封面展示了緊湊型光纖進(jìn)、光纖出的周期極化鈮酸鋰（PPLN）薄膜脊型波導(dǎo)器件。該器件結(jié)合了準(zhǔn)相位匹配的設(shè)計(jì)靈活性和波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的高功率密度優(yōu)勢(shì)，具有轉(zhuǎn)換效率高（比塊狀晶體高出2~3個(gè)數(shù)量級(jí)）、功率損耗小、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，適用于瓦級(jí)頻率變換。

一、背景介紹

周期極化鈮酸鋰（PPLN）晶體是基于準(zhǔn)相位匹配（QPM）原理，將常規(guī)的摻鎂鈮酸鋰（MgOLN）晶體的內(nèi)部疇結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并制作成周期極化結(jié)構(gòu)（又稱為光學(xué)超晶格結(jié)構(gòu)），幫助提高晶體的非線性變頻特性。它可以利用晶體的最大非線性系數(shù)，實(shí)現(xiàn)晶體整個(gè)透光范圍（0.3~5 μm）內(nèi)的頻率變換，具有體積小、效率高、無(wú)走離效應(yīng)、設(shè)計(jì)自由等優(yōu)點(diǎn)。采用塊狀PPLN晶體的光學(xué)系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各類激光設(shè)備中，但是它們相對(duì)笨重，且還需要嚴(yán)格的光路對(duì)準(zhǔn)。

隨著航天航空、量子通信、生物醫(yī)療等領(lǐng)域?qū)鈱W(xué)集成度的要求越來(lái)越高，同時(shí)由于 PPLN 晶體的頻率轉(zhuǎn)換效率與光功率密度強(qiáng)度成正比，因此將 PPLN 晶體制作成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，可以將光聚焦并限制在較小的通光口徑內(nèi)，使光功率密度大大增強(qiáng)，從而大幅提高其光學(xué)轉(zhuǎn)換效率，拓寬其在低泵浦功率下的應(yīng)用。另外，借助先進(jìn)的微納加工技術(shù)，可以在鈮酸鋰薄膜材料中集成多種不同功能的光學(xué)元件（如電光、聲光、分光等），做成類似集成電路一樣的集成光子學(xué)平臺(tái)，可以大幅度改善光子學(xué)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高其轉(zhuǎn)換效率。

緊湊型光纖進(jìn)、光纖出的PPLN薄膜脊型波導(dǎo)器件中PPLN薄膜脊型波導(dǎo)結(jié)合了準(zhǔn)相位匹配的設(shè)計(jì)靈活性和波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的高功率密度優(yōu)勢(shì)，具有轉(zhuǎn)換效率高（可比塊狀晶體高出2~3個(gè)數(shù)量級(jí)）、功率損耗小、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于瓦級(jí)頻率變換。

二、創(chuàng)新研究

針對(duì)PPLN塊狀晶體在腔外單通頻率變換過(guò)程中效率低的問(wèn)題，中國(guó)科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所梁萬(wàn)國(guó)研究員團(tuán)隊(duì)對(duì)常規(guī)PPLN薄膜脊型波導(dǎo)的制作工藝進(jìn)行了改進(jìn)，對(duì)鍵合過(guò)程中SiO2緩沖層的厚度進(jìn)行了研究，成功地制作了緊湊型光纖進(jìn)光纖出的波導(dǎo)封裝模塊，下圖為制作的PPLN薄膜脊型波導(dǎo)側(cè)視圖和俯視圖。當(dāng)溫度為24.8 ℃、1560 nm基頻光輸入功率為1.2 W時(shí)，最大輸出653 mW的倍頻光，光光轉(zhuǎn)換效率達(dá)54.4%，歸一化轉(zhuǎn)換效率為20.2 %/W·cm2。

圖 PPLN薄膜脊型波導(dǎo)（a）側(cè)視圖和（b）俯視圖

三、總結(jié)與展望

研究團(tuán)隊(duì)采用PPLN鍵合減薄工藝，研制出了緊湊型光纖進(jìn)光纖出的波導(dǎo)封裝模塊。后續(xù)工作將繼續(xù)優(yōu)化PPLN薄膜制作工藝，優(yōu)化光纖端面耦合封裝工藝，采用波導(dǎo)和光纖同時(shí)斜角的形式，并在端面加鍍?cè)鐾改ひ詼p小端面反射，進(jìn)一步提高模塊的耦合效率。使用激光點(diǎn)焊以及玻璃封焊等方法，對(duì)封裝工藝進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)一步提高模塊的功率穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)： 中國(guó)光學(xué)期刊網(wǎng)

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