Генерация ультрафиолета на уровне милливатт с использованием боковой полировки ниобата лития

Ярче ультрафиолетовый свет на чипе

Ультрафиолетовые (УФ) лазеры — незаметные труженики современной техники, обеспечивающие работу прецизионных часов, продвинутых микроскопов и перспективных квантовых компьютеров. Однако создать компактные и надежные источники УФ-излучения оказалось удивительно сложно: миниатюрные полупроводниковые лазеры, которые отлично работают в красной и синей областях, часто дают сбои или плохо работают в глубоком фиолетовом и ультрафиолете. В этой работе предложен новый способ генерировать мощный и стабильный УФ-свет непосредственно на небольшом чипе, что теоретически позволяет уменьшить громоздкие оптические системы до размеров, ближе к компоненту смартфона.

Почему нам нужен лучший УФ‑свет

Многие передовые устройства зависят от высококачественного УФ‑света. Квантовые компьютеры с ловушками для ионов используют УФ‑лучи для управления и считывания отдельных атомов. Оптические часы, которые ведут отсчет с такой точностью, что за время существования Вселенной набежало бы меньше секунды, применяют УФ для исследования атомных переходов. УФ также необходим в микроскопии высокого разрешения и в чувствительных химических датчиках. К сожалению, полупроводниковые УФ‑лазерные диоды трудно производить, и они часто лишены требуемой настраиваемости, стабильности или мощности. Привлекательная альтернатива — начать с хорошо контролируемого видимого или ближнего инфракрасного лазера и «повысить» его частоту до УФ с помощью специального кристалла. Это давно делается в объемной оптике, но перенести ту же функциональность на интегрированный чип с практическими уровнями мощности оставалось сложной задачей.

Новый миниатюрный УФ‑фабрикатор

Авторы используют материал тонкопленочного ниобата лития — прозрачный кристалл, связанный с подложкой, который стал любимцем в интегрированной фотонике. Он естественным образом поддерживает сильные нелинейные оптические эффекты, когда входящие лучи могут комбинироваться и порождать новые цвета. В этой работе более красный свет с длиной волны 780 нанометров преобразуется во вторую гармонику на 390 нанометров в УФ‑области. Преобразование происходит внутри узкого волновода из ниобата лития, который ограничивает свет аналогично микроскопическому стекловолокну, вытесанному в чипе. Чтобы сделать процесс эффективным, кристалл нужно структурировать так, чтобы его внутренние электрические домены периодически меняли направление вдоль волновода — техника, известная как полирование (poling). Такое периодическое чередование поддерживает фазовую синхронизацию процесса конверсии цвета по мере распространения света, значительно увеличивая выходную мощность.

Формирование кристалла с боков

Ключевое новшество — способ изменения внутренней ориентации кристалла. Предыдущие методы «полирования после травления» размещали металлические электроды только на плоских областях рядом с волноводом. В результате большая часть направленного света оставалась в неполированных областях, что сильно ограничивало эффективность. В данной работе исследователи расширяют металлические электроды на боковые стенки приподнятого риджа, который несет свет. При приложении напряжения электрическое поле проникает через поперечное сечение волновода, инвертируя домены кристалла по всей толщине, а не только в соседней плитке. Тщательный выбор ширины волновода и толщины пленки делает процесс менее чувствительным к мелким погрешностям изготовления. С помощью оптических и электронных микроскопов команда подтверждает, что инвертированные участки прямые, однородные и образуют почти идеальный 50–50 паттерн вдоль волноводов длиной 1,5 сантиметра.

Рекордная мощность от чип‑источника

После того как домены правильно структурированы, металлические электроды удаляют, чтобы минимизировать оптические потери, оставляя постоянно полированный структуру. Авторы затем подают на вход настраиваемый красный свет и измеряют сгенерированный УФ. Они обнаруживают, что их дизайн обладает исключительно низкими потерями в УФ‑области и очень чистым условием фазового согласования, то есть процесс конверсии остается хорошо выровненным по всей длине устройства. При низких входных мощностях УФ‑выход растет квадратично, как и ожидалось, и волноводы достигают рекордной для этой платформы эффективности преобразования. При более высокой загрузке они получают 4,2 милливатта УФ‑мощности на чипе — более чем в сто раз превысив предыдущий рекорд в похожих ниобат‑литиевых технологиях. На таких уровнях мощности начинаются заметные тонкие эффекты нелинейного поглощения в материале, что указывает на новую физику и намекает на направления для дальнейшей оптимизации материала.

К чему это приведет в будущем

Перестроив способ полирования кристалла — охватив волновод сбоку и сформировав домены с боков — эта работа превращает тонкопленочный ниобат лития в практичный УФ‑двигатель на чипе. Демонстрированный уровень мощности уже подходит для многих экспериментов с ловушками для ионов, прецизионных измерений и продвинутой микроскопии, а тот же подход можно настроить на разные УФ‑длины волн просто изменяя полировочную схему. Поскольку метод совместим с другими чиповыми лазерами, которые уже обеспечивают чрезвычайно узкую ширину линий, он прокладывает путь к компактным, высоко когерентным УФ‑источникам, способным заменить громоздкие настольные установки. По сути, авторы показывают, как вдумчивое инженерное формирование внутренней структуры кристалла может разблокировать яркий, управляемый ультрафиолетовый свет из устройства, размером сопоставимого с кончиком пальца.

Цитирование: Franken, C.A.A., Ghosh, S.S., Rodrigues, C.C. et al. Milliwatt-level UV generation using sidewall poled lithium niobate. Nat Commun 17, 3651 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68524-y

Ключевые слова: интегрированная УФ-фотоника, волноводы из ниобата лития, повышение частоты, генерация второй гармоники, квантовые технологии