周期极化层状半导体中的准相位匹配上转换与下转换

非线性光学是经典和量子光产生的核心。周期极化的发明通过在铌酸锂等晶体中实现稳健的准相位匹配，彻底改变了非线性光学及其商业应用。然而，要达到实用的频率转换效率需要宏观尺寸，这限制了技术的进一步发展与集成。在此，我们实现了一种周期极化的范德华半导体 (3R-MoS$_2$)。得益于其卓越的非线性特性，我们在 3.4${\mu}$m 的微观厚度（即 3 个极化周期）上，于相关电信波长处实现了 0.03% 的宏观频率转换效率，比具有相似性能的现有系统薄 $10-100\times$。由于独特的本征腔效应，依赖于厚度的准相位匹配二次谐波信号超越了通常的二次方增强，超出幅度达 $50\%$。此外，我们报道了通过准相位匹配自发参量下转换在电信波长处宽带生成光子对，其最大符合与偶然比达 $638 \pm 75$。这项工作开辟了利用微观范德华晶体进行相位匹配非线性光学这一全新且未探索的领域，为需要简单、超紧凑技术的应用解锁了可能，例如用于集成量子线路与传感的片上纠缠光子对源。