[發明專利]一種片上集成倍頻器件及其制備方法

在審

• 申請號: 202110987782.2
• 申請日: 2021-08-26
• 公開（公告）號: CN113820901A
• 公開（公告）日: 2021-12-21
• 發明（設計）人: 李志遠;彭凌志;洪麗紅;李銘洲
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: G02F1/35
• 分類號: G02F1/35
• 代理公司: 廣州嘉權專利商標事務所有限公司 44205
• 代理人: 鄭宏謀

本發明公開了一種片上集成倍頻器件及其制備方法，其中片上集成倍頻器件包括：鈮酸鋰襯底；導電金屬層，設置在所述鈮酸鋰襯底上；二氧化硅層，設置在所述導電金屬層上；啁啾極化鈮酸鋰薄膜層，設置在所述二氧化硅層上，包括多個依次排列且長度不等的疇結構，多個疇結構中相鄰疇的極化方向相反，所述多個疇結構提供的寬帶倒格矢對入射飛秒脈沖激光的倍頻過程中的相位失配進行補償。本發明通過將準相位匹配技術和啁啾調制技術引入片上鈮酸鋰薄膜，可以在片上集成器件中實現寬帶頻譜范圍的高效倍頻。本發明可廣泛應用于集成光子學領域。

技術領域

本發明涉及集成光子學領域，尤其涉及一種片上集成倍頻器件及其制備方法。

背景技術

集成光子學平臺可在單一襯底材料中集成高密度、多功能的微納光學元件，靈活地實現有源和無源等多種光子學功能，顯著改善光子學系統的穩定性并提高其效率，同時也為光學系統的小型化、集成化提供了低成本、小尺寸、可擴展的解決方案。鈮酸鋰晶體具有寬透明窗口、高非線性光學系數、高折射率，以及較強的電光、聲光、壓電效應等優良的光學性能，在高速電光調、全息存儲、非線性頻率轉換等方面有著廣泛的應用，是集成光學器件襯底材料的重要候選者，被稱為光子學領域的“硅”。在非線性光學方面，鈮酸鋰具有較高的二階有效非線性系數以及優良的三階非線性光學特性。因此，基于準相位匹配技術的周期性極化鈮酸鋰已經逐漸成為成熟的集成光學平臺。然而，塊體材料上制備的非線性變頻器件尺寸往往較大，不易于提高器件的集成度，單晶鈮酸鋰薄膜的出現很好的解決了這個問題。目前，已經實現了基于周期極化鈮酸鋰薄膜的片上非線性變頻器件。然而，現有器件只能對單色激光或者窄帶頻譜的激光進行非線性頻率轉換，無法實現飛秒脈沖激光這種擁有寬帶頻譜光源的高效倍頻。

發明內容

為至少一定程度上解決現有技術中存在的技術問題之一，本發明的目的在于提供一種片上集成倍頻器件及其制備方法。

本發明所采用的技術方案是：

一種片上集成倍頻器件，包括：

鈮酸鋰襯底；

導電金屬層，設置在所述鈮酸鋰襯底上；

二氧化硅層，設置在所述導電金屬層上；

啁啾極化鈮酸鋰薄膜層，設置在所述二氧化硅層上，包括多個依次排列且長度不等的疇結構，多個疇結構中相鄰疇的極化方向相反，所述多個疇結構提供的寬帶倒格矢對入射飛秒脈沖激光的倍頻過程中的相位失配進行補償。

進一步地，所述多個疇結構的長度沿著光傳播方向按照連續的啁啾變化而改變；

每個所述疇結構的長度根據以下公式確定：

其中，z表示某一個疇結構所對應的z方向上的起始位置坐標，z方向為光傳播方向，₀為入射飛秒脈沖激光的中心波長所對應的倍頻過程所需要的極化周期，D_g為啁啾度。

進一步地，通過設計所述極化周期Λ₀、啁啾度D_g以及所述啁啾極化鈮酸鋰薄膜層的長度L的數值，使所述啁啾極化鈮酸鋰薄膜層的倒格矢呈現為：以入射飛秒脈沖激光的中心波長所對應的倍頻過程的相位失配為中心的倒格矢帶。

進一步地，所述倒格矢帶對應于入射飛秒脈沖激光中各個頻譜分量的倍頻過程以及和頻過程，為非線性頻率轉換過程提供相位補償。

進一步地，所述啁啾極化鈮酸鋰薄膜層的厚度為100-1000nm。

本發明所采用的另一技術方案是：

一種片上集成倍頻器件的制備方法，包括鈮酸鋰薄膜的制備過程和鈮酸鋰薄膜的極化過程；