铌酸锂薄膜上的非线性频率变换

铌酸锂晶体是一种综合性质优异的多功能光学材料。在过去几十年里,对铌酸锂晶体的研究一直是光学研究的热点之一。近年来发展起来的绝缘体上铌酸锂(LNOI),亦称为铌酸锂薄膜(LNTF),在光学领域被公认为是一项变革性技术。基于LNOI的集成光子器件让铌酸锂晶体又焕发了新生命,再次成为集成光子学的研究焦点。作为最优秀的非线性晶体之一,铌酸锂薄膜在频率转换方面是其他薄膜材料无法替代的。总结了基于铌酸锂薄膜的非线性频率转换最新研究进展,包括二阶非线性、三阶非线性、级联非线性和光学频率梳等,最后对LNOI平台上光子集成回路(PIC)的前景进行了展望。     

超低损耗铌酸锂光子学

铌酸锂光子集成是推动未来高速光通信和光信息处理领域变革性发展的重要前沿技术。介绍了利用铌酸锂光子芯片制造技术制备集成光路中关键光子结构与器件的最新研究进展。得益于单晶铌酸锂晶体的高非线性系数和强电光效应,利用制备的高性能铌酸锂光子器件演示了多种高效的非线性光学过程。     

绝缘体上铌酸锂薄膜片上光子学器件的研究进展

铌酸锂晶体具有卓越的电光和非线性光学性质,一直以来都被认为是最有前景的集成光子学基质材料之一.也正是由于铌酸锂晶体多方面优良的光学性能,近年来新兴的铌酸锂薄膜技术在集成光子学的研究中受到了极大的关注.借助于先进的微纳加工技术,许多高性能的铌酸锂集成光子学器件已经得以实现.本文总结了几种微纳加工技术在基于铌酸锂薄膜的片上光子学器件制备中的应用,介绍了铌酸锂薄膜片上光子学器件的最新进展,并展望了其在集成光子学研究中的潜在应用.     

铌酸锂基光量子器件与集成技术：机遇与挑战

铌酸锂材料具有宽的透光范围和高的非线性光学、电光、声光、热光系数,且化学性能稳定,是理想的光子集成芯片的衬底材料。在量子光学领域,人们已经发展出一系列铌酸锂基集成器件,能够实现光子态的高效率产生、调控、频率转换、存储和异质集成的单光子探测,有望实现全集成的频率态操控、确定性多光子态制备和单光子间相互作用,最终形成全功能集成的有源光量子芯片,推动量子物理基础研究和光量子信息应用发展。文章回顾了基于铌酸锂基量子集成的研究进展,并对其在未来光量子信息时代的机遇与挑战进行探讨。     

铌酸锂铁电畴工程及其应用

铌酸锂晶体是目前最重要的人工晶体之一,被誉为“光学硅”.铌酸锂晶体薄膜是最有应用前景的集成光电子学基质材料之一.在过去几十年的研究中,铌酸锂晶体在材料生长、基础研究和器件应用方面取得了巨大进展.利用铌酸锂晶体畴工程制备的周期极化铌酸锂、波导以及导电畴壁在光频率转换、光开关、光调制以及纳米电子器件等领域有重要应用.本文介绍了铌酸锂微米尺寸和纳米尺寸畴结构的制备方法及7个表征方式,并从3个方面介绍了铌酸锂畴工程的应用及其研究进展.     

飞秒激光加工铌酸锂晶体：原理与应用（英文）

由于具有超短的脉冲宽度和极高的峰值强度,飞秒激光微加工是一种有效的材料加工方法,已广泛应用于光子集成器件的加工。铌酸锂晶体具有优异的电光、非线性光学和压电特性,是集成光学和导波光学中常见的材料。本文综述了飞秒激光对铌酸锂晶体的处理,重点介绍了飞秒激光加工的物理原理及其制备的铌酸锂基光子器件的最新进展。飞秒激光技术使铌酸锂晶体在微纳光子学领域具有广阔的应用前景。     

飞秒激光加工铌酸锂晶体：原理与应用

由于具有超短的脉冲宽度和极高的峰值强度，飞秒激光微加工是一种有效的材料加工方法， 已广泛应用于光子集成器件的加工。铌酸锂晶体具有优异的电光、非线性光学和压电特性，是集成 光学和导波光学中常见的材料。本文综述了飞秒激光对铌酸锂晶体的处理，重点介绍了飞秒激光加 工的物理原理及其制备的铌酸锂基光子器件的最新进展。飞秒激光技术使铌酸锂晶体在微纳光子学 领域具有广阔的应用前景。     

基于嵌入填充层的薄膜铌酸锂-氮化硅电光调制器

提出一种异质集成型薄膜铌酸锂电光调制器,由底部氮化硅波导、中间BCB黏合层、顶部铌酸锂薄膜构成调制区波导结构,调制电极位于铌酸锂薄膜的上部且二者之间填充了低折射率的SiO₂,以利于实现折射率匹配并降低光损耗、微波损耗。进一步利用马赫-曾德尔干涉仪结构,设计了相应的电光调制器,并提出一种倒台阶型薄膜结构,该结构可实现输入、输出波导与调制区波导的高效耦合。对该电光调制器进行行波高速匹配设计,所得器件的半波电压长度积为1.77 V·cm,3 dB调制带宽为140 GHz,且调制区长度仅为5 mm。所提器件结构有望在大带宽薄膜铌酸锂电光调制器设计中发挥优势,助力薄膜铌酸锂光子集成器件的快速发展。     

非线性频率转换新原理新平台与新应用研究

作为最早发现的非线性光学现象之一,非线性频率转换经过几十年的发展,从原理到应用均已不断成熟。非线性频率转换过程中新的相位匹配原理被不断提出和实现。除此之外,随着集成光学、结构光子学及量子光学等领域的不断发展,非线性频率转换在各领域的研究和应用又重新焕发活力,并发挥着不可替代的作用。本篇综述围绕非线性频率转换主题,突出非线性频率转换的新原理、新平台与新应用研究,并以本团队研究成果为基础,介绍相关领域的研究进展,主要分为以下几个方面:非线性界面相位匹配新原理;结构光场非线性谐波调控;铌酸锂薄膜集成非线性光学新平台;单光子频率转换、光量子接口等新应用。     

基于和频与差频级联的全光单光子波长变换

基于周期极化铌酸锂波导,提出了一种采用和频产生与差频产生级联的全光单光子波长变换方案.在海森堡绘景下,通过非线性变换过程的哈密顿量求解了目标单光子信号的湮灭算子,进而根据变换前后的光子数算符之比得到了单光子波长变换的效率.分析了和频产生过程以及差频产生过程中单光子的转换效率与泵浦功率之间的关系,证明了存在最佳泵浦功率使得量子态能够完全转移.数值分析结果表明,当上变换(和频产生)泵浦光功率为65 mW、下变换(差频产生)泵浦光功率为150 mW时,由1550 nm到1530 nm的单光子波长变换可达到61％的转换效率.给出了级联单光子波长变换的实验装置,包括周期极化铌酸锂波导、泵浦激光、准单光子信号源、滤波等光学元器件、单光子探测器和同步线路.     

圆碟中回音壁模式的耦合条件

基于波导的几何光学理论,并考虑谐振腔的品质因素或光子寿命,给出了毫米级圆碟回音壁模式谐振时的条件,应用光子隧道效应,分析了输入输出波导与圆碟的耦合特性,详细分析并给出了品质因素为5×105环形电极铌酸锂圆碟调制器中回音壁模式与波导的耦合与限制条件.提出一种利用铌酸锂Mach-Zehnder波导与同质材料圆碟构成的微波接收转换装置,该装置能够实现推挽操作,在具有较高频率分辨特性的基础上能进一步降低驱动电压,而且器件尺寸进一步减小.     

圆碟中回音壁模式的耦合条件

基于波导的几何光学理论,并考虑谐振腔的品质因素或光子寿命,给出了毫米级圆碟回音壁模式谐振时的条件,应用光子隧道效应,分析了输入输出波导与圆碟的耦合特性,详细分析并给出了品质因素为5×105环形电极铌酸锂圆碟调制器中回音壁模式与波导的耦合与限制条件.提出一种利用铌酸锂Mach-Zehnder波导与同质材料圆碟构成的微波接收转换装置,该装置能够实现推挽操作,在具有较高频率分辨特性的基础上能进一步降低驱动电压,而且器件尺寸进一步减小.     

集成光学平板光盘读出头研制

采用集成光学方法,将非球面消球差双凸波导透镜、双光栅会聚光波导透镜、光波导转向棱镜单片集成在铌酸锂基底上构成光学平板光盘读出头.集成光学平板光盘读出头克服了微透镜光盘读出头体积大、组装复杂的不足,实现了光盘读出头的集成化,提高了系统的可靠性.光斑理论值0.475 μm,实测值0.67 μm.     

低阈值单谐振周期极化掺镁铌酸锂光参量振荡器

对基于周期极化掺镬铌酸锂晶体的信号光单谐振光学参量振荡器的输出特性进行了实验研究.讨论了光学参量振荡器谐振腔的腔长、周期极化铌酸锂晶体的通光长度、输出镜的透过率以及抽运光的脉冲宽度对光学参量振荡器谐振阈值的影响.光学参量振荡器的抽运源采用输出波长为1 064 nm的声光调Q Nd:YVO_4激光器,在重复频率为2 kHz、周期极化掺镁铌酸锂晶体的温度为30℃的条件下,光学参量振荡器的振荡阈值仅为48 mW.当抽运功率为94 mW时获得了25 mW的信号光输出,其光-光转换效率为26.6%.     

低阈值单谐振周期极化掺镁铌酸锂光参量振荡器

对基于周期极化掺镁铌酸锂晶体的信号光单谐振光学参量振荡器的输出特性进行了实验研究.讨论了光学参量振荡器谐振腔的腔长、周期极化铌酸锂晶体的通光长度、输出镜的透过率以及抽运光的脉冲宽度对光学参量振荡器谐振阈值的影响.光学参量振荡器的抽运源采用输出波长为1 064 nm的声光调Q Nd∶YVO4激光器,在重复频率为2 kHz、周期极化掺镁铌酸锂晶体的温度为30 ℃的条件下,光学参量振荡器的振荡阈值仅为48 mW.当抽运功率为94 mW时获得了25 mW的信号光输出,其光-光转换效率为26.6%.     

一种电光可调的铌酸锂/钠基表面等离子体定向耦合器

为了满足日益增加的集成光子器件设计的需求,本文研究了一种铌酸锂/钠表面等离子体波导(Li Nb O3/Na surface plasmonic waveguide, LNSPW),并利用LNSPW构成电光可调的定向耦合器(directional coupling,DC).利用有限元方法 (finite element method, FEM)对波导的模式特性和耦合器的耦合特性进行了分析.结果表明,随着波导尺寸的增大,传播长度可达约200μm,归一化有效模场面积小于0.4.通过调节耦合间距(W_gap)、耦合长度(L_C)和工作波长(λ)等参数,铌酸锂钠表面等离子体波导构建的定向耦合结构可实现3 d B耦合.当W_gap=100 nm和L_C=17μm时, DC在V₀=53 V时可实现3 d B耦合,且具有较好的方向性和隔离度.LNSPW的研究为实现可调的DC提供了一种可行的方案,在集成电光可调器件研究领域有潜在的应用前景.除此之外, LNSPW还可广泛应用于非线性光学、光信号处理及光全...     

二维非线性光子晶体中的高阶准相位匹配谐频

在二维正方晶格的周期性极化铌酸锂晶体中，通过调节基频光波长实现了皮秒光束的高阶共线及非共线准相位匹配谐频过程，在垂直于入射光束的方向上观察到了多对红、绿、蓝三种颜色的谐频光斑.同时，通过改变晶体的入射角度也实现了基频光的高阶谐频过程.实验与理 论符合得很好，这一结果对光电子集成及紧凑器件的研究发展有重要的指导意义. 关键词： 高阶准相位匹配 二维非线性光子晶体 频率转换     

宽带准连续光纤激光在周期极化铌酸锂中倍频特性的研究

双包层光纤激光器和非线性光学材料(如周期性极化的铌酸锂晶体,PPLN)相结合,开辟了实用性非线性光学器件的一个新领域。研究了准相位匹配周期性极化反转铌酸锂晶体对宽带准连续光纤激光倍频的温度特性和频谱特性。在理论上,从准相位匹配相位失配关系出发,推导了晶体温度与抽运源中心波长的关系以及温度响应带宽,并和已报道实验结果进行了比较,二者符合得很好。此外,还推导了倍频周期极化铌酸锂晶体对抽运基频光源的响应谱线带宽。在实验上,采用长度20mm,极化周期6．5μm,厚度0．5mm的周期极化铌酸锂晶体光纤激光器准连续宽带输出进行了倍频,获得了在不同控制温度下的倍频光光谱,并对此进行了详细分析。     

准位相匹配铌酸锂波导倍频特性分析与优化设计

用标量有限元方法计算了周期性极化的铌酸锂光波导中模折射率和模场分布,并在计算中引入铌酸锂晶体折射率与温度变化的关系,分析了准位相匹配铌酸锂波导倍频效率与极化反转光栅周期、基频光波长、波导器件温度等关系.理论分析与实验结果符合得很好.在此基础上,分析了波导制作参数与倍频效率、光栅周期与晶体温度,以及温度带宽与光栅通光方向长度等关系,进而对铌酸锂波导倍频器件进行优化设计. 关键词： 铌酸锂 光波导 准位相匹配 有限元     

GaN晶体在飞秒紫外波段激发下的可变非线性吸收效应和光动力学过程研究

采用Z扫描和泵浦-探测技术研究了GaN薄膜在370 nm时的非线性光学效应和非线性光动力学过程。首先,基于GaN薄膜的透射光谱,结合线性光学理论分析得到了其在370 nm的线性折射率n₀、线性吸收系数α₀、光学带隙E_g等线性光学性质。采用飞秒激光Z扫描技术,得到了不同光强激发下的Z扫描实验响应结果,结合非线性光学理论提取出GaN薄膜可变的光学非线性吸收效应。在激发光子能量接近GaN带隙情况下,低光强时材料表现为饱和吸收而高光强时为反饱和吸收,这是因为低光强下单光子吸收占主导而高光强下以单光子感应自由载流子吸收为主。闭孔Z扫描测量得到了GaN薄膜的三阶非线性折射系数为n₂=-(1.0±0.1)×10-3 cm2·GW-1,它几乎比传统非线性介质的高出一个数量级。为了探究上述非线性过程的动力学弛豫时间以及进一步探究GaN薄膜非线性光动力学过程的深层物理机制,采用了交叉偏振飞秒退相泵浦探测技术观察GaN薄膜的光激发载流子动力学弛豫过程。实验结果表明,在低光强下,饱和吸收效应来源于瞬态单光子吸收,高光强下单光子感应自由载流子吸收为非瞬态光动力学过程,其自由载流子弛豫时间约为17 ps。该工作将为GaN薄膜在紫外非线性纳米器件应用以及GaN薄膜非线性过程的机制分析理解提供新的思路。