CN114843869A - 用于超短脉冲宽带倍频的非线性晶体脊型波导器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种用于超短脉冲宽带倍频的非线性晶体脊型波导器件及其制备方法。在本发明中，根据超短脉冲的频谱范围确定脊型波导的锥形形状，借助随宽度变化的有效折射率影响与极化周期对应的中心波长，由此在一定波长范围内实现相位匹配效果，从而允许利用周期极化非线性晶体脊型波导结构高效地实现具有宽频谱范围的超短脉冲的倍频过程。
Description
技术领域
本发明涉及非线性光学领域，具体涉及一种周期极化非线性晶体脊型波导器件，其用于使超短脉冲发生宽带倍频，以及该脊型波导器件的制备方法。
背景技术
倍频过程是指两个频率相同的入射光子在一个非线性介质内相互作用，产生新的光子的过程，新的光子频率是初始光子的两倍。作为最常用的非线性晶体，铌酸锂晶体中实现倍频过程常用有两种结构，一是体介质中的倍频，二是波导结构中的倍频。光波在体介质中传输时由于缺少束缚作用，光束聚焦长度短，会发生散射现象，因此体介质中的倍频需要较强的泵浦光功率，转换效率不高。波导结构中的倍频克服了此缺点，得到了广泛的应用。波导的种类包括钛扩散波导、质子交换波导、脊型波导等，其中脊型波导对光波的束缚能力强，损伤阈值高，有利于紧凑型铌酸锂器件的发展，得到了较为广泛的应用。
实现倍频效应需要满足相位匹配条件。常用的相位匹配方法为准相位匹配(quasi-phase-matching，QPM)，准相位匹配是指周期性的改变非线性系数的符号，即周期性改变晶体的畴自发极化方向，实现相位的周期性反转，使谐波保持高效的非线性频率转换。准相位匹配中，一个准相位匹配周期对应一个特定的波长。
对于超短脉冲，其具有宽带光谱，普通的周期极化无法实现宽带倍频过程。目前实现超短脉冲宽带倍频的方法是制备啁啾极化铌酸锂波导结构，其通过将不同极化周期串联或极化周期连续变化，实现宽波长范围的相位匹配，从而控制输出光的光谱范围，实现超短脉冲宽带倍频。
利用啁啾极化铌酸锂波导结构实现超短脉冲宽带倍频的关键在于制备啁啾极化晶体，将对应不同波长的极化周期串联，使频率范围内的波长能够满足相位匹配条件，进而实现有效的非线性频率转换。但是，该方法制备啁啾极化晶体较困难，制备较小的极化周期效果不理想，影响倍频转换效率。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种用于超短脉冲宽带倍频的非线性晶体脊型波导器件及其制备方法。在本发明中，根据超短脉冲的频谱范围确定脊型波导的锥形形状，借助随宽度变化的有效折射率影响与极化周期对应的中心波长，由此在一定波长范围内实现相位匹配效果，从而允许利用周期极化非线性晶体脊型波导结构高效地实现具有宽频谱范围的超短脉冲的倍频过程。
具体而言，本发明的第一方面涉及一种用于超短脉冲宽带倍频的非线性晶体脊型波导器件，其包括具有非线性晶体脊型波导层的波导结构，其特征在于：
所述非线性晶体脊型波导层包括周期极化的非线性晶体，以及形成于所述周期极化的非线性晶体上的脊型波导；并且，
所述脊型波导被设置用于使所述超短脉冲发生倍频过程，且具有较窄端和较宽端，其中，所述脊型波导的宽度在所述较窄端与所述较宽端之间渐变。
进一步地，所述周期极化的非线性晶体为铌酸锂晶体或者钽酸锂晶体；以及/或者，所述周期极化的非线性晶体为微米级薄膜形式。
进一步地，所述周期极化的非线性晶体的极化周期Λ与所述超短脉冲的中心波长相对应；以及/或者，所述脊型波导的宽度范围根据所述超短脉冲的波长范围确定。
更进一步地，基于公式
根据所述超短脉冲的波长范围确定所述脊型波导的宽度范围；其中，Λ为极化周期，λF为基频光波长，Neff2为倍频光在非线性晶体中的有效折射率，Neff1为基频光在非线性晶体中的有效折射率。
进一步地，所述脊形波导由所述周期极化的非线性晶体上的划槽限定而成。其中，所述周期极化的非线性晶体为Z切非线性晶体，所述划槽与Y轴成一定角度。
进一步地，所述波导结构还包括非线性晶体基底层，以及设在所述非线性晶体脊型波导层与所述非线性晶体基底层之间的阻挡层，所述阻挡层用于防止所述脊形波导中的导模泄露至所述非线性晶体基底层。
更进一步地，所述阻挡层为二氧化硅层；以及/或者，所述非线性晶体基底层包括铌酸锂晶体或者钽酸锂晶体。
进一步地，本发明的非线性晶体脊型波导器件还可以包括：与所述脊型波导的较宽端耦合连接的输入端；以及，与所述脊型波导的较窄端耦合连接的输出端；其中，所述脊型波导的宽度从所述较宽端至所述较窄端逐渐变小。
进一步地，所述输入端包括保偏光纤，所述输出端包括单模光纤；或者，所述输入端包括保偏光纤，所述输出端包括光准直器。
本发明的第二方面涉及一种用于超短脉冲宽带倍频的非线性晶体脊型波导器件的制备方法，其包括脊型波导层形成步骤：
在所述脊型波导层形成步骤中，在周期极化的非线性晶体上形成脊型波导；其中，所述脊型波导具有较窄端和较宽端，且宽度在所述较窄端与所述较宽端之间渐变。
进一步地，在所述周期极化的非线性晶体上形成划槽，以限定形成所述脊型波导；以及/或者，所述脊型波导层形成步骤还包括在形成所述脊型波导之前，将所述周期极化的非线性晶体减薄成微米级薄膜的步骤。其中，可以利用光学级精密划片工艺形成所述划槽；以及/或者，利用化学机械研磨工艺进行所述减薄。并且，当所述周期极化的非线性晶体为Z切非线性晶体，所述划槽与Y方向成一定角度。
进一步地，根据所述超短脉冲的中心波长确定所述周期极化的非线性晶体的极化周期，并且根据所述超短脉冲的波长范围确定所述脊型波导的宽度范围。
进一步地，本发明的制备方法还可以包括阻挡层形成步骤，在所述阻挡层形成步骤中，在非线性晶体基底层上沉积阻挡层，用于防止所述脊形波导中的导模泄露至所述非线性晶体基底层；并且，
所述脊型波导层形成步骤还包括将所述周期极化的非线性晶体键合在所述阻挡层上的步骤。
进一步地，所述周期极化的非线性晶体为铌酸锂或钽酸锂晶体；以及/或者，所述阻挡层为二氧化硅层；以及/或者，所述非线性晶体基底层包括铌酸锂或钽酸锂晶体。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需使用的附图作简单地介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图来获得其他的附图。
图1示出了根据本发明的用于超短脉冲宽带倍频的非线性晶体脊型波导器件的一种实施方式的立体视图；
图2示出了根据本发明的用于超短脉冲宽带倍频的非线性晶体脊型波导器件中波导结构的一种实施方式的截面图；
图3示出了根据本发明的用于超短脉冲宽带倍频的非线性晶体脊型波导器件中波导结构的一种实施方式的俯视图。
具体实施方式
在下文中，本发明的示例性实施例将参照附图来详细描述。下面的实施例以举例的方式提供，以便充分传达本发明的精神给本发明所属领域的技术人员。因此，本发明不限于本文公开的实施例。
图1示意性地示出了根据本发明的用于超短脉冲宽带倍频的非线性晶体脊型波导器件的立体视图。
本发明的非线性晶体脊型波导器件用于超短脉冲的宽带倍频，其可以包括输入端3、波导结构2和输出端1，如图1所示。
输入端3用于接收输入光(即超短脉冲)，并将其耦合进入波导结构2。
波导结构2用于使超短脉冲在基于非线性晶体的脊型波导中发生宽带倍频过程，以产生输出光脉冲。
本领域技术人员容易理解，任何能够实现宽带倍频过程的非线性晶体均可用于实现该波导结构2。作为优选示例，非线性晶体可以为铌酸锂晶体、钽酸锂晶体等。
输出端1用于将在波导结构2中经倍频过程产生的输出光脉冲向外输出。
在一个优选示例中，输入端3可以包括保偏光纤3，其被设置用于接收超短脉冲(其例如为偏振光的形式)并通过光纤端面耦合将其直接耦合进入波导结构2；输出端1可以包括单模光纤1，其同样被设置成经光纤端面耦合以从波导结构2接收输出光脉冲。因此，可以在脊型波导器件中实现光纤输入输出结构。
在另一优选示例中，输入端3可以包括保偏光纤3，其被设置用于接收超短脉冲并通过光纤端面耦合将其直接耦合进入波导结构2；输出端1可以包括光准直器，其被设置用于将输出光脉冲整形成空间平行光。因此，可以在脊型波导器件中实现光纤输入自由空间输出的结构。
图2示出了根据本发明的用于超短脉冲宽带倍频的非线性晶体脊型波导器件中波导结构2的截面图。
如图2所示，波导结构2可以包括非线性晶体脊型波导层23，其中具有形成于周期极化非线性晶体上的脊型波导25，用于使输入的超短脉冲发生宽带倍频过程，并产生输出光脉冲。
在本发明中，周期极化非线性晶体的极化周期成与输入(即需经频率转换)的超短脉冲(其波长范围例如在最小波长λ1和最大波长λ2之间)的中心波长相对应。
在优选示例中，用于形成脊型波导25的周期极化非线性晶体可以为铌酸锂或者钽酸锂晶体，尤其优选为铌酸锂或者钽酸锂晶体薄膜，以便于实现与光纤的耦合。
不同于现有技术，在本发明中，脊型波导25被设计成具有变化的宽度，由此形成锥形形状，例如图1或3中所示那样。
在优选示例中，脊型波导25可以被设计成其宽度从输入端至输出端逐渐变小。
根据本发明，锥形脊型波导25的宽度范围可以根据需频率转换的超短脉冲的波长范围来确定。
作为优选示例，对于其波长范围为(λ1，λ2)的超短脉冲而言，可以根据超短脉冲的中心波长λ0＝(λ1+λ2)/2确定非线性晶体的极化周期Λ。
如前所述，由于通过改变脊型波导25的宽度可以影响有效折射率，因此，可以根据下列公式一，以及超短脉冲的波长范围(λ1，λ2)，确定脊型波导25的宽度范围。
其中：Λ为极化周期，λF为基频光波长，Neff2为倍频光在非线性晶体(例如铌酸锂晶体)中的有效折射率，Neff1为基频光在非线性晶体中的有效折射率。
例如，对于波长范围为1540-1560nm(即λ1＝1540nm，λ2＝1560nm)的超短脉冲，可以根据中心波长1550nm确定周期极化铌酸锂晶体的极化周期Λ＝14.3μm。
再依据公式一，根据λ1＝1540nm得到脊型波导25的一个宽度值W1＝3.2μm，根据λ2＝1560nm得到脊型波导25的另一宽度值W2＝2.9μm，由此可以确定，用于对此超短脉冲发生倍频过程的锥形脊型波导可以被设计成其较窄端的宽度为2.9μm，较宽端的宽度为3.2μm。
在本发明所提出的锥形脊型波导设计下，作为优选示例，可以通过在周期极化非线性晶体上形成一定角度的划槽24来形成脊形波导25。
由此可见，通过将脊型波导25设计成锥形形状，借助脊型波导的宽度尺寸变化影响波导中泵浦光和倍频光的有效折射率(即，脊型波导25的较宽区域可以提供相对较高的有效折射率，较窄区域则会提供相对较低的有效折射率)，进而影响极化周期所对应的中心波长，因此允许在一定波长范围内很好地实现相位匹配，从而允许借助周期极化的非线性晶体高效地实现对具有一定光谱宽度的超短脉冲的宽带倍频。与采用非周期极化的现有技术相比，其允许实现更高的倍频转换效率，同时制备工艺非常简单可控，仅仅需要简单调整锥形脊型波导的宽度尺寸即可满足具有不同频谱范围的超短脉冲的倍频转换需求，因此允许更高的制备工艺精度，有利于更精确地实现相位匹配。
继续参见图2，根据本发明的波导结构2还可以包括非线性晶体基底层21和阻挡层22。其中，阻挡层22可以设置在非线性晶体脊型波导层23与非线性晶体基底层21之间，用于防止脊形波导25中的导模泄露至基底层21。
作为优选示例，阻挡层22可以为二氧化硅层；非线性晶体为铌酸锂或者钽酸锂晶体。
为了更好地理解本发明的波导结构，下面将以示例的方式描述本发明的波导结构2的制备方法。
根据本发明的制备方法可以包括阻挡层形成步骤和脊型波导层形成步骤。
在阻挡层形成步骤中，可以在非线性晶体(例如铌酸锂、钽酸锂晶体或其它晶体)基底层21上沉积形成二氧化硅层22。其中，非线性晶体基底层21可以为Z切非线性晶体。
在脊型波导层形成步骤中，首先可以在二氧化硅层22上形成周期极化非线性晶体(例如铌酸锂、钽酸锂晶体或其它晶体)，其中，非线性晶体的极化周期与待频率转换的超短脉冲的中心波长对应。
作为优选示例，可以借助键合的方式在二氧化硅层22上形成周期极化非线性晶体。
随后，可以在周期极化非线性晶体上形成锥形的脊型波导25。其中，锥形的脊型波导25的宽度范围可以根据超短脉冲的波长范围来确定。
作为优选示例，可以通过光学级精密划片工艺在非线性晶体上形成一定角度的划槽24，由划槽24之间限定的锥形结构形成脊型波导25。
进一步地，脊型波导层形成步骤还可以包括，在形成脊型波导25之前，对周期极化非线性晶体进行减薄处理以形成周期极化非线性晶体薄膜(例如铌酸锂晶体薄膜或者钽酸锂晶体薄膜)的步骤。
作为优选示例，可以借助化学机械研磨工艺将周期极化非线性晶体进行减薄成微米级。
在波导结构2的一个示例中，非线性晶体基底层21可以采用Z切铌酸锂晶体，其例如具有0.5mm的厚度和5mm的长度；用作阻挡层的二氧化硅层22可以具有2μm的厚度。
并且，对于波长范围为1540-1560nm的超短脉冲，可以先将0.5mm厚的周期极化铌酸锂晶体键合(Z面为键合面)在二氧化硅层22上，并通过化学机械研磨工艺将该周期极化铌酸锂晶体减薄至5μm，以形成铌酸锂晶体薄膜。其中，周期极化铌酸锂晶体的极化周期为14.3μm。
进一步地，形成于铌酸锂晶体薄膜上的脊型波导25可以具有3μm的深度，且较窄端的宽度为2.9μm，较宽端的宽度为3.2μm。该脊型波导25可以通过在周期极化铌酸锂晶体薄膜上，沿着与y方向成θ≈0.0017°角度地形成两个切槽24来实现。
在Z切铌酸锂薄膜中沿y方向形成的脊型波导25中，倍频过程将选取ee-e倍频方式，利用铌酸锂晶体最大的非线性系统d33，输入的超短脉冲为竖直偏振(偏振方向为Z轴方向)，输出光脉冲为竖直偏振。
在本发明中，通过采用锥形的脊型波导设计方案，并根据待频率转换的超短脉冲的频谱范围可以确定脊型波导的锥形形状(即宽度范围)，借助渐变的有效折射率，可以有效地实现宽带匹配效果，从而允许利用周期极化非线性晶体脊型波导结构高效地实现具有宽频谱范围的超短脉冲的倍频过程，克服采用非周期极化方案中倍频转换效率不高的缺陷。此外，在本发明中，可以简单地通过光学级精密划片技术在周期极化的Z切非线性(例如铌酸锂)晶体上与Y轴成一定角度地形成划槽来获得所需要的脊型波导，其制备工艺简单可控，可以允许高精度地实现所需要的波导形状，且制备成本低，无需制备复杂的啁啾极化结构。此外，本发明可以简单地通过调整锥形脊型波导的形状(宽度范围)，即可满足不同频谱范围的超短脉冲的倍频要求，其设计灵活性强，且精确高。
进一步地，本发明通过提出将脊型波导形成于周期极化非线性晶体薄膜上，借助微米级的薄膜结构，有利于实现波导结构与光纤之间的耦合，提高波导器件的整体性能。并且，通过将输入端设置在脊型波导的较宽端，利用光纤将偏振输入光直接耦合至脊型波导，可以获得较低的插入损耗，耦合过程简单，透过率高，同样有利于提高波导器件的整体性能。
尽管前面结合附图通过具体实施例对本发明进行了说明，但是，本领域技术人员容易认识到，上述实施例仅仅是示例性的，用于说明本发明的原理，其并不会对本发明的范围造成限制，本领域技术人员可以对上述实施例进行各种组合、修改和等同替换，而不脱离本发明的精神和范围。
Claims (17)
1.一种用于超短脉冲宽带倍频的非线性晶体脊型波导器件，其包括具有非线性晶体脊型波导层的波导结构，其特征在于：
所述非线性晶体脊型波导层包括周期极化的非线性晶体，以及形成于所述周期极化的非线性晶体上的脊型波导；并且，
所述脊型波导被设置用于使所述超短脉冲发生倍频过程，且具有较窄端和较宽端，其中，所述脊型波导的宽度在所述较窄端与所述较宽端之间渐变。
2.如权利要求1所述的非线性晶体脊型波导器件，其中：
所述周期极化的非线性晶体为铌酸锂晶体或者钽酸锂晶体；以及/或者，
所述周期极化的非线性晶体为微米级薄膜形式。
3.如权利要求1所述的非线性晶体脊型波导器件，其中，所述周期极化的非线性晶体的极化周期Λ与所述超短脉冲的中心波长相对应；以及/或者，所述脊型波导的宽度范围根据所述超短脉冲的波长范围确定。
4.如权利要求3所述的非线性晶体脊型波导器件，其中，基于公式
根据所述超短脉冲的波长范围确定所述脊型波导的宽度范围；
其中，Λ为极化周期，λF为基频光波长，Neff2为倍频光在非线性晶体中的有效折射率，Neff1为基频光在非线性晶体中的有效折射率。
5.如权利要求1所述的非线性晶体脊型波导器件，其中，所述脊形波导由所述周期极化的非线性晶体上的划槽限定而成。
6.如权利要求5所述的非线性晶体脊型波导器件，其中，所述周期极化的非线性晶体为Z切非线性晶体，所述划槽与Y轴成一定角度。
7.如权利要求1所述的非线性晶体脊型波导器件，其中，所述波导结构还包括非线性晶体基底层，以及设在所述非线性晶体脊型波导层与所述非线性晶体基底层之间的阻挡层，所述阻挡层用于防止所述脊形波导中的导模泄露至所述非线性晶体基底层。
8.如权利要求7所述的非线性晶体脊型波导器件，其中：
所述阻挡层为二氧化硅层；以及/或者，
所述非线性晶体基底层包括铌酸锂晶体或者钽酸锂晶体。
9.如权利要求1所述的非线性晶体脊型波导器件，其还包括：
与所述脊型波导的较宽端耦合连接的输入端；以及，
与所述脊型波导的较窄端耦合连接的输出端；其中，
所述脊型波导的宽度从所述较宽端至所述较窄端逐渐变小。
10.如权利要求9所述的非线性晶体脊型波导器件，其中：
所述输入端包括保偏光纤，所述输出端包括单模光纤；或者，
所述输入端包括保偏光纤，所述输出端包括光准直器。
11.一种用于超短脉冲宽带倍频的非线性晶体脊型波导器件的制备方法，其包括脊型波导层形成步骤：
在所述脊型波导层形成步骤中，在周期极化的非线性晶体上形成脊型波导；其中，所述脊型波导具有较窄端和较宽端，且宽度在所述较窄端与所述较宽端之间渐变。
12.如权利要求11所述的制备方法，其中，在所述周期极化的非线性晶体上形成划槽，以限定形成所述脊型波导；以及/或者，所述脊型波导层形成步骤还包括在形成所述脊型波导之前，将所述周期极化的非线性晶体减薄成微米级薄膜的步骤。
13.如权利要求12所述的制备方法，其中，利用光学级精密划片工艺形成所述划槽；以及/或者，利用化学机械研磨工艺进行所述减薄。
14.如权利要求12所述的制备方法，其中，所述周期极化的非线性晶体为Z切非线性晶体，所述划槽与Y方向成一定角度。
15.如权利要求11所述的制备方法，其中，根据所述超短脉冲的中心波长确定所述周期极化的非线性晶体的极化周期，并且根据所述超短脉冲的波长范围确定所述脊型波导的宽度范围。
16.如权利要求11所述的制备方法，其还包括阻挡层形成步骤，在所述阻挡层形成步骤中，在非线性晶体基底层上沉积阻挡层，用于防止所述脊形波导中的导模泄露至所述非线性晶体基底层；并且，
所述脊型波导层形成步骤还包括将所述周期极化的非线性晶体键合在所述阻挡层上的步骤。
17.如权利要求16所述的制备方法，其中：
所述周期极化的非线性晶体为铌酸锂或钽酸锂晶体；
以及/或者，所述阻挡层为二氧化硅层；
以及/或者，所述非线性晶体基底层包括铌酸锂或钽酸锂晶体。
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