一种可扩展的二次非线性硅光子学平台，配备可打印的纠缠光子对产生器

《Laser & Photonics Reviews》：A Scalable Quadratic Nonlinear Silicon Photonics Platform With Printable Entangled Photon-Pair Sources

本文提出了一种通过微转移印刷技术将周期性极化锂氮硼酸（PPLN）异质集成到硅光子学平台的可扩展二次非线性光子器件方案。该方案利用成熟的CMOS工艺克服了传统LNOI波导的高敏感性问题，通过双波导设计实现波长调谐，并验证了其在200mm硅光子学晶圆上的批量制造可行性。研究展示了该平台在1550nm附近实现亚皮米级波长调谐能力，并成功制备了高效率的随机相位差下变频器（SPDC）源，为构建大规模量子光学电路奠定了基础。

　　近年来，随着光子学技术的快速发展，集成非线性光学效应成为构建复杂光子系统的关键目标之一。特别是第二阶非线性光学效应，如二次谐波产生（SHG）和自发参量下转换（SPDC），在量子通信、光学频率转换和非线性光学放大等领域展现出巨大的应用潜力。然而，这些非线性效应的实现往往受到制造工艺波动的影响，导致相位匹配条件难以保持一致，从而限制了其在大规模光子集成系统中的应用。为此，研究者们正在探索一种能够兼顾非线性性能与制造稳定性的方法，以实现可扩展的非线性光学平台。

本文提出了一种创新的异构集成方案，将周期性极化锂铌酸（PPLN）薄膜与硅光子学平台相结合，构建了一个可扩展的二次非线性光学平台。该方案利用了现有CMOS工艺的成熟度和可扩展性，通过微转移印刷技术将PPLN薄膜精准地集成到硅光子学波导结构上。这种方法不仅避免了在CMOS加工过程中可能引入的锂污染问题，还保留了硅光子学平台在制造精度和大规模生产方面的优势。PPLN薄膜在硅光子学波导上实现了周期性极化，从而满足了相位匹配的要求，同时通过波导设计优化了高阶色散特性，进一步提升了非线性转换效率。

研究团队通过实验验证了该平台在两种不同的硅光子学平台上的表现。一种是基于电子束光刻和反应离子刻蚀（RIE）的内部原型平台，另一种是采用200毫米硅光子学晶圆的工业级平台。在两种平台上，研究人员成功实现了SHG和SPDC过程的相位匹配，并测得了相应的非线性转换效率。在内部原型平台上，SHG效率达到约2500%/W，而在工业级平台上则为1000%/W，这些数值与已报道的LNOI（锂铌酸绝缘体）波导结构的非线性效率相当。同时，研究人员还发现，通过调节波导宽度和优化PPLN薄膜的厚度，可以在不同波导结构上实现相位匹配的灵活性和可调性。

此外，该平台还具有显著的可重复性和可扩展性。在200毫米硅光子学晶圆的整个半径范围内，研究人员展示了相位匹配的一致性。通过对PPLN薄膜进行局部调整，如通过控制波导的包层厚度或改变LN薄膜的厚度，可以实现对相位匹配的微调，从而补偿制造过程中可能引入的偏差。例如，通过调节包层厚度，可以在1520 nm至1560 nm之间实现波长范围内的相位匹配，而通过LN薄膜的减薄或增厚，则可以实现波长的进一步调整。这种调控机制使得在芯片级别实现精确的相位匹配成为可能，同时也为在更大规模上构建具有确定相位匹配的非线性光学系统奠定了基础。

在量子光学应用方面，该平台实现了可打印的纠缠光子对源。研究人员通过SPDC过程在PPLN/SiN波导结构上成功生成了高保真度的光子对，并测得其偶遇比（coincidence-to-accidental ratio, CAR）高达1154。这一结果表明，该平台不仅能够实现高效的非线性光学转换，还具备在大规模集成光子系统中构建量子光源的能力。通过将多个相同的PPLN/SiN波导结构集成到一个大尺寸的硅光子学干涉仪前，可以生成复杂的纠缠态，这为未来构建大规模的量子光学芯片提供了重要的技术支持。

在制造过程中，研究人员采用了一种优化的微转移印刷流程，以确保PPLN薄膜的均匀性和可重复性。该流程包括对LNOI（锂铌酸绝缘体）晶圆的周期性极化处理，随后通过微转移印刷将PPLN薄膜精准地转移到硅光子学波导结构上。为了减少制造过程中的厚度不一致，研究人员在PPLN薄膜上使用了局部加热技术，以微调相位匹配条件。这种策略不仅提高了系统的可重复性，还为实现大规模生产提供了可行性。

值得注意的是，该平台在制造和设计上的灵活性使其能够适应多种应用场景。例如，通过调整波导的几何结构和材料特性，可以实现对不同波长范围的覆盖，从而满足从经典光学到量子光学的多样化需求。此外，研究人员还提出了一个完整的制造流程，包括对PPLN薄膜的极化、图案化、悬空以及最终的微转移印刷步骤，确保了整个过程的可重复性和可控性。

从实验结果来看，该平台在性能和可扩展性方面均表现出色。首先，通过使用微转移印刷技术，研究人员能够在硅光子学晶圆上实现高密度的PPLN集成，这不仅提高了材料利用率，还减少了制造过程中的误差累积。其次，该平台在200毫米硅光子学晶圆上的相位匹配一致性得到了验证，证明其在大规模生产中的可靠性。此外，通过结合热调制和波导结构的微调，研究人员能够实现对相位匹配的精确控制，从而确保非线性光学器件在不同波长和功率条件下的稳定运行。

该研究的意义不仅在于技术实现，更在于其对未来光子学发展的深远影响。传统的硅光子学平台由于缺乏非线性光学响应，难以实现高效的频率转换和量子光源的生成。而通过将PPLN薄膜与硅光子学波导结构结合，该平台成功克服了这一限制，实现了高性能的非线性光学功能。这不仅为构建大规模的非线性光学电路提供了新的思路，也为量子光学器件的集成和应用打开了新的可能性。

综上所述，这项研究展示了一种具有高度可扩展性和稳定性的二次非线性光学平台，为未来在硅光子学平台上实现高性能的非线性光学器件提供了重要的技术基础。通过结合PPLN的非线性特性与硅光子学的制造优势，该平台不仅能够满足经典光学系统的需求，还为量子光学和光子集成系统的进一步发展提供了有力支持。未来，随着制造工艺的不断优化和集成技术的进一步成熟，该平台有望成为构建大规模光子学系统的重要组成部分，推动非线性光学在多个领域的广泛应用。