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高效激光波长转换晶体-PPLN

时间:2020-11-07 来源:新特光电 访问量:1108

周期性极化铌酸锂(Periodically Poled Lithium Niobate,简称PPLN),是一种高效的波长转换非线性光学晶体,具有使用寿命长、透光范围宽、非线性系数高等特点,常用于激光的倍频、差频、和频以及光学参量振荡等非线性光学过程,具有非常广泛的应用前景。

PPLN晶体研发难度主要体现在工艺方面。不仅需要了解极化反转机制,还需要对附加电场可以精确控制。

铌酸锂晶体具有易生长、易加工、抗腐蚀、耐高温的特性,并且本身的机械性能稳定,生产成本较低,于是得到了广泛的应用。尤其是近些年来,畴工程技术的进步将准相位匹配技术与极化周期结构的铌酸锂相结合,提高了频率转换响效率并扩大了晶体应用波段范围。稀土掺杂工程的发展,将铌酸锂晶体更好的推向了实际应用,比如高掺镁铌酸锂具有抗光折变性能,现已在激光领域、光波导器件中得到了广泛应用。

PPLN晶体最重要的应用在于激光频率转换,通过PPLN晶体可以获得已有激光器不能获得的波长。随着铌酸锂工艺技术的进步和完善,应用领域也逐步地扩展,其在高速光通讯、量子通讯、电光效应方面有着广泛的应用。由于PPLN具有非常高的非线性极化率,其在二次谐波的产生(SHG)、高次谐波的产生(HHG)、光参量振荡(OPO)、光参量放大(OPA)等非线性光学领域也有着重要的应用。

目前,PPLN晶体的一个主要用途是用于非线性光学的准相位变频。利用铌酸锂铁电畴的周期性反转来实现准相位匹配,周期结构提供的倒格矢不断地补偿非线性过程中不同频率光波的波矢匹配,实现有效的耦合,使得非线性相互作用的效率得到了很大的提高。

PPLN晶体在二次谐波的产生、高次谐波的产生、光参量振荡、光参量放大等领域获得了广泛的应用。另一个应用方向是电光效应,通过给铌酸锂晶体施加一定的电压,折射率椭球将会发生相应的变形,相应的光学性质将会发生改变。应运而生了一些电光器件,主要包括相位调制器、相位延迟器、光强调制器、光学隔离器等等。

随着科技的发展,周期极化铌酸锂在全光通信网络中的应用具有广阔的发展前景,并引起了人们的广泛关注。在高速光通信系统中,我们可以利用啁啾周期PPLN构成Bragg光栅结构,可以制作可调色散补偿器件。PPLN在光时分复用系统(OTDM)中可用于高性能全光时分复用器的构成,在光码分多址(OCDMA)中可用于高检测效率。另外,由PPLN构成的快速响应、宽转换带宽、低开关功率的光开光也将在未来的高速全光网络中扮演重要角色。

MgO:PPLN晶体

向铌酸锂中添加5%的氧化镁会显著增加晶体的抗光损伤阈值和光折变系数,同时保留PPLN晶体的超高非线性系数。与未掺杂的PPLN晶体相比,MgO:PPLN晶体可以在较低温度和可见光范围内更稳定的工作。MgO:PPLN晶体甚至可以在室温下运行,而且不需要温控仪。例如1550nm飞秒倍频,可以使用1mm或者更短的晶体MSHG1550在室温下使用,效率可达40-60%。当环境温度达到200℃的情况下,MgO:PPLN与未掺杂的PPLN相比,可以提供更宽的波长范围,MgO:PPLN晶体如图(a)所示。

PPLN

PPLN波导

通过在周期极化铌酸锂晶体的基础上引入波导结构,可以使非线性转化效率进一步提高,如下图。波导结构是通过局部增加基质晶体的折射率形成的,周期极化铌酸锂波导的制备方法主要包括质子交换法(Annealing Proton Exchange, APE)和反质子交换法(Reverse Proton Exchange, RPE)、钛扩散法以及通过刻蚀或者机械切割定义波导结构,即脊型波导。与周期极化铌酸锂晶体相比,周期极化铌酸锂波导具有以下优势:

Ø 波导结构具有较强的光学限制效应,可以将光能量束缚在很小的截面内,大大提高了光功率密度,而且光束在整个波导长度范围内都可以保持较小的光斑模式,大大增加了有效相互作用长度,有利于提高非线性转化效率。

Ø 波导结构可以实现光学器件的集成以及与外部光纤的高效率耦合,有利于推动器件的小型化发展。

PPLN

上图 PPLN波导 (a) 极化过程示意图;(b) 使用Ar+辅助干法刻蚀对波导进行图案化处理,得到光滑的侧壁;(c) 使用激光切割制备样品,从而得到高质量的断面。

周期性极化铌酸锂波导在量子通讯领域扮演者十分重要的角色,该量子器件是上转换单光子探测器的核心元件,是星地量子通讯、量子存储与光纤通讯的频率转换接口,是产生量子纠结源的主要途径之一。

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