一种基于微米光纤集成的高效倍频器件制造技术

本实用新型专利技术涉及非线性光学领域，具体涉及一种基于微米光纤集成的高效倍频器件。包括：衬底、叉指电极、二阶非线性光学材料薄膜和微纳光纤；所述叉指电极设置在衬底上表面，所述二阶非线性光学材料薄膜覆盖在叉指电极上表面，所述微纳光纤紧贴于二阶非线性光学材料薄膜上表面。本实施例将具有良好二阶非线性光学系数的材料薄膜覆盖在叉指电极上，微纳光纤与材料薄膜耦合激发二阶非线性的同时满足准相位匹配以及局域场增强，可以实现高效的倍频转换过程。换过程。换过程。

【技术实现步骤摘要】
一种基于微米光纤集成的高效倍频器件


[0001]本技术涉及非线性光学领域，更具体地，涉及一种基于微米光纤集成的高效倍频器件。

技术介绍

[0002]激光的专利技术开辟了非线性光学的广阔领域，当电场强度可与原子内部的库伦场相比拟的光波与介质产生相互作用时将激发非线性效应，其中介质极化率P与场强E的关系可写成：
[0003]P＝x
(1)
E+x
(2)
:EE+x
(3)
:EEE+
…
[0004]x
(2)
是二阶非线性系数，它负责二次谐波生成、和频生成、差频生成以及许多其他三波混频过程。在自然界中存在许多表现出高性能x
(2)
的二阶非线性晶体，包括铌酸锂、磷酸二氢钾等，它们的共同特点是缺乏中心反转对称性。基于这些晶体实现的二阶非线性光学频率转换目前已广泛应用于光谱学、超短脉冲倍频、信号处理以及光通信领域，传统的二阶频率转换系统通常在离子交换的周期化铌酸锂波导中实现，其中准相位匹配通过周期畴反转实现，以增强非线性转换效率。
[0005]随着通信系统对数据速率的要求不断增加，将所有光学元件集成在一个芯片中已成为趋势，而将自由空间光精准地耦合进波导内需要借助相当多的光学元件，这不利于器件的集成化、微型化，也不利于长距离信号的收集。同时，铌酸锂等传统波导，其脊波导粗糙的侧壁会带来较大的散射损耗；质子交换波导折射率对比度小，仅支持TM引导模式。这些缺点限制了周期性铌酸锂波导作为二阶非线性光学频率转换系统的进一步应用。
[0006]二氧化硅光纤天然具备超低损耗、高损伤阈值等固有特性，可以实现长距离通信和传感。但是由于石英纤维的中心对称结构，它本身并不具备二阶非线性光学系数。目前主要通过热极化、电场极化和光学极化来人为地破坏光纤的中心对称性，但是这些方法通常面临着复杂的工艺和苛刻的制造条件。随着材料学的发展，大量缺乏中心对称性、具有良好二阶非线性光学系数的材料被发现，这些材料由于其稳定的物理化学性质、超高的机械强度，可与微尺寸光电器件完美结合。通过将光纤与具有强二阶非线性系数和多模式重叠的材料集成实现具有二阶非线性的混合系统，可能实现基于光纤的谐波源、光学参量振荡器、自发参量下转换变频源以及基于光纤的量子通信。

技术实现思路

[0007]本技术旨在克服上述现有技术的至少一种缺陷(不足)，提供一种基于微米光纤集成的高效倍频器件，将具有良好二阶非线性光学系数的材料薄膜覆盖在叉指电极上，微纳光纤与材料薄膜耦合激发二阶非线性的同时满足准相位匹配以及局域场增强，可以实现高效的倍频转换过程。
[0008]本技术采取的技术方案是，提供一种基于微米光纤集成的高效倍频器件，包括：衬底、叉指电极、二阶非线性光学材料薄膜和微纳光纤；所述叉指电极设置在衬底上表
面，所述二阶非线性光学材料薄膜覆盖在叉指电极上表面，所述微纳光纤紧贴于二阶非线性光学材料薄膜上表面。
[0009]由于微纳光纤无需借助其他光学元件即可引导光长距离低损耗传输，但其自身不具备二阶非线性，因此本技术将具有良好二阶非线性光学系数的材料薄膜覆盖在叉指电极上，使微纳光纤与材料薄膜耦合激发二阶非线性，在使用时可以通过改变光纤与二阶非线性光学材料薄膜接触的角度，实现不同基频光波长下的相位匹配以实现倍频转换。而现有技术中多为将二阶非线性光学材料直接掺杂至光纤上，导致材料已经与光纤浑然一体，这样就固定了器件的响应波长，也无法进行相位匹配，从而使转换效率较低。本技术实现了光纤的在线集成，无需引入多余的光学元件进行光与波导的耦合，极大地改善了现有非线性光学装置尺寸大、结构复杂的问题。同时，可以通过改变微纳光纤的直径、叉指电极的周期、微纳光纤与叉指电极的夹角以及基频光波长来实现准相位匹配。
[0010]进一步的，所述叉指电极厚度为20
‑
200nm，相邻叉指的间距为30
‑
200μm。叉指电极的厚度不能过厚，以免对光场产生一定的影响。同时，通过控制相邻叉指的间距可以控制叉指电极的周期，从而为准相位匹配提供合适的周期，同时可以通过局域场的增强效果，增强光与二阶非线性光学材料相互作用。
[0011]进一步的，所述二阶非线性光学材料薄膜厚度为0.6nm
‑
1μm，尺寸大于或等于1cm*1cm。由于厚度比工作波长更小，因此属于亚波长，亚波长的厚度是为了方便与微纳光纤相集成，大于或等于1cm*1cm的尺寸是为了与长周期叉指电极相匹配。
[0012]进一步的，所述微纳光纤由氢焰拉锥法制备，具有双锥形结构，双锥形结构区域紧贴于所述二阶非线性光学材料薄膜。双锥形结构之间的直径需具备良好的均匀性，误差在
±
1μm以内，小误差会提高准相位匹配的成功率，从而提升倍频转换效率。
[0013]进一步的，所述微纳光纤的直径为6
‑
18μm，直径由两侧向中间逐渐减小，并在腰部趋于均匀，双锥形结构之间的长度为7
‑
20mm。
[0014]当微纳光纤直径减小至微米甚至纳米量级时，在微纳光纤中传输的光会在外部产生较强的倏逝场沿着微纳光纤表面传播，有利于光与物质相互作用。信号光从微纳光纤一端通入，在双锥形结构区产生倏逝场，与二阶非线性光学材料薄膜相互作用的同时，叉指电极提供了准相位匹配以及局域场增强，提升了非线性转换效率。
[0015]进一步的，所述衬底使用折射率与微纳光纤折射率相近的材料制成。与微纳光纤相近的折射率能对微纳光纤产生的倏逝场进行更好的耦合。
[0016]进一步的，所述叉指电极的材料为金、银、铜、铂、铝、铋、钛、钯、铬、锌、钼、氧化铟锡中的任意一种。叉指电极的金属材料可对输入光的偏振进行选择。
[0017]进一步的，所述叉指电极通过真空电子束蒸发镀膜、光刻、磁控溅射、激光雕刻、刮擦中的任意一种方法制备。
[0018]进一步的，所述二阶非线性光学材料薄膜所使用的材料为奇数层过渡金属二卤族化合物或氧化物晶体。这些材料都是具有良好二阶非线性光学系数的材料，可以保证高效二阶非线性光学效应的产生。
[0019]进一步的，所述微纳光纤为单模光纤、少模光纤、多模保偏光纤、光子晶体光纤中的任意一种。
[0020]与现有技术相比，本技术的有益效果为：
[0021](1)将微纳光纤与具有二阶非线性光学系数的材料薄膜相结合，解决了光纤不具备二阶非线性光学系数从而难以产生非线性光学效应的问题，同时提高了倍频转换的效率；
[0022](2)实现了光纤的在线集成，无需引入多余的光学元件进行光与波导的耦合，极大地改善了现有非线性光学装置尺寸大、结构复杂的问题；
[0023](3)可以通过改变光纤与二阶非线性光学材料薄膜接触的角度，实现不同基频光波长下的相位匹配以实现倍频转换。
附图说明
[0024]图1为实施例1的结构俯视图。
[0025]图2为实施例1的结构截面本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于微米光纤集成的高效倍频器件，其特征在于，包括：衬底、叉指电极、二阶非线性光学材料薄膜和微纳光纤；所述叉指电极设置在衬底上表面，所述二阶非线性光学材料薄膜覆盖在叉指电极上表面，所述微纳光纤紧贴于二阶非线性光学材料薄膜上表面。2.根据权利要求1所述的一种基于微米光纤集成的高效倍频器件，其特征在于，所述叉指电极厚度为20
‑
200nm，相邻叉指的间距为30
‑
200μm。3.根据权利要求1所述的一种基于微米光纤集成的高效倍频器件，其特征在于，所述二阶非线性光学材料薄膜厚度为0.6nm
‑
1μm，尺寸大于或等于1cm*1cm。4.根据权利要求1所述的一种基于微米光纤集成的高效倍频器件，其特征在于，所述微纳光纤由氢焰拉锥法制备，具有双锥形结构，双锥形结构区域紧贴于所述二阶非线性光学材料薄膜。5.根据权利要求4所述的一种基于微米光纤集成的高效倍频器件，其特征在于，所述微纳光纤的直径为6
‑
18μm，直径由两侧向中间逐渐减小，并在腰部趋于均匀，双锥形结构之间的长度为7...

【专利技术属性】
技术研发人员：余健辉，陈伟栋，张宇，林子祺，钟永春，唐洁媛，
申请(专利权)人：暨南大学，
类型：新型
国别省市：