基於高折射率反差光波導的新型集成非線性光子器件

《基於高折射率反差光波導的新型集成非線性光子器件》是依託中山大學，由余思遠擔任項目負責人的專項基金項目。

基本介紹

• 中文名：基於高折射率反差光波導的新型集成非線性光子器件
• 項目類別：專項基金項目
• 項目負責人：餘思遠
• 依託單位：中山大學

中文摘要

項目將系統研究通過光子局域化增強光與物質的相互作用的新機理、新材料和新方法。採用具有高折射率反差的二階和三階非線性波導材料和結構，壓縮光子橫向模式截面；通過諧振腔結構壓縮光子的群速度，在低輸入光功率條件下實現局域高光強；採用創新的相位匹配方案，實現低能耗、高效率的集成二階和三階非線性光子器件。.在集成二階非線性光子器件方面，將研製直接鍵合鈮酸鋰—二氧化矽波導材料，實現0.7以上的折射率差。製作低模式截面直線非線性光學波導、製作水平周期極化反轉結構實現準相位匹配；製作自主創新的圓盤諧振腔自動準相位匹配結構，實現高效率二次諧波發生器件，並對其進行精確非線性效率測量。.在集成三階非線性光子器件研究中，採用氮化矽—二氧化矽波導材料，實現0.5 以上的折射率差。製作低模式截面直線非線性光學波導，最佳化波導結構實現寬譜相位匹配。製作微圓環腔諧振增強結構，實現高效率四波混頻器件，並對其進行精確非線性效率測量。

結題摘要

本項目研究了實現高效率二階、三階非線性光波導器件所需的波導材料、結構和器件，並開展了集成非線性光子器件的研製和實驗測試。 在二階非線性波導材料與器件研究方面，開展了高折射率反差鈮酸鋰光波導和砷化鎵納米線的研究。提出了基於X-切微盤自相位匹配理論並計算了實現自相位匹配的器件參數。實現了基於鍵合鈮酸鋰薄膜的高精度電漿乾法刻蝕加工、雷射飛秒脈衝加工等高質量光波導工藝，研製了直波導、微環諧振腔、微盤諧振腔等典型非線性波導光子器件，微環諧振腔獲得當時已知的最高品質因子（Q值27,666）。 生長了品質優良的GaAs/AlGaAs納米線樣品， 利用納米線對二階非線性效應的增強，實現了泵浦光學頻寬達2.68倍頻程的高效二次諧波產生（SHG）。 利用納米線二次諧波過程對晶體對稱性的依賴，實現了對不同納米線晶相類型【如單相、混合相、量子點（<20 nm）等精細結構的晶相】進行原位無損檢測，解決了納米線研究的一個難題。還發現了材料界面不連續性引起的二次諧波偏振回響變化並進行了理論解釋。納米線二階非線性研究是項目組自主新增工作內容，跟上了最新研究趨勢並取得了創新成果。 在三階非線性波導材料與器件研究方面，重點開展了對氮化矽波導材料製備最佳化、波導加工工藝最佳化、線性和非線性器件研製和測試等工作。氮化矽透明視窗寬、本底光學損耗低、折射率較高（~2.0）、無非線性吸收、耐受光功率高，是性能優良的新一代光子集成材料。項目研發並專利保護了300度低溫和75度超低溫高密度電漿化學氣相沉積工藝，深入研究與最佳化了材料界面平滑度，實現了對吸收、散射損耗和應力的優良控制，成功製備了超低損耗（0.3dB/cm）強限制（限制因子>0.8）氮化矽光波導，其光學損耗、應力等關鍵性能達到國際先進水平。進一步研製了高Q（~1e6）微環諧振腔、光子拓撲結構、氮化矽-有機共軛發光材料混合集成微盤等新型氮化矽器件並實現了高效率波導—光纖耦合。演示了光子拓撲、聚合物受激螢光增強等新效應。對氮化矽的波導研究填補了國內空白，趕上了國際先進水平。