CN100409098C - 光学波导设备、采用它的相干光源和具有它的光学装置 - Google Patents
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Abstract
一种光学波导设备包括由非线性光学材料组成的基板和具有与该非线性光学材料相同成分的周期性的畴反转结构。该畴反转结构具有依赖于该畴反转结构的折射率分布。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于光学信息处理和光学应用测量控制领域的光学波导设备、采用它的相干光源和具有它的光学装置。
背景技术
对于用于记录和再现光学信息的装置来说，通过使用具有更短波长的光源可以实现高密度。例如，对于通用的致密盘装置来说使用的是780nm的近红外光，而在数字通用磁盘(DVD)中使用的是650nm的红色半导体激光器，数字通用磁盘实现了更高密度的信息再现。此外，为了实现高密度的下一代光盘装置，具有更短波长的蓝色激光光源一直在迅猛发展中。例如，已经研制出一种采用非线性光学材料的波长转换器，用于小且稳定的蓝色激光光源。
例如，采用周期性畴反转结构(periodically domain-invertedstructure)的QPM(准相位匹配)-SHG(二次谐波发生)元件能够实现高效率波长转换。然而，由于转换波长的容差极其狭窄，故应该将激发光源的波长固定到相位匹配波长，以便获得稳定的光源性能。为了提供小的光源，必须采用半导体激光器作为基本光源。然而，由于这种半导体激光器具有宽的增益并且振荡波长容易波动，因此一种用于稳定波长的技术将具有重要的意义。这里，相位匹配波长指的是基波的波长，该基波是在周期性畴反转结构中所传输的基波被转化为谐波的情况下的基波。
一种通过采用QPM-SHG元件和半导体激光器来提供稳定光源的技术是在这种QPM-SHG元件中整体结合DBR(分布式布拉格反射器)光栅。这种方法包括采用具有波长选择性的DBR光栅，以便通过光反馈将半导体激光器的振荡波长固定到DBR光栅的反射波长。
具体说，对于光学波导型QPM-SHG元件来说，在该光学波导上形成DBR光栅结构。这种DBR光栅可以通过蚀刻、光刻胶-光栅等方法在光学波导上形成。在这种构造中，通过将反射光束从DBR光栅反馈到半导体激光器，该半导体激光器的振荡波长就能够固定到这个反射波长。
对于在SHG元件上形成DBR光栅的方法来说，有人提出了使用用于准相位匹配的周期性畴反转结构作为DBR光栅。对于该周期性畴反转结构来说，使用了Ti扩散的LiNbO3。已知当Ti热扩散进LiNbO3晶体时，扩散部分的偏振将会反转。由于与此同时扩散部分的折射率增加，因此它也起到了具有周期性变化折射率的折射率光栅的作用。因此，该畴反转结构可以用于DBR光栅。并且半导体激光器的振荡波长能够通过调谐(harmonize)DBR反射波长和相位匹配波长而得到固定。由此，能够实现具有稳定输出的波长转换器。也即是，可以提供一种具有半导体激光器以及与其相互集成的SHG元件的短波长光源。
类似的方法应用于KTP晶体。当KTP晶体经过与Rb的离子交换处理时，偏振发生反转，同时，离子交换部分的折射率增加。利用这种现象来形成畴反转结构，并且由此可以形成QPM结构和DBR光栅。以这种方式。提供短波长光源。
例如，JP H06(1994)-194708中公开了用来形成这种DBR光栅的方法。
然而，上述畴反转结构由于其伴随有晶体成分的改变而在折射率以及畴反转结构方面产生了变化。原因是，在形成畴反转结构时采用了金属扩散或者离子交换。然而，这种在晶体成分方面的改变可以导致晶体本身的劣化，并且它可以引起例如晶体劣化和抗光学损坏的降低这样的问题。因而，这种结构不能用于能够实现高效率地传输高输出光的光学波导设备中。
例如，能够采用通过对LiNbO3晶体进行Ti扩散形成的周期性畴反转结构作为DBR光栅，由于其伴随着折射率的增加。然而，通过在LiNbO3基板上进行Ti扩散得到的畴反转不会提供畴反转的足够深度。特别是，形成周期不超过3μm的畴反转结构是很难的，这个周期是约400nm或者更小的波长所需要的。此外，当扩散Ti时，光学波导中的杂质浓度增加了，并且对光学损坏的抵抗力会降低。结果，在输出至少是几豪瓦时输出是不稳定的。
在用Rb对KTP晶体进行离子交换的方法中，通过Rb离子交换可以提供一种畴反转结构以及折射率的改变。然而，由于Rb作为杂质进入晶体中，因此与Ti扩散的情况类似，难于提供高输出。此外，由于用Rb离子交换导致离子交换部位和未交换部位之间在光栅常数上具有大的差别，因此在晶体的反转部位可能出现形变等，由此增加了光学波导的传输损耗。
近来，用于在非线性光学晶体中畴反转的技术得到进一步发展。上述通过原始离子交换或者金属扩散形成畴反转的方法已经由一种通过图案电极来施加高电场脉冲产生畴反转结构的方法所取代。具体地说，一种通过图案电极将高电压脉冲施加到铁电物质上的方法能够形成均匀的畴反转结构并且不会改变晶体的组成，以及还能够以高长宽比(aspect ratio)形成畴反转形状。当以这种方法形成畴反转结构的时候，通过稍稍改变晶体中原子的分布，非线性偏振的方向就会反转，并且这不会伴随有晶体结构和晶体成分的改变。由于不会混入杂质，就不会出现例如晶体劣化或者对光学损坏抵抗力的劣化这样的问题。高度的非线性和对光学损坏的高抵抗力得以实现，并且因而可以提供具备高效率和高输出的光学波导设备。然而，由于晶体成分没有改变，因此折射率不会发生改变，因而它不能用作DBR光栅。
由于在畴反转结构中晶体成分没有改变，就不会出现光学变化，因而该畴反转结构就不能象现有技术中一样用作折射率光栅结构。也即是，当在晶体结构中，其畴反转部分和未畴反转部分没有差别的时候，就不会出现光学差别。因此，不会形成折射型光栅结构。
发明内容
考虑上述问题，本发明的一个目的是提供一种如本发明所述的光学波导设备、采用该设备的相干光源和具有该设备的光学装置，其将提供高效且稳定的短波长光源。
根据本发明的光学波导设备包括：由非线性光学材料制成的基板，和形成在该基板上、由与该基板的成分相同的成分制成的周期性畴反转结构，其中该畴反转结构具有依赖于该结构的折射率分布。由此，能够实现高度的非线性和对光学损坏的高抵抗力，使得能够实现具有高效和高输出的DBR光栅，并且因而将它用作例如波长转换器。
另外优选的是，通过在该基板的偏振方向上施加电压形成该畴反转结构。由此，由于不会出现晶体成分的改变，因此能够实现具备高效和高输出的光学波导设备。
另外优选的是，由该非线性光学材料制成的该基板是切余基板。由此，不管通过施加电场所形成的它的畴反转结构，形成了因折射率改变的DBR光栅。
另外优选的是，该基板的切余角相对于该基板表面倾斜范围在1°到10°。由此，增加了来自DBR光栅的反射率。
另外优选的是，该基板具有一个薄膜形式的光学衬底，经由粘结层粘合到该基板的一个面。由此，增加了来自DBR光栅的反射率。
另外优选的是，在至少该基板的表面或者背面上形成凸起，并且该畴反转结构在该凸起上形成为条形。这样提供脊型光学波导设备，其中所形成的晶体畸变不会受到畴反转的影响，并且因而能够保持折射率的变化。结果，能够实现高的DBR反射，并且该DBR光栅具有高的效率。
另外优选的是，该非线性光学材料是掺Mg的LiNb(1-x)TaxO3，其中0≤x≤1。由此，形成该畴反转结构。
另外优选的是，该非线性光学材料是掺Mg的LiNbO3晶体，其中该相位匹配波长与布拉格反射波长调谐，并且该布拉格反射波长λ满足关系λ1＜λ＜λ2，以及关系λ1＝635+48×n(nm)且λ2＝1.02×λ1(nm)，其中n＝0，1，2，或者，当λ大于由上面等式得到的值时，λ1＝774+40×n(nm)且λ2＝1.02×λ1(nm)，其中n＝0，1，2，3，4...。结果，该布拉格反射波长λ和该相位匹配波长彼此调谐，并且因此能够产生谐波。
另外优选的是，该非线性光学材料是掺Mg的LiNbO3晶体，其中相位匹配波长与布拉格反射波长调谐，并且该布拉格反射波长λ满足关系λ1＜λ＜λ2，以及关系λ1＝613+48×n(nm)且λ2＝1.02×λ1(nm)，其中n＝0，1，2，或者λ1＝754+40×n(nm)且λ2＝1.02×λ1(nm)，其中n＝0，1，2，3，4......。结果，该布拉格反射波长λ和该相位匹配波长彼此调谐，并且因此能够产生谐波。
另外优选的是，该畴反转结构由波长转换部分和分布式布拉格反射器(DBR)部分组成，其中该波长转换部分的相位匹配波长等于该分布式布拉格反射器部分的布拉格反射波长，并且该波长转换部分的相位匹配波长和该波长转换部分的布拉格反射波长之差为至少5nm。结果，该布拉格反射波长λ和该相位匹配波长彼此调谐，并且因此能够产生谐波。
根据本发明的相干光源具有半导体激光器和如上所述的光学波导设备，以及从该半导体激光器发出的光束进入该光学波导设备。这样，能够实现一种相干光源，它能够发出高效且稳定的短波长光束。
根据本发明的光学装置具有上述相干光源。以这种方式，能够实现一种具有高输出的相干光源的光学装置。
附图说明
图1是显示采用本发明第一实施例中的光学波导设备的相干光源的构造的透视图；
图2A是显示形成周期性畴反转结构的过程的示意图；
图2B是显示形成周期性畴反转结构的过程的示意图；
图2C是显示形成周期性畴反转结构的过程的示意图；
图2D是显示形成周期性畴反转结构的过程的示意图；
图3A是显示形成脊型光学波导结构的过程的示意图；
图3B是显示形成脊型光学波导结构的过程的示意图；
图3C是显示形成脊型光学波导结构的过程的示意图；
图4是显示采用了第一实施例中的光学波导设备的相干光源的另一构造的例子的透视图；
图5是显示采用第二实施例中的光学波导设备的相干光源的构造的例子的透视图；以及
图6是显示第三实施例中的光学装置的构造的示意图。
具体实施方式
通常，铁电物质中的畴反转是由于晶体结构的改变引起的。然而，由于仅仅是晶体结构反转，而在该畴反转结构中没有结构上的和/或者成分的改变，因而在折射率等方面不会产生改变。有报告指出，当通过施加电场使偏振反转的时候，内电场剩余，使得折射率因电光效应而暂时性地改变。然而，这个折射率的改变是暂时性的，这样它随时间而消失。此外，该折射率的改变是不稳定的，具体说它在大约100℃的相对低温的工艺中消失。
然而，本发明人发现，当在非线性光学材料上形成畴反转结构时，依赖于该结构的周期性折射率的变化可以永久地保持。基于此，本发明人完成了本发明中的光学波导设备。
以下，更具体地描述一些实施例。
(第一实施例)
下面将描述本发明第一实施例中的光学波导设备以及使用该设备的光源。图1是显示采用本发明第一实施例中的光学波导设备的相干光源的示意图。第一实施例中的相干光源100具有半导体激光器101和作为光波长转换器的光学波导设备108。
光学波导设备108是通过将掺Mg的LiNbO3晶体的切余(offcut)薄膜层103经由粘结层104粘贴到LN基板102上而构成的。在薄膜层103上，形成条状凸起106。具有这个凸起106作为脊形波导的光学波导设备108是所谓的脊型波导结构。在该薄膜层103上，形成了周期性畴反转区域105。由于薄膜层103是由切余基板制得的，因此该畴反转区域105的偏振方向107相对于薄膜层103的表面是倾斜的。对于半导体激光器101来说，例如，采用法布里-珀罗(Fabry-Perot)型AlGaAs半导体激光器。畴反转区域105具有大约2.8μm的畴反转周期，并且相位匹配波长为大约820nm。畴反转区域105具有周期的折射率分布，并且表现出DBR光栅的特性。
从半导体激光器101发射的光束进入光学波导设备108，以进行畴反转区域105的波长选择并且反馈到半导体激光器101中。由此，从该半导体激光器101发射的光就固定到820nm波长，这个波长是畴反转区域105的DBR反射波长之一，其在该半导体激光器101振荡增益附近。以这种方式，该相干光源100就发射出高效率和稳定的短波长光束。如上所述，通过调谐具有DBR光栅性质的畴反转区域105中的相位匹配波长和DBR反射波长，就能够将该半导体激光器101发射的光束的波长稳定地转换。
接下来，参照图2A-2D和图3A-3C描述一种用来制造光学波导设备108的方法。图2A-2D是显示形成周期性畴反转结构的过程的示意图，图3A-3C是显示形成脊型光学波导结构的过程的示意图。
首先，如图2A所示，在掺Mg的LiNbO3基板201上形成Ta等金属膜202，作为5°切余(5°-offcut)的基板。为了获得均匀变化的折射率，该LiNbO3基板上Mg的摩尔浓度优选在4.8到6摩尔％范围内。在这个掺Mg的LiNbO3基板201中，Mg的摩尔浓度是例如5摩尔％。该5°切余的基板指的是C轴相对于晶体表面倾斜5°的基板。
接下来，如图2B所示，使形成于该掺Mg的LiNbO3基板201上的金属膜202经过光干蚀处理，以便在基板201上形成具有周期性图案的梳状电极203以及与该梳状电极203成对的条形电极204。
接下来，如图2C所示，在掺Mg的LiNbO3基板201以及形成其上的梳状电极203和条形电极204上形成绝缘膜205、例如SiO2膜。
接下来，如图2D所示，在梳状电极203和条形电极204之间在该掺Mg的LiNbO3基板201的偏振方向上施加脉冲电压，以使在该掺Mg的LiNbO3基板201上按照梳状电极203的图案形状形成周期性畴反转结构206。以这种方式形成了具有畴反转结构的基板200。
接下来，参照下面图3A-3C解释制造具有如图1的脊型光学波导结构的光学波导设备108的方法，其使用了基板200。图3A-3C是显示基板200沿图2D中‘A’方向的截面图。首先，如图3A所示，在如图2D所示结构的绝缘膜205的一个表面上粘贴LN基板(＝LiNbO3)207。在图2D中，相对于基板201倾斜设置的畴反转结构206具有仅仅大约几度的倾斜度。因此，尽管该畴反转结构206相对于基板201实际上倾斜了几度，但是为了方便起见，在图3A-3C每一幅图中图示为平行的。
接下来，如图3B所示，将掺Mg的LiNbO3基板201磨蚀到几微米厚。由此，该畴反转结构206其表面暴露出来。
接下来，如图3C所示，使该畴反转结构206进一步经过成脊处理(ridge-process)，以便形成脊型光学波导。以这种方式，就制造出如图1所示的光学波导设备108。在图3C中，与图1中各个元件相对应的元件用圆括号内的符号表示。
作为光学波导型SHG元件的光学波导设备108具有高转换效率和出色的抗光学损坏力。其原因如下。
首先，与普通的光学波导设备不同，该光学波导设备108形成时没有为了增加它的光学波导的折射率而注入杂质。该光学波导设备108的脊型波导是一个不含有杂质的整块的掺Mg的LiNbO3晶体。因此，该光学波导设备108具有高的非线性和高的抗光学损坏力，由此提供高效和高输出的光波长转换器。
关于具有如上述方法制得的周期性畴反转结构的光学波导设备108，对于在815nm波长附近的光来说，在实际的测量中可观察到具有选择性的反射。在另一个检测中，观察到以400nm波长的间隔的类似的反射，因而发现，波长依赖于畴反转周期。
此外，尽管光学波导设备108具有通过施加电场形成的畴反转结构206，但是还形成了引起折射率改变的DBR光栅。这些因素之一在于采用切余基板作为基板201。如上所述，切余基板指的是晶体的C轴相对于该基板表面是倾斜的基板。该晶体的C轴和该基板表面所形成的角度成为切余角。常规的光学波导设备一直是通过采用具有Z切(Z-cut)或者X切(X-cut)的晶体取向的基板形成的。在第一实施例中，使用掺Mg的LiNbO3的切余基板来制造光学波导设备108。在通过将电场施加到该切余基板而形成畴反转区域105的情形中，如此形成的畴反转区域105在相对于光学波导设备108的表面倾斜的深度方向上沿偏振方向生长为针形。由于在以倾斜方向上生长该畴反转的同时在该晶体中出现非对称形变，且形变在反转部分和未反转部分的交界处残留，所以认为由此导致了折射率的变化。也即，使在畴反转部分和未畴反转部分的交界处的一定的晶体畸变保持，以产生折射率方面的差别，从而显然地形成折射率光栅结构。另一方面，在采用类似的方法形成相对于Z切和X切基板的畴反转时，基本上不会形成周期性的折射率分布。
当切余角在1°到10°范围内时，可观察到大的DBR反射。可以使用10°到30°范围内的切余角作为DBR光栅结构，因为在这个范围可以观察到折射率的改变。因此，可以工作的切余角范围为1°到30°，但是特别优选的范围是1°到10°。
这里所用的切余基板包括切余X基板，切余Y基板和切余XY基板。切余X基板是基本上X切的基板，其中该基板表面平行于Y轴并且C轴相对于基板表面倾斜一个角度θ。至于切余Y基板，其基板表面和X轴是互相平行的，并且基板表面和C轴相互间倾斜一个角度θ。切余XY基板不是这些基板中的任何一种(也即，基板面既不平行于X，也不平行于Y)。在这些基板中，切余Y基板在其加工为周期性畴反转结构时在折射率方面具有最大的变化并且具有最大的布拉格反射。切余XY基板在折射率方面的变化和在布拉格反射方面次之，切余X基板第三。特别地，切余XY基板是优选的，因为光学波导设备108的传输损耗在基板表面与X轴和Y轴倾斜至少5°的位置趋于减小。
此外，以上述方法制造的光学波导设备108中的DBR光栅结构是热稳定的。例如，当基波进入光学波导设备108(通过在长度为10mm的5°切余基板上形成周期为2.8μm的畴反转结构而制得的)中的时候，对于波长为820nm的基波来说可以观察到至少90％的反射率。
此外，将该光学波导设备108退火以检查在反射率方面的变化。该退火在400℃和600℃温度下进行至少5小时，并且随后测量反射率。结果表明，在退火之前和之后，对于任何样品，关于DBR反射波长和反射率，在反射率方面没有变化。这表示在该畴反转结构105中形成的折射率光栅是显著的稳定。即使将该样品保持在一个未受控制的环境下几个月，仍然未发现该光学波导设备108的反射波长和反射率性能有变化，由此表明形成了永久稳定的折射率光栅。
该畴反转区域105起到折射率光栅作用的因素之一在于如图1所示的光学波导结构。也即，如上所述，畴反转区域105形成为薄膜，以用作光学波导。具体地说，通过将薄膜层103制造成厚度大约为3-4μm，该光学波导设备的功能将表现得更为有利。由于膜厚的减小，来自DBR光栅的反射率增加了。这个原因可能在于，晶体在畴反转部分的形变由于膜厚的减小而得以加强，由此增加了折射率的变化。薄膜层103的厚度优选为10μm或者更小。更优选地，该厚度为5μm或者更小，以便增加畴反转区域105的折射率的变化。
通过将光学波导设备108制造为成脊处理过的波导，与形成为畴反转结构的质子交换波导那种情形相比来说，来自DBR光栅的反射率增加了。通常，采用这种质子交换波导来作为畴反转结构的光学波导，因为其能够形成低损耗和均匀的波导。然而，在一个观测中，在使如此形成的畴反转结构经受质子交换的时候，DBR光栅的反射率减小了很多，这很可能是因为，由于畴反转所形成的晶体畸变在进行质子交换的时候松懈下来了。
由于光学波导设备108是通过磨蚀和成脊加工所得到的，因此该畴反转区域105不会遭受任何化学处理。因此，所形成的晶体畸变将不会受到畴反转结构的影响，并且因而在折射率方面的变化可以保持。这是有利的，因为能够实现高的DBR反射，并且提高了DBR光栅的效率。
即使是质子交换波导，在制造中使用了切余基板的时候，也观察到DBR反射。因此，尽管DBR反射由于质子交换而减小的很多，但是，根据上述制造过程，在质子交换波导中还是能够形成具有畴反转结构的DBR光栅。
作为非线性光学晶体的掺Mg的LiNbO3用作构成DBR光栅的基板(薄膜层103)也是有利的。当通常使用的LiNbO3基板是切余基板的时候，难以形成一个均匀的光栅。如果是畴反转结构，那么难以形成DBR光栅。对于非线性光学晶体来说，可以使用掺Mg的LiNbO(1-x)TaxO3(0≤x≤1)。例如，任一下列晶体同样可以用作非线性光学晶体：掺Mg的LiTaO3，掺Mg的LiNbO3，掺Mg的LiTaO3和掺Mg的LiNbO3的混合晶体，掺Mg的化学计算的LiNbO3，掺Mg的化学计算的LiTaO3，和掺Mg的化学计算的LiNbO3和掺Mg的化学计算的LiTaO3的混合晶体。
对于相当的LiNbO3晶体，Mg的掺杂量为大约4.8摩尔％到大约6摩尔％是有利的。当掺杂量超过6摩尔％，畴反转的形成会受阻。当掺杂量小于4.8摩尔％，基板201对于光学损坏的抵抗力会下降很多。对于化学计算的LiNbO3来说，Mg的掺杂量优选为至少1.5摩尔％。
当光从该相干光源100中输出的时候，优选的是，从半导体激光器101发出的光进入光学波导设备108，并且从半导体激光器101发出的光的增益峰值波长和来自畴反转区域105的DBR反射的波长基本上彼此相等。当所述波长相差很大的时候，该半导体激光器的振荡波长将不会固定到DBR反射波长。在一个试验中，要求这两个波长的差不超过5nm。更优选的是，该差不超过2nm，因为所述输出变得稳定。
当形成光学波导设备108的时候，可以用粘结剂将作为薄膜的非线性光学材料粘贴到LN基板102。或者，也可以使用例如直接粘合的技术。
上面的描述是关于该光学波导设备108具有使用了畴反转结构的DBR光栅结构的情形。可以将这种因畴反转结构引起的折射率方面的变化应用到其它设备，例如各种光栅设备、相位调制器、开关、波长选择光栅、波长分割/组合设备等、以及偏振器等，还有如下配置的光学波导设备等，即提供了局部的折射率分布给它的波导。该畴反转结构可以形成为任意形状，它是有效的。
或者，第一实施例中的相干光源100可以通过将光学波导设备108直接粘合到半导体激光器101的方式来配置。或者，除了光学波导设备108和半导体激光器101之外，可以使用透镜光学系统来配置。通过如上所述配置，可以将光学波导设备108和半导体激光器101更为容易地进行光学耦合。
下列描述是关于波长条件，针对的是在由半导体激光器101和光学波导设备108组成的相干光源100中获得谐波输出的情形。将法布里-珀罗半导体激光器101固定到由畴反转结构提供的DBR反射波长，并且稳定地振荡。此外，通过由温度控制来调谐DBR反射波长和相位匹配波长，能够获得稳定的谐波。
对于具有这些半导体激光器101和光学波导设备108的高效相干光源100的形成来说，必须要将光学波导设备108的相位匹配波长的DBR反射波长相互调谐。由于相位匹配波长和DBR反射波长各自都是依赖于该畴反转结构的周期性结构的值，因此对于光学波导设备108的相位匹配波长以及DBR反射波长的调谐来说，存在一定的规则。具体说，已经发现，当从位于DBR反射波长和相位匹配波长之间的一个调谐点偏移时，可以获得一个最佳条件，这个调谐点是基于从晶体的色散特性获得的条件计算出的。
考虑理由如下。由于光学波导设备108具有的结构是通过将该晶体本身处理为脊型波导状态的，这与常规技术不同，所以该光学波导中的DBR条件变得与相位匹配条件不同。
下面是为了在室温(0℃到100℃)左右获得相干光源100的最佳输出波长的一个试验的结果。首先，针对DBR光栅具有与相位匹配波长调谐的奇数阶的DBR反射波长这一情况，DBR反射波长λ满足下面条件。
DBR反射波长λ满足λ1＜λ＜λ2。这里，λ1＝635+48×n(nm)，λ2＝1.02×λ1(nm)，其中(n＝0，1，2)。当DBR反射波长λ大于由上面等式得到的值的时候，λ1＝774+40×n(nm)，λ2＝1.02×λ1(nm)，其中(n＝0，1，2，3，4......)。这里，根据光学波导设备108的脊部分的宽度和厚度情况，λ取λ1和λ2之间的一个值。
也即，DBR反射波长λ和相位匹配波长彼此调谐时的波长每隔约40nm出现。DBR光栅的阶是第15，并且每隔奇数阶获得一个反射。由于该畴反转结构对于将基波转换为二阶谐波的非线性光栅具有第一阶周期性结构，因此在转换效率取最大值的点，畴反转部分相对非畴反转部分的占空比为50％。得到误差为1％到2％的精确测定数据。对于光学波导设备108来说其余的条件基本上是相对于基波的单模条件，并且因此其不会对波导的形状有很大的依赖。
通过改变光学波导设备108的温度，能够精确地调谐该DBR反射波长和相位匹配波长。相位匹配波长和DBR反射波长两者都具有温度依赖性。例如，相位匹配波长的温度依赖性是0.06nm/℃，DBR反射波长的温度依赖性是0.026nm/℃。因此，通过利用因温度变化引起的波长波动，能够精确地调谐相位匹配波长和DBR反射波长。在一个替换方法中，在光学波导设备108上形成一个电极结构，将电压施加其上以便改变光学波导设备108的执行折射率，用于使DBR反射波长和相位匹配波长互相调谐。
光学波导设备108具有12mm的长度、大约2.8μm的畴反转周期、以及大约820nm的相位匹配波长。相位匹配波长和DBR反射波长基本上互相调谐。然而，由于DBR光栅具有大约90％的反射率，因此几乎所有的光束都发生反射。光波长转换器的转换效率在DBR光栅的反射较多的时候会降低。此外，当反馈到半导体激光器101的功率过大的时候，半导体激光器101可能会因为其端面的损坏而遭受毁坏。因此，优选将DBR光栅的反射率抑制到10％或者更低。
通过控制畴反转区域105的占空比来控制该DBR光栅的反射率。也即是说，通过将畴反转区域105的宽度偏移0.1μm，能够控制DBR光栅的反射率，因此DBR光栅的反射率能够在不会降低光波长转换器的转换效率的情况下得到调整。
类似地，对于偶数阶DBR波长来说，同样能够使DBR反射波长和相位匹配波长互相调谐。在这种情况下，DBR反射波长λ满足关系λ1＜λ＜λ2，这里，λ1＝613+48×n(nm)，λ2＝1.02×λ1(nm)，其中(n＝0，1，2)。或者，该DBR反射波长满足关系λ1＜λ＜λ2，其中λ1＝754+40×n(nm)，λ2＝1.02×λ1(nm)，其中(n＝0，1，2，3，4......)。
然而，在这种情况下，因畴反转区域105的占空比为50％时不会出现反射，所以必须将该占空比偏离50％。当考虑到相对SHG的转换效率的时候，能够通过使占空比为40-49％并且抑制反射率到10％或者更小而提高该效率。在这种情况下，可以避免由于限制了布拉格反射的反射程度以及占空比从50％偏离引起的转换效率的降低。如果在即使抑制了SHG输出的情况下想要更稳定的特性，那么能够通过将占空比控制在30％到40％的范围内来增加反射率。尽管转换效率降低了，但是能够增加反馈到半导体激光器101的光，从而抑止了半导体激光器101的振荡波长因扰动而引起的波动。
或者，可以这样形成光学波导设备108，使得薄膜层103的凸起106与LN基板102一侧也即与粘结层104接触。图4中示出了一个具体的例子。图4是显示采用了第一实施例中的光学波导设备的相干光源的另一配置的例子的示意图。通过将切余掺Mg的LiNbO3晶体薄膜层303经由粘结层304粘合在LN基板302上而构造出光学波导设备308。薄膜层303具有条形凸起306，并且形成有周期性的畴反转区域305。布置LN基板302和薄膜303，使得凸起306布置在光学波导设备308的内部，面对着LN基板302。相干光源300由光学波导设备308和发射光到光学波导设备308的半导体激光器301构成。如此配置的光学波导设备308能够提供用于与图1中的光学波导设备108类似的光学波导的高效和高输出的DBR光栅结构，并且它能够用于波长转换器。此外，该相干光源300能够发出高效且稳定的短波长光，正如图1中的相干光源100所实现的一样。
(第二实施例)
下面的描述涉及本发明第二实施例中的光学波导设备和采用该设备的相干光源。图5是显示采用第二实施例中的光学波导设备的相干光源的示意图。
如图5所示，第二实施例中的相干光源100a具有光学波导设备108a，它代替了第一实施例中的光学波导设备108，并且该光学波导设备108a的畴反转区域105分为DBR部分112和波长转换部分111。半导体激光器101是与第一实施例类似的法布里-珀罗AlGaAs半导体激光器。然而，与第一实施例不同的是，畴反转区域105具有大约2.7μm的畴反转周期和大约810nm的相位匹配波长。
DBR部分112和波长转换部分111两者都具有周期性的畴反转结构，但是其周期各不相同。对波长转换部分111，选择一个用于相位匹配基波和谐波的周期结构，并且因而通过畴反转结构的非线性光栅来进行波长转换。DBR部分112通过折射率光栅来反射(布拉格反射)一定波长的基波。
在这个结构中，在如第一实施例所提到的条件下，将相位匹配波长和DBR反射波长互相调谐，以提供具有稳定输出的相干光源。
也即，能够将针对DBR光栅的畴反转结构和针对波长转换的畴反转结构彼此分开。由于DBR光栅的第一阶周期小到大约0.2μm，因此通过使用畴反转光栅作为DBR光栅，可以获得高阶光栅。因此，通过针对DBR和波长转换单独设计畴反转，可以优化其各自的设计。在这种情况下，应该注意的是半导体激光器101的增益峰值波长、DBR反射波长和相位匹配波长之间的关系。下面描述所述各个波长之间的这个关系。
DBR部分112的DBR反射波长和波长转换部分111的相位匹配波长互相调谐；波长转换部分111的DBR反射波长和DBR部分112的DBR反射波长之差是5nm或者更多；并且，DBR部分112的DBR反射波长和半导体激光器101的增益峰值波长基本上互相调谐。
通过满足上述条件的设计，能够将该设计优化。如上所述，由于畴反转区域105伴随着折射波长的改变，所以也会因波长转换部分111的畴反转光栅引起DBR反射。当将由半导体激光器101发出的光束固定到来自波长转换部分111的DBR反射波长的时候，由于来自相位匹配波长的差，该波长不再会转换。来自DBR部分112的DBR反射波长与半导体激光器101的增益峰值调谐，并且来自DBR反射波长和来自波长转换部分111两者之差为5nm或者更多，且将半导体激光器101固定到来自DBR部分112的DBR反射波长。当DBR部分112的DBR反射波长和波长转换部分111的DBR反射波长彼此很接近的时候，那么将半导体激光器101的光束固定到哪个波长是不清楚的，由此引起具有这两个波长的多模振荡。这会产生噪音大大增加的问题。从这一点看，所希望的是，将波长转换部分111的相位匹配波长和DBR反射波长彼此分开至少5nm。因此，优选将相位匹配波长设置在一个波长，该波长与第一实施例所提到的相位匹配波长和DBR反射波长彼此调谐的条件下的那个波长具有增加至少5nm的差。
此外，当半导体激光器101的增益峰值接近于波长转换部分的DBR反射波长时，它将会固定到DBR反射波长，并且因此可能不会出现波长转换。因此，优选DBR部分112的DBR反射波长和半导体激光器101的增益峰值波长之差不超过5nm。更优选的是，DBR部分112的DBR反射波长和半导体激光器101的增益峰值波长之差不超过2nm，因为振荡得到进一步的稳定。
这里，DBR部分112是设在光学波导设备108a的入射部分附近的，以便尽可能地缩短离开半导体激光器101的距离。当半导体激光器101通过来自DBR部分112反射的光束被固定的时候，来自DBR部分112的光反馈到半导体激光器101。通常，半导体激光器101中的噪音因从外部返回的光而大大地增加。因此，当光返回到半导体激光器101的时候，激光器将具有外部谐振器结构以及内部谐振器结构，也即，激光器具有组合谐振器结构。
因此，当DBR部分112设在光学波导设备108a(与半导体激光器101相反)的出口附近的时候，该组合谐振器的谐振器长度将各不相同，并且谐振器长度会在环境温度改变等影响下直接发生改变。结果，谐振器结构将是不稳定的并且振荡噪音将会增加。
另一方面，当半导体激光器101和光学波导设备108a直接粘合在一起并且DBR部分112设在光学波导设备108a的入射端部一侧(半导体激光器101一侧)的时候，半导体激光器101的发射端面和DBR光栅的反射端面基本上能够彼此调谐，由此避免了因组合谐振器结构引起的噪音。
如上所述，需要将DBR部分112布置在光学波导设备108a的入射端面附近，并且该DBR光栅构成入射端面。第一实施例可以同样地实施。类似地，当把相位匹配光栅用作DBR光栅时，优选将半导体激光器101直接粘合。另外优选的是，畴反转区域105也构成光学波导设备108a的入射端面。
通过调制半导体激光器101的驱动电流，相干光源100a的输出可以因输出调制是湍流的。也即，当由于驱动电流之故半导体激光器101产生温度变化的时候，半导体激光器101的谐振器长度就会改变，并且因而半导体激光器101的振荡波长会改变。换句话说，当调制半导体激光器101的输出的时候，振荡波长会同时得到调制。
对于非线性光学晶体，同样可以使用掺Mg的LiNb(1-x)TaxO3(0≤x≤1)。例如，任一下列晶体同样可以用作非线性光学晶体：掺Mg的LiTaO3，掺Mg的LiNbO3，掺Mg的LiTaO3和掺Mg的LiNbO3的混合晶体，掺Mg的化学计算的LiNbO3，掺Mg的化学计算的LiTaO3，和掺Mg的化学计算的LiNbO3和掺Mg的化学计算的LiTaO3的混合晶体。
光学波导设备108a具有窄的波长容差，因而，即使波长波动小到不超过0.1nm，转换效率也会改变很多。因此，在半导体激光器101的输出调制中，由于半导体激光器101的输出和波长的调制，谐波输出发生改变，由此形成复杂的输出波形。结果，很难在需要稳定的波形调制光波长转换器的输出。为了避免这一点，使用法布里-珀罗标准具半导体激光器作为该半导体激光器101。或者，可以使用具有相位调制部分的半导体激光器。通过在半导体激光器101中加入相位调制部分(未示出)并且将调制电流施加到该相位调制部分，就可以抑制在对半导体激光器的输出进行调制的时候出现的波长波动，并且便于波长转换器的输出调制。在第一实施例中，通过在半导体激光器101中加入相位调制部分，可以获得类似的效果。
(第三实施例)
下面描述本发明的光学装置的一个实施例。该光学装置的例子包括光学拾取装置。图6是显示第三实施例中的光学拾取系统的构造的示意图。第三实施例中的光学拾取装置400具有相干光源401、作为会聚光学系统的透镜402和404、分束器403和光电探测器405。对于相干光源401来说，可以使用图1、4和5中所示的第一和第二实施例中任一相干光源100、300和100a。
如图6所示，从相干光源401发出的光束407通过作为光学会聚系统的透镜402、分束器403和作为光学会聚系统的透镜404，会聚到光盘406的表面。这样会聚的光束在光盘406的表面发生反射，再次通过透镜404，并且它相对分束器403改变传播方向，从而被导入光电探测器405。通过使用光电探测器405探测由光盘406所反射的光束，就能够读出写在光盘406上的信息。还可以将相干光源401发出的光束407会聚到光盘406上，由此将信息写入光盘406。
如上所述，由于相干光源401是第一和第二实施例中的任一相干光源100、300和100a，因此，它能够发出具有410nm波长的短波长光束。因此，能够实现高密度的光学信息记录。
由于相干光源401(相干光源100、300或者100a)将光限制在几个微米宽和厚的光学波导设备中，因此该光学波导具有显著增强的功率密度。因此，在该光学波导的传输方向上产生一个温度分布。由于该温度分布，会产生一个用来将基波转换为谐波的相位匹配条件的分布。结果，相位匹配条件将难以建立，并且相干光源401(相干光源100、300或者100a)的输出可能会劣化。然而，由于采用了具有高导热性的金属的粘结层104、304、104a，因此提高了光学波导的导热性，并且因而减小了光学波导的温度分布。这样就提供了一个高输出的相干光源401(相干光源100、300或者100a)。在第三实施例的光学拾取装置400中，能够提供50mW或者更大的短波长光束，该光束可以对两层的磁盘写入，这对于低输出是困难的。此外，它能够实现高速写入。
对于具有第一到第三实施例中的相干光源100、300和100a的光学装置来说，例如，可以使用例如激光扫描显微镜以及上述光学拾取系统装置这样的相干光学系统装置。
根据本发明，由于来自半导体激光器的光的进入，因此可以稳定该半导体激光器的波长，并且因而能够提供一种能够实现具备高输出和稳定输出的相干光源的光学设备。
工业实用性
在光学信息处理和光学应用测量控制领域，使用例如本发明的光学波导设备、采用它的相干光源和具有它的光学装置。
Claims (12)
1. 一种光学波导设备，包括：
由非线性光学材料组成的基板，和
形成在该基板上、具有与该基板相同成分的周期性的畴反转结构，其中，
该畴反转结构具有依赖于该畴反转结构的折射率分布。
2. 如权利要求1所述的光学波导设备，其中，该畴反转结构是通过在该基板的偏振方向上施加电压而形成的。
3. 如权利要求1所述的光学波导设备，其中，由非线性光学材料组成的该基板是切余基板。
4. 如权利要求3所述的光学波导设备，其中，该基板具有相对于该基板表面倾斜1°到10°范围内的切余角。
5. 如权利要求1所述的光学波导设备，其中，该基板是薄膜，具有经由粘结层粘合到该基板的一个面的光学衬底。
6. 如权利要求5所述的光学波导设备，其中，至少该基板的表面或者背面提供有凸起，并且该畴反转结构在该凸起处以条状方式形成。
7. 如权利要求1所述的光学波导设备，其中，该非线性光学材料是掺Mg的LiNb(1-x)TaxO3，其中0≤x≤1。
8. 如权利要求1所述的光学波导设备，其中
该非线性光学材料是掺Mg的LiNbO3晶体，
相位匹配波长与布拉格反射波长调谐，并且
该布拉格反射波长λ满足关系λ1＜λ＜λ2，此时λ1＝635+48×n(nm)，λ2＝1.02×λ1(nm)，其中n＝0，1，2，或者，当λ大于由上面等式得到的值时，λ1＝774+40×n(nm)，λ2＝1.02×λ1(nm)，其中n＝0，1，2，3，4......。
9. 如权利要求1所述的光学波导设备，其中，
该非线性光学材料是掺Mg的LiNbO3晶体，
相位匹配波长与布拉格反射波长调谐，并且
该布拉格反射波长λ满足关系λ1＜λ＜λ2，此时λ1＝613+48×n(nm)，λ2＝1.02×λ1(nm)，其中n＝0，1，2，或者λ1＝754+40×n(nm)，λ2＝1.02×λ1(nm)，其中n＝0，1，2，3，4......。
10. 如权利要求1所述的光学波导设备，其中，
该畴反转结构由波长转换部分和分布式布拉格反射器部分组成，并且
该波长转换部分的相位匹配波长等于该分布式布拉格反射器部分的布拉格反射波长，并且该波长转换部分的相位匹配波长和该波长转换部分的布拉格反射波长之差为至少5nm。
11. 一种相干光源，包括半导体激光器和如权利要求1-10中任一所述的光学波导设备，其中从该半导体激光器发射的光束进入该光学波导设备。
12. 一种光学装置，包括如权利要求11所述的相干光源。
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