一种周期极化薄膜铌酸锂波导结构及其频率转换方法

本发明属于非线性光学中和频产生相位匹配，具体涉及一种周期极化薄膜铌酸锂波导结构及其频率转换方法。

背景技术：

1、工作在红外波段的光子探测技术在很多方面都发挥着作用，比如：分子光谱、生物医学传感、大气遥感和系外行星探测等方面。

2、为了能在室温下进行光子探测工作，通过和频手段将红外光转换成易被探测的可见光的上转换探测器是较为常用的室温红外光子探测器。周期极化铌酸锂晶体或波导作为当前上转换探测器中进行和频产生的主要材料，存在体积过大、光限域能力不足等缺点，在集成度、探测效率等方面逐渐无法满足当前日益发展的探测技术要求。而基于薄膜铌酸锂平台的周期极化薄膜铌酸锂波导有着更加灵活的模式调控能力并且有利于器件朝小型化方向发展。

3、目前，大多数的上转换设计都基于基模之间的相互作用，模式间的群速度较难调控。

4、因此，如何增强波导的模式调控能力，使偏振无关和大带宽的频率上转换转换更易实现，已成为亟待解决的重要课题。

技术实现思路

1、为此，本发明提供一种周期极化薄膜铌酸锂波导结构及其频率转换方法，采用高阶模辅助的方法，极大增强波导的模式调控能力，使偏振无关和大带宽的频率上转换转换更易实现。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种周期极化薄膜铌酸锂波导结构，包括第一周期极化薄膜铌酸锂波导、第二周期极化薄膜铌酸锂波导、y型波导、偏振分束器、第二模式转换器和第一模式转换器；所述偏振分束器通过所述y型波导分别与所述第一周期极化薄膜铌酸锂波导、所述第二周期极化薄膜铌酸锂波导进行连接；

3、所述第一周期极化薄膜铌酸锂波导和所述第二周期极化薄膜铌酸锂波导形成双通道周期极化薄膜铌酸锂波导；

4、所述第一周期极化薄膜铌酸锂波导、所述第二周期极化薄膜铌酸锂波导、所述y型波导、所述偏振分束器、所述第二模式转换器和所述第一模式转换器均位于二氧化硅衬底上。

5、作为一种周期极化薄膜铌酸锂波导结构优选方案，所述偏振分束器包括上端波导和下端波导；所述第二模式转换器的模式输出波导和所述偏振分束器的所述下端波导共用；所述第一模式转换器的模式输出波导和所述偏振分束器的所述上端波导共用。

6、作为一种周期极化薄膜铌酸锂波导结构优选方案，所述y型波导包括y型波导上端波导和y型波导下端波导；

7、所述上端波导通过所述y型波导上端波导与所述第一周期极化薄膜铌酸锂波导相连接；所述下端波导通过所述y型波导下端波导与所述第二周期极化薄膜铌酸锂波导相连接。

8、作为一种周期极化薄膜铌酸锂波导结构优选方案，所述第一周期极化薄膜铌酸锂波导的宽度w1和所述第二周期极化薄膜铌酸锂波导的宽度w2相等；

9、所述第一周期极化薄膜铌酸锂波导的高度h1和所述第二周期极化薄膜铌酸锂波导的高度h2相等；

10、所述第一周期极化薄膜铌酸锂波导的长度l1和所述第二周期极化薄膜铌酸锂波导的长度l2相等。

11、本发明还提供一种周期极化薄膜铌酸锂波导结构的频率转换方法，包括以下步骤：

12、将基模信号光输入模式转化器中，通过所述模式转换器将所述基模信号光转化为高阶模泵浦光，将所述高阶模泵浦光通过y型波导输入到第一周期极化薄膜铌酸锂波导和第二周期极化薄膜铌酸锂波导形成的双通道周期极化薄膜铌酸锂波导中；

13、将基模信号光输入偏振分束器中，通过所述y型波导输入到所述双通道周期极化薄膜铌酸锂波导中；

14、所述基模信号光和所述高阶模泵浦光同时进入所述双通道周期极化薄膜铌酸锂波导，通过所述双通道周期极化薄膜铌酸锂波导进行准相位匹配，生成高阶模光和频光；

15、通过所述双通道周期极化薄膜铌酸锂波导将所述高阶模和频光和所述基模信号光之间的群速度失配量调节到设定值，实现偏振无关频率转换。

16、作为一种周期极化薄膜铌酸锂波导结构的频率转换方法优选方案，将te模信号光输入第一模式转换器，经过所述第一模式转换器耦合后，te模信号光转化为te1高阶模式泵浦光，所述te1高阶模式泵浦光通过y型波导上端波导进入所述第一周期极化薄膜铌酸锂波导。

17、作为一种周期极化薄膜铌酸锂波导结构的频率转换方法优选方案，将tm模信号光输入第二模式转换器，经过所述第二模式转换器耦合后，tm模信号光转化为tm1高阶模式泵浦光，所述tm1高阶模式泵浦光通过y型波导下端波导进入所述第二周期极化薄膜铌酸锂波导。

18、作为一种周期极化薄膜铌酸锂波导结构的频率转换方法优选方案，将te模信号光和tm模信号光同时输入偏振分束器，te模信号光发生相位匹配耦合，通过所述y型波导上端波导进入所述第一周期极化薄膜铌酸锂波导；tm模信号光不发生耦合，通过所述y型波导下端波导进入所述第二周期极化薄膜铌酸锂波导。

19、作为一种周期极化薄膜铌酸锂波导结构的频率转换方法优选方案，所述te1高阶模式泵浦光和te模信号光通过所述第一周期铌酸锂波导进行准相位匹配，频率上发生转换，生成tm1高阶模和频光；所述tm1高阶模式泵浦光和tm模信号光通过所述第二周期极化薄膜铌酸锂波导进行准相位匹配，频率上发生转换，生成tm1高阶模和频光。

20、作为一种周期极化薄膜铌酸锂波导结构的频率转换方法优选方案，通过所述第一周期铌酸锂波导和所述第二周期极化薄膜铌酸锂波导将高阶模和频光和基模信号光之间的群速度失配量调节到设定值，实现偏振无关频率转换。

21、本发明具有如下优点：包括第一周期极化薄膜铌酸锂波导、第二周期极化薄膜铌酸锂波导、y型波导、偏振分束器、第二模式转换器和第一模式转换器；所述偏振分束器通过所述y型波导分别与所述第一周期极化薄膜铌酸锂波导、所述第二周期极化薄膜铌酸锂波导进行连接；所述第一周期极化薄膜铌酸锂波导和所述第二周期极化薄膜铌酸锂波导形成双通道周期极化薄膜铌酸锂波导；所述第一周期极化薄膜铌酸锂波导、所述第二周期极化薄膜铌酸锂波导、所述y型波导、所述偏振分束器、所述第二模式转换器和所述第一模式转换器均位于二氧化硅衬底上。所述偏振分束器包括上端波导和下端波导；所述第二模式转换器的模式输出波导和所述偏振分束器的所述下端波导共用；所述第一模式转换器的模式输出波导和所述偏振分束器的所述上端波导共用。所述y型波导包括y型波导上端波导和y型波导下端波导；所述上端波导通过所述y型波导上端波导与所述第一周期极化薄膜铌酸锂波导相连接；所述下端波导通过所述y型波导下端波导与所述第二周期极化薄膜铌酸锂波导相连接。作为一种周期极化薄膜铌酸锂波导结构优选方案，所述第一周期极化薄膜铌酸锂波导的宽度w1和所述第二周期极化薄膜铌酸锂波导的宽度w2相等；所述第一周期极化薄膜铌酸锂波导的高度h1和所述第二周期极化薄膜铌酸锂波导的高度h2相等；所述第一周期极化薄膜铌酸锂波导的长度l1和所述第二周期极化薄膜铌酸锂波导的长度l2相等。将基模信号光输入模式转化器中，通过所述模式转换器将所述基模信号光转化为高阶模泵浦光，将所述高阶模泵浦光通过y型波导输入到第一周期极化薄膜铌酸锂波导和第二周期极化薄膜铌酸锂波导形成的双通道周期极化薄膜铌酸锂波导中；将基模信号光输入偏振分束器中，通过所述y型波导输入到所述双通道周期极化薄膜铌酸锂波导中；所述基模信号光和所述高阶模泵浦光同时进入所述双通道周期极化薄膜铌酸锂波导，通过所述双通道周期极化薄膜铌酸锂波导进行准相位匹配，生成高阶模光和频光；通过所述双通道周期极化薄膜铌酸锂波导将所述高阶模和频光和所述基模信号光之间的群速度失配量调节到设定值，实现偏振无关频率转换。

22、本发明借助高阶模式在色散工程中具有的更多的自由度，使得群速度失配量更容易近零实现宽带展宽，通过双通道周期极化薄膜铌酸锂波导结构实现偏振无关。该偏振无关宽带上转换设计具有大带宽，偏振无关等优势，可在宽带光谱学、量子信息处理和其他光学非互易器件等领域得到广泛应用。