一种基于微米光纤集成的高效倍频器件

1.本实用新型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。


背景技术：

2.激光的发明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：
3.p＝x
(1)
e+x
(2)
:ee+x
(3)
:eee+
…
4.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。
5.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。
6.二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。


技术实现要素：

7.本实用新型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。
8.本实用新型采取的技术方案是，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。
9.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，因此本实用新型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。本实用新型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。
10.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。
11.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。
12.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。
13.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。
14.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。
15.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。
16.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。
17.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。
18.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。
19.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。
20.与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：
21.(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；
22.(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；
23.(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
24.图1为实施例1的结构俯视图。
25.图2为实施例1的结构截面图。
26.图3为实施例1的工作原理图。
27.图4为实施例2的典型输出倍频信号归一化光谱图。
28.图5为实施例2中在二阶非线性光学材料薄膜下方增加叉指电极后te模式下光强分布变化。
29.图6为实施例2中在二阶非线性光学材料薄膜下方增加叉指电极后tm模式下光强分布变化。
30.图7为实施例2的倍频信号与基频信号光功率关系图。
31.图8为实施例2的基频光波长准相位匹配实验数据及理论拟合图。
32.附图标记说明：1衬底，2叉指电极，3二阶非线性光学材料薄膜，4微纳光纤，5倏逝场，6倍频光信号。
具体实施方式
33.本实用新型附图仅用于示例性说明，不能理解为对本实用新型的限制。为了更好说明以下实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
34.实施例1
35.如图1、图2所示，本实施例提供一种基于微米光纤集成的高效倍频器件，包括：衬底1、叉指电极2、二阶非线性光学材料薄膜3和微纳光纤4；所述叉指电极2设置在衬底1上表面，所述二阶非线性光学材料薄膜3覆盖在叉指电极2上表面，所述微纳光纤4紧贴于二阶非线性光学材料薄膜3上表面。
36.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，使微纳光纤与材料薄膜耦合激发二阶非线性。同时，本实施例结构简单并且高度集成，无需引入多余的光学元件进行光与波导的耦合，改善了现有非线性光学装置尺寸大、结构复杂的问题。
37.在实际使用过程中，可以通过调整微纳光纤与叉指电极的角度提高准相位匹配的成功性。本实施例所述叉指电极2厚度为20-200nm，相邻叉指的间距为30-200μm。通过特定的间距可以将叉指电极的周期控制在60-400μm，叉指电极2的周期是为了满足准相位匹配
而设计，周期宽度与微纳光纤4直径密切相关。所述叉指电极2的周期为100-400个，长周期便于非线性光学效应的积累。
38.在实际使用过程中，所述叉指电极2的材料可以为金、银、铜、铂、铝、铋、钛、钯、铬、锌、钼、氧化铟锡中的任意一种；制备方法可以为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。
39.本实施例所述二阶非线性光学材料薄膜3厚度为0.6nm-1μm，尺寸大于或等于1cm*1cm。亚波长的厚度是为了方便与微纳光纤相集成，大尺寸是为了与长周期叉指电极相匹配。采用具有良好二阶非线性光学系数的材料，如奇数层过渡金属二卤族化合物(二硫化钨、二硫化钼等)，氧化物晶体(铌酸锂、磷酸二氢钾等)。
40.在实际操作过程中，将二阶非线性光学材料放置在基底上，将聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)等聚合物旋涂到材料上构成双牺牲层；将覆有聚合物涂层的样品浸入刻蚀液中，从而将其从基底上实现分离；最后将聚合物保护的样品转移到衬底上的叉指电极之上，并将聚合物溶解在丙酮等有机溶剂中，使二阶非线性光学材料保留在叉指电极的上表面，形成二阶非线性光学材料薄膜。
41.本实施例所述微纳光纤4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3。所述微纳光纤4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，足够的长度保证了光与二阶非线性光学材料薄膜3的相互作用强度，从而有效提高产生的非线性信号强度。微纳光纤4的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。
42.在实际使用过程中，微纳光纤4可以为单模光纤、少模光纤、多模保偏光纤、光子晶体光纤中的任意一种。
43.当微纳光纤4直径减小至微米甚至纳米量级时，在微纳光纤4中传输的光会在外部产生较强的倏逝场5沿着微纳光纤4表面传播，有利于光与物质相互作用。本实施例所述衬底1使用折射率与微纳光纤4折射率相近的材料制成，如玻璃(二氧化硅)等，与微纳光纤4相近的折射率能对微纳光纤4产生的倏逝场5进行更好的耦合。
44.如图3所示，信号光从微纳光纤4的一端通入，在双锥形结构区产生倏逝场5，与二阶非线性光学材料薄膜3相互作用的同时，叉指电极2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，产生的倍频光信号6从微纳光纤4的另一端输出。
45.在实际使用过程中，本实施例可以通过改变微纳光纤4的直径、叉指电极2的周期、微纳光纤4与叉指电极2的夹角以及基频光波长来实现准相位匹配。
46.实施例2
47.本实施例对实施例1提供的一种基于微米光纤集成的高效倍频器件进行实验测试。
48.本实施例激光器输出的基频光经过掺铒光纤放大器放大光功率后，通过三环偏振控制器输入到基于光纤集成的可调谐倍频器件的输入端，输出端通过光纤耦合器分别接入光功率计与光谱仪中，光功率计实时监测倍频光强度变化，光谱仪观察倍频信号的波长变化。三环偏振控制器的三个环分别等效为λ/4、λ/2、λ/4三种波片，基频光波经过λ/4波片转换为线偏振光，再由λ/2波片调整偏振方向，最后经由λ/4波片将线偏振光的偏振状态变成
任意的偏振态，从而影响倍频信号的强弱。
49.如图4所示，图4为基于光纤集成的可调谐倍频器件典型输出倍频信号归一化光谱图。在实际使用过程中，基频光波长可选择c-l波段。本实施例中基频光波长为1550nm，产生的倍频光为775nm。当基频光功率为594mw时，收集到的倍频光功率为320mw，计算可得此时归一化倍频转换效率为131％w-1
cm-2
，这一数据比现有技术中的光纤倍频器件都要高，与传统的周期性极化铌酸锂倍频器件相当。
50.如图5所示，图5为基于光纤集成的可调谐倍频器件在二阶非线性光学材料薄膜3下方增加叉指电极2后te模式下光强分布变化。当在二阶非线性光学材料薄膜3下方增加叉指电极2后，二阶非线性光学材料薄膜3处的光场强度降低。
51.如图6所示，图6为基于光纤集成的可调谐倍频器件在二阶非线性光学材料薄膜3下方增加叉指电极2后tm模式下光强分布变化。当在二阶非线性光学材料薄膜3下方增加叉指电极2后，二阶非线性光学材料薄膜3处的光场强度增强。结合图5、图6的结果可知，本实施例提供的基于光纤集成的可调谐倍频器件可对不同偏振光进行选择。
52.如图7所示，图7为基于光纤集成的可调谐倍频器件倍频信号与基频信号光功率关系图。可以看出倍频光功率表现出对基频光的二次功率依赖性。
53.如图8所示，图8为基于光纤集成的可调谐倍频器件基频光波长准相位匹配实验数据及理论拟合图。将连续波激光器产生的基频光输入到器件中，通过扫描激光波长测量到倍频转换效率谱，使用辛格函数对实验数据进行拟合，主瓣与实验测量准相位匹配波长1550nm相吻合。倍频转换时的准相位匹配条件对波导几何形状以及周期非常敏感，旁瓣的存在主要是由于光纤直径沿其全长的不均匀性、以及叉指电极存在的周期偏差所引起。
54.综上，本实施例在基频光波长为1550nm且光功率为594mw时所获得的归一化倍频转换效率至少为131％w-1
cm-2
，远高于现有技术中的光纤倍频器件，与传统的周期性极化铌酸锂倍频器件相当，同时基频光的偏振态对倍频转换效率也起到调谐作用。基于光纤集成的可调谐倍频器件具有结构简单、成本低、转换效率高等优势，可兼容于基于光纤的谐波源、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等领域。
55.显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型技术方案所作的举例，而并非是对本实用新型的具体实施方式的限定。凡在本实用新型权利要求书的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。