CN115032746B - 一种可实现自发准相位匹配频率转换的跑道型微环腔 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可实现自发准相位匹配频率转换的跑道型微环腔，涉及光学技术领域，该跑道型微环腔包括由上至下依次设置的空气覆盖层、X切铌酸锂薄膜层、二氧化硅绝缘层和硅衬底层，该跑道型微环腔由X切铌酸锂薄膜层刻蚀而成，包括两个直波导，两个半圆环波导和滑轮型耦合波导，两个直波导设置完全相同，两个半圆环波导设置为以铌酸锂晶体的Y轴镜像对称。本发明提供的跑道型微环腔可在不改变晶体属性的前提下实现准相位匹配，相较于传统外加电场极化的方法加工流程大幅度简化，且可用于提升多种波段下的二阶非线性频率转换效率，对制备集成量子光学芯片中的量子光源具有一定的意义。

Description

一种可实现自发准相位匹配频率转换的跑道型微环腔
技术领域
本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种可实现自发准相位匹配频率转换的跑道型微环腔。
背景技术
相位匹配是获取高效率非线性频率转换过程的必需条件之一，它要求参与非线性相互作用的各个频率分量间满足动量守恒定律。片上回音壁模式光学微腔可将腔内光波束缚在微米级别的尺度，从而显著地提高腔内光场强度、降低光与物质非线性相互作用的功率阈值。在微腔中实现相位匹配一直是众多研究者致力于实现的目标，它对扩展片上光源的频段，以及制备各类量子光源都具有深远的意义。在以往工作中，研究者提出了诸多方案以实现微腔中的相位匹配条件，但皆有各种不足。
经对现有技术的检索发现，研究人员采用了模式相位匹配技术，通过对微腔横截面的设计来调控各个频率分量的色散特性，使其在不同的偏振态以及径向模式下实现相位匹配条件。然而，这种方式获得相位匹配往往涉及腔内光场的高阶模式，致使参与相互作用的各个模式间的空间重叠率较低，极大地限制了腔内转换效率的进一步提升。
经对现有技术的检索发现，研究人员采用了准相位匹配技术，依靠外加电场极化使铁电晶体的非线性系数周期性反转，从而引入倒格矢补偿非线性相互作用中的相位失配量。这种方法对波长和模式适应性良好，因而能获得非常高的转换效率，但是所涉及的电场极化技术所需成本高，工艺流程复杂，难以应用于晶圆级的大规模制造。
经对现有技术的检索发现，研究人员采用了循环相位匹配技术，这种方法利用了X切铌酸锂微盘腔中TE偏振光的有效非线性系数与波矢方向的依赖特性，随着光在微盘中的循环传输，引入倒格矢补偿补偿非线性相互作用中的相位失配量。相较于具有类似物理机制的准相位匹配技术，这种方法在制备上避免了电场极化，但所使用的微盘腔不适于集成。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种无需电场极化，且能针对基模间非线性频率转换过程实现相位匹配的片上集成回音壁模式微腔，以克服现有技术的上述缺陷。
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在微腔中实现相位匹配时无需电场极化，且能针对基模间的非线性频率转换过程实现相位匹配的片上集成回音壁模式微腔。
为实现上述目的，本发明提供了一种可实现自发准相位匹配频率转换的跑道型微环腔，其特征在于，所述跑道型微环腔包括由上至下依次设置的空气覆盖层、X切铌酸锂薄膜层、二氧化硅绝缘层和硅衬底层；所述跑道型微环腔由所述X切铌酸锂薄膜层刻蚀而成，所述跑道型微环腔包括两个直波导，两个半圆环波导和滑轮型耦合波导，所述两个直波导设置完全相同，所述两个半圆环波导设置为以铌酸锂晶体的Y轴镜像对称。
进一步地，所述频率转换包括非线性频率转换，所述非线性频率转换包括倍频，和频，差频中至少一种频率转换过程。
进一步地，所述直波导的导光方向平行于所述铌酸锂晶体的Y轴。
进一步地，所述直波导的长度由以下公式决定：
L＝mπ/Δk
其中，L为所述直波导的长度，m为所述准相位匹配阶数，m为大于0的奇数，Δk为所述非线性频率转换过程中的相位失配量。
进一步地，所述直波导的长度还需满足谐振条件：
2Lni＝Miλi
其中，L为所述直波导的长度，ni为参与所述非线性频率转换的频率分量的TE偏振基模在所述直波导中的有效折射率，Mi为所述频率分量的所述TE偏振基模在所述直波导中的角向模式数，Mi为正整数，λi为所述频率分量的真空波长，i为参与所述非线性频率转换的所述频率分量。
进一步地，参与所述非线性频率转换的所述频率分量的所述TE偏振基模在通过任一所述半圆环波导后，相位延迟满足如下条件：
2φi＝2πNi
其中，φi为相位延迟，Ni为所述频率分量的所述TE偏振基模在所述半圆环波导中的角向模式数，Ni为大于0的偶数。
进一步地，所述滑轮型耦合波导的数量，可以为1个或多个。
进一步地，所述滑轮型耦合波导可由拉锥光纤替代。
进一步地，所述X切铌酸锂薄膜可由X切钽酸锂薄膜替代，或者由掺杂后的所述X切钽酸锂薄膜替代，或者由掺杂后的所述X切铌酸锂薄膜替代。
进一步地，所述空气覆盖层可由二氧化硅覆盖层替代。
在本发明的较佳实施方式中，与现有技术相比，具有如下明显的技术效果：
(1)准相位匹配可在不改变晶体属性的前提下，随着腔内TE偏振光的循环传播自发实现，对比传统的外加电场极化方案，大幅度降低制备复杂度，可广泛应用于CMOS工艺兼容的大规模制造中。
(2)跑道型微环腔内的倍频转换效率，在荷载品质因子为1.76×106的可达到8.5×10-3/W。
(3)本发明提出的可实现自发准相位匹配非线性频率转换的跑道型微环腔对扩展片上光源的频段，以及制备各类量子光源都具有深远的意义。
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是本发明的一个较佳实施例的二维平面示意图；
图2是本发明的一个较佳实施例的有效非线性系数随波矢方向变化的关系图；
图3是本发明的一个较佳实施例的波导横截面示意图；
图4是本发明的一个较佳实施例的获得的倍频光谱图；
图5是本发明的一个较佳实施例的腔内倍频光功率随腔内基频光功率变化的关系图。
其中，1-直波导，2-半圆环波导，3-滑轮型耦合波导，4-波矢方向，5-X切铌酸锂薄膜层，6-二氧化硅绝缘层，7-硅衬底层。
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。
相位匹配是获取高效率非线性频率转换过程的必需条件之一，它要求参与非线性相互作用的各个频率分量间满足动量守恒定律。准相位匹配技术要求在非线性介质中引入周期性结构。例如通过外加电场极化的方法周期性极化铌酸锂晶体，使其二阶非线性系数deff在光波传输方向上呈现+deff与-deff的交替分布，进而引入一个与周期Λ相关的m阶倒格失Gm＝2πm/Λ。当m为大于0的奇数，且Gm恰好等于相位失配量Δk时，新产生的谐波光强将随传输距离的增长而持续增强，最终实现高效的非线性频率转换。
倍频是最常见的非线性频率转换过程之一。当一束频率为ω的基频光入射非线性晶体后，将在二阶非线性系数的作用下产生频率为2ω的倍频光分量。以该典型过程为例，能满足相位匹配条件的准相位匹配极化周期Λ等于：
Figure BDA0003689281420000041
其中，奇数m代表准相位匹配的阶数，λFW为基频光的真空波长，nFW和nSH分别为基频光和倍频光波长下的材料折射率。为了便于描述，通常情况下也定义π/Δk为相干长度Kc，故有Λ＝2mLc。值得注意的是，当准相位匹配技术被应用于波导中的非线性频率转换过程时，nFW和nSH应被替换为基频光和倍频光在波导中对应模式的有效折射率。
在X切铌酸锂上的回音壁模式谐振腔中，TE偏振光的有效非线性系数deff为：
deff＝-d22 cos3θ+3d31 cos2θsinθ+d33 sin3θ
其中，θ是波矢方向k与铌酸锂晶体Z轴之间的夹角，可取范围为(0，2π)。当θ分别等于+π/2和-π/2时，deff恰好等于+d33和-d33，即在不改变晶体本征属性的前提下，仅仅通过改变光波传播方向实现了有效非线性系数的反转。对于一个直波导部分平行于铌酸锂Y轴的跑道型微环腔来说，TE偏振光的有效非线性系数在它循环通过直波导时也经历着这样的周期性反转。针对特定的非线性频率转换过程，在使各个频率分量的光场满足腔内谐振条件的基础上，如果设计单根直波导的长度L＝Λ/2＝mLc，即等于奇数倍的相干长度，并保证光波在任一半圆环波导中的相位延迟为2π的整数倍，这样的跑道型微环腔可以等效于一个在固定方向上被周期性极化的铌酸锂，并能在避免电场极化的同时自发实现腔内m阶的准相位匹配。对于倍频过程，通过这种方法获得的腔内非线性频率转换效率理论上等于
Figure BDA0003689281420000042
Figure BDA0003689281420000043
其中，AFW为腔内基频光的振幅，σFW(SH)为基频(倍频)光的模式面积；Ql，SH为跑道型微环腔在倍频光波长下的荷载品质因子，m为准相位匹配阶数，NSH和MSH分别为基频光在半圆环波导区域和直波导区域的角向模式数，λFW为基频光的真空波长，c为真空光速，ε0为真空介电常数，nFW和nSH分别为基频光和倍频光在直波导中的有效折射率。
本发明应用于其他二阶非线性频率转换过程，如和频、差频时，仍遵循着相同的原理，在具体实施中只需对相位失配量的表达式做出相应调整，故在此不再赘述。
下面结合附图，详细说明本发明实施例提供的可实现自发准相位匹配频率转换的跑道型微环腔。如图1和图3所示，本发明实施例提供的一种可实现自发准相位匹配频率转换的跑道型微环腔，包括由上至下依次设置的空气覆盖层(图中未示出)、X切铌酸锂薄膜层5、二氧化硅绝缘层6和硅衬底层7，由X切铌酸锂薄膜层5刻蚀而成；其中，该跑道型微环腔包括两个直波导1，两个半圆环波导2和一个滑轮型耦合波导3，该两个直波导1设置完全相同，两个半圆环波导2设置为以铌酸锂晶体的Y轴镜像对称，频率转换包括非线性频率转换，该非线性频率转换包括倍频，和频，差频中至少一种频率转换过程。
对于本发明实施例提供的直波导1，需要满足如下条件：
1)导光方向平行于铌酸锂晶体的Y轴；
2)长度满足如下条件：
L＝mπ/Δk
其中，K为所述直波导1的长度，m为所述准相位匹配阶数，m为大于0的奇数，Δk为所述非线性频率转换过程中的相位失配量。
3)长度还需满足谐振条件：
2Lni＝Miλi
其中，L为所述直波导1的长度，ni为参与所述非线性频率转换的频率分量的TE偏振基模在所述直波导1中的有效折射率，Mi为所述频率分量的所述TE偏振基模在所述直波导1中的角向模式数，Mi为正整数，λi为所述频率分量的真空波长，i为参与所述非线性频率转换的所述频率分量。
对于本发明实施例提供的半圆环波导2，需要满足如下条件：
非线性频率转换的频率分量的TE偏振基模在通过任一半圆环波导2后，相位延迟满足如下条件：
2φi＝2πNi
其中，φi为相位延迟，Ni为频率分量的TE偏振基模在半圆环波导2中的角向模式数，Ni为大于0的偶数。
在本发明的另一优选实施例中，滑轮型耦合波导3的数量，可以为1个或多个，滑轮型耦合波3可由拉锥光纤替代。
在本发明的另一优选实施例中，X切铌酸锂薄膜5可由铁电晶体薄膜或者也可以由掺杂后的铁电晶体薄膜替代，例如X切钽酸锂薄膜替代，也可以由掺杂后的X切钽酸锂薄膜替代，或者由掺杂后的所述X切铌酸锂薄膜替代。
在本发明的另一优选实施例中，空气覆盖层可由二氧化硅覆盖层替代。
本发明提供了如下的优选实施例。
如图1所示，对于基频光波长处于1550nm的倍频过程，本实施例提供了一种可实现自发的准相位匹配非线性频率转换的跑道型微环腔。包括由上至下依次设置的X切铌酸锂薄膜层5、二氧化硅绝缘层6和硅衬底层7，各层的厚度分别为600nm，20μm，和400μm。该可实现自发的准相位匹配非线性频率转换的跑道型微环腔由X切铌酸锂薄膜5层刻蚀而成，刻蚀深度为380nm，波导顶部宽度为1μm，波导侧壁倾斜角为60°，覆盖层为空气，直波导1的导光方向平行于铌酸锂晶体的Y轴。腔内TE偏振光的有效非线性系数随波矢方向4变化的关系图如图2所示，波导横截面示意图如图3所示。在确定了上述波导截面相关的几何参数后，基频光和倍频光在TE偏振基模下的有效折射率可以通过有限元方法计算得到。在直波导1中，nFW＝2.156，nSH＝2.048；在半圆环波导2中，有效折射率的数值依赖于波矢方向4且受弯曲半径影响，这里可以结合材料折射率和保角变换求得。
在本实施例中，直波导1的长度K＝232μm，对应准相位匹配阶数m＝169，基频光和倍频光的角向模式数分别为MFW＝561和MSH＝1291；半圆环波导2的内径R1＝125.6μm，外径R2＝126.6μm，对应基频光和倍频光的相位延迟分别为φFW＝489·2π和NSH＝1078·2π；滑轮型耦合波导3的波导宽度为0.8μm，与半圆环波导2的间距为0.61μm，耦合区域对应圆心角为30°，输入输出端口均设置为耦合光栅。
实验中，采用通讯波段可调连续光激光器作为基频光光源，测得该跑道型微环腔在基频光波段下的荷载品质因子为1.76×106，本征品质因子为2.71×106，输出倍频波段光谱如图4所示，腔内倍频光光功率随腔内基频光光功率增长的关系图如图5所示。经线性拟合，可得腔内倍频转换效率约为8.5×10-3/W。
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 (5)

1.一种可实现自发准相位匹配频率转换的跑道型微环腔，其特征在于，所述跑道型微环腔包括由上至下依次设置的空气覆盖层、X切铌酸锂薄膜层、二氧化硅绝缘层和硅衬底层；所述跑道型微环腔由所述X切铌酸锂薄膜层刻蚀而成，所述跑道型微环腔包括两个直波导，两个半圆环波导和滑轮型耦合波导，所述两个直波导设置完全相同，所述两个半圆环波导设置为以铌酸锂晶体的Y轴镜像对称；
所述频率转换包括非线性频率转换，所述非线性频率转换包括倍频，和频，差频中至少一种频率转换过程；
所述直波导的导光方向平行于所述铌酸锂晶体的Y轴；
所述直波导的长度由以下公式决定：
L＝mπ/Δk
其中，L为所述直波导的长度，m为所述准相位匹配阶数，m为大于0的奇数，Δk为所述非线性频率转换过程中的相位失配量；
所述直波导的长度还需满足谐振条件：
2ni＝iλi
其中，L为所述直波导的长度，ni为参与所述非线性频率转换的频率分量的TE偏振基模在所述直波导中的有效折射率，Mi为所述频率分量的所述TE偏振基模在所述直波导中的角向模式数，Mi为正整数，λi为所述频率分量的真空波长，i为参与所述非线性频率转换的所述频率分量；
参与所述非线性频率转换的所述频率分量的所述TE偏振基模在通过任一所述半圆环波导后，相位延迟满足如下条件：
2i＝2πNi
其中，φi为相位延迟，Ni为所述频率分量的所述TE偏振基模在所述半圆环波导中的角向模式数，Ni为大于0的偶数。
2.如权利要求1所述的跑道型微环腔，其特征在于，所述滑轮型耦合波导的数量为1个或多个。
3.如权利要求2所述的跑道型微环腔，其特征在于，所述滑轮型耦合波导可由拉锥光纤替代。
4.如权利要求1所述的跑道型微环腔，其特征在于，所述X切铌酸锂薄膜可由X切钽酸锂薄膜替代，或者由掺杂后的所述X切钽酸锂薄膜替代，或者由掺杂后的所述X切铌酸锂薄膜替代。
5.如权利要求1所述的跑道型微环腔，其特征在于，所述空气覆盖层可由二氧化硅覆盖层替代。
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