CN113311636A - 在铌酸锂波导结构中产生二次谐波的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了在铌酸锂波导结构中产生二次谐波的方法，包括如下步骤：设计Z‑cut LN波导的几何结构，使电信波段的基本准横磁模式TE_0,tele与可见光波段的三阶准横磁模式TM_2,vis相匹配；采用有限元方法模拟的两种模式的有效折射率，从而得到了相位匹配的泵浦波长；两种模式的相位匹配表明在设计的波导中可以产生SHG。对于无泵浦损耗的无损耗波导，其中SHGΓ效率取决于归一化的转换效率，∈0是介电常数，c是在真空中的光速,d_eff是有效非线性极化率；本申请利用温度调制实现有效的相位匹配，研究了铌酸锂(LNO)纳米光子波导的二次谐波产生。我们可以利用仿真中的模型扫描不同温度下的波长。

Description

在铌酸锂波导结构中产生二次谐波的方法

技术领域

本发明属于铌酸锂技术领域，具体涉及在铌酸锂波导结构中产生二次谐波的方法。

背景技术

许多集成光子学应用需要多个相干可调源。从外部激光器引入额外的光输入，增加了芯片封装的复杂性；使用III-V、SiN或LNO添加集成有源源大大增加了制造的复杂性和成本，为此我们提出一种铌酸锂波导结构通过非线性频率转换产生二次谐波方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种铌酸锂波导结构通过非线性频率转换产生二次谐波方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：一种铌酸锂通过非线性谐波的频率转换方法，包括如下步骤：

A、设计了Z-cut LN波导的几何结构，使电信波段的基本准横磁模式TE₀,tele与可见光波段的三阶准横磁模式TM₂,vis相匹配；

B、采用有限元方法模拟的两种模式的有效折射率，从而得到了相位匹配的泵浦波长；

C、两种模式的相位匹配表明在设计的波导中有潜在的有效的SHG。对于无泵浦损耗的无损耗波导，SHG效率由下式给出：

D、SHGΓ效率取决于标准化的转换效率，如式(2)所示：

E、∈₀是介电常数，c是在真空中的光速,d_eff是有效非线性极化率；在Eq.(2)中，A_eff为有效模式面积，当

ζ表示基本模式和二次谐波模式之间的空间模式重叠因子，如式(3)所示：

F、结合式(1)、式(2)以及式(3)，SHG效率本质上取决于空间模态重叠量、有效模态面积和有效非线性极化率。

进一步地，式(1)中分别为基波和二次谐波的光功率，L是波导的长度，

表示相位失配，其中n1和n2分别是基本波长处的TE0、tele模式和二次谐波处的TM2、vis模式的有效折射率。

进一步地，当满足相位匹配条件Δk＝0,Eq，式(1)表示了最大SHGΓ效率。

进一步地，式(3)，

和∫_all分别表示在LN材料和所有空间上的二维积分，

为基波TE_00,Tele的电场，

是二次谐波TM_20,NIR的电场，其中E_2y是y方向上的电场。

进一步地，步骤E中，数值模拟表明波导表现出较小的有效模式面积，A_eff＝1.46μm²。

相比于现有技术，本发明的有益效果在于：

本申请利用温度调制实现有效的相位匹配，研究了铌酸锂(LNO)纳米光子波导的二次谐波产生。仿真中我们可以改变温度模拟出不同温度下的相位匹配波长；利用FDE计算基本模态和二次谐波模态的有效指数。在这些互补谱域中，色散曲线交叉，满足type-I相位匹配条件。铌酸锂有效折射率有明显的温度依赖性，允许相位匹配波长被温度调谐。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。

图1为本发明的仿真结构截面图；

图2为本发明铌酸锂的热光系数随温度变化曲线；

图3为本发明改变温度对TE模式有效折射率的影响示意图；

图4为本发明改变温度对TM模式有效折射率的影响示意图；

图5为本发明温度为20度时TE和TM模式对应的有效折射率图；

图6为本发明度为60度时TE和TM模式对应的有效折射率图；

图7为本发明不同温度下的标准化转换效率的曲线图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

参照图1-图7，本发明提出的一种技术方案：一种铌酸锂通过非线性谐波的频率转换方法，包括如下步骤：

A、设计了Z-cut LN波导的几何结构，波导厚度为h1＝0.5um，衬底厚度h2＝0.1um，波导宽度ωt＝1.4um，以使电信频段中的基本准TE模式(TE00,Tele)与高阶准TM模式相位匹配(TM20,NIR)。图3和图4给出了用Mode solutions模拟的两种模式下的有效折射率。从图中对比可以看出，温度改变时，TE模式下的有效折射率几乎不变，而TM模式下的有效折射率随温度的增高而增大。如上所述，在LN中，温度对e光

下的有效折射率影响较大，而对o光

的影响可以忽略不计，如图5所示，当温度不断上升时，铌酸锂波导相位匹配的波长也逐渐增加。图6利用仿真出的各个温度下的满足相位匹配波长(λ_pm)得到了这两者之间的关系，其中

使电信波段的基本准横磁模式TE₀,tele与可见光波段的三阶准横磁模式TM₂,vis相匹配；

B、采用有限元方法模拟的两种模式的有效折射率，从而得到了相位匹配的泵浦波长，当光束入射进各向异性晶体中时，将出现双折射现象，即ne≠no。一般来说，它们的热光系数也表现为双折射，即

对于铌酸锂晶体来说，o光和e光的热光系数为：

其中，T为温度，单位是开尔文(K)。为了更好的比较，图2绘制了方程(3.10)与(3.11)的曲线。在室温下，o光的热光系数几乎为0，而e光的热光系数也在3×10^-5K^-1左右。从图中可以看出，这种情况下的热光系数及其差值随温度的增加而增加；

根据上述方程可知，η与材料的非线性、非线性介质中的模态重叠因子和有效模式面积有关。可以将其简化为：

其中，d_eff＝χ⁽²⁾/2为有效非线性光学系数。在这里，我们取d_eff＝d₃₁＝4.3pm/V。尽管这里使用的是d₃₁，但是转化效率也可达到25.1％W-1cm-2。

基于上述理论，我们计算出了不同温度下的标准化转换效率，这里波导尺寸与上节一致，即：波导厚度为h1＝0.5um，衬底厚度h2＝0.1um，波导宽度ωt＝1.4um，如图7所示。我们从图中可以看出随着温度的升高，转换效率也有一定的增加。

C、两种模式的相位匹配表明在设计的波导中可以产生SHG。对于无泵浦损耗的波导，SHG效率由下式给出,其中P1和P2分别为输入在基波组和产生在二次谐波组的光学功率，L是波导的长度，

表示相位失配，其中n₁和n₂分别是基本波长处的TE₀,tele模式和二次谐波处的TM₂,vis模式的有效折射率，满足相位匹配条件(Δk＝0),Eq，式(1)表示了最大SHGΓ效率：

D、SHGΓ效率取决于标准化的转换效率，如式(2)所示：

E、∈₀是介电常数，c是在真空中的光速,d_eff是有效非线性极化率；，在Eq.(2)中，A_eff为有效模式面积，当

ζ表示基本模式和二次谐波模式之间的空间模式重叠因子，如式(3)所示：

F、结合式(1)、式(2)以及式(3)，SHG效率本质上取决于空间模态重叠量、有效模态面积和有效非线性极化率。

本实施例中，式(3)中，当

和∫_all分别表示在LN材料和所有空间上的二维积分，

为基波TE_00,Tele的电场，

是二次谐波TM_20,NIR的电场，其中E_2y是y方向上的电场。

本实施例中，步骤E中，数值模拟表明波导表现出较小的有效模式面积，A_eff＝1.46μm²。

本实施例中，我们设计的波导中，ζ等于0.32，有很大的空间模式重叠结果，波导表现出高达22W^-1cm^-2的标准化转换效率。这个值与典型的PPLN[36,42]和LN纳米光子波导[31]中的0型SHG相当，它们利用了χ⁽²⁾的最大分量(d_eff＝d₃₃＝27pm/V)，尽管这里使用了i型配置(d_eff＝d₃₃＝4.3pm/V[43])，与那些0型器件相比，我们的波导预计将显示出一个更大的热调谐斜率。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.在铌酸锂波导结构中产生二次谐波的方法，其特征在于，包括如下步骤：

A、设计了Z-cut LN波导的几何结构，使电信波段的基本准横磁模式TE₀,tele与可见光波段的三阶准横磁模式TM₂,vis相匹配；

B、采用有限元方法模拟的两种模式的有效折射率，从而得到了相位匹配的泵浦波长；

C、两种模式的相位匹配表明在设计的波导中可以产生SHG。对于无泵浦损耗的无损耗波导，SHG效率由下式给出：

D、SHGΓ效率取决于归一化的转换效率，如式(2)所示：

E、∈0是介电常数，c是在真空中的光速,d_eff是有效非线性极化率；在Eq.(2)中，A_eff为有效模式面积，当

ζ表示基本模式和二次谐波模式之间的空间模式重叠因子，如式(3)所示：

F、结合式(1)、式(2)以及式(3)，SHG效率本质上取决于空间模态重叠量、有效模态面积和有效非线性极化率。

2.根据权利要求1所述的一种铌酸锂通过非线性谐波的频率转换方法，其特征在于：式(1)中P1和P2分别为基波和二次谐波的光功率，L是波导的长度，

表示相位失配量，其中n1和n2分别是基本波长处的TE_00,Tele模式和二次谐波处的TM_20,NIR模式的有效折射率。

3.根据权利要求2所述的在铌酸锂波导结构中产生二次谐波的方法，其特征在于：当满足相位匹配条件(Δk＝0),Eq，式(1)表示了最大SHG的Γ效率。

4.根据权利要求1所述的在铌酸锂波导结构中产生二次谐波的方法，其特征在于：式(3)，当

和∫_all分别表示在LN材料和整个空间上的二维积分，

为基波TE_00,Tele的电场，

是二次谐波TM_20,NIR的电场，其中E_2y是y方向上的电场。

5.根据权利要求1所述的在铌酸锂波导结构中产生二次谐波的方法，其特征在于：步骤E中，数值模拟表明波导表现出较小的有效模式面积，A_eff＝1.46μm²。

Images