铌酸锂也被称为“光学硅”，是制作各类高性能电光、非线性、声光器件的最佳材料之一。近年来，铌酸锂薄膜（LNOI）技术的进步更是让铌酸锂材料真正地从“体块”走向“芯片”。在铌酸锂材料薄膜化之后，铌酸锂器件的性能更是实现了飞跃，比如铌酸锂薄膜电光调制器、非线性频率变换器和声表面波滤波器等都突破了传统器件的性能极限。基于二阶非线性的高性能光子学器件在经典与量子光学中都具有非常重要意义，然而铌酸锂薄膜非线性波导器件走向实用化的关键因素一方面在于高效光学非线性的实现，另一个方面则是必须解决在实际应用中规模化制备工艺和光纤兼容性等问题。

近日，上海交通大学陈险峰教授、郑远林教授课题组在权威期刊Optica上发表了题为“Scalable, fiber-compatible lithium-niobate-on-insulator micro-waveguides for efficient nonlinear photonics”的研究成果，报道了团队所研发的新型微米级铌酸锂脊型波导加工方式并实现了可扩展的、光纤兼容的、高效的铌酸锂薄膜非线性器件。他们独辟蹊径地利用紫外光刻和干法刻蚀技术实现了高品质周期性极化铌酸锂微米波导，解决了铌酸锂芯片中光纤-波导-光纤耦合难题，突破了基于铌酸锂薄膜器件实际应用中的“最后一公里”瓶颈。

图1：各类铌酸锂波导性能对比。（a）传统铌酸锂波导与单模光纤模场匹配，（b）铌酸锂微米波导与透镜光纤模场匹配，（c）铌酸锂纳米波导与透镜光纤模场失配。

传统（质子交换或钛扩散）铌酸锂波导虽然与光纤兼容性好，但是由于折射率对比度低波导模式面积较大，其归一化非线性效率仍有很大的提升空间。新兴的基于电子束曝光与干法刻蚀加工可在纳米级铌酸锂薄膜基础上实现铌酸锂纳米波导，有效地减小了波导横截面并极大地增强光与物质相互作用，归一化效率极其优异，但由于其与单模光纤的模式失配严重，器件纤到纤的性能表现往往差强人意，难以在实际链路中进行应用。需要进一步通过模式耦合器来降低插损以及纳米加工精度来保证批量制备时的一致性。相应地，其制备的代价也较高。

图2：左上图，铌酸锂薄膜微米波导芯片实物图；右上图，铌酸锂薄膜微米波导二次谐波输出；下图，铌酸锂薄膜微米波导光学和扫描电子显微镜视图。

研究团队通过自主研发紫外光刻和干法刻蚀工艺实现了3微米厚度铌酸锂薄膜的深度刻蚀，所得到的铌酸锂微米波导横截面约为3×4 μm²。这项技术相比传统铌酸锂波导简化了加工流程且提高了非线性效率，又避免了纳米波导中模场失配导致的光纤接口不适配的问题。铌酸锂材料的微纳加工一直是个难题，这也是该领域的普遍共识。在这项工作中，研究团队突破了铌酸锂的快速干法刻蚀和长时间刻蚀带来的再沉积等技术难点。研究团队通过自主研发的薄膜极化和深刻蚀工艺，制备了高品质周期极化铌酸锂微米波导，并实现了高效二阶非线性与低耦合损耗的整体性能，在光纤-芯片-光纤的层面上实现了二次谐波转换效率~1320%/W，通信波段传播损耗小于0.5 dB/cm。此外，研究团队还演示了周期极化铌酸锂微米波导中自发参量下转换（SPDC）产生高质量光子对，在亚毫瓦泵浦功率下的光子对产生速率（PGR）达到178 MHz/mW，在微瓦泵浦功率下的符合计数比（CAR）可达到8000以上。实验结果证明了该器件在经典与量子领域的总体性能与当下铌酸锂薄膜纳米波导的最优结果不相上下。同时由于其在量化制备以及光纤兼容性方面的优势，使得其与片上光源集成或者与光纤链路链接都具备更大的优势，更有利于在应用上推广。

图3：微米级铌酸锂薄膜脊型波导阵列封装。

研究团队认为，这项技术将使微米级铌酸锂薄膜成为下一代光电子芯片和器件重要的研究和应用平台。目前，该项研究还在持续进展中，转换效率和插入损耗还在不断地优化提升。在此基础上团队也已经实现了阵列波导的封装测试，进一步展示了与光纤网络对接的可行性。研究团队相信这一项技术很快就可以转化到实际应用中。

论文第一作者为上海交通大学物理与天文学院的博士研究生张玉婷和实验师黎浩以及上海工程技术大学丁婷婷，通讯作者为郑远林教授和陈险峰教授。本项目研究得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、上海市级重大专项等项目的资助。

文章链接：Yuting Zhang, et al., "Scalable, fiber-compatible lithium-niobate-on-insulator micro-waveguides for efficient nonlinear photonics," Optica 10, 688-693 (2023)