PPLN应用于恶劣环境中的波长转换

在我们上一篇文章中《应用探究|PPLN波导赋能量子重力传感：星载冷原子干涉仪应用》，我们分享了昊量光电提供的英国CovesionMgO：PPLN波导组件应用于重力仪中的冷原子干涉仪的应用，凭借其环境鲁棒性以及优异的温控稳定性，可以稳定输出所需的波长。当然对于包括以下领域在内的诸多重要应用而言，当下亟需新一代的计时和传感解决方案：

自主导航与惯性传感（用于GPS受限环境）

重力与磁场传感（包括地球轨道环境监测和陆地场地勘查）

提供这些解决方案的下一代技术利用了量子效应，其中的关键推动因素是基于铷原子的磁光阱（Rb-MOT）。磁光阱使得“冷原子”能够用作超精密原子钟以及用于测量加速度的超灵敏传感器。[1] 这些传感和计时应用要求量子技术“走出实验室”，并以强大的形式能够在偏远和恶劣的环境（陆地、海洋、空中或太空）中部署和操作。

波长转换

周期性极化铌酸锂（PPLN）是一种非线性光学晶体，用于激光的波长转换。对于量子应用，PPLN能够将商用现成的激光器转换为原子或离子对应的特定波长，而这些波长通常很难直接获得。对于铷原子阱，PPLN 能够将行业标准1560nm通信激光器转换为铷原子冷却所需的780 nm波长。这种方法对于在太空等恶劣环境中的运行特别有吸引力，因为通信波段的激光器可靠、坚固，并且额定运行时间可达数千小时。

由昊量光电代理的CovesionPPLN的波导可以提供高达70%的转换效率[2]，并可在功率达到瓦级运行，这带来了巨大优势，从而实现铷原子传感测量的快速循环。

PPLN波导性能

为了在恶劣环境中展现PPLN波导的优良性能，以担当波长转换的可行解决方案，有三个关键标准

波导必须提供量子技术（Rb-MOT）所需的功率和转换效率

必须提供光纤耦合封装，将技术从实验室推向市场，并提供即插即用的系统集成

波导封装必须表现出长期可靠的运行，并能够承受其将要接触的环境条件（热、振动、冲击、辐射）。

封装前的PPLN 波导

Covesion采用了标准现成组件的波导封装，并根据这些标准对其进行了测试。应该强调的是，该光纤耦合模块最初并非设计用于承受恶劣环境，因此Covesion开展这项工作是为了评估其性能并为进一步加固开发提供信息。

Covesion 光纤耦合波导封模块

使用寿命和效率测试

Covesion波导模块已证明可进行长达1000小时的高效波长转换。该模块整体倍频（SHG）转换效率高达50%，可以提供所需的780nm所需的瓦特级输出，以实现Rb-MOT传感测量的快速循环。

使用寿命测试（>1000小时运行）—SHG的输出功率变化完全由放大器漂移引起

英国SNORQL (Space-certified Nonlinear Optics for Rugged Quantum Lasers) 项目的一个关键目标是以最小的泵浦功率提供1W的SHG输出，这是天基重力传感的主要要求。

高转换效率（2W 泵浦功率时高达50%）

环境测试

环境测试（热、振动、冲击、辐射）已按照MIL 标准 (MIL-STD-883K) 进行，以评估波导模块的鲁棒性以及进一步加固的需求。

总体而言，尽管该模块并非专为坚固耐用的操作而设计，但其性能仍表现良好。测试结果汇总如表所示，结果分为4 个封装属性；机械——指模块外壳；电气——指内部电气连接；光路——指从光纤输入到光纤输出的光束路径；波导芯片——指PPLN波导芯片。对于每个属性，勾号表示该软件包已通过特定的环境测试，“D”表示需要进一步的加强并且已确定开发路径。

应该指出的是，对于所有测试，PPLN 波导芯片本身都通过了，没有任何损坏迹象（破损、破裂等），并且在测试前和测试后以相同的效率执行 SHG。这表明基础 PPLN 材料技术为恶劣环境下的运行提供了稳固的解决方案。

振动测试结果，振动前后SHG输出功率，该功率变化仅由于测量过程中的光耦合变化而导致的

该封装的机械和电气性能也经受住了所有测试，表明该封装的弱点（不出所料）是光路。根据接触不同的测试，光路以多种方式退化。光纤尾纤受到了热损伤和辐射损伤，但通过使用耐高温和抗辐射的光纤，这一问题很容易解决。而在振动和冲击测试中，输入和输出端的光纤尾纤的光耦合受到了损伤。因此，需要改进波导和光纤支撑结构。通过工程上重新设计和使用优化的粘接材料，已经确定了一条低风险的改进路径。

D-改进路线已确认

总结

Covesion通过参与由IUK（Innovate UK）资助的与英国和欧洲量子技术社区伙伴的合作项目，充分利用了其内部投资。这使他们能够为满足恶劣和对抗性环境中的应用所需的稳固波长转换模块开发出一条上市路线。这些模块对于实现关键量子应用十分重要，包括：下一代原子钟、超高灵敏度加速度计和重力仪。

Covesion已经开展了一项广泛的测试和开发计划，以将 PPLN、光纤耦合波导模块的应用范围扩展到包括太空在内的恶劣环境。环境测试表明，通过适度的进一步开发，我们现有的波导封装适合进行加固，并且已经确定了一条低风险的改进路径，以开发适合在包括太空认证的恶劣环境中运行的稳固模块。

英国Covesion有限公司是一家拥有超过20年经验的公司，专注于高效非线性频率转换的MgO:PPLN（氧化镁掺杂周期极化铌酸锂）晶体和波导的研究、开发和制造。他们提供广泛的产品，包括PPLN块体晶体、PPLN波导以及PPLN配件。此外，他们还提供定制PPLN服务，利用其极化技术为独特的PPLN晶体设计和制造提供广泛的技术支持，包括整个周期结构设计、掩膜设计、晶体极化、切块、抛光和镀膜增透，以满足特定波长转换需求。

上海昊量光电设备有限公司作为英国Covesion在中国地区的独家授权代理商,负责其所有产品在国内的销售、服务，以及售后技术支持等等,如有任何问题,欢迎随时联系我们!

参考文献

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.