阅读说明：本技术 一种基于脊型铌酸锂单晶薄膜波导集成周期性畴反转结构的频率转换器及其制备 (frequency converter based on ridge-type lithium niobate single crystal thin film waveguide integrated periodic domain inversion structure and preparation method thereof ) 是由 陈�峰 张彬 王磊 李子琦 李玲琪 熊秉诚 于 2019-08-05 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种基于脊型铌酸锂单晶薄膜波导集成周期性畴反转结构的频率转换器及其制备,首先在铌酸锂单晶薄膜表面用相同的激光加工参数,制备畴反转区域占空比为0.5的周期结构；然后应用飞秒激光直写或者精密金刚石刀切割技术在铌酸锂单晶薄膜上制备脊型波导,集成在预先加工好的周期性结构上；进而对LNOI的两个X端面进行抛光处理,然后清洗、得到抛光面；最后将半导体激光器与光纤耦合系统、具有周期性畴反转结构的铌酸锂单晶薄膜波导,以及滤光片集成在一起,实现对特定波长激光的频率转换功能。本发明具有转换效率高、光束质量好、寿命长等特点,该产品主要应用于光纤通讯、电子学器件制备、信息存储、红外探测等领域。(The invention relates to a frequency converter based on a ridge-type lithium niobate single crystal film waveguide integrated periodic domain inversion structure and a preparation method thereof, wherein firstly, the same laser processing parameters are used on the surface of a lithium niobate single crystal film to prepare a periodic structure with the domain inversion region duty ratio of 0.5; then preparing ridge waveguides on the lithium niobate single crystal film by applying femtosecond laser direct writing or a precision diamond knife cutting technology, and integrating the ridge waveguides on a pre-processed periodic structure; polishing the two X end surfaces of the LNOI, and then cleaning to obtain polished surfaces; and finally, integrating the semiconductor laser, an optical fiber coupling system, the lithium niobate single crystal thin film waveguide with the periodic domain inversion structure and the optical filter together to realize the frequency conversion function of the laser with the specific wavelength. The invention has the characteristics of high conversion efficiency, good light beam quality, long service life and the like, and the product is mainly applied to the fields of optical fiber communication, electronic device preparation, information storage, infrared detection and the like.)

一种基于脊型铌酸锂单晶薄膜波导集成周期性畴反转结构的 频率转换器及其制备

技术领域

本发明涉及脊型铌酸锂单晶薄膜波导集成周期性畴反转结构的频率转换器及制备方法，属于光电子器件制备技术领域。

背景技术

飞秒激光直写是一种材料微纳加工领域新兴的并且已经为大家所熟知的技术，由于其具有加工精度高、质量好、时间短的特点，该项技术被广泛用于集成光学、光子学、微流控光学和生物医学等领域。1996年，Davis等人通过实验表明：飞秒激光经过显微物镜汇聚而聚焦在玻璃内部，能够使焦点区域的光学性质发生永久性的改变。另外，通过选择合适的激光加工参数，能使焦点区域的折射率升高，这可以用于在玻璃内部制作波导。与传统的激光(长脉宽或者连续激光)加工方法相比，飞秒激光微纳加工技术的优势在于两点：超短的脉冲宽度和极高的峰值强度。用经过显微物镜汇聚后的飞秒激光加工透明材料时，飞秒激光超短的脉冲宽度能够使焦区附近热影响区域得到有效的控制，而极高的峰值强度则会导致透明材料中非线性相互作用的产生，比如多光子吸收和隧穿电离等。近二十年来，飞秒激光直写技术被广泛用于加工玻璃、介电晶体、聚合物等材料，取得了显著的成绩。

铌酸锂晶体(LiNbO₃)简称LN，隶属于三方晶系，负单轴晶体，是一种具有氧八面体结构的铁电材料。LN在室温下密度4.628g/cm³，晶格常数a＝b＝0.5148nm，c＝1.3863nm，熔点1253℃，居里温度1140℃，透明度范围420nm～5200nm，莫氏硬度5(mohs)，折射率n₀＝2.232，n_e＝2.156(λ＝1064nm)，非线性系数d₃₁＝4.52pm/V，d₂₂＝2.18pm/V，d₃₃＝33.54pm/V(λ＝1064nm)。LN作为目前最常用的非线性晶体材料之一，其机械性能稳定、耐高温、抗腐蚀，具有优良的电光、声光、压电、非线性光学和光折变效应，在微波技术中用于调Q开关、光电调制、倍频、光参量振荡；掺加一定量的铁和其他金属杂质的LN晶体，可用作全息记录介质材料。LN晶体也可以用于相位调解器、非挥发性存储器、二次谐波发生器、相位光栅调解器、大规模集成光学系统，还广泛用于红外探测器等。

铌酸锂单晶薄膜(LNOI)完全保持了LN单晶体材料的物理性质，直径为3英寸，上层铌酸锂单晶薄膜厚度为0.3～0.7微米，中层为约2微米厚的二氧化硅，最下层为0.5毫米厚的铌酸锂晶片衬底。作为产业链的基础材料，该产品主要应用于光纤通讯、电子学器件制备、信息存储、红外探测等领域。用此薄膜材料生产的器件与传统产品相比体积可缩小百万倍以上，集成度大幅度提高，响应频带宽，功耗低，性能更加稳定，制造成本降低。

利用飞秒激光直写技术在Z切的LNOI上诱导产生周期性畴反转的准相位匹配结构，能够高效地将入射的特定波长下的基频光转为倍频光输出，从而实现频率转换的功能。中国专利文件CN109149047A公开了一种片上低损耗超细脊状波导的制备方法，包括在薄膜表面镀金属层、飞秒激光选择性烧蚀金属膜、化学机械抛光和过度抛光及金属膜化学腐蚀等步骤。其能够制备宽度在亚微米级，表面和边缘光滑度极高，传输损耗极低的超细脊状波导。但是，这种加工方式过于复杂。中国专利文件CN107561817A公开了一种铌酸锂薄膜纳米级周期性极化的方法，通过首先在铌酸锂单晶薄膜样品表面甩胶后模压得到纳米梳状结构，然后在纳米梳状结构上镀制金属膜层作为顶电极，再通过铌酸锂单晶薄膜样品中的导电电极层和顶电极进行极化处理，最后通过去除甩胶和导电电极层，得到周期性极化铌酸锂薄膜。这种方式加工时间长，成本高，也不利于调整准相位匹配周期的大小。因此，研究一种加工时间短、质量好、成本低，易于调整准相位匹配周期的大小，加工更加简单、便捷的，脊型铌酸锂单晶薄膜波导集成周期性畴反转结构元件即组装的频率转化器，成为亟待解决的问题。

截至目前，还没有利用飞秒激光直写技术在LNOI(Z切)上制备周期性畴反转的准相位匹配结构，从而实现特定波长下的倍频光输出的报道。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种基于脊型铌酸锂单晶薄膜波导集成周期性畴反转结构的频率转换器及其制备方法。创新地利用飞秒激光直写技术在铌酸锂单晶薄膜上加工周期性的畴反转结构，然后利用飞秒激光直写技术或者精密金刚石刀切割技术，沿着周期结构排布的方向制备出低损耗的脊型铌酸锂单晶薄膜波导。可加工成集成化基频光波长为1550纳米、1310纳米、1064纳米、850纳米的频率转换器，分别输出波长为775纳米、655纳米、532纳米、425纳米的倍频红外光、红光、绿光、紫光。

术语说明：

畴反转结构的占空比：是指在一个准相位匹配周期内，畴反转区域相对于本周期所占的比例。

本发明的技术方案如下：

一种脊型铌酸锂单晶薄膜波导集成周期性畴反转结构元件，包括由上层铌酸锂单晶薄膜、中层二氧化硅、下层铌酸锂晶片衬底组成的复合结构，所述的铌酸锂单晶薄膜设置有周期性畴反转结构，在铌酸锂单晶薄膜上沿周期性畴反转结构排布的方向设置有脊型波导。

根据本发明，优选的，所述的铌酸锂单晶薄膜厚度为0.3～0.7μm，二氧化硅厚度为1.0～2.5μm，铌酸锂晶片衬底厚度为0.4～0.6mm；

进一步优选的，该元件尺寸为10*10*0.5mm³(X*Y*Z)，切向为Z切，通光方向为X向，上层的单晶铌酸锂薄膜的厚度为0.5μm，中层的二氧化硅厚度为1.2μm，下层的铌酸锂晶片衬底厚度为0.5mm。

根据本发明，优选的，周期性畴反转结构的数量≥400。

根据本发明，优选的，所述的畴反转结构的占空比为0.45～0.55，进一步优选0.5。合适的占空比可以确保有较高的转化效率。其周期的大小视入射基频光的波长而定，在室温环境下，一阶准相位匹配的周期由以下公式求得：

其中，Λ是准相位匹配的周期，λ^ω是基频光的波长，n^ω和n^2ω是介质分别对应基频光和倍频光下的折射率。当一束激光在铌酸锂晶体中传输时，由于铌酸锂是双折射晶体，分寻常光折射率n_o和异常光折射率n_e两个，故用如下Sellmeier方程式计算在该特定激光波长λ下铌酸锂的折射率大小：

根据本发明，优选的，所述的脊型波导沿Z向的长度均为0.3～0.7μm，进一步优选0.5μm，即铌酸锂单晶薄膜层的厚度。

根据本发明，上述脊型铌酸锂单晶薄膜波导集成周期性畴反转结构元件的制备方法，包括步骤如下：

(1)使用显微物镜汇聚飞秒激光，垂直于铌酸锂单晶薄膜的表面入射并贯穿铌酸锂单晶薄膜，沿铌酸锂单晶薄膜Y方向重复扫描并确保畴反转结构的占空比为0.45～0.55，飞秒激光偏振方向与扫描方向一致，得到周期性畴反转结构；

(2)使用步骤(1)飞秒激光直写方法，沿铌酸锂单晶薄膜X方向重复扫描两次，烧蚀出两条贯穿铌酸锂单晶薄膜的彼此之间有一定间隔的路径；用氢氟酸浸泡铌酸锂单晶薄膜表面，将飞秒激光扫描的区域刻蚀掉，得到两条彼此之间有一定间隔的沟槽；

或者，使用精密金刚石刀在铌酸锂单晶薄膜表面上沿铌酸锂单晶薄膜X方向重复切割两次，切割出两条彼此之间有一定间隔的沟槽；

(3)对铌酸锂单晶薄膜的两个X端面进行光学抛光，即得脊型铌酸锂单晶薄膜波导集成周期性畴反转结构元件。

根据本发明，优选的，步骤(1)中显微物镜放大倍数为50倍、数值孔径N.A.＝0.67。

根据本发明，优选的，步骤(1)中所述的飞秒激光脉宽为400fs，波长为1031nm，重复频率为25kHz；单脉冲能量为0.25μJ。步骤(1)用于制作周期性畴反转结构。

根据本发明，优选的，步骤(2)中所述的飞秒激光脉宽为400fs，波长为1031nm，重复频率为25kHz，单脉冲能量为0.30μJ。步骤(2)用于制作脊型波导。

根据本发明，优选的，步骤(1)、(2)中飞秒激光偏振方向与激光扫描方向一致，扫描速度为1mm/s。

根据本发明，优选的，步骤(2)中所述的沟槽深度为0.3-0.7μm，宽度为4-6μm；优选的，两条沟槽彼此间隔为10μm。

根据本发明，优选的，步骤(2)中精密金刚石刀的转速为20000rpm、切割速率为0.2mm/s。

一种基于脊型铌酸锂单晶薄膜波导集成周期性畴反转结构的频率转换器，包括沿光学路径依次连接的半导体激光器、光纤、脊型铌酸锂单晶薄膜波导集成周期性畴反转结构元件、显微物镜和滤光片。

本发明的频率转换器只需要打开激光器开关，使特定波长的激光出射，就能得到该波长所对应的倍频光。该频率转换器使用了准相位匹配技术，通过飞秒激光诱导产生的周期性畴反转结构，补偿了非线性光学中三波相互作用的相位失配，从而实现倍频光的高效输出。本发明的优势主要体现在三个方面：首先，用飞秒激光可以方便、快捷地诱导产生特定周期下的准相位匹配结构；另外，用飞秒激光直写或者精密金刚石刀切割技术制备脊型波导，方法更加简单、便捷；最后，该频率转换器基于铌酸锂单晶薄膜材料，可以大幅度提高集成度。

根据本发明，所述的从半导体激光器出射的基频光的偏振方向与铌酸锂单晶薄膜的光轴Z方向一致，这样可以使用铌酸锂的非线性张量最大值d₃₃系数，从而尽可能地提高倍频转换效率。

本发明未详尽说明的，均按本领域现有技术。

本发明的有益效果：

1、本发明利用飞秒激光直写技术在铌酸锂单晶薄膜上制备周期性畴反转的结构，周期大小的设置视入射基频光的波长而定，以满足一阶准相位匹配的条件；可以利用多重扫描技术将每个周期内畴反转区域的占空比控制在0.5左右。如此，能够实现对特定波长下的基频光进行高效频率转换的功能。

2、本发明是基于铌酸锂单晶薄膜(LNOI)材料，薄膜上表面与空气接触，下表面与二氧化硅绝缘层相连，所以用飞秒激光直写技术或者精密金刚石刀切割技术制备脊型薄膜波导的时候，只需要对在薄膜内传输的光的两侧进行限制即可，简化了脊型波导的制备步骤。将飞秒激光直写或者精密金刚石刀切割的脊型波导与周期性畴反转结构集成在一起，能够有效地提升二次谐波转换输出效率。

3、本发明是一个微型的可集成的频率转换器，具有转换效率高、光束质量好、寿命长等特点，该产品主要应用于光纤通讯、电子学器件制备、信息存储、红外探测等领域。用此薄膜材料生产的器件与传统产品相比体积可缩小百万倍以上，集成度大幅度提高，响应频带宽，功耗低，性能更加稳定，制造成本降低。

附图说明

图1为本发明的铌酸锂单晶薄膜频率转换器的工艺流程图；

图2为飞秒直写铌酸锂单晶薄膜周期性畴反转结构的制作工艺示意图；(a)为左视图，(b)为俯视图，(c)为主视图；

图3为利用多重扫描技术将每个周期内畴反转区域的占空比控制在0.5左右的制作工艺示意图；

图4为利用飞秒激光直写技术或者精密金刚石刀切割技术制备脊型铌酸锂单晶薄膜波导的制作工艺示意图；(a)为左视图，(b)为俯视图，(c)为主视图；

图5为基于飞秒激光直写铌酸锂单晶薄膜周期性畴反转结构的频率转换器的主体结构示意图；(a)为左视图，(b)为俯视图；

图中：1.畴反转区域，2.铌酸锂单晶薄膜，3.二氧化硅绝缘层，4.铌酸锂晶片衬底，5.飞秒激光直写的脊型铌酸锂单晶薄膜波导，6.飞秒激光直写的沟槽区域，7.精密金刚石刀切割的脊型铌酸锂单晶薄膜波导，8.精密金刚石刀切割的沟槽区域，9.滤光片，10.显微物镜，11.光纤，12.半导体激光器。

具体实施方式

下面通过具体实施例并结合附图对本发明作进一步说明，但不限于此。

如图5所示，一种基于飞秒激光直写铌酸锂单晶薄膜周期性畴反转结构的频率转换器，包括沿光路依次连接的半导体激光器12、光纤11、带有周期性畴反转结构的飞秒激光直写的或者精密金刚石刀切割的脊型铌酸锂单晶薄膜波导(5或7)、显微物镜10、滤光片9。

所述的从半导体激光器出射的基频光的偏振方向与铌酸锂单晶薄膜的光轴Z方向一致，这样可以使用铌酸锂的非线性张量最大值d₃₃系数，从而尽可能地提高倍频转换效率。

实施例1

如图1～5所示，基于飞秒激光直写铌酸锂单晶薄膜周期性畴反转结构的频率转换器(倍频1550nm的激光)的制备，包括步骤如下：

(1)以Z切铌酸锂单晶薄膜为基底，结合多重扫描技术(如图3所示)，用经过显微物镜(50倍、N.A.＝0.67)汇聚的飞秒激光(脉宽400fs、波长1031nm、重复频率25kHz、单脉冲能量0.25μJ)垂直于LNOI的表面入射，贯穿上层的铌酸锂单晶薄膜并以1mm/s的扫描速度重复扫描6次(每次都沿着+Y或者-Y方向)，飞秒激光偏振方向与扫描方向一致，6条track将会在X方向彼此紧密排开，每条track在沿X方向的宽度约为1.5μm。由于该波长下一阶准相位匹配周期的理论计算值为19.03μm，6条track排布起来的畴反转区域在沿X方向的宽度为9μm，所以一个周期内畴反转区域的占空比约为0.5。将400个上述的周期结构沿着X方向排布起来，如图2所示；

(2)利用飞秒激光直写(图4中5～6)或者精密金刚石刀切割(图4中7～8)技术沿着X方向(同为+X或-X)贯穿铌酸锂单晶薄膜制备脊型波导，集成在预先加工好的周期性结构上。飞秒激光直写方法：(i)用经过显微物镜(放大倍数为50倍，数值孔径为0.67)汇聚的中心波长为1031nm，脉冲宽度为400fs，重复频率为25kHz，单脉冲能量为0.30μJ的飞秒激光垂直于LNOI的表面入射，以1mm/s的扫描速度沿着薄膜的X向重复扫描两次(同为+X或-X向)，烧蚀出两条贯穿LNOI上层铌酸锂单晶薄膜的彼此间隔为10μm的track；(ii)在室温下，用浓度为48％的氢氟酸浸泡铌酸锂单晶薄膜表面4～8小时，将激光扫描的区域刻蚀掉。精密金刚石刀切割方法：精密金刚石刀的转速为20000rpm、切割速率为0.2mm/s，贯穿上层的铌酸锂单晶薄膜并沿着X向重复切割两次(同为+X或-X向)，切割出两条彼此间隔为10μm的沟槽，深度均约为0.5μm，宽度均约为5μm；

(3)对LNOI的两个X端面进行抛光处理，每个面大约抛掉0.5mm，然后清洗、得到抛光面；

(4)将激光波长为1550nm的半导体激光器(图5中12)与光纤耦合系统(图5中10和11)、具有周期性畴反转结构的铌酸锂单晶薄膜波导(图5中5或7)，以及滤光片(图5中9)集成在一起，实现对波长为1550nm的激光的频率转换功能。入射基频光的偏振方向与铌酸锂单晶薄膜的光轴Z方向保持一致以使用铌酸锂的非线性张量最大值d₃₃系数；滤光片性能：中心波长为780nm、半宽为20nm、峰值透射率＞50％。

实施例2

如图1～5所示，基于飞秒激光直写铌酸锂单晶薄膜周期性畴反转结构的频率转换器(倍频1310nm的激光)的制备，包括步骤如下：

(1)以Z切铌酸锂单晶薄膜为基底，结合多重扫描技术(如图3所示)，用经过显微物镜(50倍、N.A.＝0.67)汇聚的飞秒激光(脉宽400fs、波长1031nm、重复频率25kHz、单脉冲能量0.25μJ)垂直于LNOI的表面入射，贯穿上层的铌酸锂单晶薄膜并以1mm/s的扫描速度重复扫描4次(每次都沿着+Y或者-Y方向)，飞秒激光偏振方向与扫描方向一致，4条track将会在X方向彼此紧密排开，每条track在沿X方向的宽度约为1.5μm。由于该波长下一阶准相位匹配周期的理论计算值为12.54μm，4条track排布起来的畴反转区域在沿X方向的宽度为6μm，所以一个周期内畴反转区域的占空比约为0.5。将400个上述的周期结构沿着X方向排布起来，如图2所示；

(2)利用飞秒激光直写(图4中5～6)或者精密金刚石刀切割(图4中7～8)技术沿着X方向(同为+X或-X)贯穿铌酸锂单晶薄膜制备脊型波导，集成在预先加工好的周期性结构上。飞秒激光直写方法：(i)用经过显微物镜(放大倍数为50倍，数值孔径为0.67)汇聚的中心波长为1031nm，脉冲宽度为400fs，重复频率为25kHz，单脉冲能量为0.30μJ的飞秒激光垂直于LNOI的表面入射，以1mm/s的扫描速度沿着薄膜的X向重复扫描两次(同为+X或-X向)，烧蚀出两条贯穿LNOI上层铌酸锂单晶薄膜的彼此间隔为10μm的track；(ii)在室温下，用浓度为48％的氢氟酸浸泡铌酸锂单晶薄膜表面4～8小时，将激光扫描的区域刻蚀掉。精密金刚石刀切割方法：精密金刚石刀的转速为20000rpm、切割速率为0.2mm/s，贯穿上层的铌酸锂单晶薄膜并沿着X向重复切割两次(同为+X或-X向)，切割出两条彼此间隔为10μm的沟槽，深度均约为0.5μm，宽度均约为5μm；

(3)对LNOI的两个X端面进行抛光处理，每个面大约抛掉0.5mm，然后清洗、得到抛光面；

(4)将激光波长为1310nm的半导体激光器(图5中12)与光纤耦合系统(图5中10和11)、具有周期性畴反转结构的铌酸锂单晶薄膜波导(图5中5或7)，以及滤光片(图5中9)集成在一起，实现对波长为1310nm的激光的频率转换功能。入射基频光的偏振方向与铌酸锂单晶薄膜的光轴Z方向保持一致以使用铌酸锂的非线性张量最大值d₃₃系数；滤光片性能：中心波长为656.3nm、半宽为10nm、峰值透射率＞55％。

实施例3

如图1～5所示，基于飞秒激光直写铌酸锂单晶薄膜周期性畴反转结构的频率转换器(倍频1064nm的激光)的制备，包括步骤如下：

(1)以Z切铌酸锂单晶薄膜为基底，结合多重扫描技术(如图3所示)，用经过显微物镜(50倍、N.A.＝0.67)汇聚的飞秒激光(脉宽400fs、波长1031nm、重复频率25kHz、单脉冲能量0.25μJ)垂直于LNOI的表面入射，贯穿上层的铌酸锂单晶薄膜并以1mm/s的扫描速度重复扫描2次(每次都沿着+Y或者-Y方向)，飞秒激光偏振方向与扫描方向一致，2条track将会在X方向彼此紧密排开，每条track在沿X方向的宽度约为1.5μm。由于该波长下一阶准相位匹配周期的理论计算值为6.81μm，2条track排布起来的畴反转区域在沿X方向的宽度为3μm，所以一个周期内畴反转区域的占空比约为0.5。将400个上述的周期结构沿着X方向排布起来，如图2所示；

(2)利用飞秒激光直写(图4中5～6)或者精密金刚石刀切割(图4中7～8)技术沿着X方向(同为+X或-X)贯穿铌酸锂单晶薄膜制备脊型波导，集成在预先加工好的周期性结构上。飞秒激光直写方法：(i)用经过显微物镜(放大倍数为50倍，数值孔径为0.67)汇聚的中心波长为1031nm，脉冲宽度为400fs，重复频率为25kHz，单脉冲能量为0.30μJ的飞秒激光垂直于LNOI的表面入射，以1mm/s的扫描速度沿着薄膜的X向重复扫描两次(同为+X或-X向)，烧蚀出两条贯穿LNOI上层铌酸锂单晶薄膜的彼此间隔为10μm的track；(ii)在室温下，用浓度为48％的氢氟酸浸泡铌酸锂单晶薄膜表面4～8小时，将激光扫描的区域刻蚀掉。精密金刚石刀切割方法：精密金刚石刀的转速为20000rpm、切割速率为0.2mm/s，贯穿上层的铌酸锂单晶薄膜并沿着X向重复切割两次(同为+X或-X向)，切割出两条彼此间隔为10μm的沟槽，深度均约为0.5μm，宽度均约为5μm；

(3)对LNOI的两个X端面进行抛光处理，每个面大约抛掉0.5mm，然后清洗、得到抛光面；

(4)将激光波长为1064nm的半导体激光器(图5中12)与光纤耦合系统(图5中10和11)、具有周期性畴反转结构的铌酸锂单晶薄膜波导(图5中5或7)，以及滤光片(图5中9)集成在一起，实现对波长为1064nm的激光的频率转换功能。入射基频光的偏振方向与铌酸锂单晶薄膜的光轴Z方向保持一致以使用铌酸锂的非线性张量最大值d₃₃系数；滤光片性能：中心波长为532nm、半宽为10nm、峰值透射率＞55％；

实施例4

如图1～5所示，基于飞秒激光直写铌酸锂单晶薄膜周期性畴反转结构的频率转换器(倍频850nm的激光)的制备，包括步骤如下：

(1)以Z切铌酸锂单晶薄膜为基底，用经过显微物镜(50倍、N.A.＝0.67)汇聚的飞秒激光(脉宽400fs、波长1031nm、重复频率25kHz、单脉冲能量0.25μJ)垂直于LNOI的表面入射，贯穿上层的铌酸锂单晶薄膜并以1mm/s的扫描速度扫描1次(沿着+Y或者-Y方向)，飞秒激光偏振方向与扫描方向一致，track在沿X方向的宽度约为1.5μm。由于该波长下一阶准相位匹配周期的理论计算值为3.20μm，单条track畴反转区域在沿X方向的宽度为1.5μm，所以一个周期内畴反转区域的占空比约为0.5。将400个上述的周期结构沿着X方向排布起来，如图2所示；

(2)利用飞秒激光直写(图4中5～6)或者精密金刚石刀切割(图4中7～8)技术沿着X方向(同为+X或-X)贯穿铌酸锂单晶薄膜制备脊型波导，集成在预先加工好的周期性结构上。飞秒激光直写方法：(i)用经过显微物镜(放大倍数为50倍，数值孔径为0.67)汇聚的中心波长为1031nm，脉冲宽度为400fs，重复频率为25kHz，单脉冲能量为0.30μJ的飞秒激光垂直于LNOI的表面入射，以1mm/s的扫描速度沿着薄膜的X向重复扫描两次(同为+X或-X向)，烧蚀出两条贯穿LNOI上层铌酸锂单晶薄膜的彼此间隔为10μm的track；(ii)在室温下，用浓度为48％的氢氟酸浸泡铌酸锂单晶薄膜表面4～8小时，将激光扫描的区域刻蚀掉。精密金刚石刀切割方法：精密金刚石刀的转速为20000rpm、切割速率为0.2mm/s，贯穿上层的铌酸锂单晶薄膜并沿着X向重复切割两次(同为+X或-X向)，切割出两条彼此间隔为10μm的沟槽，深度均约为0.5μm，宽度均约为5μm；

(3)对LNOI的两个X端面进行抛光处理，每个面大约抛掉0.5mm，然后清洗、得到抛光面；

(4)将激光波长为850nm的半导体激光器(图5中12)与光纤耦合系统(图5中10和11)、具有周期性畴反转结构的铌酸锂单晶薄膜波导(图5中5或7)，以及滤光片(图5中9)集成在一起，实现对波长为850nm的激光的频率转换功能。入射基频光的偏振方向与铌酸锂单晶薄膜的光轴Z方向保持一致以使用铌酸锂的非线性张量最大值d₃₃系数；滤光片性能：中心波长为420nm、半宽为10nm、峰值透射率＞50％；

对比例1

如实施例1所述，不同的是不加脊型波导，并参照实施例1组装频率转换器。

对比例2

如实施例1所述，不同的是畴反转区域的占空比为1/3，并参照实施例1组装频率转换器。

对比例1中，由于缺少波导对光束的限制作用，导致倍频转换效率明显降低。对比例2中，由于周期性畴反转结构不满足准相位匹配的条件，故几乎没有倍频信号产生。

实施例1～4中，创新地利用飞秒激光直写技术在铌酸锂单晶薄膜上加工周期性的畴反转结构，然后利用飞秒激光直写技术或者精密金刚石刀切割技术，沿着周期结构排布的方向制备出低损耗的脊型铌酸锂单晶薄膜波导，加工出集成化基频光波长为1550纳米、1310纳米、1064纳米、850纳米的频率转换器，分别输出波长为775纳米、655纳米、532纳米、425纳米的倍频红外光、红光、绿光、紫光。