Ansys Lumerical | 铌酸锂热调制波导仿真

利用铌酸锂纳米光子波导的温度调制二次谐波产生：实现高效相位匹配的研究

在集成光子学领域，高效可调谐光源是众多应用的核心需求。借助非线性相互作用的光源可显著减少额外制造步骤与成本，避免了传统外部激光技术带来的复杂性与封装问题。以铌酸锂（LiNbO3，LNO）作为研究对象，本文将探讨通过温度调制在 LNO 纳米光子波导中产生二次谐波的理论与实践，实现高频转换与高效率相位匹配。

材料模型与温度相关性分析

铌酸锂作为一种晶体，其折射率与温度之间存在明确的关系。基于各向异性材料模型，我们首先构建了温度和波长的扫描模型，使用有限光衍射（FDE）法计算了基模（TE0）和二次谐波（TM2）模式的有效折射率。互补光谱域中色散曲线的交叉点满足了预定的相位匹配条件，这一特点正是转折点，表明了多路光路间相互通信与能量转换的机遇与挑战。




温度波长扫描与相位匹配条件确定


计算参考模式

采用脚本计算了中心波长为 1550nm、工作温度为 323K 时的基模与二次谐波模式，前者对应于近紫外光谱约 1.55 μm，而二次谐波则聚焦于可见光谱区段，约 0.75 μm。通过绘制模式场分布图，直观得见了波导中的能量分布及其在不同频率下的特异性。

收集色散曲线与相位匹配斜率

为精确识别相位匹配条件，我们分别对基模和二次谐波进行了参数扫描（包括波长范围、温度范围），并采用二阶泰勒级数展开法，成功拟合并绘制了每个特定温度下的色散曲线。这一过程揭示了 LNO 晶体在不同条件下的光谱特性。

计算二次谐波生成效率

采用二次函数的根来描述色散曲线截距的变化，随后通过线性拟合得到温度相关的调制斜率曲线。进一步地，通过公式：

\[E_{SHG} = \frac{P_2}{P_1L}\]

计算二次谐波的生成效率，其中 \(P_1\) 表示基模功率， \(P_2\) 表示二次谐波功率，而 \(L\) 则为波导的长度。此公式的使用确保了对脉冲能量转换效率的准确定量，体现了数值和理论计算之间精妙的联结。

结论与应用

本文研究展示了通过温度调制实现 LNO 纳米光子波导中二次谐波产生的理论基础及其实验方法。通过对 LNO 折射率的温度效应的深入研究与利用解析材料模型，我们精确估计了相位匹配条件与二次谐波生成效率。

这项技术在多个领域具有广泛应用前景，包括但不限于增强集成光子器件的可调谐性、提升量子通信设备的性能和提高光谱分析的分辨率。此外，该方法为集成光学、非线性光学和光子学研究提供了一种经济高效的手段，有效减小外部光源引入的复杂性与成本，同时也为潜在的工业应用铺平道路。