导读

近日，南京大学胡小鹏教授、祝世宁院士团队，首次在薄膜铌酸锂(TFLN)波导上制备了二维的铁电畴结构，并展示了片上波导横模的高效、可拓展非线性频率转换。相关研究成果以“Nonlinear Transverse Mode Conversion Based on Ferroelectric Domain Engineering in Thin Film Lithium Niobate”为题在线发表于Laser & Photonics Reviews期刊(https://doi.org/10.1002/lpor.202500385)。该研究工作得到了国家重点研发计划“物态调控”、“纳米前沿”重点专项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张鑫宇和现代工程与应用科学学院博士研究生姜成凯为论文的共同第一作者，胡小鹏教授为论文的通讯作者，祝世宁院士对该工作进行了悉心指导。

研究背景

集成光子芯片利用光子作为信息载体，具有大带宽、高速率和低功耗等优势。光子的偏振、波长、轨道角动量、横向空间模式以及传播路径等自由度可以用于多维信息编码，从而提升信息传输与处理容量，目前已经在光通信、光互连和光学传感等领域得到了广泛应用。其中，多模波导的横向空间模式由于其正交、分立和有限维度的特性，是近年来集成光学领域的研究热点。波导模式间的非线性相互作用为集成光子芯片的多功能集成提供了新的设计思路并展示了新的功能：例如，超宽带的倍频转换器，非线性模式解复用和模式选择性非线性频率转换，以及基于自发参量下转换过程产生模式纠缠源和高维超纠缠态等。

然而，实现波导横向空间模式之间的高效非线性频率转换仍面临关键挑战。与基模间的非线性频率转换不同，当基模与高阶模式非线性相互作用时，不仅需要满足相位匹配条件，波导模式间的非线性交叠积分同样至关重要。例如，在二阶非线性波导中，由于一阶模式电场的反对称分布会导致非线性交叠积分接近于0，基模与一阶模式通常难以产生高效的非线性模式转换。为解决这一问题，近年来，在新兴的TFLN集成光子平台上，人们尝试了多种方案。例如，异质集成线性覆盖层、堆叠180°自发反平行极化铌酸锂薄膜，以及在商用X-cut薄膜铌酸锂上采用分层极化等技术（Laser Photonics Rev. 2019, 13, 1800288; Laser Photonics Rev. 2021, 15, 2100409; Light Sci. Appl. 2024, 13, 282）。这些方案通过打破二次谐波TE₀₁电场分布的反对称性来提高非线性交叠积分，并通过模式相位匹配来实现基膜和一阶模的倍频转换。然而，以上方案需要对波导模式色散进行精确调控以实现相位匹配，技术上也难以实现任意波导横模之间的非线性频率转换。

研究亮点

图 1 (a)具有二维铁电畴结构的Z-cut TFLN波导示意图。 (b)均匀TFLN波导和具有二维铁电畴结构TFLN波导中TM₀₀与TM₁₀模式y方向电场分布，橙色与粉色区域表示具有相反极化特性的TFLN。

针对上述关键问题，南京大学研究团队提出在Z-cut的TFLN波导上引入二维的铁电畴工程，来实现基波基模到二次谐波高阶模式(以TM₁₀模式为例)的转换，如图1(a)所示。其中横向分布的铁电畴结构具有与波导高阶模式相同的反对称分布，这意味着铁电畴结构的左侧与右侧区域具有π的相位转换，从而使非线性交叠积分最大化，如图1(b)所示。同时，沿传播方向周期性翻转的铁电畴结构所提供的一阶倒格矢量能够补偿二次谐波产生过程中的波矢量失配。

首先，研究团队基于有限时域差分方法(FDTD)数值模拟了具有二维铁电畴结构的TFLN波导的二次谐波产生过程，如图2所示。其中横向分布的铁电畴结构与目标波导模式TM_i0(i=0, 1,2,3)的电场分布相同，沿传播方向分布的铁电畴结构的反转周期可以通过不同阶TM_i0模式的传播常数计算获得。四种不同波导模式非线性转换过程的理论归一化效率均接近4300%W^-1cm^-2。

图2 具有二维铁电畴结构的TFLN波导和二次谐波产生过程中基波TM₀₀模式到(a) TM₀₀, (b) TM₁₀, (c) TM₂₀, (d) TM₃₀的光场演化过程示意图。

在原理验证实验中，研究团队在500 nm厚度的Z-cut TFLN上设计并制备具有二维铁电畴结构的脊型波导，可以通过0型准相位匹配有效地将C波段的TM₀₀模式转换为近红外波段的TM₁₀模式。铁电畴结构的制备，使用了高温下的高压电场极化技术，制备出的样品沿传播方向的极化周期约为2.4 μm，反转畴区域的长度约为1.7 mm，占空比接近最优值50%，如图3a所示。在周期性极化之后，通过EBL制备了波导刻蚀掩膜，利用离子束刻蚀技术刻蚀出波导结构；法布里-珀罗(F-P)干涉法测得波导传输损耗约为0.53 dB/cm。

图3 (a) Z-cut TFLN高压电场极化装置示意图和二维铁电畴结构的倍频共聚焦显微图。(b) 制备的TFLN波导的SEM图像和F-P干涉法所得到的干涉曲线。

实验中使用可调谐连续波激光器作为基波光源，对所制备的具有二维铁电畴结构的TFLN波导进行了光学性能测试。图4(b)和(c)为基波光斑TM₀₀模式和二次谐波光斑TM₁₀模式。二次谐波产生过程中的波长调谐曲线如图4(d)所示，波长接受带宽约为4 nm。当基波光波长设置为1565.6 nm时，输出二次谐波功率最大约为13 nW，片上基波光功率约为140 uW；实测归一化倍频效率2250%W^-1cm^-2，为理论值的52%。

图4 (a) 波导模式非线性转换实验装置示意图。(b)，(c) 实验中基波和二次谐波波导模式图像。(d) 测量得到的二次谐波产生的波长调谐曲线。(e) 二次谐波功率与基波功率变化关系。(f) 在温度T=20℃时固定基波光波长为1565.6 nm的二次谐波频谱。

总结与展望

南京大学研究团队在Z-cut的薄膜铌酸锂(TFLN)上基于铁电畴工程实现了高效的波导横模非线性转换。通过高压电场极化技术制备的二维铁电畴结构，能够在灵活补偿非线性过程中的波矢失配的同时实现非线性交叠积分最大化。该方案具有高效率、设计灵活、可扩展至任意模式非线性变换等优点，在多维复用光子集成回路和纠缠光子源集成的片上量子信息处理中具有重要的应用前景。

论文链接：http://doi.org/10.1002/lpor.202500385

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