PPLN應用于惡劣環境中的波長轉換

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，憑借其環境魯棒性以及優異的溫控穩定性，可以穩定輸出所需的波長。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受限環境）

· 重力與磁場傳感（包括地球軌道環境監測和陸地場地勘查）

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，這帶來了巨大優勢，從而實現銣原子傳感測量的快速循環。

PPLN波導性能

為了在惡劣環境中展現PPLN波導的優良性能，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集成

· 波導封裝必須表現出長期可靠的運行，并能夠承受其將要接觸的環境條件（熱、振動、沖擊、輻射）。

封裝前的 PPLN 波導

Covesion采用了標準現成組件的波導封裝，并根據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Rb-MOT傳感測量的快速循環。

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%）

環境測試

環境測試（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境測試，“D”表示需要進一步的加強并且已確定開發路徑。

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行 SHG。這表明基礎 PPLN 材料技術為惡劣環境下的運行提供了穩固的解決方案。

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受住了所有測試，表明該封裝的弱點（不出所料）是光路。根據接觸不同的測試，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化的粘接材料，已經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境中的應用所需的穩固波長轉換模塊開發出一條上市路線。這些模塊對于實現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已經開展了一項廣泛的測試和開發計劃，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境。環境測試表明，通過適度的進一步開發，我們現有的波導封裝適合進行加固，并且已經確定了一條低風險的改進路徑，以開發適合在包括太空認證的惡劣環境中運行的穩固模塊。

英國Covesion有限公司是一家擁有超過20年經驗的公司，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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