连续介质中束缚态的半非线性无蚀刻铌酸锂波导

具有超宽光学透明窗口的铌锂(LN)表现出优异的非线性、电光、声光、压电、热电和光折变效应。它是实现具有低功耗和高效率的χ(2)非线性光子器件的绝佳平台。

然而，非线性相互作用光场之间的相位匹配条件和先进的纳米加工技术是实现高性能LN非线性器件所必需的。一方面，已经提出了一种基于连续谱(BIC)束缚态的无蚀刻LN波导结构来简化纳米加工过程。

另一方面，大多数模态相位匹配(MPM)过程在基频(FF)和二次谐波(SH)波之间存在显着的模态分布差异，导致非线性模态重叠很小甚至消失，因此限制了转换效率。或者，准相位匹配可以通过LN波导的周期性极化来实现，以最大化非线性模态重叠，但极化过程在技术上是不平凡的。

李学士，魏敦兆，刘金等。来自中山大学的研究人员报告了通过在由电子束抗蚀剂波导和薄膜氮化硅(SiN)和LN构成的高度可工程化的半非线性波导中利用BIC来实现高效SHG。该装置具有以下优点：(a)FF和SH波的传播损耗低;(b)MPM的成就;(c)FFTM00和SHTM01模式的大非线性模态重叠。

该器件的绑定传播模式由图案化的低折射率(LRI)波导引导，但限制在高折射率SiN/LN薄膜中。由于类TM模沉浸在高损耗的连续类TE模中，由于与类TE模的耦合，会遇到传播损耗。然而，通过为这种混合结构中的非线性相互作用TM模式仔细设计倍频程分离BIC，可以大大降低FF和SH波的传播损耗。

此外，高效的二次谐波产生(SHG)不仅需要FF和SH模式之间的相位匹配，还取决于它们的非线性模态重叠积分。在电信波段的FFTM00模式与可见波段的SHTM01模式之间的非线性转换中，由于SiN的χ(2)消失，非线性重叠积分不再为零，可以实现理论归一化转换效率为327%W-1cm-2。

这种装置可以通过简单的程序制造。首先，在LN薄膜上沉积类似厚度的SiN层。然后通过电子束光刻在SiN层的顶部制造LRI波导结构。不涉及蚀刻和铁电畴极化过程。光纤耦合光学系统用于表征SHG。将FF波长固定在1570nm的相位匹配点，测量SH波的功率依赖性。该器件的片上归一化转换效率计算为4.05%W-1cm-2。