應用探究|不再高價低效！Covesion ppln開啟SWIR甲烷單光子檢測新時代

應用探究|不再高價低效！Covesion ppln開啟SWIR甲烷單光子檢測新時代

可部署的溫室氣體檢測解決方案對于工業場所中的環境監測至關重要。美國2024的一項研究表明，工業甲烷排放量是政府估計值的三倍，這對于環境和經濟都有重大影響。單光子激光雷達技術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）光譜區域具有基頻吸收帶，在短波紅外（SWIR）區域則具有倍頻吸收帶。然而，在這些波長范圍內，高效的單光子探測器選擇受限，超導納米線探測器（SNSPDs）需要大型低溫冷卻系統，不適用于許多現場的應用。銦鎵砷單光子雪崩二極管（InGaAs SPAD）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換一種簡易、高效并且經濟的方式，通過和頻（SFG）過程將目標紅外光子轉換為更短波長的技術，這曾在生物光子學領域中大放異彩，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：昊量光電獲得代理的英國Covesion公司出品的高效PPLN脊波導如何作為核心，結合英國QLM技術公司的TDLidar技術，助力 Fraunhofer 團隊實現開創性的遠程、超高靈敏度甲烷單光子激光量子雷達（LIDAR）檢測技術。

在甲烷傳感演示裝置的下轉換模塊中包含一塊Covesion PPLN光纖耦合波導封裝件（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中與經放大的1543nm泵浦光源合束，并耦合進入封裝好的 PPLN 波導，以高達86%的內部效率在798nm處生成上轉換光，匹配了高性能硅基SPAD的檢測窗口，實現了單光子級別的遠程氣體傳感。

本文中作者還驗證了Covesion PPLN波導的核心光學特性和高效率的實現。下圖圖a）展現了在13um寬的PPLN脊形波導中產生的上轉換光的準相位匹配條件。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℃下實現高效的準相位匹配，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，上轉換功率隨泵浦光功率變化的關系。

由于輸出的SFG功率正比于泵浦光和信號光的功率乘積，對于傳輸的信號功率為3.9 mW（黑色線），記錄的Max上轉換輸出功率為 6.96 mW。特別需要注意的是，為了計算上轉換效率，作者考慮了長波長信號光子與短波長上轉換光子之間的能量比，因為定義的上轉換效率為光子數轉換效率，而非功率的比值。輸入信號功率為3.9mW、2.6mW和1.5mW時的zui大內部上轉換效率分別為86.2%、81.7% 和79.5%。用數據證明了Covesion PPLN的高轉換效率，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。

最終的結果是可喜的，成功在室外的環境下檢測到25米范圍內的甲烷（上圖），性能與商業InGaAs SPAD系統相當。為了進一步提升產品的性能，Covesion計劃進行更多工作來提高轉換效率（例如波導耦合效率）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，研究團隊已經進行了初步模擬，結果表明，即使對于非常低的上轉換效率，采用類似方法的二氧化碳傳感器也能達到優于1000ppm·m的靈敏度，這當然離不開優異PPLN波導提供的上轉換性能。

英國Covesion有限公司是一家擁有超過20年經驗的公司，提供300nm~5000nm全波段波長轉換產品解決方案，專注于高效 MgO:PPLN / PPKTP 晶體與波導的研究、開發和制造。此外，Covesion還提供定制晶體服務，包括整個周期結構設計、掩膜設計、晶體極化、切塊、拋光和鍍膜增透，以滿足特定波長轉換需求。

上海昊量光電設備有限公司作為英國Covesion在中國地區的獨代,負責其所有產品在國內的銷售、服務，以及售后技術支持等。

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.

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