通过周期性中间层能量传输，在富硅氮化物-LNOI波导中实现无极化准相位匹配二次谐波产生

本文在SRN-LNOI混合平台实现了无铁电畴反转的准相位匹配二次谐波生成，通过精确调控SRN薄膜的折射率窗口和厚度，结合SiO2中间层增强非线性调制的深度，在降低插入损耗的同时将芯片级转换效率提升至17.3%，为集成光子学提供了新方案。

　　

刘传全|黄楚坤|张天恒|薛涵|肖纳川|孙俊强

中国华中科技大学武汉国家光电子实验室，武汉430074

摘要

我们在一种混合的富硅氮化物（SRN）- 锂铌酸盐在绝缘体（LNOI）平台上实现了无需极化的准相位匹配（QPM）二次谐波生成（SHG）。该方案利用SRN负载波导与底层LNOI层之间的周期性层间能量传递，实现了有效二阶非线性系数${\chi }_{\text{eff}}^{\left(2\right)}$的空间调制，而无需进行铁电畴反转或锂铌酸盐的刻蚀。通过精确调控SRN的沉积条件，特别是前驱体气体比例，我们制备出了具有宽可调折射率窗口的SRN薄膜。利用SRN的高折射率，并引入一层薄的SiO₂中间层形成SRN–SiO₂–LNOI混合结构，我们增强了${\chi }_{\text{eff}}^{\left(2\right)}$的非线性调制深度，同时减少了有效折射率的波动。对于所提出的器件，数值模拟预测的芯片上SHG效率为4.3% W^?1 cm^?2，而实验得到的芯片上效率为1.73% W^?1 cm^?2，这比之前的SiN负载QPM器件有了显著提升。这项工作提出了一种无需极化的QPM策略，避免了铁电畴反转问题，证实了SRN–LNOI混合平台的可扩展性，并为高效率的芯片上χ⁽²⁾频率转换和集成量子光源铺平了道路。

引言

生成、传输和处理光的光电和光子器件已成为现代信息、传感和量子技术的关键组成部分。这些器件应用于非线性光学、生物传感[1]、非互易光子学[2]、光纤通信[3]和光伏能量转换[4]等多个领域。其中，非线性光学尤为重要，二阶（χ⁽²⁾非线性参数过程是最基本的现象之一。自20世纪60年代激光器问世以来，这些技术一直备受关注，并被广泛应用于全光波长转换[5]、[6]和量子光源生成[7]。[8] 锂铌酸盐（LiNbO₃，简称LN）因其宽透明窗口、较大的Pockels系数（r₃₃ ≈ 30 pm/V）和强的二阶非线性（d₃₃ ≈ 27 pm/V）[9]、[10]，被视为理想的频率转换和电光调制介质。随着LN以薄膜形式的出现，尤其是薄膜锂铌酸盐（TFLN），芯片级集成光子器件已成为可能，并且发展迅速。

相位匹配是实现高效SHG的核心要求。典型的实现方法包括双折射相位匹配（BPM）[11]、[12]、模态相位匹配（MPM）[13]、[14]、[15]和QPM[16]、[17]、[18]。在QPM中，通过铁电畴反转周期性改变χ⁽²⁾的符号来补偿相位失配，从而恢复相干生长。最成熟的实现方法是电场诱导极化，其中预制电极施加高压脉冲来反转畴并设定所需的QPM周期。然而，这种方法需要金属沉积和高压驱动，可能会引入额外的光损耗和加工复杂性；更重要的是，极化步骤与标准CMOS工艺不完全兼容，限制了QPM器件的可扩展性、可制造性和在芯片级量子光子电路中的深度集成。2017年，Wang等人[19]在TFLN纳米波导中引入了周期性沟槽，通过周期性宽度调制实现了无需极化的QPM方案，虽然散射损耗较大，但芯片上的归一化转换效率达到了约6.8% W^?1 cm^?2。同年，Rao等人[20]提出了SiN负载TFLN波导的正弦宽度调制，虽然减少了散射损耗，但归一化转换效率仅为约1% W^?1 cm^?2。总体而言，几何调制QPM为TFLN平台提供了一种无需极化的替代方案，简化了制造工艺；然而，转换效率仍有提升空间，非线性转换效率与传输损耗之间的内在权衡仍未解决。

在这项工作中，我们将SRN波导异质集成在LNOI平台上，并通过沿传播方向的周期性宽度调制实现了基于非线性调制的准相位匹配。由此产生的SRN–LNOI混合结构支持SRN层与LNOI层之间的周期性层间能量交换，表现为${\chi }_{\text{eff}}^{\left(2\right)}$的有效非线性系数的空间调制。得益于可调控折射率的SRN负载层和SRN–SiO₂–LNOI堆栈中的薄SiO₂中间层，这些器件表现出更紧密的模态限制和更大的调制深度，从而提高了芯片上的归一化转换效率，同时仅因非线性调制而产生轻微的插入损耗。这种无需极化和刻蚀的QPM方案兼容平面制造工艺，简化了加工流程，并有望实现更高的产量和可扩展的制造。同时，较低的额外传输损耗允许更长的相互作用长度，进一步增强了二次谐波（SH）功率的积累和绝对转换效率。

理论と设计

在泵浦功率充足且波导无损耗的假设下，SH波A_2ω（y）沿传播方向y的归一化场幅度演变受参考文献[21]中给出的耦合模式方程控制：

这里A_ω（y）表示归一化的泵浦场幅度，相应的光功率与|A_ω（y）|²和| A_2ω（y）|²成正比。ω是泵浦角频率，c是真空中的光速，d₃₃

制造与测量

SHG器件是在X-cut LNOI晶片上制造的，该晶片由NanoLN提供，其中含有300纳米厚的TFLN层，如图3(a)所示。通过Oxford PlasmaPro 800 Stratum等离子体增强化学气相沉积（PECVD）系统依次沉积了50纳米厚的SiO₂过渡层和284纳米厚的SRN薄膜。为了克服沉积高折射率SRN薄膜的关键制造挑战，我们优化了PECVD的沉积配方和工艺参数。

结论

基于非线性调制的QPM技术能够在不进行铁电畴反转或TFLN刻蚀的情况下实现相干SHG积累，通过沿传播方向周期性改变波导几何结构来调节归一化的非线性耦合系数。这种无需极化和刻蚀的实现方式简化了制造流程，并提高了与先进集成光子工艺节点的兼容性。然而，这种方法存在一个内在的结构权衡：

CRediT作者贡献声明

刘传全：撰写 – 审稿与编辑、原始稿撰写、可视化、验证、监督、软件开发、资源管理、方法论设计、研究实施、资金获取、形式化分析、数据管理、概念构思。黄楚坤：撰写 – 审稿与编辑、监督。张天恒：监督。薛涵：监督。肖纳川：监督。孙俊强：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源管理、项目实施、资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号：62175074）的支持。我们感谢WNLO的光电微纳制造与表征设施在EBL、ICP、PECVD、AFM、椭圆偏振仪和SEM方面的支持。