可部署的溫室氣體檢測解決方案對于工業(yè)場所中的環(huán)境監(jiān)測至關(guān)重要。美國2024的一項研究表明，工業(yè)甲烷排放量是政府估計值的三倍，這對于環(huán)境和經(jīng)濟都有重大影響。單光子激光雷達技術(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 團隊實現(xiàn)開創(chuàng)性的遠程、超高靈敏度甲烷單光子激光量子雷達（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信號光在WDM中與經(jīng)放大的1543nm泵浦光源合束，并耦合進入封裝好的PPLN 波導(dǎo)，以高達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，實現(xiàn)了單光子級別的遠程氣體傳感。

本文中作者還驗證了Covesion PPLN波導(dǎo)的核心光學(xué)特性和高效率的實現(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和信號光波長1651 nm的組合下，并通過Covesion的高精度溫控在40℃下實現(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 3種不同信號光功率，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光的功率乘積，對于傳輸?shù)男盘柟β蕿?.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，為了計算上轉(zhuǎn)換效率，作者考慮了長波長信號光子與短波長上轉(zhuǎn)換光子之間的能量比，因為定義的上轉(zhuǎn)換效率為光子數(shù)轉(zhuǎn)換效率，而非功率的比值。輸入信號功率為3.9mW、2.6mW和1.5mW時的最大內(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，即使是來自遠程甲烷羽流的微弱反向散射信號，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)。為了進一步提升產(chǎn)品的性能，Covesion計劃進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，此外也計劃將檢測能力擴展到InGaAs探測是無法覆蓋的波長范圍，例如2004nm (CO2)、2670/3240nm (NOx)。對于CO2，研究團隊已經(jīng)進行了初步模擬，結(jié)果表明，即使對于非常低的上轉(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)，包括整個周期結(jié)構(gòu)設(shè)計、掩膜設(shè)計、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)的獨家授權(quán)代理商,負責(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
Smith, Ruaridh, et al. "Remote methane sensing using single-photon PPLN-waveguide upconversion lidar." Optics Express 33.13 (2025): 28177-28188.