可部署的溫室氣體檢測解決方案對(duì)于工業(yè)場所中的環(huán)境監(jiān)測至關(guān)重要。美國2024的一項(xiàng)研究表明，工業(yè)甲烷排放量是政府估計(jì)值的三倍，這對(duì)于環(huán)境和經(jīng)濟(jì)都有重大影響。單光子激光雷達(dá)技術(shù)為高靈敏度直接探測提供了一種途徑。許多溫室氣體分子，如甲烷，在中紅外（MIR）光譜區(qū)域具有基頻吸收帶，在短波紅外（SWIR）區(qū)域則具有倍頻吸收帶。然而，在這些波長范圍內(nèi)，高效的單光子探測器選擇受限，超導(dǎo)納米線探測器（SNSPDs）需要大型低溫冷卻系統(tǒng)，不適用于許多現(xiàn)場的應(yīng)用。銦鎵砷單光子雪崩二極管（InGaAsSPAD）探測器廣泛用于短波紅外傳感，但與近紅外（NIR）的硅基探測器相比，它們在探測效率、暗計(jì)數(shù)和工作溫度等方面均存在不足。

基于非線性晶體的頻率上轉(zhuǎn)換一種簡易、高效并且經(jīng)濟(jì)的方式，通過和頻（SFG）過程將目標(biāo)紅外光子轉(zhuǎn)換為更短波長的技術(shù)，這曾在生物光子學(xué)領(lǐng)域中大放異彩，而在這里也為整個(gè)紅外光譜中檢測溫室氣體排放譜線提供了一種途徑。利用這種方法，可以在商用高效硅基SPADs的波長下進(jìn)行檢測。

重磅突破：昊量光電獲得授權(quán)代理的英國Covesion公司出品的高效PPLN脊波導(dǎo)如何作為核心，結(jié)合英國QLM技術(shù)公司的TDLidar技術(shù)，助力 Fraunhofer 團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)開創(chuàng)性的遠(yuǎn)程、超高靈敏度甲烷單光子激光量子雷達(dá)（LIDAR）檢測技術(shù)。

在甲烷傳感演示裝置的下轉(zhuǎn)換模塊中包含一塊CovesionPPLN光纖耦合波導(dǎo)封裝件（自帶光纖輸入/輸出尾纖）。在這里，收集到包含甲烷氣體信息的1651nm信號(hào)光在WDM中與經(jīng)放大的1543nm泵浦光源合束，并耦合進(jìn)入封裝好的PPLN 波導(dǎo)，以高達(dá)86%的內(nèi)部效率在798nm處生成上轉(zhuǎn)換光，完美匹配了高性能硅基SPAD的檢測窗口，實(shí)現(xiàn)了單光子級(jí)別的遠(yuǎn)程氣體傳感。

本文中作者還驗(yàn)證了Covesion PPLN波導(dǎo)的核心光學(xué)特性和高效率的實(shí)現(xiàn)。下圖圖a）展現(xiàn)了在13um寬的PPLN脊形波導(dǎo)中產(chǎn)生的上轉(zhuǎn)換光的準(zhǔn)相位匹配條件。在特定的泵浦波長1543.7nm和信號(hào)光波長1651 nm的組合下，并通過Covesion的高精度溫控在40℃下實(shí)現(xiàn)高效的準(zhǔn)相位匹配，并且具有良好的模式輪廓。圖b）中則展示了在40°C 下測量的、針對(duì) 3種不同信號(hào)光功率，上轉(zhuǎn)換功率隨泵浦光功率變化的關(guān)系。

由于輸出的SFG功率正比于泵浦光和信號(hào)光的功率乘積，對(duì)于傳輸?shù)男盘?hào)功率為3.9 mW（黑色線），記錄的最大上轉(zhuǎn)換輸出功率為6.96 mW。特別需要注意的是，為了計(jì)算上轉(zhuǎn)換效率，作者考慮了長波長信號(hào)光子與短波長上轉(zhuǎn)換光子之間的能量比，因?yàn)槎x的上轉(zhuǎn)換效率為光子數(shù)轉(zhuǎn)換效率，而非功率的比值。輸入信號(hào)功率為3.9mW、2.6mW和1.5mW時(shí)的最大內(nèi)部上轉(zhuǎn)換效率分別為86.2%、81.7% 和79.5%。用數(shù)據(jù)證明了Covesion PPLN的高轉(zhuǎn)換效率，即使是來自遠(yuǎn)程甲烷羽流的微弱反向散射信號(hào)，也能被有效地提升到可探測的波長和功率水平，從而支持單光子級(jí)別的探測靈敏度。

最終的結(jié)果是可喜的，成功在室外的環(huán)境下檢測到25米范圍內(nèi)的甲烷（上圖），性能與商業(yè)InGaAsSPAD系統(tǒng)相當(dāng)。為了進(jìn)一步提升產(chǎn)品的性能，Covesion計(jì)劃進(jìn)行更多工作來提高轉(zhuǎn)換效率（例如波導(dǎo)耦合效率）已獲得更加精密的探測，此外也計(jì)劃將檢測能力擴(kuò)展到InGaAs探測是無法覆蓋的波長范圍，例如2004nm (CO2)、2670/3240nm (NOx)。對(duì)于CO2，研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)進(jìn)行了初步模擬，結(jié)果表明，即使對(duì)于非常低的上轉(zhuǎn)換效率，采用類似方法的二氧化碳傳感器也能達(dá)到優(yōu)于1000ppm·m的靈敏度，這當(dāng)然離不開優(yōu)異PPLN波導(dǎo)提供的上轉(zhuǎn)換性能。

英國Covesion有限公司是一家擁有超過20年經(jīng)驗(yàn)的公司，提供300nm~5000nm全波段波長轉(zhuǎn)換產(chǎn)品解決方案，專注于高效 MgO:PPLN / PPKTP 晶體與波導(dǎo)的研究、開發(fā)和制造。此外，Covesion還提供定制晶體服務(wù)，包括整個(gè)周期結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、掩膜設(shè)計(jì)、晶體極化、切塊、拋光和鍍膜增透，以滿足特定波長轉(zhuǎn)換需求。

上海昊量光電設(shè)備有限公司作為英國Covesion在中國地區(qū)的獨(dú)家授權(quán)代理商,負(fù)責(zé)其所有產(chǎn)品在國內(nèi)的銷售、服務(wù)，以及售后技術(shù)支持等。

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