[发明专利]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

说明书

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。

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。