Miao Xue, Xiongshuo Yan, Jiangwei Wu, Rui Ge, Tingge Yuan, Yuping Chen, Xianfeng Chen. On-chip ultraviolet second-harmonic generation in lithium-tantalate thin film microdisk[J]. Chinese Optics Letters, 2023, 21(6): 061902 | Fast Track .

紫外（UV）光器件在多个领域中具有广泛应用，如光学数据存储、光学信息处理和光学传感器等。UV光通常定义为波长范围为10 nm至400 nm，可进一步分为四个区域：UV-A或长波UV（320400 nm）、UV-B或中波紫外线（290320 nm）、UV-C或短波紫外线（200290 nm）和真空UV（10200 nm）。过去已研究了通过准相位匹配在晶体如KTiOPO4、LiNbO3和LiTaO3中产生紫外光的倍频效应，但准相位匹配材料在紫外波长上存在一些限制，例如透射率低、光学损伤和制备困难等。因此，在芯片上实现紧凑可靠的紫外相干光具有重要意义。

钽酸锂是一种具有铁电性质的正单轴晶体，在声光、电光、集成光学和非线性光学等领域得到广泛应用。相比铌酸锂材料，钽酸锂在更大波段范围（0.28~5.5 μm）内是透明的，这使其成为铌酸锂在实现紫外相干光方面的有益补充。目前，对绝缘体上的钽酸锂（LTOI）的研究还不多，大部分研究都是基于钽酸锂块体材料。LTOI具有较高的激光辐射损伤阈值和光折变损伤阈值。

上海交通大学陈玉萍，陈险峰教授课题组首次通过模式相位匹配在钽酸锂薄膜微盘腔中产生了片上384.3 nm紫外倍频光，是迄今为止所知的铁电畴晶体薄膜中产生的最短UV光。这一研究展示了钽酸锂薄膜在集成紫外光源平台中的巨大应用潜力。相关研究成果在仅十天的时间内被迅速发表于《Chinese Optics Letters》2023年第21卷第6期（Miao Xue等人，"On-chip ultraviolet second-harmonic generation in lithium-tantalate thin film microdisk"），并被选为该期的Editors' Pick。

为了实现有效的倍频效果，需要同时满足能量守恒和动量守恒条件，本研究采用了有限元方法（FEM）来计算相位匹配条件。在制造工艺上，利用聚焦离子束（FIB）对直径为50 μm的微盘进行了研磨，然后进行了化学机械抛光（CMP），使微盘腔表面和边缘光滑，其在可见光波段的品质因子达到了2.74×10^5。通过这些工艺，实现了波长为384.3 nm的片上紫外倍频相干光，并获得了归一化转换效率为5.74×10^-6/W。研究人员认为，通过优化泵浦波长、功率和相位匹配条件，还可以实现中波紫外线（UV-B，280~320 nm）的产生，并通过进一步优化结构和实验方案，可以实现更高的效率。

钽酸锂材料与铌酸锂材料类似，都是铁电晶体，但它们具有不同的色散特性。相对于铌酸锂，钽酸锂材料在抗激光损伤和光折变方面具有更大的优势。因此，钽酸锂薄膜在微纳光子器件中更容易产生一些高阶的非线性光学现象，并且其较低的紫外截止波长预示着独特的应用前景。虽然钽酸锂材料在电光调制器应用上较少见，但在声光调制器和声表面滤波器等领域得到广泛应用，且其温度稳定性比铌酸锂更好，适用于高频大带宽滤波器。