一种周期极化薄膜铌酸锂波导结构及其频率转换方法

技术领域

本发明属于非线性光学中和频产生相位匹配技术领域，具体涉及一种周期极化薄膜铌酸锂波导结构及其频率转换方法。

背景技术

工作在红外波段的光子探测技术在很多方面都发挥着作用，比如：分子光谱、生物医学传感、大气遥感和系外行星探测等方面。

为了能在室温下进行光子探测工作，通过和频手段将红外光转换成易被探测的可见光的上转换探测器是较为常用的室温红外光子探测器。周期极化铌酸锂晶体或波导作为当前上转换探测器中进行和频产生的主要材料，存在体积过大、光限域能力不足等缺点，在集成度、探测效率等方面逐渐无法满足当前日益发展的探测技术要求。而基于薄膜铌酸锂平台的周期极化薄膜铌酸锂波导有着更加灵活的模式调控能力并且有利于器件朝小型化方向发展。

目前，大多数的上转换设计都基于基模之间的相互作用，模式间的群速度较难调控。

因此，如何增强波导的模式调控能力，使偏振无关和大带宽的频率上转换转换更易实现，已成为亟待解决的重要课题。

发明内容

为此，本发明提供一种周期极化薄膜铌酸锂波导结构及其频率转换方法，采用高阶模辅助的方法，极大增强波导的模式调控能力，使偏振无关和大带宽的频率上转换转换更易实现。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种周期极化薄膜铌酸锂波导结构，包括第一周期极化薄膜铌酸锂波导、第二周期极化薄膜铌酸锂波导、Y型波导、偏振分束器、第二模式转换器和第一模式转换器；所述偏振分束器通过所述Y型波导分别与所述第一周期极化薄膜铌酸锂波导、所述第二周期极化薄膜铌酸锂波导进行连接；

所述第一周期极化薄膜铌酸锂波导和所述第二周期极化薄膜铌酸锂波导形成双通道周期极化薄膜铌酸锂波导；

所述第一周期极化薄膜铌酸锂波导、所述第二周期极化薄膜铌酸锂波导、所述Y型波导、所述偏振分束器、所述第二模式转换器和所述第一模式转换器均位于二氧化硅衬底上。

作为一种周期极化薄膜铌酸锂波导结构优选方案，所述偏振分束器包括上端波导和下端波导；所述第二模式转换器的模式输出波导和所述偏振分束器的所述下端波导共用；所述第一模式转换器的模式输出波导和所述偏振分束器的所述上端波导共用。

作为一种周期极化薄膜铌酸锂波导结构优选方案，所述Y型波导包括Y型波导上端波导和Y型波导下端波导；

所述上端波导通过所述Y型波导上端波导与所述第一周期极化薄膜铌酸锂波导相连接；所述下端波导通过所述Y型波导下端波导与所述第二周期极化薄膜铌酸锂波导相连接。

作为一种周期极化薄膜铌酸锂波导结构优选方案，所述第一周期极化薄膜铌酸锂波导的宽度w1和所述第二周期极化薄膜铌酸锂波导的宽度w2相等；

所述第一周期极化薄膜铌酸锂波导的高度h1和所述第二周期极化薄膜铌酸锂波导的高度h2相等；

所述第一周期极化薄膜铌酸锂波导的长度L1和所述第二周期极化薄膜铌酸锂波导的长度L2相等。

本发明还提供一种周期极化薄膜铌酸锂波导结构的频率转换方法，包括以下步骤：

将基模信号光输入模式转化器中，通过所述模式转换器将所述基模信号光转化为高阶模泵浦光，将所述高阶模泵浦光通过Y型波导输入到第一周期极化薄膜铌酸锂波导和第二周期极化薄膜铌酸锂波导形成的双通道周期极化薄膜铌酸锂波导中；

将基模信号光输入偏振分束器中，通过所述Y型波导输入到所述双通道周期极化薄膜铌酸锂波导中；

所述基模信号光和所述高阶模泵浦光同时进入所述双通道周期极化薄膜铌酸锂波导，通过所述双通道周期极化薄膜铌酸锂波导进行准相位匹配，生成高阶模光和频光；

通过所述双通道周期极化薄膜铌酸锂波导将所述高阶模和频光和所述基模信号光之间的群速度失配量调节到设定值，实现偏振无关频率转换。

作为一种周期极化薄膜铌酸锂波导结构的频率转换方法优选方案，将TE模信号光输入第一模式转换器，经过所述第一模式转换器耦合后，TE模信号光转化为TE

作为一种周期极化薄膜铌酸锂波导结构的频率转换方法优选方案，将TM模信号光输入第二模式转换器，经过所述第二模式转换器耦合后，TM模信号光转化为TM

作为一种周期极化薄膜铌酸锂波导结构的频率转换方法优选方案，将TE模信号光和TM模信号光同时输入偏振分束器，TE模信号光发生相位匹配耦合，通过所述Y型波导上端波导进入所述第一周期极化薄膜铌酸锂波导；TM模信号光不发生耦合，通过所述Y型波导下端波导进入所述第二周期极化薄膜铌酸锂波导。

作为一种周期极化薄膜铌酸锂波导结构的频率转换方法优选方案，所述TE

作为一种周期极化薄膜铌酸锂波导结构的频率转换方法优选方案，通过所述第一周期铌酸锂波导和所述第二周期极化薄膜铌酸锂波导将高阶模和频光和基模信号光之间的群速度失配量调节到设定值，实现偏振无关频率转换。

本发明具有如下优点：包括第一周期极化薄膜铌酸锂波导、第二周期极化薄膜铌酸锂波导、Y型波导、偏振分束器、第二模式转换器和第一模式转换器；所述偏振分束器通过所述Y型波导分别与所述第一周期极化薄膜铌酸锂波导、所述第二周期极化薄膜铌酸锂波导进行连接；所述第一周期极化薄膜铌酸锂波导和所述第二周期极化薄膜铌酸锂波导形成双通道周期极化薄膜铌酸锂波导；所述第一周期极化薄膜铌酸锂波导、所述第二周期极化薄膜铌酸锂波导、所述Y型波导、所述偏振分束器、所述第二模式转换器和所述第一模式转换器均位于二氧化硅衬底上。所述偏振分束器包括上端波导和下端波导；所述第二模式转换器的模式输出波导和所述偏振分束器的所述下端波导共用；所述第一模式转换器的模式输出波导和所述偏振分束器的所述上端波导共用。所述Y型波导包括Y型波导上端波导和Y型波导下端波导；所述上端波导通过所述Y型波导上端波导与所述第一周期极化薄膜铌酸锂波导相连接；所述下端波导通过所述Y型波导下端波导与所述第二周期极化薄膜铌酸锂波导相连接。作为一种周期极化薄膜铌酸锂波导结构优选方案，所述第一周期极化薄膜铌酸锂波导的宽度w1和所述第二周期极化薄膜铌酸锂波导的宽度w2相等；所述第一周期极化薄膜铌酸锂波导的高度h1和所述第二周期极化薄膜铌酸锂波导的高度h2相等；所述第一周期极化薄膜铌酸锂波导的长度L1和所述第二周期极化薄膜铌酸锂波导的长度L2相等。将基模信号光输入模式转化器中，通过所述模式转换器将所述基模信号光转化为高阶模泵浦光，将所述高阶模泵浦光通过Y型波导输入到第一周期极化薄膜铌酸锂波导和第二周期极化薄膜铌酸锂波导形成的双通道周期极化薄膜铌酸锂波导中；将基模信号光输入偏振分束器中，通过所述Y型波导输入到所述双通道周期极化薄膜铌酸锂波导中；所述基模信号光和所述高阶模泵浦光同时进入所述双通道周期极化薄膜铌酸锂波导，通过所述双通道周期极化薄膜铌酸锂波导进行准相位匹配，生成高阶模光和频光；通过所述双通道周期极化薄膜铌酸锂波导将所述高阶模和频光和所述基模信号光之间的群速度失配量调节到设定值，实现偏振无关频率转换。

本发明借助高阶模式在色散工程中具有的更多的自由度，使得群速度失配量更容易近零实现宽带展宽，通过双通道周期极化薄膜铌酸锂波导结构实现偏振无关。该偏振无关宽带上转换设计具有大带宽，偏振无关等优势，可在宽带光谱学、量子信息处理和其他光学非互易器件等领域得到广泛应用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，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，还可以根据提供的附图引申获得其它的实施附图。

图1为本发明实施例1中提供的一种周期极化薄膜铌酸锂波导结构的结构示意图；

图2为本发明实施例1中提供的一种周期极化薄膜铌酸锂波导结构中的周期极化薄膜铌酸锂波导横截面的局部放大图；

图3为本发明实施例2中提供的一种周期极化薄膜铌酸锂波导结构的频率转换方法流程示意图；

图4为本发明实施例2中提供的一种周期极化薄膜铌酸锂波导结构的频率转换方法中的第一周期极化薄膜铌酸锂波导中上转换光信号TM

图5为本发明实施例2中提供的一种周期极化薄膜铌酸锂波导结构的频率转换方法中的第二周期极化薄膜铌酸锂波导中上转换光信号TM

图6为本发明实施例2中提供的一种周期极化薄膜铌酸锂波导结构的频率转换方法中的信号光归一化功率与传播长度的关系示意图；

图7为本发明实施例2中提供的一种周期极化薄膜铌酸锂波导结构的频率转换方法中的信号光的光谱示意图。

图中，1、第一周期极化薄膜铌酸锂波导；2、第二周期极化薄膜铌酸锂波导；3、Y型波导；4、偏振分束器；5、第二模式转换器；6、第一模式转换器；31、Y型波导上端波导；32、Y型波导下端波导；41、上端波导；42、下端波导。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，以下实施例中，“高阶模和频光”是一个名称，“和频”是本领域常用的一种表达，比如，和频光谱是一种相干的二阶非线性光学过程。当两束脉冲激光同时照射到同一样品时，会产生频率等于两束入射光之和的光信号，这就是和频光谱信号。

实施例1

参见图1和图2，本发明实施例1提供一种周期极化薄膜铌酸锂波导结构，包括第一周期极化薄膜铌酸锂波导1、第二周期极化薄膜铌酸锂波导2、Y型波导3、偏振分束器4、第二模式转换器5和第一模式转换器6；偏振分束器4通过Y型波导3分别与第一周期极化薄膜铌酸锂波导1、第二周期极化薄膜铌酸锂波导2进行连接；

第一周期极化薄膜铌酸锂波导1和第二周期极化薄膜铌酸锂波导2形成双通道周期极化薄膜铌酸锂波导；

第一周期极化薄膜铌酸锂波导1、第二周期极化薄膜铌酸锂波导2、Y型波导3、偏振分束器4、第二模式转换器5和第一模式转换器6均位于二氧化硅衬底上。

其中，第一周期极化薄膜铌酸锂波导1、第二周期极化薄膜铌酸锂波导2、Y型波导3、第一模式转换器6、第二模式转换器5和偏振分束器4均是采用铌酸锂材料。

本实施例中，偏振分束器4包括上端波导41和下端波导42；第二模式转换器5的模式输出波导和偏振分束器4的下端波导42共用；第一模式转换器6的模式输出波导和偏振分束器4的上端波导41共用。

具体的，第一模式转换器6的模式输出波导与偏振分束器4的上端波导41共用；第二模式转换器5的模式输出波导与偏振分束器4的下端波导42共用。

本实施例中，Y型波导3包括Y型波导上端波导31和包括Y型波导下端波导32；上端波导41通过Y型波导上端波导31与第一周期极化薄膜铌酸锂波导1相连接；下端波导42通过Y型波导下端波导32与第二周期极化薄膜铌酸锂波导2相连接。

本实施例中，第一周期极化薄膜铌酸锂波导1的宽度w1和第二周期极化薄膜铌酸锂波导2的宽度w2相等；

第一周期极化薄膜铌酸锂波导1的高度h1和第二周期极化薄膜铌酸锂波导2的高度h2相等；

第一周期极化薄膜铌酸锂波导1的长度L1和第二周期极化薄膜铌酸锂波导的长度L2相等。

其中，第一周期极化薄膜铌酸锂波导1的宽度w1和第二周期极化薄膜铌酸锂波导2的宽度w2相等，均为2300nm；第一周期极化薄膜铌酸锂波导1的高度h1和第二周期极化薄膜铌酸锂波导2的高度h2相等，均为600nm；第一周期极化薄膜铌酸锂波导1的长度L1和第二周期极化薄膜铌酸锂波导的长度L2相等，均为40mm；第一周期极化薄膜铌酸锂波导1的极化周期为6.82μm，第二周期极化薄膜铌酸锂波导2的极化周期为2.63μm。

综上所述，本发明包括第一周期极化薄膜铌酸锂波导1、第二周期极化薄膜铌酸锂波导2、Y型波导3、偏振分束器4、第二模式转换器5和第一模式转换器6；偏振分束器4通过Y型波导3分别与第一周期极化薄膜铌酸锂波导1、第二周期极化薄膜铌酸锂波导2进行连接；第一周期极化薄膜铌酸锂波导1和第二周期极化薄膜铌酸锂波导2形成双通道周期极化薄膜铌酸锂波导；第一周期极化薄膜铌酸锂波导1、第二周期极化薄膜铌酸锂波导2、Y型波导3、偏振分束器4、第二模式转换器5和第一模式转换器6均位于二氧化硅衬底上。偏振分束器4包括上端波导41和下端波导42；第二模式转换器5的模式输出波导和偏振分束器4的下端波导42共用；第一模式转换器6的模式输出波导和偏振分束器4的上端波导41共用。Y型波导3包括Y型波导上端波导31和包括Y型波导下端波导32；上端波导41通过Y型波导上端波导31与第一周期极化薄膜铌酸锂波导1相连接；下端波导42通过Y型波导下端波导32与第二周期极化薄膜铌酸锂波导2相连接。第一周期极化薄膜铌酸锂波导1的宽度w1和第二周期极化薄膜铌酸锂波导2的宽度w2相等；第一周期极化薄膜铌酸锂波导1的高度h1和第二周期极化薄膜铌酸锂波导2的高度h2相等；第一周期极化薄膜铌酸锂波导1的长度L1和第二周期极化薄膜铌酸锂波导的长度L2相等。本发明借助高阶模式在色散工程中具有的更多的自由度，使得群速度失配量更容易近零实现宽带展宽，通过双通道周期极化薄膜铌酸锂波导结构实现偏振无关。该偏振无关宽带上转换设计具有大带宽，偏振无关等优势，可在宽带光谱学、量子信息处理和其他光学非互易器件等领域得到广泛应用。

实施例2

参见图3、图4、图5、图6和图7，本发明实施例2提供一种周期极化薄膜铌酸锂波导结构的频率转换方法，包括以下步骤：

S1、将基模信号光输入模式转化器中，通过所述模式转换器将所述基模信号光转化为高阶模泵浦光，将所述高阶模泵浦光通过Y型波导输入到第一周期极化薄膜铌酸锂波导和第二周期极化薄膜铌酸锂波导形成的双通道周期极化薄膜铌酸锂波导中；

S2、将基模信号光输入偏振分束器中，通过所述Y型波导输入到所述双通道周期极化薄膜铌酸锂波导中；

S3、所述基模信号光和所述高阶模泵浦光同时进入所述双通道周期极化薄膜铌酸锂波导，通过所述双通道周期极化薄膜铌酸锂波导进行准相位匹配，生成高阶模光和频光；

S4、通过所述双通道周期极化薄膜铌酸锂波导将所述高阶模和频光和所述基模信号光之间的群速度失配量调节到设定值，实现偏振无关频率转换。

本实施例中，在步骤S1中，将TE模信号光输入所述第一模式转换器6，经过所述第一模式转换器6耦合后，TE模信号光转化为TE

将TM模信号光输入所述第二模式转换器5，经过所述第二模式转换器5耦合后，TM模信号光转化为TM

本实施例中，在步骤S2中，将TE模信号光和TM模信号光同时输入所述偏振分束器4，TE模信号光发生相位匹配耦合，通过所述Y型波导上端波导31进入所述第一周期极化薄膜铌酸锂波导1；TM模信号光不发生耦合，通过所述Y型波导下端波导32进入所述第二周期极化薄膜铌酸锂波导2。

本实施例中，在步骤S3中，所述TE

本实施例中，在步骤S4中，通过所述第一周期铌酸锂波导1和所述第二周期极化薄膜铌酸锂波导2将高阶模和频光和基模信号光之间的群速度失配量调节到设定值，实现偏振无关频率转换。

具体的，选取传播过程中的归一化功率转换效率η

式中，P

当输入的信号光源为TE模式时，上转换生成的TM

参照图7，无论输入信号光是TE还是TM偏振，3-dB带宽都大大展宽。这是因为在引入高阶模后，群速度失配量变得更小了，这种情况下更容易获得较大带宽的光谱图形。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。