專利名稱：波長轉(zhuǎn)換方法及其光學(xué)制品的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)制品，更具體地涉及用于波長轉(zhuǎn)換的光學(xué)制品。
在通信，光存儲(chǔ)器及其它應(yīng)用中使用光學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)刺激了對具有高非線性度，良好的光學(xué)性質(zhì)，以及能夠進(jìn)行周相匹配以增加入射激光的頻率的光學(xué)介質(zhì)的探索。在這種系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中經(jīng)常遇到的問題是高效地生成具有特別適用于這種系統(tǒng)中的波長的光波。例如，雖然高效的紅外波激光生成是通?？梢岳玫?，但某些具有較短波長的更適用的波的直接生成則通常是相當(dāng)困難的。
提供具有更理想的波長的波的一種方法是波長轉(zhuǎn)換，從而包含一種光介質(zhì)的制品被用來至少部分地將入射到該介質(zhì)的光波轉(zhuǎn)換成具有不同波長的出射光波。經(jīng)常使用的波長轉(zhuǎn)換過程包含二次諧波的生成，其中所生成的波的頻率是入射波的兩倍。在典型的方法中，入射光波被導(dǎo)經(jīng)一種介質(zhì)(例如，一種無機(jī)非線性晶體)在其中通過介質(zhì)與光波的交互作用生成具有對應(yīng)于入射光波的波長的二次諧波波長的光波并從該介質(zhì)中出射。
典型地，在用于波長轉(zhuǎn)換的光學(xué)制品中，適當(dāng)波長的波是在介質(zhì)的長度上生成的。在設(shè)計(jì)這種制品中眾所周知的是除非設(shè)置了用于抑制沿介質(zhì)長度各點(diǎn)上生成的波之間的破壞性干涉的裝置，諸如二次諧波生成這些波長轉(zhuǎn)換方式的效率可能嚴(yán)重地受到限制。因而，通常有必要采用某種技術(shù)來控制這種破壞性干涉的影響。
以更為理論性些的名詞，波長轉(zhuǎn)換系統(tǒng)一般可以根據(jù)一個(gè)傳播常數(shù)K來對該轉(zhuǎn)換介質(zhì)中的交互作用的各光波進(jìn)行論述。為了說明這一目的，每一光波的K可定義為等于2πn/λ，這里n為介質(zhì)的折射率而λ則為波的波長。鑒于傳播常數(shù)與波長之間的倒數(shù)關(guān)系，以及不同頻率的光波可以具有不同的折射率這一事實(shí)，在轉(zhuǎn)換介質(zhì)中的各相互作用的光波的傳播常數(shù)清楚地可以是不同的。
一般地，對于波長轉(zhuǎn)換，交互作用入射波的頻率之和等于交互作用所生成的波的頻率之和。為了使介質(zhì)中生成的波之間的破壞性干涉最小化，一般認(rèn)為交互作用入射波的傳播常數(shù)之和也緊密地逼近交互作用所生成的波的傳播常數(shù)之和是理想的。換言之，對于包含在波長轉(zhuǎn)換中的光波，介質(zhì)中入射波的總傳播常數(shù)與介質(zhì)中所生成的波的總傳播常數(shù)之間的差(即，該介質(zhì)的△K)接近零，被認(rèn)為對于高效波長轉(zhuǎn)換是理想的。將一個(gè)波長轉(zhuǎn)換系統(tǒng)調(diào)整到△K接近零的狀態(tài)稱作周相匹配。
一種特定介質(zhì)的波長轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中具有一定意義的一個(gè)光學(xué)參數(shù)是粘著長度，coh，它一般定義為2π/△K。對于△K接近零的狀態(tài)，明顯地，其對應(yīng)的coh是相對地大的。
在一個(gè)晶體系統(tǒng)中包含三條光束的非線性交互作用的一種正常的周相匹配過程中，其中各自具有頻率ω1與ω2以及各自的波長λ1與λ2的入射光波的兩條光束被引導(dǎo)通過具有作為光波頻率的函數(shù)而變化的折射率n(ω)的一種介質(zhì)(例如，一個(gè)晶體或者一種復(fù)合物)以生成具有頻率ω3及波長λ3的光波，對各波束所定義的波束傳播常數(shù)K為等于2πn(ω)/λ，而該光學(xué)介質(zhì)的△K則由下列關(guān)系式表示△K＝ (2πn(ω3))/(λ3) - (2πn(ω2))/(λ2) - (2πn(ω1))/(λ1)最大輸出亮度出現(xiàn)在當(dāng)周相系統(tǒng)匹配的狀態(tài)(即，△K為零)下的一個(gè)系統(tǒng)中。周相匹配系統(tǒng)的輸出亮度一般與h2成比例地增加，即光學(xué)介質(zhì)(例如，晶體)的長度h的平方。
對于二次諧波生長系統(tǒng)，頻率ω1與ω2取為相等的并為頻率ω2的一半。相應(yīng)地，波長λ1與λ2是波長λ3的兩倍而二次諧波生成系統(tǒng)的△K可以按照上面的例子以下述關(guān)系式表示△K＝ (2π)/(λ3) (n(ω3)-n(ω1)這種二次諧波生成系統(tǒng)的粘著長度從而可用下列關(guān)系式表示coh＝ (λ3)/(n(ω3)-n(ω1)) ＝ (0.5λ1)/(n(ω3)-n(ω1))波長轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的另一個(gè)例子包括從一個(gè)波長為λ4的單一輸入波生成波長為λ5與λ6的兩個(gè)波。
已經(jīng)為達(dá)到高效的周相匹配論證或提出過若干技術(shù)。(可參見，例如，F(xiàn).A.Hopf等，應(yīng)用古典電動(dòng)力學(xué)，卷Ⅱ，非線性光學(xué)，John Wiley & Sons，1986，29-56頁)它們中最常用的是使用在諸如二次諧波生成以及和與差頻生成等幾乎所有當(dāng)前應(yīng)用中的角度與溫度調(diào)整技術(shù)。在諸如單晶體這樣的大塊材料的角度調(diào)整中，對該晶體相對于入射光的朝向進(jìn)行調(diào)整以達(dá)到周相匹配。一般認(rèn)為這一技術(shù)可適用于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中，由于它們的設(shè)計(jì)性質(zhì)，它們必須朝向相對于入射波的一個(gè)特定方向。溫度調(diào)整取決于材料的重折率的溫度依賴性，它既可用于波導(dǎo)也可用于大塊材料。然而，對于許多重折率的溫度依賴性大的材料而言，雖然對這些材料中的波導(dǎo)進(jìn)行溫度調(diào)整是可能的，但必須提供高度的溫度控制(例如，+/-1℃)。在重折率的溫度依賴性小的光學(xué)材料中(例如，KTiOPO4)，雖然不必要高度的溫度控制，但波導(dǎo)可能進(jìn)行溫度調(diào)整的波長范圍卻是小的。
使用折射率的周期性變化來校正△K不等于零這一事實(shí)的二次諧波生成的周相匹配可以通過使得反射的光束是周相匹配的這樣一種方法來反射回基本波束與二次諧波束來實(shí)現(xiàn)(見，例如，S.Somekh“周期性薄膜中的周相可互換非線性光學(xué)交互作用”，應(yīng)用物理通訊，21，140(1972))。以上述方法，二次諧波輸出亮度隨所用材料的長度的平方增加。然而，在實(shí)踐中，這一方法的總的效率甚至比上面討論的方法還要低。
最近，J.Bierlein等開創(chuàng)了一種特別有用的波長轉(zhuǎn)換技術(shù)，這一方法包括引導(dǎo)要進(jìn)行波長轉(zhuǎn)換的入射光波通過一系列對準(zhǔn)的光學(xué)材料部件來進(jìn)行波長轉(zhuǎn)換，所述部件是這樣選擇的使得部件系列中各部件在對準(zhǔn)方向上的長度與這一部件的△K的乘積之和接近于零，并且各部件的長度小于其粘著長度;其中或者至少一種所述材料是光學(xué)非線性的或者在波長轉(zhuǎn)換中鄰接于所述系列提供一層非線性光學(xué)材料，或者兩者兼而有之。這一技術(shù)是以波長轉(zhuǎn)換可以通過使用一系列光學(xué)材料部件來完成這一發(fā)現(xiàn)為基礎(chǔ)的，其中對折射率與部件長度之差進(jìn)行了平衡以控制通過該系列的破壞性干涉的影響，使得即使光波在單個(gè)部件中并不周相匹配它們在該系列的后端是周相匹配的(見美國專利申請第07/449，616號)。
用于波長轉(zhuǎn)換的稱作“準(zhǔn)”周相匹配技術(shù)并包括同期性疇反相或內(nèi)部反射的其它技術(shù)也已經(jīng)描述過(見J.A.A.Armstrong等“非線性介質(zhì)中光波間的交互作用”，物理評論，127，1918(1962))。在光學(xué)波導(dǎo)中的準(zhǔn)周相匹配曾經(jīng)使用通過以周期長度周期性地反轉(zhuǎn)非線性光學(xué)系數(shù)來達(dá)到周相匹配的周期性調(diào)制的LiNbO3進(jìn)行過描述，使得△K與波導(dǎo)的乘積接近2Nπ，其中N是一個(gè)奇整數(shù)。使用LiNbO3的周期性疇反向通道波導(dǎo)由J.Wwbojrn，F(xiàn).Laurell，與G.Arvidsson在光波技術(shù)雜志，卷7，No.10，1597-1600(1989年10月)及IEEE光子學(xué)技術(shù)通訊，卷Ⅰ，No.10，316-318(1989年10月)中說明。光導(dǎo)制造是描述為使用鈦來達(dá)到周期性疇反相，或者在LiNbO3的正C面上使用一種周期性花紋的氧化硅結(jié)合熱處理與隨后的質(zhì)子交換。G.A.Magel，M.M.Feejr與R.L.Byer在應(yīng)用物理通訊，56，108-110(1990)公開了具有使用激光加熱的基座生長產(chǎn)生的周期性交替鐵電體疇的LiNbO3晶體。這些結(jié)構(gòu)生成短到407毫微米波長的光并且相對地抗對這類結(jié)構(gòu)的光反射破壞。然而，這些周期性調(diào)制波導(dǎo)被認(rèn)為是難于制造的，并且對于許多應(yīng)用說來其光學(xué)破壞閾值太低。Hopf等，在上述論文中52頁上公開了非線性光學(xué)材料片，其非線性光學(xué)系數(shù)是調(diào)制在一個(gè)等于在該材料中的波的粘著長度的周期上。
在本技術(shù)中描述了其它調(diào)制波導(dǎo)形式，它們能夠通過使用等于粘著長度的鄰接材料的長度來給出周相匹配。然而，這些周期性調(diào)制型式可能對波導(dǎo)參數(shù)十分敏感，諸如波導(dǎo)深度及調(diào)制周期，并且對轉(zhuǎn)換說來并不是高效的。
對波長轉(zhuǎn)換形式依然存在著一種需求，要求將基本光波高效地轉(zhuǎn)換成有用的另外的波長。
本發(fā)明利用知名的KTiOMO4型材料的優(yōu)點(diǎn)(其中M為P或As)，諸如高非線性度與抗破壞性，以及準(zhǔn)周相匹配，及提供改變非線性光學(xué)系數(shù)(即，“d”)的符號與/或幅值以達(dá)到波長轉(zhuǎn)換。根據(jù)本發(fā)明使用一系列光學(xué)材料的部件通過準(zhǔn)周相匹配來完成波長轉(zhuǎn)換。該部件系列是這樣特征化的使得至少一個(gè)部件的非線性光學(xué)系數(shù)是相對于至少一個(gè)相鄰接的非線性光學(xué)系數(shù)改變的;并且使得對于該系列的各部件的長度(即，hi)與△K(即，△Ki)的乘積之和大致上等于2Nπ(即，
)其中N是一個(gè)非零的整數(shù)。改變非線性光學(xué)系數(shù)的一種較佳方法將至少一個(gè)部件的偏振軸相對于至少一個(gè)相鄰接的部件的偏振軸進(jìn)行反向。最可取的是，至少有一個(gè)部件的非線性光學(xué)系數(shù)與至少一個(gè)相鄰接的部件的非線性光學(xué)系數(shù)之間至少具有1%的差;并且最可取的是在所述至少一個(gè)部件的表面折射率與所述至少一個(gè)相鄰接的部件的表面折射率之間具有至少大約為0.00025的差。
根據(jù)本發(fā)明提供了一種用于波長轉(zhuǎn)換的方法，包括下述步驟將用于進(jìn)行波長轉(zhuǎn)換的入射光波引導(dǎo)通過包含一系列光學(xué)材料的對準(zhǔn)的部件的一個(gè)單晶體，這些光學(xué)材料是選自(a)具有化學(xué)結(jié)構(gòu)式K1-XRbXTiOMO4的材料，其中X是從0到1的值且M是選自由P與As構(gòu)成的族，以(b)所述化學(xué)結(jié)構(gòu)式的材料，其中所述化學(xué)結(jié)構(gòu)式的陽離子部分地被Rb+，T1+，Cs+中至少一種與Ba++，Sr++中至少一種以及Ca++所取代(條件是至少一個(gè)部件具有選自(b)的光學(xué)材料，且對于選自(b)的光學(xué)材料其中的X是大于0.8的，所述化學(xué)結(jié)構(gòu)式的陽離子是部分地被T1+，Cs+中的至少一種和Ba++，Sr++中至少一種以及Ca++所取代)，所述部件是這樣選擇的使得該系列部件的各部件在對準(zhǔn)方向上的長度(即，hi)與該部件的△K(即，△Ki)的乘積之和近似等于2πN(即，
)其中N為非零整數(shù)，并且使得至少一個(gè)部件的非線性光學(xué)系數(shù)相對于至少一個(gè)相鄰接部件的非線性光學(xué)系數(shù)改變。各部件的△K是在該部件中波長轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的入射波的傳播常數(shù)之和與該部件中的波長轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的生成波的傳播常數(shù)之和的差。該方法可用于從兩束入射光生成具有一定波長的光束。此外，該方法可以用于從一束入射光生成兩束光束。然而，該波長轉(zhuǎn)換方法的一種理想用途是用于二次諧波生成，其中，所生成的波具有入射光束的一半波長。
根據(jù)本發(fā)明，提供了用于波長轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的光學(xué)制品。該制品包括一個(gè)至少一個(gè)由單晶體組成的光學(xué)轉(zhuǎn)換段，該單晶體包含一系列對準(zhǔn)的光學(xué)材料部件，這些材料選自(a)具有化學(xué)式K1-XRbXTiOMO4以及(b)所述化學(xué)式的材料其中所述化學(xué)式的陽離子已部分地被Rb+，T1+中至少一種，以及Cs+，以及Ba++，Sr++以及Ca++中至少一種所取代(條件是，至少一個(gè)部件具有選自(b)的光學(xué)材料，以及對于選自(b)的光學(xué)材料，其中的X是大于0.8的，所述化學(xué)式中的陽離子是部分地被T1+與Cs+中至少一種以及Ba++，Sr++與Ca++中至少一種所取代)，其中，所述部件是這樣選擇的使得各部件的長度(即，hi)該部件的△K(即，△Ki)的乘積之和近似等于2πN(即，
)，其中N為一個(gè)非零整數(shù)，并且至少一個(gè)部件的非線性光學(xué)系數(shù)是相對于至少一個(gè)鄰接部件的非線性光學(xué)系數(shù)改變的。
對于一個(gè)且有P個(gè)各自的長度為h1，h2，……h(huán)i，……h(huán)p的部件的段，其特征為具有在該波長轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中各光波的一系列傳播常數(shù)K1，K2，……Ki……Kp，其中Ki＝2πni(ω)/λ，及ni(ω)與λ分別為部件中的折射率與波長，為各部件提供了一個(gè)△K，它對應(yīng)于該部件中的波長轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的入射波的總和傳播常數(shù)與該部件中的波長轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的生成波的總傳播常數(shù)之差。根據(jù)本發(fā)明，各段中的部件是這樣選擇的使得該段的和△Kihi+△K2h2+……+△Kihi+……+△Kphp(即，hi△Ki對序列求和，即
)近似等于2πN，并且至少一個(gè)部件的非線性光學(xué)系數(shù)是相對于至少一個(gè)鄰接部件的非線性光學(xué)系數(shù)改變的。
一個(gè)較佳實(shí)施例包含二次諧波生成。
本發(fā)明還提供改進(jìn)的光學(xué)設(shè)備，它包括至少一個(gè)光學(xué)制品，將一個(gè)進(jìn)入光波耦合進(jìn)所述光學(xué)制品的裝置以及將一個(gè)射出波從所述光學(xué)制品引出的裝置，其中的改進(jìn)包括使用按照本發(fā)明制成的一個(gè)光學(xué)制品。例如，按照本發(fā)明構(gòu)成的通道波導(dǎo)可用于改進(jìn)光學(xué)波導(dǎo)設(shè)備，它包括至少一個(gè)通道波導(dǎo)，用于將一個(gè)進(jìn)入波耦合入所述通道波導(dǎo)的裝置以及將一個(gè)射出波引出所述通道波導(dǎo)的裝置。
本發(fā)明還提供一種用于制備一種光學(xué)制品的方法。一種用于制備具有一系列對準(zhǔn)部件的通道波導(dǎo)的方法，其中至少一個(gè)部件的非線性光學(xué)系數(shù)是相對于根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)波長轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的至少一個(gè)鄰接部件的非光學(xué)系數(shù)改變的，這一方法包括下述步驟(1)提供給單晶體材料(具有化學(xué)式K1-XRbXTiOMO4，其中X是從0到1的值，且M為P或As)的一個(gè)Z截割基板的Z表面以一個(gè)光學(xué)地平滑的表面;(2)提供一種熔鹽，它包含選自由Rb+，Cs+與T1+所組成的族中的陽離子以及選自由Ba++，Sa++與Ca++所組成的族中的陽離子(條件是當(dāng)X大于0.8時(shí)，該熔鹽包含選自Cs+與T1+的陽離子)當(dāng)在一個(gè)選定的溫度上以選定的時(shí)間暴露于所述光學(xué)光滑表面時(shí)，這些離子的量能夠有效地提供足夠的陽離子取代以改變相對于所述基板的折射率的折射率，并且提供一個(gè)非線性光學(xué)系數(shù)，該系數(shù)是相對于該基板的非線性光學(xué)系數(shù)改變的;(3)在所述基板上作用一種掩膜材料以沿所述光學(xué)地平滑的Z表面的一部分提供對準(zhǔn)的區(qū)域的一種花樣，這些區(qū)域是交替地用一種抗所述熔鹽的材料掩蔽和不加掩蔽的;(4)在所述選定的溫度上將所述掩蔽的基板浸在所述熔鹽中經(jīng)過所述選定的時(shí)間，借此在所述未掩蔽區(qū)域中提供陽離子取代;(5)將所述掩膜材料從所述基板上清除;以及(6)拋光所述基板以提供一個(gè)具有拋光的波導(dǎo)輸入與輸出面的光潔波導(dǎo)。在這一方法中，掩蔽與非掩蔽區(qū)的長度是這樣選擇的，使得在非掩蔽區(qū)中陽離子取代以后，提供根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)波導(dǎo)，它包括至少一個(gè)光學(xué)轉(zhuǎn)換段，該段由一系列用于波長轉(zhuǎn)換的對準(zhǔn)的光學(xué)材料部件。本發(fā)明被認(rèn)為是對使用修正后的KTiOPO4單晶體生成蘭色光是特別有用的。
圖1是根據(jù)本發(fā)明的用于波長轉(zhuǎn)換的一個(gè)裝置的示意圖。
圖2是根據(jù)本發(fā)明的用于波長轉(zhuǎn)換的一個(gè)波導(dǎo)的透視圖。
圖3是圖2中的波導(dǎo)所提供的非線性光學(xué)材料的對準(zhǔn)部件的透視圖。
圖4是根據(jù)本發(fā)明的用于波長轉(zhuǎn)換的波導(dǎo)的另一個(gè)實(shí)施例的透視圖。
圖5是不同波導(dǎo)寬度的深度與折射率之間的不匹配的一種計(jì)算所得的關(guān)系的展示曲線。
圖6示出二次諧波波長與波導(dǎo)的周期的相互關(guān)系。
根據(jù)本發(fā)明，提供了適用于至少部分地將具有一種波長的光波變換成具有不同波長的光波的裝置。一般，在波長轉(zhuǎn)換中，入射波的頻率之和與生成波的頻率之和是相等的。從而，對于將具有頻率ω1與波長λ1的波與具有頻率ω2與波長λ2的波共同用于生成具有頻率ω3與波長λ3的波長轉(zhuǎn)換系統(tǒng)而言，ω3等于ω1與ω2之和;而對于使用具有頻率ω4與波長λ4來同時(shí)生成具有頻率ω5與波長λ5的波與具有頻率ω6與波長λ6的波的波長轉(zhuǎn)換系統(tǒng)而言，ω4等于ω5與ω6之和。
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種用于波長轉(zhuǎn)換的方法，它包括下述步驟將用于波長轉(zhuǎn)換的入射光波引導(dǎo)通過包括一系列用于波長轉(zhuǎn)換的光學(xué)材料的對準(zhǔn)的部件的一個(gè)單晶體，所述部件是這樣選擇的，使得該系列部件中各部件在對準(zhǔn)方向上的長度與該部件的△K的乘積之和近似等于2Nπ其中N是一個(gè)非零整數(shù)，并且至少一個(gè)部件的非線性光學(xué)系數(shù)是相對于至少一個(gè)鄰接部件的非線性光學(xué)系數(shù)改變的。如下面要進(jìn)一步討論的，各部件的△K是在該部件中的波長轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的入射波的傳播常數(shù)之和與在該部件中的波長轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的生成波的傳播常數(shù)之和的差。
在本發(fā)明中使用的晶體光學(xué)材料是具有化學(xué)式K1-XRbXTiOMO4的單晶材料，其中X為從0到1的值，而M則選自由P與As組成的族，并且所述化學(xué)式的單晶體材料，其中所述化學(xué)式的陽離子已部分地被Rb+，T1+與Cs+中至少一種，以及Ba++，Sr++與Ca++中至少一種所取代。系列中對準(zhǔn)的部件中至少一個(gè)必須具有所述化學(xué)式的一種光學(xué)材料，其中的陽離子已部分地被Ba++，Sr++與Ca++中至少一種所取代。為了實(shí)用目的，當(dāng)使用所述化學(xué)式的材料而其中的陽離子已部分地被取代且X大約為0.80或更大時(shí)，其單價(jià)取代陽離子必須包含Cs+，T1+或者Cs+與T1+兩者。這些部件最好對準(zhǔn)在晶體的Z表面上。
這一方法可用于從兩束入射光生成具有一定波長的光束。此外，這一方法可用于從一束入射光生成兩束光線。然而，該波長轉(zhuǎn)換方法的一種理想用途是用于二次諧波生成，其中的生成波的波長是入射光束的波長的一半。
本發(fā)明用于波長轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的光學(xué)制品包括至少一個(gè)光學(xué)轉(zhuǎn)換段，它是由一個(gè)包含一系列用于波長轉(zhuǎn)換的對準(zhǔn)的光學(xué)材料部件的單晶體組成的。這些部件較理想地對準(zhǔn)在晶體的Z表面上。該系列可以表示為多個(gè)P個(gè)對準(zhǔn)的光學(xué)材料鄰接部件，m1，m2，…，mi，…，mp，各具有化學(xué)式K1-XRbXTiOMO4范圍內(nèi)的一種成分以及所述化學(xué)式的陽離子已如上面所定義的被取代的成分。各部件是以在對準(zhǔn)方向上的一個(gè)長度hi以及一個(gè)折射率ni(ω)為特征的，折射率ni(ω)是隨通過其中的光波的頻率ω變化的一個(gè)函數(shù)。各對準(zhǔn)的部件的入射波的總和傳播常數(shù)與各對準(zhǔn)部件的生成波的總和傳播常數(shù)之差為該部件定義一個(gè)△Ki。根據(jù)本發(fā)明，各個(gè)所述段的部件是這樣選擇的，使得一個(gè)部件的△K與所述部件的在段上的長度之乘積的和(即，△K1h1+△K2h2+……+△Kihi+……+△Kphi)大約等于2πN，其中N是一個(gè)非零整數(shù);并且至少一個(gè)部件的非線性光學(xué)系數(shù)是相對于至少一個(gè)鄰接部件的非線性光學(xué)系數(shù)改變的。
根據(jù)本發(fā)明的各部件的長度與各部件的△K的乘積的關(guān)系是與傳統(tǒng)的折射率晶格周相匹配相同的。然而，根據(jù)本發(fā)明，各部件的長度一般可以是任何長度，只要不是零，并且符合下述條件各部件的長度hi與該部件的△K的乘積之和在該光學(xué)轉(zhuǎn)換段的長度上大約等于2πN即可，即，對于一個(gè)包含P個(gè)部件的光學(xué)轉(zhuǎn)換段(即，i為從1至P)，∑△Kihi≌2πN。
所期望的是，∑△Kihi越接近2πN越實(shí)用。然而，應(yīng)當(dāng)理解，光學(xué)特征與部件長度的完美平衡是難于達(dá)到的，以及本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)只有當(dāng)∑△Kihi維持在接近2πN的范圍內(nèi)時(shí)才能達(dá)到即在2πN+δ與2πN-δ之間時(shí)，其中δ小于2π/M而M則為整個(gè)波長轉(zhuǎn)換路徑上的光學(xué)轉(zhuǎn)換段的總數(shù)。設(shè)計(jì)達(dá)到這一平衡的波長轉(zhuǎn)換路徑的一種方法是去實(shí)際計(jì)算各部件的△K與部件長度。在這一方法中，當(dāng)在整個(gè)波長轉(zhuǎn)換路徑上的各部件的△K與該部件的長度的乘積之和約等于2πN時(shí)，認(rèn)為已經(jīng)出現(xiàn)了有利的平衡。較理想的是所述乘積的結(jié)果總和是在2πN+1.5π/M與2πN-1.5π/M之間，而最為理想的是在2πN+π/M與2πN-π/M之間。
作為一個(gè)實(shí)際問題，在許多情況中，由于與制備一系列用于這一發(fā)明的部件相關(guān)聯(lián)的精度限制(包括制備光學(xué)材料本身)人們可能希望確認(rèn)所期望的平衡或者△K與部件長度已經(jīng)通過觀察在整個(gè)波長轉(zhuǎn)換路徑上的總粘著長度大于該路徑的長度得到實(shí)現(xiàn)。在某些情況中，人們可以直接從檢驗(yàn)沿波長轉(zhuǎn)換路徑長度的波的弱散布中觀察總體粘著長度。
例如，在一個(gè)部件中，分別具有頻率ω1與ω2及各自的波長λ1與λ2的兩束入射光波被引導(dǎo)通過一種介質(zhì)(例如，一個(gè)晶體或一種組合材料)(該介質(zhì)具有長度hi及一個(gè)作為隨光波頻率變化的函數(shù)的折射率ni(ω))以生成具有頻率ω3與波長λ3的光波，為各波束所定義的束傳播常數(shù)等于2πn(ω)/λ，而該部件的△Ki則由下列關(guān)系式表示△Ki＝2πni(ω3)/λ3-2πni(ω1)/λ1-2πni(ω2)/λ2。
根據(jù)本發(fā)明的方法，這種波長轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的入射光波(具有頻率ω1與ω2)是被引導(dǎo)通過一系列這樣選擇的部件的，使得該系列的hi△Ki之和等于大約2πN，其中N是一個(gè)非零整數(shù)。使用這種波長轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的光學(xué)制品的光學(xué)轉(zhuǎn)換段由一系列這樣選擇的部件組成，使得該系列的hi△Ki之和大約為2πN。
在二次諧波生成的情況中，ω1與ω2是相等的并各等于ω3的一半。從而，對于二次諧波生成，各部件的△Ki可以用下列關(guān)系式表示△Ki＝2π(n(ω3)-n(ω1))/λ3。
另一方面，在一個(gè)部件中，當(dāng)一束具有頻率ω4與波長λ4的入射光波被引導(dǎo)通過一種具有長度hi與作為光波頻率的函數(shù)而變化的折射率ni(ω)的介質(zhì)以生成兩束分別具有頻率ω5與ω6及各自的波長λ5與λ6的光波時(shí)，為各光束定義的一個(gè)束傳播常數(shù)Ki等于2πni(ω)/λ，以及該部件的一個(gè)△Ki用下列關(guān)系式表示△Ki＝2πni(ω6)/λ6+2πni(ω5)/λ5-2πni(ω4)/λ4。
根據(jù)本發(fā)明的方法，這種波長轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的入射光波(具有頻率ω4)被引導(dǎo)通過一系列部件，使得該系列的hi△Ki之和大約等于2πN，其中N是一個(gè)非零整數(shù)。使用這種波長轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的光學(xué)制品的光學(xué)轉(zhuǎn)換段由一系列這樣選擇的部件組成使得該系列的hi△Ki之和大約為2πN。
在任何情況中，在該系列中的至少一個(gè)部件的非線性光學(xué)系數(shù)必須是相對于一個(gè)鄰接部件的非線性光學(xué)系數(shù)改變的。
對于本發(fā)明的某些實(shí)施例P個(gè)光學(xué)材料的部件可以用g對鄰接的光學(xué)材料部件，m1與m2，m3與m4，……，mi-1與mi，……，m2g-1與m2g(即，p＝2g)來表示其特征，各部件用對應(yīng)的長度h1，h2，……，hi，……，h2g，對應(yīng)的折射率，n1，n2，……，ni，……，n2g，與該波長轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的各波長相關(guān)聯(lián)的對應(yīng)的傳播常數(shù)，k1，k2，……，ki，……，kp，來表示其特征，并且這些材料是這樣選擇的，使得對于各對材料部件mi-1與mi偏振軸是反向的。
對于最大二次諧波生成，N必須等于1，每段的部件數(shù)必須等于2，各部件的長度必須等于其各自的粘著長度的一半(即，hi＝π/△Ki與h2＝π/△K2)。一般，長度hi可以是各不相同的并各在0.25微米至50微米的范圍內(nèi)。在實(shí)踐中，鄰接部件長度之比(即，hi-1∶hi)通常在1∶20至20∶1的范圍內(nèi)。各部件的寬度可在0.2微米至50微米的范圍內(nèi)，而較理想地在2微米至10微米的范圍內(nèi)，各部件的深度可在0.1微米至50微米的范圍內(nèi)，較理想地在1微米至20微米范圍內(nèi)，最好是在2微米至10微米的范圍內(nèi)。較理想的是在至少一個(gè)部件的非線性光學(xué)系數(shù)與至少一個(gè)鄰接的部件的非線性光學(xué)系數(shù)之間至少大約有1%的差;。
較理想的基板材料為具有化學(xué)式KTiOMO4的單晶體材料，其中M為P或As。化學(xué)式為KTiOMO4的單晶體材料(被認(rèn)為式實(shí)施本發(fā)明的一種有用的基板材料)可以通過提供具有光學(xué)性質(zhì)的晶體的任何一種方法制備。晶體生長的常用方法包括水熱方法與助熔劑方法。美國專利4，305，778號公開了一種用于生長KTiOMO4單晶體的水熱方法，包括作為一種礦化溶液使用一種由選定的K2O/M2O3/(TiO2)2系統(tǒng)的三元圖的指定部分所定義的玻璃水溶液。美國專利第4，231，838公開了用于生長KTiOMO4單晶體的適用的助熔劑生長方法包括加熱選擇的初始成分，選擇為在一個(gè)三相圖的區(qū)域內(nèi)所期望的晶體產(chǎn)品是唯一的穩(wěn)定固態(tài)，然后有控制地冷卻以結(jié)晶化所期望的產(chǎn)品。當(dāng)應(yīng)用KTiOMO4單晶體根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)來制備光學(xué)制品時(shí)，人們可以使用水熱生長或助熔劑生長的晶體。然而，一般認(rèn)為在水熱生長晶體中離子交換較為困難;從而，具有較高水平二價(jià)陽離子(例如，Ba++)的熔鹽通常更適合用于使用水熱生長的KTiOMO4晶體的離子交換。
一般，周期匹配具有兩種型式型式Ⅰ，當(dāng)兩個(gè)入射光波具有相同的偏振;以及型式Ⅱ，當(dāng)兩個(gè)入射光波具有正交的偏振。對于大塊結(jié)晶KTiOPO4，與型式Ⅱ相比，型式Ⅰ周期匹配給出低轉(zhuǎn)換效率。此外，僅管對于大塊結(jié)晶KTiOPO4通過型式Ⅱ具有較好的轉(zhuǎn)換效率，但周期匹配只能在輸入波長大于大約1微米時(shí)才能實(shí)現(xiàn)。
利用根據(jù)本發(fā)明制成的一種光學(xué)制品，當(dāng)輸入與輸出波是沿晶體的極性或C軸偏振時(shí)以及當(dāng)非線性光學(xué)系數(shù)是大約兩倍于傳統(tǒng)使用型式Ⅱ方法的系數(shù)時(shí)，容許型式Ⅰ的周期匹配。由于二次諧波轉(zhuǎn)換效率是與非線性光學(xué)系數(shù)的平方成正比的，應(yīng)用本發(fā)明將為光學(xué)制品提供四倍于傳統(tǒng)的型式Ⅱ方法的效率。然而，在某些型式Ⅰ的實(shí)施例中，輸入偏振是垂直于極性或C軸的而輸出偏振則是沿該極性或C軸的。此外，對于本發(fā)明的光學(xué)制品所提供的準(zhǔn)周期匹配，在KTiOPO4(350nm至4.5μm)以及在KTiOAsO4(350nm至5.5μm)中整個(gè)透光度范圍上均可實(shí)現(xiàn)型式Ⅰ與型式Ⅱ的周期匹配。
對于波導(dǎo)，所設(shè)置的部件數(shù)可能取決于諸如所用的光學(xué)材料及波導(dǎo)長度等因素。在一個(gè)典型的5毫米長的波導(dǎo)中可設(shè)置大約在400個(gè)至1000個(gè)范圍內(nèi)的部件。較長的波導(dǎo)可有多達(dá)10000個(gè)部件或更多。然而，只有兩個(gè)部件的光學(xué)轉(zhuǎn)換段所組成的制品也可以認(rèn)為是在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
本發(fā)明可用于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，以及混合的導(dǎo)向的與非導(dǎo)向的波系統(tǒng)。在混合系統(tǒng)中，在波傳播方向上的各非導(dǎo)向長度必須小于該材料中的波的散焦長度以最小化導(dǎo)向部件之間的發(fā)射損失。
本發(fā)明可用于改進(jìn)一種光學(xué)波導(dǎo)裝置，該裝置包括至少一個(gè)通道波導(dǎo)，將一個(gè)進(jìn)入光波耦合進(jìn)所述通道波導(dǎo)的裝置以及將一個(gè)光學(xué)射出光波引導(dǎo)出所述通道波導(dǎo)的裝置。該裝置是通過在其中使用根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)制品作為波導(dǎo)來進(jìn)行改進(jìn)的。
本發(fā)明的使用是通過參照示出圖1中的裝置(10)來展示的，其中，由激光器(12)以一種波長發(fā)射的光波可用于生成另一波長的波。透鏡(13)用于將激光器(12)所發(fā)射的光波聚焦在一個(gè)根據(jù)本發(fā)明制成的波導(dǎo)(14)中。波長轉(zhuǎn)換在波導(dǎo)(14)中發(fā)生，而一個(gè)第二透鏡(17)被設(shè)置來校準(zhǔn)來自波導(dǎo)的光波。在示出的該裝置中設(shè)置了一個(gè)濾光板(18)以濾掉具有發(fā)射的入射波的波長的剩余光波，而允許在波導(dǎo)(14)中所生成的具有所期望的波長的光波通過。從而，例如，如果激光器(12)是用于生成波長為0.8μm的偏振光的一種Ti∶Al2O3激光器，而波導(dǎo)(14)是根據(jù)本發(fā)明制成的用于使用這種入射光的二次諧波生成的，則濾光板(18)將適于允許波長為0.4μm的光波通過，而從波導(dǎo)中發(fā)出的校準(zhǔn)后的光束中波長為0.8μm的光波則被濾掉。結(jié)合圖1的裝置(即，激光器(12)，波導(dǎo)(14)，濾光板(18)，以及透鏡(13)與(17))的設(shè)備是被視為在本發(fā)明范圍內(nèi)的一種制品。當(dāng)然，諸如波導(dǎo)(14)這樣的波導(dǎo)本身是被視為在本發(fā)明范圍內(nèi)的制品。
本發(fā)明的一種波導(dǎo)的一個(gè)實(shí)施例由圖2中(20)所表示的用于二次諧波生成的波導(dǎo)展示。所示的波導(dǎo)包括一塊(22)單晶體KTiOMO4(M為P或As)，該塊具有部件(24)，(25)，(26)，(27)與(28)，全部都具有化學(xué)式為K1-XRbXTiOMO4的另一種晶體材料，其中X是從0至1的值，其中所述化學(xué)式的陽離子已部分地被Rb+，T1+與Cs+中至少一種以及Ba++，Sr++與Ca++中至少一種所取代。部件(24)，(25)，(26)，(27)與(28)對準(zhǔn)排列在制品的頂(30)與制品的底(32)之間，使得所述部件連同塊(22)與它們對準(zhǔn)的部件構(gòu)成一個(gè)波導(dǎo)。該波導(dǎo)是這樣設(shè)計(jì)的使得在工作中，光波的入射束在制品(20)的頂(30)上的部件(24)的上表面(34)處進(jìn)入波導(dǎo)。入射束是對準(zhǔn)的，所以光波通過部件(24)，(25)，(26)，(27)與(28)中每一個(gè)以及塊(22)中所述部件對準(zhǔn)的部分所表示的部件，然后從塊(22)的底(32)出射。
從而，如圖3進(jìn)一步展示的，圖2所實(shí)施的波導(dǎo)是這樣設(shè)計(jì)的，使得通過其中的光束通過若干個(gè)由塊(24)，(25)，(26)，(27)與(28)表示的由一種材料構(gòu)成的部件，以及相等數(shù)目的由(23)表示的由另一種材料構(gòu)成的部件，這是塊(22)中與它們對準(zhǔn)的部分。
一種制備具有示出在圖2與3中根據(jù)本發(fā)明的型式的通道波導(dǎo)的方法是修正具有化學(xué)式K1-XRbXTiOMO4的單晶體基板，其中X是從0至1的值而M為P或As。使用這些基板來制造通道波導(dǎo)是本技術(shù)領(lǐng)域所熟知的，并且可參照美國專利第4，766，954號，在這里借此將其整個(gè)結(jié)合進(jìn)來。在制造波導(dǎo)中使用的一種典型的基板是一種KTiOPO4的晶體(即，“KTP”)。
如美國專利第4，766，954中所說明的，使用基板掩蔽允許一個(gè)光學(xué)平滑表面的陽離子被選自Rb+與Cs+與T1+中至少一種的離子所取代，并且產(chǎn)生相對于初始基板的折射率的表面折射率的改變。根據(jù)本發(fā)明，陽離子也部分地被選自Ba++，Sr++與Ca++中至少一種的離子所取代，并且沿用于形成所期望的通道晶體基板表面部分的區(qū)域可以是在陽離子取代過程中交替地掩蔽與非掩蔽的使得造成的通道是由一系列對準(zhǔn)的部件組成的，它們在原基板與已經(jīng)被Rb+，T1+，Cs+中至少一種及Ba++，Sr++與Ca++中至少一種所取代的基板材料之間交替著(條件是當(dāng)X大于0.8時(shí)，陽離子已被T1+與Cs+中至少一種及Ba++，Sr++與Ca++中至少一種所取代)。最好是基板的陽離子是被Ba++及T1+與Rb+中至少一種所取代以保證在鄰接部件中的非線性光學(xué)系數(shù)的改變。標(biāo)準(zhǔn)光刻技術(shù)可用于提供所期望的掩蔽。例如，一種保護(hù)性材料(例如，Ti)可以通過在其中生成的一種花紋施放在晶體基板的Z表面上，適當(dāng)暴露于一種熔鹽后，通過陽離子交換形成一種第二光學(xué)材料的部件。陽離子取代后，剩余的保護(hù)性材料便可以清除了。
在本發(fā)明的情況中，選擇的基板為KTiOMO4，其中M為P或As，且最好是P，并且基板是在Z表面上掩蔽的，它可以用傳統(tǒng)的X射線結(jié)晶技術(shù)來確定。較為理想的是有足夠的陽離子取代來改變相對于基板的非線性光學(xué)系數(shù)至少1%的非線性光學(xué)系數(shù)。
用于制備用于根據(jù)本發(fā)明的波長轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的一個(gè)通道光導(dǎo)的一種方法包括下述步驟(1)向具有化學(xué)式K1-XRbXTiOMO4(其中X為0至1的值而M為P或As)的單晶體材料的一個(gè)Z截割基板的Z表面提供一個(gè)光學(xué)平滑的表面;(2)提供一種熔鹽，它含有選自由Rb+，Cs+與T1+所組成的族中的陽離子以及選自由Ba++，Sr++與Ca++所組成的族中的陽離子(條件是當(dāng)X大于0.8時(shí)，該熔鹽含有選自T1+與Cs+的陽離子)，其量應(yīng)能在一個(gè)選定的溫度上暴露在所述光學(xué)光滑表面經(jīng)過一個(gè)選定的時(shí)間后有效地提供足夠的陽離子交換以改變相對于所述基板的折射率的折射率，并且提供一個(gè)相對于基板的非線性光學(xué)系數(shù)改變的非線性光學(xué)系數(shù);(3)在所述基板上施加一種掩蔽材料以提供沿所述光學(xué)光滑表面的一部分的對準(zhǔn)區(qū)域的一種花紋，它們是交替地以一種抗所述熔鹽的材料掩蔽與非掩蔽的;(4)在所述選擇的溫度上將所述掩蔽后的基板浸入所述熔鹽中經(jīng)過所述選擇的時(shí)間，借此在所述非掩蔽區(qū)中提供陽離子取代;(5)從所述基板上清除該掩蔽材料;以及(6)拋光所述基板以提供具有拋光的波導(dǎo)輸入與輸出面的光潔波導(dǎo)。在這一方法中，所述掩蔽與非掩蔽區(qū)的長度是這樣選擇的使得在非掩蔽區(qū)的所述陽離子取代以后，在光學(xué)光滑表面的所述部分上提供了一個(gè)通道波導(dǎo)，它包括至少一個(gè)由一系列在一個(gè)晶體中的非線性光學(xué)材料的對準(zhǔn)的部件所組成的光學(xué)轉(zhuǎn)換段;并且使得該系列部件的各部件的長度與該部件的△K的乘積之和大約等于2πN，其中N是一個(gè)非零整數(shù);其中各部件的△K是該部件中的波長轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的入射波的傳播常數(shù)的和與該部件中所述波長轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的生成波的傳播常數(shù)之和的差。二價(jià)陽離子與單價(jià)陽離子可以交替地不同的步驟中進(jìn)行交換。
KTP基板可按照步驟(1)提供將基板截割成Z板并拋光一塊1毫米厚的Z截割基板。較為理想的是在步驟(2)中提供的熔鹽含有Ba++連同Tl+，Rb+或者Tl+與Rb+兩者兼有。Ti的掩蔽可根據(jù)步驟(3)按標(biāo)準(zhǔn)光刻技術(shù)以順序地在基板上施加Ti來提供;在Ti上施加一種感光性樹脂材料并固化該感光性樹脂;提供具有所期望的花紋的光掩模，并通過光掩模接觸暴光感光性樹脂;將感光性樹脂的暴光部分清除;以及蝕刻掉清除了感光性樹脂下面的Ti;并清除未暴光的感光性樹脂，因而形成花紋的Ti掩模保留在基板上。一般，在基板浸入熔鹽以前要進(jìn)行最后拋光;并在清除該鹽以后進(jìn)行清洗。Ti掩模清除以后，便可將光導(dǎo)適當(dāng)?shù)匕惭b使得一個(gè)激光束可以被引導(dǎo)進(jìn)入。較理想地，陽離子交換提供表面折射率的變化，使得在至少一個(gè)部件(例如，陽離子交換后的部件)上的表面折射率與至少一個(gè)鄰接部件(例如，基板)上的表面折射率之差至少為大約0.00025。
應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，在已經(jīng)按照用于制備光導(dǎo)的本方法交換了陽離子的各部件的△K可以通過改變該部件的寬度與/或深度來進(jìn)行某些改變，并可以作為取代離子類型與濃度的函數(shù)而進(jìn)行某些改變。相應(yīng)地，人們可能希望制備具有不同寬度等的若干波導(dǎo)以確定使用特定材料的一種特定波長轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。
為了進(jìn)一步展示由本發(fā)明提供的處理范圍以及波導(dǎo)深度與折射率不匹配△n之間的關(guān)系人們可以使用M.J.Adams的“光波導(dǎo)引論”(John Wiley & Sons，NY1981)中所提出的方法以Y傳播作為具有不同波導(dǎo)寬度的一個(gè)波導(dǎo)的波導(dǎo)深度的函數(shù)來計(jì)算KTiOPO4(KTP)中型式Ⅰ二次諧波生成的折射率不匹配，即，△n(即，△n＝nz(ω)-nz(2ω)，其中nz(ω)與nz(2ω)分別為入射與生成波的有效折射率，這兩種光波分別具有Z偏振頻率ω與2ω)。使用這一方法，對λ＝0.420與0.840μm的最低序空間模的有效模率進(jìn)行了計(jì)算。在計(jì)算中，假定了在深度方向上的一種指數(shù)率分布。用于KTP的折射率在λ＝0.840μm時(shí)為nz＝1.8410而在λ＝0.420μm時(shí)為nz＝1.946，如J.D.Bierlein與M.Vanherzeele，在J.Opt.Soc.Am.，(美國光學(xué)學(xué)會(huì)學(xué)報(bào))B，6，622-633(1989)所公開的。對于平面型Rb-交換的波導(dǎo)已測出其表面折射率在λ＝0.840μm時(shí)為nz＝1.8610，而在λ＝0.420μm時(shí)nz＝1.966。計(jì)算結(jié)果示出在圖5中。在零波導(dǎo)深度處，△n等于大塊KTP基板值。對應(yīng)的粘著長度為4μm。對于Rb交換波導(dǎo)，在無窮深度，△n將對應(yīng)于大塊RbTiOPO4(RTP)的值。最小值出現(xiàn)在1至3μm的深度范圍內(nèi)。
圖5示出了使用根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)分段的波導(dǎo)相對于均勻的波導(dǎo)在達(dá)到二次諧波生成周期匹配中的實(shí)際優(yōu)點(diǎn)。由于最小值出現(xiàn)在△n的深度函數(shù)曲線上，在這一最小值附近，處理?xiàng)l件改變時(shí)△n的改變可望非常小，這種處理?xiàng)l件為諸如能夠改變波導(dǎo)深度的交換時(shí)間或溫度。選擇這一最小值，周期匹配可以通過調(diào)整光學(xué)轉(zhuǎn)換段的各部件的長度使得hi△n1+hi△K2大約等于2πN來達(dá)到。反之，對于其它的波導(dǎo)深度，小的影響波導(dǎo)深度的處理變化將給出△n的較大改變，從而，處理范圍會(huì)變狹。
利用有選擇的單晶體基板的Z表面，特別是KTiOPO4，以及使用Ba++與Tl+，Rb+或者Tl+與Rb+兩者兼用的陽離子交換，對于在本發(fā)明的實(shí)施中增進(jìn)鄰接部件的非線性光學(xué)系數(shù)的改變的實(shí)現(xiàn)是較為理想的。在掩蔽與在其上進(jìn)行陽離子交換以前，單晶體基板的Z表面可以用傳統(tǒng)的X射線結(jié)晶技術(shù)來測定，如上所述。其中非線性光學(xué)系數(shù)的改變是基于反向偏振的，反相偏振的實(shí)行可以通過蝕刻光學(xué)制品來進(jìn)行，或者更具體地，蝕刻光學(xué)制品的一個(gè)或多個(gè)光學(xué)轉(zhuǎn)換段，或者使用表面SHG(二次諧波生成)技術(shù)。例如，液體靜電調(diào)色劑可用于優(yōu)先對光學(xué)轉(zhuǎn)換段的陽離子交換后的部件或未交換部件之一進(jìn)行調(diào)色。
根據(jù)本發(fā)明的波導(dǎo)形式的光學(xué)制品的另一個(gè)實(shí)施例示出在圖4中。一個(gè)KTiOPO4的單晶體基板(22)具有多個(gè)對準(zhǔn)的化學(xué)式為K1-XRbXTiOPO4(其中X小于1大于0)的部件(29)，(31)，(33)，(35)與(37)，與多個(gè)化學(xué)式為K1-XRbXTiOPO4(其中X小于1大于或等于0，且其中陽離子已部分地為Tl+所取代與部分地為Ba++所取代)的對準(zhǔn)的部件(30)，(32)，(34)，(36)與(38)互相交替地排列。在這一實(shí)施例中，以所示方式在KTiOPO4基板中陽離子的取代保證了通過該波導(dǎo)的光路上的波的基本完整的導(dǎo)向。
從下述非限制性例子中本發(fā)明的實(shí)施將進(jìn)一步得到了解。
例子為了測定在下述例子中所制備的波導(dǎo)的偏振反向，各波導(dǎo)是使用一種市場供應(yīng)的油脂(阿匹松N脂)固定在一個(gè)培養(yǎng)皿的底上。然后將該培養(yǎng)皿浸入一干冰丙酮浴中大約四秒鐘，并將少數(shù)幾滴高清晰度靜電調(diào)色劑施加在該波導(dǎo)上。所用的調(diào)色劑為懸浮在異鏈烷烴(isopar)中的帶電微米大小的粒子。一種適用的帶正電荷的市售調(diào)色劑為James River Graphics T8718。一種適用的帶負(fù)電荷的市售調(diào)色劑為Savin黑色調(diào)色劑，它是通常用于Savin 7300復(fù)印機(jī)中的。在兩種情況中，根據(jù)固體與異鏈烷烴(isopar)的總重量，調(diào)色劑的固體量調(diào)整為大約0.1%至1%的重量。
例1首先將一種KTiOPO4的水熱生長的晶體截割成大約1毫米厚的Z板。然后拋光Z表面并以熱蒸發(fā)涂復(fù)大約1000埃的Ti。然后通過包含所期望的波導(dǎo)花紋的光掩模接觸暴光一種感光性樹脂。暴光后的感光性樹脂被清除，在清除了的感光性樹脂下而露出的Ti涂層用一種含有乙二胺四乙酸(EDTA)，H2O2與NH4OH的溶液進(jìn)行化學(xué)蝕刻使KTiOPO4基板有選擇地顯露。然后將剩余的感光性樹脂清除掉，并將Ti掩蔽的基板最后拋光。
為了允許制備Rb/Ti/Ba交換的波導(dǎo)部件與大塊KTiOPO4部件交替的目的，在Ti掩膜中生成一系列波導(dǎo)花紋，掩蔽后的基板提供36種不同的波導(dǎo)花紋具有大約400至1000部件的數(shù)量級。這些花紋由從4μm到9μm以1μm步長變化的寬度的開放區(qū)組成，并且在光束傳播方向上，又從3至6μm范圍內(nèi)以1μm步長。該波導(dǎo)是面向KTiOPO4中的X傳播的。
該掩蔽的基板是經(jīng)過拋以給出大約5mm的總波導(dǎo)長度并在一種含有1克分子%BaNO3，95克分子%RbNO3，與4克分子%TiNO3的熔鹽浴中，在360℃溫度上進(jìn)行離子交換一小時(shí)。交換時(shí)間過去以后，基板冷卻至室溫并去除Ti掩膜。
使用通過顯微鏡的物鏡的染料激光器的縱向耦合對二次諧波生成轉(zhuǎn)換效率進(jìn)行測定。將這一激光器的波長從大約850nm變到970nm并觀察二次諧波輸出。對于波導(dǎo)周期為4μm，與波導(dǎo)寬度為5μm的型式Ⅰ匹配的二次諧波生成(即，在具有相同偏振的兩個(gè)入射波的周期匹配)的0.407μm輸出進(jìn)行了觀察，而對于波導(dǎo)周期為5μm則周期匹配的輸出為0.43μm。在兩種情況中，觀察到大約0.02%/W-CM2的二次諧波轉(zhuǎn)換效率。
例2除了KTiOPO4晶體是熔融生長的與使用Ti∶Al2O3激光器來測定二次諧波生成轉(zhuǎn)換效率以外，其它過程都與例1相同。
對于波導(dǎo)周期為4μm與波導(dǎo)寬度為μm，型式Ⅰ周期匹配二次諧波生成的0.43μm的輸出進(jìn)行了觀察(即，兩個(gè)入射波具有相同的偏振的周期匹配)具有二次諧波轉(zhuǎn)換效率大約為50%/W-CM2。對于波導(dǎo)周期為5μm，周期匹配的輸出是在0.45μm，以及對6μm的波導(dǎo)，周期匹配的輸出為0.48μm，兩者都具有大約50%/W-CM2的二次諧波轉(zhuǎn)換效率。
例3除了交換時(shí)間為45分鐘以外，使用基本上與例2中的過程相同的過程將一種熔融生長的KTiOPO4晶體截割，拋光，掩模，處理與平價(jià)。對波導(dǎo)寬度為5μm與波導(dǎo)周期為4μm的型式Ⅰ周期匹配的0.85μm輸入的二次諧波生成進(jìn)行了觀察，其二次諧波轉(zhuǎn)換效率為大約50%/W-CM2。
例4除了本例是在一種由克分子%Ba(NO3)2，99克分子%RbNO3組成的熔鹽浴中在360℃進(jìn)行離子交換30分鐘以外，其余均按照例2將一種熔融生長的晶體進(jìn)行截割，拋光，掩模，處理與平價(jià)。處理以后，基板被冷卻到室溫并清除Ti掩模。使用Ti∶Al2O3激光器，對波導(dǎo)周期為3μm與波導(dǎo)寬度為μm的型式Ⅰ周期匹配進(jìn)行了觀察。轉(zhuǎn)換是從λ＝0.79μm到λ＝0.395μm，其二次諧波轉(zhuǎn)換效率大約為40%/W-CM2。對于波導(dǎo)周期為4μm與波導(dǎo)寬度為5μm，二次諧波轉(zhuǎn)換是從λ＝0.85到λ＝0.425，其效率大約為20%/W-CM2。
例5除了使用的是由5克分子%BaNO3與95克分子%RbNO3組成的熔鹽浴以外，其余過程與例1相同;這些波導(dǎo)是面向KTiOPO4中的Y傳播的;并且使用了波長850nm的二極管激光器來測定二次諧波轉(zhuǎn)換效率。
對波導(dǎo)寬度為6μm與波導(dǎo)周期為4μm的型式Ⅰ周期匹配的二次諧波生成的0.425μm輸出進(jìn)行了觀察，其二次諧波轉(zhuǎn)換效率約為3%/W-CM2。
圖6示出了要進(jìn)行轉(zhuǎn)換的光的波長與攙入Rb，Ti的KTP波導(dǎo)的周期之間的相互關(guān)系。受測試的波導(dǎo)被提供具有變化著的周期與寬度的通道。最上面一行表示用晶格/段的百萬分之一(μ)表示的周期。左側(cè)的列示出以毫微米表示的波長，上面的數(shù)字為輸入光的而下面的數(shù)字為輸出光的。第二行表示所測試的通道的寬度。在圖中實(shí)線表示強(qiáng)二次諧波生成而虛線則表示弱二次諧波生成?？梢钥闯?，4μ周期通道有效地從850nm輸入光生成425nm光。5μ周期通道則有效地從924nm輸入光生成462nm光，而6μ周期通道則從950nm輸入光生成475nm輸出光。
結(jié)果表明，高效二次諧波生成出現(xiàn)在周期性地調(diào)制以獲得周期匹配的Rb，T1 KTP波導(dǎo)中。波導(dǎo)的效率可以通過多種技術(shù)進(jìn)一步提高，這些技術(shù)包括標(biāo)準(zhǔn)步驟(indexstep)，幾何外形，構(gòu)成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的單位單元的朝向的優(yōu)化。在這一考慮中的其它因素包括在多波型配置中的波形拍頻以及在單位單元中的類似法布里-布洛共振。
在這些例子中包含了本發(fā)明的特殊實(shí)施例。從對說明書的思考或這里所公開的本發(fā)明的實(shí)踐中，其它實(shí)施例對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言將是顯而易見的。應(yīng)當(dāng)理解，可以不脫離本發(fā)明的新穎概念的精神與范圍而實(shí)現(xiàn)各種修改與變型。還進(jìn)一步理解，本發(fā)明并不局限于這里所示的特殊形式與例子，而它包含了下述權(quán)利要求書的范圍中出現(xiàn)的這類修正形式。
權(quán)利要求
1.一種用于波長轉(zhuǎn)換的方法，包括下述步驟將用于波長轉(zhuǎn)換的入射光波引導(dǎo)通過一個(gè)單晶體，該單晶體包含一系列用于波長轉(zhuǎn)換的光學(xué)材料的對準(zhǔn)的部件(section)，這些材料是選自(a)具有化學(xué)式K1-XRbXTiOMO4的材料，其中X是從0到1的值而M是選自P(磷)與As(砷)的，以及(b)具有所述化學(xué)式的材料，其中所述化學(xué)式的陽離子已部分地被Rb+，T1+與Cs+中至少一種及Ba++，Sr++與Ca++中至少一種所取代，條件是至少一個(gè)部件具有選自(b)的材料，并且對于選自(b)的光學(xué)材料，其中X是大于0.8的，所述化學(xué)式的陽離子是部分地被T1+與Cs+中至少一種及Ba++，Sr++與Ca++中至少一種所取代，所述部件是這樣選擇的使得該系列部件中各部件對準(zhǔn)方向上的長度與該部件的△K的乘積之和等于大約2πN，其中N是一個(gè)非零整數(shù)，并且使得至少一個(gè)部件的非線性光學(xué)系數(shù)是相對于至少一個(gè)鄰接部件的非線性光學(xué)系數(shù)改變的；其中各部件的△K是該部件中的波長轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的入射波的傳播常數(shù)之和與該部件中的波長轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的生成波的傳播常數(shù)之和的差。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的一種用于波長轉(zhuǎn)換的方法，且其中頻率ω1與ω2的入射波被用于生成頻率ω3的波;且ω3等于ω1與ω2之和。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的一種用于波長轉(zhuǎn)換的方法，其中頻率ω4的入射波被用于生成頻率ω5與ω6的波;且其中ω4等于ω5與ω6之和。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的一種用于波長轉(zhuǎn)換的方法，其中生成入射光波的二次諧波。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的一種用于波長轉(zhuǎn)換的方法，其中各部件的長度是在0.25μm至50μm的范圍內(nèi);以及各部件的寬度是在0.2μm至50μm的范圍內(nèi);以及各交換過的部件的深度是在0.1μm至50μm的范圍內(nèi)。
6.一種用于波長轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的光學(xué)制品，所述光學(xué)制品包括至少一個(gè)光學(xué)轉(zhuǎn)換段，該段由包含一系列光學(xué)材料的對準(zhǔn)的部件的一個(gè)單晶體構(gòu)成，這些材料是選自(a)具有化學(xué)式K1-XRbXTiOMO4的材料，其中X是從0至1的值而M是選自P與As的，以及(b)所述的化學(xué)式的材料，其中所述化學(xué)式的陽離子已經(jīng)部分地被Rb+，T1+與Cs+中至少一種及Ba++，Sr++與Ca++中至少一種所取代，條件是至少一個(gè)部件具有選自(b)的光學(xué)材料，且對于選自(b)的光學(xué)材料，其中X是大于0.8的，所述化學(xué)式的陽離子是部分地被T1+與Cs+中至少一種及Ba++，Sr++與Ca++中至少一種取代，其中所述部件是這樣選擇的使得各部件在對準(zhǔn)方向上的長度與該部件的△K的乘積之和等于大約2πN，其中N是一個(gè)非零的整數(shù)，且使得至少一個(gè)部件的非線性光學(xué)系數(shù)是相對于至少一個(gè)鄰接部件的非線性光學(xué)系數(shù)改變的;其中各部件的△K是該部件中的波長轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的入射波的傳播常數(shù)之和與該部件中的波長轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的生成波的傳播常數(shù)之和的差。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的一種光學(xué)制品，具有交替的KTiOPO4部件與其中的陽離子已經(jīng)被Ba++及T1+與Rb+中至少一種取代了的KTiOPO4部件。
8.根據(jù)權(quán)利要求6的一種光學(xué)制品，其中各部件的長度是在0.25μm至50μm的范圍內(nèi)，各部件的寬度是在大約0.2μm至50μm的范圍內(nèi)，以及各交換過的部件的深度是在大約0.1μm至50μm的范圍內(nèi)。
9.根據(jù)權(quán)利要求6的一種光學(xué)制品，它是一種波導(dǎo)，包括交替的晶體基板的部件，該晶體基板具有化學(xué)式K1-XRbXTiOMO4其中X是從0至1的值而M是P或As，以及基板材料的部件其中所述基板的陽離子已經(jīng)被選自由Rb+，Cs+與T1+組成的族中的足量陽離子及選自由Ba++，Sr++與Ca++所組成的中的足量的陽離子所取代以改變相對于所述基板的非線性光學(xué)系數(shù)至少1%的非線性光學(xué)系數(shù)。
10.根據(jù)權(quán)利要求6的一種光學(xué)制品，其中在至少一個(gè)部件的非線性光學(xué)系數(shù)與至少一個(gè)鄰接部件的非線性光學(xué)系數(shù)之間至少有大約1%的差;以及其中在所述至少一個(gè)部件的表面折射率與所述至少一個(gè)鄰接部件的表面折射率之間至少有大約0.00025的差。
11.在一種光波導(dǎo)裝置中，包括至少一個(gè)通道波導(dǎo)，將進(jìn)入一個(gè)光波耦合進(jìn)所述通道波導(dǎo)的裝置，以及將一個(gè)射出波耦合出所述通道波導(dǎo)的裝置，其改進(jìn)為其中的通道波導(dǎo)是權(quán)利要求6所提供的一種光學(xué)制品。
12.一種用于制備波長轉(zhuǎn)換系統(tǒng)所用的通道波導(dǎo)的方法，包括下述步驟(1)向具有化學(xué)式K1-XRbXTiOMO4，其中X為從0至1的值而M為P或As的單晶體材料的Z截割基板的Z截割表面提供一個(gè)光學(xué)光滑表面;(2)提供一種熔鹽，它含有選自由Rb+，Cs+與T1+所組成的族中的陽離子以及選自由Ba++，Sr++與Ca++所組成的族中的陽離子，條件的當(dāng)X大于0.8時(shí)，熔鹽含有選自T1+與Cs+的陽離子，其含量，當(dāng)以一個(gè)選擇的溫度暴露于所述光學(xué)光滑表面經(jīng)過一個(gè)選擇的時(shí)間后，能夠有效地提供足夠的陽離子取代以相對于所述基板的折射率改變折射率，以及提供一個(gè)非線性光學(xué)系數(shù)它是相對于基板的非線性光學(xué)系數(shù)改變了的;(3)在所述基板上施加一種掩蔽材料以沿所述光學(xué)光滑表面的一部分提供一種對準(zhǔn)區(qū)域的花紋，這些區(qū)域是交替地以一種抗所述熔鹽的材料掩蔽與不掩蔽的;(4)在所述選擇的溫度上將所述掩蔽的基板浸入所述熔鹽經(jīng)過所述選擇的時(shí)間，借此在所述不掩蔽的區(qū)域中提供陽離子取代;(5)從所述基板上清除該掩蔽材料;以及(6)拋光所述基板以提供具有拋光的波導(dǎo)輸入與輸出面的一個(gè)光潔的波導(dǎo);所述掩蔽的與不掩蔽的區(qū)域的長度是這樣選擇的使得在不掩蔽區(qū)域中進(jìn)行所述陽離子取代以后，在光學(xué)光滑表面的所述部分提供了一個(gè)通道波導(dǎo)，它包括至少一個(gè)光學(xué)轉(zhuǎn)換段，該段由一系列在一個(gè)晶體中的非線性光學(xué)材料的對準(zhǔn)的部件組成。并且使得該系列的部件中的各部件的長度與該部件的△K的乘積之和是等于大約2πN的，其中N的一個(gè)非零整數(shù);其中各部件的△K在是該部件中的波長轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的入射波的傳播常數(shù)之和與該部件中所述波長轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的生成波的傳播常數(shù)之和的差。
13.一種用于高效地生成蘭色光的方法，包括下述步驟將具有在775-950nm范圍內(nèi)的波長的光施加在一個(gè)具有3-6μ周期性的周期性分段的非線性光學(xué)KTP波導(dǎo)結(jié)構(gòu)上。
14.用于倍增光的頻率的裝置，包括一個(gè)非線性光學(xué)KTP波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有交替區(qū)域的一條通道，這些交替區(qū)域具有不同的線性與非線性折射率并且有3-6μ的周期性，該裝置還有用于將具有在775-950nm范圍內(nèi)的波長的光注入所述通道的裝置。
15.一種用于獲得形式Ⅰ頻率倍增的方法，包括下述步驟提供一個(gè)周期性地分段的非線性光學(xué)KTP波導(dǎo)并將TM偏振光施加在所述非線性光學(xué)KTP波導(dǎo)上。
16.用于獲得一個(gè)輸入光源的形式Ⅰ頻率倍增的裝置，包括一個(gè)周期性分段的非線性光學(xué)KTP，波導(dǎo)結(jié)構(gòu)以及用于偏振所述輸入光使得其偏振方向是垂直于所述分段的周期性非線性光學(xué)KTP波導(dǎo)的表面的裝置。
17.權(quán)利要求13或15所提出的方法，其中的KTP波導(dǎo)是攙以Rb與T1中至少一種的。
18.權(quán)利要求14或16所提出的裝置，其中的KTP波導(dǎo)是攙以Rb與T1中至少一種的。
全文摘要
公開了用于波長轉(zhuǎn)換的制品與方法，它們使用一系列用于波長轉(zhuǎn)換的光學(xué)材料的對準(zhǔn)的部件，這些材料是選自具有化學(xué)式K
文檔編號G02F1/377GK1057722SQ9110259
公開日1992年1月8日 申請日期1991年4月25日 優(yōu)先權(quán)日1990年4月25日
發(fā)明者約翰·戴維·貝爾蘭, 約瑟夫·布賴恩·布朗, 卡洛盧斯·約翰尼斯·范德堡爾 申請人:北美飛利浦公司, 杜邦德納莫公司