一种高温度调谐效率的宽带光学倍频波导芯片的制作方法

本技术涉及光通信领域，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：

1、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。

2、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。

3、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-1cm-2，而波导长度一般为5cm以上。2018年，美国哈佛大学loncar小组首次制备出片上薄膜ppln波导，并测试得到归一化倍频转换效率高达2600％w-1cm-2，比当前最好的钛扩散ppln波导效率提升20倍以上，且波导长度仅为4mm。2019年，美国中佛罗里达大学fathpour小组采用在线监测极化质量的方法，测试得到归一化倍频转换效率高达4600％w-1cm-2。

4、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。

5、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。

6、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。

技术实现思路

1、针对于上述现有技术存在的不足，本技术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。

2、为实现上述目的，本技术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；

3、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；

4、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。

5、优选的，所述波导上包层为空气或二氧化硅；

6、所述波导芯层为薄膜铌酸锂材料，厚度为100～2000nm；

7、所述波导下包层为二氧化硅；

8、所述基底层为铌酸锂、石英或硅。

9、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。

10、优选的，高温度调谐效率的光学倍频基于以下条件：

11、

12、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；λp表示泵浦光的波长；c表示真空中光速；表示倍频光的有效折射率随温度的变化率，表示泵浦光的有效折射率随温度的变化率；gvm表示群速度失配，其表达式为：

13、gvm＝1/νg(λp)-1/νg(λsh)

14、其中，νg(λp)表示泵浦光的群速度，νg(λsh)表示倍频光的群速度；群速度失配越小，光学倍频的温度调谐效率越高。

15、优选的，宽带的光学倍频基于以下条件：

16、

17、其中，δλshg表示光学倍频的带宽，定义为倍频效率下降为峰值倍频效率的一半时的波长间隔；λp表示泵浦光的波长；c表示真空中光速；l表示所述周期性极化铌酸锂薄膜光波导的长度；群速度失配gvm越小，光学倍频的带宽越大。

18、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。

19、优选的，所述te0到te1模式转换器的工作流程包括：

20、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：

21、

22、2ωp＝ωsh

23、其中，kp和ksh分别表示泵浦光和倍频光的波数；ωp和ωsh分别表示泵浦光和倍频光的频率；λshg表示倍频非线性过程的极化周期；将波数的表达式k＝ωneff/c代入所述动量守恒和能量守恒条件中可得到λshg的表达式：

24、

25、其中，λp和λsh分别表示泵浦光和倍频光的波长；neff(λp)和neff(λsh)分别表示泵浦光和倍频光的有效折射率，由波导结构以及各光波的光学模式决定。

26、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。

27、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。

28、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。

29、与现有技术相比，本技术的有益效果如下：

30、(1)本技术利用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。

31、(2)本技术利用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。

32、(3)本技术采用的工艺步骤具有成本低、工艺简单等优点。