CN113820901A - 一种片上集成倍频器件及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种片上集成倍频器件及其制备方法，其中片上集成倍频器件包括：铌酸锂衬底；导电金属层，设置在所述铌酸锂衬底上；二氧化硅层，设置在所述导电金属层上；啁啾极化铌酸锂薄膜层，设置在所述二氧化硅层上，包括多个依次排列且长度不等的畴结构，多个畴结构中相邻畴的极化方向相反，所述多个畴结构提供的宽带倒格矢对入射飞秒脉冲激光的倍频过程中的相位失配进行补偿。本发明通过将准相位匹配技术和啁啾调制技术引入片上铌酸锂薄膜，可以在片上集成器件中实现宽带频谱范围的高效倍频。本发明可广泛应用于集成光子学领域。

Description

一种片上集成倍频器件及其制备方法
技术领域
本发明涉及集成光子学领域，尤其涉及一种片上集成倍频器件及其制备方法。
背景技术
集成光子学平台可在单一衬底材料中集成高密度、多功能的微纳光学元件，灵活地实现有源和无源等多种光子学功能，显著改善光子学系统的稳定性并提高其效率，同时也为光学系统的小型化、集成化提供了低成本、小尺寸、可扩展的解决方案。铌酸锂晶体具有宽透明窗口、高非线性光学系数、高折射率，以及较强的电光、声光、压电效应等优良的光学性能，在高速电光调、全息存储、非线性频率转换等方面有着广泛的应用，是集成光学器件衬底材料的重要候选者，被称为光子学领域的“硅”。在非线性光学方面，铌酸锂具有较高的二阶有效非线性系数以及优良的三阶非线性光学特性。因此，基于准相位匹配技术的周期性极化铌酸锂已经逐渐成为成熟的集成光学平台。然而，块体材料上制备的非线性变频器件尺寸往往较大，不易于提高器件的集成度，单晶铌酸锂薄膜的出现很好的解决了这个问题。目前，已经实现了基于周期极化铌酸锂薄膜的片上非线性变频器件。然而，现有器件只能对单色激光或者窄带频谱的激光进行非线性频率转换，无法实现飞秒脉冲激光这种拥有宽带频谱光源的高效倍频。
发明内容
为至少一定程度上解决现有技术中存在的技术问题之一，本发明的目的在于提供一种片上集成倍频器件及其制备方法。
本发明所采用的技术方案是：
一种片上集成倍频器件，包括：
铌酸锂衬底；
导电金属层，设置在所述铌酸锂衬底上；
二氧化硅层，设置在所述导电金属层上；
啁啾极化铌酸锂薄膜层，设置在所述二氧化硅层上，包括多个依次排列且长度不等的畴结构，多个畴结构中相邻畴的极化方向相反，所述多个畴结构提供的宽带倒格矢对入射飞秒脉冲激光的倍频过程中的相位失配进行补偿。
进一步地，所述多个畴结构的长度沿着光传播方向按照连续的啁啾变化而改变；
每个所述畴结构的长度根据以下公式确定：
Figure BDA0003231312270000021
其中，z表示某一个畴结构所对应的z方向上的起始位置坐标，z方向为光传播方向，0为入射飞秒脉冲激光的中心波长所对应的倍频过程所需要的极化周期，Dg为啁啾度。
进一步地，通过设计所述极化周期Λ0、啁啾度Dg以及所述啁啾极化铌酸锂薄膜层的长度L的数值，使所述啁啾极化铌酸锂薄膜层的倒格矢呈现为：以入射飞秒脉冲激光的中心波长所对应的倍频过程的相位失配为中心的倒格矢带。
进一步地，所述倒格矢带对应于入射飞秒脉冲激光中各个频谱分量的倍频过程以及和频过程，为非线性频率转换过程提供相位补偿。
进一步地，所述啁啾极化铌酸锂薄膜层的厚度为100-1000nm。
本发明所采用的另一技术方案是：
一种片上集成倍频器件的制备方法，包括铌酸锂薄膜的制备过程和铌酸锂薄膜的极化过程；
所述铌酸锂薄膜上设有多个依次排列且长度不等的畴结构，多个畴结构中相邻畴的极化方向相反，所述多个畴结构提供的宽带倒格矢对入射飞秒脉冲激光的倍频过程中的相位失配进行补偿。
进一步地，所述铌酸锂薄膜制备过程，包括：
利用电子束在铌酸锂衬底A的表面蒸发镀上导电金属层；
利用等离子体增强化学气相沉积在所述导电金属层表面沉积一层二氧化硅薄膜；
在铌酸锂衬底B的表面注入He+离子形成离子层，所述离子层与所述铌酸锂衬底B的表面之间形成铌酸锂薄膜；
对所述铌酸锂薄膜的表面和所述二氧化硅薄膜的表面进行化学机械抛光，将抛光后的铌酸锂薄膜表面和二氧化硅表面进行键合；
在高温下退火提高键合强度，将离子层与所述铌酸锂衬底B分离，对分离出的铌酸锂薄膜表面进行化学机械抛光。
进一步地，所述铌酸锂薄膜极化过程，包括：所述铌酸锂薄膜的极化过程，包括：
制备掩模版，所述掩模版的图案与铌酸锂薄膜上多个畴结构相匹配；
在铌酸锂薄膜的表面旋涂一层光刻胶，将掩模版的图案转移并固化在光刻胶上，得到第一中间样品；
利用电子束在所述第一中间样品的表面蒸发镀上一层金属薄膜，使得所述铌酸锂薄膜的表面区域覆盖有多个畴结构形状的导电金属电极；
去除所述第一中间样品表面的光刻胶，在所述铌酸锂薄膜上留下所述导电金属电极，得到第二中间样品；
将所述第二中间样品置于硅油中，将导电金属层和所述导电金属电极与高压电源连接，使得所述导电金属电极的覆盖区域的铌酸锂实现畴反转，得到第三中间样品；
去除所述第三中间样品表面的所述导电金属电极，得到片上集成倍频器件。
进一步地，所述多个畴结构的长度沿着光传播方向按照连续的啁啾变化而改变；
每个所述畴结构的长度根据以下公式确定：
Figure BDA0003231312270000031
其中，z表示某一个畴结构所对应的z方向上的起始位置坐标，z方向为光传播方向，0为入射飞秒脉冲激光的中心波长所对应的倍频过程所需要的极化周期，Dg为啁啾度。
进一步地，通过设计所述极化周期Λ0、啁啾度Dg以及所述啁啾极化铌酸锂薄膜层的长度L的数值，使所述啁啾极化铌酸锂薄膜层的倒格矢呈现为：以入射飞秒脉冲激光的中心波长所对应的倍频过程的相位失配为中心的倒格矢带。
本发明的有益效果是：本发明通过将准相位匹配技术和啁啾调制技术引入片上铌酸锂薄膜，可以在片上集成器件中实现宽带频谱范围的高效倍频。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或者现有技术中的技术方案，下面对本发明实施例或者现有技术中的相关技术方案附图作以下介绍，应当理解的是，下面介绍中的附图仅仅为了方便清晰表述本发明的技术方案中的部分实施例，对于本领域的技术人员而言，在无需付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获取到其他附图。
图1是本发明实施例中一种片上集成倍频器件的结构示意图；
图2是本发明实施例中啁啾极化铌酸锂薄膜的局部示意图；
图3是本发明实施例中入射飞秒脉冲激光的时域强度图和频谱；
图4是本发明实施例中啁啾极化铌酸锂薄膜的倒格矢分布图与入射飞秒激光的相位失配图；
图5是本发明实施例中啁啾极化铌酸锂薄膜的倒格矢分布图与入射飞秒激光的相位失配图；
图6是本发明实施例中不同入射光脉冲能量下所对应的二次谐波的转换效率；
图7是本发明实施例中铌酸锂薄膜制备过程流程图；
图8是本发明实施例中铌酸锂薄膜极化过程流程图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右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。
在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
为解决现有技术中片上铌酸锂薄膜实现宽带倍频的难题，如图1所示，本实施例提供一种片上集成倍频器件，该片上集成倍频器件从下往上依次包括铌酸锂衬底层1、导电金属层2、二氧化硅层3和啁啾极化铌酸锂薄膜层4。
如图2所示，所述啁啾极化铌酸锂薄膜层包括一系列长度不等的畴结构，所述一系列畴结构中相邻畴的极化方向相反，所述一系列畴结构的长度沿着光传播方向按照连续的啁啾变化而改变，此处连续的啁啾变化指的是一系列的畴结构由小到大或由大到小的沿着啁啾变化的函数曲线取值。
在啁啾极化铌酸锂薄膜中，根据
Figure BDA0003231312270000041
确定每个畴结构在z方向上的长度，其中z表示某一个畴结构所对应的z方向上的起始位置坐标，z方向为光传播方向，其中Λ0为入射飞秒脉冲激光的中心波长所对应的倍频过程所需要的极化周期，Dg为啁啾度。
下面以一个可选的实施例做进一步说明。图3(a)和图3(b)分别为入射的飞秒脉冲激光的时域与频域强度图，从图中可见飞秒脉冲激光的中心波长为800nm，脉冲宽度为50fs，对应的频谱宽度为18.8nm。如果所述啁啾极化铌酸锂薄膜层的厚度为800nm，需要寻找适合的极化周期Λ0、啁啾度Dg、啁啾极化铌酸锂薄膜长度L的数值组合，使所述啁啾极化铌酸锂薄膜的倒格矢呈现为以所述入射飞秒脉冲激光的中心波长所对应的倍频过程的相位失配为中心的倒格矢带。同时，所述倒格矢带还需对应于所述入射飞秒脉冲激光中各个频谱分量的一系列倍频过程以及和频过程，为这些非线性频率转换过程提供有效的相位补偿。
如图4所示，设定极化周期Λ0＝2.5μm、啁啾度Dc＝60×10-6μm-2、啁啾极化铌酸锂薄膜长度L＝1mm，该参数组合的啁啾极化铌酸锂提供的倒格矢可以补偿整个飞秒脉冲激光频谱范围内的相位失配。图5(a)和5(b)是不同入射光脉冲能量下，从啁啾极化铌酸锂薄膜末端出射的基频光波频谱与倍频光波频谱，从图5(b)可以看出，倍频光强度随着入射光能量的增加而增加，且入射的飞秒脉冲激光在不同的能量下都能够实现全谱段的倍频。图6示出了不同入射光脉冲能量下的二次谐波转换效率，可以看出设计的啁啾极化铌酸锂薄膜可以很好的实现飞秒脉冲激光的高效倍频。
在一些可选是实施例中，啁啾极化铌酸锂薄膜层的厚度为100-1000nm。
综上所述，本实施例的一种片上集成倍频器件相对于现有技术，具有如下有益效果：本实施例通过将准相位匹配技术和啁啾调制技术引入片上铌酸锂薄膜，可以在片上集成器件中实现宽带频谱范围的高效倍频。此外，本实施例的飞秒脉冲激光的片上集成倍频器件具有结构可控、易于制备、设计灵活等优点。
本实施例还提供一种片上集成倍频器件的制备方法，包括铌酸锂薄膜制备和铌酸锂薄膜极化两个过程。其中，所述铌酸锂薄膜上设有多个依次排列且长度不等的畴结构，多个畴结构中相邻畴的极化方向相反，所述多个畴结构提供的宽带倒格矢对入射飞秒脉冲激光的倍频过程中的相位失配进行补偿。
如图7所示，所述铌酸锂薄膜制备过程，包括下列步骤：
S101、导电金属沉积。在所述铌酸锂衬底A的表面利用电子束蒸发镀上导电金属层，厚度为50μm，所述导电金属可以是金，铬等导电性良好且易于镀膜的材料。
S102、二氧化硅沉积。利用等离子体增强化学气相沉积在所述导电金属层表面沉积一层二氧化硅薄膜，厚度1μm左右。
S103、离子注入。在所述铌酸锂衬底B的表面一定深度注入He+离子形成离子层，所述离子层与所述铌酸锂衬底B表面之间形成铌酸锂薄膜，离子层的注入深度可以通过改变注入能量来控制。
S104、晶片键合。对所述铌酸锂薄膜表面和所述二氧化硅薄膜表面进行化学机械抛光，所述二氧化硅薄膜表面与所述离子注入面粗糙度在0.5nm以下，然后将所述铌酸锂薄膜表面和所述二氧化硅表面进行键合。
S105、退火处理。在高温下退火提高键合强度，将He+离子注入层与所述铌酸锂衬底B分离，对分离出的铌酸锂薄膜表面进行化学机械抛光，使铌酸锂薄膜表面粗糙度降低到0.5nm以下。
如图8所示，所述铌酸锂薄膜极化过程，包括下列步骤：
S201、掩模版制备。制备具有特定图案的掩模版，该掩模版上的图案对应于所述啁啾计划铌酸锂薄膜的一系列畴结构；所述一系列畴结构在光传播方向上的长度沿着光传播方向按照连续的啁啾变化而改变。
依据入射飞秒脉冲激光的具体参数，由公式
Figure BDA0003231312270000061
尝试不同极化周期Λ0、啁啾度Dg、和长度L的数值组合，模拟各种参数数值组合下畴结构的极化序列所对应的倒格矢带，挑选出模拟结果中最终出射激光频谱满足入射飞秒脉冲激光全谱段倍频的参数数值组合，再从中优选出转换效率最高的参数数值组合，根据该参数数值组合所对应的畴结构的极化序列确定掩模版上的图案。
S202、光刻处理。在所述啁啾极化铌酸锂薄膜的表面旋涂一层光刻胶，将掩模版的图案转移并固化在光刻胶上，得到第一中间样品。
S203、镀膜。在所述第一中间样品表面利用电子束蒸发镀上一层金属薄膜，所述导电金属可以是金，铬等导电性良好且易于镀膜的材料，使得所述铌酸锂薄膜表面区域覆盖有所述一系列畴结构形状的导电金属电极。
S204、除胶。利用丙酮去除所述第一中间样品表面的光刻胶，在所述铌酸锂薄膜上只留下所述的导电金属电极，得到第二中间样品。
S205、极化。将所述第二中间样品置于硅油中，将所述导电金属层和所述导电金属电极与高压电源连接，设置极化电压大小与持续时间，使得所述导电金属电极覆盖区域的铌酸锂实现畴反转，得到第三中间样品。
S206、刻蚀。利用金属腐蚀液去除所述第三中间样品表面的所述导电金属电极，然后清洗去除残留金属腐蚀液，用氮气吹干，得到飞秒脉冲激光的片上集成倍频器件。
在本说明书的上述描述中，参考术语“一个实施方式/实施例”、“另一实施方式/实施例”或“某些实施方式/实施例”等的描述意指结合实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施方式，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于上述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种片上集成倍频器件，其特征在于，包括：
铌酸锂衬底；
导电金属层，设置在所述铌酸锂衬底上；
二氧化硅层，设置在所述导电金属层上；
啁啾极化铌酸锂薄膜层，设置在所述二氧化硅层上，包括多个依次排列且长度不等的畴结构，多个畴结构中相邻畴的极化方向相反，所述多个畴结构提供的宽带倒格矢对入射飞秒脉冲激光的倍频过程中的相位失配进行补偿。
2.根据权利要求1所述的一种片上集成倍频器件，其特征在于，所述多个畴结构的长度沿着光传播方向按照连续的啁啾变化而改变；
每个所述畴结构的长度根据以下公式确定：
Figure FDA0003231312260000011
其中，z表示某一个畴结构所对应的z方向上的起始位置坐标，z方向为光传播方向，Λ0为入射飞秒脉冲激光的中心波长所对应的倍频过程所需要的极化周期，Dg为啁啾度。
3.根据权利要求2所述的一种片上集成倍频器件，其特征在于，通过设计所述极化周期Λ0、啁啾度Dg以及所述啁啾极化铌酸锂薄膜层的长度L的数值，使所述啁啾极化铌酸锂薄膜层的倒格矢呈现为：以入射飞秒脉冲激光的中心波长所对应的倍频过程的相位失配为中心的倒格矢带。
4.根据权利要求3所述的一种片上集成倍频器件，其特征在于，所述倒格矢带对应于入射飞秒脉冲激光中各个频谱分量的倍频过程以及和频过程，为非线性频率转换过程提供相位补偿。
5.根据权利要求1所述的一种片上集成倍频器件，其特征在于，所述啁啾极化铌酸锂薄膜层的厚度为100-1000nm。
6.一种片上集成倍频器件的制备方法，其特征在于，包括铌酸锂薄膜的制备过程和铌酸锂薄膜的极化过程；
所述铌酸锂薄膜上设有多个依次排列且长度不等的畴结构，多个畴结构中相邻畴的极化方向相反，所述多个畴结构提供的宽带倒格矢对入射飞秒脉冲激光的倍频过程中的相位失配进行补偿。
7.根据权利要求6所述的一种片上集成倍频器件的制备方法，其特征在于，所述铌酸锂薄膜制备过程，包括：
利用电子束在铌酸锂衬底A的表面蒸发镀上导电金属层；
利用等离子体增强化学气相沉积在所述导电金属层表面沉积一层二氧化硅薄膜；
在铌酸锂衬底B的表面注入He+离子形成离子层，所述离子层与所述铌酸锂衬底B的表面之间形成铌酸锂薄膜；
对所述铌酸锂薄膜的表面和所述二氧化硅薄膜的表面进行化学机械抛光，将抛光后的铌酸锂薄膜表面和二氧化硅表面进行键合；
在高温下退火提高键合强度，将He+离子注入层与所述铌酸锂衬底B分离，对分离出的铌酸锂薄膜表面进行化学机械抛光。
8.根据权利要求6所述的一种片上集成倍频器件的制备方法，其特征在于，所述铌酸锂薄膜极化过程，包括：所述铌酸锂薄膜的极化过程，包括：
制备掩模版，所述掩模版的图案与铌酸锂薄膜上多个畴结构相匹配；
在铌酸锂薄膜的表面旋涂一层光刻胶，将掩模版的图案转移并固化在光刻胶上，得到第一中间样品；
利用电子束在所述第一中间样品的表面蒸发镀上一层金属薄膜，使得所述铌酸锂薄膜的表面区域覆盖有多个畴结构形状的导电金属电极；
去除所述第一中间样品表面的光刻胶，在所述铌酸锂薄膜上留下所述导电金属电极，得到第二中间样品；
将所述第二中间样品置于硅油中，将导电金属层和所述导电金属电极与高压电源连接，使得所述导电金属电极的覆盖区域的铌酸锂实现畴反转，得到第三中间样品；
去除所述第三中间样品表面的所述导电金属电极，得到片上集成倍频器件。
9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述多个畴结构的长度沿着光传播方向按照连续的啁啾变化而改变；
每个所述畴结构的长度根据以下公式确定：
Figure FDA0003231312260000021
其中，z表示某一个畴结构所对应的z方向上的起始位置坐标，z方向为光传播方向，Λ0为入射飞秒脉冲激光的中心波长所对应的倍频过程所需要的极化周期，Dg为啁啾度。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，通过设计所述极化周期Λ0、啁啾度Dg以及所述啁啾极化铌酸锂薄膜层的长度L的数值，使所述啁啾极化铌酸锂薄膜层的倒格矢呈现为：以入射飞秒脉冲激光的中心波长所对应的倍频过程的相位失配为中心的倒格矢带。
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