PPLN應(yīng)用于惡劣環(huán)境中的波長轉(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,。當(dāng)然對于包括以下領(lǐng)域在內(nèi)的諸多重要應(yīng)用而言,，當(dāng)下亟需新一代的計時和傳感解決方案：

· 自主導(dǎo)航與慣性傳感（用于GPS受限環(huán)境）

· 重力與磁場傳感（包括地球軌道環(huán)境監(jiān)測和陸地場地勘查）

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量加速度的超靈敏傳感器,。[1] 這些傳感和計時應(yīng)用要求量子技術(shù)“走出實驗室”，并以強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,，用于激光的波長轉(zhuǎn)換,。對于量子應(yīng)用，PPLN 能夠?qū)⑸逃玫募す馄鬓D(zhuǎn)換為原子或離子對應(yīng)的特定波長,，而這些波長通常很難直接獲得,。對于銣原子阱，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,。這種方法對于在太空等惡劣環(huán)境中的運行特別有吸引力,，因為通信波段的激光器可靠、堅固,，并且額定運行時間可達(dá)數(shù)千小時,。

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)到瓦級運行,，這帶來了巨大優(yōu)勢,，從而實現(xiàn)銣原子傳感測量的快速循環(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)波長轉(zhuǎn)換的可行解決方案,，有三個關(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)從實驗室推向市場,，并提供即插即用的系統(tǒng)集成

· 波導(dǎo)封裝必須表現(xiàn)出長期可靠的運行,，并能夠承受其將要接觸的環(huán)境條件（熱、振動,、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)對其進(jìn)行了測試,。應(yīng)該強調(diào)的是,，該光纖耦合模塊最初并非設(shè)計用于承受惡劣環(huán)境，因此Covesion開展這項工作是為了評估其性能并為進(jìn)一步加固開發(fā)提供信息,。

Covesion 光纖耦合波導(dǎo)封模塊

使用壽命和效率測試

Covesion波導(dǎo)模塊已證明可進(jìn)行長達(dá)1000小時的高效波長轉(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所需的瓦特級輸出,，以實現(xiàn)Rb-MOT傳感測量的快速循環(huán),。

使用壽命測試（>1000小時運行）—SHG的輸出功率變化wan全由放大器漂移引起

英國SNORQL (Space-certified nonlinear optics for Rugged Quantum Lasers) 項目的一個關(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 泵浦功率時高達(dá)50%）

環(huán)境測試

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

總體而言,，盡管該模塊并非專為堅固耐用的操作而設(shè)計,，但其性能仍表現(xiàn)良好。測試結(jié)果匯總?cè)绫硭?，結(jié)果分為 4 個封裝屬性,；機械——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。對于每個屬性,，勾號表示該軟件包已通過特定的環(huán)境測試,，“D”表示需要進(jìn)一步的加強并且已確定開發(fā)路徑。

應(yīng)該指出的是,，對于所有測試,，PPLN 波導(dǎo)芯片本身都通過了，沒有任何損壞跡象（破損,、破裂等）,，并且在測試前和測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)境下的運行提供了穩(wěn)固的解決方案,。

振動測試結(jié)果,，振動前后SHG輸出功率，該功率變化僅由于測量過程中的光耦合變化而導(dǎo)致的

該封裝的機械和電氣性能也經(jīng)受住了所有測試，表明該封裝的弱點（不出所料）是光路,。根據(jù)接觸不同的測試，光路以多種方式退化,。光纖尾纖受到了熱損傷和輻射損傷,，但通過使用耐高溫和抗輻射的光纖，這一問題很容易解決,。而在振動和沖擊測試中,，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),。通過工程上重新設(shè)計和使用優(yōu)化的粘接材料，已經(jīng)確定了一條低風(fēng)險的改進(jìn)路徑,。

D-改進(jìn)路線已確認(rèn)

總結(jié)

Covesion通過參與由IUK（Innovate UK）資助的與英國和歐洲量子技術(shù)社區(qū)伙伴的合作項目,，充分利用了其內(nèi)部投資。這使他們能夠為滿足惡劣和對抗性環(huán)境中的應(yīng)用所需的穩(wěn)固波長轉(zhuǎn)換模塊開發(fā)出一條上市路線,。這些模塊對于實現(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和重力計,。

Covesion已經(jīng)開展了一項廣泛的測試和開發(fā)計劃,，以將 PPLN、光纖耦合波導(dǎo)模塊的應(yīng)用范圍擴展到包括太空在內(nèi)的惡劣環(huán)境,。環(huán)境測試表明,，通過適度的進(jìn)一步開發(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)險的改進(jìn)路徑,，以開發(fā)適合在包括太空認(rèn)證的惡劣環(huán)境中運行的穩(wěn)固模塊。

英國Covesion有限公司是一家擁有超過20年經(jīng)驗的公司,，專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)計和制造提供廣泛的技術(shù)支持，包括整個周期結(jié)構(gòu)設(shè)計,、掩膜設(shè)計,、晶體極化、切塊,、拋光和鍍膜增透,，以滿足特定波長轉(zhuǎn)換需求,。

上海昊量光電設(shè)備有限公司作為英國Covesion在中國地區(qū)的獨代,負(fù)責(zé)其所有產(chǎn)品在國內(nèi)的銷售、服務(wù),，以及售后技術(shù)支持等等,如有任何問題,歡迎隨時聯(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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