铌酸锂也被称为“光学硅”，是制造各类高功能电光、非线性、声光器材的最佳资料之一。近年来，铌酸锂薄膜（LNOI）技能的前进更是让铌酸锂资料真实地从“体块”走向“芯片”。在铌酸锂资料薄膜化之后，铌酸锂器材的功能更是完成了腾跃，比方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材的功能极限。根据二阶非线性的高功能光子学器材在经典与量子光学中都具有十分重要意义，可是铌酸锂薄膜非线性波导器材走向实用化的关键因素一方面在于高效光学非线性的完成，另一个方面则是有必要处理在实践使用中规模化制备工艺和光纤兼容性等问题。

  近来，上海交通大学陈险峰教授、郑远林教授课题组在威望期刊Optica上宣布了题为“Scalable, fiber-compatible lithium-niobate-on-insulator micro-waveguides for efficient nonlinear photonics”的研讨成果，报导了团队所研制的新式微米级铌酸锂脊型波导加工方法并完成了可扩展的、光纤兼容的、高效的铌酸锂薄膜非线性器材。他们别出心裁地使用紫外光刻和干法刻蚀技能完成了高品质周期性极化铌酸锂微米波导，处理了铌酸锂芯片中光纤-波导-光纤耦合难题，突破了根据铌酸锂薄膜器材实践使用中的“最终一公里”瓶颈。

  图1：各类铌酸锂波导功能比照。（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（质子交流或钛分散）铌酸锂波导尽管与光纤兼容性好，可是因为折射率比照度低波导形式面积较大，其归一化非线性功率仍有很大的提高空间。新式的根据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完成铌酸锂纳米波导，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，归一化功率极端优异，但因为其与单模光纤的形式失配严峻，器材纤到纤的功能体现往往差强人意，难以在实践链路中进行使用。需求进一步经过形式耦合器来下降插损以及纳米加工精度来确保批量制备时的一致性。相应地，其制备的价值也较高。

  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。

  研讨团队经过自主研制紫外光刻和干法刻蚀工艺完成了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。这项技能比较传统铌酸锂波导简化了加工流程且提高了非线性功率，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。铌酸锂资料的微纳加工一直是个难题，这也是该范畴的遍及一致。在这项工作中，研讨团队突破了铌酸锂的快速干法刻蚀和长期刻蚀带来的再堆积等技能难点。研讨团队经过自主研制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，并完成了高效二阶非线性与低耦合损耗的全体功能，在光纤-芯片-光纤的层面上完成了二次谐波转化功率~1320%/W，通讯波段传达损耗小于0.5 dB/cm。此外，研讨团队还演示了周期极化铌酸锂微米波导中自发参量下转化（SPDC）发生高质量光子对，在亚毫瓦泵浦功率下的光子对发生速率（PGR）到达178 MHz/mW，在微瓦泵浦功率下的契合计数比（CAR）可到达8000以上。试验成果证明了该器材在经典与量子范畴的总体功能与当下铌酸锂薄膜纳米波导的最优成果平起平坐。一起因为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许与光纤链路链接都具有更大的优势，更有利于在使用上推行。

  研讨团队以为，这项技能将使微米级铌酸锂薄膜成为下一代光电子芯片和器材重要的研讨和使用渠道。现在，该项研讨还在继续发展中，转化功率和插入损耗还在不断地优化提高。在此基础上团队也现已完成了阵列波导的封装测验，进一步展现了与光纤网络对接的可行性。研讨团队信任这一项技能很快就可以转化到实践使用中。

  论文榜首作者为上海交通大学物理与地理学院的博士研讨生张玉婷和试验师黎浩以及上海工程技能大学丁婷婷，通讯作者为郑远林教授和陈险峰教授。本项目研讨得到国家自然科学基金、国家重点研制方案、上海市级严重专项等项目的赞助。