使用侧壁极化铌酸锂实现毫瓦级紫外光生成功率

芯片上的更亮紫外光

紫外（UV）激光器是现代技术的关键工具，默默支撑着精密时钟、先进显微镜和有前景的量子计算等应用。然而，构建紧凑、可靠的紫外光源一直颇为困难：那些在红光和蓝光波段表现出色的小型半导体激光器，在深紫或紫外波段往往不稳定或性能欠佳。本文提出了一种在微小芯片上直接产生强且稳定紫外光的新方法，可能将占据房间的光学系统缩小到类似智能手机组件的尺度。

我们为何需要更好的紫外光

许多前沿器件依赖高质量的紫外光。被困离子量子计算机使用紫外光束来控制并读出单个原子。光学原子钟以极高的精度计时——在宇宙寿命尺度上误差不足一秒——它们使用紫外光探测原子跃迁。高分辨率显微镜和灵敏的化学传感器也依赖紫外光。不幸的是，半导体紫外激光二极管难以制造，常常缺乏这些应用所需的可调性、稳定性或输出功率。一个有吸引力的替代方案是从行为良好的可见光或近红外激光出发，利用特殊晶体将其“上变频”到紫外。这在体积分立光学中已应用多年，但要将同样的能力缩小到具备实用功率的集成芯片上，一直难以实现。

一种新型微型紫外工厂

作者采用了一种称为薄膜铌酸锂的材料——一种粘接在芯片上的透明晶体，已成为集成光子学中的宠儿。它天然支持强非线性光学效应，入射光可以相互作用生成新的波长。在这项工作中，780纳米的红色光被转换为其二次谐波390纳米的紫外光。转换在窄窄的铌酸锂波导内发生，该波导像刻蚀在芯片上的显微玻璃纤维一样限制光传播。为了使该过程高效，必须对晶体进行图案化，使其内部电畴沿波导方向周期性翻转，这一技术称为极化（poling）。这种周期性翻转保持光在传播过程中的相位同步，大幅增强输出。

从侧面塑造晶体

关键创新在于研究团队如何翻转晶体的内部取向。以往的“刻蚀后极化”方法只在波导旁的平坦区域放置金属电极，导致大量被束缚的光仍位于未翻转的区域，从而严重限制效率。在这里，研究者将金属电极延伸到承载光的凸起脊状波导的侧壁上。当施加电压时，电场穿透波导的整个横截面，使电畴沿厚度方向完全反转，而不仅仅是周围的薄片区域。通过精心设计波导宽度和薄膜厚度，工艺对微小的制造误差更不敏感。使用高分辨率光学显微镜与电子显微镜，团队确认翻转区域笔直、均匀，并在1.5厘米长的波导上呈现近乎理想的50:50周期模式。

芯片级光源的创纪录功率

在电畴正确图案化之后，移除金属电极以将光学损耗降到最低，留下永久极化的结构。作者随后注入可调谐的红光并测量产生的紫外光。他们发现该设计在紫外波段损耗极低，且具有非常干净的相位匹配条件，意味着色光转换在器件全长上保持良好同步。在低输入功率下，紫外输出按预期呈二次增长，该波导平台达到了创纪录的转换效率。加大泵浦功率后，他们在芯片上实现了4.2毫瓦的紫外输出——比先前类似铌酸锂技术的最佳结果高出一百多倍。在这些功率下，材料中的微妙非线性吸收效应开始显现，提示新的物理现象并为进一步的材料优化指明方向。

这对未来的意义

通过重新设计晶体的极化方式——绕过波导并从侧面塑形——这项工作将薄膜铌酸锂变成了可行的芯片级紫外光引擎。所示功率水平已足以满足许多离子阱实验、精密测量和先进显微成像的需求，并且同样的方法可以通过调整极化图案来调谐到不同的紫外波长。由于该方法与其他已能提供极窄线宽的芯片级激光兼容，它为紧凑、高相干性的紫外光源打开了道路，有望取代笨重的台式系统。本质上，作者展示了如何通过对晶体内部结构进行周到工程设计，释放出足够明亮且可控的紫外光，装置小到可以放在指尖上。

引用: 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

关键词: 集成紫外光子学, 铌酸锂波导, 频率上变频, 二次谐波产生, 量子技术