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摘要：用于固态量子缺陷的集成可见光光子引擎为可扩展量子网络提供了基础。尽管器件小型化取得了进展，但主动操控仍受限于难以同时实现毫瓦级可见光产生与高对比度调制的挑战。尽管已有大量研究，芯片级实现非线性频率转换与高速时间门控以进行高保真量子控制仍未成功。本文展示了一种单片薄膜铌酸锂（TFLN）平台，将周期极化频率转换与 GHz 带宽电光（EO）开关集成于同一器件。该器件输出片外绿光功率超过 1 mW，消光比（ER）达到 42.2 dB，实现了通过纳秒级门控对单个金刚石氮空位（NV）中心的相干自旋控制和时间分辨寿命测量。系统性能通过脉冲光学检测磁共振（ODMR）、Rabi 振荡及 Ramsey 干涉进行验证，并辅以纳秒分辨率的时间标记光子计数。通过将足够的非线性光产生与高速主动操控结合，该平台为高速量子通信节点的可扩展实现建立了框架。

关键词：集成光子学、薄膜铌酸锂、周期极化铌酸锂、氮空位中心、电光调制

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引言

实现全球量子网络的基础在于可扩展的光–物质接口，其中固态量子缺陷被认为是高性能量子存储器和自旋–光子节点的有前景候选器件【1,2】。这些系统由光学活性量子缺陷组成，例如金刚石【3,4】或碳化硅【5–7】中的色心，或晶体宿主中的稀土掺杂物【8,9】，它们具有优异的相干性和局部处理能力【10,11】。近期的里程碑成果进一步证明了这些平台的实用性，包括通过长距离光纤链路实现远程纠缠，以及多节点城市量子网络的构建【12–14】。这些进展为记忆增强量子密码学、盲量子计算以及长基线量子传感等变革性应用铺平了道路【15–17】。

然而，随着这些系统向高速复用架构发展，即每个节点内需要多个发射器，所需光学控制电路的复杂性迅速增加【18,19】。对依赖体积庞大的自由空间光学实现的系统来说，这成为可扩展性的瓶颈，因此迫切需要集成光学控制层，以实现这些量子架构的大规模应用【20–22】。

控制这些固态缺陷需要在可见光谱范围内进行精确光学操作，这比成熟的电信波段要困难得多【23–26】。首先，光源本身是主要障碍，由于材料限制（例如“绿色间隙”问题），开发小型化、高性能的可见光激光器非常困难【27–29】。其次，实现量子系统的扩展需要对多个发射器进行独立光学寻址【30–32】。通过复用离散的传统调制器来实现会引入大量系统复杂性和成本，因为这些调制器体积庞大。此外，高保真操作严格要求高速开关以实现时间分辨自旋操作，同时需要高消光比以抑制背景噪声【33,34】。实际上，传统器件存在严重的性能折衷。具体而言，声光调制器（AOM）是当前最广泛采用的器件，它们提供所需的高消光以防止光子泄漏，但带宽仅限于 MHz 级别。相反，电光（EO）调制器可以实现快速开关，但消光比（ER）较低。

集成可见光光子电路为多样化光学技术提供了灵活且可扩展的框架，其中对固态量子缺陷的控制是特别突出的应用【22,35】。为此，芯片级非线性频率转换被广泛研究，以克服从紫外到可见光缺乏原生发射器的限制【36–38】。特别是，由于绿色间隙问题【27,28,39,40】，大量研究集中在开发芯片级绿光光源上。值得注意的是，基于氮化硅的器件利用光电流效应诱导有效二阶非线性，成功实现芯片上绿光功率达到毫瓦级【28,39】。然而，氮化硅的中心对称特性排除了固有的 Pockels 效应，因此高速度 EO 调制需要复杂的异质集成【41,42】。与此同时，薄膜铌酸锂（TFLN）和薄膜钽酸锂（TFLT）因其固有的大二阶非线性而受到广泛关注【36,40,43】。例如，TFLT 平台通过周期极化实现准相位匹配（QPM），成功演示了毫瓦级芯片上绿光功率【40】。

尽管基于 TFLN 的调制器阵列已被用于寻址固态量子缺陷，这些实现仍依赖体积庞大的自由空间光学，包括外部可见光激光器和空间光调制器【44】。尽管取得了巨大进展，但在单一器件中实现高效可见光频率产生与高对比度高速 EO 调制的单片集成，以及将其直接应用于量子缺陷的相干操控，仍未被展示。

在此，我们报道了一种基于 TFLN 平台的单片非线性 EO 可见光光子电路，解决了这些长期存在的挑战。我们的器件在单芯片上集成了高效率周期极化铌酸锂（PPLN）倍频器与 GHz 带宽 EO 调制器，实现了毫瓦级片外绿光输出，同时支持可见光的高速产生和精确门控。通过利用二次谐波产生（SHG）的二次依赖特性，该系统从根本上增强了绿光的调制对比度，实现了超过 42 dB 的消光比，而无需主动反馈控制。这种非线性对比增强形成了一个独特的操作模式，克服了传统线性 EO 调制器固有的性能折衷【45,46】。作为概念验证，我们利用该平台演示了对金刚石氮空位（NV）中心的光学寻址与相干控制，展示了在包括纳秒尺度在内的各种时间尺度上实现高保真操控的能力。综上，这些结果为可扩展的紧凑型可见光控制硬件提供了可行路径，可支持大规模集成量子架构的实现。

结果

用于量子接口的单片非线性 EO 可见光光子学

我们在 TFLN 平台上制造的集成非线性 EO 可见光光子电路，实现了对固态量子缺陷的高速且高保真光学控制。

图1 集成薄膜铌酸锂非线性光子电路用于高速绿光开关和钻石中NV中心的光学调控。a 集成设备和量子测量的概念示意图。连续波（CW）近红外泵浦光通过电光调制器调制，并在PPLN波导中倍频至532 nm，实现毫瓦级绿光生成，具有快速开/关控制和高消光比。来自芯片的绿光通过光学方式调控钻石中的NV中心，实现自旋初始化和微波（MW）控制下的读取。b 制造的设备生成绿光并引导至芯片上的照片，显示设备在开（上图）和关（下图）状态下的工作情况。c 设备的俯视图示意布局（上图）以及制造的芯片的相应光学显微镜图像（下图），展示了电光MZI开关和PPLN波导部分。

图 1a 展示了器件的概念示意图以及针对金刚石 NV 中心的整体光学寻址方案。该单片电路将 EO 马赫–曾德干涉仪（MZI）与 PPLN 波导集成，实现高效二次谐波产生（SHG）。系统操作通过将 1064 nm 连续波近红外泵浦激光耦合到器件中启动，随后通过 type-0 倍频过程将其转换为 532 nm 绿光信号。

输入泵浦光首先被引入 EO MZI 区段，该区段作为高速强度调制器，由外部驱动电压控制。利用 TFLN 的快速电光效应，MZI 能够精确塑造基波泵浦的时间轮廓。来自 MZI 的基波泵浦输出功率 PωP_\omegaPω 由干涉决定，其关系可由公式 1 描述：

其中，VVV 为施加的驱动电压，VπV_\piVπ 为半波电压，ϕ0\phi_0ϕ0 为固有相位偏置。

经过调制的近红外信号随后进入 PPLN 波导，在那里通过 χ(2)\chi^{(2)}χ(2) 非线性光学过程被倍频至 532 nm。关键的是，利用 SHG 过程中输出功率对基波泵浦功率的二次依赖性，生成的绿光功率 P2ωP_{2\omega}P2ω 按照公式 2 进行标度：

这种二次关系实际上使基波泵浦的消光比（ER）平方化。因此，该非线性门控机制克服了标准 EO 调制器固有的消光限制，无需复杂的反馈系统，即可实现超过 40 dB 的卓越消光比。

需要注意的是，尽管输入泵浦光经过精确对准以最大化 TE 分量，但可实现的 TE 偏振可能受到输入光纤偏振消光比的限制。在这方面，使 TE 泵浦产生 TE 二次谐波模式的 type-0 相位匹配条件能够固有地抑制残余的非 TE 分量，使 SHG 过程充当额外的偏振滤波器。如图 1b 所示，该器件成功生成毫瓦级导模绿光，宏观 ON 与 OFF 状态表现出高度可见的对比度。

图 1c 展示了器件的顶视示意布局及相应的光学显微镜图像（关于制造工艺详见方法部分）。这些图像显示了器件的级联配置，具体包括 MZI 开关和随后的 PPLN 波导区段。值得注意的是，PPLN 区域内设计了 Au 网格结构，用于抑制寄生光泄漏进入板模【47】。在该集成平台的高对比度开关基础上，生成的可见光被引出芯片，用于光学寻址单个金刚石 NV 中心，从而实现自旋初始化和时间分辨读出。

通过 TFLN 波导的 SHG 实现高效绿光生成

我们评估了集成 PPLN 阶段的 SHG 性能，以验证其频率转换效率和相位匹配特性。

图2 在PPLN波导中高效绿光生成。a PPLN部分的概念示意图，其中近红外基频泵浦光通过反转极化的准相位匹配（QPM）转换为绿光。Λ表示极化周期。b 计算的相位失配（Δ��）图，展示了波导顶部宽度和刻蚀深度的关系。标记的点表示用于该设备的设计几何形状。c 制造的PPLN波导的扫描电子显微镜（SEM）图像（比例尺：3 ��m）。插图显示了波导制造前的二次谐波生成（SHG）显微镜图像，展示了域图案（比例尺：5 ��m）。d 实验 setup示意图，利用光纤放大泵浦源和透镜光纤耦合。通过温控模块（TEC）进行温度稳定化，以保持最佳的准相位匹配条件。通过监测输出功率，还对光纤对准进行主动稳定化。e 温度依赖的二次谐波生成（SHG）响应，显示准相位匹配调谐曲线。虚线为sinc2拟合曲线，用于识别最佳的相位匹配温度。f 离芯片测量的SHG功率与泵浦功率平方的关系。绿色虚线显示了预期的二次增长

如图 2a 所示，通过具有极化周期 Λ 的 PPLN 脊形波导的准相位匹配（QPM），实现了高效的芯片级绿光生成。周期极化引入了 2π/Λ 的倒易晶格矢量，用于补偿模式间的相位失配 Δk，从而满足

其中 kPumpk_{\text{Pump}}kPump 和 kSHk_{\text{SH}}kSH 分别表示泵浦光和二次谐波（SH）光的波矢。所需的极化周期 Λ 可用有效折射率表示为：

其中，λSH\lambda_{\text{SH}}λSH 为二次谐波（SH）波长，nPumpn_{\text{Pump}}nPump 和 nSHn_{\text{SH}}nSH 分别为泵浦和 SH 模态的有效折射率。

我们设计了 PPLN 脊形波导以支持 Type-0 相互作用，并确保两个波长下均为基模工作。这种模选择设计提供了与单模光纤（SMF）耦合直接兼容的输出轮廓，便于后续 NV 实验使用。对于我们的 X 切 TFLN 器件，TE 基模被设计为与 Type-0 偏振配置一致，从而利用最大非线性系数 d33d_{33}d33。为了确定最佳参数，我们进行了有限差分特征模（FDE）仿真，计算有效折射率，并在脊顶宽度和刻蚀深度的二维扫描中绘制残余相位失配，如图 2b 所示。该图识别了零失配轮廓及 QPM 对几何尺寸变化的敏感性。基于此分析，我们选择了极化周期 Λ=2.25μm\Lambda = 2.25\,\mu\text{m}Λ=2.25μm 以及优化后的脊形结构（顶宽 2082 nm，刻蚀深 240 nm），如图 2b 中黑星所示，以确保目标波长下的 QPM。

制造完成的 PPLN 器件的结构完整性和非线性特性通过扫描电子显微镜（SEM）和非线性光学显微镜表征，如图 2c 所示。顶视 SEM 图像显示了由于各向异性湿法刻蚀而形成的周期性侧壁槽，直接验证了波导沿线的目标极化周期。此外，通过图 2c 插图中的 SHG 显微图像验证了域翻转的均匀性，其中交替域间一致的信号对比表明极化区域具有均匀的非线性响应。

如图 2d 所示，集成器件的 SHG 性能通过自制 1064 nm 光纤激光系统表征，通过透镜光纤和压电驱动平台耦合至芯片。为了实现高效频率转换，泵浦信号通过定制掺铒光纤放大器（YDFA）放大，提供片上数百毫瓦的泵浦功率。为了保持最佳 QPM 条件并减小环境漂移，系统采用热电制冷器（TEC）进行主动温度控制，并配备实时光纤–芯片对准反馈回路。该稳定化框架通过最小化光热和机械波动，确保测量过程中非线性响应的一致性（实验配置详见方法部分）。

我们评估了集成 PPLN 波导的 SHG 性能，以验证其作为可靠激发源的适用性，能够提供足够的光功率用于固态自旋缺陷的初始化和读出。为确定最佳工作条件，我们首先通过监测不同器件温度下的 SHG 信号，绘制了 QPM 条件的热响应曲线。如图 2e 所示，温度依赖功率调谐曲线大致符合典型的 sinc² 轮廓，数值拟合表明峰值相位匹配温度接近室温。

在确定最佳工作点后，我们研究了输出绿光功率随基波泵浦功率的变化，如图 2f 所示。生成的绿光明显呈泵浦功率的二次依赖关系，确认器件在预测的非线性工作区内运行。值得注意的是，测得的片外绿光输出超过 1 mW，已足以用于 NV 中心自旋的高保真初始化和读出。为了评估系统耦合质量，我们测量了泵浦波长下通过 MZI 的光纤–光纤总损耗为 14.3 dB。尽管内部绿光功率因耦合和传播损耗而更高，我们采用测得的片外功率作为系统性能的主要且保守基准。通过关注实际测量值，我们避免了内部损耗建模的不确定性，为高保真量子寻址提供了保守但足够的性能指标。

高消光 EO 调制与绿光脉冲门控

在毫瓦级绿光稳定生成的基础上，我们表征了平台的高速量子寻址主动调制能力。

图3 基本信号（1064 nm）和二次谐波信号（532 nm）的动态调制。a 操作原理和测量流程。1064 nm泵浦光通过电光MZI进行强度调制，并在PPLN部分倍频至532 nm。这允许同时表征泵浦信号（�� ����������）和二次谐波信号（�� ������）的消光比。b, c 正常化传输与直流偏置电压的关系。1064 nm和532 nm分别得到���� = 3.98 V。虚线曲线表示模型拟合，反映了正弦MZI响应和SH的二次增长。d, e 对数尺度下的传输。数据表明泵浦信号的消光比为23.2 dB，二次谐波信号的消光比为42.2 dB。f, g 使用光电探测器测量的时域开关。测得的10–90%上升和下降转换时间分别为0.612 ns和0.669 ns，接近光电探测器的1.2 GHz带宽限制。

如图 3a 所示，1064 nm 泵浦通过片上 EO MZI 进行强度调制，随后在 PPLN 区段倍频至 532 nm，从而可同时评估基波与二次谐波波长下的消光特性。

我们首先通过测量施加偏置电压下的传输响应来评估直流传输特性。图 3b 和 3c 分别显示泵浦和 SH 信号的归一化传输，均表现出预期的正弦调制行为。虚线曲线为模型拟合，反映泵浦的正弦响应和 SH 信号的二次标度关系。从这些测量中提取的半波电压为 Vπ=3.98VV_\pi = 3.98\,\text{V}Vπ=3.98V，在两个波长下均一致。这种一致性表明 EO 相位控制稳定，并保证集成 MZI 在非线性转换过程中的稳健运行。

调制对比度通过基波泵浦 (ERpumpER_{\text{pump}}ERpump) 和生成二次谐波 (ERSHER_{\text{SH}}ERSH) 的消光比量化，由对数传输数据确定。图 3d 和 3e 显示了这些指标，其中泵浦信号 ERpump=23.2dBER_{\text{pump}} = 23.2\,\text{dB}ERpump=23.2dB，而 SH 输出实现增强 ERSH=42.2dBER_{\text{SH}} = 42.2\,\text{dB}ERSH=42.2dB。这一显著提升源于 SHG 输出对泵浦场的二次依赖关系。在理想情况下，SHG 的分贝消光比应为基波的两倍。在我们的表征中，观测到的增强因子为 1.819，略低于理论极限 2。然而，图 3e 中显示的最小传输水平明显受限于光电探测器噪声底，暗示 SH 内在消光比可能更高，并可通过提高信噪比进一步体现。值得注意的是，这种高对比度调制通过单级非线性过程实现，避免了级联调制器或主动反馈控制的复杂性。

动态开关性能通过时域测量进一步表征，如图 3f 和 3g 所示。调制后的光脉冲紧随施加的射频驱动，升降沿时间分别约为 0.612 ns 和 0.669 ns。这些响应时间接近光电探测器（Thorlabs DET01CFC）1.2 GHz 带宽，表明器件具有潜在更快的固有开关速度。该亚纳秒门控能力结合高消光比，验证了该平台适用于固态量子缺陷的时间分辨光学寻址。

NV 中心的光学寻址与连续波 ODMR 光谱

我们验证了芯片生成的绿光可直接用于金刚石 NV 中心的光学寻址。在这些系统中，绿光激发既作为非共振激发的主要光源，也用于自旋态初始化至基态。我们提供了连续波（CW）初始化及自旋依赖读出，用于 ODMR 光谱测量，而无需对标准共焦显微镜进行任何改动（测量与样品制备详情见方法部分）。

图4 基于光子芯片的共聚焦成像和CW-ODMR测量NV中心。a 实验setup示意图。1064 nm泵浦激光在PPLN非线性器件中进行频率转换，生成532 nm激发光。激发光被传输到共聚焦显微镜setup中，用于NV激发和荧光收集。性能与常规532 nm激光在相同光学配置下进行对比（绿色框：PPLN生成的532 nm源；灰色框：常规532 nm激光）。b 在相同条件下获取的NV中心共聚焦荧光图像。c 使用芯片上生成的532 nm激发光测量的CW-ODMR光谱。当微波频率扫描穿过自旋跃迁时，观察到荧光中的共振衰减。

如图 4a 所示的实验配置，将芯片生成的绿光通过光纤导入现有系统，以与传统大体积 532 nm 激光直接比较，从而对 PPLN 倍频输出进行性能基准评估。这种方法确保两种激发光源共享相同光路和检测配置，实现严格且系统化的性能评估。

如图 4b 的共焦成像图所示，芯片输出的绿光可实现高对比度成像，并以衍射极限分辨率精确定位单个发射器（共焦成像详情见方法部分）。此外，该基于 TFLN 的光源提供所需的功率稳定性，在长时间光栅扫描过程中维持一致的信噪比，结果与传统大体积激光相当，验证了该平台作为高分辨率单发射体显微激发光源的可靠性。

随后，我们通过 CW-ODMR 光谱演示了芯片绿光的自旋态初始化与读出能力。除了简单的荧光激发，高保真 NV 中心量子控制还需要有效的光泵浦将自旋初始化至基态，并实现随后的自旋依赖对比度以进行读出。如图 4c 所示的共振光谱中，芯片生成的激发光成功支持这些关键自旋物理过程，得到明显的 ODMR 谱谷，荧光对比度约为 25%，线宽为 36 MHz。这些结果与传统大体积 532 nm 激光的基准数据高度一致，确认 TFLN 平台完全兼容高对比度自旋光谱测量。因此，TFLN 光子引擎为标准量子缺陷实验提供了可靠的集成替代方案，相较于大体积可见光激发器件更加紧凑。

用于相干自旋操作的高速脉冲门控

在 CW 验证之后，我们展示了集成 EO 调制阶段在相干自旋控制中的应用，实现高速门控与高对比度调制。

图 5a 展示了光学设置，TFLN 电路由 FPGA 同步的电压波形驱动，在芯片上直接生成用户定义的 532 nm 脉冲模式。如图 3e–3g 所示，TFLN 光子电路实现亚纳秒级开关转换，同时达到 42.2 dB 的高消光比，确保脉冲量子协议所需的时间精度与对比度。这些片上脉冲与微波驱动及光子检测硬件同步，为 NV 中心电子自旋的高保真操控提供光学控制接口。

为评估芯片级高速脉冲门控在可靠自旋控制中的性能，我们进行了系列相干自旋操控测量。首先，通过脉冲 ODMR 测量验证时间门控光学读出（图 5b）。来自主 14N 核自旋的分辨三重态结构确认，片上 EO 门控提供了足够的消光与时间精度，实现可靠初始化及门控荧光读出。进一步，通过 Rabi 振荡（图 5c）验证了相干自旋操控。观测到的 51 ns 周期允许精确校准微波脉冲，而五个周期内保持的高 Rabi 对比度表明，由于高 ERSHER_{\text{SH}}ERSH，残余关断态泄漏可忽略。实验的相位完整性通过 Ramsey 干涉及失谐测量进一步验证，如图 5d 所示。清晰的 Ramsey 条纹及快速傅里叶变换（FFT）中解析的 13C 核自旋劈裂表明，FPGA 同步的绿光脉冲保持了自由演化所需的时间稳定性和高对比度。

为突出我们集成方法相比传统 AOM 的速度优势（通常上升/下降沿需要数十纳秒），我们对芯片生成的绿光脉冲及随后的 NV 荧光衰减进行时间分辨（图 5e）。黑色曲线为表面反射激发脉冲测量，红色虚线为 NV 荧光衰减，显示脉冲与荧光的亚纳秒时间分离。尽管关断态基线受 APD 暗计数限制，高开关对比度在相同条件下仍保持，用于相干自旋控制。这些结果表明，我们的平台提供了一种紧凑方案，同时实现高速开关与高消光，克服了可见光波段 AOM 和大体积 EOM 的局限性。

综合来看，我们的片上非线性 EO 可见光光子电路可作为标准固态量子实验中传统脉冲选通器的功能性、可扩展替代方案。

讨论与展望

在本研究中，我们展示了一个单片 TFLN 平台，将高效率的二次谐波产生（SHG）与 GHz 带宽的电光（EO）开关集成，为量子系统提供高性能控制接口。该架构实现了片外可见光功率超过 1 mW，同时二次谐波消光比 ERSHER_{\text{SH}}ERSH 高达 42.2 dB，与台式自由空间系统的性能标准相当。通过纳秒级片上门控，我们实现了对单个 NV 中心的高保真相干自旋控制，清晰的 Rabi 振荡和 Ramsey 干涉进一步证明了这一点。值得注意的是，纳秒分辨的时间标记光子计数能够直接解析片上绿光脉冲及随后的 NV 荧光衰减，为门控性能提供了明确的物理验证。除了高速性能，这些结果还表明集成器件能够维持长时间量子测量所需的时间稳定性，同时暗示单片架构能够在紧凑体积内简化光路对准工作。

通过非线性过程实现的集成绿光生成已在多种材料平台上被广泛探索，并取得了显著成果，芯片上输出功率超过 1 mW 的工作如表 1 所示【28, 39, 40】。

尽管此前的研究展现了令人印象深刻的功率水平，但同时实现高输出功率和高速调制——这对于主动量子控制至关重要——仍然是大多数现有工作面临的重大挑战。我们的单片 TFLN 平台弥补了这一空白，实现了具有竞争力的片外功率以及 GHz 带宽的 EO 调制。毫瓦级净功率的可用性确保足够的激发强度能够以亚纳秒精度传递到发射器位点，从而满足可扩展控制固态量子缺陷的严格技术要求。此外，毫瓦级绿光的实现使该平台的应用范围超越量子科学，可扩展到生物医学成像、高速可见光通信以及下一代显示技术的紧凑光源等领域。

本研究展示的架构提供了一个在光谱、空间和系统层面均可扩展的多功能框架。通过利用周期极化设计的灵活性，该平台可调整以利用现有红外激光器生成可见光谱范围内的多种波长【37,43】。这种光谱多样性为多种固态量子发射体（如碳化硅色心或稀土离子）提供了通用控制接口，使其应用超越 NV 中心的特定需求【8,48,49】。此外，紧凑的占地面积非常适合扩展到高密度调制器阵列【21,44】，可实现多个发射器的独立且同时寻址，同时减少空间限制。与此并行，永久性光纤–芯片封装的集成预计能够提供实际量子应用所需的长期稳定性【50】。

展望未来，大规模量子信息系统的发展可能会受益于克服传统大体积光学架构的空间和操作限制。在单片架构中实现频率转换与高速调制，为可见光谱中的可扩展性挑战提供了实际解决方案，同时突破了长期制约量子控制的性能瓶颈。该接口为多种固态发射体的独立操控提供了灵活框架，可能简化大规模互联节点的操作要求。这种集成架构标志着向高速量子节点部署迈出的重要一步，有助于构建稳健的大规模量子通信网络。

方法

器件设计与制造

有效模式折射率通过商业软件 Ansys Lumerical MODE 仿真获得。器件制造分为两个主要阶段，首先是波导定义之前的铁电畴反转。300 nm 厚的 TFLN 薄膜首先进行清洗，然后以 2000 rpm 旋涂聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA 950 A5）。为减小电子束光刻过程中的电荷效应，在抗蚀剂堆栈顶部沉积了一层导电电子间隔层（e-spacer）。随后利用电子束光刻（JEOL JBX-9300FS）定义极化电极图案。显影后，在混合去离子水与异丙醇溶液中显影，随后通过电子束蒸发沉积 100 nm 铬层，并在丙酮中进行去除（lift-off）。通过在图案化电极之间施加高压脉冲，实现准相位匹配（QPM）的周期性铁电畴反转。极化过程完成后，用铬蚀刻液去除铬电极，同时保留对准标记用于后续制造步骤。

后续制造阶段集中于波导定义。旋涂氢化硅氧烷（HSQ）抗蚀剂，转速 2000 rpm，随后沉积 e-spacer 层以抑制电子束曝光过程中的电荷效应。波导几何结构通过相同的电子束光刻系统进行图案化。显影后，通过感应耦合等离子体反应离子刻蚀（ICP-RIE）将结构转移到 TFLN 层，使用 Ar 离子刻蚀。残余抗蚀剂使用缓冲氧化物蚀刻液（BOE）去除，随后进行 KOH 清洗。最后，通过等离子增强化学气相沉积（PECVD）沉积 SiO2 上覆层，并进行最终退火完成制造。

片上非线性可见光生成测量

图 2 的 SHG 测量使用自制 1064 nm 光纤激光系统完成。种子信号通过锥形光纤束（TFB, AFR PMMPC-2+1X1-06-976-22-SS-SS-1-1）耦合至 4 m 长双包层掺铒光纤（YDF, Coherent-Nufern PLMA-YDF-10/125-M）核心并进行放大。976 nm 二极管激光耦合入 YDF 包层以提供所需泵浦功率。为确保信号纯净及系统安全，残余泵浦光通过包层功率剥离器（CPS, AFR PMCPS-976-06-10-020-2-1）去除，高功率光学隔离器（ISO）用于抑制背反射。最终 YDFA 输出提供 0.5–1 W 可调泵浦功率范围。所有光路使用保持偏振（PM）光纤实现，输入偏振精确对准 TFLN 器件的 TE 基模。为热管理，芯片安装在铜散热片上，并由热电制冷器（TEC）控制，以维持最佳 QPM 温度。此外，采用主动对准系统，通过实时反馈监控输出功率以补偿机械漂移，从而确保整个表征过程中耦合的长期稳定性。

金刚石 NV 中心自旋控制实验配置

金刚石 NV 中心（量子级，Element Six 提供）通过电子束辐照并在 1100℃退火形成。此外，在金刚石表面制作了固体浸没透镜（SIL）结构，并在其附近制作金微波传输图案，以实现 NV 中心的高效自旋控制。

测量在室温下进行，使用自制的光束扫描共焦显微镜系统。为实现高速光栅扫描，系统配备快速偏转镜（FSM）及 4f 中继系统，将扫描支点与物镜后焦面共轭。金刚石单个 NV 中心以 532 nm 激发，其荧光通过 Zeiss 100× 空气物镜（NA = 0.95）收集，并通过 10× 物镜（Thorlabs RMS10X）耦合入阶跃折射率多模光纤，光纤芯作为共焦孔径。单光子通过光纤耦合硅雪崩光电二极管（APD, Excelitas Technologies, SPCM-AQRH-14-FC）探测。这使得在无固体浸没透镜情况下，实现衍射极限的横向分辨率约 0.3 μm（Rayleigh 准则, 0.61λ/NA）的高对比度成像和精确定位单个发射器成为可能。

微波信号由 FPGA 控制器（AMD Zynq UltraScale+ RFSoC ZCU111）生成并编程定时，随后通过功率放大器放大。微波场传递至固体浸没透镜内近表面 NV 中心。通过永久磁铁施加静磁场（74 G 或 496 G），以消除自旋态简并。在所有自旋测量中，微波控制（包括频率扫描和脉冲序列）与光子积分由 FPGA 定时控制器同步，确保谱线稳定性和时间域信号可重复性。

文章：Nonlinear Electro-Optic Visible Photonic Circuits for Solid-State Quantum Defects作者：Yongchan Park,1, 2, ∗ Yong Soo Lee,1, ∗ Hansol Kim,1, 3, ∗ Jaepil Park,1, 4 Junhyung Lee,1, 2 Hye-yoon Jeon,1, 2 Jinil Lee,1, 4 Yong-gwon Kim,1, 5 Yeeun Choi,1 Min-Kyo Seo,6 Dae-Hwan Ahn,1, 4 Hojoong Jung,1, 5 Dongyeon Daniel Kang,1, 4, † and Hyounghan Kwon1,单位：KIST