铌酸锂晶体微腔中的非线性过程与调控研究

Lithium niobate, which is considered as one of the most important materials for integrated photonics, can be used as optical wavelength convertor and electro-optic modulator due to its excellent nonlinear and electro-optic effects. Whispering gallery mode (WGM) lithium niobate micro-cavities have the advantages of both WGM cavities and those of lithium niobate crystal, thus they provide an excellent platform for studies on nonlinear optical effects and active control on light properties. In this project, we will pay attention to the fabrication, nonlinear effects, and light control in lithium niobate micro-cavities. The main contents of this project include (1) the fabrication and integration of micro-cavities; (2) the physical mechanism and law of nonlinear optical effects in micro-cavities; (3) the active control on transmission and resonance wavelengths of lithium niobate micro-cavities; (4) new phenomena, effects, and applications of integrated lithium niobate devices, especially coupled cavities. The research will benefit the development of the methods to fabricate and integrate crystalline devices, and improve the understanding on the nonlinear optical effects in micro-cavities made from crystalline materials with second order nonlinear optical effects. It will propel the applications of lithium niobate micro-cavities on nonlinear optics, quantum optics, optical communication, sensing, and so on.

由于具有优秀的线性和非线性光学特性，可以实现频率转换器、电光调制器等多种功能型器件，铌酸锂晶体被认为是集成光学的潜在平台之一。铌酸锂晶体回音廊模式光学微腔结合了铌酸锂晶体和微腔两者的优点，是开展非线性光学效应和主动调控研究的优秀平台。在本项目中，项目组将开展以铌酸锂晶体微腔为核心的微纳光学元件制备、集成、非线性光学效应和主动调控的研究。具体研究内容包括：（1）铌酸锂微腔、波导等微纳光学器件的制备和集成；（2）微腔内非线性效应物理机制、规律和应用的研究；（3）器件光学性质主动调控研究；（4）铌酸锂微腔（尤其是多腔耦合）器件中的新现象、新效应和新应用的研究。研究将推动晶体材料光学元件制备和集成技术的发展，增进二阶非线性光学晶体微腔中非线性效应机理、规律的理解，促进铌酸锂微纳光学器件在非线性光学、量子光学、光通信、传感等领域的应用。

铌酸锂晶体由于具有优秀的线性和非线性光学特性，被认为是集成光学的潜在平台之一。本项目围绕铌酸锂晶体微腔中的非线性光学过程关键科学问题与光频转换调控技术，开展高品质因子铌酸锂微腔制备及其与波导、电极等集成的研究；研究微腔内非线性过程的物理机制，探索提高微腔内非线性光学效率的新方法；开展铌酸锂微腔主动调控研究，发展铌酸锂晶体微腔的新应用。取得的主要创新成果有：提出并发展了飞秒激光光刻辅助化学机械抛光技术（Photo-Lithography Assisted Chemo-mechanical Etching, 简称为PLACE，美国授权专利号：US10670806B2），建立了面向铌酸锂光子芯片的飞秒激光光刻系统，突破了无限视野超高速光刻难题，为大批量快速制造铌酸锂光子器件提供了全自主知识产权的先进设备与工艺。基于此，项目组在铌酸锂片上非线性光学机理与有源铌酸锂光子器件研究中取得系列重要进展，实现了世界最高记录的微腔品质因子与非线性光学转换效率，并首次演示了铌酸锂片上波导放大器与片上微腔激光器等重要光子学器件。项目共发表 SCI 收录论文52篇（含 PRL 2 篇，Laser Photon. Rev. 1篇，Light Sci. Appl. 2篇等等），其中Web of Science高被引论文4篇，申请发明专利16项（含美国专利2项），获授权发明专利11项（含美国授权专利1项），在美、俄、德、意、日等国举办的重要国际学术会议上作特邀报告25次，受Jenny Stanford出版社邀请，撰写并出版英文专著《Lithium Niobate Nanophotonics》，并应多家期刊邀请撰写中英文综述论文6篇，其中综述论文“超低损耗铌酸锂光子学”获“2021年度《光学学报》主编推荐奖”。培养博士研究生7人，硕士研究生3人，项目负责人程亚教授入选美国光学学会会士。完成了项目任务书计划安排，达到了预期研究目标。