目前，绝缘体上铌酸锂（LNOI）平台的二阶光学参量过程已经取得了显著进展，这在经典光学和量子光学中都至关重要。其中，二次谐波的产生（SHG）是最突出的应用之一。对于有效的频率转换，必须同时满足能量守恒和动量守恒。然而，由于材料和波导结构的色散，频率转换过程中动量是不守恒的，即相位失配。相位匹配机制大致可分为准相位匹配（QPM）、模式相位匹配和双折射相位匹配（BPM）。准相位匹配是一种常用的方法，它利用周期性畴反转提供的倒格矢来补偿相位失配。该方法可以利用晶体的最大非线性系数，且根据极化周期可匹配晶体透明窗口内的任意波长。然而，周期性极化是有材料选择性的，仅适用于铁电晶体。此外，由于较强的波导结构色散，相比于体器件而言，LNOI波导中的非线性频率转换需要更小的极化周期。同时，周期性极化要求严格的畴均匀性，任何差异都会降低实际的转换效率。这些都给极化技术带来一定的挑战。另一方面，为了利用最大的非线性系数，准相位匹配通常采用0型相位匹配方式，该方式由于波长对热光系数的依赖性相对较弱而使得其热可调谐性受到限制。第二种常用的方法是模式相位匹配，通常是利用波导的模式色散在基频光的基模和倍频光的高阶模之间实现相位匹配。然而，该方法在本质上受到较差空间模式重叠的影响，不可避免地降低了转换效率。

另一种更常用的是利用非线性晶体的双折射特性实现精准的相位匹配（BPM）。在光波的特定偏振配置下，通过调节光波传播方向和晶体光轴的夹角，可以实现基频光和倍频光的折射率相等，从而实现相位匹配。其中基频光为寻常光（o光），倍频光是非常光（e光）。然而，空间走离效应极大地限制了它们在晶体中的相互作用长度，导致转换效率受到限制。此外，BPM是一个非常严苛的条件，很少在波导中实现。到目前为止，波导中实现BPM倍频主要在1064 nm波段，且主要通过调节温度来实现相位匹配。而在LNOI波导中还没有实现通讯波段的BPM倍频。

为此，我们提出并演示了一种新颖的基于LNOI平台的斜切铌酸锂脊型波导结构，它可以在不需要周期性极化的条件下实现I型BPM倍频。实验证明，在通讯波段，其倍频的归一化转换效率为2.7%W^-1cm^-2。该方法通过波导的强约束作用有效地解决了双折射相位匹配过程中的空间走离效应，同时基频光和倍频光还具有大的空间重叠率。另一方面，该方法还避免了复杂的周期性极化过程。此外，I型相位匹配中工作波长具有更大的可调谐范围。实验中测得工作波长的热可调谐性为1.06 nm/K，可通过温度控制覆盖到整个通讯波段。该方法不仅适用于铌酸锂薄膜平台，也适用于其他片上双折射平台，特别是难以进行周期性极化或极化技术不成熟的晶体材料，这对集成非线性频率转换具有重要的应用前景。

图1（a） 铌酸锂脊型波导结构示意图和模式模拟图。（b） 数值计算的室温下BPM工作波长与波导切角的关系。（c） 脊型波导中基频（蓝线）TM00模和倍频（红线）TE00模的有效折射率。

图2 实验测量的倍频相位匹配曲线和功率变化。

图3 测量的倍频光谱随温度升高而红移，速度是1.06 nm/K。

该成果发表在“Chuanyi Lu, Yuting Zhang, Jing Qiu, Yongzhi Tang, Tingting Ding, Shijie Liu, Yuanlin Zheng, and Xianfeng Chen, Highly tunable birefringent phase matched second-harmonic generation in an angle-cut lithium niobate-on-insulator ridge waveguide, Optics Letters, 47(5), 1081-1084 (2022)”。

原文链接：https://doi.org/10.1364/OL.449634