CN112099286B - 光学谐波产生器及其制备方法 - Google Patents
光学谐波产生器及其制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN112099286B CN112099286B CN202011048058.5A CN202011048058A CN112099286B CN 112099286 B CN112099286 B CN 112099286B CN 202011048058 A CN202011048058 A CN 202011048058A CN 112099286 B CN112099286 B CN 112099286B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- material layer
- film
- material film
- layer
- order nonlinear
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 title claims abstract description 54
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims description 19
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 212
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 30
- GQYHUHYESMUTHG-UHFFFAOYSA-N lithium niobate Chemical compound [Li+].[O-][Nb](=O)=O GQYHUHYESMUTHG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 29
- 239000013590 bulk material Substances 0.000 claims description 26
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims description 22
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 19
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims description 3
- 239000010410 layer Substances 0.000 abstract description 93
- 239000012792 core layer Substances 0.000 abstract description 43
- 238000009826 distribution Methods 0.000 abstract description 18
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 abstract description 17
- 230000005684 electric field Effects 0.000 abstract description 12
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 abstract description 11
- 239000010408 film Substances 0.000 description 63
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 9
- 238000005253 cladding Methods 0.000 description 6
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 6
- 230000008569 process Effects 0.000 description 6
- 229910052734 helium Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000001307 helium Substances 0.000 description 5
- -1 helium ions Chemical class 0.000 description 5
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 4
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 4
- KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N Fluorane Chemical compound F KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 description 3
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 3
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 2
- 230000009022 nonlinear effect Effects 0.000 description 2
- 238000001020 plasma etching Methods 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 239000013598 vector Substances 0.000 description 2
- PIGFYZPCRLYGLF-UHFFFAOYSA-N Aluminum nitride Chemical compound [Al]#N PIGFYZPCRLYGLF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N AsGa Chemical compound [As]#[Ga] JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N Gallium nitride Chemical compound [Ga]#N JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 241000695274 Processa Species 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 description 1
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 1
- 238000012938 design process Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 description 1
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- QPJSUIGXIBEQAC-UHFFFAOYSA-N n-(2,4-dichloro-5-propan-2-yloxyphenyl)acetamide Chemical compound CC(C)OC1=CC(NC(C)=O)=C(Cl)C=C1Cl QPJSUIGXIBEQAC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
- G02F1/35—Non-linear optics
- G02F1/37—Non-linear optics for second-harmonic generation
- G02F1/377—Non-linear optics for second-harmonic generation in an optical waveguide structure
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
- G02F1/35—Non-linear optics
- G02F1/355—Non-linear optics characterised by the materials used
- G02F1/3551—Crystals
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
- G02F1/35—Non-linear optics
- G02F1/365—Non-linear optics in an optical waveguide structure
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Nonlinear Science (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
Abstract
本发明公开了一种光学谐波产生器及其制备方法，该光学谐波产生器主要包括：第一材料层；第二材料层，叠设于第一材料层，并且第二材料层的二阶非线性系数的符号与第一材料层的二阶非线性系数的符号相反。本发明利用二阶非线性系数的符号彼此相反的，并且堆叠于一起的第一材料层和第二材料层构成波导芯层，匹配所产生的二次谐波在波导芯层中的电场方向分布，在简单波导芯层结构中实现了较高的二次谐波的转换效率，并且降低了光学谐波产生器的制备难度，实现利用简单的器件结构有效提高二次谐波的产生效率的目的。
Description
技术领域
本发明涉及非线性光学技术领域，特别涉及一种利用非线性系数与二次谐波光场分布相匹配的光学谐波产生器及其制备方法。
背景技术
光学二次谐波产生是利用强相干光场与具有二阶非线性的光学材料的相互作用将频率上转换至二次谐波的过程，光学二次谐波是产生新的频率、扩展波段范围的重要方法，在测量、成像等领域具有重要应用。
传统的光学二次谐波产生方式是将泵浦激光注入非线性光学晶体中而产生二次谐波，该传统方式所涉及的器件体积大，并且难以集成。
近年来，随着微纳工艺的发展，基于集成光波导的二次谐波产生得到了广泛研究。通过将光场限制在小的光波导中可以有效增强光波导的非线性效应，降低非线性效应的阈值，使得采用更低功率的泵浦光就可以测量到其他频率的光的产生。目前已经在氮化铝(AlN)、氮化镓(GaN)、砷化镓(GaAs)、薄膜铌酸锂(Lithium Niobate on Insulator，LNOI)等集成平台上实现了高效率的二次谐波产生。
采用集成光波导产生二次谐波，需要考虑基波和二次谐波的模式分布的情况。波导中所能传输的电磁场的分布称为波导的模式，波导中的模式分为空间辐射模、衬底辐射模、导模和表面模等几大类，其中导模可以在波导中有效传输，辐射模耗散到包层和衬底中，无法传输。理论上波导的模式可以通过求解亥姆霍兹方程得出。
在一定的电磁场边界条件下求解波导的横向亥姆霍兹方程，可得到一系列特解。在平板波导中存在两种基本的本征模式，一种称为TE模，另一种称为TM模。而波导中其他形式的电磁场都可以按这两种基本模式进行傅里叶展开来表达。
用光的电场和磁场的偏振方向来定义TE模和TM模比较直观。选择电场只沿平行于波导界面的方向偏振，此时电场垂直于光的传输方向，即电场的偏振方向是横向的，因而将这种模式称为横电模(Transverse Electric Mode)，即TE模。选择磁场只沿平行于波导界面的方向偏振，此时磁场垂直于光的传输方向，即磁场的偏振方向是横向的，因而将这种模式称为横磁模(Transverse Magnetic Mode)，即TM模。
与平板波导略有不同的是，脊波导中支持的两种本征模式为准TE模和准TM模，其中准TE模的电场的主要分量平行于波导截面的方向偏振，准TM模的电场的主要分量平行于波导截面的方向偏振。
二次谐波产生的一个关键参数是转换效率，其要求相互作用的光波之间满足相位匹配条件，同时要求光波之间重叠积分大。目前常用的集成光波导器件相位匹配方法包括两种：模式相位匹配和准相位匹配。其中，模式相位匹配是利用波导中丰富的模式，通过调整波导结构参数实现基波和二次谐波模式间的相位匹配，但由于模式空间分布上的差异，基波和二次谐波之间的模场重叠小，导致转换效率较低。准相位匹配是采用周期性光学超晶格结构提供倒格矢，补偿相位失配，由于基波和二次谐波均采用基模(波导结构中的最低阶模)，模场重叠大，效率高，但需要复杂的周期极化反转工艺，器件的制备难度大。
可见，模式相位匹配和准相位匹配二者所面临的问题分别是转换效率低和器件制备难度大，因此，在转换效率和器件制备难度之间寻求一种平衡，既具备较高的转换效率又具备较低的制备难度，便成为亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种光学谐波产生器及其制备方法，以实现较高的二次谐波的转换效率和较低的制备难度，实现利用简单的器件结构有效提高二次谐波的产生效率。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种光学谐波产生器，包括：
第一材料层；
第二材料层，所述第二材料层叠设于所述第一材料层，并且所述第二材料层的二阶非线性系数的符号与所述第一材料层的二阶非线性系数的符号相反。
进一步，所述第一材料层和所述第二材料层的材料均为铌酸锂。
进一步，所述第一材料层设置于一衬底上，并且所述衬底的二阶非线性系数的符号与所述第一材料层的二阶非线性系数的符号相同；
所述第二材料层叠设于所述第一材料层远离所述衬底的一侧。
进一步，所述衬底的材料为铌酸锂。
进一步，所述衬底和所述第一材料层之间设有氧化硅层。
进一步，所述第一材料层和所述第二材料层的侧壁与所述第一材料层远离所述第二材料层一侧的底部平面之间的夹角为60°至90°。
进一步，所述第一材料层的厚度为200nm至300nm，所述第二材料层的厚度为200nm至300nm，所述第一材料层和所述第二材料层的总厚度为400nm至600nm，所述第二材料层远离所述第一材料层的表面宽度为800nm至1000nm。
一种光学谐波产生器的制备方法，包括：
提供体材料和具有第一材料膜的晶圆；
轰击所述体材料，使得在所述体材料中形成具有设定厚度并且可从所述体材料的本体剥离的第二材料膜；
将所述第二材料膜键合于所述第一材料膜，并在键合时控制所述第二材料膜和所述第一材料膜之间的相对晶体方向，使得所述第二材料膜的二阶非线性系数的符号与所述第一材料膜的二阶非线性系数的符号相反；
将所述第二材料膜从所述体材料上剥离；
对所述第二材料膜和所述第一材料膜进行刻蚀，形成第二材料层和第一材料层。
进一步，所述的将所述第二材料膜键合于所述第一材料膜，在键合时控制所述第二材料膜和所述第一材料膜之间的相对晶体方向，包括：
将所述第二材料膜的表面与所述第一材料膜的表面相对而设，并将所述第二材料膜的晶体方向与所述第一材料膜的晶体方向对准；
以所述第二材料膜的表面为基准面，将所述体材料面内旋转180°；
将所述第二材料膜的表面与所述第一材料膜的表面进行键合。
进一步，所述体材料、所述第一材料膜和所述第二材料膜的材料均为铌酸锂。
从上述方案可以看出，本发明的光学谐波产生器及其制备方法，利用二阶非线性系数的符号彼此相反的，并且堆叠于一起的第一材料层和第二材料层构成波导芯层，配合所产生的二次谐波在波导芯层中的电场方向分布，在简单波导芯层结构中实现了较高的二次谐波的转换效率，并且降低了光学谐波产生器的制备难度，实现利用简单的器件结构有效提高二次谐波的产生效率的目的。
附图说明
图1A为本发明实施例的针对一种模场分布情况的波导截面结构原理示意图；
图1B为本发明实施例的针对另一种模场分布情况的波导截面结构原理示意图；
图2为本发明实施例的光学谐波产生器的截面结构示意图；
图3A为传统波导结构中的波导芯层不同位置处二阶非线性系数相同的截面结构示意图；
图3B为本发明实施例中波导结构中的波导芯层不同位置处二阶非线性系数符号相反的截面结构示意图；
图3C为波导芯层TE00模的光场方向示意图；
图3D为波导芯层TE01模的光场方向示意图；
图4A为不同波导宽度下的基波TE00模和二次谐波TE01模的模式有效折射率关系曲线；
图4B为对不同结构的二次谐波产生效率进行对比的曲线示意图；
图5为本发明实施例的光学谐波产生器的制备方法流程图；
图6A为采用本发明实施例的制备方法过程中的器件结构剖视变化图之一；
图6B为采用本发明实施例的制备方法过程中的器件结构剖视变化图之二；
图6C为采用本发明实施例的制备方法过程中的器件结构剖视变化图之三；
图6D为采用本发明实施例的制备方法过程中的器件结构剖视变化图之四；
图6E为采用本发明实施例的制备方法过程中的器件结构剖视变化图之五；
图6F为采用本发明实施例的制备方法过程中的器件结构剖视变化图之六；
图7为采用本发明实施例的制备方法获得的器件剖视结构。
附图中，各标号所代表的部件名称如下：
1、波导芯层
11、第一材料层
12、第二材料层
2、衬底
3、包层
4、体材料
21、氧化硅层
11’、第一材料膜
12’、第二材料膜
5、掩模
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明作进一步详细说明。
对于二次谐波产生，归一化频率转换效率η的表达式为：
其中，P为光功率，L为波导长度，n为有效折射率，ε0为真空介电常数，c为为真空中的光速，ω为基波的角频率，2ω为二次谐波的角频率，A为归一化模式面积，其表达式为
其中，E为归一化电场，其表达式为
其中，χ(2)为波导芯层材料的二阶非线性系数。
其中，Γ为归一化模场重叠因子，其表达式为
其中，分子的积分区间为二阶非线性材料所在区域，分母的积分区间为包括包层、波导芯层和衬底的整个区域。
其中，
sinc(ΔkL/2)＝sin(ΔkL/2)/(ΔkL/2)
其中，Δk为相位失配因子，其表达式为
Δk＝2ω(nω-n2ω)。
从公式(1)可以看出，转换效率η与有效的二阶非线性系数
的平方成正比，与相位失配因子Δk呈sinc2函数关系。因此，在满足相位匹配条件的前提下，通过增大有效的二阶非线性系数，可以有效提高二次谐波产生效率，即通过增大
可以有效提高η。
从有效的二阶非线性系数的表达式可以看出，其不仅与基波和二次谐波模场的空间分布相关，还跟二阶非线性系数的分布相关。而在传统波导结构中，波导芯层的二阶非线性系数是均匀分布的，转换效率取决于模式重叠因子。但对于模式相位匹配的集成光波导器件相位匹配方法来说，基波为基模，二次谐波为高阶模式，由于不同模式空间分布上的差异，导致模式重叠因子很小，效率低下，尤其是当基波模式和二次谐波模式的光场分布的空间对称性不同时，重叠因子几乎为零，此时很难实现高效率二次谐波产生。
针对这一问题，本发明实施例中提出一种对波导芯层的二阶非线性系数的分布设计结构，使得波导芯层不同位置处的二阶非线性系数的符号与二次谐波光场的方向相匹配，从而使得不同位置处的有效二阶非线性系数相叠加，提高转换效率。针对两种不同的模场分布情况设计的波导截面结构原理分别如图1A和图1B所示。
如图1A所示中，在衬底2上形成波导芯层1，波导芯层1的外周设置包层3。其中，波导芯层1中为多层堆叠结构，各层的二阶非线性系数χ(2)与该层所在位置的二次谐波光场的方向相匹配。如图1B所示中，在衬底2上形成波导芯层1，波导芯层1的外周设置包层3。其中，与图1A不同的是，波导芯层1中的多层结构并列设置于衬底2上，每一层均与衬底2接触，各层的二阶非线性系数χ(2)与该层所在位置的二次谐波光场的方向相匹配。其中，基波的传播方向垂直于图1A和图1B的视图表面。
基于上述波导截面结构原理，本发明实施例提供了一种光学谐波产生器，如图2所示，其包括第一材料层11和第二材料层12。其中，第二材料层12叠设于第一材料层11，并且第二材料层12的二阶非线性系数χ(2)的符号与第一材料层11的二阶非线性系数χ(2)的符号相反。由第一材料层11和第二材料层12共同构成波导芯层1。其中，基波的传播方向垂直于图2的视图表面。在可选实施例中，第一材料层11和第二材料层12的材料均为铌酸锂(LiNbO3)。
继续参见图2所示，在可选实施例中，第一材料层11设置于一衬底2上，并且衬底2的二阶非线性系数χ(2)的符号与第一材料层11的二阶非线性系数χ(2)的符号相同，第二材料层12叠设于第一材料层11远离衬底2的一侧。在可选实施例中，衬底2的材料为铌酸锂。
另外，在可选实施例中，在衬底2和第一材料层11之间设有氧化硅层(图2未示出)。
以下，给出采用本发明实施例利用二阶非线性系数与二次谐波光场分布相匹配的器件结构实现高效率二次谐波产生的具体物理解释。
对于各向同性晶体，各个方向的二阶非线性系数大小相同，对波导方向、光的传播方向和光的偏振没有特殊要求。而对于各向异性晶体，例如本发明实施例中的铌酸锂，不同方向的二阶非线性系数大小有所不同，需要使得基波与二次谐波光场的主分量对准二阶非线性系数分量最大的方向。对于铌酸锂晶体而言，二阶非线性系数的最大分量为
因此，基于铌酸锂的晶体坐标系，光的传播方向选为晶体的y方向，波导横截面对应xOz平面(即图2所示的横截面)，若采用x切(即图2视图中的上方，垂直于芯片表面的方向，垂直于波导芯层1的第二材料层12的上表面方向)铌酸锂薄膜，则基波和二次谐波应当选择TE模，此时TE模的主分量对应晶体的z方向(图2视图中波导芯层1的宽度方向)；若采用z切即芯片垂直方向为晶体的z方向)铌酸锂薄膜，则基波和二次谐波应当选择TM模，此时TM模的主分量对应晶体的z方向。
当基波为TE00模(或TM00模)，二次谐波为TE01模(或TM01模)时，由于二者模场的空间对称性相反，具体地，如图3C所示，在波导芯层中，TE00模(或TM00模)的上下两部分的光场方向相同，如图3D所示，TE01模(或TM01模)的上下两部分的光场方向相反。图3A示出了传统波导结构中的波导芯层不同位置处二阶非线性系数相同的截面结构，在传统波导结构中，波导芯层1的不同位置处二阶非线性系数χ(2)相同，因此基波和二次谐波上下两部分模场重叠相抵消，导致有效二阶非线性系数很小，从上述模场重叠因子和有效二阶非线性系数的表达式(即公式(2)、公式(3))中也可看出。
由于二次谐波TE01模(或TM01模)的上下两部分电场方向相反，进而基于此，本发明实施例的光学谐波产生器中，将波导芯层1的上下两部分的二阶非线性系数的符号设计为相反，如图3B所示，上下两部分的二阶非线性极化量
的方向相反，其中，
图2、图3B所示的本发明实施例的光学谐波产生器中波导芯层1的上下两部分(即第二材料层12和第一材料层11)分别与二次谐波TE01模(或TM01模)的电场方向相对应，此时有效的二阶非线性系数为
此时，波导芯层1的上下两部分(即第二材料层12和第一材料层11)的有效二阶非线性系数相叠加，从而可以提高转换效率。
以x切向的薄膜铌酸锂波导结构的二次谐波产生为例，本发明实施例的光学谐波产生器具体设计过程如下。
首先进行相位匹配设计，采用有限元方法(FEM)对薄膜铌酸锂波导结构进行计算，可以得到模场分布和对应的模式有效折射率。本发明实施例中，包层3采用空气包层的全刻蚀的薄膜铌酸锂结构。对于部分刻蚀结构(如图7所示)，高阶模式具有大的辐射损耗，无法形成导模，而全刻蚀结构(如图2所示)的波导芯层与包层的接触面更大，可以在更大的面积上形成折射率差，因此可以提供更好的模式限制，有效导模个数多。
对于不同的铌酸锂薄膜的厚度，通过扫描波导宽度的方式可以确定出满足相位匹配的条件，即当基波TE00模和二次谐波处TE01模的模式有效折射率相同时满足相位匹配条件，如图4A所示。特殊的，二阶非线性系数符号的分界线与二次谐波TE01模电场方向的分界线相同，如图3B、图3D所示。
归一化二次谐波产生效率可以由公式(1)和公式(4)计算得出。通过计算不同铌酸锂薄膜厚度下相位匹配结构的二次谐波产生效率可以发现，转换效率随薄膜厚度先增加后降低，其中存在一个最大值。原因是当薄膜厚度过小时，对模式的限制作用差，模式扩散严重，而当薄膜厚度过大时，模式面积又会随波导尺寸增大而增大，因此存在一个模式面积的最小值，对应二次谐波产生效率的最大值。
研究结果表明，当铌酸锂薄膜厚度为450nm，宽度为950nm时，满足相位匹配条件，如图4A所示，且转换效率最大，对应效率为13000％/W/cm2，对应模场分布如图3C、图3D所示。可以看出，二次谐波TE01模电场方向的分界线基本上与波导芯层的中线相对应。同时，通过对不同结构的二次谐波产生效率进行对比，如图4B所示，可以看出本发明实施例中采用反对称二阶非线性结构的光学谐波产生器的转换效率远远高于传统波导结构，并且高于周期极化铌酸锂(PPLN)波导结构。图4B中，五角星所在位置为本发明实施例的光学谐波产生器的二次谐波产生效率最高的位置。
继续参见图2所示，基于上述研究结果，在可选实施例中，第一材料层11和第二材料层12的侧壁(即波导芯层1的侧壁)与第一材料层11远离第二材料层12一侧的底部平面(即第一材料层11与衬底2相邻的底部平面)之间的夹角(即波导芯层1的侧壁倾角)为60°至90°，具体地，例如60°、65°、70°、75°、80°、85°、90°，优选的为90°，目前工艺上可实现的为75°。
在可选实施例中，第一材料层11的厚度为200nm至300nm，第二材料层12的厚度为200nm至300nm，第一材料层11和第二材料层12的总厚度(即波导芯层1的厚度)为400nm至600nm，所述第二材料层12远离第一材料层11的表面(即图2所示中第二材料层12顶部沿波导芯层1延伸的表面)的宽度为800nm至1000nm。其中，宽度的方向垂直于基波的传播方向。在优选实施例中，第一材料层11和第二材料层12的厚度相同。在可选实施例中，第一材料层11的厚度例如200nm、250nm、300nm，第二材料层12的厚度例如200nm、250nm、300nm，优选地，第一材料层11的厚度为250nm，第二材料层12的厚度为250nm。在本发明描述中，第二材料层12远离第一材料层11的表面的宽度即为波导芯层1的宽度，在可选实施例中，波导芯层1的宽度例如800nm、850nm、900nm、950nm、1000nm，优选地，波导芯层1的宽度为910nm。
在优选实施例中，当采用铌酸锂材料，波导芯层1的侧壁倾角为75°，第一材料层11的厚度为250nm，第二材料层12的厚度为250nm，波导宽度为910nm时，对应的二次谐波转换效率可达9500％/W/cm2。
本发明实施例还提供了一种光学谐波产生器的制备方法，如图5所示，包括：
步骤1、提供体材料和具有第一材料膜的晶圆；
步骤2、轰击体材料，使得在体材料中形成具有设定厚度并且可从体材料的本体剥离的第二材料膜；
步骤3、将第二材料膜键合于第一材料膜，并在键合时控制第二材料膜和第一材料膜之间的相对晶体方向，使得第二材料膜的二阶非线性系数的符号与第一材料膜的二阶非线性系数的符号相反；
步骤4、将第二材料膜从体材料上剥离；
步骤5、对第二材料膜和第一材料膜进行刻蚀，形成第二材料层和第一材料层。
在可选实施例中，具有第一材料膜的晶圆包括衬底和位于衬底上的第一材料膜。
在可选实施例中，体材料、第一材料膜和第二材料膜的材料均为铌酸锂，晶圆的衬底亦为铌酸锂。
其中，在可选实施例中，步骤3中的将第二材料膜键合于第一材料膜，在键合时控制第二材料膜和第一材料膜之间的相对晶体方向，具体包括：
将第二材料膜的表面与第一材料膜的表面相对而设，并将第二材料膜的晶体方向与第一材料膜的晶体方向对准；
以第二材料膜的表面为基准面，将体材料面内旋转180°；
将第二材料膜的表面与第一材料膜的表面进行键合。
以下对本发明实施例的光学谐波产生器的制备方法的具体工艺进行进一步说明。
如图6A所示，采用特定能量的高能氦离子(He+)轰击铌酸锂体材料。图6A所示中，虚线表示高能氦离子的轰击深度，在虚线位置处，体材料4的分子结构因为高能氦离子的轰击而产生破坏，进而配合后续流程可将相应厚度的铌酸锂薄膜从体材料4上剥离。图6A及后序附图中，位于体材料4中和位于芯片中的箭头表示材料的二阶非线性系数的最大分量所对应的方向。
如图6B所示，将体材料4与芯片上铌酸锂材料的第一材料膜11’的晶体方向进行对准。其中，芯片包括衬底2和位于衬底2上的第一材料膜11’，在第一材料膜11’和衬底2之间设有氧化硅层21。其中，芯片可采用第三方提供的商用芯片，也可自行制备。
如图6C所示，将体材料4面内旋转180°，然后键合到芯片上。
键合完成后利用氢氟酸(HF)将特定厚度(由高能氦离子轰击深度决定，即由高能氦离子的能量决定)的铌酸锂材料的第二材料膜12’从体材料4上剥离，如图6D所示。
在第二材料膜12’上采用电子束曝光制备掩模，如图6E所示。
最后，采用反应离子刻蚀(RIE)方法对第二材料膜12’和第一材料膜11’进行刻蚀，形成薄膜铌酸锂材料的波导芯层1并去掉掩模5，得到基于薄膜铌酸锂的反对称二阶非线性的二次光学谐波产生器，如图6F所示。
相比传统的波导芯层的制备过程，本发明实施例提供的制备方法仅仅增加了一步键合工艺，因此相比于传统的采用周期性光学超晶格结构提供倒格矢的准相位匹配的波导芯层，工艺复杂程度大大降低，并且易于实现。
图7示出了采用本发明实施例的制备方法制备出的光学谐波产生器的剖视结构，下表示出了图7中各个部分的参数值。
| 参数 | w<sub>t</sub> | h<sub>e</sub> | h<sub>+</sub> | h<sub>-</sub> | θ |
| 值 | 910nm | 450nm | 250nm | 250nm | 75° |
本发明实施例的光学谐波产生器及其制备方法，利用二阶非线性系数的符号彼此相反的，并且堆叠于一起的第一材料层和第二材料层构成波导芯层，配合所产生的二次谐波在波导芯层中的电场方向分布，在简单波导芯层结构中实现了较高的二次谐波的转换效率，并且降低了光学谐波产生器的制备难度，实现利用简单的器件结构有效提高二次谐波的产生效率的目的。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。
Claims (10)
1.一种光学谐波产生器，其特征在于，包括：
第一材料层；
第二材料层，所述第二材料层叠设于所述第一材料层，并且所述第二材料层的二阶非线性系数的符号与所述第一材料层的二阶非线性系数的符号相反；
其中，所述第一材料层的二阶非线性系数的符号与所述第一材料层所在位置的二次谐波光场的方向相匹配，所述第二材料层的二阶非线性系数的符号与所述第二材料层所在位置的二次谐波光场的方向相匹配。
2.根据权利要求1所述的光学谐波产生器，其特征在于：
所述第一材料层和所述第二材料层的材料均为铌酸锂。
3.根据权利要求2所述的光学谐波产生器，其特征在于：
所述第一材料层设置于一衬底上，并且所述衬底的二阶非线性系数的符号与所述第一材料层的二阶非线性系数的符号相同；
所述第二材料层叠设于所述第一材料层远离所述衬底的一侧。
4.根据权利要求3所述的光学谐波产生器，其特征在于：
所述衬底的材料为铌酸锂。
5.根据权利要求4所述的光学谐波产生器，其特征在于：
所述衬底和所述第一材料层之间设有氧化硅层。
6.根据权利要求3所述的光学谐波产生器，其特征在于：
所述第一材料层和所述第二材料层的侧壁与所述第一材料层远离所述第二材料层一侧的底部平面之间的夹角为60°至90°。
7.根据权利要求1至6任一项所述的光学谐波产生器，其特征在于：
所述第一材料层的厚度为200nm至300nm，所述第二材料层的厚度为200nm至300nm，所述第一材料层和所述第二材料层的总厚度为400nm至600nm，所述第二材料层远离所述第一材料层的表面宽度为800nm至1000nm。
8.一种光学谐波产生器的制备方法，包括：
提供体材料和具有第一材料膜的晶圆；
轰击所述体材料，使得在所述体材料中形成具有设定厚度并且可从所述体材料的本体剥离的第二材料膜；
将所述第二材料膜键合于所述第一材料膜，并在键合时控制所述第二材料膜和所述第一材料膜之间的相对晶体方向，使得所述第二材料膜的二阶非线性系数的符号与所述第一材料膜的二阶非线性系数的符号相反；
将所述第二材料膜从所述体材料上剥离；
对所述第二材料膜和所述第一材料膜进行刻蚀，形成第二材料层和第一材料层；
其中，所述第一材料层的二阶非线性系数的符号与所述第一材料层所在位置的二次谐波光场的方向相匹配，所述第二材料层的二阶非线性系数的符号与所述第二材料层所在位置的二次谐波光场的方向相匹配。
9.根据权利要求8所述的光学谐波产生器的制备方法，其特征在于，所述的将所述第二材料膜键合于所述第一材料膜，在键合时控制所述第二材料膜和所述第一材料膜之间的相对晶体方向，包括：
将所述第二材料膜的表面与所述第一材料膜的表面相对而设，并将所述第二材料膜的晶体方向与所述第一材料膜的晶体方向对准；
以所述第二材料膜的表面为基准面，将所述体材料面内旋转180°；
将所述第二材料膜的表面与所述第一材料膜的表面进行键合。
10.根据权利要求8或9所述的光学谐波产生器的制备方法，其特征在于：
所述体材料、所述第一材料膜和所述第二材料膜的材料均为铌酸锂。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202011048058.5A CN112099286B (zh) | 2020-09-29 | 2020-09-29 | 光学谐波产生器及其制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202011048058.5A CN112099286B (zh) | 2020-09-29 | 2020-09-29 | 光学谐波产生器及其制备方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN112099286A CN112099286A (zh) | 2020-12-18 |
| CN112099286B true CN112099286B (zh) | 2021-09-03 |
Family
ID=73782868
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202011048058.5A Active CN112099286B (zh) | 2020-09-29 | 2020-09-29 | 光学谐波产生器及其制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN112099286B (zh) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003066499A (ja) * | 2001-08-30 | 2003-03-05 | Murata Mfg Co Ltd | 光デバイス及びその製造方法 |
| CN102338966A (zh) * | 2011-09-09 | 2012-02-01 | 上海交通大学 | 偏振无关的准位相匹配倍频器及其制作方法 |
| CN104678494A (zh) * | 2013-11-28 | 2015-06-03 | 日本碍子株式会社 | 光波导器件 |
| CN110749552A (zh) * | 2019-12-02 | 2020-02-04 | 南开大学 | 确定材料二阶非线性极化率的***及方法 |
| CN111129932A (zh) * | 2019-12-12 | 2020-05-08 | 广东晶启激光科技有限公司 | 一种产生宽带超连续激光的装置及装置中晶体的制作方法 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2012061944A1 (en) * | 2010-11-10 | 2012-05-18 | Rolf Tjalle Horn | Waveguide sandwich source of polarization entangled photons |
-
2020
- 2020-09-29 CN CN202011048058.5A patent/CN112099286B/zh active Active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003066499A (ja) * | 2001-08-30 | 2003-03-05 | Murata Mfg Co Ltd | 光デバイス及びその製造方法 |
| CN102338966A (zh) * | 2011-09-09 | 2012-02-01 | 上海交通大学 | 偏振无关的准位相匹配倍频器及其制作方法 |
| CN104678494A (zh) * | 2013-11-28 | 2015-06-03 | 日本碍子株式会社 | 光波导器件 |
| CN110749552A (zh) * | 2019-12-02 | 2020-02-04 | 南开大学 | 确定材料二阶非线性极化率的***及方法 |
| CN111129932A (zh) * | 2019-12-12 | 2020-05-08 | 广东晶启激光科技有限公司 | 一种产生宽带超连续激光的装置及装置中晶体的制作方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN112099286A (zh) | 2020-12-18 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US8494314B2 (en) | Fabrication tolerant polarization converter | |
| US10564513B2 (en) | Optical waveguide devices | |
| JPS5981630A (ja) | 非線形集積光学結合器およびそのような結合器を組み込んだパメラトリツク発振器 | |
| US20220291532A1 (en) | Lithium niobate optical waveguide chip | |
| US11662520B2 (en) | Fiber-to-fiber platform for multi-layer ferroelectric on insulator waveguide devices | |
| US11754908B2 (en) | Devices and methods for giant single-photon nonlinearities | |
| US20230010459A1 (en) | Method for fabricating ktp nonlinear racetrack micro-ring resonators | |
| CN101673920A (zh) | 边发射二维光子晶体分布反馈量子级联激光器及制备方法 | |
| CN112099286B (zh) | 光学谐波产生器及其制备方法 | |
| Yoshiba et al. | Single crystalline silicon solar cells with rib structure | |
| Yuan et al. | Single-facet teardrop laser with matched-bends design | |
| US20100226002A1 (en) | Wavelength converting devices | |
| JP2002040502A (ja) | 光導波路素子 | |
| CN212163290U (zh) | 一种钪掺杂氮化铝兰姆波谐振器 | |
| US9007677B2 (en) | Wavelength conversion element and manufacturing method thereof | |
| CN110426772B (zh) | 一种可实现椭圆偏振光单向传输的光子晶体异质结构 | |
| Sasaki et al. | Efficient acousto‐optic TE⇄ TM mode conversion in ZnO films | |
| CN113433759B (zh) | 一种可在1550nm波长附近工作的光子晶体微腔 | |
| Chang et al. | A gallium arsenide nonlinear platform on silicon | |
| CN116430515B (zh) | 一种基于硫化物和铌酸锂的波导装置 | |
| CN215833739U (zh) | 基于双折射相位匹配的宽带倍频波导器件 | |
| CN113612108B (zh) | 一种基于斜切非线性晶体脊型波导的频率转换器及其制备方法 | |
| CN111755594B (zh) | 一种超薄压电单晶箔的制作方法及其应用 | |
| CN118112860A (zh) | 一种非线性光学晶体薄膜及其制备方法 | |
| JP3179745B2 (ja) | パターン作製方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |