PPLN應(yīng)用于惡劣環(huán)境中的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換

在我們上一篇文章中《應(yīng)用探究|PPLN波導(dǎo)賦能量子重力傳感：星載冷原子干涉儀應(yīng)用》，我們分享了昊量光電提供的英國(guó)Covesion MgO：PPLN波導(dǎo)組件應(yīng)用于重力儀中的冷原子干涉儀的應(yīng)用，憑借其環(huán)境魯棒性以及優(yōu)異的溫控穩(wěn)定性，可以穩(wěn)定輸出所需的波長(zhǎng)。當(dāng)然對(duì)于包括以下領(lǐng)域在內(nèi)的諸多重要應(yīng)用而言，當(dāng)下亟需新一代的計(jì)時(shí)和傳感解決方案：

· 自主導(dǎo)航與慣性傳感（用于GPS受限環(huán)境）

· 重力與磁場(chǎng)傳感（包括地球軌道環(huán)境監(jiān)測(cè)和陸地場(chǎng)地勘查）

提供這些解決方案的下一代技術(shù)利用了量子效應(yīng)，其中的關(guān)鍵推動(dòng)因素是基于銣原子的磁光阱（Rb-MOT）。磁光阱使得“冷原子"能夠用作超精密原子鐘以及用于測(cè)量加速度的超靈敏傳感器。[1] 這些傳感和計(jì)時(shí)應(yīng)用要求量子技術(shù)“走出實(shí)驗(yàn)室"，并以強(qiáng)大的形式能夠在偏遠(yuǎn)和惡劣的環(huán)境（陸地、海洋、空中或太空）中部署和操作。

波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換

周期性極化鈮酸鋰（PPLN）是一種非線性光學(xué)晶體，用于激光的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換。對(duì)于量子應(yīng)用，PPLN 能夠?qū)⑸逃玫募す馄鬓D(zhuǎn)換為原子或離子對(duì)應(yīng)的特定波長(zhǎng)，而這些波長(zhǎng)通常很難直接獲得。對(duì)于銣原子阱，PPLN 能夠?qū)⑿袠I(yè)標(biāo)準(zhǔn)1560nm通信激光器轉(zhuǎn)換為銣原子冷卻所需的780 nm波長(zhǎng)。這種方法對(duì)于在太空等惡劣環(huán)境中的運(yùn)行特別有吸引力，因?yàn)橥ㄐ挪ǘ蔚募す馄骺煽?、?jiān)固，并且額定運(yùn)行時(shí)間可達(dá)數(shù)千小時(shí)。

由昊量光電代理的Covesion PPLN的波導(dǎo)可以提供高達(dá)70%的轉(zhuǎn)換效率[2]，并可在功率達(dá)到瓦級(jí)運(yùn)行，這帶來(lái)了巨大優(yōu)勢(shì)，從而實(shí)現(xiàn)銣原子傳感測(cè)量的快速循環(huán)。

PPLN波導(dǎo)性能

為了在惡劣環(huán)境中展現(xiàn)PPLN波導(dǎo)的優(yōu)良性能，以擔(dān)當(dāng)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換的可行解決方案，有三個(gè)關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)

· 波導(dǎo)必須提供量子技術(shù)（Rb-MOT）所需的功率和轉(zhuǎn)換效率

· 必須提供光纖耦合封裝，將技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室推向市場(chǎng)，并提供即插即用的系統(tǒng)集成

· 波導(dǎo)封裝必須表現(xiàn)出長(zhǎng)期可靠的運(yùn)行，并能夠承受其將要接觸的環(huán)境條件（熱、振動(dòng)、沖擊、輻射）。

封裝前的 PPLN 波導(dǎo)

Covesion采用了標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)成組件的波導(dǎo)封裝，并根據(jù)這些標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其進(jìn)行了測(cè)試。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，該光纖耦合模塊最初并非設(shè)計(jì)用于承受惡劣環(huán)境，因此Covesion開(kāi)展這項(xiàng)工作是為了評(píng)估其性能并為進(jìn)一步加固開(kāi)發(fā)提供信息。

Covesion 光纖耦合波導(dǎo)封模塊

使用壽命和效率測(cè)試

Covesion波導(dǎo)模塊已證明可進(jìn)行長(zhǎng)達(dá)1000小時(shí)的高效波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換。該模塊整體倍頻（SHG）轉(zhuǎn)換效率高達(dá)50%，可以提供所需的780nm所需的瓦特級(jí)輸出，以實(shí)現(xiàn)Rb-MOT傳感測(cè)量的快速循環(huán)。

使用壽命測(cè)試（>1000小時(shí)運(yùn)行）—SHG的輸出功率變化wan全由放大器漂移引起

英國(guó)SNORQL (Space-certified nonlinear optics for Rugged Quantum Lasers) 項(xiàng)目的一個(gè)關(guān)鍵目標(biāo)是以Min的功率提供1W的SHG輸出，這是天基重力傳感的主要要求。

高轉(zhuǎn)換效率 （2W 泵浦功率時(shí)高達(dá)50%）

環(huán)境測(cè)試

環(huán)境測(cè)試（熱、振動(dòng)、沖擊、輻射）已按照 MIL 標(biāo)準(zhǔn) (MIL-STD-883K) 進(jìn)行，以評(píng)估波導(dǎo)模塊的魯棒性以及進(jìn)一步加固的需求。

總體而言，盡管該模塊并非專(zhuān)為堅(jiān)固耐用的操作而設(shè)計(jì)，但其性能仍表現(xiàn)良好。測(cè)試結(jié)果匯總?cè)绫硭?，結(jié)果分為 4 個(gè)封裝屬性；機(jī)械——指模塊外殼；電氣——指內(nèi)部電氣連接；光路——指從光纖輸入到光纖輸出的光束路徑；波導(dǎo)芯片——指PPLN波導(dǎo)芯片。對(duì)于每個(gè)屬性，勾號(hào)表示該軟件包已通過(guò)特定的環(huán)境測(cè)試，“D"表示需要進(jìn)一步的加強(qiáng)并且已確定開(kāi)發(fā)路徑。

應(yīng)該指出的是，對(duì)于所有測(cè)試，PPLN 波導(dǎo)芯片本身都通過(guò)了，沒(méi)有任何損壞跡象（破損、破裂等），并且在測(cè)試前和測(cè)試后以相同的效率執(zhí)行 SHG。這表明基礎(chǔ) PPLN 材料技術(shù)為惡劣環(huán)境下的運(yùn)行提供了穩(wěn)固的解決方案。

振動(dòng)測(cè)試結(jié)果，振動(dòng)前后SHG輸出功率，該功率變化僅由于測(cè)量過(guò)程中的光耦合變化而導(dǎo)致的

該封裝的機(jī)械和電氣性能也經(jīng)受住了所有測(cè)試，表明該封裝的弱點(diǎn)（不出所料）是光路。根據(jù)接觸不同的測(cè)試，光路以多種方式退化。光纖尾纖受到了熱損傷和輻射損傷，但通過(guò)使用耐高溫和抗輻射的光纖，這一問(wèn)題很容易解決。而在振動(dòng)和沖擊測(cè)試中，輸入和輸出端的光纖尾纖的光耦合受到了損傷。因此，需要改進(jìn)波導(dǎo)和光纖支撐結(jié)構(gòu)。通過(guò)工程上重新設(shè)計(jì)和使用優(yōu)化的粘接材料，已經(jīng)確定了一條低風(fēng)險(xiǎn)的改進(jìn)路徑。

D-改進(jìn)路線已確認(rèn)

總結(jié)

Covesion通過(guò)參與由IUK（Innovate UK）資助的與英國(guó)和歐洲量子技術(shù)社區(qū)伙伴的合作項(xiàng)目，充分利用了其內(nèi)部投資。這使他們能夠?yàn)闈M足惡劣和對(duì)抗性環(huán)境中的應(yīng)用所需的穩(wěn)固波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換模塊開(kāi)發(fā)出一條上市路線。這些模塊對(duì)于實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵量子應(yīng)用十分重要，包括：下一代原子鐘、超高靈敏度加速度計(jì)和重力計(jì)。

Covesion已經(jīng)開(kāi)展了一項(xiàng)廣泛的測(cè)試和開(kāi)發(fā)計(jì)劃，以將 PPLN、光纖耦合波導(dǎo)模塊的應(yīng)用范圍擴(kuò)展到包括太空在內(nèi)的惡劣環(huán)境。環(huán)境測(cè)試表明，通過(guò)適度的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)，我們現(xiàn)有的波導(dǎo)封裝適合進(jìn)行加固，并且已經(jīng)確定了一條低風(fēng)險(xiǎn)的改進(jìn)路徑，以開(kāi)發(fā)適合在包括太空認(rèn)證的惡劣環(huán)境中運(yùn)行的穩(wěn)固模塊。

英國(guó)Covesion有限公司是一家擁有超過(guò)20年經(jīng)驗(yàn)的公司，專(zhuān)注于高效非線性頻率轉(zhuǎn)換的MgO:PPLN（氧化鎂摻雜周期極化鈮酸鋰）晶體和波導(dǎo)的研究、開(kāi)發(fā)和制造。他們提供廣泛的產(chǎn)品，包括PPLN塊體晶體、PPLN波導(dǎo)以及PPLN配件。此外，他們還提供定制PPLN服務(wù)，利用其極化技術(shù)為PPLN晶體設(shè)計(jì)和制造提供廣泛的技術(shù)支持，包括整個(gè)周期結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、掩膜設(shè)計(jì)、晶體極化、切塊、拋光和鍍膜增透，以滿足特定波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換需求。

上海昊量光電設(shè)備有限公司作為英國(guó)Covesion在中國(guó)地區(qū)的獨(dú)代,負(fù)責(zé)其所有產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)的銷(xiāo)售、服務(wù)，以及售后技術(shù)支持等等,如有任何問(wèn)題,歡迎隨時(shí)聯(lián)系我們!

參考文獻(xiàn)

1. M. Odstrcil, et al., “Nonlinear ptychographic coherent diffractive imaging," Optics Express, pp. 20245-20252, 2016.

2. Sam A. Berry, et al, “Zn-indiffused diced ridge waveguides in MgO:PPLN generating 1 watt 780 nm SHG at 70% efficiency," OSA Continuum, vol. 2, no. 12, pp. 3456-3464, 2019.

3. Diviya Devani, et al., “Gravity sensing: cold atom trap onboard a 6U CubeSat," CEAS Space Journal, vol. 12, p. 539–549, 2020.

4. Hsiang-Yu Lo, et. al, “All-solid-state continuous-wave laser systems for ionization, cooling and quantum state manipulation of beryllium ions, “Applied Physics B, vol 114, pp. 17-25, 2014.

5.Thomas A. Wright, et al, “Two-Way Photonic Interface for Linking the Sr+ transition at 422 nm to the Telecommunication," Phys. Rev. Applied, vol. 10, p. 044012, 2018.

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