飞秒激光直写铌酸锂光量子集成芯片

Lithium niobate is considered as one of the excellent platforms of quantum integrated photonic chip because of its high nonlinear optical coefficient, electro-optical coefficient and wide window of transparency. However, the optical waveguides in bulk lithium niobate still suffer from small refractive-index difference between the core and cladding, leading to weak optical field confinement, large radius of curvature and high bending loss. Thus the propagation loss (~0.6 dB/cm fabricated by femtosecond laser) is high, and the integration of the quantum optical photonic chips on bulk lithium niobate is limited. To overcome these difficulties, femtosecond laser direct writing will be used to fabricate low loss optical waveguides with small curvature radius. Lithium niobate wafer on insulator will be used to build quantum integrated optical photonic chip, which enables to fabricating waveguide with larger refractive-index difference between the core and cladding. The propagation loss of lithium niobate waveguide will be decreased to ~0.08 dB/cm by use of some methods, such as controlling the interaction between femtosecond laser and lithium niobate, sidewall smoothing by focused ion beam milling and chemical mechanical polishing, and high temperature annealing. Based on the fabricated low loss waveguides, optical interferometers, switches and electro-optical modulators will be highly integrated in a single monolithic chip. This project will focus on the fabrication of low loss quantum integrated photonic chip, the characterization of optical modes, and the exploration of the quantum applications.

铌酸锂晶体具有大的非线性光学系数、大的电光系数和宽带透明的特点，被认为是构建光量子集成芯片的潜在优秀平台之一。但是，由于体块铌酸锂晶体波导，芯层与包层之间的折射差较小（~0.01），存在对光场约束弱、曲率半径大、弯曲损耗大的缺点，导致体块铌酸锂光量子芯片的集成度低、传输损耗大（~0.6 dB/cm，飞秒激光制备的波导传输损耗），这严重阻碍铌酸锂光量子集成芯片的进一步发展和应用。本项目将采用铌酸锂薄膜晶圆作为构建光量子芯片的平台，利用飞秒激光直写技术制备低损耗的铌酸锂小曲率半径的波导。通过控制飞秒激光加工参数，采用聚焦离子束刻蚀和化学机械抛光波导侧壁以及高温退火，将铌酸锂波导的传输损耗降至~0.08 dB/cm。在此基础上，利用制备的低损耗的波导，实现片上的干涉仪、光开关和电光调制器等器件的低损耗、多功能集成，并尝试表征光量子芯片的光场调控特性以及开拓相关的应用。

铌酸锂晶体具有大的非线性光学系数、大的电光系数和宽带透明的特点，被认为是构建光量子集成芯片的潜在优秀平台之一。但是，由于体块铌酸锂晶体波导，芯层与包层之间的折射差较小（~0.01），存在对光场约束弱、曲率半径大、弯曲损耗大的缺点，导致体块铌酸锂光量子芯片的集成度低、传输损耗大，严重阻碍了铌酸锂光量子集成芯片的进一步发展和应用。本项目采用铌酸锂薄膜（LNOI）晶圆作为构建光量子芯片的平台，发展飞秒激光光刻辅助的化学机械刻蚀技术，制备极低损耗、大尺度集成的铌酸锂光集成器件。取得的主要创新成果有：1）发展飞秒激光辅助的化学机械刻蚀技术在成功制备长度达到1.1 m、传输损耗仅为2.9 dB/m、且可电光重构的光波导延时线。突破了低损耗、大尺度集成的瓶颈；2）通过控制光学微腔的色散和光场偏振态，利用铌酸锂晶体最大的电光系数d33，在单晶微腔实现了高效、自然准相位匹配的高效二次谐波（9.9%/mW）、级联三次谐波产生，降低微纳制备的难度；3）在高品质微腔中基于自发参量下转换产生的高亮度光子对，实现了能量-时间纠缠测试；4）优化加工工艺，避免了常规离子注入和离子刻蚀引入的晶体晶格损伤，将集成LNOI微腔的本征品质因子提升到10^8以上，对应的光波导传输损耗低至0.34 dB/m，远远超过原定目标8 dB/m。5）通过锥形光纤与高品质因子的铌酸锂微盘腔耦合，对腔模引入弱微扰使得腔模重组为多边形模式，掺铒LNOI微盘腔中实现窄线宽、低阈值的单频激射。.课题相关研究成果共发表SCI收录论文16篇（含PRL 2篇、Adv. Photon.1篇），获授权发明专利5项（含美国专利1项），在重要国际学术会议上作邀请报告8次。项目执行期间，协助培养博士研究生 2 人（获学位），硕士研究生 2 人；课题组成员获国家自然科学基金委“优青”1人次，第十届饶毓泰基础光学奖优秀奖 1人次，中国科学院大恒光学特别奖1人次，优秀奖 1人次，硕士研究生国家奖学金1人次。