导读

近日，南京大学胡小鹏教授、祝世宁院士团队联合上海微系统所欧欣研究员团队，首次设计和制备了周期极化薄膜钽酸锂（TFLT）倍频波导，获得了1.87 mw的连续波倍频绿光产生，非线性转换效率达到11.7%。相关成果以“Continuous-wave second harmonic generation of green light in periodically poled thin-film lithium tantalate”为题发表在Optics Letters 50,1125-1127 (2025)上。该研究工作得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金的支持。南京大学物理学院博士研究生陈海伟为论文的第一作者，胡小鹏教授和欧欣研究员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。

研究背景

近年来，铁电薄膜材料，如薄膜铌酸锂、钽酸锂和钛酸钡等，在集成光子学领域备受关注。其中，薄膜钽酸锂（TFLT）与薄膜铌酸锂属于同族材料，具有覆盖紫外至中红外的宽透明窗口、高二阶非线性系数以及大的电光系数等优异光电性能。更为重要的是，相较于薄膜铌酸锂，薄膜钽酸锂具有更高的光学损伤阈值和更低的光折变效应，使其成为研制高功率、短波长非线性光子器件的理想选择。为了在薄膜光子器件中实现高效的非线性频率转换，基于铁电畴工程的准相位匹配技术是首选。近年来，南京大学胡小鹏教授、祝世宁院士团队在薄膜铌/钽酸锂集成光子学中取得了系列进展，包括发展了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)）；畴占空比可调控的薄膜钽酸锂周期极化技术（Opt. Mater. Express 13(12), 3543-3552 (2023)）；薄膜铌酸锂脊波导中高品质铁电畴结构制备技术（Nanophotonics 13(18): 3477-3484 (2024)）；异质集成的上转换探测薄膜铌酸锂芯片（ACS Photonics 11(10): 4111-4115 (2024)）。近期，南京大学研究团队基于前期发展的铁电薄膜高压电场极化技术，使用上海微系统所研制的高质量薄膜钽酸锂晶片，成功制备了周期极化薄膜钽酸锂波导，获得了连续波1.87 mw的倍频绿光，器件的单通倍频效率为11.7%，输出功率稳定。

研究亮点

如图1(a)和1(b)所示，分别为高压电场极化示意图和采用共聚焦显微镜拍摄的反转畴结构，且反转畴结构的周期和占空比分别为3.25 μm和45%。如图1(c)所示，利用离子束刻蚀（IBE）技术刻蚀波导结构，以电子束刻蚀（EBL）技术定义光刻胶作为刻蚀掩膜。刻蚀深度为250 nm，脊波导顶宽为1.5 μm，侧壁角约为69°。图1(d)显示了蚀刻波导的扫描电子显微镜（SEM）图像，侧壁光滑。采用法布里-珀罗（F-P）干涉法测量TFLT波导的传播损耗，根据传输频谱计算TE模式的传播损耗为0.25 dB/cm。

图1 (a) x切TFLT电场极化示意图。(b) 周期反转畴结构的SH共聚焦显微图像。黑色针状区域是电极，白色箭头表示自发极化的方向。(c) x切TFLT波导的示意图。(d)脊波导刻蚀后的SEM图像。

图2(a)展示的是表征周期极化TFLT波导光学性能的实验装置。基频光为连续波1064.18 nm激光器，激光器输出光谱如图3(a)插图所示。首先将近红外激光发射到光纤中，利用偏振控制器保证TE偏振输入，然后利用透镜光纤将近红外激光耦合到周期极化TFLT波导中。为了提高耦合效率，将非线性波导安装在三维纳米级调整架上进行精确对准。通过自由空间准直的透镜收集波导后面产生的SH波和剩余FW，然后用45°二向色镜分光。为了研究周期极化TFLT波导的SHG调谐曲线，使用近红外可调谐激光器，以0.1 nm步长将波长从1063 nm调谐到1065 nm，测量和拟合的波长调谐曲线如图2(b)所示。在测量SH波的输出功率之前，为了确保没有泄漏基波光，研究人员先使用高精度光谱仪记录了从二向色镜透射光的光谱线。当FW的波长设置为1064.2 nm时，二次谐波产生最大值，与固定波长1064.18 nm基本一致。测量波长接受带宽约为0.4 nm，接近理论值0.38 nm，表明在8mm长的非线性波导中具有均匀的铁电畴结构。

图2 (a)表征周期极化TFLT波导SHG实验装置。(b) 测量周期极化TFLT波导中SHG的波长调谐曲线（红点）和拟合曲线（蓝线）。

在光学测试中，研究人员表征了SH波的输出功率与FW输入功率的平方的关系，如图3(a)所示，拟合曲线遵循线性关系。根据拟合线的斜率，可知归一化转换效率为1290%W-1cm-2。随后，可以计算出TFLT的二阶非线性系数d33在1064 nm处为13.0 pm/V，且接近体块LT的13.8 pm/V。片上FW对应的功率为16 mW时，最大输出SH功率为1.87 mW，计算出SHG转换效率为11.7%。为了评估周期极化TFLT波导产生绿光的性能，研究人员记录了60分钟内基波光的功率和产生的倍频绿光功率变化，如图3(b)所示，功率波动分别为±0.5%和±4%。在测量过程中，没有观察到光折射效应产生的光束畸变。倍频光的功率波动主要来源于基波的功率波动以及不稳定的纳米波导耦合系统。

图3 (a) SH波功率对FW功率平方的关系。b) 60分钟内FW及SH功率波动曲线。

总结与展望

南京大学和上海微系统所的联合研究团队成功研制了基于周期极化薄膜钽酸锂（TFLT）波导的高效倍频器件，获得了1.87 mW的连续波绿光输出，倍频转换效率达11.7%。该工作还给出了定波长周期极化倍频波导的设计方案，并对器件的倍频效率、波长调谐特性、倍频输出功率对基波功率的依赖关系、输出功率稳定性，以及薄膜钽酸锂材料的二阶非线性系数和损伤阈值等进行了系统表征。该研究为薄膜钽酸锂在非线性集成光子学中的应用，例如研制高功率蓝紫波段相干光源和纠缠光子源等奠定了基础。

论文链接：https://doi.org/10.1364/OL.547762

文章来源于两江科技评论微信公众号。