基于二氧化硅覆盖的铌酸锂波导产生有效二次谐波的研究.pdf
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1、2023 年第 4 期0 引言近年来袁由于超连续谱具有频谱宽尧方向性好和亮度较高等优点袁已广泛地应用于光谱学尧光通信尧脉冲压缩等1-2领域遥传统使用光纤产生的超连续谱传输距离较长尧泵浦能量较高袁难以满足当前集成光学平台3-4集成度高5-6尧尺寸小的要求遥 随着先进技术光学芯片持续不断地高速发展袁 通过对条形波导结构进行合理的设计袁可以使其对光的限制能力变强并拥有远高于玻璃纤维的非线性系数袁同时能够灵活控制色散袁采用倍频技术获得超连续宽带频谱遥 目前袁基于铌酸锂渊LiNbO3冤尧氮化硅尧富氮氮化硅的超连续谱研究主要在集成光学平台上进行遥 在这几种材料中袁LiNbO37透明窗口很宽袁在可见光波段尧
2、通信波段没有非线性基于二氧化硅覆盖的铌酸锂波导产生有效二次谐波的研究Study on second harmonic generated by lithium niobatewaveguide covered with silicon dioxideZHANG Gongye,JIANG Jian*,YANG Jijie渊School of Electronic and Optical Engineering,Nanjing University of Posts and Telecommunications,School of Flexible Electronics渊Future Techn
3、ology冤,Nanjing 210023 China冤Abstract:In order to easily achieve phase matching between interacting waves in waveguide and generate effective secondharmonics,a new type of strip waveguide silica-lithium niobate-silicon dioxide渊SiO2-LiNbO3-SiO2冤is designed.The strip wave-guide is composed of SiO2and L
4、iNbO3without etching z cutting.The dispersion of the waveguide is analyzed by adjusting thewaveguide structure,and the influence of SiO2with different sizes on the phase matching points of the fundamental wave and thesecond harmonic is studied.The feasibility of frequency doubling of the strip waveg
5、uide is analyzed,and the ultra-widebandcontinuous spectrum is realized by using the characteristics of the amplitude and width of the pulse to broaden the spectrum.Thesimulation results show that an ultra-short pulse with a pulse amplitude of 107a.u.and a pulse width of 10 fs is used to obtain anult
6、ra-wideband continuous spectrum with a bandwidth of 1 302.5 nm in a strip waveguide structure with a covering layer SiO2width of 1 600 nm and a height of 400 nm.Key words:lithium niobate,phase matching,second harmonic generation,supercontinuum spectrum,optical communication张龚业,蒋 建*,杨继杰渊南京邮电大学 电子与光学工
7、程学院尧柔性电子(未来技术)学院袁南京 210023冤摘要院为了在波导中轻松实现相互作用波之间的相位匹配,产生有效的二次谐波,设计了一种新型条形波导二氧化硅-铌酸锂-二氧化硅(SiO2-LiNbO3-SiO2),该条形波导由 SiO2和无蚀刻 z 切割的 LiNbO3组成,通过调整波导结构分析了波导的色散,研究了不同尺寸的 SiO2对基波与二次谐波相位匹配点的影响,分析了该条形波导倍频的可行性,并利用脉冲的振幅和宽度对频谱展宽的特性,实现超宽带连续谱。仿真结果表明:在覆盖层 SiO2宽度为 1 600 nm、高度为 400 nm 的条形波导结构中,使用脉冲振幅为 107a.u.,脉冲宽度为 1
8、0 fs 的超短脉冲,得到了一个带宽为 1 302.5 nm 的超宽带连续谱。关键词院铌酸锂;相位匹配;二次谐波产生;超连续谱;光通信中图分类号院TN929.1文献标志码院A文章编号院1002-5561渊2023冤04-0015-06DOI院10.13921/ki.issn1002-5561.2023.04.003开放科学渊资源服务冤标识码渊OSID冤院引用本文院张龚业袁蒋建袁杨继杰.基于二氧化硅覆盖的铌酸锂波导产生有效二次谐波的研究J.光通信技术袁2023袁47渊4冤院15-20.收稿日期院2023-01-03遥基金项目院国家自然科学基金项目渊62175116尧62075099冤资助遥作者简
9、介院张龚业渊1997要冤袁男袁硕士研究生袁现就读于南京邮电大学电子与光学工程学院尧柔性电子渊未来技术冤学院光学工程专业袁主要研究方向为非线性光学袁并针对铌酸锂条形波导的非线性频率变换进行研究和仿真验证遥*通信作者院蒋建渊1976要冤袁博士后袁讲师袁主要从事非线性光学尧光纤光学等领域科研工作遥专 题:光 器 件輥輳訛2023 年第 4 期张龚业袁蒋建袁杨继杰.基于二氧化硅覆盖的铌酸锂波导产生有效二次谐波的研究吸收遥 由二氧化硅渊SiO2冤制成的高折射率差波导可以很好地将光限制在芯层袁并且改善了波导的有效非线性效应袁无需用较高的能量使其非线性效应变强8-9遥在通信波段中袁LiNbO3超连续谱的应用
10、前景十分广阔10遥 因此袁为了在波导中产生有效的二次谐波袁本文设计一种新型条形波导要SiO2-LiNbO3-SiO2遥1 新型条形波导设计原理光线从一种介质射入另一种介质时的反射规律可以用折射定律和反射定律来描述遥 光波导全反射可以表示为sinc=21渊1冤其中袁c是入射角的临界角袁1和2分别是 2 种介质的折射率遥 当入射角大于临界角时袁光线将会被完全反射回原来的介质中袁而不会透射到新的介质中遥 在光波导中袁当光线从高折射率的介质射入低折射率的介质时袁如果入射角大于临界角袁光线会受到全反射现象的影响袁从而在光波导中持续传播遥 因此袁全反射公式在光波导器件的设计和应用中具有重要的意义遥光波导分
11、为平板波导和条形波导遥 由于平板波导只能在垂直方向对光进行约束袁无法在水平方向进行约束袁因此仅可以作为分析波导非线性光学的简单模型曰而条形波导不仅可以同时在水平尧垂直方向对光进行约束袁还能够在较小的横截面中实现对光场的较强约束袁提高了非线性系数袁更适合于研制高效的非线性波导的器件遥LiNbO3具有优良的电光和非线性光学性能曰SiO2具有高透过率和易于加工制备的特点袁但不具有电光和二阶非线性光学效应袁这限制了其在集成光学方面的应用遥 为了充分发挥 SiO2和 LiNbO3的优势袁本文将两者集成在一起设计出 SiO2-LiNbO3-SiO2袁 该波导中间的介质层为 LiNbO3袁 两侧包层为 Si
12、O2袁LiNbO3波导层的折射率大于两侧包层的折射率 SiO2袁 这样光就能够集中在波导层中传播袁 从而起到限制光外溢的作用曰同时袁通过在 SiO2波导表面沉积 LiNbO3薄膜袁使SiO2的平面光波导具有电光和非线性光学特性袁遥在光波导中袁由于模式的有效折射率通常会随着波长的增大而逐渐减小袁且与波导的宽度和高度联系密切遥 因此袁通过合理设计波导尺寸便能在这些波导结构下使基频光与倍频光的有效折射率相等袁从而实现完美的相位匹配关系遥 在非线性光学材料里袁基频光和倍频光对应的折射率分别为和2袁 相对应的波矢可以用和2表示遥 当 驻=2-=0 时袁满足相位匹配条件袁同时满足了能量守恒条件+=2和动量
13、守恒条件+=2遥 其中袁=渊c冤 窑 袁2=渊c冤 窑2袁可得院2=渊2c冤 窑2袁c 表示光速遥 所以袁要想在介质中实现相位匹配袁就要使基波与二次谐波的折射率相同袁或者传播速度相等遥因此袁依据以上理论原理袁本文使用 MODE Solu鄄tions 软件建立 SiO2-LiNbO3-SiO2模型袁并使用有限差分本征模式方法计算模式的有效折射率袁使基频光与倍频光的有效折射率相等袁从而得到满足色散要求的相位匹配的泵浦波长遥2 仿真分析LiNbO3二次谐波的横磁模渊TM冤的产生条件是需要严格满足相互作用波之间的相位匹配关系遥 在光波导中袁不同模式相互作用光的折射率也不同袁需要通过计算模式有效折射率来
14、满足相互作用波之间的相位匹配遥 此外袁设计的波导宽度尧波导厚度袁均与模式的有效折射率相关袁 可以通过合理设计波导的尺寸袁进而在这些波导结构下实现基频光与倍频光的相位匹配袁从而在波导中产生有效的基波袁即横电模渊TE冤遥本文从波导色散尧波导结构尧倍频尧脉冲振幅和宽度等方面验证所提 SiO2-LiNbO3-SiO2的性能遥2.1 波导色散分析色散是指不同频率的光在介质中传播时折射率的变化遥 不同频率的光在介质中传播时袁其折射率会有所不同袁导致了色散现象的产生遥 波导中的总色散主要包括材料色散和波导色散袁材料的色散由材料和波长决定袁通常用 Sellmeier 方程来表示遥 LiNbO3的折射率2L11
15、可表示为2L-1=2.980 422-0.020 47+0.598 122-0.066 6+8.954 322-416.8渊2冤其中袁为 TE 波长遥 本文所提的 SiO2-LiNbO3-SiO2以LiNbO3为芯层袁包层材料是添加的 SiO2遥 在研究色散时袁也需计算其材料的折射率遥 SiO2折射率12-132S可表示为2S-1=0.696 166 322-0.068 404 32+0.407 942 622-0.116 241 42+0.897 479 422-9.896 1612渊3冤LiNbO3和 SiO2折射率的仿真结果如图 1 和图 2专 题:光 器 件輥輴訛2023 年第 4 期
16、所示遥 图 1 中袁TE尧TM 这 2 种模式的光的折射率均随波长的增大而减小遥图 2 中袁SiO2的折射率随入射波长变化而变化袁也随着波长的增大而减小遥 因此袁SiO2为正常色散材料遥材料色散一般为固定值袁不会随着波导结构发生变化遥 与材料色散相比袁波导色散一般较小袁可以通过改变波导结构来调控色散遥2.2 改变波导结构对色散调控的影响分析本文应用 MODE 仿真软件分析波导袁计算其模式有效折射率袁 从而得到相位匹配的泵浦波长遥 SiO2-LiNbO3-SiO2结构示意图如图 3 所示遥 图中底层衬底部分和白色覆盖层均为 SiO2袁尧分别为 SiO2的高度和宽度遥 蓝色芯层部分选用的是 z 切
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