專利名稱：間隙調諧的光波導器件的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種光波導器件，這種器件用以將其輸入端接收到的預定基頻的光能變換成在其輸出端發(fā)送出的相應諧頻的光能。
象激光唱片之類的光數(shù)字數(shù)據存儲器件目前通常具有多種用途，例如用以存儲數(shù)字化視頻、聲頻和計算機數(shù)據等。一般說來，這些數(shù)據是用半導體激光二極管發(fā)射出來的光寫入這類激光唱片中或從唱片中讀出?，F(xiàn)行適用的半導體激光二極管發(fā)出的光通常屬于電磁頻譜低頻端范圍(即紅光或紅外光)。用頻率較高的光(即光譜的藍端)讀/寫光學方法存儲的數(shù)據應能大大提高存儲密度。
遺憾的是，目前還沒有實用的較高頻率的半導體激光器。唯一發(fā)出藍光的激光器是一些大型氣體激光器，不適用于小型價廉的光存儲讀/寫器件。
能結構緊湊地產生藍光的一個方法是將現(xiàn)行不難物色到的半導體激光二極管發(fā)出的紅外光轉換成藍光。藍光的頻率是紅外光的二倍。因此能將紅外光二倍頻的器件具有良好的市場前景。
大家都知道，目前有許多二倍頻的非線性光學器件。一般說來，這類倍頻器件包括一些塊狀物質的或層狀的非線性晶體，其構形使其可產生基頻的二次諧波而進行倍頻。
一種特別有效的倍頻器件是非線性光波導。當基頻光波通過這種波導傳播時，非線性光學效應導致二次諧頻光波的產生。這類光波導只有當基頻波和倍頻波在波導中的各相應部分傳播時，在相位上基本上保持相互匹配，才能有效地實現(xiàn)倍頻。若該兩波不保持同相，則干涉效應會導致二次諧波的衰減。
波導倍頻器要制造得在尺寸和物理性能方面都滿足相位精確匹配的條件是非常困難的。此外，環(huán)境條件的變化可能會影響波導倍頻器的工作效率，例如，溫度變化會影響倍頻器所用材料的折射率，而波導倍頻器如果性能固定就不能適應環(huán)境條件的這種變化。因此最好能提供一種能人為“調諧”的波導倍頻器，以適應制造公差和環(huán)境條件的變化。
已有人提出過許多使波導能動地起相位匹配作用的方案，例如，1984年元月24日頒發(fā)給Puech等人的美國專利4，427，260和1979年元月1日第34卷第1期《應用物理通信》(Applied Physics Letters)上的一篇題為“三維鈮酸鋰(LiNbO3)光波導中產生二次諧波的電場調諧”的文章就是這些方案的實例。這些方案旨在通過電光調諧形成波導的材料的方法達到相位匹配的目的。然而這種電光調諧法的方案只能使波導的折射率發(fā)生較小的變化，因而只能在相位匹配方面起較小的作用。
本發(fā)明的目的是提供一種在尺寸和物理性能變化范圍較大的情況下能能動地對基頻光波和內部產生的諧頻光波進行相位匹配的光波導器件。
按照本發(fā)明，該器件的特征在于a.第一光波導，由能傳輸所述基頻和諧頻光能的非線性材料組成;
b.第二光波導，由能傳輸所述基頻和諧頻的光能的材料組成;
所述第一和第二波導彼此配置得使其透光材料的表面在兩波導之間限定一具有預定標稱尺寸的耦合間隙;且所述兩波導至少有一個波導，其一個表面是供施加一個力用的，從而調節(jié)光波導器件的有效折射率。
耦合間隙的預定標稱尺寸被選擇為如果光波導器件精密制造成在機械和物理性能上合乎最佳技術要求，且令其在預先規(guī)定的環(huán)境條件下工作，能獲得最高的變換效率。鑒于通常并不存在如此精密的結構和如此預先規(guī)定的工作條件，因而至少在一個波導上提供一個表面使其能夠施加調節(jié)間隙尺寸的力。通過調節(jié)間隙的尺寸，能夠有效調節(jié)光波導器件的有效折射率，從而使器件盡管偏離最佳技術條件和預定的工作條件，也能達到最高的變換效率。
本發(fā)明的最佳實施例還具有這樣的特點所述間隙由對置著的透光材料層的表面所限定，而且這些材料層之一的寬度接近加到該光波導器件輸入端有待變換的光能束的寬度。通過如此限定材料層的寬度，光束通過器件到達器件輸出端的過程中，其寬度就受到約束。這有利于對離開器件輸出端的諧頻光束進行聚焦，或甚至無需聚焦。
現(xiàn)在參看


本發(fā)明的內容。附圖中圖1是本發(fā)明波導第一實施例的透視圖;
圖2是說明圖1波導器件的有效折射率隨間隙尺寸的變化而變化的關系曲線;
圖3是說明圖1波導器件的傳輸特性的曲線;
圖4是本發(fā)明波導器件第二實施例的透視圖;
圖5是本發(fā)明波導器件第三實施例的透視圖。
圖1(不按比例)示出了間隙可調的光波導器件10，用以將基頻光能變換成相應的諧頻光能。在采用本說明書所述的特定材料和特定尺寸的情況下，該器件會有效地將波長大致在800至850毫微米的紅外光束二倍頻。因此這種器件能有效地將紅外光變換成藍光。
器件10是由第一和第二光波導連接起來形成的。第一波導有一個低折射率單晶材料制成的襯底12，襯底12上用例如擴散法形成有高折射率的單晶材料層14。在本實施例中，襯底12由磷酸鈦酸鉀(KTiOPO4)組成，以下稱之為“KTP”。該襯底對紅外波長的折射率為1.75，厚度一般為200微米至1毫米。對這個厚度的要求并不嚴格，它主要起所要求的結構強度的作用。材料層14由KTP組成，已用例如擴散法往其中加入鉈，以形成KxTl1-xTiOPO4的材料。這材料層在紅外波長下的折射率峰值約為1.95，厚度為1至5微米。所選取的厚度是基波波長的函數(shù)。
第二波導由襯底12′和淀積層14′組成，兩者基本上分別與襯底12和材料層14相同。隔離層16和16′將第一和第二襯底分隔開，從而使材料層14和14′在間隙18兩邊相對配置著?；谏院蠹磳⒄劦降囊恍┰?，隔離層或由硬質材料或由較柔韌的材料制成但它們不能與材料層表面起化學反應。適用的硬質材料的例子有金、銀、玻璃或銅等。兩波導借助于例如稍后參照圖5說明的外力施加裝置彼此相對固定住。
為簡化該器件的結構，間隙18可以敞露在大氣中。但間隙18也可以密封住抽真空或充以象惰性氣體之類的各種流體，也可充以可壓縮的固體材料。為使器件的變頻效率達到最高程度，間隙中無論充以任何物質，其折射率最好應小于材料層14和14′。這樣會提高光波在這些諧頻發(fā)生層中的傳播效率。同樣的理由，襯底12和12′的折射率也應小于其所支承的相應材料層14和14′。
需要用非線性極化材料制造的只是材料層14和14′的其中一個，或襯底12和12′的其中一個。非線性極化材料與在其中傳播的基頻光波相互作用，產生諧頻光波。但要達到最高變換效率，該兩材料層和/或兩襯底都要用這類非線性材料制成。
材料層14和14′由于選用了高折射率的材料，因而在該波導器件中傳播的光能必然集中于材料層14和14′中。這些材料層的厚度選擇得使光波利于在其中傳播，且在相位上利于與所要求的波長匹配，而且還選擇得使其可以確定傳播的模式。
波導器件的實際折射率是兩波導層的組合厚度與通過器件的光能的波長兩者的函數(shù)。對有意義的特定波長來說，改變間隙的尺寸d可以改變該器件的實際折射率。例如，這可通過往其中一個襯底上施加可加以調節(jié)的力來實現(xiàn)。在圖1所示的實施例中，襯底12是支承在硬表面(圖中未示出)上的，作用力則是沿襯底12′外表面的中心線施加的。若隔離層16、16′是硬質材料制成的，則所加的力促使襯底12′和淀積層14′稍微下彎(圖中未示出)，從而改變了間隙尺寸d。這個彎曲和襯底的寬度比較是相對較小的，對器件的工作不會有不利的影響。但必要時，各隔離層可以用可壓縮材料制成，并使襯底12′厚得足使它具有一定的剛性，這樣就可以使材料層14和14′相對著的表面彼此基本上保持平行。
圖2示出了器件10的間隙18充以空氣時有效折射率變化的計算值Ne與間隙尺寸d(以埃計)的關系曲線。隨著間隙尺寸從零開始增加，基頻紅外光波(ω＝ω0)的有效折射率減小，而藍光二次諧波(ω＝2ω0)的有效折射率增加。間隙尺寸為兩曲線交點外的d0時，基波和二次諧波的有效折射率相等。該兩波正是在這樣的間隙尺寸下在波導器件中傳播時會同相。兩曲線的交點，因而尺寸d0的精確值，取決于制造器件10的材料的精確厚度和物理性能。兩曲線的交點還與材料溫度的變化有一點關系，特別是間隙中使用的流體材料的溫度變化。按照本發(fā)明，調節(jié)使兩波導壓合在一起的作用力就可以將間隙尺寸d0調節(jié)得正好等于交點處的間隙尺寸值。
圖3示出了當發(fā)射的光束加到圖1中虛線圓圈20所限定的位置的輸入端時，該器件的工作情況。通常光束是由產生紅外發(fā)射光的半導體激光器(如砷化鎵激光器)產生的，并被聚焦到輸入端上，或者借助光纖加到輸入端上。
與本發(fā)明有關用以在KTP材料制成的波導器件中產生諧波的主要發(fā)射光是以TE0與TM0的混合模式傳播的。這可能與其它材料和波導不同。圖3中間部分標稱化了的曲線表示，對于這些模式，基頻發(fā)射光(Eω0)和二次諧頻發(fā)射光(E2ω0)通過器件傳播時的電場強度。圖3的兩端示出了器件10的中間部分和該器件中各相應材料大致的折射率N的示意圖。從圖中可以看到基頻幅射集中在空氣隙18和材料層14、14′附近，二次諧頻幅射光則集中在產生二次諧波的非線性材料層14、14′上。
雖然圖1中沒有示出，但在位置20處加到器件10輸入端的光束在通過器件時具有變寬的傾向。在不希望光束如此變寬的應用中，可以采用圖4的實施例。圖4示出了基本上與器件10相同只是淀積層14′和隔離層16、16′的構造形式不同的器件40。器件40中，淀積層14′的寬度窄到接近射在位置20處的光的寬度。通過僅僅減小淀積層14′的寬度，就將光束通過器件傳播時約束到大致上虛線圓圈20所劃出的面積。為保持間隙尺寸d不變，隔離層16、16′的厚度增大，使其延伸到襯底12′。
圖5示出了本發(fā)明第三實施例的波導器件50并示出了調節(jié)間隙尺寸d的方法的一個例子。器件50基本上與器件40一樣，只是取消了隔離層16、16′，代之以襯底12′與其形成一個整體的側壁延伸部分。這些側壁延伸部分是通過在襯底中蝕刻出一溝道19形成的，其深度足以提供淀積層14′的厚度和間隙尺寸d。襯底12′的這種結構形式不僅簡化了波導器件的結構而且還便于連接第一和第二波導。由于襯底12′和材料層14基本上是相同的材料制成的，因而它們的兩個表面可以在干凈的環(huán)境中結合在一起，這時它們借助范德瓦耳斯力接觸。
改變間隙尺寸的力F是借助于壓電推壓器(translator)60加到該波導器件上的，壓電推壓器60配置在外殼62中，外殼62固定到支撐著器件50的硬質表面64上。壓電推壓器60通過縱向延伸的剛性桿66把力加到襯底12′的縱向中心線上。這個力可以通過改變加到推壓器60上的控制電壓用電的方法加以調節(jié)。
雖然本發(fā)明是就一些特定的實施例進行說明的，但這些實施例僅僅是舉例而已，在本發(fā)明的范圍內是可以對這些實施例進行種種修改的。例如，可以將波導的外表面覆以相應的導電層，作為一個電容器的電容片，以此來產生改變間隙尺寸所需要的力。調節(jié)電容片上極性相反的電荷量可相應地調節(jié)兩電容片之間的吸力。
再有，材料層14，14′也可以用上述以外的其它材料制成，例如將硫化鋅分別蒸發(fā)到襯底12和12′上?？刹捎貌煌姆绞?，這視所選用的襯底和材料層的材料而定。
此外，間隙調諧可用于具有不同頻率的三個或多個導模的非線性相互作用(或混合)的相位的匹配上。
權利要求
1.一種光波導器件，用以將其輸入端收到的預定頻率的光能變換成在其輸出端發(fā)送的相應的諧頻光能，其特征在于a.第一光波導，由能傳輸所述基頻和諧頻的光能的非線性材料組成；b.第二光波導，由能傳輸所述基頻和諧頻的光能的材料組成；所述第一和第二波導彼此配置得使其透光材料的表面在兩波導之間限定一具預定標稱尺寸的耦合間隙；且所述兩波導致少有一個波導，其一個表面是供施加一個調節(jié)間隙尺寸的力用的，從而調節(jié)該光波導器件的有效折射率。
2.如權利要求1所述的器件，其特征在于，第一和第二波導分別包括第一和第二襯底，第一和第二襯底分別支撐著各自的能讓所述基頻和諧頻的光能通過的第一和第二材料層。
3.如權利要求1或2所述的器件，其特征在于，至少所述第一和第二材料層之一由非線性材料組成，用以將在器件輸入端接收到的基頻光能變換成二次諧頻光能。
4.如權利要求2或3所述的器件，其特征在于，所述第一和第二材料層的每一個的折射率都大于相應支承襯底的折射率。
5.如權利要求1、2、3或4所述的器件，其特征在于，所述間隙含有能傳輸所述基頻和諧頻光能的流體。
6.如權利要求1、2、3、4或5所述的器件，其特征在于，所述間隙含有能傳輸所述基頻和諧頻光能的可壓縮固體。
7.如權利要求2、3、4、5或6所述的器件，其特征在于，第一和第二材料層的每一個的橫過光能通過所述材料層的方向所延伸的寬度是預先規(guī)定的，至少其中一個所述材料層的寬度接近待加到所述器件輸入端的光束的寬度。
8.如權利要求1-7中任一權利要求所述的器件，其特征在于，所述間隙借助于將第一和第二波導分隔開的隔離構件形成。
9.如權利要求1-6中任一權利要求所述的器件，其特征在于，所述間隙借助于在至少在第一和第二波導之一中形成的溝道形成。
10.如權利要求1-9中任一權利要求所述的器件，其特征在于，基頻是在紅外光譜，諧頻則是藍光光譜。
全文摘要
一種有效的波導器件，用以將加到其上的光波的頻率二倍頻。該器件具有通過分隔間隙耦合在一起的第一和第二光波導。調節(jié)間隙的尺寸就能精確調節(jié)耦合情況，從而使倍頻效率最高。這種器件特別適用于易從半導體激光器產生的較低頻紅外輻射光產生較高頻的藍輻射光。
文檔編號G02F1/35GK1052380SQ90109620
公開日1991年6月19日 申請日期1990年11月27日 優(yōu)先權日1989年11月30日
發(fā)明者塞爾·B·科拉克, 理查德·A·施托爾岑貝格, 約翰·J·左拉 申請人:菲利浦光燈制造公司