CN113612108B - 一种基于斜切非线性晶体脊型波导的频率转换器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于斜切非线性晶体脊型波导的频率转换器及其制备方法，涉及非线性光学和光通信领域，包括由上层非线性晶体薄膜层、中层二氧化硅缓冲层、下层晶体衬底层组成的复合结构，非线性晶体薄膜层上设置有脊型波导，该脊型波导的传输方向与非线性晶体光轴有一定的夹角。本发明利用双折射角度相位匹配方式，实现输入光在非线性晶体脊型波导中的非线性频率转换，并可以有效地避免寻常光和非常光的空间走离效应，由于不再需要对非线性晶体薄膜进行周期性畴极化，可极大地降低制备难度，并提高成品率，有助于推动非线性晶体薄膜片上集成平台的器件向实用化方向的应用。

Description

一种基于斜切非线性晶体脊型波导的频率转换器及其制备 方法

技术领域

本发明涉及非线性光学和光通信领域，尤其涉及一种基于斜切非线性晶体脊型波导的频率转换器。

背景技术

二阶非线性频率转换在现代光学中有重要的作用，有效的频率转换器是产生纠缠光子对、量子频率转换及超连续等的关键器件。近年来，随着晶片键合技术的成熟和微纳加工技术的快速发展，绝缘体上非线性晶体，如铌酸锂，逐渐成为最具竞争力和发展前景的集成光子学平台。截至目前，已有许多超越传统极限的高性能集成光子学器件在该平台上实现，如电光调制器、声光调制器、宽带频率梳源、光子对源和非线性频率转换器等。光波导作为集成光子学器件的基本元件之一，能够将光模式限制在极小的体积内，大大地提高了光场之间的相互作用。基于集成光子学平台的光波导，具有更大的折射率差(芯层和包层之间)，更强的光场局域作用，极大地减小了器件的体积，更有利于片上集成。

二阶非线性晶体可用于产生高效的倍频、和/差频以及光参量振荡等频率转换过程。为了实现高效的频率转换，必须满足相位匹配条件，但由于材料本身色散作用，该条件通常是不满足的。为此，常借助准相位匹配和双折射相位匹配方式来实现。准相位匹配是对非线性铁电晶体进行周期性极化，通过周期性结构提供的倒格矢来补偿相位失配量，进而实现有效的频率转换。该方法具有较高的转换效率和良好的稳定性，根据极化周期可匹配晶体透明窗口内任意波长，还可以利用非线性晶体的最大非线性系数，因而受到诸多研究人员青睐。然而，周期性极化技术加工具有一定的难度，且极化的均匀性极大地影响实际的转化效率。此外，有些非线性晶体因不具有铁电性而无法被极化。

另一种更常用的是利用非线性晶体的双折射特性实现相位匹配。在光波的特定偏振配置下，通过调节光波传播方向和晶体光轴的夹角，可以实现基频光和倍频光的折射率相等，从而实现相位匹配。这种能保证相位匹配的角度叫做相位匹配角。以铌酸锂晶体中oo-e型相位匹配方式为例，基频光为寻常光(o光)，产生的倍频光为非常光(e光)。由于e光的波前传播方向与能量传播方向不一致，故在体介质中基频光o光和倍频光e光存在空间走离效应，影响二次谐波的高效产生，因此在体介质材料中即使使用更长的晶体也不能有效提高转化效率。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种基于斜切非线性晶体脊型波导的频率转换器。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是利用双折射角度相位匹配实现输入光在脊型波导中的非线性频率转换，有效地解决双折射相位匹配过程中的空间走离效应，从而可以利用更长的波导实现高效的双折射相位匹配。此外，由于不再需要对非线性晶体进行周期性极化，极大地降低制备难度，并提高成品率。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于斜切非线性晶体脊型波导的频率转换器，包括由上层非线性晶体薄膜层、中层二氧化硅缓冲层、下层晶体衬底层组成的复合结构，所述非线性晶体薄膜层上设置有脊型波导，其特征在于，所述脊型波导的传输方向与所述非线性晶体光轴有一定的夹角。

更进一步地，所述夹角设置为双折射相位匹配角。

更进一步地，所述脊型波导的宽度和厚度一致，所述脊型波导宽度为5-10μm。

更进一步地，所述非线性晶体薄膜层厚度为5-10μm，所述二氧化硅缓冲层厚度为2-5μm。

更进一步地，所述非线性晶体薄膜的材料为铌酸锂、钽酸锂和磷酸氧钛钾中的任意一种。

更进一步地，所述晶体衬底层的材料为铌酸锂、硅和石英中的任意一种。

更进一步地，所述的基于斜切非线性晶体脊型波导的频率转换器的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1、在所述衬底层表面沉积一层所述二氧化硅缓冲层；

步骤2、通过晶体键合技术，在所述二氧化硅缓冲层上键合所述非线性晶体薄膜层，再通过化学机械抛光的方法，使所述非线性晶体薄膜层达到所需要厚度；

步骤3、在所述非线性晶体薄膜层中进行光学级划片切割，得到周期性间隔的划槽，所述划槽间形成所述脊型波导，所述划槽深度大于所述非线性晶体薄膜层厚度的一半，所述脊型波导的宽度与厚度接近；

或者通过光刻加刻蚀工艺直接得到所述脊型波导。

更进一步地，所制备的所述脊型波导传输方向与所述非线性晶体光轴的夹角设置为双折射相位匹配角。

更进一步地，步骤3中所述的光学级划片切割或光刻中的波长为1550nm，所述脊型波导传播方向与晶体光轴的夹角为50°。

更进一步地，步骤3中所述划槽深度为4-9μm，所述脊型波导宽度为5-10μm。

在本发明的较佳实施方式中，与现有技术相比，本发明的有益效果包括：

1、本发明在非线性晶体脊型波导的频率转换过程中采用双折射角度相位匹配方式，利用波导光场局域作用有效地解决了o光和e光的空间走离效应；

2、本发明不再需要对非线性晶体进行周期性极化，极大地降低制备难度，提高成品率，有助于推动非线性晶体薄膜片上集成平台的器件向实用化方向迈进；

3、本发明适用于全固态封装，且工艺简单，制作成本低。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的频率转换器的结构示意图；

图2是本发明的倍频归一化转换效率随泵浦波长的变化关系图；

图3是本发明的倍频转换效率和倍频光功率随泵浦光功率的变化关系图。

其中：1-衬底层，2-二氧化硅缓冲层，3-非线性晶体薄膜层，4-脊型波导。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。

如图1所示，本发明的基于斜切非线性晶体脊型波导的频率转换器，包括由上层非线性晶体薄膜层3、中层二氧化硅缓冲层2、下层晶体衬底层1组成的复合结构，非线性晶体薄膜层3上设置有脊型波导4，波导中光以基模模式传播，其光斑如脊型波导4端面所示。脊型波导4的传输方向与非线性晶体光轴有一定的夹角θ，该夹角θ设置为双折射相位匹配角。

本发明的非线性晶体薄膜3的材料可为铌酸锂、钽酸锂和磷酸氧钛钾中的任意一种，优选铌酸锂材料；衬底层1的材料为铌酸锂、硅和石英中的任意一种，优选铌酸锂材料。

在本发明的优选实施例中，二氧化硅缓冲层2的厚度优选为2-5μm，其折射率小于铌酸锂波导4的折射率，能有效防止波导中的倏逝波泄露至衬底层1。

本发明还提供制备基于斜切非线性晶体脊型波导的频率转换器的方法，该方法包括以下步骤：

步骤1、在衬底层1表面沉积一层二氧化硅缓冲层2；

步骤2、通过晶体键合技术，在二氧化硅缓冲层2上键合非线性晶体薄膜层3，再通过化学机械抛光的方法，使非线性晶体薄膜层3达到所需要厚度；

步骤3、在非线性晶体薄膜层3中进行光学级划片切割，得到周期性间隔的划槽，划槽间形成所述脊型波导4，划槽深度大于薄膜层厚度的一半，波导宽度与厚度接近；或者通过光刻加刻蚀工艺直接得到脊型波导4。

通过本发明中的制备方法，所制备的脊型波导4传输方向与非线性晶体光轴的夹角设置为双折射相位匹配角。

在本发明的实施例中，对于所制备的斜切铌酸锂脊型波导，非线性晶体薄膜层3的厚度为5-10μm，划槽深度为4-9μm，脊型波导宽度为5-10μm。

优选地，薄膜厚度为10μm，划槽深度为9μm，波导宽度为10μm。设定倍频匹配波长为1550nm，则计算得到波导传播方向与晶体光轴的夹角θ为50°。

双折射相位匹配角计算方式为

(以倍频为例)，其中/>

分别是基频光和倍频光在波导中的有效折射率。

在本发明的另一实施例中，非线性晶体薄膜3的材料为铌酸锂材料，相应的是oo-e型匹配方式。泵浦光(1520-1600nm的可调谐连续激光)经过光纤偏振控制器后，利用端面耦合的方式，经单模光纤尾纤耦合进入铌酸锂脊型波导。实际所制备的斜切铌酸锂脊型波导与光轴的夹角θ为50°，根据双折射角度相位匹配，可实现有效的二次谐波的产生。在输出端，利用波分复用器件将泵浦光和倍频光分开，然后用光谱仪和光功率计进行探测。

由于随着温度的改变，铌酸锂晶体的折射率和双折射特性也在发生变化。因此，保持双折射相位匹配角θ不变，通过调节温度在小范围内微调相位匹配的工作波长。

如图2所示，在本发明优选实施例中，通过扫描泵浦光波长，可得到室温下归一化的倍频转换效率随泵浦波长的变化，得到的倍频匹配条件与理论预计相符。图2中同时给出实验上观测到的波导输出端倍频光的光斑，验证了倍频光在波导中是以基模模式存在的。

如图3所示，在本发明优选实施例中，保持泵浦光波长不变，改变泵浦光功率，可使倍频转换效率和光功率随泵浦光功率的变化而变化。当斜切铌酸锂脊型波导在双折射相位匹配波长处时，其倍频转换效率和光功率随泵浦光功率的变化关系情况如图3所示。

本发明所提出的方案中，频率转换也不仅限于二次谐波的产生，也可以是其他二阶非线性效应，如和频、差频、光参量放大等；耦合方式也不仅限于光纤端面耦合，也可以是空间光经过物镜耦合至波导。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (3)

1.一种基于斜切非线性晶体脊型波导的频率转换器，包括由上层非线性晶体薄膜层、中层二氧化硅缓冲层、下层晶体衬底层组成的复合结构，在所述非线性晶体薄膜层上设置划槽以形成脊型波导，其特征在于，所述非线性晶体薄膜的材料为铌酸锂，所述非线性晶体薄膜的厚度为10μm，所述划槽的深度为9μm，所述波导的宽度为10μm，设定倍频匹配波长为1550nm，使得所述脊型波导的传输方向与所述非线性晶体光轴的夹角为50°，所述夹角等于双折射相位匹配角，所述二氧化硅缓冲层厚度为2-5μm。

2.一种如权利要求1所述的基于斜切非线性晶体脊型波导的频率转换器的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1、在所述衬底层表面沉积一层所述二氧化硅缓冲层；

步骤2、通过晶体键合技术，在所述二氧化硅缓冲层上键合所述非线性晶体薄膜层，再通过化学机械抛光的方法，使所述非线性晶体薄膜层达到所需要厚度；

步骤3、在所述非线性晶体薄膜层中进行光学级划片切割，得到周期性间隔的划槽，所述划槽间形成所述脊型波导，所述划槽深度大于所述非线性晶体薄膜层厚度的一半，所述脊型波导的宽度与厚度相同；

或者通过光刻加刻蚀工艺直接得到所述脊型波导。

3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤3中所述划槽深度为9μm，所述脊型波导宽度为10μm。

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