导读

近日，南京大学胡小鹏教授、祝世宁院士团队与南京邮电大学李卫教授团队开展联合研究，研制出了异质集成的上转换探测薄膜铌酸锂（LNOI）光子芯片，为实现紧凑、可靠、高效的经典和量子信息处理开辟了新途径。研究人员利用周期极化LNOI高效的二阶非线性频率转换特性，将近红外光转换至可见光；通过在LNOI上异质集成非晶硅探测器，实现了对转换后红光的片上探测。相关成果以“Heterogeneously integrated lithium niobate on insulator chip for frequency up-conversion and detection”为题发表在ACS photonics上。该研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金和江苏省科技厅前沿引领等项目的大力支持。南京大学物理学院毕业硕士生何健朗和博士研究生陈海伟为论文的共同第一作者，南京大学现代工程与应用科学学院胡小鹏教授、南京邮电大学李卫教授为论文的共同通讯作者，该工作得到了祝世宁院士的悉心指导。

图1 异质集成的上转换探测薄膜铌酸锂芯片概念图。

研究背景

光子集成电路，将有源和无源光学器件集成在单个芯片上，代表着光子学领域的一次革命，它可以带来高带宽、低功耗和更快的传输速度。近年来，随着薄膜铌酸锂的商业化以及超低损耗波导制备技术的开发，绝缘体上铌酸锂（LNOI）已成为下一代集成光子学的热门材料平台。LNOI 具有宽透明窗口、优异电光性能和非线性特性，是实现光子集成电路的重要材料平台，例如工作电压CMOS兼容的超宽带电光调制器、高效率非线性频率转换器、频率梳和声光器件等，不断得以开发。尽管有上述优势，但铌酸锂是一种间接带隙材料，这使得它难以实现电泵浦发光，而宽透明窗口使得其难以用作光电探测。最近，通过混合和异质集成，光泵浦和电泵浦激光以及光电探测已在LNOI光子芯片中实现。然而，大多数演示都集中在具有单一功能的离散功能元件上。为了推进 LNOI 在光子集成技术中的实际应用，人们一直在努力朝着全功能集成光子芯片方向发展。将非线性频率转换和探测集成在同一个 LNOI 芯片上，是实现高性能光子集成电路的关键。

在LNOI的各种光子学应用中，非线性频率转换一直引起了广泛关注，尤其是在基于准相位匹配技术的非线性光子器件。近年来，南京大学胡小鹏教授、祝世宁院士团队在薄膜铌酸锂集成光子器件的研究中取得了系列进展，包括高品质薄膜铌酸锂光学超晶格制备技术（Appl. Phys. Lett. 116(10): 101104 (2020)）；铌酸锂薄膜芯片上的超高亮度能量-时间纠缠光子源（Phys. Rev. Appl. 15(6): 064059 (2021)）；基于高压电场极化技术首次制备了薄膜钽酸锂光学超晶格（Opt. Mater. Express 13(12), 3543-3552 (2023)）；LNOI脊型波导中高品质铁电畴结构制备技术（Nanophotonics 13(18): 3477-3484 (2024)）。近期，南京大学和南京邮电大学的联合研究团队，研制出基于异质集成技术的频率上转换加探测功能的LNOI芯片。

研究亮点

如图2所示，即为所设计的LNOI芯片示意图，它由三个部分组成。第一部分是周期极化LNOI，其周期为3.95μm，用于1.3μm的近红外基频光 (FW) 的二次谐波产生 (SHG)；第二部分是定向耦合器 (DC)，其中剩余的近红外光耦合到上方的弯曲波导，而转换后的二次谐波 (SH) 光则沿着直波导传播；第三部分是可见光探测区域，通过将α-Si薄膜与LNOI异质集成实现。

图2 (a) 用于频率上转换和探测的LNOI光子芯片示意图。(b) 周期极化LNOI的SH共聚焦显微镜图。(c) 定向耦合器和 (d) α-Si 探测区域的扫描电子显微镜图。

基于三维有限元时域(FDTD)方法，研究人员数值计算了不同薄膜厚度下转换后的SH光在α-Si层中的吸收。α-Si在250-1500nm波长范围内的复折射率是通过椭圆偏振仪测量的，如图3(a)的插图所示。图3(a)展示了吸收率随α-Si薄膜厚度的变化关系，可以看出，当薄膜厚度为115nm时，吸收率约为88%。图3(b)和3(c)分别给出了薄膜厚度为115nm和170nm的光场分布。结果显示，当薄膜厚度为115nm时，更多光场耦合到α-Si层，从而产生强吸收；而当α-Si的厚度为170nm 时，大部分光场位于铌酸锂层中。为了获得较强的可见光吸收，α-Si的厚度选择为115nm。

图3 (a) α-Si 吸收率随薄膜厚度的变化关系，插图显示了在 250-1500nm 波长范围内测量的 α-Si 折射率和消光系数。α-Si厚度为115nm (b)和 170nm (c)时，TE模式的模拟电场分布。

在光学测试中，设定扫描FW波长范围为1294-1312 nm，测量获得的SHG调谐曲线如图4所示。当FW波长设置为1305.4nm 时，在FW片上功率为 834.7μW 的情况下，获得了7.62μW的最大SH输出功率。9mm长PPLNOI的归一化转换效率计算结果为1350%W-1cm-2。理论上的波长调谐曲线是根据均匀薄膜厚度计算得出的，归一化SHG效率为4200%W-1cm-2。实验测量结果显示，归一化SHG效率约为理论值的1/3，而这种偏差主要归因于薄膜厚度的不均匀性。SH调谐曲线中出现了两个峰值，这可能是由于薄膜厚度不均匀以及随后在周期极化区域内产生的多模SHG造成的。

图5(a)展示了不同近红外FW功率下的I-V曲线，在4V偏压下，暗电流为77 pA，灵敏度为0.31 mA/W；而在8V偏压下，灵敏度为0.44 mA/W。随后，我们将输入FW的波长调谐到准相位匹配点，并生成了SH可见红光。图5(b) 展示了探测器响应随SH红光功率的变化关系，直波导中近红外FW引起的光电流背景已被排除。

从图中可以看出，光生电流增强了8倍，可见光的灵敏度分别为95 mA/W和116 mA/W，偏压分别为4V和8V。图5(c)和5(d)分别显示了输出电流随近红外光功率和SH红光功率的变化关系。通过硅光电探测器的内部量子效率、上转换效率和耦合效率，外部量子效率计算为 0.038%。

图4 周期性极化区域的SHG波长调谐曲线(红点)和理论(蓝线)。

图5 不同直波导光功率下的电流-电压响应。(a) 基频光和(b) SH 红光。(c) 输入近红外光功率和 (d) SH 红光功率下输出电流随功率的变化关系。

总结与展望

研究团队展示了一种异质集成的上转换探测LNOI光子芯片，该芯片实现了1350%W-1cm-2的归一化非线性频率上转换效率和95 mA/W的可见光灵敏度。文章详细介绍了异质集成多功能光子芯片的设计、制备和表征，实验上证明了片上频率上转换和探测的可行性。本研究将推动光子芯片在更多实际应用中的发展，例如室温单光子频率上转换和探测。

论文链接：https://doi.org/10.1021/acsphotonics.4c00964