白皮书：恶劣环境下的波长转换

量子µm计时和传感

近期迫切需要新一代计时和传感解决方案，用于以下重要应用：

• 自主导航和惯性传感（用于 GPS 信号受限的环境）
• 重力和磁力传感（包括地球轨道环境监测和陆地场地勘测）

下一代技术利用量子µm效应提供这些解决方案，其关键技术是基于µm原子（Rb-MOT）的磁光阱。Rb-MOT 使“冷原子”能够用作超精密原子钟和超灵敏加速度传感器。.¹

预计这些应用及其他应用领域的需求将推动量子µm传感和计时市场大幅增长。目前量子µm传感器的市场规模为2.6亿美元，预计到2027年将增长至5.65亿美元（年复合增长率16.8%）。.²

这些传感和计时应用需要将量子µm技术“从实验室”转移出来，并以一种稳健的形式，能够在偏远和恶劣的环境（陆地、海洋、空中或太空）中部署和操作。.

波长转换

周期性极化铌酸µm(PPLN) 是一种非线性光学晶体，可用于改变激光的波长。对于量子µm应用，PPLN 可以将现成的激光器转换为原子或离子特异性波长，而这些波长通常难以获得。对于铷原子阱，PPLN 可以将行业标准的 1560nm 电信激光器转换为铷原子冷却所需的 780nm 波长。这种方法尤其适用于太空等严苛环境下的应用，因为电信激光器可靠、耐用，且额定运行时间可达数千小时。.

PPLN 波导还具有高达 70% 的转换效率³，并且可以在瓦特级运行，从而实现 Rb 传感测量的快速循环。

英国投资

目前全球对量子µm技术的投资估计每年超过200亿美元。其中，英国承诺在未来10年内投资10亿英镑。这包括由英国创新署（Innovate UK，简称IUK）资助的研发项目，旨在探索量子µm技术（包括相关系统和组件）加固的潜力。Covesion积极参与了其中µm项目；

• QT Assemble——一项旨在发展英国量子µm级光学产品和系统供应链的基础计划。.
• CASPA——冷原子空间有效载荷。CASPA的目标是构建一个能够在空间环境中自主捕获铷原子的冷原子系统。CASPA是验证基本概念并积累基础冷原子演示器子系统和整体设计经验的第一步。Covesion公司提供了用于集成到光学子系统中的PPLN波导芯片。.
• SNORQL——适用于坚固型量子µm激光器的空间认证非线性光学器件。SNORQL 的目标是在铷磁光阱 (Rb-MOT) 中演示 Covesion 光纤耦合的 PPLN 波导，并进行试验以评估其在模拟环境条件（热、振动、冲击、辐射）下的性能，从而进行空间认证前的预认证。.

“目前全球对量子µm技术的投资估计每年超过200亿美元。其中，英国已承诺在未来10年内投资10亿英镑。”

PPLN波导性能

要证明 PPLN 波导是恶劣环境下波长转换的可行解决方案，需要满足三个关键标准；

• 波导必须提供量子µm技术（Rb-MOT）所需的功率和转换效率。
• 为了将这项技术从实验室推广到实际应用中，并实现即插即用的系统集成，必须提供光纤耦合封装。
• 波导封装必须能够长期可靠运行，并能承受其将要暴露的环境条件（热、振动、冲击、辐射）。.

Covesion公司采用我们标准的现成组件波导封装，并根据这些标准对其进行了测试。需要强调的是，这款光纤耦合模块并非设计用于承受恶劣环境，因此开展这项工作的目的是评估其性能，并为加固型模块的开发提供信息。.

冷却和捕获的铷原子的量子微米特性µm可以µm超精确的重力测量，这具有许多潜在的实际应用。” µm 负责人 Tristan Valenzuela 表示。

寿命和效率测试

Covesion波导模块已证明其在超过1000小时的运行时间内具有高效的波长转换能力。该模块的整体二次谐波产生（SHG）转换效率高达50%，可在780nm波长下提供瓦级输出，从而实现Rb-MOT传感测量的快速循环。.

SNORQL 项目的一个关键目标是实现 1W SHG 输出，同时将功耗µm最低，这是空间重力传感的主要要求。.

环境测试

已按照 MIL 标准 (MIL-STD-883K) 进行了环境测试（热、振动、冲击、辐射），以评估波导模块的稳健性以及是否需要进一步加固。.

尽管该模块并非专为严苛环境设计，但总体性能良好。测试结果的µm列于表中，这些结果分为四个封装特性：机械特性——指模块外壳；电气特性——指内部电气连接；光路特性——指从光纤输入到光纤输出的光束路径；波导芯片特性——指PPLN波导芯片。对于每个特性，勾号表示该封装已通过特定的环境测试，而“D”表示需要进一步改进，并且已确定了相应的开发方向。.

值得注意的是，所有测试中，PPLN波导芯片本身均未出现任何损坏迹象（例如破损、裂纹等），且测试前后倍频效率保持一致。这表明，PPLN材料技术为在恶劣环境下运行提供了可靠的解决方案。.

该封装的机械和电气性能均经受住了所有测试，表明其薄弱环节（不出所料）在于光路。根据测试条件的不同，光路出现了µm级的劣化。光纤尾纤遭受了热损伤和辐射损伤，但可以通过使用耐高温和耐辐射光纤轻松解决。在振动和冲击测试中，输入和输出端光纤尾纤的光耦合也受到了损伤。因此，需要对波导和光纤支撑结构进行改进。通过工程重新设计和使用优化的粘合材料，已经找到了一种低风险的改进途径。.

S µm mary

Covesion 的策略是充分利用其内部投资，参与由 IUK 资助的与英国和欧洲量子µm技术领域合作伙伴的合作项目。这使我们能够开发出坚固耐用的波长转换模块，满足严苛环境下的应用需求，从而实现市场化。这些模块对于关键的量子µm应用至关重要，例如：下一代原子钟、超灵敏加速度计和重力计。.

为了将PPLN光纤耦合波导模块的应用扩展到包括太空在内的严苛环境，我们开展了一项广泛的测试和开发计划。环境测试表明，只需对现有的波导封装进行适度的改进，即可实现加固。我们已找到一条低风险的途径，开发出适用于包括太空认证在内的严苛环境的加固型模块。.

CovesionCTOCorin Gawith表示：“Covesion热切希望与那些有兴趣进一步开发和利用这项技术在严苛环境下应用的机构建立合作关系。”

致谢

Covesion感谢英国国家创新机构Innovate UK的支持。.

参考

1. M. Odstrcil 等人，“非线性叠层衍射相干成像”，Optics Express，第 20245-20252 页，2016 年。.
2. Hsiang-Yu Lo 等人，“用于铍µm电离、冷却和量子µm态操控的全固态连续波激光系统”，《应用物理 B》，第 114 卷，第 17-25 页，2014 年。.
3. Diviya Devani 等人，“重力感应：6U 立方体卫星上的冷原子陷阱”，CEAS 空间杂志，卷。 12，p。 539–549，2020。.
4. Sam A. Berry 等人，“MgO:PPLN 中 Zn 扩散的切割脊波导以 70% 的效率产生 1 瓦 780 nm SHG”，OSA Continu µm ，第 2 卷，第 12 期，第 3456-3464 页，2019 年。.
5. Thomas A. Wright 等人，“用于将 422 nm 的 Sr+ 跃迁与电信连接的双向光子接口”，《物理评论应用》，第 10 卷，第 044012 页，2018 年。.