專利名稱：倍頻器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及非線性光學(xué)器件，更具體地說，本發(fā)明涉及使通過該器件的電磁輻射起倍頻作用的器件。
光學(xué)數(shù)字式數(shù)據(jù)存儲器件，例如小型圓盤，已經(jīng)獲得廣泛使用。一般地說，這種圓盤是用半導(dǎo)體激光器(即一激光二極管)所發(fā)射的光加以讀出或?qū)懭氲摹Ｈ欢?，由半?dǎo)體激光二極管所產(chǎn)生的光一般屬于電磁頻譜的低端(即紅光或紅外光)。用較高頻率的光，即該頻譜的蘭光端，去讀出和寫入光存儲媒質(zhì)會使存儲密度極大增加?？上н€沒有實(shí)用的半導(dǎo)體蘭色激光器。到目前為止，唯一的一種蘭色激光器是體積大的氣體激光器，這顯然不適用于小型而價(jià)廉的光存儲讀/寫器件。
因此，極需一種能將容易搞到的半導(dǎo)體激光二極管所發(fā)射的光轉(zhuǎn)換為蘭光的器件，發(fā)射紅外光的激光二極管價(jià)廉而又到處都買得到。蘭光的頻率二倍于紅外輻射的頻率。所以極需一種能將紅外輻射的頻率倍頻的器件。本發(fā)明謀求提供一種廉價(jià)的可以與一種半導(dǎo)體紅外激光器一同使用的倍頻器件，以提供適用于讀出和寫入光存儲媒質(zhì)的蘭光。
非線性光學(xué)領(lǐng)域一般通過基頻的二次諧波發(fā)生(SHG)的裝置已提供了許多用作倍頻器的器件。美國專利No.3，384，433(Bloembergen)謀求用一種非線性器件將光從第一和第二頻率轉(zhuǎn)換為一第三頻率。該器件包括一系列其晶格取向沿兩光束的傳播軸周期排列的非線性晶體或板狀材料。在一篇題為“非線性光學(xué)在旋轉(zhuǎn)孿生晶體中的效應(yīng)對CdTe、ZnTe和ZnSe的評價(jià)”(RevueDePhysiqueAppliquee1977年2月，第12卷第405-409頁)的文章中和美國專利第3，988，593號(Dewey)都指出了使光束垂直通過一系列板狀旋轉(zhuǎn)孿生晶體以獲得倍頻的器件，這篇文章和專利敘述了另一種器件。
然而上述方法遭遇到許多的實(shí)際困難。這些方法要求倍頻器件必須具有大量(在某些情況下超過一百片)準(zhǔn)確生長的非線性光學(xué)性質(zhì)精確規(guī)定的板狀晶體。這些晶體的生長很困難而又比較昂貴。因此，希望有一個(gè)比較簡單而又較不昂貴和倍頻器件。
本發(fā)明的一個(gè)目的是要提供一種不昂貴的器件和一種使電磁輻射頻率倍頻的方法。該器件包括一塊非線性襯底，襯底上置有不同折射率的非線性波導(dǎo)。該波導(dǎo)包括一反偏振的界面，波導(dǎo)的偏振方向在該界面處急劇由正變?yōu)樨?fù)使輻射平行于反偏振界面橫過器件，并由該界面使頻率倍頻。
反偏振界面可以由許多方法取得。第一種方法是生長一個(gè)有第一極性的波導(dǎo)，繼之生長一層比較薄的非偏振材料。最后在該第一層的對面生長一層第二偏振層。另一種提供反偏振界面的方法是在一塊襯底上簡單地生長一層在第一方向偏振的波導(dǎo)。此后，將波導(dǎo)和襯底分開并反轉(zhuǎn)在其上，使各波導(dǎo)層以面對面并置平放。在這種放置關(guān)系下，波導(dǎo)的偏振將沿接觸平面反轉(zhuǎn)。另一種提供反偏振界面的方法是在平面的各側(cè)整個(gè)地生長非對稱的鏡象量子阱。該量子阱生長方向的極性在形成反偏振界面的平面處反轉(zhuǎn)。
可以理解，按照本發(fā)明做成的倍頻器件的優(yōu)點(diǎn)在于極大程度地降低了制造的復(fù)雜性，這是因?yàn)橹恍枰L較少的晶體薄層。將這種做法與上述討論過的現(xiàn)有技術(shù)的采用的多層方法相比較，本發(fā)明顯然有助于大量制造較廉的倍頻器件，以在光學(xué)存儲系統(tǒng)中與半導(dǎo)體激光源一起使用。
由于反偏振界面導(dǎo)致將功率有效地耦合成高次諧波模型，本發(fā)明設(shè)計(jì)的器件是非常有效的。因此，為了良好的頻率變換效率，在波導(dǎo)和襯底之間不須有大的折射率差距。于是，襯底和波導(dǎo)都可以用結(jié)構(gòu)上相似的材料加以制造。
為了更好地理解本發(fā)明，要與隨后的詳細(xì)說明一起參閱以下的附圖。附圖中，

圖1是根據(jù)本發(fā)明做出的非線性光學(xué)倍頻器件的截面視圖;
圖2說明一種制造該倍頻非線性光學(xué)器件的方法;以及圖3是本發(fā)明在一非對稱鏡象量子阱結(jié)構(gòu)所實(shí)施的反偏振界面的示意圖。
圖1說明本發(fā)明倍頻器件10的第一實(shí)施例。該倍頻器件10包括一襯底12，襯底可以是任何一種適用的非線性光學(xué)材料，例如稱為“KTP”的磷酸氧化鈦鉀(KTiOPO4)、鈮酸鋰(LiNbO3)或硒化鋅(ZnSe)。在襯底12上設(shè)置了一層例如由硒化鋅或硒化硫鋅(ZnSxSe1-x)制成的波導(dǎo)層14。如圖1所示，波導(dǎo)層14具有一面向上的光活性偶極子，并具有較襯底12大的折射率，以便形成一波導(dǎo)。由于本器件的結(jié)構(gòu)，襯底和波導(dǎo)折射率之差并不需要很大。作為例子，已發(fā)現(xiàn)供基頻用時(shí)折射率之差只有0.13，供諧波頻率用時(shí)折射率差0.18就行之有效。在波導(dǎo)層14上設(shè)置的是一層第二波導(dǎo)層16，其光學(xué)活性偶極子與波導(dǎo)的相反。具有相反的光學(xué)活性偶極子的層的這個(gè)取向在各層間提供了一“雙平面”或一反偏振界面18。
如圖1中箭頭所示，偶極子在界面外急劇改變方向?；lω的光平行于反偏振界面18的平面進(jìn)入器件。界面18的效果是要引起第二諧波的發(fā)生。反偏振界面18使沿界面18行進(jìn)的電磁正弦波的正(或負(fù))半波反轉(zhuǎn)而促使頻率倍頻。波導(dǎo)層14和16的厚度按已知方式〔例如見P.K.Tien在AppliedOptics，第十卷第2395頁(1981年)所敘述的技術(shù)〕調(diào)節(jié)，以使在輸入和輸出輻射之間出現(xiàn)相位匹配。因此，激發(fā)器件的光使進(jìn)入器件的光倍頻(2ω)。
分子束外延(MBE)可以使極復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)以極薄的層生長。波導(dǎo)層14、16可以用這種技術(shù)生長。為了制造圖1的器件，非線性光學(xué)材料，例如ZnSe或其它材料的薄層14是用MBE法在襯底12上生長的，因而將有一第一極性。此后，較薄的非線性材料層，例如鍺(Gc)在層14上生長。最后，其它的硒化鋅層在鍺層上生長，以形成第二波導(dǎo)層16。這種第二硒化鋅層生長時(shí)，有50%的幾率使第二層16的偏振與提供所需反偏振界面的第一層14的偏振相反。如第二層的偏振與第一層的相同，幾率也是50%，則得不到反偏振界面，器件也不能操作而應(yīng)報(bào)廢。非偏振的鍺層對器件的操作沒有影響，因?yàn)檫@層的厚度與考慮的光的波長相比是比較小的。
圖2說明一種比較簡單的獲得所需反偏振界面的方法。通過這些手段，用質(zhì)子轟擊或離子交換法在襯底20上制備一波導(dǎo)層22，然后，沿著一條垂直于波導(dǎo)層22和襯底20的直線24將襯底20分開。分開后，襯底和波導(dǎo)層如圖所示相對其自身反轉(zhuǎn)向上。波導(dǎo)層22本身的實(shí)際反轉(zhuǎn)沿接觸的平面產(chǎn)生一個(gè)反偏振界面26。襯底20的上部28不是必須的，故可以除去。
圖3說明通過非對稱的量子阱在波導(dǎo)層中提供反偏振界面的另一種方法，量子阱的極性與生長方向相反以形成界面。如圖3所示，一反偏振平面40在量子阱42的下部與量子阱44的上部之間形成。如圖3所示，下部42和上部44非對稱量子阱是沿平面20的互為鏡象。這種鏡象的非對稱量子阱很容易由MBE方法生長。
本發(fā)明不局限于只從紅外光發(fā)生蘭光。相反，這種倍頻器件可以應(yīng)用于使相當(dāng)寬的電磁輻射的頻率倍頻。供不同頻率用的各種器件可以利用不同材料做成的活性層。例如，用Ⅱ-Ⅵ族材料取得由紅外變?yōu)樘m光的變換。同樣，如砷化鎵(GaAs)之類的Ⅲ-Ⅴ族也可以利用來由頻率為紅光之半的光產(chǎn)生紅光。正如本領(lǐng)域的技術(shù)人員所理解的，不論所需的是什么輸出頻率，都可以由選擇材料和薄膜厚度著手提供倍頻。
雖然已結(jié)合優(yōu)選的實(shí)施例來敘述本發(fā)明，但熟悉本領(lǐng)域的人士不難理解，在不脫離本發(fā)明的精神和保護(hù)范圍下，是可以采取各種改進(jìn)和變化的。這些改進(jìn)和變化被認(rèn)為是在本發(fā)明和所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種倍頻器件，其特征在于它包括a)一塊非線性光學(xué)襯底；b)一個(gè)置于所說襯底上的非線性光學(xué)波導(dǎo)，所說波導(dǎo)具有與所說襯底不同的折射率；c)所說非線性波導(dǎo)中設(shè)置有一反偏振界面；以及d)在平行于所說反偏振界面的方向上引導(dǎo)電磁輻射橫過所說波導(dǎo)的裝置。
2.如權(quán)利要求1中所要求的一種倍頻器件，其特征在于它包括的第一和第二波導(dǎo)層是按具有相的反偏振偶極子而面對面并置的。因此在波導(dǎo)層之間形成所說反偏振界面。
3.如權(quán)利要求1或2中所要求的一種倍頻器件，其特征在于其中所說反偏振界面是通過先生長一第一極性的波導(dǎo)，再生長一相反極性的第二波導(dǎo)而形成的。
4.如權(quán)利要求2或3中所要求的一種倍頻器，其特征在于它還包括設(shè)置在所說第一和第二極性波導(dǎo)之間的一層比較薄的中性極性材料層。
5.如權(quán)利要求1中所要求的一種倍頻器，其特征在于所說反偏振界面包括設(shè)置在所說反偏振平面附近的非對稱鏡象量子阱。
6.如權(quán)利要求1、2或3中所要求的一種倍頻器件，其特征在于所說波導(dǎo)是從硒化鋅形成的。
7.如權(quán)利要求1、2或3中所要求的一種倍頻器件，其特征在于所說波導(dǎo)層是從分子式為ZnSxSe1-x的硒化硫鋅形成的。
8.如前述任一權(quán)利要求中所要求的一種倍頻器件，其特征在于所說襯底包括KTiOPO4(KTP)。
9.一種使電磁輻射的頻率倍頻的方法，其特征在于它包括下列步驟a)提供一個(gè)設(shè)置在一塊襯底上的非線性波導(dǎo)，所說波導(dǎo)包括一個(gè)反偏振界面;以及b)在平行于所說反偏振界面的方向通過要將頻率倍頻的電磁輻射。
全文摘要
一種將電磁輻射倍頻的器件，它包括的非線性襯底具有一個(gè)置于其上的折射率與其不同的非線性光學(xué)波導(dǎo)。波導(dǎo)層包括一反偏振界面，在此界面處波導(dǎo)的偏振方向的符號急劇改變。以平行于反偏振界面的平面引導(dǎo)橫過器件的輻射將被界面倍頻。反偏振界面可以用若干方法取得界面可直接在襯底上生長或可將單層的波導(dǎo)分開并將其反轉(zhuǎn)向上；最后可通過在一平面的兩側(cè)生長非對稱鏡象量子阱形成波導(dǎo)的方法以形成界面。
文檔編號G02F1/377GK1040873SQ8910673
公開日1990年3月28日 申請日期1989年8月15日 優(yōu)先權(quán)日1988年8月18日
發(fā)明者雅各·柯金 申請人:菲利浦光燈制造公司