一种高温度调谐效率的宽带光学倍频波导芯片

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

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。

综上所述，适合于下一代大规模光电集成芯片的小尺寸、多功能、与CMOS制作工艺兼容的薄膜PPLN器件具有重大应用前景，但目前基于薄膜PPLN波导的位于通信波段的高温度调谐效率和大带宽的光学倍频器件的研究仍不充分。

发明内容

针对于上述现有技术存在的不足，本申请提供一种高温度调谐效率的宽带光学倍频波导芯片，利用TE0到TE1模式转换器将输入的TE0模式泵浦光转换为TE1模式泵浦光；利用TE1高阶模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。

为实现上述目的，本申请提供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、波导下包层和基底层；

所述波导芯层包括：宽带光学倍频波导器件；所述宽带光学倍频波导器件中的波导包括：条形波导或脊形波导；

所述宽带光学倍频波导器件包括：TE0到TE1模式转换器和周期性极化铌酸锂薄膜光波导。

优选的，所述波导上包层为空气或二氧化硅；

所述波导芯层为薄膜铌酸锂材料，厚度为100～2000nm；

所述波导下包层为二氧化硅；

所述基底层为铌酸锂、石英或硅。

优选的，所述波导芯层的折射率高于波导上包层和波导下包层的折射率。

优选的，高温度调谐效率的光学倍频基于以下条件：

其中，Δλ/ΔT表示泵浦中心波长变化与温度变化的比值，即光学倍频温度调谐效率；泵浦中心波长定义为倍频效率达到最大时的输入泵浦光波长；λ

GVM＝1/ν

其中，ν

优选的，宽带的光学倍频基于以下条件：

其中，Δλ

优选的，在所述周期性极化铌酸锂薄膜光波导中，TE1模式的泵浦光和倍频光之间的群速度失配很小，TE1模式泵浦光在所述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。

优选的，所述TE0到TE1模式转换器的工作流程包括：

将TE0模式泵浦光通过耦合转化成为TE1模式泵浦光；基于倍频非线性效应，所述TE1模式泵浦光在所述周期性极化铌酸锂薄膜光波导中实现高温度调谐效率和大带宽的高效光学倍频；所述泵浦光位于通信波段附近，倍频光位于600～800nm波段附近；基于所述周期性极化铌酸锂薄膜光波导的高效倍频非线性过程满足以下动量守恒和能量守恒条件：

2ω

其中，k

其中，λ

优选的，所述TE0到TE1模式转换器包括：线性渐变波导型模式转换器或MMI型模式转换器。

优选的，所述线性渐变波导型模式转换器的主要模式耦合区包括：两段宽度线性渐变的波导；第一段为宽度逐渐变小的窄波导，第二段为宽度逐渐变大的宽波导；基于模式耦合理论和仿真计算，在耦合区内窄波导中的TE0模有效折射率逐渐变小，宽波导中的TE1模有效折射率逐渐变大，两者的有效折射率在耦合区的某一位置必定会重叠，因此在耦合区内第一段窄波导中的TE0模式泵浦光能高效耦合为第二段宽波导中的TE1模式泵浦光。

优选的，所述MMI型模式转换器的工作流程包括：利用一个1×3的MMI，将两个相位差为180度的TE0模式转换为TE1模式输出。

与现有技术相比，本申请的有益效果如下：

(1)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。

(2)本申请利用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。

(3)本申请采用的工艺步骤具有成本低、工艺简单等优点。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面对实施例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是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例一的基于线性渐变波导型模式转换器的高温度调谐效率的宽带光学倍频波导芯片结构示意图；

图2为本申请中薄膜铌酸锂光波导的截面结构示意图；

图3为本申请实施例一中1550nmTE0模式在窄波导中和1550nmTE1模式在宽波导中的有效折射率随波导宽度变化的仿真点线示意图；

图4(a)为本申请实施例一中TE0到TE1模式的耦合效率随耦合区长度变化的仿真曲线示意图，图4(b)为本申请实施例一中TE0到TE1模式的耦合效率随输入波长变化的仿真曲线示意图；

图5为本申请实施例一中线性渐变波导型模式转换器的模场传输仿真示意图；

图6(a)为本申请中1550nmTE0泵浦光和775nmTE0倍频光的群速度随波导刻蚀深度变化的仿真曲线示意图，图6(b)为本申请中1550nmTE1泵浦光和775nmTE1倍频光的群速度随波导刻蚀深度变化的仿真曲线示意图；

图7(a)为本申请中1550nmTE0泵浦光经过倍频生成775nmTE0倍频光过程中的群速度失配和温度调谐效率随波导刻蚀深度变化的仿真点线示意图，图7(b)为本申请中1550nmTE1泵浦光经过倍频生成775nmTE1倍频光过程中的群速度失配和温度调谐效率随波导刻蚀深度变化的仿真点线示意图；

图8为本申请实施例二的基于MMI型模式转换器的高温度调谐效率的宽带光学倍频波导芯片结构示意图。

附图标记说明：5、波导上包层；6、波导芯层；7、波导下包层；8、基底层；10、输入波导；11、输出波导；20、耦合区线性渐变窄波导；21、耦合区线性渐变宽波导；30、连接区宽波导；31、连接区线性渐变宽波导；32、连接区窄波导；40、电畴反转区波导；41、电畴未反转区波导；90、1×2MMI输入波导；91、1×2MMI多模波导；92、1×2MMI输出上端波导；93、1×2MMI输出下端波导；100、180度相移波导；101、连接波导；110、1×3MMI输入上端波导；111、1×3MMI输入中间波导；112、1×3MMI输入下端波导；113、1×3MMI多模波导；114、1×3MMI输出端波导。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。

图2为本申请实施例一、二采用的薄膜铌酸锂平台的截面示意图，自上至下依次为波导上包层5、波导芯层6、波导下包层7和基底层8，本申请中宽带光学倍频波导器件位于波导芯层6，为铌酸锂材质。

其中，波导上包层5为空气或二氧化硅；波导芯层6演示的为X切Y向传输的薄膜铌酸锂脊波导，实际应用中也可为薄膜铌酸锂条波导；波导下包层7为二氧化硅；基底层8为硅、铌酸锂或石英。

实施例一

在本实施例一中，周期性极化铌酸锂薄膜光波导采用脊形波导结构，如图2所示。相应的，波导上包层5为空气或二氧化硅，在本实施例中，采用二氧化硅；波导芯层6为薄膜铌酸锂材料，厚度为100～2000nm，总高度为600nm，脊高度为400～600nm，脊宽度为2μm，即为波导下底宽度；波导下包层7为二氧化硅；在本实施例中，基底层8采用硅材质，除此之外，也可以采用铌酸锂或者石英。需要说明的是，在本实施例中，波导芯层的折射率要高于波导上包层和波导下包层的折射率。

图1为本实施例所提供的一种基于线性渐变波导型模式转换器的高温度调谐效率的宽带光学倍频波导芯片结构示意图，该光学倍频波导器件包括周期性极化铌酸锂薄膜光波导和线性渐变波导型模式转换器。其中，周期性极化铌酸锂薄膜光波导包括电畴反转区波导40和电畴未反转区波导41；线性渐变波导型模式转换器包括输入波导10、耦合区线性渐变窄波导20、耦合区线性渐变宽波导21、连接区宽波导30、连接区线性渐变宽波导31和连接区窄波导32。

该光学倍频波导器件的实施方案如下：首先，处于通信波段的TE0模式的泵浦光通过光纤耦合至输入波导10，经过波导10传输一段距离后进入耦合区线性渐变窄波导20，波导20的宽度逐渐变小，TE0泵浦光的有效折射率也逐渐变小；波导20上方的是耦合区线性渐变宽波导21，其波导宽度逐渐变大，TE1模式的泵浦光在波导21中的有效折射率也逐渐变大；基于模式耦合理论和仿真计算，在耦合区内窄波导中的TE0模有效折射率逐渐变小，宽波导中的TE1模有效折射率逐渐变大，两者的有效折射率在耦合区的某一位置必定会重叠；如图3所示，窄波导的宽度为1.42μm、宽波导的宽度为2.72μm时，窄波导中的TE0模与宽波导中TE1模的有效折射率差最小，因此在耦合区内第一段窄波导中的TE0模式泵浦光能高效耦合为第二段宽波导中的TE1模式泵浦光。在波导21中的TE1泵浦光传输一段距离后进入连接区宽波导30，传输一段距离后进入连接区线性渐变宽波导31和连接区窄波导32，连接区线性渐变宽波导31用于将宽波导30的宽度渐变为周期性极化铌酸锂薄膜光波导的宽度；然后TE1泵浦光进入电畴反转区波导40和电畴未反转区波导41，并发在其中发生高效的倍频二阶非线性效应，生成TE1模式的倍频光，最后TE1泵浦光和TE1倍频光一起从输出波导11输出。

为了达到TE0到TE1模式最佳的耦合效率，线性渐变波导型模式转换器的每一段波导的长度都需要精确扫描。图4(a)为本实施例实施例一中TE0到TE1模式的耦合效率随耦合区长度变化的仿真曲线示意图，可以看出，在耦合区长度为870μm时，模式耦合效率最高。耦合区线性渐变窄波导20和线性渐变宽波导21的间距设置为200nm，各波导的宽度和长度度在扫描之后的最佳值如表1所示。

表1

图4(b)为本实施例中TE0到TE1模式的耦合效率随输入波长变化的仿真曲线示意图，该图的仿真结果基于表1的波导宽度和波导长度数据。可以看出，在1530～1630nm波长范围内，模式耦合效率均大于90％，在1552nm处达到99.8％的最大耦合效率，在1630nm处达到93％的最小耦合效率。该结果表明，线性渐变波导型模式转换器的工作带宽能覆盖很大的波长范围。

图5为本实施例中线性渐变波导型模式转换器的模场传输仿真示意图，该图的仿真结果基于表1的波导宽度和波导长度数据。可以看出，在输入端的是TE0基模模式的泵浦光，在耦合区内TE0泵浦光逐渐耦合到上方的线性渐变宽波导21并转换为TE1高阶模模式，可以看出有两条明显的模场分布线，即为TE1模式的特征模场；在耦合区内完成模式转换后，TE1泵浦光经过连接区线性渐变宽波导31和连接区窄波导32进入周期性极化铌酸锂薄膜光波导，然后在其中完成高效的倍频非线性过程，生成TE1倍频光。

图6(a)为本实施例中1550nmTE0泵浦光和775nmTE0倍频光的群速度随波导刻蚀深度变化的仿真曲线示意图；图6(b)为本实施例中1550nmTE1泵浦光和775nmTE1倍频光的群速度随波导刻蚀深度变化的仿真曲线示意图。仿真所用波导模型为如图2所示的薄膜铌酸锂脊波导，膜厚总高度为600nm，波导脊宽度为2μm，波导脊高度为400～600nm，即为波导刻蚀深度。图6(a)和(b)显示，随着波导刻蚀深度的增大，1550nmTE0泵浦光和775nmTE0倍频光的群速度均变化缓慢，两者差值并无明显变化；1550nmTE1泵浦光的群速度变化比775nmTE1倍频光的群速度变化更快，所以两者差值明显缩小。

在本实施例中，温度调谐效率的光学倍频基于以下条件：

其中，Δλ/ΔT表示泵浦中心波长变化与温度变化的比值，即光学倍频温度调谐效率；泵浦中心波长定义为倍频效率达到最大时的输入泵浦光波长；λ

GVM＝1/ν

其中，ν

由式(2)可知，泵浦光和倍频光的群速度之间差值越小，群速度失配也越小；由温度调谐效率的公式(式1)可知，群速度失配也越小，光学倍频的温度调谐效率越高。

在本实施例中，宽带的光学倍频基于以下条件：

其中，Δλ

由上述公式可知，TE1模式的泵浦光和倍频光之间的群速度失配很小，因此TE1模式泵浦光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。

而TE0到TE1模式转换器的工作流程包括：

将TE0模式泵浦光通过耦合转化成为TE1模式泵浦光；基于倍频非线性效应，TE1模式泵浦光在周期性极化铌酸锂薄膜光波导中实现高温度调谐效率和大带宽的高效光学倍频；泵浦光位于通信波段附近，倍频光位于600～800nm波段附近；基于周期性极化铌酸锂薄膜光波导的高效倍频非线性过程满足以下动量守恒和能量守恒条件：

2ω

其中，k

其中，λ

图7(a)和(b)显示，对于TE0模式的光学倍频，由于群速度失配较大(刻蚀深度600nm时，为-215fs/mm)，温度调谐效率较低，最高仅为0.188nm/度；对于TE1模式的光学倍频，由于群速度失配较小(刻蚀深度600nm时，仅为-3.25fs/mm)，温度调谐效率很高，最高达到12.38nm/度，是TE0模式光学倍频的温度调谐效率的66倍左右。以上仿真结果表明，TE1模式的光学倍频在温度调谐效率方面有显著提升。

实施例二

在本实施例中，采用的波导结构和实施例一中类似，区别在于TE0到TE1模式转换器采用MMI型模式转换器，如图8所示。

其中，周期性极化铌酸锂薄膜光波导包括电畴反转区波导40和电畴未反转区波导41；MMI型模式转换器包括一个1×2MMI、180度相移波导100、连接波导101和一个1×3MMI。

该光学倍频波导器件的实施方案如下：

首先，处于通信波段的TE0模式的泵浦光通过光纤耦合至输入波导10，经过波导10传输一段距离后通过1×2MMI输入波导90进入1×2MMI多模波导91中，基于MMI的自成像效应，在特定的传输距离处能生成二重自映像，即输入的TE0模式泵浦光能生成两个一模一样的TE0模式的光，并从1×2MMI输出上端波导92和1×2MMI输出下端波导93输出；其中，从上端波导92输出的TE0模式泵浦光经过180度相移波导100后相位变化180度，从下端波导93输出的TE0模式泵浦光经过连接波导101后相位不变，所以两者之间的相位差为180度；相位变化180度的TE0泵浦光和相位不变的TE0泵浦光分别通过1×3MMI输入上端波导110和1×3MMI输入下端波导112进入1×3MMI多模波导113中，经过特定的传输距离后，两者干涉并生成TE1模式的泵浦光，从1×3MMI输出端波导114输出，进入电畴反转区波导40和电畴未反转区波导41，并发在其中发生高效的倍频二阶非线性效应，生成TE1模式的倍频光，最后TE1泵浦光和TE1倍频光一起从输出波导11输出。

以上所述的实施例仅是对本申请优选方式进行的描述，并非对本申请的范围进行限定，在不脱离本申请设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本申请的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本申请权利要求书确定的保护范围内。