PPLN應用于惡劣環(huán)境中的波長轉換

在我們上一篇文章中《應用探究|PPLN波導賦能量子重力傳感：星載冷原子干涉儀應用》，我們分享了昊量光電提供的英國Covesion MgO：PPLN波導組件應用于重力儀中的冷原子干涉儀的應用，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。當然對于包括以下領域在內的諸多重要應用而言，當下亟需新一代的計時和傳感解決方案：

· 自主導航與慣性傳感（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利用了量子效應，其中的關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] 這些傳感和計時應用要求量子技術“走出實驗室"，并以強大的形式能夠在偏遠和惡劣的環(huán)境（陸地、海洋、空中或太空）中部署和操作。

波長轉換

周期性極化鈮酸鋰（PPLN）是一種非線性光學晶體，用于激光的波長轉換。對于量子應用，PPLN 能夠將商用的激光器轉換為原子或離子對應的特定波長，而這些波長通常很難直接獲得。對于銣原子阱，PPLN 能夠將行業(yè)標準1560nm通信激光器轉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數(shù)千小時。

由昊量光電代理的Covesion PPLN的波導可以提供高達70%的轉換效率[2]，并可在功率達到瓦級運行，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波導性能

為了在惡劣環(huán)境中展現(xiàn)PPLN波導的優(yōu)良性能，以擔當波長轉換的可行解決方案，有三個關鍵標準

· 波導必須提供量子技術（Rb-MOT）所需的功率和轉換效率

· 必須提供光纖耦合封裝，將技術從實驗室推向市場，并提供即插即用的系統(tǒng)集成

· 波導封裝必須表現(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

Covesion采用了標準現(xiàn)成組件的波導封裝，并根據(jù)這些標準對其進行了測試。應該強調的是，該光纖耦合模塊最初并非設計用于承受惡劣環(huán)境，因此Covesion開展這項工作是為了評估其性能并為進一步加固開發(fā)提供信息。

Covesion 光纖耦合波導封模塊

使用壽命和效率測試

Covesion波導模塊已證明可進行長達1000小時的高效波長轉換。該模塊整體倍頻（SHG）轉換效率高達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) 項目的一個關鍵目標是以Min的功率提供1W的SHG輸出，這是天基重力傳感的主要要求。

高轉換效率 （2W 泵浦功率時高達50%）

環(huán)境測試

環(huán)境測試（熱、振動、沖擊、輻射）已按照 MIL 標準 (MIL-STD-883K) 進行，以評估波導模塊的魯棒性以及進一步加固的需求。

總體而言，盡管該模塊并非專為堅固耐用的操作而設計，但其性能仍表現(xiàn)良好。測試結果匯總如表所示，結果分為 4 個封裝屬性；機械——指模塊外殼；電氣——指內部電氣連接；光路——指從光纖輸入到光纖輸出的光束路徑；波導芯片——指PPLN波導芯片。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"表示需要進一步的加強并且已確定開發(fā)路徑。

應該指出的是，對于所有測試，PPLN 波導芯片本身都通過了，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 PPLN 材料技術為惡劣環(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，需要改進波導和光纖支撐結構。通過工程上重新設計和使用優(yōu)化的粘接材料，已經(jīng)確定了一條低風險的改進路徑。

D-改進路線已確認

總結

Covesion通過參與由IUK（Innovate UK）資助的與英國和歐洲量子技術社區(qū)伙伴的合作項目，充分利用了其內部投資。這使他們能夠為滿足惡劣和對抗性環(huán)境中的應用所需的穩(wěn)固波長轉換模塊開發(fā)出一條上市路線。這些模塊對于實現(xiàn)關鍵量子應用十分重要，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、光纖耦合波導模塊的應用范圍擴展到包括太空在內的惡劣環(huán)境。環(huán)境測試表明，通過適度的進一步開發(fā)，我們現(xiàn)有的波導封裝適合進行加固，并且已經(jīng)確定了一條低風險的改進路徑，以開發(fā)適合在包括太空認證的惡劣環(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換的MgO:PPLN（氧化鎂摻雜周期極化鈮酸鋰）晶體和波導的研究、開發(fā)和制造。他們提供廣泛的產品，包括PPLN塊體晶體、PPLN波導以及PPLN配件。此外，他們還提供定制PPLN服務，利用其極化技術為PPLN晶體設計和制造提供廣泛的技術支持，包括整個周期結構設計、掩膜設計、晶體極化、切塊、拋光和鍍膜增透，以滿足特定波長轉換需求。

上海昊量光電設備有限公司作為英國Covesion在中國地區(qū)的獨代,負責其所有產品在國內的銷售、服務，以及售后技術支持等等,如有任何問題,歡迎隨時聯(lián)系我們!

參考文獻

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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