引言
非线性光学是光子技术的核心，在频率转换和量子光生成等领域有着广泛的应用。由于具有较大的二阶非线性系数，铌酸锂（LN）长期以来一直被公认为重要的非线性光学材料 [1]。近年来，随着绝缘体上铌酸锂（LNOI）纳米光电子技术的发展，在小型集成器件中利用LN的非线性光学特性的新机会不断涌现 [2]。本文将概述使用LNOI纳米光电子结构进行非线性光学研究的最新进展，介绍重要的非线性光学现象，包括二次谐波生成（SHG）、和频生成（SFG）、差频生成（DFG）、四波混频（FWM）、拉曼散射、频率梳生成和光力学。本文将讨论各种相位匹配方案、器件设计和实验演示，这些方案、设计和演示使LNOI器件能够实现高效的非线性相互作用。二次谐波产生是最基本、研究最广泛的非线性光学过程。在二次谐波产生中，两个基频光子结合产生一个频率为两倍的单光子。高效的二次谐波产生需要相互作用波之间的相位匹配。在LNOI纳米光子结构中，已经证实了多种相位匹配方案。这种方法利用波导中的模态色散，在基频和二次谐波频率下实现不同空间模态之间的相位匹配。图1展示了LNOI微环谐振器中模态相位匹配二次谐波生成的示例：
图1 LNOI微环谐振器中模态相位匹配二次谐波生成的示例通过仔细设计波导尺寸，1550 nm处的基态TE模式与775 nm处的TM20模式相匹配。这使得二次谐波产生效率达到约2.22 x 10^-6 W^-1。通过周期性反转非线性系数的符号，LN晶体周期性极化可实现准相位匹配（QPM）。图2显示了周期性极化LNOI（PPLN）波导中的二次谐波：
图2周期性极化LNOI（PPLN）波导中的二次谐波PPLN波导的二次谐波转换效率达到53%，接近理论极限。QPM为选择相互作用波长和偏振提供了灵活性。其他方法，如回音走廊模式谐振器中的循环相位匹配，也已得到证实。LNOI谐振器具有强大的光约束和高品质因数，能够以极低的泵浦功率实现二次谐波产生，低至微瓦级。和频（SFG）和差频（DFG）是涉及两个输入频率和一个输出频率的三波混频过程，可实现灵活的频率转换，适用于光通信中的波长转换等应用。图3展示了LNOI microdisk谐振器中的SFG示例：
图3 LNOI microdisk谐振器中的SFG示例两个泵浦激光器分别位于1529.76 nm和1543.78 nm处，通过模态相位匹配产生768.37 nm的SFG信号。该过程与泵浦功率呈线性关系，标准转换效率约为2.22 x 10^-6 W^-1。DFG也已经在LNOI的PPLN波导中得到了验证。图4显示了覆盖整个电信C波段的宽带DFG：
图4 覆盖整个电信C波段的宽带DFG在1400 nm处固定信号，在730-740 nm处可调泵浦，产生1520-1570 nm的游荡波长。实现了10300% W^-1 cm^-2的高归一化DFG效率。LN以其强大的二阶非线性而闻名，但在LNOI器件中也可以观察到三阶非线性效应。包括：THG可以通过级联二阶过程产生，其中二次谐波与基波进一步相互作用，产生三次谐波。图5显示了LNOI microdisk中的级联THG：
图5 LNOI microdisk中的级联THG在1551.4 nm的泵浦下，观察到775.7 nm的二次谐波和516.5 nm的三次谐波。三次谐波功率与基波功率呈三次方关系，符合级联过程的预期。四波混频是三阶非线性过程，其中两个泵浦光子以新的频率产生信号光子和闲散光子。图6显示了LNOI光子分子中接近二次谐波波长的有效FWM：
图6 LNOI光子分子中接近二次谐波波长的有效FWM当在1565.46 nm处泵浦时，FWM边带在782.73 nm处的二次谐波周围对称产生。该过程在仅毫瓦级的二次谐波功率下表现出约14%的高转换效率。在强LN晶体振动模式的作用下，高Q值LNOI谐振器中观察到了受激拉曼散射。这促成了宽带拉曼频率梳的产生。光频率梳是精密计量、光谱学和光通信的重要工具。LNOI微谐振器已成为通过多种机制产生片上梳的有前景的平台：LN中的强电光效应可通过相位调制产生光梳。图7展示了基于LNOI环形谐振器的电光光梳发生器：
图7 基于LNOI环形谐振器的电光光梳发生器10.453 GHz的微波调制可产生一个80 nm宽、超过900条光梳线的光梳。光梳间距可通过调节调制频率进行重新配置。尽管LN的克尔非线性较弱，但通过仔细的色散工程，仍能演示克尔频率梳和孤子态。图8显示了LNOI微环中的单孤子和多孤子态：
图8 LNOI微环中的单孤子和多孤子态通过泵浦激光的失谐，可以产生具有平滑光谱包络的孤子梳。LN中的光折射效应和克尔非线性之间的相互作用可以实现双向孤子切换等独特功能。如前所述，利用LN晶体的拉曼增益，LNOI谐振器中的受激拉曼散射也可以产生宽带光梳。LNOI的独特优势在于，它能够在单个集成平台上通过多种机制（电光、克尔、拉曼）产生光梳。LNOI谐振器的高光学品质因数和小模式体积使得观察光机械效应成为可能。图9展示了LNOI光机械谐振器：
图9 LNOI光机械谐振器通过光学读出，观察到数百兆赫频率的径向呼吸机械模式。该器件具有超过5000的高机械品质因数，频率品质积超过10^12赫兹。光机械、电光和非线性光学效应在单个LNOI平台上的结合为混合光子-声子器件开辟出更多的可能性。本文概述了使用铌酸锂纳米光电子结构进行非线性光学研究的进展。包括：接近100%转换的高效率二次谐波生成
通过和频和差频生成实现宽带波长转换
克尔、电光和拉曼频率梳的产生
观察具有高机械品质因子的光机械效应
铌酸锂的强光约束、低传播损耗和固有非线性光学特性相结合，实现了低功率非线性光学相互作用。许多传统上需要块状晶体或高功率脉冲激光的非线性光学过程，现在可以在以毫瓦功率连续波泵浦的紧凑型集成设备中实现。1.改进制造技术，实现超高Q值谐振器（>10^7）和低损耗波导，进一步提高非线性效率。
2.先进的色散工程和谐振器设计，实现更宽的带宽频率转换和梳状光生成。
3.LNOI与硅和III-V半导体等其他光电子技术平台的异构集成，以创建功能增强的混合器件。
4.利用LNOI纳米光子结构探索量子光学效应，如压缩光生成和纠缠光子对源。
5.开发完全集成的非线性光学系统，该系统包含片上激光器、调制器和探测器以及LNOI非线性元件。
过去几年，LNOI非线性光学领域取得了飞速发展，这表明许多目标已经触手可及。随着制造技术的成熟和器件设计的优化 [2]，可以期待LNOI在经典和光量子技术领域发挥越来越重要的作用。LNOI能够在单个集成平台上利用强大的二阶和三阶非线性以及电光和光机械效应，使其成为主流光电子技术平台中独特的多功能材料。[1]Y. Cheng, "Lithium Niobate Nanophotonics," Jenny Stanford Publishing, 2021.
[2]南智光电, https://www.ioptee.com/article.html?id=510
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