CN100351696C - 光波导器件、使用该光波导器件的光波导激光器和装有该光波导器件的光学装置 - Google Patents
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Abstract
一种光波导器件包括转换入射光波长和发射转换光的波导层。在该波导层中，设置脊形波导和条形波导，该条形波导形成在脊形波导的两侧，且在条形波导和脊形波导之间插入凹槽部分。该波导层满足入射光的多模条件，并且在脊形波导中传播的光是单模。
Description
技术领域
本发明涉及光信息处理领域和光通信领域中使用的光波导器件，并且涉及使用该光波导器件的光波导激光器和装有该光波导器件的光学装置。
背景技术
在光信息处理领域和光通信领域中，已经尝试通过光复用通信来提高通信能力。允许很多波长在一根光纤中传输的波长复用使光纤的传输容量急剧增大。对于波长复用传输，根据波长，光路由在去复用和复用光中起着重要的作用。为此，通过将特定波长的光转换成不同波长的光来控制信号光。作为这种光路由的方法，使用利用非线性光学效应的差频转换。信号光和泵浦光被引入非线性光学元件，并且信号光和泵浦光之间的差频光赋予新的信号光，因而该信号光的波长可以一起转换。由于利用了非线性光学效应，所以能以高速转换波长。作为这种波长转换元件，已经提出利用准相位匹配的基于波导的差频发生器件(参见M.H.Chou等人的，OPTICS LETTERS，1998，第23卷，第13期，第1004-1006页)。
图10示出常规的基于光波导的差频发生器件的结构。在LiNbO3基板上，形成周期性畴反转结构801和质子交换波导802。在光波导的入射部份，形成部分(segment)锥形波导803。波长在1.56μm波段的光用作信号光，波长为0.78μm的光用作泵浦光，并且波长在1.56μm波段的光用作差频光。为了满足可以引导1.56μm信号光和差频光的条件，光波导具有用于波长为0.78μm的泵浦光的多模条件。在这点上，很难使单模的光与具有多模条件的质子交换波导耦合。由于这个原因，分别为信号光和泵浦光设置入射部分，并且部分锥形波导803用于泵浦光的入射部份。
该部分锥形波导803在波导的入射部份给泵浦光提供单模条件，并且逐渐将被引导的光引入具有多模条件的光波导，从而使被引导的光以单模在多模波导中传播。换句话说，部分锥形波导使得可以在波导中进行这样一种转换，从单模波导中的单模传播光转换为多模波导中的单模传播光。允许信号光和泵浦光以单模传播通过具有畴反转结构的光波导，由此增加了波导中的重叠，因此可以高效地产生差频光。
然而，在常规光波导器件中使用的光波导是条纹状三维波导，其折射率分布不具有对称结构。因此，发生以下问题：仅仅在多模波导中很难从外部激发单模；而且余裕度相当窄。这是因为除非外部入射光的束斑的电场分布和光波导的单模的电场分布精确地一致，否则容易发生多模激发。一般的透镜耦合和光纤耦合仅仅在多模波导中不能选择性地激发单模。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种光波导器件，而且提供使用该光波导器件的光波导激光器和装有该光波导器件的光学装置，该光波导器件使得不同波长的光可以以单模传播。
本发明的光波导器件包括转换入射光波长并且发射转换光的波导层。该光波导器件包括设置在波导层中的脊形波导；和形成在脊形波导两侧的条形(slab)波导，在脊形波导和条形波导之间插入有凹槽部分。该波导层满足入射光的多模条件，并且传播通过脊形波导的光处于单模。
通过在脊形波导的两侧设置有条形波导、而且在脊形波导和条形波导之间插入有凹槽部分的结构，可以实现一种光波导器件，该光波导器件即使是在多模条件下也可以有选择地激发单模光。因此，可以实现不会由于多模而性能退化的光波导器件。
在本发明的光波导器件中，优选入射光的波长小于转换光的波长。因此，可以实现高效的波长转换元件。
在本发明的光波导器件中，优选波导层由非线性光学晶体制成，而且转换光的波长是入射光波长的两倍。因此，可以实现高效的降频转换型光波导器件。
在本发明的光波导器件中，优选波导层由非线性光学晶体制成，入射光包括多种光波长，泵浦光和入射光一样在那里入射，并且转换光是泵浦光和入射光之间的差频光。因此，可以实现作为利用差频光的波长转换元件的光波导器件。
在本发明的光波导器件中，优选该脊形波导具有周期性畴反转结构。因此，可以实现高效的波长转换元件。
在本发明的光波导器件中，优选畴反转结构具有两个区域，该两个区域具有不同的畴反转周期，该区域在光的传播方向上连续设置。该入射光包括多种光波长。此外，第一泵浦光与第二泵浦光和入射光一样入射。假设这两个区域中更接近于光的入射侧的区域是第一区域，而另一个区域是第二区域，在第一区域，入射光转换为与第一泵浦光相关的差频光，并且在第二区域，在第一区域转换的差频光被转换为与第二泵浦光相关的差频光。因此，可以提供一种光波导器件，其中在信号光的波长转换之后频率的大小关系不变。
在本发明的光波导器件中，优选脊形波导的宽度比条形波导的宽度窄。因此，脊形波导的有效折射率小于条形波导的有效折射率，并且因此多模的被引导光吸收到条形波导。因此，可以有效地产生单模传播。
在本发明的光波导器件中，优选波导层包括由非线性光学晶体制成的薄膜。因为包括薄膜晶体的波导结构在波导中不包含杂质，所以它可以提供低损耗、高非线性光学常数和对光学破坏有优良的抵抗力。因此，即使在需要引导大功率泵浦光的差频器件中也可以获得稳定的输出特性。
在本发明的光波导器件中，优选薄膜粘接到光学基板。或者，优选薄膜直接连接到光学基板。
在本发明的光波导器件中，优选层叠两层或更多覆盖层。由此，即使是在多模条件下，也可以实现具有宽的允许单模传播的波长范围的光波导器件。
在本发明的光波导器件中，优选覆盖层中与脊形波导接触的覆盖层的折射率高于其它覆盖层的折射率。此外，优选与脊形波导接触的覆盖层包括含Nb的氧化物。
在本发明的光波导器件中，优选波导层在深度方向上具有步进分布的折射率。由此，可以实现允许单模光的选择性激发的光波导器件。
本发明的光波导激光器包括：光源；和根据任何一种上述结构的光波导器件。在这个光波导激光器中，光波导器件的波导层包括激光介质。由此，可以实现高效和稳定的光波导激光器。
优选波导层包括选自Er、Nd、Pr和Tu构成的组中的至少一种。
本发明的光学装置包括根据任何一种上述结构的光波导器件。由此，可以实现允许高速运转的光学装置。
附图说明
图1是示出根据实施例1的光波导器件结构的透视图；
图2A示意性示出根据实施例1的光波导器件的入射端面处零阶模式中的电场分布；
图2B示意性示出根据实施例1的光波导器件的入射端面处一阶模式中的电场分布；
图2C示意性示出根据实施例1的光波导器件的入射端面处二阶模式中的电场分布；
图3A是示出具有双层覆盖层结构的光波导器件结构的透视图；
图3B示出具有双层覆盖层结构的光波导器件的入射端面；
图4A是示出根据实施例3的光波导器件的结构的透视图；
图4B示出在根据实施例3的光波导器件中信号光和差频光的频率与它们的强度之间的关系；
图5A是示出根据实施例3的另一种光波导器件的结构的透视图；
图5B示出在根据实施例3的另一种光波导器件中信号光和差频光的频率与它们的强度之间的关系；
图6A是示出根据实施例3的再另一种光波导器件的结构的透视图；
图6B是示出根据实施例3的另一种光波导器件的结构的透视图；
图7A示出在本发明一个实施例的光波导器件和光纤之间耦合功率特性和耦合失配的曲线关系；
图7B示出在常规的多模嵌入式光波导器件和光纤之间耦合功率特性和耦合失配的曲线关系；
图8是示出根据本发明一个实施例的光波导激光器的结构的透视图；
图9示意性示出根据实施例4的光波导装置的结构；
图10示意性示出常规光波导器件的结构。
最佳实施方式
首先，下面将说明光波导的横模中的单模和多模。在波导中传播的光的电场分布决定于波导的折射率、形状和尺寸。通过使波导的形状具有和光波长大致相同的尺寸，可以使波导中传播的光的电场分布离散，由此使得该分离可以为横模。其波导形状如此小以致于在其中仅仅可以存在一个横模的波导称为单模波导，而允许两个或更多横模存在的波导称为多模波导。其中波导尺寸变得太小以致于无法在其中传播光的状态称为截止状态。尽管可以通过波导的外形和折射率、光的波长等等的设计来选择波导的单模或者多模，但是普通的光波导器件设计为具有被引导波的单模条件。该单模条件是波导截止多模光。因此只有单模光在光波导中被引导。使普通光波导器件具有单模波导的主要原因源自关于耦合与波导器件特性的问题。
多模波导对器件性能的影响源自于在波导中存在多个具有不同传播常数(多模)的引导光束。当以某种方式控制引导的光时，如果存在具有多个传播常数的光束，这种光束具有不同的影响，因此减小该效果。例如，在光波长转换元件的情况下，相位匹配条件随着传播常数而变化。因此转换效率显著恶化。同样在利用光电效应的开关等等的情况下，该效果类似地恶化，因此大大降低开关特性的信噪比。由于这些原因，在使用波导的器件中，单模传播用于将传播的光限制为一个模式，以提高器件特性。然而，也不是必须使用单模波导。如果在多模波导中同样可以有选择地激发单模，也可以防止器件特性恶化，因为这种波导象单模波导一样只允许具有一个传播常数的光。
另外，因为可以建立正交的关系，所以在该波导中光不会由单模转换为多模，除非存在扰动等情况。多模波导最大的缺陷与耦合有关。当光入射到光波导上时，被引导的光被透镜收集的光或者光纤耦合的光激发。如果波导和入射光的电场分布彼此相符，则可以高效地激发被引导的光。如果可以从外部激发与单模中的电场分布完全相同的电场分布，即使是多模波导也仅仅允许单模的选择性激发。
然而，事实上，极难使电场分布的模式完全一致，并且余裕度比如耦合失配同样变得极其严格。这些情况使得容易激发多模的被引导光，因此难以仅仅建立单模的激发。此外，通常使用的利用质子交换或者Ti的扩散等等的光波导具有在深度方向上不对称的渐变的折射率分布。因此，引导的模式同样具有复杂的非对称结构，使得更难以在多模波导中建立单模激发。
由于这些原因，在入射光和被引导的光的波长基本上相等的情况下，将波导设计成具有这样一种结构，该结构为这种光提供单模条件，从而允许仅仅引导单模。然而，在需要引导基本上不同波长的光而且发射短波长的光作为入射光时，将出现器件特性恶化的问题。
以下具体描述本发明的实施例，本发明能够进行不同波长的光的单模传播，而且器件特性不会恶化。
实施例1
参考图1，下面将介绍根据本发明实施例1的光波导器件。图1是示出根据实施例1的光波导器件的结构的透视图。在图1中，构造光波导器件100，使得由质子交换LiNbO3制成的波导层102形成在LiNbO3制成的基板101上。两个凹槽部分104形成在波导层102中，并且脊形波导(光波导)103形成在这些凹槽部分104之间。条形波导105形成在这两个凹槽部分104中的每一个的外侧。换句话说，构造波导层102，使得条形波导105形成在脊形波导103的两侧，且凹槽部分104插入在条形波导105和脊形波导103之间。
周期性畴反转结构106形成在脊形波导103中。由于采用不退火质子交换波导结构，所以折射率在深度方向上具有步进的分布。
光波导器件100中波导层102的这种结构使得即使在多模波导结构中也可以实现单模被引导光的选择性激发。为了在脊形波导103中引导波长在1.56μm波段的光，脊形波导的宽度d1设置为6μm，波导层的深度d2设置为5μm，并且凹槽部分的深度d3设置为2μm。这种波导层102可以为具有1.56μm波长的光提供单模条件。
然后，进行耦合实验，其中使用光收集系统例如透镜使具有0.78μm波长的红外光入射到波导层102上。波导层102为波长为0.78μm的光提供二阶横模多模条件(除了单模之外，还可以传播多模的更高阶，例如一阶和二阶)。根据该耦合实验，发现与该波导层102耦合的每种光都是单模，因此尽管是多模条件，也可以有选择地激发单模光。根据模式分布来分析其原因。下面说明其原因。
图2A、图2B和图2C示意性地示出根据实施例1的光波导器件的入射端面处的电场分布。从波导的形状分析在波导层102中传播的光的模式，如图2A、图2B和图2C所示，显而易见激发了具有三种电场分布的模式。图2A、图2B和图2C分别示出零阶模式(单模)、一阶模式和二阶模式的电场分布。如图可以看出，在图2B和图2C所示的多模的情况下，电场107大大地渗透到凹槽部分104下面的波导层。此外，多模电场107被吸收到在凹槽部分外侧形成的条形波导105。发现这种现象导致波导层102中的传播损耗显著提高。由于条形波导105具有比脊形波导103更大的有效折射率，所以流失到条形波导105的光即时被吸收到条形波导105，这导致波导中的损耗。也就是说，可以理解虽然在实施例1的波导层102中确实存在多模，但是传播损耗相当大，因此几乎不发生多模激发。当光入射到波导层102上时，多模光辐射到与入射光的耦合部分。因此，在使得耦合效率最大化的条件下有选择地激发单模。也就是说，因为根据实施例1的光波导器件100的波导层102具有相当大的多模光传播损耗，所以即使是多模条件也能够有选择地激发单模光。
这里，优选脊形波导103的宽度d1比条形波导105的宽度d5窄。波导的有效折射率取决于形成波导的材料的折射率和外形。当脊形波导103的宽度d1比条形波导105的宽度d5窄时，脊形波导103的有效折射率小于条形波导105的有效折射率。结果，流失到条形波导105的光即时被吸收到条形波导105，这导致波导中的损耗。这样，当脊形波导103的宽度d1比条形波导105的宽度d5窄时，多模光的传播损耗相当大。因此，即使是多模条件也可以有选择地激发单模光。
在这种波导层102中，理想的是凹槽部分104的宽度d4大于脊形波导103的宽度d1的50％，但不超过大约200％。在宽度太宽时，脊形波导103变得不受影响，因此多模的传播损耗不提高。另一方面，不大于50％的宽度显著地影响光在脊形波导103中的传播，因此同样提高单模的传播损耗。
应当注意，脊形波导103的折射率的步进分布同样是使得可以在波导层102中选择性激发单模光的原因。这在下面将更具体地说明。如果脊形波导103具有渐变的折射率分布，从脊形波导103的表面开始到其下部折射率非步进地变小。因此，波导模式以一个中心限定在脊形波导103表面的附近。由于该原因，该多模同样具有偏向表面附近的电场分布，因此即使在类似于实施例1的光波导结构中，通过凹槽部分104下面的波导层到条形波导105的渗漏也变得非常小。因此，多模的传播损耗减小，从而难以仅仅有选择地激发单模。
如上所述，在实施例1的光波导器件中，即使是多模条件也可以有选择地激发单模光。
此外，当具有脊形波导结构的这种光波导器件100可以具有双层覆盖层结构时，即使在多模条件的波导中，也可以进一步扩大允许单模传播的波长范围。
下面参考图3A和图3B说明带有双层覆盖层结构的光波导器件。图3A是示出具有双层覆盖层结构的光波导器件结构的透视图。图3B示出具有双层覆盖层结构的光波导器件的入射端面。具有双层覆盖层结构的光波导器件200可以缓解单模传播的条件。
如图3A所示，光波导器件200构造成提供双层覆盖层(覆盖层201和覆盖层202)作为脊形波导103的覆盖层。优选与脊形波导103接触的覆盖层202由折射率接近于脊形波导103的折射率的材料形成。例如，一种可能的结构可以包括含Nb的氧化物。更具体地说，Nb2O5和Ta2O5的混合膜可以用于具有高传输特性的高折射率材料。
在这样构造的光波导器件200中，可以传播具有不同波长的两种光。此外，这种不同类型的光在不同的区域传播。例如，当传播波长为0.78μm的光和波长为1.56μm的光时，如图3B所示，在脊形波导103中的区域207引导短波长(波长为0.78μm)的光，而在包括覆盖层202的区域208引导具有长波长(波长为1.56μm)的光。
带有如上所述双层覆盖层脊形波导结构的光波导器件200可以使单模传播的条件缓解。这样，设置在实施例1的光波导器件中的双层覆盖层可以进一步提高性能。
此外，实施例1的光波导器件对于谐波的产生同样有效。在产生二次和三次谐波的情况下，因为入射光的波长长于转换光的波长，所以入射光可以有最佳设计，以便于实现单模。然而，多模条件的设计使得光波导中的传播损耗大大地减小，因此本发明的结构有效地实现高效率。
实施例2
以下说明根据本发明实施例2的光波导器件。实施例2涉及一种降频转换型光波导器件。降频转换型指的是将波长为λ的光转换为波长为2λ的光的器件。
在常规波导器件的情况下，因为入射光的波长λ比转换光的波长2λ短，当波导条件设计成与转换光匹配时，就为入射光提供多模条件。或者，当光波导设计成单模以便与波长λ匹配时，2λ的光被截断，从而不能实现该器件。
实施例2的光波导器件使得波长为λ的光可以转换为波长为2λ的光。实施例2的光波导器件具有类似于图1所示实施例1的光波导器件的结构。实际制造具有这种结构的降频转换型光波导器件。掺有Mg的LiNbO3基板用作形成波导层102的基板，并且周期性畴反转结构形成在脊形波导103中。
当波长为0.4μm的光入射在这种波导层102上时，周期性畴反转结构(周期：大约2.7μm)使得该光可以转换为波长为0.8μm的红外光。脊形波导103构造成脊形波导宽度d1为大约4μm。波导层102构造成具有直的光波导，但是不具有锥形结构，该锥形结构用于通过控制光的耦合特性而允许单模。波导层102为波长为0.4μm的蓝光提供多模条件，但是使用包括透镜组合的光收集系统可以使波长为0.4μm的蓝光有选择地以单模状态入射。耦合效率为80％，并且没有观察到多模波导。同样，耦合的余裕度和单模波导中激发的情况没有不同。
降频转换的转换效率为大约10％，并且在波导层102中以单模传播波长为0.4μm的光。此外，由于折射率的分布为步进式，所以可以与波长为0.8μm的光有大的重叠，因此实现高效率的转换。这里，器件长度为10mm。
当形成锥形等等时，通常需要大约1到2mm作为用于锥形部分的空间，因此效率降低10到20％。另外，锥形难于有效地转换波导模式，因此将进一步降低效率，导致低产。
另一方面，实施例2的波导层102具有简单形状，因此可以获得高产和具有好的再现性的高效转换特性。波导层102可用于实现高效率的降频转换型光波导器件。
实施例3
以下说明根据本发明实施例3的光波导器件。实施例3的光波导器件是差频器件。
在波长复用光通信中需要光路由器，该光路由器转换传送信号的光的波长。通常，光一次转换为电信号，然后该电信号又转换为光，从而转换波长。然而，为了实现高的速度，需要光-光波长转换。为了实现这个目的，利用差频的波长转换是有效的。例如，当波长在1.56μm波段作为信号光的光和波长在0.78μm波段作为泵浦光的光作为入射光入射在差频器件上时，该信号光可以转换为波长为0.78μm的泵浦光的差频光。此外，波长在1.56μm附近的光可以一起转换成差频光。
现在参考图4A和图4B，下面将说明通过根据实施例3的光波导器件进行的波长转换。图4A是示出根据实施例3的光波导器件结构的透视图，而图4B示出在根据实施例3的光波导器件中信号光和差频光的频率与它们的强度之间的关系。
实施例3的光波导器件300具有类似于图1所示实施例1的光波导器件100的结构。光波导器件300具有由掺有MgO的LiNbO3形成的波导层301。该波导层301设置有：具有周期性畴反转结构305的脊形波导302、凹槽部分303和条形波导304，而且该波导层301形成在基板306上。当波长为λ0的光作为泵浦光和波长为λin的多个光束作为信号光入射在波导层301上时，于是将发射波长λin和λ0之间的差频光λout。当频率为ω0＝2π/λ0的光作为泵浦光以及频率为ω1＝2π/λ1和频率为ω2＝2π/λ2的两束光作为信号光入射到波导层301上时，于是频率为ω1的信号光将被转换为频率为(ω0-ω1)的光，而频率为ω2的信号光将被转换为频率为(ω0-ω2)的光。换句话说，信号光转换为泵浦光的差频光。图4B示出所述光的光谱。横轴表示频率，纵轴表示光强度。这样，光波导器件300可以用作差频器件。
以下假定具有在由掺有Mg的LiNbO3形成的波导层中形成的并且具有周期性畴反转结构的脊形波导结构的光波导器件的情况。这种波导需要引导波长在1.56μm波段内的光，并因此为波长为0.78μm的泵浦光提供多模条件。然而，实施例3的光波导器件300允许以单模引导泵浦光，由此可以高效地实现波长转换，其中器件长度为10mm，并且可以实现大于或等于90％的转换效率。
本发明的另一个可能的实施例是作为差频器件的光波导器件，其中脊形波导302中的畴反转结构305在波导上具有半途改变(changinghalfway)的畴反转周期。下面将参考图5A和图5B介绍这种光波导器件。图5A是示出根据实施例3的另一种光波导器件的结构的透视图。图5B示出在根据实施例3的这种光波导器件中信号光和差频光的频率与它们的强度之间的关系。
在图4A所示的光波导器件300的情况下，频率为ω1的信号光转换为频率为(ω0-ω1)的光，并且频率为ω2的信号光转换为频率为(ω0-ω2)的光，如图4B所示。尽管ω1小于ω2，但是(ω0-ω1)大于(ω0-ω2)。因此，在转换后信号光的频率大小关系相反。
在图5A所示的光波导器件400中，即使在转换后信号光的频率大小关系也不会颠倒。光波导器件400在第一区域307和第二区域308之间，在脊形波导302中的畴反转结构305具有不同的畴反转周期。
具有不同波长作为信号光的多个光束(λin)以及波长为λa和λb作为泵浦光的光束入射在光波导器件400上。当频率为ω1的光和频率为ω2的光作为信号光(λin)入射在脊形波导302上时，这种光首先在第一区域307转换成在这种信号光和波长为λa(频率ωa)的泵浦光之间的差频光，其中该差频光具有(ωa-ω1)和(ωa-ω2)的频率。在这里，设计第一区域307的畴反转周期从而使泵浦光ωa和信号光可以相位匹配。
然后，这种差频光入射到第二区域308上，在那里进行从波长为λb(频率ωb)的泵浦光到差频光的转换，其中该差频光具有(ωb-ωa+ω1)和(ωb-ωa+ω2)的频率。在这里，设计第二区域308的畴反转周期从而使泵浦光ωb和来自第一区域307的差频光可以相位匹配。这样，信号光两次转换成差频光。
图5B示出了上述关系。如图所示，最后转换的光的波长的大小关系和信号光的大小关系相同。也就是说，由于(ωb-ωa+ω1)小于(ωb-ωa+ω2)，所以它们的大小关系与原始信号光的ω1和ω2的大小关系相同。因此，光波导器件400可以用于在不改变信号光波长的大小关系的情况下一起转换波长。
虽然实施例3示出作为光波导结构在质子交换层中形成的脊形波导结构，但是另一个可能的波导结构可以包括外延的(epi)基板或者薄膜非线性光学晶体。也就是说，非线性光学晶体粘接或者直接连接到光学基板，将该光学基板研磨变薄(光学薄膜)以便形成一个波导层，并且该波导层进一步加工成脊形，由此可以形成光波导。例如，图6A和图6B举例说明这种光波导器件的两种结构。构造图6A所示的光波导器件，使得波导层102通过粘结剂110连接到由LiNbO3制成的基板101上。如下形成波导层102：使具有周期性畴反转结构106的掺有MgO的LiNbO3基板变薄，对其进行脊加工以便形成：两个凹槽部分104、夹在这些凹槽部分104之间的脊形波导(光波导)103和在这两个凹槽部分104外侧的条形波导105。构造图6B所示的光波导器件，使得基板101在形成凹槽部分104的一侧通过粘结剂110粘接到这样形成的波导层102。
因为包括薄膜晶体的波导结构在波导中不包含杂质，所以它可以实现具有低损耗和高非线性光学常数的高效差频下变频器件。此外，因为这种结构对光学破坏具有优良的抵抗力，所以即使在需要引导大功率泵浦光的差频器件中也可以获得稳定的输出特性。作为波导层102，除非线性材料之外还可以使用玻璃、硅、激光介质、半导体等等。只要材料对引导的光是透明的，就可以通过将其加工成波导的形状而实现一种波导。这里应当注意，光学基板是指其表面抛光的高精度不超过光波长的数量级的基板。
在上述说明中，举例说明了两种波长的光作为信号光。然而，在波长复用的情况下，使用具有多种不同波长的大量信号光束。实施例3的光波导器件使得可以对这些波长一起进行波长转换。可以进行波长转换的波长范围取决于畴反转的周期性结构。另外，为了提高相位匹配的波长范围，代替畴反转的周期性结构的均匀周期，部分调整的周期性结构也同样有效。
此外，优选波长λa和λb是不同的值，并且不同地设计在区域307和308的相位匹配波长，从而使得光的这些波长可以相位匹配(参见图5A)。这种结构可以防止信号光转换到不同于预期波长的波长。因此，还可以防止产生噪音和信号强度降低。
上述实施例1到3举例说明在光波导器件中由LiNbO3晶体形成的脊形波导。此外，例如LiTaO3和KTP的非线性材料也可以用于形成脊形波导。
此外，为了光波导器件的更高的效率，优选用切余(off-cut)基板来配置该波导层。通过使用切余基板形成畴反转结构，可以提高畴反转的厚度，因此提高与光波导的重叠，从而可以提高转换效率。假如切余角度定义为θ，这里θ表示在X切割晶体中X和Z轴围绕晶体Y轴旋转的角度，畴反转的厚度随着切余角度而增加。切余角度θ优选为大约3°到15°。
此外，可以利用Z切割基板来形成该波导层。该Z切割基板是有效的，因为它使得可以进行深的畴反转和更宽的用于形成畴反转的区域。在这里，在这种情况下，需要λ/2板使得可以与半导体激光器偏振匹配。一些用于通信的1.5μm波段激光器具有这样的输出光束发散角，该输出光束发散角控制成在垂直方向和水平方向上都具有大致相同的角度。因此，当使用这种激光器时，λ/2板变得不必要，这对于降低成本是有效的。
作为用于使具有不同波长的多个光束入射到光波导的方法，所述多个光束可以使用滤光器在一条光程中复用，然后利用光收集系统使它们入射到波导。本发明的光波导器件便于具有不同波长的光束的单模激发，因此通过使用光收集系统的光激发可以实现有效率的单模激发。
此外，作为用于激发具有多种波长的光束的方法，可以使用光纤耦合器。具有不同波长的光束使用光纤耦合器在一条光纤中复用，然后耦合到本发明的光波导。市场上可买到的光纤耦合器能够高效地复用不同的波长。光纤可以直接与脊形波导的端面耦合。这样，光纤耦合器使得复用的光可以有效地与光波导耦合。此时的耦合效率大于或等于80％，并且对于光波导和光纤之间的耦合失配可以获得大的余裕度。图7A示出在本发明一个实施例的光波导器件和光纤之间耦合功率特性和耦合失配的关系图。图7B示出在常规的多模嵌入式光波导器件和光纤之间耦合功率特性和耦合失配的关系图。
横轴上的偏差示出波导的宽度方向上的位移。如图7B所示，即使在它们的最佳位置调整光纤和光波导时，由于在光波导中传播模式的电场和在光纤中传播的电场的差异，也可以同时传播零阶模式和一阶模式。此外，从图7B可以理解，如果光纤从耦合位置的最佳值略微偏移，一阶模式的百分比将提高，而零阶模式将大大减少。这样，在常规的多模波导中，很难选择性地引导单模，并且该偏差促进了朝向多模的趋势。因此，在这种波导中的调整相当难。另一方面，如图7A所示，根据本发明一个实施例的光波导器件具有这样一种耦合特性，即抑制了由于偏差而朝向多模的趋势。因此，即使在多模波导中也可以容易地进行单模激发，并且可以提供大的偏差余裕度。
这里应当注意，关于光纤耦合的特性类似地适用于使用光收集系统的波导的耦合特性。
上述实施例举例说明使用直波导的光波导器件。然而，除此之外，使用Y形支管、定向耦合器和弯曲波导管的光波导也同样有效。
例如，根据本发明实施例的光波导器件可以有效地用于控制多个光束的光波导激光器、光放大波导和光波导器件。波导激光器和波导放大器需要短波光作为泵浦光和产生长波光作为激光或者光放大。可以通过使用掺杂Er、Nd、Ps、Tu等等的激光介质作为根据本发明实施例的光波导器件的波导层来实现光波导激光器。该光波导激光器为引导光(激光)提供与入射光(泵浦光)相比更长的波长，并且由于波导的设计而给入射光提供多模。然而，当泵浦光以多模传播时，泵浦效率大大地降低。对于避免这种情况，根据本实施例的光波导器件非常有效。
图8是示出使用根据本发明一个实施例的光波导器件的光波导激光器500的结构的透视图。例如，本实施例的光波导激光器500构造成如图8所示，从而在根据如图1所示的实施例1的光波导器件100的端部设置半导体激光器501。从半导体激光器501发出的光入射到光波导器件100，并且从光波导器件100发出高效的激光。对于泵浦光和激光两者来说，都可以单模传播，因此可以实现高效的波导激光器。
实施例4
以下说明根据本发明实施例4的光学装置。通过将光纤与实施例1到3的光波导器件的光波导的入射和出射端面进行耦合，可以实现各种光学装置。例如，在波长复用通信中，光的多种波长可以一起转换为其它波长。此外，由于利用非线性光学效应而以极高的速度进行波长转换，因此这种光学装置对于高速通信相当有效。图9示意性示出根据实施例4的光学装置的结构。例如，根据实施例4的光学装置600具有光波导器件601、光纤602和光纤603。设置光纤602以便使其与光波导器件601的入射端耦合，并且分支为两个光纤。设置光纤603以便使其与光波导器件601的出射端耦合。多个输入信号束604从一个光纤分支602输入到光波导器件601。泵浦光605从另一个光纤分支602输入到光波导器件601。通过光波导器件601来转换多个输入信号光束604的波长。经过波长转换的多个输出光束606从光波导器件601的出射端输出到光纤603。
在这里，作为光波导器件601，可以使用实施例1到3所示的光波导器件中的一个。
如上所述，根据本发明，可以提供一种光波导器件，该光波导器件即使是光波导处于多模条件也可以选择性地激发单模光，并且可以提供一种使用该光波导器件的光波导激光器和装有该光波导器件的光学装置。
工业实用性
本发明的光波导器件、使用该光波导器件的光波导激光器和装有该光波导器件的光学装置可以用于例如光信息处理领域以及光学应用测量和控制领域。
Claims (15)
1、一种光波导器件，包括转换入射光波长并且发射波长转换的光的波导层，该光波导器件包括：
设置在该波导层中的脊形波导；和
形成在该脊形波导两侧的条形波导，在该脊形波导和该条形波导之间插入有凹槽部分，
其中该波导层满足对于该入射光的多模条件，并且
传播通过该脊形波导的光为单模，
该脊形波导具有周期性畴反转结构，
该畴反转结构具有畴反转周期不同的两个区域，在光的传播方向上串联设置所述区域，
该入射光包括多种波长的光，
此外除所述入射光外还有第一泵浦光与第二泵浦光入射，
假设该两个区域中更接近于光的入射侧的区域是第一区域，而另一个区域是第二区域，
在第一区域，该入射光转换为相对于所述第一泵浦光的差频光，并且
在第二区域，在第一区域转换的该差频光转换为相对于所述第二泵浦光的差频光。
2、一种光波导器件，包括转换入射光波长并且发射波长转换的光的波导层，该光波导器件包括：
设置在该波导层中的脊形波导；和
形成在该脊形波导两侧的条形波导，在该脊形波导和该条形波导之间插入有凹槽部分，
其中该波导层满足对于该入射光的多模条件，并且
传播通过该脊形波导的光为单模，
在该波导层上层叠两层或更多覆盖层。
3、根据权利要求1或2所述的光波导器件，其中所述入射光的波长小于所述波长转换的光的波长。
4、根据权利要求1或2所述的光波导器件，
其中该波导层由非线性光学晶体形成，并且
所述波长转换的光的波长是所述入射光波长的两倍。
5、根据权利要求1或2所述的光波导器件，
其中该波导层由非线性光学晶体形成，
该入射光包括多种波长的光，
此外除了该入射光还有泵浦光入射到该光波导器件，并且
所述波长转换的光是所述泵浦光和所述入射光之间的差频光。
6、根据权利要求1或2所述的光波导器件，其中该脊形波导的宽度比该条形波导的宽度窄。
7、根据权利要求1或2所述的光波导器件，其中该波导层包括由非线性光学晶体形成的薄膜。
8、根据权利要求7所述的光波导器件，其中该薄膜粘接到光学基板。
9、根据权利要求7所述的光波导器件，其中该薄膜直接连接到光学基板。
10、根据权利要求2所述的光波导器件，其中所述覆盖层中与该脊形波导接触的覆盖层的折射率高于其它覆盖层的折射率。
11、根据权利要求2所述的光波导器件，其中与该脊形波导接触的该覆盖层包括含Nb的氧化物。
12、根据权利要求1或2所述的光波导器件，其中该波导层在深度方向上具有步进分布的折射率。
13、一种光波导激光器，包括：
光源；和
根据权利要求1到12中任何一项所述的光波导器件，
其中该光波导器件的该波导层包括激光介质。
14、根据权利要求13所述的光波导激光器，其中该波导层包括选自由Er、Nd、Pr和Tu构成的组中的至少一种。
15、一种光学装置，包括根据权利要求1到12中任何一项所述的光波导器件。
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