2.5mm长LPLN纳米光子波导中测量的SHG功率与片上泵浦功率的函数关系。与其他非线性LN纳米光子波导相比，LPLN波导通常具有较高的归一化SHG转换效率。LPLN波导的SHG效率比非波导高出20 dB以上，与图2a和图1c中的理论预测一致。这种方案的一个缺点是，高阶模通常很难在芯片上或与单模光纤的接口上进行操作。如果想直接使用LPLN波导产生的SH光，可以使用微环/赛道谐振器进行模式转换。谐振腔内发生了模态相位匹配的二阶非线性相互作用，高阶SH光可以从单模分插波导中以基模耦合出来。
图2非线性LPLN纳米光子波导的数值分析和经典测量。a作为极化深度函数的数值计算的非线性耦合参数（Γ）。b在2.5mm长的LPLN波导中测量的SHG功率与泵浦功率的函数关系。插图：LPLN波导（绿色）和参考无波导（棕色）的归一化SHG光谱，显示差异>20 dB。c模拟LPLN波导（蓝色）和类似PPLN波导（红色）中TFLN厚度变化（标称厚度=600nm）的相位匹配波长偏移（FH）。它d LPLN（蓝色）和PPLN（红色）波导的相位匹配波长偏移（FH处）是波导宽度变化（标称宽度=1100 nm）的函数，分别显示灵敏度为-0.32和-1.5。e测量的LPLN（蓝色）和PPLN（红色）波导的相位匹配波长偏移（在FH处）与温度的函数关系，显示拟合的温度灵敏度分别为0.18 nm/°C和0.77 nm/°C
接下来，该团队比较了LPLN和PPLN波导的SHG相位匹配灵敏度。结果发现，与PPLN波导相比，LPLN波导对几何变化的敏感性降低。此外。也进一步表征了LPLN波导的热稳定性，并将其与PPLN波导进行了比较。结果表明LPLN具有更好的热稳定性。
最后，该团队成员使用3.3mm长的LPLN纳米光子波导通过级联SHG-PDC工艺产生光子对。通过将输出分成一对可调带通滤波器并使用超导纳米线单光子探测器（SNSPDs，见图3a（ii））测量作为波长函数的重合计数来表征光子对带宽。图1i显示了测量的联合光谱强度，图1h显示了从1486 nm到1625 nm的光子对的测量光谱，覆盖了电信S、C和L波段。
图3使用级联SHG-PDC方案对LPLN纳米光子波导中光子对生成的非经典表征。a实验装置。b通过在32个DWDM信道（ITU频率Ch14-Ch29和Ch48-Ch33）上的相关性测量构建的联合光谱强度。c测量的（蓝点）和二次拟合的（蓝线）片上光子对生成率和重合意外比（红色）是片上泵浦功率的函数。d表示在0.5 mW的泵浦功率下在不同时间延迟下测量的二阶相关函数。e在0.5 mW的泵浦功率下测量的双光子干涉，测量的可见度为98.0%。
该团队还通过实验比较了级联SHG-SPDC方案与使用两个单独的LNPN芯片（一个用于SHG，另一个用于SPDC）的光子对生成。双芯片方案允许更完整的泵浦滤波，从而使测量的CAR接近4000。然而，SPDC的生成效率对两个芯片之间的光耦合非常敏感，因为SH光处于高阶模式。总体而言，单波导中的级联SHG-PDC需要更简单的设置，并避免了芯片间耦合损耗和不匹配的相位匹配条件。
总之，该团队开发了一种用于高效χ（2）非线性波长转换和光子对产生的LPLN纳米光子波导。与传统的PPLN相比，LPLN波导需要更简单的极化过程和更大的误差容限，其相位匹配波长对波导几何形状和温度变化不太敏感。
LPLN将是未来可扩展生产集成非线性和量子光源的合适方法，同时，该技术也为开发新型光子学器件提供了新的思路，如片上集成的非经典光源、片上压缩光的产生、量子传感器等。随着技术的不断成熟，LPLN有望成为下一代非线性和量子光学网络的波导平台。
科学家在分层极化铌酸锂光波导中实现了高效光子对的产生
近日，来自新加坡国立大学和新加坡科技研究局的朱迪教授团队研发了一种分层极化铌酸锂（LPLN）纳米光子波导。这种新型LPLN波导通过电极化利用逐层极性反转来打破空间对称性，并显著增强模态相位匹配（MPM）的非线性相互作用，实现4615%W−1cm−2的显著归一化二次谐波发生（SHG）转换效率。该研究工作以“Efficient photon-pair generation in layer-poled lithium niobate nanophotonic waveguides”为题发表在Light: Science & Applications。
文章链接：https://doi.org/10.1038/s41377-024-01645-5
相关光子对是光子量子技术的基本资源，它们通常是通过非线性光学过程产生的。集成纳米光子波导由于具有紧密的模式限制，促进了强烈的非线性相互作用，因此非常适合高效的光电对产生。
常见的集成光子材料一般缺乏固有的二阶（χ（2））非线性。它们通常依赖自发四波混频（SpFWM）来生成光子对。作为χ（3）非线性过程，SpFWM通常具有有限的非线性转换效率，在实际应用中需要长波导、腔或脉冲泵。相比之下，自发参量下变频（SPDC）是χ（2）工艺，可以实现更高的效率，但要求更严格。在各种χ（2）材料中，薄膜铌酸锂（TFLN）是一个理想的平台。它具有低损耗、宽透明窗口、大χ（2）系数，最重要的是，它具有铁电性，可以实现电极化。
在TFLN中，通常采用周期性极化来实现跨不同波长的灵活准相位匹配（QPM）。然而，周期极化铌酸锂（PPLN）纳米光子波导在制造可靠性和器件可重复性方面面临着挑战。在该文中，该团队证明了在具有由电极化诱导的反向极化层的模态相位匹配TFLN纳米光子波导中有效的光子对生成。使用分层极化铌酸锂（LPLN）波导，通过级联SHG和SPDC方案在单个LPLN波导中实验证明了高效和宽带电信光子对的产生。
图1a显示了所提出的LPLN波导的横截面。LPLN波导被设计为在1550 nm基本横电模（TE00）和775 nm一阶横电模式（TE01）之间具有MPM。由于对称性差异（图1b），在均匀波导中，这两种模式应具有接近零的重叠，导致SHG转换效率可以忽略不计。为了具有非零重叠，需要在775nm处使用偶数阶模式（例如TE20），但模式重叠不是最佳的。在这里，该团队通过电极化在x切TFLN肋波导中创建逐层反向极性，打破了非线性材料的空间对称性。这种逐层极性反转校正了TE00和TE01模式之间的对称失配，从而实现了大的非线性模式重叠。
图1用于高效光子对生成的层极化铌酸锂（LPLN）纳米光子波导。x切TFLN中LPLN波导横截面示意图。暗粉色和浅粉色表示相反的域极性。b MPM的TE00模式在1550nm和TE01模式在775nm的模式分布（Ez分量）。c不同非线性TFLN波导方案之间归一化SHG转换效率的理论比较，蓝线是归一化SHG效率与非线性耦合参数的关系。e制造的LPLN波导的俯视光学显微照片。f LPLN波导的俯视激光扫描SHG成像。g用于光子对生成的级联SHG-PDC工艺示意图。h从1486 nm到1625 nm测量的重合光谱，覆盖电信S、C和L波段。i光子对的联合光谱强度。
图1d显示了制造的LPLN波导横截面的扫描电子显微照片。假色阴影标记了由电极化引起的逐层反向极性。图1e显示了该器件的光学显微照片，其中放置了带有密集指状物的电极，用于在波导中感应均匀的电场。通过激光扫描SHG显微镜，观察到波导的极化部分变暗（图1f）。这是因为在LPLN波导的顶层和底层中产生的二次谐波光子由于材料极性的反转而异相。
该团队使用电子束光刻和干法蚀刻制造LPLN纳米光子波导，然后进行电极化，以在波导中获得逐层极性反转。图2b显示了2.5mm长LPLN纳米光子波导中测量的SHG功率与片上泵浦功率的函数关系。与其他非线性LN纳米光子波导相比，LPLN波导通常具有较高的归一化SHG转换效率。LPLN波导的SHG效率比非波导高出20 dB以上，与图2a和图1c中的理论预测一致。这种方案的一个缺点是，高阶模通常很难在芯片上或与单模光纤的接口上进行操作。如果想直接使用LPLN波导产生的SH光，可以使用微环/赛道谐振器进行模式转换。谐振腔内发生了模态相位匹配的二阶非线性相互作用，高阶SH光可以从单模分插波导中以基模耦合出来。
图2非线性LPLN纳米光子波导的数值分析和经典测量。a作为极化深度函数的数值计算的非线性耦合参数（Γ）。b在2.5mm长的LPLN波导中测量的SHG功率与泵浦功率的函数关系。插图：LPLN波导（绿色）和参考无波导（棕色）的归一化SHG光谱，显示差异>20 dB。c模拟LPLN波导（蓝色）和类似PPLN波导（红色）中TFLN厚度变化（标称厚度=600nm）的相位匹配波长偏移（FH）。它d LPLN（蓝色）和PPLN（红色）波导的相位匹配波长偏移（FH处）是波导宽度变化（标称宽度=1100 nm）的函数，分别显示灵敏度为-0.32和-1.5。e测量的LPLN（蓝色）和PPLN（红色）波导的相位匹配波长偏移（在FH处）与温度的函数关系，显示拟合的温度灵敏度分别为0.18 nm/°C和0.77 nm/°C
接下来，该团队比较了LPLN和PPLN波导的SHG相位匹配灵敏度。结果发现，与PPLN波导相比，LPLN波导对几何变化的敏感性降低。此外。也进一步表征了LPLN波导的热稳定性，并将其与PPLN波导进行了比较。结果表明LPLN具有更好的热稳定性。
最后，该团队成员使用3.3mm长的LPLN纳米光子波导通过级联SHG-PDC工艺产生光子对。通过将输出分成一对可调带通滤波器并使用超导纳米线单光子探测器（SNSPDs，见图3a（ii））测量作为波长函数的重合计数来表征光子对带宽。图1i显示了测量的联合光谱强度，图1h显示了从1486 nm到1625 nm的光子对的测量光谱，覆盖了电信S、C和L波段。
图3使用级联SHG-PDC方案对LPLN纳米光子波导中光子对生成的非经典表征。a实验装置。b通过在32个DWDM信道（ITU频率Ch14-Ch29和Ch48-Ch33）上的相关性测量构建的联合光谱强度。c测量的（蓝点）和二次拟合的（蓝线）片上光子对生成率和重合意外比（红色）是片上泵浦功率的函数。d表示在0.5 mW的泵浦功率下在不同时间延迟下测量的二阶相关函数。e在0.5 mW的泵浦功率下测量的双光子干涉，测量的可见度为98.0%。
该团队还通过实验比较了级联SHG-SPDC方案与使用两个单独的LNPN芯片（一个用于SHG，另一个用于SPDC）的光子对生成。双芯片方案允许更完整的泵浦滤波，从而使测量的CAR接近4000。然而，SPDC的生成效率对两个芯片之间的光耦合非常敏感，因为SH光处于高阶模式。总体而言，单波导中的级联SHG-PDC需要更简单的设置，并避免了芯片间耦合损耗和不匹配的相位匹配条件。
总之，该团队开发了一种用于高效χ（2）非线性波长转换和光子对产生的LPLN纳米光子波导。与传统的PPLN相比，LPLN波导需要更简单的极化过程和更大的误差容限，其相位匹配波长对波导几何形状和温度变化不太敏感。
LPLN将是未来可扩展生产集成非线性和量子光源的合适方法，同时，该技术也为开发新型光子学器件提供了新的思路，如片上集成的非经典光源、片上压缩光的产生、量子传感器等。随着技术的不断成熟，LPLN有望成为下一代非线性和量子光学网络的波导平台。