[发明专利]一种高温度调谐效率的宽带光学倍频波导芯片

说明书

本申请公开了一种高温度调谐效率的宽带光学倍频波导芯片，包括：波导上包层、波导芯层、波导下包层以及基底层；宽带光学倍频波导器件位于波导芯层，包括：TE0到TE1模式转换器和周期性极化铌酸锂薄膜光波导。本申请利用TE0到TE1模式转换器将输入的TE0模式泵浦光高效地转换为TE1模式泵浦光。同时，利用TE1高阶模式在周期性极化铌酸锂薄膜光波导中的光学倍频具有高温度调谐效率和大带宽的特点，实现具有结构尺寸小、易于集成、高温度调谐效率和大带宽的光学倍频波导器件。此外，本申请采用的工艺步骤具有成本低、工艺简单等优点。

技术领域

本申请涉及光通信领域，具体涉及一种高温度调谐效率的宽带光学倍频波导芯片。

背景技术

二阶非线性效应，包括二次谐波生成(SHG)、级联倍频差频生成(cSHG/DFG)、级联和频差频生成(cSFG/DFG)等。高效和紧凑的二阶非线性波长转换器在集成光学、非线性光学中有许多应用场景，包括纠缠光子对生成、量子频率转换、低阈值光参量振荡器和超连续谱生成。上述应用主要在周期性极化铌酸锂(PPLN)晶体中实现，其中周期性反转畴区域是实现准相位匹配(QPM)波长转换过程的基础。与其他常用的二阶非线性材料(如AlN、GaAs和GaP)相比，铌酸锂具有很大的二阶非线性系数(d33＝25pm/V)和很宽的透明窗口(0.35μm～5μm)，并能实现稳定的周期性畴反转。因此，铌酸锂材料已经成为许多非线性光学应用的首选。

然而，传统的PPLN器件都是采用质子交换法或者钛扩散法制作而成，波导对光的限制能力差，光的模场分布大，因此传统的铌酸锂器件体积大，功耗高，不利于大规模的集成应用。近年来，薄膜铌酸锂技术的发展为铌酸锂平台带来了革命性的变化，绝缘体上铌酸锂(lithium niobate on insulator，LNOI)的结构类似于绝缘体上硅，由最下方的基底层，中间低折射率埋氧层(氧化硅)以及最上方的薄膜铌酸锂组成。铌酸锂和氧化硅之间高折射率差极大地增加了波导对光的限制，因此可以制作出高集成度，低功耗的光学器件。

相比于传统的PPLN波导，基于LNOI平台的薄膜PPLN波导具体强的光学限制和很小的模式面积，因此具有很高的非线性转换效率，且器件长度大幅度缩短。传统的PPLN波导的归一化倍频转换效率约为90％W^-1cm^-2，而波导长度一般为5cm以上。2018年，美国哈佛大学Loncar小组首次制备出片上薄膜PPLN波导，并测试得到归一化倍频转换效率高达2600％W^-1cm^-2，比当前最好的钛扩散PPLN波导效率提升20倍以上，且波导长度仅为4mm。2019年，美国中佛罗里达大学Fathpour小组采用在线监测极化质量的方法，测试得到归一化倍频转换效率高达4600％W^-1cm^-2。

虽然基于薄膜PPLN波导已经测得较高的归一化倍频转换效率，但是较小的倍频转换带宽以及固定的QPM波长仍是限制其走向实际应用的关键因素。2020年，美国斯蒂文斯理工学院的Huang小组基于群速度失配(GVM)色散工程在Z切薄膜PPLN波导中实现了通信波段的温度可调谐的光学倍频，温度调谐效率为-1.71nm/度；同年，美国斯坦福大学Fejer小组基于GVM色散工程首次在700nm，X切薄膜PPLN波导中实现了2μm波段的超宽带光学倍频，倍频转换带宽高达110nm。

上述两个团队均利用了GVM色散工程，其工作机理为，GVM越小，温度调谐效率越高，倍频转换带宽越大。其中Huang小组采用的Z切薄膜PPLN波导的GVM为177fs/mm，如果能够减小GVM，温度调谐效率有望进一步提升。Fejer小组采用的700nm，X切薄膜PPLN波导在2μm波段实现光学倍频的GVM为5fs/mm，该波导经过了精细的波导结构设计，包括波导宽度和刻蚀深度的扫描；但该700nm薄膜波导结构只适用于2μm波段的倍频，对于通信波段，该波导的GVM仍为200fs/mm左右，无法实现通信波段的超宽带光学倍频。