CN1017282B - 倍频器件 - Google Patents

Abstract

一种将电磁辐射倍频的器件，它包括的非线性衬底具有一个置于其上的折射率与其不同的非线性光学波导。波导层包括一反转极化分界面，在此界面处波导的极化方向的符号急剧改变。以平行于反转极化分界面的平面引导横过器件的辐射将被界面倍频。反转极化分界面可以用若干方法取得：界面可直接在衬底上生长或可将单层的波导分开并将其反转向上；最后可通过在一平面的两侧生长非对称镜象量子阱形成波导的方法以形成界面。

Description

本发明涉及非线性光学器件，更具体地说，本发明涉及使通过该器件的电磁辐射起倍频作用的器件。

光学数字式数据存储器件，例如小型光盘，已经获得广泛使用。一般地说，这种光盘是用半导体激光器（即一激光二极管）所发射的光加以读出或写入的。然而，由半导体激光二极管所产生的光一般属于电磁频谱的低端（即红光或红外光）。用较高频率的光，即该频谱的兰光端，去读出和写入光存储媒质会使存储密度极大增加。可惜还没有实用的半导体兰色激光器。到目前为止，唯一的一种兰色激光器是体积大的气体激光器，这显然不适用于小型而价廉的光存储读/写器件。

因此，极需一种能将容易搞到的半导体激光二极管所发射的光转换为兰光的器件，发射红外光的激光二极管价廉而又到处都买得到。兰光的频率二倍于红外辐射的频率。所以极需一种能将红外辐射的频率倍频的器件。本发明谋求提供一种廉价的可以与一种半导体红外激光器一同使用的倍频器件，以提供适用于读出和写入光存储媒质的兰光。

非线性光学领域一般通过基频的二次谐波发生（SHG）的装置已提供了许多用作倍频器的器件。美国专利No.3，384，433（Bloembergen）谋求用一种非线性器件将光从第一和第二频率转换为一第三频率。该器件包括一系列其晶格取向沿两光束的传播轴周期排列的非线性晶体或板状材料。在一篇题为“非线性光学在旋转孪生晶体中的效应：对CdTe、ZnTe和ZnSe的评价”（Revue    De    Physique    Appliquee    1977年2月，第12卷 第405-409页）的文章中和美国专利第3，988，593号（Dewey）都指出了使光束垂直通过一系列板状旋转孪生晶体以获得倍频的器件，这篇文章和专利叙述了另一种器件。

然而上述方法遭遇到许多的实际困难。这些方法要求倍频器件必须具有大量（在某些情况下超过一百片）准确生长的非线性光学性质精确规定的板状晶体。这些晶体的生长很困难而又比较昂贵。因此，希望有一个比较简单而又较不昂贵和倍频器件。

本发明的一个目的是要提供一种不昂贵的器件和一种使电磁辐射频率倍频的方法。该器件包括一块非线性衬底，衬底上置有不同折射率的非线性波导。该波导包括一反转极化分界面，波导的极化方向在该界面处急剧由正变为负使辐射平行于反转极化分界面横过器件，并由该界面使频率倍频。

反转极化分界面可以由许多方法取得。第一种方法是生长一个有第一极性的波导，继之生长一层比较薄的非极化材料。最后在该第一层的对面生长一层第二极化层。另一种提供反转极化分界面的方法是在一块衬底上简单地生长一层在第一方向极化的波导。此后，将波导和衬底分开并反转在其上，使各波导层以面对面并置平放。在这种放置关系下，波导的极化将沿接触平面反转。另一种提供反转极化分界面的方法是在平面的各侧整个地生长非对称的镜象量子阱。该量子阱生长方向的极性在形成反极化分界面的平面处反转。

可以理解，按照本发明做成的倍频器件的优点在于极大程度地降低了制造的复杂性，这是因为只需要生长较少的晶体薄层。将这种做法与上述讨论过的现有技术的采用的多层方法相比较，本发明显然有助于大量制造较廉的倍频器件，以在光学存储系统中与半导体激光源一起使用。

由于反转极化分界面导致将功率有效地耦合成高次谐波模型，本发明设计的器件是非常有效的。因此，为了良好的频率变换效率，在波导 和衬底之间不须有大的折射率差距。于是，衬底和波导都可以用结构上相似的材料加以制造。

为了更好地理解本发明，要与随后的详细说明一起参阅以下的附图。附图中，

图1是根据本发明做出的非线性光学倍频器件的截面视图;

图2说明一种制造该倍频非线性光学器件的方法;以及

图3是本发明在一非对称镜象量子阱结构所实施的反转极化分界面的示意图。

图1说明本发明倍频器件10的第一实施例。该倍频器件10包括一衬底12，衬底可以是任何一种适用的非线性光学材料，例如称为“KTP”的磷酸氧化钛钾（KTiOPO₄）、铌酸锂（LiN_bO₃）或硒化锌（ZnSe）。在衬底12上设置了一层例如由硒化锌或硒化硫锌（ZnS_xSe_1-x）制成的波导层14。如图1所示，波导层14具有一面向上的光活性偶极子，并具有较衬底12大的折射率，以便形成一波导。由于本器件的结构，衬底和波导折射率之差并不需要很大。作为例子，已发现供基频用时折射率之差只有0.13，供谐波频率用时折射率差0.18就行之有效。在波导层14上设置的是一层第二波导层16，其光学活性偶极子与波导的相反。具有相反的光学活性偶极子的层的这个取向在各层间提供了一“双平面”或一反转极化分界面18。

如图1中箭头所示，偶极子在界面外急剧改变方向。基频ω的光平行于反转极化分界面18的平面进入器件。界面18的效果是要引起第二谐波的发生。反转极化分界面18使沿界面18行进的电磁正弦波的正（或负）半波反转而促使频率倍频。波导层14和16的厚度按已知方式〔例如见P.K.Tien在Applied    Optics，第十卷第2395页（1981年）所叙述的技术〕调节，以使在输入和输出辐射之间出现相位匹配。因此，激发器件的光使进入器件的光倍频（2ω）。

分子束外延（MBE）可以使极复杂的晶体结构以极薄的层生长。波导层14、16可以用这种技术生长。为了制造图1的器件，非线性光学材料，例如ZnSe或其它材料的薄层14是用MBE法在衬底12上生长的，因而将有一第一极性。此后，较薄的非线性材料层，例如锗（Gc）在层14上生长。最后，其它的硒化锌层在锗层上生长，以形成第二波导层16。这种第二硒化锌层生长时，有50%的几率使第二层16的极化与提供所需反转极化分界面的第一层14的极化相反。如第二层的极化与第一层的相同，几率也是50%，则得不到反转极化分界面，器件也不能操作而应报废。非极化的锗层对器件的操作没有影响，因为这层的厚度与考虑的光的波长相比是比较小的。

图2说明一种比较简单的获得所需反转极化分界面的方法。通过这些手段，用质子轰击或离子交换法在衬底20上制备一波导层22，然后，沿着一条垂直于波导层22和衬底20的直线24将衬底20分开。分开后，衬底和波导层如图所示相对其自身反转向上。波导层22本身的实际反转沿接触的平面产生一个反转极化分界面26。衬底20的上部28不是必须的，故可以除去。

图3说明通过非对称的量子阱在波导层中提供反转极化分界面的另一种方法，量子阱的极性与生长方向相反以形成界面。如图3所示，一反转极化平面40在量子阱42的下部与量子阱44的上部之间形成。如图3所示，下部42和上部44非对称量子阱是沿平面20的互为镜象。这种镜象的非对称量子阱很容易由MBE方法生长。

本发明不局限于只从红外光发生兰光。相反，这种倍频器件可以应用于使相当宽的电磁辐射的频率倍频。供不同频率用的各种器件可以利用不同材料做成的活性层。例如，用Ⅱ-Ⅵ族材料取得由红外变为兰光的变换。同样，如砷化镓（GaAs）之类的Ⅲ-Ⅴ族也可以利用来由频率为红光之半的光产生红光。正如本领域的技术人员所理解的，不论所需的 是什么输出频率，都可以由选择材料和薄膜厚度着手提供倍频。

虽然已结合优选的实施例来叙述本发明，但熟悉本领域的人士不难理解，在不脱离本发明的精神和保护范围下，是可以采取各种改进和变化的。这些改进和变化被认为是在本发明和所附权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1、一种倍频器件，其特征在于它包括：

a)一块非线性光学衬底；

b)一个置于所说衬底上的非线性光学波导，所说波导具有与所说衬底不同的折射率；

c)所说非线性波导中设置有一反转极化分界面；以及

d)在平行于所说反转极化分界面的方向上引导电磁辐射横过所说波导的装置。

2、如权利要求1中所要求的一种倍频器件，其特征在于，其中所说波导包括一层第一波导层和一层第二波导层，这两波导层具有反转极化的偶极子，且在两波导层之间形成反转极化分界面。

3、如权利要求1中所要求的一种倍频器件，其特征在于其中所说反转极化分界面是通过先生长一第一极性的波导，再生长一相反极性的第二波导而形成的。

4、如权利要求2或3中所要求的一种倍频器，其特征在于它还包括设置在所说第一和第二极性波导之间的一层比较薄的中性极性材料层。

5、如权利要求1中所要求的一种倍频器，其特征在于所说反转极化分界面包括设置在所说反转极化平面附近的非对称镜象量子阱。

6、如权利要求1、2或3中所要求的一种倍频器件，其特征在于所说波导是从硒化锌形成的。

7、如权利要求1、2或3中所要求的一种倍频器件，其特征在于所说波导层是从分子式为ZnSxSe_1-x的硒化硫锌形成的。

8、如前述任一权利要求中所要求的一种倍频器件，其特征在于所说衬底包括KTiOPO₄（KTP）。

9、一种使电磁辐射的频率倍频的方法，其特征在于它包括下列步骤：

a）提供一个设置在一块衬底上的非线性波导，所说波导包括一个反转极化分界界面;以及

b）在平行于所说反转极化分界面的方向通过要将频率倍频的电磁辐射。

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