应用探究|不再高价低效！Covesion PPLN开启SWIR甲烷单光子检测新时代

可部署的温室气体检测解决方案对于工业场所中的环境监测至关重要。美国2024的一项研究表明，工业甲烷排放量是政府估计值的三倍，这对于环境和经济都有重大影响。单光子激光雷达技术为高灵敏度直接探测提供了一种途径。许多温室气体分子，如甲烷，在中红外（MIR）光谱区域具有基频吸收带，在短波红外（SWIR）区域则具有倍频吸收带。然而，在这些波长范围内，高效的单光子探测器选择受限，超导纳米线探测器（SNSPDs）需要大型低温冷却系统，不适用于许多现场的应用。铟镓砷单光子雪崩二极管（InGaAsSPAD）探测器广泛用于短波红外传感，但与近红外（NIR）的硅基探测器相比，它们在探测效率、暗计数和工作温度等方面均存在不足。

基于非线性晶体的频率上转换一种简易、高效并且经济的方式，通过和频（SFG）过程将目标红外光子转换为更短波长的技术，这曾在生物光子学领域中大放异彩，而在这里也为整个红外光谱中检测温室气体排放谱线提供了一种途径。利用这种方法，可以在商用高效硅基SPADs的波长下进行检测。

重磅突破：昊量光电获得授权代理的英国Covesion公司出品的高效PPLN脊波导如何作为核心，结合英国QLM技术公司的TDLidar技术，助力 Fraunhofer 团队实现开创性的远程、超高灵敏度甲烷单光子激光量子雷达（LIDAR）检测技术。

在甲烷传感演示装置的下转换模块中包含一块CovesionPPLN光纤耦合波导封装件（自带光纤输入/输出尾纤）。在这里，收集到包含甲烷气体信息的1651nm信号光在WDM中与经放大的1543nm泵浦光源合束，并耦合进入封装好的PPLN 波导，以高达86%的内部效率在798nm处生成上转换光，完美匹配了高性能硅基SPAD的检测窗口，实现了单光子级别的远程气体传感。

本文中作者还验证了Covesion PPLN波导的核心光学特性和高效率的实现。下图图a）展现了在13um宽的PPLN脊形波导中产生的上转换光的准相位匹配条件。在特定的泵浦波长1543.7nm和信号光波长1651 nm的组合下，并通过Covesion的高精度温控在40℃下实现高效的准相位匹配，并且具有良好的模式轮廓。图b）中则展示了在40°C 下测量的、针对 3种不同信号光功率，上转换功率随泵浦光功率变化的关系。

由于输出的SFG功率正比于泵浦光和信号光的功率乘积，对于传输的信号功率为3.9 mW（黑色线），记录的最大上转换输出功率为6.96 mW。特别需要注意的是，为了计算上转换效率，作者考虑了长波长信号光子与短波长上转换光子之间的能量比，因为定义的上转换效率为光子数转换效率，而非功率的比值。输入信号功率为3.9mW、2.6mW和1.5mW时的最大内部上转换效率分别为86.2%、81.7% 和79.5%。用数据证明了Covesion PPLN的高转换效率，即使是来自远程甲烷羽流的微弱反向散射信号，也能被有效地提升到可探测的波长和功率水平，从而支持单光子级别的探测灵敏度。

最终的结果是可喜的，成功在室外的环境下检测到25米范围内的甲烷（上图），性能与商业InGaAsSPAD系统相当。为了进一步提升产品的性能，Covesion计划进行更多工作来提高转换效率（例如波导耦合效率）已获得更加精密的探测，此外也计划将检测能力扩展到InGaAs探测是无法覆盖的波长范围，例如2004nm (CO2)、2670/3240nm (NOx)。对于CO2，研究团队已经进行了初步模拟，结果表明，即使对于非常低的上转换效率，采用类似方法的二氧化碳传感器也能达到优于1000ppm·m的灵敏度，这当然离不开优异PPLN波导提供的上转换性能。

英国Covesion有限公司是一家拥有超过20年经验的公司，提供300nm~5000nm全波段波长转换产品解决方案，专注于高效 MgO:PPLN / PPKTP 晶体与波导的研究、开发和制造。此外，Covesion还提供定制晶体服务，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。

参考文献
Smith, Ruaridh, et al. "Remote methane sensing using single-photon PPLN-waveguide upconversion lidar." Optics Express 33.13 (2025): 28177-28188.