1.本发明属于非线性技术领域，具体涉及一种高效产生二次谐波的酸锂波导的结构与制作方法。
背景技术：2.二阶非线性是现代光学中许多有趣现象的基础，包括二次谐波，和频与差频的产生。非线性材料中的波长转换在经典和量子光学中起着重要作用，包括光学参量放大，量子频率转换，纠缠光子对产生，全光信号处理和超连续谱产生等。紧凑而高效的波导结构便是这一系列应用的关键元件，通常使用铌酸锂晶体来实现。
3.铌酸锂(linbo3)是一种优秀的光学晶体，它在宽光谱范围内是透明的，具有良好的声光效应和压电效应，有大的二阶非线性系数(d
33
≈27pm/v)。2012 年，薄膜铌酸锂的问世提供了一个优秀的平台，可以实现各种性能优异的设备的片上集成。在lnoi上实现波长转换的高效纳米光子波导已经有许多方案提出，例如通过模态-相位调制制的的sin加载波导，利用光栅诱导技术实现的脊型波导，通过周期性的设计晶体的铁电畴进行准相位匹配(qpm)制得的ppln波导，其中ppln波导的二次谐波转换效率已经能达到103％w-1
cm-2
。
4.在纳米光子波导中，可以选择不同的模式来实现相互作用的三个波之间的相位匹配，即模式相位匹配。然而，不同模态剖面的显著失配阻碍了基波和二次谐波的相互作用，导致倍频转换效率受限。
技术实现要素：5.本发明的目的在于提供一种可以高效产生二次谐波的铌酸锂波导结构及其制备方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
6.为了实现上述目的，本发明人为操控波导结构的χ
(2)
空间分布，使波导结构左右各1/3的区域χ
(2)
由正变反，可以克服不同模态剖面的显著失配，从而极大的提升倍频转换效率。
7.本发明利用的原理为模式相位匹配，通过设计波导结构，使1550nm基频光的te
00
模式与775nm倍频光的te
20
模式有效折射率相等。
8.本发明设计的脊形波导使用的基底为700nm厚的x-cut硅基上铌酸锂，波导顶部宽度为860nm，脊高为550nm，脊的角度为75
°
。
9.本发明设计的铌酸锂波导具有很小的有效模式面积aeff＝0.79138um2。
10.本发明设计的铌酸锂波导具有很大的模场重叠因子ζ＝0.8019。
11.本发明设计的铌酸锂波导具有极高的理论归一化二次谐波转化效率η＝10872％w-1
cm-2
。
12.所述高效产生二次谐波的铌酸锂波导制备方法，包括如下步骤：
13.1)在700nm厚的x-cut硅基上铌酸锂(lnoi)均匀涂覆一层光刻胶，并利用极紫外曝光技术对基片进行曝光，做出0.86um宽的波导光刻形貌；
14.2)利用真空蒸镀技术对lnoi镀一层200nm的cr膜，之后进行lift-off 工艺，使得基片上只留下波导状的cr掩膜；
15.3)利用反应离子刻蚀技术对基片进行刻蚀，优化刻蚀时间使刻蚀深度达到550nm；
16.4)利用cr腐蚀液去掉基片上残余的cr，清洗并再次匀胶；
17.5)利用对准技术对基片进行曝光，在波导两侧各1um远处曝出平板电极的光刻形貌；
18.6)再次进行镀cr膜与lift-off工艺；
19.7)对cr电极通电，在一定电压下铌酸锂会发生畴反转，其极性由+变为-。控制通电的电压，脉冲，使得畴反转发生在0.86um波导的左右各1/3处；
20.8)利用cr腐蚀液再次进行去cr，高效产生二次谐波的波导制备完成。
21.相比于现有技术，本发明的有益效果在于：
22.本发明使用优秀的非线性材料——铌酸锂，充分利用其很高的非线性极化率(d
33
≈27pm/v)。通过人为调控波导横截面的非线性分布，克服了模态适配，极大的增强了倍频转化效率。设计出的铌酸锂波导具有很小的有效模式面积，很大的模场重叠因子以及极高的理论归一化二次谐波转化效率。所提出的工作原理也适用于其他的二次非线性平台，在非线性光学中有着巨大的应用潜力。
附图说明
23.图1为本发明的波导仿真结构示意图；
24.图2为本发明利用有限元分析方法模拟的模式相位匹配示意图；
25.图3为本发明两种匹配模式的极性分布图；
26.图4为本发明波导的两个模式有效折射率随波导宽度变化而改变的示意图；
27.图5为本发明的制备流程图。
具体实施方式
28.如图1所示为高效产生二次谐波的铌酸锂波导结构切面图。所使用的lnoi 基片切向为x-cut，ln厚度为700nm。波导宽度w
t
为860nm，脊高h1为550nm，脊角θ为75
°
。如图2所示为本发明利用有限元分析方法模拟的模式相位匹配示意图，左图 1550nm基频光对应的te
00
模式，右图为775nm倍频光对应的te
20
模式，纵坐标为模式的e
x
分量。可以看出，倍频光的e
x
的横向分布有正有负。图3为本发明两种匹配模式的极性分布图，可以看出在波导横向分布的ⅰ与ⅲ区域，两模式的极性相反，在ⅱ区域极性相同。如图4所示为本发明波导的两个模式有效折射率随波导宽度变化而改变的示意图，结果显示在860nm处实现模式相位匹配。如图5所示为本发明的制备流程图，主要经过匀胶曝光波导，镀膜，lift-off，刻蚀，去cr，匀胶曝光电极，再次镀膜，再次lift-off，加电压，再次去cr等步骤。本发明的波导结构通过加电压致畴反转的方式，使得波导左右各1/3的区域内极性变反，从而大大增加其模式重叠因子，达到极高的二次谐波转换效率。
29.本发明所述高效产生二次谐波的铌酸锂波导制备方法，包括如下步骤：
30.1)在700nm厚的x-cut硅基上铌酸锂(lnoi)均匀涂覆一层光刻胶，并利用极紫外曝光技术对基片进行曝光，做出0.86um宽的波导光刻形貌；
31.2)利用真空蒸镀技术对lnoi镀一层200nm的cr膜，之后进行lift-off 工艺，使得基片上只留下波导状的cr掩膜；
32.3)利用反应离子刻蚀技术对基片进行刻蚀，优化刻蚀时间使刻蚀深度达到550nm；
33.4)利用cr腐蚀液去掉基片上残余的cr，清洗并再次匀胶；
34.5)利用对准技术对基片进行曝光，在波导两侧各1um远处曝出平板电极的光刻形貌；
35.6)再次进行镀cr膜与lift-off工艺；
36.7)对cr电极通电，在一定电压下铌酸锂会发生畴反转，其极性由+变为-。控制通电的电压，脉冲，使得畴反转发生在0.86um波导的左右各1/3处；
37.8)利用cr腐蚀液再次进行去cr，高效产生二次谐波的波导制备完成。
38.本方案提出一种新的模式相位匹配方案，通过修改波导的χ
(2)
分布，可以获得0.8019的大的模式重叠因子，以及高达10872％w-1
cm-2
的理论归一化shg 转换效率。所提出的工作原理也适用于其他的二次非线性平台，在非线性光学中有着巨大的应用潜力。
技术特征：1.在铌酸锂波导中高效产生二次谐波的结构与方法，其特征在于，所选材料基底为x-cut硅基上铌酸锂(lnoi)，铌酸锂薄膜厚度为700nm，波导宽度为0.86um，刻蚀高度为550nm，脊波导角度为75
°
。2.在铌酸锂波导中高效产生二次谐波的结构与方法，其特征在于，确定结构的步骤如下：1)：通过设计波导的各结构参数，使1550nm基频光的te
00
模式与775nm倍频光的te
20
模式折射相等，实现模式相位匹配；2)：采用有限元方法模拟计算得到两种模式的模式有效折射率；3)：对于无泵浦损耗的无损波导，shg的归一化效率由以下表达式给出：其中δk＝2ω(n
ω-n
2ω
),当基频光的模式有效折射率n
ω
等于倍频光的模式有效折射率n
2ω
时，δk＝0，此时达到最高理论归一化转化效率：其中p1和p2分别是输入基频(ff)模式和产生的二次谐波(sh)模式的功率，l是波导长度，d
eff
代表有效非线性系数，λ是基本泵浦波长，n1和n2分别是ff和sh模式的有效折射率，ε0和c分别是真空中的介电常数和光速；4)：a
eff
是有效模式区域，为其中a1和a2由下式给出5)：ζ表示ff和sh模式之间的空间模式重叠因子5)：ζ表示ff和sh模式之间的空间模式重叠因子和∫
all
它们分别表示χ(2)物质和所有空间上的二维积分，e1(x,y)和e2(x,y)分别是ff和sh模式的电场，e
1x
和e
2x
是它们的x分量；6):从公式(1)可以看出，shg的转换效率主要取决于有效非线性极化率，有效模式面积和空间模式重叠因子。3.根据权利2所述的在铌酸锂波导中高效产生二次谐波的结构与方法，其特征在于：步骤4)中，数值模拟表明此结构具有较小的有效模式面积，a
eff
＝0.79138um2。4.根据权利2所述的在铌酸锂波导中高效产生二次谐波的结构与方法，其特征在于：步骤5)中，数值模拟表明此结构具有很大的模式重叠因子，ζ＝0.8019。5.根据权利2所述的在铌酸锂波导中高效产生二次谐波的结构与方法，其特征在于：步
骤3)中，数值模拟表明此结构具有极高的归一化转化效率，η＝10872％w-1
cm-2
。6.在铌酸锂波导中高效产生二次谐波的的结构与方法，其特征在于，制备方法包含如下步骤：1)在700nm厚的x-cut硅基上铌酸锂(lnoi)均匀涂覆一层光刻胶，并利用极紫外曝光技术对基片进行曝光，做出0.86um宽的波导光刻形貌；2)利用真空蒸镀技术对lnoi镀一层200nm的cr膜，之后进行lift-off工艺，使得基片上只留下波导状的cr掩膜；3)利用反应离子刻蚀技术对基片进行刻蚀，优化刻蚀时间使刻蚀深度达到550nm；4)利用cr腐蚀液去掉基片上残余的cr，清洗并再次匀胶；5)利用对准技术对基片进行曝光，在波导两侧各1um远处曝出平板电极的光刻形貌；6)再次进行镀cr膜与lift-off工艺；7)对cr电极通电，在一定电压下铌酸锂会发生畴反转，其极性由+变为-，控制通电的电压，脉冲，使得畴反转发生在0.86um波导的左右各1/3处；8)利用cr腐蚀液再次进行去cr，高效产生二次谐波的波导制备完成。
技术总结本发明公开了一种在铌酸锂波导结构中高效产生二次谐波的结构及制备方法。选取x-cut的薄膜铌酸锂基底，通过调整波导宽度与高度，使特定的两个模式有效折射率相等，实现模式相位匹配。然后在制备过程中，对波导结构的非线性分布进行人为调控，使特定区域的非线性与之前相反。在相干倍频过程的非衰减区，二次谐波的理论转换效率由有效非线性磁化率和模式重叠因子决定。本发明提出的波导结构使用了铌酸锂的最大非线性磁化率d
技术研发人员：汪莎 赵升 邓国亮 周寿桓
受保护的技术使用者：四川大学
技术研发日：2022.07.08
技术公布日：2022/11/1
