[發明專利]光學諧波產生器及其制備方法

有效

• 申請號: 202011048058.5
• 申請日: 2020-09-29
• 公開（公告）號: CN112099286B
• 公開（公告）日: 2021-09-03
• 發明（設計）人: 孫長征;張向秀;熊兵;王健;羅毅
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: G02F1/377
• 分類號: G02F1/377;G02F1/365;G02F1/355
• 代理公司: 北京德琦知識產權代理有限公司 11018
• 代理人: 孟旸;王麗琴

本發明公開了一種光學諧波產生器及其制備方法，該光學諧波產生器主要包括：第一材料層；第二材料層，疊設于第一材料層，并且第二材料層的二階非線性系數的符號與第一材料層的二階非線性系數的符號相反。本發明利用二階非線性系數的符號彼此相反的，并且堆疊于一起的第一材料層和第二材料層構成波導芯層，匹配所產生的二次諧波在波導芯層中的電場方向分布，在簡單波導芯層結構中實現了較高的二次諧波的轉換效率，并且降低了光學諧波產生器的制備難度，實現利用簡單的器件結構有效提高二次諧波的產生效率的目的。

技術領域

本發明涉及非線性光學技術領域，特別涉及一種利用非線性系數與二次諧波光場分布相匹配的光學諧波產生器及其制備方法。

背景技術

光學二次諧波產生是利用強相干光場與具有二階非線性的光學材料的相互作用將頻率上轉換至二次諧波的過程，光學二次諧波是產生新的頻率、擴展波段范圍的重要方法，在測量、成像等領域具有重要應用。

傳統的光學二次諧波產生方式是將泵浦激光注入非線性光學晶體中而產生二次諧波，該傳統方式所涉及的器件體積大，并且難以集成。

近年來，隨著微納工藝的發展，基于集成光波導的二次諧波產生得到了廣泛研究。通過將光場限制在小的光波導中可以有效增強光波導的非線性效應，降低非線性效應的閾值，使得采用更低功率的泵浦光就可以測量到其他頻率的光的產生。目前已經在氮化鋁(AlN)、氮化鎵(GaN)、砷化鎵(GaAs)、薄膜鈮酸鋰(Lithium Niobate on Insulator，LNOI)等集成平臺上實現了高效率的二次諧波產生。

采用集成光波導產生二次諧波，需要考慮基波和二次諧波的模式分布的情況。波導中所能傳輸的電磁場的分布稱為波導的模式，波導中的模式分為空間輻射模、襯底輻射模、導模和表面模等幾大類，其中導?？梢栽诓▽е杏行鬏敚椛淠：纳⒌桨鼘雍鸵r底中，無法傳輸。理論上波導的模式可以通過求解亥姆霍茲方程得出。

在一定的電磁場邊界條件下求解波導的橫向亥姆霍茲方程，可得到一系列特解。在平板波導中存在兩種基本的本征模式，一種稱為TE模，另一種稱為TM模。而波導中其他形式的電磁場都可以按這兩種基本模式進行傅里葉展開來表達。

用光的電場和磁場的偏振方向來定義TE模和TM模比較直觀。選擇電場只沿平行于波導界面的方向偏振，此時電場垂直于光的傳輸方向，即電場的偏振方向是橫向的，因而將這種模式稱為橫電模(Transverse Electric Mode)，即TE模。選擇磁場只沿平行于波導界面的方向偏振，此時磁場垂直于光的傳輸方向，即磁場的偏振方向是橫向的，因而將這種模式稱為橫磁模(Transverse Magnetic Mode)，即TM模。

與平板波導略有不同的是，脊波導中支持的兩種本征模式為準TE模和準TM模，其中準TE模的電場的主要分量平行于波導截面的方向偏振，準TM模的電場的主要分量平行于波導截面的方向偏振。

二次諧波產生的一個關鍵參數是轉換效率，其要求相互作用的光波之間滿足相位匹配條件，同時要求光波之間重疊積分大。目前常用的集成光波導器件相位匹配方法包括兩種：模式相位匹配和準相位匹配。其中，模式相位匹配是利用波導中豐富的模式，通過調整波導結構參數實現基波和二次諧波模式間的相位匹配，但由于模式空間分布上的差異，基波和二次諧波之間的模場重疊小，導致轉換效率較低。準相位匹配是采用周期性光學超晶格結構提供倒格矢，補償相位失配，由于基波和二次諧波均采用基模(波導結構中的最低階模)，模場重疊大，效率高，但需要復雜的周期極化反轉工藝，器件的制備難度大。

可見，模式相位匹配和準相位匹配二者所面臨的問題分別是轉換效率低和器件制備難度大，因此，在轉換效率和器件制備難度之間尋求一種平衡，既具備較高的轉換效率又具備較低的制備難度，便成為亟待解決的問題。

發明內容

有鑒于此，本發明提供一種光學諧波產生器及其制備方法，以實現較高的二次諧波的轉換效率和較低的制備難度，實現利用簡單的器件結構有效提高二次諧波的產生效率。