CN215833739U - 基于双折射相位匹配的宽带倍频波导器件 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种基于双折射相位匹配的宽带倍频波导器件，包括由下至上依次设置的铌酸锂衬底层、二氧化硅层和掺镁铌酸锂薄膜层，所述宽带倍频器件沿与掺镁铌酸锂薄膜Z轴成一定角度的方向切割而成；所述掺镁铌酸锂薄膜层上设置有两条不相交、非平行设置的槽，两条槽之间设置有铌酸锂波导结构。本实用新型能够降低宽带倍频器件的制备难度，节约成本。
Description
技术领域
本实用新型属于导波光学、非线性光学及光电子技术领域，具体涉及一种基于双折射相位匹配的宽带倍频波导器件。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本实用新型相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
宽带倍频器件是利用元器件的非线性特性将入射端频率稳定度较高、功率较大、频率较低的具有一定频谱范围的基频光信号通过频率倍增获得需要的谐波信号的器件。主要利用了非线性晶体的倍频效应。倍频效应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。
实现倍频效应需要满足相位匹配条件，相位匹配是指使基频光的折射率和倍频光的折射率相等。常用的相位匹配包括准相位匹配(quasi-phase-matching,QPM)和双折射相位匹配(birefringent-phase-matching,BPM)。准相位匹配是指周期性的改变晶体的极化方向，利用这种结构提供的空间倒格矢来补偿倍频过程的相位失配，使基频光的能量可以持续的向倍频光转移。双折射相位匹配是利用晶体的色散效应，通过角度相位匹配，使基频光的折射率等于倍频光的折射率，从而实现相位匹配。目前基于准相位匹配实现宽带倍频的方法需要制备周期极化的波导结构，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，从而实现宽带倍频过程。
目前实现宽带倍频的方法主要基于准相位匹配条件，通过制备啁啾极化铌酸锂波导结构，将对应的不同波长的极化周期串联，使频率范围内的波长满足相位匹配条件，进而实现宽带倍频过程。但是该方法中制备啁啾极化铌酸锂波导结构的过程比较困难。为了省去制备啁啾极化铌酸锂波导结构的过程，实现宽带倍频还可以使用光学级精密划片技术，在周期极化铌酸锂薄膜上制备出成一定角度的划槽，使铌酸锂脊形波导呈锥形结构，通过控制波导结构的尺寸，影响波导结构中基频光和倍频光的有效折射率，进而影响极化周期所对应的波长，实现宽带倍频。以上两种基于准相位匹配条件实现宽带倍频的方法都需要制备周期极化铌酸锂晶体，制备极化周期过程中存在着工艺复杂，较小的极化周期制备不理想等问题，使宽带倍频器件的制备工艺变得复杂繁琐，成本较高。
发明内容
本实用新型为了解决上述问题，提出一种基于双折射相位匹配的宽带倍频波导器件，本实用新型能够降低宽带倍频器件的制备难度，节约成本。
根据一些实施例，本实用新型采用如下技术方案：
一种基于双折射相位匹配的宽带倍频波导器件，包括由下至上依次设置的铌酸锂衬底层、二氧化硅层和掺镁铌酸锂薄膜层，其中：
所述掺镁铌酸锂薄膜层上设置有两条不相交、非平行设置的槽，两条槽之间设置有铌酸锂波导结构。
作为可选择的实施方式，所述铌酸锂波导结构的一端宽度大于另一端的宽度。
作为可选择的实施方式，所述二氧化硅层在所述铌酸锂衬底层上沉积而成。
作为可选择的实施方式，所述二氧化硅层上键合有掺镁铌酸锂晶体。
作为进一步的限定，所述掺镁铌酸锂晶体的厚度为微米级，形成微米级掺镁铌酸锂单晶薄膜。
作为可选择的实施方式，所述宽带倍频波导器件为矩形，所述宽带倍频器件沿与掺镁铌酸锂薄膜Z轴成一定角度的方向切割而成。
作为进一步的限定，所述矩形的长边方向为满足双折射相位匹配的方向，且相位匹配角由基频光波长范围中最小波长确定。
作为可选择的实施方式，所述铌酸锂波导结构的较宽宽度等于基频光的波长范围最小值按照双折射相位匹配条件计算得到的值。
作为可选择的实施方式，所述铌酸锂波导结构的较窄宽度等于基频光的波长范围最大值按照双折射相位匹配条件计算得到的值。
作为可选择的实施方式，所述宽带倍频波导器件还直接连接有单模光纤，或通过模斑转换器连接有单模光纤。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：
本实用新型基于双折射相位匹配过程，在掺镁铌酸锂薄膜上选取合适的角度进行切割，制备宽带倍频器件，并通过控制宽带倍频器件中波导结构的尺寸，影响波导结构中基频光和倍频光的有效折射率，进而影响确定的相位匹配角所对应的波长，实现宽带倍频过程。省去了制备极化周期的过程，大大降低了实验难度，仅利用光学级划片工艺，节约了成本，制备宽带倍频器件更加方便快捷。
为使本实用新型的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
构成本实用新型的一部分的说明书附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。
图1为X切掺镁铌酸锂单晶薄膜晶圆切割示意图；
图2为基于双折射相位匹配的宽带倍频波导器件结构示意图；
图3为宽带倍频波导器件横截面结构示意图。
其中：1、宽带倍频波导器件，11、铌酸锂衬底层，12、二氧化硅层，13、微米级掺镁铌酸锂薄膜层，14、划槽，15、铌酸锂波导结构。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本实用新型提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本实用新型所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本实用新型的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
一种基于双折射相位匹配的宽带倍频器件，旨在解决现有技术中制备极化周期过程中存在的工艺复杂，较小的极化周期制备不理想等问题。降低宽带倍频器件的制备难度，节约成本。
如图2、图3所示，宽带倍频器件1由铌酸锂衬底层11、二氧化硅层12、微米级掺镁铌酸锂薄膜层13组成。在微米级掺镁铌酸锂薄膜层13上，切割出划槽14，划槽14之间的部分为铌酸锂波导结构15。铌酸锂波导结构15为一端宽，一端窄的结构，由于波导结构的宽度影响了基频光和倍频光的有效折射率，进而影响双折射相位匹配中相位匹配角所对应的波长，实现宽带倍频过程。
以微米级掺镁铌酸锂薄膜材料为例，设置了一种基于双折射相位匹配的宽带倍频波导器件。因为掺镁铌酸锂具有更高的抗光损伤阈值，在此选择掺镁铌酸锂单晶薄膜，可以用于更高功率的宽带倍频过程中。如图1所示，在x切掺镁铌酸锂单晶薄膜晶圆上沿z方向(光轴方向)顺时针旋转θ角度，确定为铌酸锂芯片的切割方向，θ角度为相位匹配角，由公式
得到，倍频过程满足oo-e倍频方式，其中
为基频光o光的有效折射率，
为倍频光o光的有效折射率，
为倍频光e光的有效折射率。上述有效折射率与对应光的波长和波导结构有关。切割的铌酸锂芯片为矩形，沿矩形铌酸锂芯片长边传播的光满足双折射相位匹配条件，所以波导的传播方向为矩形铌酸锂芯片的长边方向。
上述基于双折射相位匹配的宽带倍频波导器件的制备方法为在铌酸锂晶体上沉积一层二氧化硅层，二氧化硅层可以防止波导中的光逸出到下层的铌酸锂晶体中，在二氧化硅层上键合掺镁铌酸锂晶体，通过化学机械研磨，将掺镁铌酸锂晶体减薄至微米级，形成微米级掺镁铌酸锂单晶薄膜。利用光学级划片技术，在微米级掺镁铌酸锂单晶薄膜上沿相位匹配角切割出矩形的铌酸锂芯片，沿铌酸锂芯片的长边切割出划槽，划槽之间形成波导结构。
上述基于双折射相位匹配的宽带倍频波导器件通过单模光纤输入，单模光纤输出形成光纤输入光纤输出的结构。单模光纤与基于双折射相位匹配的宽带倍频波导器件之间可以利用模斑转换器，以降低耦合损耗。输出部分也可以通过透镜，实现光纤输入自由空间输出的结构。
作为一种典型实施例：
铌酸锂衬底层11为x切铌酸锂晶体，厚度为0.5mm，长度为5mm。其上沉积的二氧化硅层厚度为2μm，0.5mm厚的掺镁铌酸锂晶体键合在二氧化硅层上，x面为键合面，通过化学机械研磨工艺，将铌酸锂晶体减薄至10μm，形成微米级掺镁铌酸锂薄膜层13。
所述基频光的波长范围为1540nm至1560nm，为计算相位匹配角，取波长1540nm时10μm铌酸锂薄膜中波导结构深度为9μm，宽度为W1＝9μm。取此波导深度和波导宽度是因为单模光纤的纤芯直径一般为9μm，所取波导尺寸与其匹配，提高耦合效率。由Comsol程序模拟出基频光波长为1540nm时，
由公式
得出相位匹配角θ＝50.659°。当基频光波长为1560nm时，
应满足双折射相位匹配条件
对应的波导尺寸为宽度
即制备此基于双折射相位匹配的宽带倍频波导器件时，在x切掺镁铌酸锂单晶薄膜上，沿与Z轴呈θ＝50.659°的方向切割出矩形铌酸锂芯片，之后沿芯片长边制备出一端宽为W1＝9μm，另一端宽为W2＝6.3μm的波导结构。
当然，在其他实施例中，上述参数可以进行更改。
上述虽然结合附图对本实用新型的具体实施方式进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型的保护范围以内。
Claims (10)
1.一种基于双折射相位匹配的宽带倍频波导器件，其特征是：包括由下至上依次设置的铌酸锂衬底层、二氧化硅层和掺镁铌酸锂薄膜层，其中：
所述掺镁铌酸锂薄膜层上设置有两条不相交、非平行设置的槽，两条槽之间设置有铌酸锂波导结构。
2.如权利要求1所述的一种基于双折射相位匹配的宽带倍频波导器件，其特征是：所述铌酸锂波导结构的一端宽度大于另一端的宽度。
3.如权利要求1所述的一种基于双折射相位匹配的宽带倍频波导器件，其特征是：所述二氧化硅层在所述铌酸锂衬底层上沉积而成。
4.如权利要求1所述的一种基于双折射相位匹配的宽带倍频波导器件，其特征是：所述二氧化硅层上键合有掺镁铌酸锂晶体。
5.如权利要求4所述的一种基于双折射相位匹配的宽带倍频波导器件，其特征是：所述掺镁铌酸锂晶体的厚度为微米级，形成微米级掺镁铌酸锂单晶薄膜。
6.如权利要求1所述的一种基于双折射相位匹配的宽带倍频波导器件，其特征是：所述宽带倍频波导器件为矩形；
或，所述宽带倍频波导器件沿与掺镁铌酸锂薄膜Z轴成一定角度的方向切割而成。
7.如权利要求6所述的一种基于双折射相位匹配的宽带倍频波导器件，其特征是：所述矩形的长边方向为满足双折射相位匹配的方向，且相位匹配角由基频光波长范围中最小波长确定。
8.如权利要求1所述的一种基于双折射相位匹配的宽带倍频波导器件，其特征是：所述铌酸锂波导结构的较宽宽度等于基频光的波长范围最小值按照双折射相位匹配条件计算得到的值。
9.如权利要求1所述的一种基于双折射相位匹配的宽带倍频波导器件，其特征是：所述铌酸锂波导结构的较窄宽度等于基频光的波长范围最大值按照双折射相位匹配条件计算得到的值。
10.如权利要求1所述的一种基于双折射相位匹配的宽带倍频波导器件，其特征是：所述宽带倍频波导器件还直接连接有单模光纤，或通过模斑转换器连接有单模光纤。
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