緊湊型-周期極化鈮酸鋰薄膜波導器件

封面展示了緊湊型光纖進、光纖出的周期極化鈮酸鋰（PPLN）薄膜脊型波導器件。該器件結(jié)合了準相位匹配的設(shè)計靈活性和波導結(jié)構(gòu)的高功率密度優(yōu)勢，具有轉(zhuǎn)換效率高（比塊狀晶體高出2~3個數(shù)量級）、功率損耗小、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點，適用于瓦級頻率變換。

一、背景介紹

周期極化鈮酸鋰（PPLN）晶體是基于準相位匹配（QPM）原理，將常規(guī)的摻鎂鈮酸鋰（MgOLN）晶體的內(nèi)部疇結(jié)構(gòu)設(shè)計并制作成周期極化結(jié)構(gòu)（又稱為光學超晶格結(jié)構(gòu)），幫助提高晶體的非線性變頻特性。它可以利用晶體的最大非線性系數(shù)，實現(xiàn)晶體整個透光范圍（0.3~5 μm）內(nèi)的頻率變換，具有體積小、效率高、無走離效應(yīng)、設(shè)計自由等優(yōu)點。采用塊狀PPLN晶體的光學系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各類激光設(shè)備中，但是它們相對笨重，且還需要嚴格的光路對準。

隨著航天航空、量子通信、生物醫(yī)療等領(lǐng)域?qū)鈱W集成度的要求越來越高，同時由于 PPLN 晶體的頻率轉(zhuǎn)換效率與光功率密度強度成正比，因此將 PPLN 晶體制作成波導結(jié)構(gòu)，可以將光聚焦并限制在較小的通光口徑內(nèi)，使光功率密度大大增強，從而大幅提高其光學轉(zhuǎn)換效率，拓寬其在低泵浦功率下的應(yīng)用。另外，借助先進的微納加工技術(shù)，可以在鈮酸鋰薄膜材料中集成多種不同功能的光學元件（如電光、聲光、分光等），做成類似集成電路一樣的集成光子學平臺，可以大幅度改善光子學系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高其轉(zhuǎn)換效率。

緊湊型光纖進、光纖出的PPLN薄膜脊型波導器件中PPLN薄膜脊型波導結(jié)合了準相位匹配的設(shè)計靈活性和波導結(jié)構(gòu)的高功率密度優(yōu)勢，具有轉(zhuǎn)換效率高（可比塊狀晶體高出2~3個數(shù)量級）、功率損耗小、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點，特別適用于瓦級頻率變換。

二、創(chuàng)新研究

針對PPLN塊狀晶體在腔外單通頻率變換過程中效率低的問題，中國科學院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所梁萬國研究員團隊對常規(guī)PPLN薄膜脊型波導的制作工藝進行了改進，對鍵合過程中SiO2緩沖層的厚度進行了研究，成功地制作了緊湊型光纖進光纖出的波導封裝模塊，下圖為制作的PPLN薄膜脊型波導側(cè)視圖和俯視圖。當溫度為24.8 ℃、1560 nm基頻光輸入功率為1.2 W時，最大輸出653 mW的倍頻光，光光轉(zhuǎn)換效率達54.4%，歸一化轉(zhuǎn)換效率為20.2 %/W·cm2。

圖 PPLN薄膜脊型波導（a）側(cè)視圖和（b）俯視圖

三、總結(jié)與展望

研究團隊采用PPLN鍵合減薄工藝，研制出了緊湊型光纖進光纖出的波導封裝模塊。后續(xù)工作將繼續(xù)優(yōu)化PPLN薄膜制作工藝，優(yōu)化光纖端面耦合封裝工藝，采用波導和光纖同時斜角的形式，并在端面加鍍增透膜以減小端面反射，進一步提高模塊的耦合效率。使用激光點焊以及玻璃封焊等方法，對封裝工藝進行優(yōu)化，進一步提高模塊的功率穩(wěn)定性。

參考文獻： 中國光學期刊網(wǎng)

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