导读

近日，南京大学胡小鹏教授、祝世宁院士团队在周期极化薄膜铌酸锂的制备技术及高品质倍频器件研制方面取得进展。他们发展了先刻蚀波导，后周期极化的技术方案，解决了铌酸锂铁电畴选择性刻蚀带来的额外损耗问题；攻克了脊型薄膜中获取理想矩形畴结构的技术难题，实现了高达理论值60%的非线性倍频转换效率。相关工作以"High-efficiency nonlinear frequency conversion enabled by optimizing the ferroelectric domain structure in x-cut LNOI ridge waveguide"为题，在线发表在Nanophotonics上（https://doi.org/10.1515/nanoph-2024-0168），论文的第一作者是南京大学物理学院博士研究生苏雅雯，通讯作者为南京大学胡小鹏教授，该工作得到了祝世宁院士的悉心指导。

研究背景

近年来，随着单晶薄膜铌酸锂的商品化和低损耗波导刻蚀技术的突破，薄膜铌酸锂逐渐成为新一代集成光子技术的核心材料平台。在铌酸锂诸多的光电特性中，优异的二阶非线性性能，特别是结合铁电畴工程的周期极化薄膜铌酸锂，使得薄膜铌酸锂在基于二阶非线性的光信息处理方面备受关注。要推进器件的实用化，铁电畴结构的高品质可控制备是关键技术。周期极化铌酸锂波导的制备工艺，通常采用先周期极化，再刻蚀波导的工艺流程。然而，铌酸锂的正负铁电畴在使用湿法刻蚀、化学机械抛光或者化学清洗时，存在选择性刻蚀的问题，也就是正负畴的化学腐蚀速率不一样，在波导侧壁形成褶皱，从而引入额外的波导传输损耗。为了解决这一问题，南京大学胡小鹏、祝世宁课题组在2021年首次提出了先刻蚀波导，再周期极化的技术方案，此技术可避免铌酸锂正负畴选择性刻蚀带来的额外损耗问题（Chinese Optics Letters 19, 060007 (2021)）；但是，在薄膜铌酸锂脊型波导中只获得了三角形铁电畴结构，实测倍频效率仅有理论值的十分之一。如何在脊型波导中获得近理想矩形的铁电畴结构，从而提升非线性频率转换器件，依然是技术挑战。

研究亮点

针对以上技术难题，该课题组通过数值模拟外加驱动电场分布为极化提供指导，在薄膜两边放置合适距离的电极，以及选择适当的电极形状，辅以多脉冲高压电场极化技术，在x-cut薄膜铌酸锂脊型波导中实现了近矩形的铁电畴结构，正如预期，波导侧壁光滑，通过F-P法测得损耗为0.25dB/cm，和极化前的波导损耗值0.23dB/cm相差很小。

图1 (a)极化装置示意图，（b）脊型波导界面示意图，（c）极化后的波导电镜表征图。

研究者还通过倍频共聚焦显微术对翻转畴结构进行无损表征，发现铁电畴结构的形貌接近理想的矩形，占空比约为50%，整个样品长度方向极化质量均匀。

图2 不同深度处倍频共聚焦显微镜拍摄到的铁电畴形貌图

使用可调谐连续波激光器作为基波光源，对所制备器件的倍频性能进行了表征，在1593nm中心波长处，测得归一化倍频效率1720%W-1cm-2，为理论值的60%。

图3 （a）倍频波导的波长调谐曲线，（b）倍频输出功率随着入射光功率平方线性增长。

总结与展望

本文的研究工作为低损耗、高转换效率的非线性频率转换器件，特别是基于谐振腔结构的薄膜铌酸锂片上光子器件奠定了技术基础。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、江苏省前沿引领技术基础研究专项等的支持。

文章来源于两江科技评论微信公众号。