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技术

本发明专利技术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。在本发明专利技术中，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。谱范围的超短脉冲的倍频过程。谱范围的超短脉冲的倍频过程。

【技术实现步骤摘要】
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


[0001]本专利技术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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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。

技术实现思路

[0006]针对上述问题，本专利技术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。在本专利技术中，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。
[0007]具体而言，本专利技术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：
[0008]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，
[0009]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。
[0010]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。
[0011]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。
[0012]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，λ
F
为基频光波长，N
eff2
为倍频光在非线性晶体中的有效折射率，N
eff1
为基频光在非线性晶体中的有效折射率。
[0013]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。
[0014]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。
[0015]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。
[0016]进一步地，本专利技术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。
[0017]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。
[0018]本专利技术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：
[0019]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。
[0020]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。
[0021]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。
[0022]进一步地，本专利技术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，
[0023]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。
[0024]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
[0025]下面结合附图对本专利技术的具体实施方式作进一步详细的说明。
[0026]为了更清楚地说明本专利技术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专利技术的一些实施例，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。
[0027]图1示出了根据本专利技术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；
[0028]图2示出了根据本专利技术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；
[0029]图3示出了根据本专利技术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...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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，λ
F
为基频光波长，N
eff2
为倍频光在非线性晶体中的有效折射率，N
eff1
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：仇晶，陈险峰，
申请(专利权)人：济南量子技术研究院，
类型：发明
国别省市：