封面展示了緊湊型光纖進、光纖出的周期極化鈮酸鋰（PPLN）薄膜脊型波導器件。該器件結合了準相位匹配的設計靈活性和波導結構的高功率密度優勢，具有轉換效率高（比塊狀晶體高出2~3個數量級）、功率損耗小、結構緊湊等優點，適用于瓦級頻率變換。

一、背景介紹

周期極化鈮酸鋰（PPLN）晶體是基于準相位匹配（QPM）原理，將常規的摻鎂鈮酸鋰（MgOLN）晶體的內部疇結構設計并制作成周期極化結構（又稱為光學超晶格結構），幫助提高晶體的非線性變頻特性。它可以利用晶體的最大非線性系數，實現晶體整個透光范圍（0.3~5 μm）內的頻率變換，具有體積小、效率高、無走離效應、設計自由等優點。采用塊狀PPLN晶體的光學系統已經廣泛應用于各類激光設備中，但是它們相對笨重，且還需要嚴格的光路對準。

隨著航天航空、量子通信、生物醫療等領域對光學集成度的要求越來越高，同時由于 PPLN 晶體的頻率轉換效率與光功率密度強度成正比，因此將 PPLN 晶體制作成波導結構，可以將光聚焦并限制在較小的通光口徑內，使光功率密度大大增強，從而大幅提高其光學轉換效率，拓寬其在低泵浦功率下的應用。另外，借助先進的微納加工技術，可以在鈮酸鋰薄膜材料中集成多種不同功能的光學元件（如電光、聲光、分光等），做成類似集成電路一樣的集成光子學平臺，可以大幅度改善光子學系統的穩定性，提高其轉換效率。

緊湊型光纖進、光纖出的PPLN薄膜脊型波導器件中PPLN薄膜脊型波導結合了準相位匹配的設計靈活性和波導結構的高功率密度優勢，具有轉換效率高（可比塊狀晶體高出2~3個數量級）、功率損耗小、結構緊湊等優點，特別適用于瓦級頻率變換。

二、創新研究

針對PPLN塊狀晶體在腔外單通頻率變換過程中效率低的問題，中國科學院福建物質結構研究所梁萬國研究員團隊對常規PPLN薄膜脊型波導的制作工藝進行了改進，對鍵合過程中SiO2緩沖層的厚度進行了研究，成功地制作了緊湊型光纖進光纖出的波導封裝模塊，下圖為制作的PPLN薄膜脊型波導側視圖和俯視圖。當溫度為24.8 ℃、1560 nm基頻光輸入功率為1.2 W時，最大輸出653 mW的倍頻光，光光轉換效率達54.4%，歸一化轉換效率為20.2 %/W·cm2。

圖 PPLN薄膜脊型波導（a）側視圖和（b）俯視圖

三、總結與展望

研究團隊采用PPLN鍵合減薄工藝，研制出了緊湊型光纖進光纖出的波導封裝模塊。后續工作將繼續優化PPLN薄膜制作工藝，優化光纖端面耦合封裝工藝，采用波導和光纖同時斜角的形式，并在端面加鍍增透膜以減小端面反射，進一步提高模塊的耦合效率。使用激光點焊以及玻璃封焊等方法，對封裝工藝進行優化，進一步提高模塊的功率穩定性。

參考文獻： 中國光學期刊網

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