近日，上海交通大學物理與(yu) 天文學院鄭遠林、陳險峰教授研究組研究了非線性晶體(ti) 納米腔中增強的光參量過程，在薄膜铌酸鋰中通過Anapole共振機製克服了材料的折射率限製並將光強局域在納米腔內(nei) ，實現了四個(ge) 數量級的二次諧波增強。該成果以“Enhanced second-harmonic generation in thin-film lithium niobate circular Bragg nanocavity”為(wei) 題發表在Nano Letters 24, 11676 (2024)。

二階非線性效應可引發許多獨特的物理現象，例如二次諧波產(chan) 生，這在基礎科學和各種應用中起著重要作用。微納尺度下光與(yu) 物質相互作用過程，特別是非線性參量過程，有賴於(yu) 材料本身強非線性還需將光局域在小模式體(ti) 積內(nei) 以增強作用強度。在各種材料中，铌酸鋰是目前最廣泛使用的非線性晶體(ti) 之一，它具有強烈的二階非線性效應。而铌酸鋰折射率並不太高，對铌酸鋰的加工也十分困難且蝕刻側(ce) 壁也不夠陡直，這限製了其將光束限製在納米尺度的能力，從(cong) 而限製了其在納米光子學中的應用。

我們(men) 在納米薄膜铌酸鋰（TFLN）平台上利用圓形布拉格環柵腔（CBG）並在腔中心盤內(nei) 設計Anapole共振條件將光限製在1.5個(ge) 波長直徑內(nei) ，最終實現了非線性效應的顯著增強。CBG結構以其高光收集效率和垂直表麵發射而廣泛應用於(yu) 激光器、量子發射器和非線性器件中。Anapole共振由於(yu) 振蕩電偶極矩和環形偶極矩遠場輻射模式相消幹涉而沒有遠場輻射，是在亞(ya) 波長尺度上增強光與(yu) 物質相互作用的理想選擇。在此研究中，我們(men) 在x切薄膜铌酸鋰上的CBG中實驗實現了Anapole共振增強的二次諧波產(chan) 生。在泵浦強度為(wei) 1.9 MW/cm^2下的歸一化轉換效率達1.21×10^-2 cm^2/GW；相比於(yu) 薄膜铌酸鋰，增強因子達到了42000倍。此外，我們(men) 還研究了橢圓形布拉格環柵腔（EBG）中二次諧波產(chan) 生的特性，並在不降低非線性轉換效率（約10^-2 cm^2/GW）的情況下實現了s/p入射光偏振無關(guan) 二次諧波的產(chan) 生。

在铌酸鋰基集成非線性光學平台上，人們(men) 利用過各種機製來增強非線性過程。通過將金屬與(yu) 铌酸鋰結合可以提高二次諧波的轉換效率，但金屬的歐姆損耗、零體(ti) 二階非線性以及低損傷(shang) 閾值導致非線性轉換效率較低。受铌酸鋰的折射率限製，铌酸鋰納米顆粒Mie共振的品質因數一般低於(yu) 100，從(cong) 而也限製了其非線性效率。Fano和Anapole共振、導模共振（GMR）和membrane 超表麵結構等已將歸一化轉換效率提高到10^-5 cm^2/GW甚至更高。铌酸鋰光柵波導（LNGW）結構理論上可以實現10^-3 cm^2/GW的轉換效率，但實現起來比較困難。我們(men) 利用薄膜铌酸鋰上CBG結構來增強二次諧波產(chan) 生的效果已超越當前铌酸鋰納米尺度上其他同類的非線性轉換效率，實現了在最低泵浦強度下的最高歸一化轉換效率。

我們(men) 的方案還可以擴展到其他非線性光學平台，如過渡金屬二硫化物和III-V族半導體(ti) 等。該工作為(wei) 在無相位匹配條件下研究納米尺度非線性光學提供了一種新途徑。這一方向的發展動力近年來表現強勢，圖3顯示的是薄膜铌酸鋰平台上各類非線性共振增強機製的最新進展。未來人們(men) 期望能將非線性歸一化效率再提高兩(liang) 個(ge) 數量以上，實現更高效的非線性光學調控器件。

陳險峰研究組近年來在薄膜铌酸鋰光子芯片領域獲得了係列重要的進展。研製出超過100GHz的薄膜铌酸鋰MZ調製器，以及高速相位、偏振和空間光調製器光子芯片。研製出微米級周期性極化薄膜铌酸鋰波導光子芯片，其激光頻率轉換效率達到國際先進水平，已經得到廣泛應用。研究得到國家基金委重大項目、重點項目、國家重點研發計劃、國家量子2030專(zhuan) 項、上海市科技重大專(zhuan) 項等項目支持。研究組正在開展麵向下一代光通信、微波光子學、光計算、量子計算等應用的高性能薄膜铌酸鋰光子芯片研發，已經取得了重要進展。