一种基于阿基米德螺旋线的超晶格设计方法、结构及应用

本发明属于非线性光学，具体涉及一种基于阿基米德螺旋线的超晶格设计方法、超晶格结构及其在倍频中的应用。

背景技术：

1、宽带频率转换是非线性光学重要分支之一，在激光技术、光通信和光学成像等领域都具有独特意义。二阶非线性频率转换涵盖倍频、和频、差频、参量下转换以及参量振荡等，这些过程已经成功在多种非线性晶体中得到实现，如铌酸锂(linbo3)，钽酸锂(litao3)，偏硼酸钡(bbo)晶体。铌酸锂作为一种多功能材料，具有宽波长窗口(350nm—5μm)、电光效应、非线性光学效应以及声光效应等优越特性，常被称为“光学硅”，在光子学领域应用广泛。现如今，随着对小型化和集成化宽带变频设备需求的不断增加，相比于体块单晶，薄膜铌酸锂损耗低，尺寸小，易于高度集成化，通过微纳加工制备的薄膜铌酸锂光波导能够显著减小器件尺寸，提高非线性相互作用效率。相位匹配是实现较高非线性频率转换的必要条件。目前，在薄膜铌酸锂上已经发展了几种相位匹配方法，准相位匹配(qpm)，双折射相位匹配(bpm)以及模式相位匹配(mpm)等；其中，准相位匹配是通过周期性改变晶体的极化方向来增强非线性频率变化效应。国内，南京大学的闵乃本团队早在1970年就生长出具有周期畴的铌酸锂晶体并首次验证了准相位匹配原理。随着集成光子学的发展，吴肖等于2022年采用准相位匹配技术在铌酸锂薄膜上通过设计啁啾周期实现了宽带倍频。这些研究都表明通过利用准相位匹配技术设计超晶格结构能够有效实现倍频。

2、截至目前，超晶格结构大体可以归类为周期型超晶格结构和非周期型超晶格结构。对于均匀周期超晶格结构而言，可获得较高的转换效率但带宽过窄，而线性啁啾超晶格结构可获得较大的带宽但转换效率有所降低。

3、综上,在超晶格结构的光波导中产生宽带倍频过程中，转换效率和带宽都是极为重要的性能指标。由于相互作用波之间的群速度失配，转换效率和倍频带宽的乘积为定值。一方面，利用超晶格结构实现高效的频率转换必将导致倍频带宽很窄，通常仅为纳米量级；另一方面，利用超晶格结构实现超宽的倍频带宽时,倍频转换效率也必将非常低。因此，如何平衡转换效率与带宽一直是研究人员所探索的课题。

4、此外,倍频转换效率曲线平坦度也是衡量宽带倍频的另一个重要指标。倍频转换效率曲线越平坦，倍频信号畸变越小。因此，如何抑制倍频转换效率的涨落,获得更佳的平坦度也是研究人员关注的课题之一。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明的目的是提供一种基于阿基米德螺旋线的超晶格设计方法、结构及应用，以解决下游技术中带宽过窄，曲线响应平坦度不佳的问题。

2、为实现上述目的，本发明采取的技术方案包括：

3、一种基于阿基米德螺旋线的超晶格设计方法，包括以下步骤：

4、s1，确定非线性晶体，设定所述非线性晶体的工作波长和环境温度，将所述非线性晶体的工作波长和温度通过sellmeier方程分别计算得到基频波折射率和倍频波折射率；

5、s2，确定脊型波导几何结构参数，将s1得到的基频波折射率和倍频波折射率以及所述脊型波导几何结构参数通过有限元法计算得到基频波有效折射率和倍频波有效折射率，再将所述基频波有效折射率和倍频波有效折射率代入极化周期公式计算得到极化周期范围；

6、s3，通过式(1)计算得到多个超晶格单元宽度λ，并将所有超晶格单元宽度沿y轴方向依次排列，得到超晶格；

7、λ＝λ0+βθsinθ#(1)

8、其中，λ0表示初始超晶格单元宽度，其由s2得到的极化周期范围按照7：3比例划分后的第8个极化周期的宽度；β表示阿基米德螺旋线的螺距；θ表示直角坐标系下阿基米德螺旋线的旋转角，对应脊型波导上每个超晶格单元的排列位置。

9、优选的，所述s1中的非线性晶体为z-cut mgo:ln倍频晶体，sellmeier方程为掺5mol％氧化镁铌酸锂的温度相关sellmeier方程，非线性晶体的工作波长取值范围为1538——1562nm，环境温度为22℃。

10、优选的，极化周期公式采用0型准相位匹配方法。

11、优选的，s2中的脊型波导几何参数包括脊型波导厚度h＝0.6～0.7，波导宽度w＝1.45～1.8。

12、优选的，s2中的脊型波导几何参数包括脊型波导厚度h＝0.7um，衬底厚度h1＝0.35um，波导宽度w＝1.8um。

13、优选的，s2中的基频波有效折射率取值为1.951——1.946，倍频波有效折射率取值为2.112——2.109，极化周期取值为4.779——4.798。

14、优选的，初始超晶格单元宽度λ0取值为4.793μm，阿基米德螺旋线的螺距β取值为0.003；将所述脊型波导上超晶格单元宽度的排列位置θ分为θ1和θ2，θ1取值范围为0——π，每隔δθ1取一个值；θ2取值范围为π～2π，每隔δθ2取一个值。

15、优选的，δθ1＝0.012，δθ2＝0.009。

16、一种基于阿基米德螺旋线的超晶格结构，所述超晶格结构为超晶格，由本申请公开的基于阿基米德螺旋线的超晶格设计方法设计得到。

17、本申请公开的设计方法获得的基于阿基米德螺旋线的超晶格结构在宽带倍频器的应用。

18、与现有技术相比，本发明的优点为：

19、本发明的一种基于阿基米德螺旋线的超晶格设计方法、结构及应用，相比于均匀周期超晶格结构与线性啁啾超晶格结构，本申请所设计的基于阿基米德螺旋线的超晶格结构在相同晶体长度情况下可实现更大的宽带倍频，响应平坦度也明显更加优异，在超短脉冲压缩、频率可调谐激光器以及光通信中具有巨大应用潜力。

技术特征：

1.一种基于阿基米德螺旋线的超晶格设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的基于阿基米德螺旋线的超晶格设计方法，其特征在于，所述s1中的非线性晶体为z-cut mgo:ln倍频晶体，sellmeier方程为掺5mol％氧化镁铌酸锂的温度相关sellmeier方程，非线性晶体的工作波长取值范围为1538——1562nm，环境温度为22℃。

3.如权利要求1所述的基于阿基米德螺旋线的超晶格设计方法，其特征在于，所述极化周期公式采用0型准相位匹配方法。

4.如权利要求2所述的基于阿基米德螺旋线的超晶格设计方法，其特征在于，所述s2中的脊型波导几何参数包括脊型波导厚度h＝0.6～0.7，波导宽度w＝1.45～1.8。

5.如权利要求4所述的基于阿基米德螺旋线的超晶格设计方法，其特征在于，所述s2中的脊型波导几何参数包括脊型波导厚度h＝0.7um，衬底厚度h1＝0.35um，波导宽度w＝1.8um。

6.如权利要求5所述的基于阿基米德螺旋线的超晶格设计方法，其特征在于，所述s2中的基频波有效折射率取值为1.951——1.946，倍频波有效折射率取值为2.112——2.109，极化周期取值为4.779——4.798。

7.如权利要求1-6任一所述的基于阿基米德螺旋线的超晶格设计方法，其特征在于，所述初始超晶格单元宽度λ0取值为4.793μm，阿基米德螺旋线的螺距β取值为0.003。

8.如权利要求7所述的基于阿基米德螺旋线的超晶格设计方法，其特征在于，δθ1＝0.012，δθ2＝0.009。

9.一种基于阿基米德螺旋线的超晶格结构，其特征在于，所述超晶格结构为超晶格，由权利要求1-8任一所述的基于阿基米德螺旋线的超晶格设计方法设计得到。

10.如权利要求1-9任一所述的设计方法获得的基于阿基米德螺旋线的超晶格结构在宽带倍频器的应用。

技术总结一种基于阿基米德螺旋线的超晶格设计方法、结构及应用，相比于均匀周期超晶格结构与线性啁啾超晶格结构，本申请所设计的基于阿基米德螺旋线的超晶格结构在相同晶体长度情况下可实现更大的宽带倍频，响应平坦度也明显更加优异，在超短脉冲压缩、频率可调谐激光器以及光通信中具有巨大应用潜力。技术研发人员：齐新元,仝珍珠,何云东,薛少杰受保护的技术使用者：西北大学技术研发日：技术公布日：2024/6/11