基于高折射率反差光波导的新型集成非线性光子器件

The project will systematically research the mechanisms, materials and methods for the enhancement of light-mater interaction through localization of photons. By adopting high refractive index contrast 2nd and 3rd order nonlinear waveguides and structures, the mode cross-section area of the photon will be compressed. Resonant cavities will be used to reduce the group velocity of light. Localised high optical field intensity will thus be realized under low optical power levels. Novel phase matching schemes will be used to realized efficient integrated 2nd and 3rd order nonlinear optical devices..For the 2nd order devices, direct-bonded lithium niobate – silicon dioxide planar waveguide materials will be fabricated to give a refractive index difference of >0.7. Low mode cross-section photonic wire waveguides with horizontal periodically poled structures for QPM. Micro-disc resonant cavities with an automatic QPM scheme will also be fabricated. These will result in high efficiency second harmonic generation devices that will be accurately evaluated through optical measurements..For the 3rd order devices, silicon nitride – silicon dioxide waveguide materials will be used to provide a refractive index difference of >0.5. Low mode cross-section photonic wire waveguides with optimized dispersion for wide spectrum phase matching will be fabricated. Micro-ring resonant cavity enhancement structures will also be fabricated. These will result in high efficiency four wave mixing devices that will be accurately evaluated through optical measurements.

项目将系统研究通过光子局域化增强光与物质的相互作用的新机理、新材料和新方法。采用具有高折射率反差的二阶和三阶非线性波导材料和结构，压缩光子横向模式截面；通过谐振腔结构压缩光子的群速度，在低输入光功率条件下实现局域高光强；采用创新的相位匹配方案，实现低能耗、高效率的集成二阶和三阶非线性光子器件。.在集成二阶非线性光子器件方面，将研制直接键合铌酸锂—二氧化硅波导材料，实现0.7以上的折射率差。制作低模式截面直线非线性光学波导、制作水平周期极化反转结构实现准相位匹配；制作自主创新的圆盘谐振腔自动准相位匹配结构，实现高效率二次谐波发生器件，并对其进行精确非线性效率测量。.在集成三阶非线性光子器件研究中，采用氮化硅—二氧化硅波导材料，实现0.5 以上的折射率差。制作低模式截面直线非线性光学波导，优化波导结构实现宽谱相位匹配。制作微圆环腔谐振增强结构，实现高效率四波混频器件，并对其进行精确非线性效率测量。

本项目研究了实现高效率二阶、三阶非线性光波导器件所需的波导材料、结构和器件，并开展了集成非线性光子器件的研制和实验测试。. 在二阶非线性波导材料与器件研究方面，开展了高折射率反差铌酸锂光波导和砷化镓纳米线的研究。提出了基于X-切微盘自相位匹配理论并计算了实现自相位匹配的器件参数。实现了基于键合铌酸锂薄膜的高精度等离子体干法刻蚀加工、激光飞秒脉冲加工等高质量光波导工艺，研制了直波导、微环谐振腔、微盘谐振腔等典型非线性波导光子器件，微环谐振腔获得当时已知的最高品质因子（Q值27,666）。 生长了品质优良的GaAs/AlGaAs纳米线样品， 利用纳米线对二阶非线性效应的增强，实现了泵浦光学带宽达2.68倍频程的高效二次谐波产生（SHG）。 利用纳米线二次谐波过程对晶体对称性的依赖，实现了对不同纳米线晶相类型【如单相、混合相、量子点（<20 nm）等精细结构的晶相】进行原位无损检测，解决了纳米线研究的一个难题。还发现了材料界面不连续性引起的二次谐波偏振响应变化并进行了理论解释。纳米线二阶非线性研究是项目组自主新增工作内容，跟上了最新研究趋势并取得了创新成果。.在三阶非线性波导材料与器件研究方面，重点开展了对氮化硅波导材料制备优化、波导加工工艺优化、线性和非线性器件研制和测试等工作。氮化硅透明窗口宽、本底光学损耗低、折射率较高（~2.0）、无非线性吸收、耐受光功率高，是性能优良的新一代光子集成材料。项目研发并专利保护了300度低温和75度超低温高密度等离子体化学气相沉积工艺，深入研究与优化了材料界面平滑度，实现了对吸收、散射损耗和应力的优良控制，成功制备了超低损耗（0.3dB/cm）强限制（限制因子>0.8）氮化硅光波导，其光学损耗、应力等关键性能达到国际先进水平。进一步研制了高Q（~1e6)微环谐振腔、光子拓扑结构、氮化硅-有机共轭发光材料混合集成微盘等新型氮化硅器件并实现了高效率波导—光纤耦合。演示了光子拓扑、聚合物受激荧光增强等新效应。对氮化硅的波导研究填补了国内空白，赶上了国际先进水平。