專利名稱：非臨界位相匹配的光波導材料及其制法和應用的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種新型復合型光波導器件及制備，這種光波導在激光倍頻；特別是作為小型半導體激光器的倍頻器方面的應用。
光波導分為折射率漸變型(用雜質(zhì)離子擴散制備，波導與襯底為同種材料)和折射率躍變型(用外延技術制備，波導層與襯底為不同材料)。光波導用于激光倍頻優(yōu)點是1.對光的限制強，倍頻效率高；2.可同時使用雙折射與模色散補償頻率色散，擴展了有效倍頻所需的位相匹配頻率范圍。但波導做為倍頻器也有許多技術困難。最主要的困難之一是導模的有折射率Neff對光波導層膜厚度非常敏感，用模色散實現(xiàn)相匹配需要均勻的膜厚，一般情況下，由于制備不當造成的膜厚的微小漲落或不均勻都可能引起位相嚴重失配而導致倍頻效率的下降。理論計算表明在1cm長的光波導中，如果有效折射率有10-4大小的起伏，就可導致倍頻效率下降20％。而現(xiàn)有的外延制膜技術要使膜的均勻性達到這一標準仍有相當大的困難。要解決這一問題的技術方案有兩種一是著手設備與工藝的進一步更新，以制備均勻性更好的光波導薄膜。二是利用外延薄膜，波導層與襯底為不同材料這一特點，選用線性極化率不同的材料的恰當組合以實現(xiàn)倍頻過程的非臨界位相匹配，使得膜厚不再成為影響位相失配的敏感參數(shù)。
本發(fā)明的目的就是用上述第二種方案，選用線性極化率不同的材料的恰當組合，制備一種在激光倍頻過程中具有非臨界位相匹配特征的光波導。本發(fā)明的技術解決方案是選用具有大非線性系數(shù)d13，高折射率的Ba2NaNb5O15(BNN)為外延薄膜層材料，而采用低折射率、低色散的KTiOPO4(KTP)為襯底材料，(簡寫成BNN/KTP)。表1列出了BNN和KTP的晶格常數(shù)與折射率，外延生長要求襯底與薄膜材料具有相同的對稱性且晶格失配度要小，非臨界位相匹配則要求薄膜與襯底折射率差要大，且具有特定的色散特性，以KTP為襯底，以BNN為外延落膜則能同時滿足上述兩項要求，膜厚一般在0.4-3μm，因而可以通過外延技術制備。表2列出了可以實現(xiàn)非臨界位相匹配同時可以外延生長BNN/KTP波導的三種組態(tài)，目前可以用于這一波導制備常規(guī)技術包括準分子激光淀積(PLD)，金屬有機化學氣相淀積(MOCVD)，分子束外延(MBE)，電子束蒸發(fā)(EBV)磁控濺射(RFS)液相外延等。本發(fā)明用于制作激光倍頻器件，如制造藍綠光激光器。
本發(fā)明特點如下找到了可實用的非臨界相匹配材料，且制備工藝容易控制，產(chǎn)品應用范圍廣。
以下結合附圖和通過實施例使對本發(fā)明作進一步說明一.

圖1，2，3分別為表2中3種組合BNN/KTP波導基頻與倍頻的色散曲線。圖1為(001)BNN/(001)KTP對應于TEw(0.98μm)→TM2w(0.49μm)倍頻的色散曲線，圖中空心園線代表倍頻，實心園線代表基頻，二線在膜厚1.1μm處以非常接近的斜率相交，相交點為相匹配點，從圖中可以看出在交點附近，薄膜厚度的漲落，造成位相失配的變化極小，圖2為(100)BNN/(001)KTP的色散曲線，其倍頻方式為TMw·(1.02μm)→TE2w(0.51μm)基頻的零階模，一階、二階、三階模分別與倍頻的一階、三階、五階、七階二組曲線分別在0.5μm，1.0μm，.1.5μm，2.0μm處完全重合。二條曲線的重合說明倍頻過程中，基頻與倍頻相位完全匹配，不受薄膜厚度變化影響。并且各階導模均能實現(xiàn)非臨界位相匹配，同時參與倍頻過程。圖3對應于(100)BNN/(100)KTP TMw(1.02μm)→TE2w(0.51μm)倍頻的色散特征，這是一個更完美的情況，幾乎在任何膜厚下都可實現(xiàn)完全的位相匹配。
二.基頻與倍頻光場的空間交疊是產(chǎn)生有效倍頻的另一個重要因素。二光場空間分布的交疊積分的平方與轉(zhuǎn)換效率成正比。圖4為1.1μm厚的(001)BNN/(001)KTP交疊積分變化曲線。在接近膜層的中點處，交疊積分開始下降，在1.1μm處其值僅為0.11。圖5為不同膜厚條件下交疊積分變化趨勢。它的大小隨膜的變小呈單調(diào)增加，根據(jù)交疊積分與上述特征擬考慮采用以下兩種技術方案增加交疊積分。
1.對于(001)BNN/(001)KTP波導，在300℃溫度在水蒸氣下退火一段時間，使H+離子擴散進波導表層誘發(fā)薄膜的上半層的自發(fā)極化反向，這樣會大大增加基頻與倍頻光場的空間交疊(見圖4中的實線)，從而提高倍頻效率。
2.對于(100)BNN/(001)KTP，(100)BNN/(100)KTP兩種波導不宜采用以上辦法，根據(jù)圖5，減小膜厚有利于交疊積分，因此波導膜厚控制在0.5μm較為適宜。
三.圖2，圖3非臨界相匹配的波長是1.02μm，偏離這一波長，在一定的膜厚范圍內(nèi)，由于基頻與倍頻的色散曲線斜率相近，在相匹配的交點附近，位相失配對膜厚的變化仍有較大的容忍性，圖1就是一個很明顯的例子，(001)BNN/(001)KTP非臨界相匹配的波長也為1.02μm。對于0.98μm基頻輸入，位相匹配對應厚度為1.1μm。但從圖中可以看出，即使膜厚達1.5μm，基頻與倍頻二條曲線仍然非常貼近即位相失配很小。
四.膜的色散特性取決于基質(zhì)材料的折射率，而基質(zhì)材料的折射率又取決于材料的化學配比。BNN薄膜在實際制備過程中Na離子的占有率會隨工藝條件而異，通過工藝改變Ba/Na二者的比例而改變折射率和色散特性，可以找到對應于不同波長泵浦光源的非臨界位相匹配條件。這一個特點對實現(xiàn)近紅外的半導體激光器的激光倍頻特別有利。
以下通過準分子激光淀積(PLD)在KTP襯底上外延BNN單晶薄膜作為實施例加以說明。
薄膜的制備工藝圖如圖6所示，KrF準分子激光器1的波長為248μm，脈沖寬度為30ns。重復頻率為5HZ，以純BNN單晶做靶。激光經(jīng)一長焦距透鏡聚焦，經(jīng)石英透鏡2會聚于靶3上，襯底4與靶之間的距離3.5cm。夾角為45℃。襯底與靶都以一定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。為了得到表面平整，光學質(zhì)量好的薄膜，在制備過程中襯底下置加熱器5保持在較高的溫度(700℃)，膜的沉積率保持在6A/min。
以上述條件制成的BNN/KTP薄膜波導經(jīng)X射線分析(圖7)，證明具有單晶結構，光電子能譜分析證實化學配比正常(圖8)。波導參數(shù)測試證實光學均勻性好損耗低(-1.6db/cm)(圖9)，是良好的光波導倍頻材料。
同樣，該光波導薄膜易于用其他生長工藝制備，包括MOCVD，MBE，EBV，RFS和液相外延等，此處不再一一贅述。
表1BNN a＝12.451ana＝2.326bb＝12.451anb＝2.324bc＝3.994anc＝2.221bKTP a＝12.814 na＝1.7367b＝6.404 nb＝1.7395c＝10.616 nc＝1.8305a.準正方b斜交表2
權利要求
1.一種非臨界位相匹配的光波導材料，其特征是選用具有大非線性系數(shù)d13，高折射率的Ba2NaNb5O15(BNN)為外延薄膜材料而采用低折射率，低色散的KTOPO4為襯底材料，在光波導中以實現(xiàn)激光倍頻的非臨界位相匹配和激光倍頻輸出。
2.由權利要求1所述的光波導材料，其特征是兩種材料的不同晶向的三種組態(tài)(001)BNN/(100)KTP，(100)BNN/(001)KTP，(100)BNN/(100)KTP。對應于不同組態(tài)有不同的實現(xiàn)非臨界位相匹配的膜厚及相應的增大基頻與倍頻光空間交迭的技術方案與工藝。
3.根據(jù)要求1所述的制備BNN/KTP的方法，其特征是在KTP襯底上利用準分子激光淀積(PLD)，金屬有機化學氣相淀積(MOCVD)、分子束外延(MBE)，電子束蒸發(fā)(EBV)，磁控濺射(RFS)方法相應的的技術工藝。
4.由權利1所述的該光波導材料的應用，其特征是用于作激光倍頻元器件或直接與半導體激光器的輸出端相偶合制成一體化的小型可見光固體激光器。
全文摘要
一種非臨界位相匹配的光波導材料，其特征是選用具有大非線性系數(shù)d
文檔編號G02F1/35GK1138231SQ9511105
公開日1996年12月18日 申請日期1995年5月26日 優(yōu)先權日1995年5月26日
發(fā)明者劉俊民, 朱永元, 祝世寧, 劉治國, 閔乃本 申請人:南京大學