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。     

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。     

铌酸锂集成光子器件的发展与机遇

铌酸锂,作为应用最广泛的非线性光学晶体之一,近十年来由于薄膜铌酸锂晶圆的出现而再次获得了学术界与产业界的关注.基于薄膜铌酸锂的集成光电子器件的优越性能已在诸多应用中得到演示,例如光信息处理、激光雷达、光学频率梳、微波光子学和量子光学等. 2020年,薄膜铌酸锂器件通过光刻技术在6 in(1 in=2.54 cm)晶圆上的成功制备,推动了铌酸锂加工从实验室逐步走向工业化.薄膜铌酸锂光子器件的研究主要聚焦于利用电光、声光和二阶/三阶非线性效应进行光调制或频率转换;最近三年,掺杂稀土离子还成功赋予铌酸锂增益特性,实现了片上铌酸锂放大器和激光器.本文将简略回顾薄膜铌酸锂的发展过程,着眼于集成光子器件,介绍国内外研究组取得的进展、意义以及面临的挑战.     

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.     

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。     

第6届全国光学前沿问题讨论会在福建武夷山市举行

由中国光学学会基础光学专业委员会和中国物理学会光物理专业委员会联合主办、中国科学院物理研究所承办的第 6届全国光学前沿问题讨论会于 2 0 0 3年 11月 16～ 2 0日在福建武夷山市举行。来自国内从事光科学和技术研究的研究所、大学的 6 8名代表参加了会议。大会组织安排了 7个特邀报告 :飞秒激光在光子晶体光纤中传输特性的研究 (天津大学王清月 )、时空高分辨飞秒近场光谱学 (北京大学龚旗煌 )、基于周期性极化铌酸锂晶体的 olc滤波器的研究 (上海交通大学夏宇兴 )、新型双光子吸收材料的超快动力学研究 (复旦大学钱士雄 )、千赫兹高…     

光纤传感技术中的铌酸锂集成光学

介绍铌酸锂(LiNbO_3)集成光学器件的光纤激光多普勒测速仪、光纤温度传感器和光纤微位移传感器的构造和工作原理。     

飞秒激光加工蓝宝石超衍射纳米结构

蓝宝石具有超强硬度及耐腐蚀、耐高温、在紫外-红外波段具有良好的透光性等优点,在军工业以及医疗器械方面具有广泛的应用前景.然而这些优点又对蓝宝石的机械加工或化学腐蚀加工带来困难.飞秒激光脉冲具有热损伤小、加工分辨率高、材料选择广等特点,被广泛应用于固体材料改性和高精度三维微纳器件加工.本文提出了利用飞秒激光多光子吸收特性在蓝宝石表面实现超越光学衍射极限的精细加工.利用聚焦后的波长为343 nm的飞秒激光,配合高精密三维压电位移台,实现激光焦点和蓝宝石晶体的相对三维移动,在蓝宝石晶体衬底上进行精确扫描,得到了线宽约61 nm的纳米线,纳米线间的最小间距达到142 nm左右.利用等离子体模型解释了加工得到的纳米条纹的产生原因,研究了激光功率、扫描速度对加工分辨率的影响.最终本工作实现了超越光学衍射极限的加工精度,为实现利用飞秒激光对高硬度材料的微纳结构制备提供了参考.     

基于质子交换和刻蚀工艺的体铌酸锂阵列波导光栅

提出一种将质子交换技术和刻蚀技术结合的体铌酸锂波导和器件加工方案,基于质子交换的铌酸锂晶体相变特性改变,降低了质子交换区直接刻蚀难度,结合质子交换的纵向折射率改变和刻蚀波导的横向结构改变,波导尺寸显著降低,采用粒子群算法优化波导尺寸,最小可达2.5μm。基于该工艺方案设计了中心波长为1550 nm、四通道且通道间隔为400 GHz的阵列波导光栅,该阵列波导光栅的传输损耗约为6 dB,相邻通道间串扰均低于22 dB,整体尺寸仅为850μm×620μm,在高密度铌酸锂光子集成互连等场景具有较大的应用潜力。     

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。     

铌酸锂晶体中飞秒激光脉冲线性电光效应及其色散补偿

针对铌酸锂晶体中飞秒激光脉冲线性电光效应, 研究了光学相位共轭 对群速度色散 以及一阶和二阶折射率色散的补偿方案. 结果发现, 在任意初始输入脉宽条件下, 这些色散基本上都能得到补偿, 输出脉冲波形基本上和输入脉冲相同. 在此方案中, 若同时在色散补偿铌酸锂晶体上对输出脉冲进行电光相位调制, 则在一定外加电场作用下, 输出脉冲的脉宽将进一步被压缩, 初始输入脉宽越小, 压缩程度越大.     

铌酸锂晶体中飞秒激光脉冲线性电光效应及其色散补偿

针对铌酸锂晶体中飞秒激光脉冲线性电光效应, 研究了光学相位共轭 对群速度色散 以及一阶和二阶折射率色散的补偿方案. 结果发现, 在任意初始输入脉宽条件下, 这些色散基本上都能得到补偿, 输出脉冲波形基本上和输入脉冲相同. 在此方案中, 若同时在色散补偿铌酸锂晶体上对输出脉冲进行电光相位调制, 则在一定外加电场作用下, 输出脉冲的脉宽将进一步被压缩, 初始输入脉宽越小, 压缩程度越大.     

利用飞秒激光直写实现透明介电材料中三维维微微纳结构的制备与集成

本文综述了利用飞秒激光三维直写技术,在玻璃和晶体等透明介电材料中实现微流体、微光学、微电子学等一系列功能性微纳结构,并进一步构筑新型微纳光子器件的原理、技术与应用。     

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.     

基于光场调控的飞秒激光直写光波导研究进展(特邀)

飞秒激光直写是一种无掩模、高效、灵活的三维加工技术,可以对材料实现微纳米级加工,已经成为应用最广泛的材料精密加工技术之一.基于光波导的微纳光子器件(如分束器、频率转换器和电光调制器等),不但可以保持块体材料本身的优异特性,还能极大提高器件的性能和集成度,具有块体材料器件所不具备的特点和优势.因此,对集成光波导和光波导器...     

基于高重复频率飞秒激光直写技术制作衍射光栅的研究

基于由光子晶体光纤飞秒激光器产生的高重复频率飞秒激光搭建了飞秒激光微加工系统,利用LabVIEW编写程序精密控制三维移动平台的移动路径和高速快门,在加工功率为1.5W、移动速率为1mm/s时,利用直写技术在无胶铬版上得到了微米量级的任意形状的平面衍射光栅。利用CCD相机对光栅制备过程进行实时监视,保证了光栅的加工质量。制备的光栅在显微镜下观察,条纹边缘清晰、线纹粗细均匀。使用He-Ne激光照射加工的光栅,可以获得清晰、稳定、与理论符合很好的夫琅和费(Frauhofer)衍射图样,显示了所加工的光栅具有良好的光学性能。实验结果也表明了光子晶体光纤飞秒激光在光栅制作过程中所具备的良好的加工性能。     

二维硅基平板光子晶体器件

硅材料在红外通讯波段具有低损耗和高折射率的特性,使得其成为集成光学领域中应用最广的材料之一.主要介绍了本课题组在二维硅基平板光子晶体中实现微纳尺度上光调控的研究进展,讨论了利用光子晶体的缺陷态实现各种集成光学器件,包括光子晶体波导、微腔和利用光子晶体波导和微腔形成的滤波器.还介绍了光子晶体中特殊的光折射现象,包括红外波...