封面 | 紧凑型周期极化铌酸锂薄膜波导器件

《中国激光》2023年第22期封面文章：

· 封面解读 ·

封面展示了紧凑型光纤进、光纤出的周期极化铌酸锂（PPLN）薄膜脊型波导器件。该器件结合了准相位匹配的设计灵活性和波导结构的高功率密度优势，具有转换效率高（比块状晶体高出2~3个数量级）、功率损耗小、结构紧凑等优点，适用于瓦级频率变换。

原文链接：冯新凯, 陈怀熹, 陈家颖, 梁万国. 光纤耦合周期极化铌酸锂薄膜波导器件的研究[J]. 中国激光, 2023, 50(22): 2208001

一.

背景介绍 

周期极化铌酸锂（PPLN）晶体是基于准相位匹配（QPM）原理，将常规的掺镁铌酸锂（MgOLN）晶体的内部畴结构设计并制作成周期极化结构（又称为光学超晶格结构），帮助提高晶体的非线性变频特性。它可以利用晶体的最大非线性系数，实现晶体整个透光范围（0.3~5 μm）内的频率变换，具有体积小、效率高、无走离效应、设计自由等优点。采用块状PPLN晶体的光学系统已经广泛应用于各类激光设备中，但是它们相对笨重，且还需要严格的光路对准。随着航天航空、量子通信、生物医疗等领域对光学集成度的要求越来越高，同时由于 PPLN 晶体的频率转换效率与光功率密度强度成正比，因此将 PPLN 晶体制作成波导结构，可以将光聚焦并限制在较小的通光口径内，使光功率密度大大增强，从而大幅提高其光学转换效率，拓宽其在低泵浦功率下的应用。另外，借助先进的微纳加工技术，可以在铌酸锂薄膜材料中集成多种不同功能的光学元件（如电光、声光、分光等），做成类似集成电路一样的集成光子学平台，可以大幅度改善光子学系统的稳定性，提高其转换效率。

紧凑型光纤进、光纤出的PPLN薄膜脊型波导器件中PPLN薄膜脊型波导结合了准相位匹配的设计灵活性和波导结构的高功率密度优势，具有转换效率高（可比块状晶体高出2~3个数量级）、功率损耗小、结构紧凑等优点，特别适用于瓦级频率变换。

二.

创新研究 

针对PPLN块状晶体在腔外单通频率变换过程中效率低的问题，中国科学院福建物质结构研究所梁万国研究员团队对常规PPLN薄膜脊型波导的制作工艺进行了改进，对键合过程中SiO₂缓冲层的厚度进行了研究，成功地制作了紧凑型光纤进光纤出的波导封装模块，下图为制作的PPLN薄膜脊型波导侧视图和俯视图。当温度为24.8 ℃、1560 nm基频光输入功率为1.2 W时，最大输出653 mW的倍频光，光光转换效率达54.4%，归一化转换效率为20.2 %/W∙cm²。

图 PPLN薄膜脊型波导（a）侧视图和（b）俯视图

三.

总结与展望 

研究团队采用PPLN键合减薄工艺，研制出了紧凑型光纤进光纤出的波导封装模块。后续工作将继续优化PPLN薄膜制作工艺，优化光纤端面耦合封装工艺，采用波导和光纤同时斜角的形式，并在端面加镀增透膜以减小端面反射，进一步提高模块的耦合效率。使用激光点焊以及玻璃封焊等方法，对封装工艺进行优化，进一步提高模块的功率稳定性。

课题组介绍

中国科学院福建物质结构研究所梁万国研究员团队主要进行光学超晶格晶体、非线性光学等技术研究。近年来，团队承担了国家“863”计划、福建省科技重大专项、中国科学院科研仪器装备项目、中国科学院STS项目、中国福建光电信息科学与技术创新实验室（闽都创新实验室）项目等。在国内外高水平学术期刊及会议发表论文60余篇，在国内外高水平学术期刊及会议发表论文60余篇，出版《波导非线性光学器件》译著一本，授权专利80余项，其中发明专利30项，授权软件著作权5项。

通讯作者简介

梁万国，研究员，博士生导师，课题组长。主要从事非线性光学、光电子学、基于III-V族的半导体器件的设计和工艺研究、光学全息和信息处理等学科的研究。掌握了半导体器件制造工艺、非线性晶体的极化反转工艺以及光学全息术。负责和参与了中国科学院半导体研究所的“863”研究项目、法国TUVIC资助的项目、加拿大NSERC和OCE资助的数项科研项目以及中国科学院海西研究院资助的科研项目。在Applied Physics Letters、 Optics Letters等国内外期刊上发表了60余篇论文。授权专利80余项，其中美国专利1篇，国内发明专利30余项。

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