CN1053844A - 光波波长转换器及其制造和应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及波长转换器件和方法，它们利用一一 组排成一列的光学材料片，全部片的长度及其△K 值(即入射光波数之和与所产生光的波数之和的差 值)被适当地加以平衡，这些片经过这样选择使得所 有片的长度与其△K值之积的和约等于零，每一片 的长度小于其相干长度，在所记载的实施例中，其中 至少有一种光学材料是非线性的，和/或其中在这些 片的都接处有一层非线性光学材料，还公开了一种制 作用于流长转换系统的通道波导的方法，其特征在于 将晶体基片采用间隔覆盖的方式浸入一种熔盐中进 行阳离子置换而制成所需通导部分。

Description

本发明涉及光学器件，尤其是涉及用于波长转换的光学器件。

近年来为发展光系统，如使用光波的通讯系统而付出的努力是相当大的。在设计这样的系统时经常面临的难题是高效率地产生可供该系统使用的特殊波长的光波。例如，虽然可以高效率地产生红外光波段的激光，但是要产生某些更为需要的具有较短波长的光波往往是十分困难的。

为提供含有更为需要的波长的光波所作的尝试之一是使用波长转换器，即使用一些含有一种光学媒质的器件，使入射到该媒质中的光至少部分地转变成具有不同波长的光波。例如，一种经常用到的波长转换过程包括二次谐波产生过程，也就是说，当入射光通过一种媒质（如一种非线性晶体）时，由于媒质和入射光的相互作用，会在其中产生波长相当于入射光的二次谐波波长的光波。

典型的情形是，在光波长转换器中，具有适宜波长之光波是沿着光学媒质的整个长度上产生的。众所周知，在设计此类转换器时，除非能够抑制在媒质长度方向上各点所产生的光波之间的破坏性干涉现象，否则，波长转换方式诸如产生二次谐波的效率就会受到极大的限制。因此，一般来说需要使用某些技术来控制此类有害干涉现象的影响。

用明确的理论观点来说，波长转换系统通常可以用在转换媒质中相互作用的各个光波的波数k来描述。为了达到清楚地描述的目的，各光波的波数K定义为2πn/λ，其中n是媒质的折射率，λ是光波的波长，考虑到波数与波长成反比关系以及这样的事实，即对于不同频率的光波，媒质的折射率是不同的，显然，在转换媒质中相互作用的各个光波的波数也是不同的。

一般来说，对于波长转换过程，相互作用的入射光的频率总和等于因相互作用而产生的所有光波的频率总和，为了减少在媒质中产生的光波之间发生的有害干涉现象，就需要考虑到使相互作用的λ射光波波数之和近似等于相互作用所产生的长波波数之和。换句话说，对于在波长转换过程中涉及到的光波，为了得到高效率的波长转换，需要使媒质中入射光波的波数之和与在媒质中产生的光波波数之和的差（即媒质中的△k值）近似为零。调整波长转换系统到其△k近似为零的条件的过程，被称之为相位匹配。

在波长转换系统中对于某一媒质来说比较重要的一个光学参数是相干长度coh，它定义为2π/△k，在其中△k近于零的条件下，很显然相干长度值是比较大的。

为了进一步说明，假如在晶体系统中有三束光发生非线性相互作用的正常的相位匹配过程，其中两束入射光波分别具有频率ω₁和ω₂，波长λ₁和λ₂，它们通过一种媒质（即一种晶体或一种复合物），其折射率n（ω）是光波频率的函数，产生了第三束光，它具有频率ω₃，波长λ₃，定义每束光的波数k等于2πn（ω）/λ，则晶体系统中的△k值由下列关系式表示：

△k= (2πn(ω₃))/(λ3) - (2πn(ω₂))/(λ₂) - (2πn(ω₁))/(λ₁)

在该系统中，在相位是匹配（即△k为零）的条件下，输出光强度最大。对于一相位匹配系统，输出光强度一般是按正比于h²（晶体长度h的平方）的关系增长的。

对于二次谐波产生系统，频率ω₁和ω₂被取作相等并且等于频率ω₃的二分之一。因此波长λ₁和λ₂就是波长λ₃的两倍，从而在二次谐波产生系统中的△k值，对于上面所说的例子，它可以用这个关系式表示：

△k= (2π)/(λ₃) (n(ω₃)- n(ω₁))

于是，对于该二次谐波产生系统，其相干长度可以由下式表示：

coh= (λ₃)/(n(ω₃)- n (ω₁)) = (0.5λ₁)/(n(ω₃)-n(ω₁))

另一个波长转换方式的例子是由一束入射光，波长为λ₄产生两束光，波长分别为λ₅和λ₆。

为了达到有效的相位匹配，已经有一些技术方法被论证或提出。（例如可参阅F.A.Hopf等人著《应用经典电动力学》第Ⅱ卷，“非线性光学”John  Wiley和Sons  1986，pp.29-56）。在几乎所有近期专利申请中最常使用的技术是角度调谐和温度调谐技术。诸如二次谐波产生、和频及差频的产生。对于块状物质如单晶的角度调谐过程，是通过调节晶体相对于入射光的取向来实现相位匹配的。这个技术一般来说并不适用于某些器件，如波导之类。因为设计它们时就决定了它们相对于入射光必须有一个特定的取向。温度调谐依赖于温度与物质之双折射性质的相关程度，可以象在块状物质中一样用于波导器件。然而对于许多物质，温度与双折射性质的相关程度是较大的。尽管对于由这些物质制成的波导器件进行温度调谐是可能的，但必须能提供对温度的高精度的控制（例如，±1℃）。而对于那些其温度与双折射性质相关程度较小的光学物质（例如KTiOPO₄），尽管仍需要有高精度的温度控制，但对于这样的波导温度调谐可能引起的波长变化范围又是较小的。

对于利用折射率的周期性变化来校正△k不等于零的状态，以便取得二次谐波产生过程的相位匹配，可以通过反射基波和二次谐波来完成，反射回来的基波和二次谐波是相位匹配的，（参阅如S.Somekh所写“周期性薄膜中相位可交换的非线性光学相互作用”一文，载在《应用物理通信》21册140页（1972）年），按上述的这种方法，二次谐波输出强度是随所使用材料长度的平方而增长的。但是由于仅有一小部分光束被反射，这个方法总的效率甚至比前面所讨论的方法还要小。

其它“准”相位匹配技术，已经被论证的包括周期域反转或内反射（参阅J.A.Arinstrong等人，“在非线性电介质体中光波的相互作用”《物理周报》127.1918（1962））。例如：在上面提到的Hopf等人的文章第52页，公开了利用多片非线性光学材料，其中非线性光学系数被加以调制，使之在一个周期内等于这些光波在该材料中的相干长度。

其他现有技术中调制波导的方法是采用邻近材料的长度等于相干波长的方式达到相位匹配的。但是，这些周期性调制方式对于波导参数，如波导深度和调制周期是非常敏感的，因此不会有高的转换效率。

因此仍然需要新的波长转换方法，能够有效地将光基波转换成具有所选择波长的可利用光波。

本发明基于这样的发现，波长转换可以利用一组光学材料片来完成，其中折射率的差值和各片长度被加以平衡，以控制有害干涉对这组片的影响，这样，尽管它们在各个片中并未达到相位匹配，但光波就在这组片的末端达到相位匹配。平衡各片长度和折射率需要使每片的长度（即h_i）小于在该波长转换系统中各片的相干长度（即2π/△k_i），同时各片的折射率应满足这样的条件，这一组片中，每片长度与其△k（即△k_i）之积的和约等于零（即∑△k_ih_i≌0）。

根据本发明提供了一种波长转换的方法，它包括下列步骤：使用于波长转换的入射光波通过一组用来进行波长转换的排成一列的片状光学材料，所说的片是经过挑选的，以使这于波长转换的组片中各片在排列方向上的长度（即h_i）与该片的△k值（即△k_i）之积的和约等于零（即∑k_ih_i≌0），并且各片的长度小于其相干长度（即 (2π)/(△h_i) ）。各片之△k值是该片中属于波长转换系统的入射光波数之和与该片中产生的光波波数之和的差，每片的相干长度就是该片的2π/△k，此方法可用来由两束入射波产生具有某一波长的光，也可以由一束入射波产生两束光。但是使用这一波长转换方法的较好方式是生成二次谐波，其中生成光的波长是入射光波长值的一半。一般来说，或者是至少有一片材料是具有非线性光学性质的，或者是在进行波长转换时，用一层非线性光学材料与这组转换片相接，或者是两者皆用。

本发明提供了用于光波长转换系统的光学器件，这个器件至少包括一光学转换部分，这一部分是由一组排成一列的用于波长转换的光学材料片构成的，这一组转换片经过挑选，以使得各片的长度（即h_i）与该片的△k值（即△k_i）积的和约等于零（即∑k_ih_i≌0），并且各片长度小于其相干长度（即2π/△k_i）。

附带地，该光学器件还可以包括与所说光学转换部分相接的一层非线性光学材料。根据本发明提供了几个实施例，或者其中至少一片转换片是非线性的，或者其中每一片都由非线性光学材料构成，或者这一组片是由线性光学材料和/或非线性光学材料及与该光学转换部分相接的一层非线性光学材料构成。较可取的光学材料是分子式为K_1-xRb_xTiOMO₄的单晶材料，其中x是从0到1，M是磷（P）或砷（As），而且上述分子式的单晶材料中的正离子被至少是Rb⁺，Ti⁺和Cs⁺离子中的至少一种离子部分地取代。

对于由各自长度分别为h₁，h₂，……h_i……h_p的总数为P个转换片构成的一个波长转换部分，其特征在于它对于波长转换系统中每束光波都有一组波数值，k₁，k₂……k_i……k_p，其中k_i＝2πn_i（ω）/λ，n_i（ω）和λ分别是该片的折射率和光波波长，每一片都有一个△k值，这个值相当于该转换片中波长转换系统的入射波的总的波数与在该波长转换系统中所生成的光的总的波数之差。根据本发明，每一部分的一组转换片经过选择后应该使和△k₁h₁+△k₂h₂+……+△k_ih_i+……+△k_ph_p（即h_i△k_i值对一组片的和或 △k_ih_i）约等于零，并且每个片的长度h_i小于2π/△k_i。

一个优选实施例包含二次谐波产生过程，其中一组材料中至少一片的非线性光学系数不为零。

某些实施例中，P片转换部分可以表征为由q对相接的转换片组成（即P＝2q），其中每一对的△k_i-1h_i-1+△k_ih_i约等于零，或者表征为是由q组每2片一组构成的，其中每一组的△k₁h₁+△k₂h₂约等于零。

根据本发明制作的通道波导可用来改进光学波导装置，这种光学波导装置包括至少一个通道波导，用于将入射光波与所说通道波导输入耦合的装置，及用于将输出波与所说通道波导输出耦合的装置。

本发明还进一步提供一种制作一种光学器件的方法，根据本发明，制作用于波长转换系统的通道波导的一种方法包括下述步骤：（1）提供一个Z截割的单晶片衬底，其分子式为K_1-xRb_xTiOMO₄，其中x从0到1，M是磷（P）或砷（As），所说晶片具有一平滑的光学平面，其上经选择的部分适于形成一个通道波导;（2）提供一种含有从包括Rb⁺、Cs⁺和T_i ⁺中选择出来的阳离子的适量的熔盐。覆涂在所说的波导部分，在一定的温度下经过一定时间的曝光，使足够阳离子发生充分替代，从而使这一部分折射率相对于所说晶片衬底的折射率有所改变;（3）在所说衬底上，所述平滑光学平面上的波导部分按排成一列的形状，使用一种耐所说熔盐腐蚀的遮蔽材料互相间隔地进行涂覆（覆盖区和非覆盖区的长度根据本发明是经过适当选择的以满足相位匹配条件）（4）将已涂覆的晶片衬底浸入所说的熔盐中，在一定的温度下经过一定的时间，使未涂覆部分发生阳离子替代;（5）将涂覆材料从所说晶片衬底上去掉;（6）将波导输入面和输出面抛光，从而将所说晶片制成一表面光滑的波导。

图1是本发明波长转换装置的示意图。

图2是本发明的波长转换波导的透视图。

图3是图2中波导的排成一列的一组非线性光学材料的透视图。

图4是本发明的另一例波长转换波导的透视图。

图5是沿图4中截面5-5的剖面图。

图6是本发明的又一例波长转换波导的透视图。

图7是对不同波导宽度失配的深度与折射率之间经计算的关系图。

根据本发明，提供一种装置，它至少能部分地将只具有某一个波长的光波转换成具有不同波长的光波。一般地，在波长转换过程中，入射光波的频率之和与生成的光波频率之和是相等的。因此，对于波长转换系统，频率为ω₁波长为λ₁的光波和频率为ω₂波长为λ₂的光波作用，产生频率为ω₃波长为λ₃的光波。ω₃等于ω₁和ω₂的和，而对于波长转换系统中，频率为ω₄，波长为λ₄的光产生频率为ω₅，波长为λ₅的光波和频率为ω₆，波长为λ₆的光波，则ω₄等于ω₅和ω₆的和。

本发明提供一种波长转换方法，它包括下列步骤：使用于波长转换的入射光波通过一组排成一列的波长转换光学材料片，所说转换片是经过选择的，各片沿排列方向的长度与其△k值之积的和（一组片求和）约等于零，并且每片的长度小于其相干长度。如下面将进一步讨论的，每片的△k值是该片中波长转换系统中入射光波数之和与该片中波长转换系统产生的光波数之和的差值。每片的相干长度为2π/△k，这个方法可用来由两束入射光波而产生具有某一波长的光波，也可以从一束入射光波产生两束光波，然而较可取的波长转换方法是利用二次谐波的产生，其中产生的光波波长是入射光波波长的二分之一。

本发明的用于波长转换系统的光学器件包括至少一个由一组排成一列的波长转换光学材料片构成的光转换部分。这一组转换片可以表示成P片排成一列的光学材料片m₁，m₂，…m_i…mp。每片具有沿排列方向的长度h_i和以其中通过的光波频率为函数的折射率n_i（ω）。每片中入射光波波数之和与产生波波数之和的差值定义为△k_i值。根据本发明，所说转换部分中每片都是经过选择，以使全部转换片的各片△k与及长度h之积的和（即△k₁h₁+△k₂h₂+…+△k_ih_i+…+△k_ph_p）约等于零，并且各长度h_i小于2π/△k_i。

实际上希望 △k_ih_i值尽可能接近于零。然而，应当理解，对于转换片的光学性质及其长度做到理想的平衡是很难实现的。而只要 △k_ih_i保持在零值附近的范围，本发明的优点即可实现：即是使整个波长转换路径上的总相干长度大于波长转换路径自身长度。设计波长转换路径以实现这种平衡的工作之一就是实际计算每片的△k值及其长度。在这个工作中，认为有利的平衡是当整个波长转换路径上每片的△k值与各片长度之积的和的绝对值小于2π时即可达到，较好的结果是整个路径上所说积的和小于3π/2，最好是小于π。

因此，对于本发明来说，分别包含P₁，P₂……P_N片的1，2……N个转换部分依次排列而成的光学器件，就需要每一部分的设计都满足对于波长转换系统的 △k_ih_i的绝对值小于2π/N，使得在整个波长转换路径上所有的转换片P₁+P₂+……+P_N个的△k值与长度之积的和按上面所说的意义保持在约等于零（即绝对值小于2π的数值上），较可取的是每部分的 △k_ih_i值的绝对值小于1.5π/N，最好是 △k_ih_i的绝对值小于π/N。

上述工作的具体应用为用图6所示本发明的波导形式的光学器件作参考而加以举例说明，图6中，一块由一组片构成的KTiOPO₄（22）单晶，包含许多排成一列的KTiOPO₄片（57）（59）（61）（63）（65）和（67），其中的阳离子已被Rb⁺所部分置换;另外还穿插排列着许多排成一排的KTiOPO₄片（58）（60）（62）（64）（66）和（68），其中的阳离子已被Tl⁺或Rb⁺和Tl⁺的混合物所部分置换。在这个实施例中，铷离子和铊离子在KTiOPO₄中按上述方式置换基本上可以保证在光路上的光波完全穿过波导。

图6中的转换片顺次排列，这样光学器件就具有一个用排成一列的转换片（57）和（58）表示的第一光学转换部分，用排成一列的片（59）和（60）表示的第二光学转换部分，用排成一列的片（61）和（62）表示的第三光学转换部分，用排成一列的片（63）和（64）表示的第四光学转换部分，用排成一列的片（65）和（66）表示的第五光学转换部分和用排成一列的片（67）和（68）表示的第六光学转换部分。因此，在图示的这个简单的例子里，光学转换部分的数量N为6，每部分中片的数量P为2，所有这六个光学转换部分中每片的△k与长度之积的总和其绝对值必须小于2π，为了保证这一条，这六个光学转换部分的任一个中每片△k与长度之积的和应是小于2π/N（即在这个简单的例子里，小于π/3），可以明白，随着在光路上的光学转换部分的数量的增加，每一光学转换部分中的每一片的△k与长度之积的和的绝对值会趋近于零。作为实际使用，光路中的光学转换部分的数量达到数百个之多，以至于积和趋近于零。

作为实际应用，在许多情况下，由于本发明所用的一组转换片制作精度（包括光学材料本身的制备）的限制，只能通过观测到在整个波长转换路径上总的相干长度大于所说路径的长度来确定所希望的平衡或△k与其长度的平衡条件已满足。在某些情况下，可以通过观察光波沿波长转换路径的弱散射直接观测到总的相干长度。

显然，如果 △k_ih_i约等于零，则一组片中一部分片的△k值一定与另一部分的△k值符号不同，（即至少有一个△k值一定是正的，而至少有一个△k值是负的），实际上本发明所提出的波长转换方法中-它包括这样的步骤：使用于波长转换的入射光波通过一组排成一列的由波长转换光学材料片形成的波长转换路径，至少所说的光学材料片之一的△k值是正的，同时至少所说的光学材料之一的△k值是负的，这一组片的结构经过设计使具有正△k值的那些转换片的长度与其△k值之积的和，与具有负△k值的那些转换片长度与其△k值之积的和平衡。从而整个波长转换路径上的总相干长度大于该路径的长度，可取的是，对于有效的波长转换，具有某一符号△k值的转换片应邻接至少一个具有相反符号△k值的转换片。

例如，在一转换片中，两束频率分别为ω₁和ω₂，波长分别为λ₁和λ₂的光波通过一长度为h_i，折射率为n_i（ω）（它随光波频率而变化），在媒质片（即一种晶体或一种复合物），产生具有频率ω₃、波长λ₃的光波，定义波数k为2πn（ω）/λ，则该片的△k_i如下式所示：

△k= (2πn_i(ω₃))/(λ₃) - (2πn_i(ω₁))/(λ₁) - (2πn_i(ω₂))/(λ₂)

根据本发明的方法，这样的波长转换系统的入射波（频率为ω₁和ω₂）穿过一组经选择的转换片，使其和 △k_ih_i约等于零。使用该波长转换系统的光学器件中的光学转换部分即由一组经过选择后，其 △k_ih_i值约等于零的转换片所构成。

在产生二次谐波的情况下，ω₁和ω₂相等且都等于ω₃的1/2。因此，为了二次谐波的产生，每一转换片的△k_i值，可以用下式来表示：

△k_i= (2π)/(λ₃) (n(ω₃)- n(ω₁))

另一方面，在一转换片中，一束频率ω₄，波长λ₄的入射光波通过一长度为h_i、折射率为n_i（ω）（它是以光波频率为函数而变化）的媒质，产生两束频率分别为ω₅和ω₆，波长分别为λ₅和ω₆的光波，一束光波的波数k_i定义为2πn_i（ω）/λ，则该片的△k_i值由下列关系式所表示：

△k_i(2πn_i(ω₆))/(λ₆) - (2πn_i(ω₅))/(λ₅) - (2πn_i(ω₄))/(λ₄)

根据本发明的方法，该波长转换系统的入射光波（频率为ω₄）通过一组转换片，这些片的△k_ih_i值的和约等于零。使用该波长转换系统的光学器件中的光学转换部分包括一组转换片，它们都经过选择，以使这一组片的△k_ih_i值之和约等于零。

在任何情况下，相干长度Coh_i如下式所定义：Coh_i＝2π/△k_i

根据本发明的方法，波长转换系统的入射光波通过的这组转换片，每片长度h_i小于其相干长度Coh_i。用于该光学转换系统的光学器件中的光学转换部分是由许多长度h_i小于其各自的相干长度Coh_i的转换片构成的。

在某一实施例中，光学材料的P片可以表征为q对相邻的光学材料片m₁和m₂、m₃和m₄……m_i-1和m_i……m_2q-1和m_2q（即P＝2q），每一片以其相应的长度h₁，h₂……h_i……h_2q、相应的折射率n₁、n₂、…n_i…n_2q，与波长转换系统的各波长相联系的相应的波数k_i，k₂……k_i……k_p为特征，而且这些材料是经过选择的。因而对于每一对材料片m_i-1和m_i，△k_i-1h_i-1与△k_ih_i的和约等于零，在这种情况下，会在第一对、第二对等的末端达到相位匹配。各部分可以串联使用;因此，由如上所述由成对片组成的一个转换部分所构成的光学器件也可以被认为是用q段相接的每段由两片构成的转换部分所构成。（即N＝q）。

一般地，长度h₁，h₂…h_i…h_p是大大小于其相干长度，典型的值是在0.25到50μm范围，通常是1μm多。实际上，相邻两片的长度比（即h_i-1∶h_i）通常在1∶20到20∶1的范围。典型的片的宽度在0.2μm到50μm之间，典型的片的深度在0.1到50μm之间。

根据本发明，线性和非线性材料都可以使用。在一实施例中，每段中至少有一片具有非零的非线性光学系数，典型地每片都是由非线性光学材料所构成。

根据本发明，用由波长转换系统的光学器件的光学材料包括单晶中的分子式为K_1-xRb_xTiOMO₄的晶体材料，其中X从0至1，M是从P和As族中所选择的元素，所说分子式的单晶材料中的阳离子被Rb⁺，Tl⁺和Cs⁺中的至少一种元素部分地置换。如美国专利第4，766，954所指出的，使用二价离子（如Ca⁺⁺，Sr⁺⁺和Ba⁺⁺）及Rb⁺，Cs⁺和/或Tl⁺能够在较宽的范围内改变折射率。二价离子，同Rb⁺，Cs⁺和/或Tl⁺离子一样，可以取代基体材料中的一价阳离子（即KTiOPO₄基质中的K⁺离子），例如，本发明使用这种材料的器件包括一种含有KTiOPO₄单晶的器件，其中KTiOPO₄已被变换（即借阳离子交换）而制成由顺次排列的KTiOPO₄片和K_1-xRb_xTiOMO₄片（其中X不为零）所构成的波导，还包括一种器件，其中的KTiOPO₄被变换，制成由顺次排列的KTiOPO₄片和其中阳离子被Rb⁺和Tl⁺离子或被Rb⁺，Tl⁺和Ba⁺⁺混合置换的KTiOPO₄片所构成的波导。

此外，可以用一层非线性光学材料的定向薄膜（例如，一种定向的Langmuir-Blodgett薄膜）与转换部分相联结，使得光学中瞬逝（或衰减）分量可以发生相互干涉。本发明的另一种实施例是一波导或别的光学器件，其中∑△k_ih_i约为零，而且光学材料本身不是非线性的。所谓非线性是指其具有一不等于零的非线性光学系数。在这种情况下，本发明通过在邻接的非线性光学材料层中耦合入射波的瞬逝分量并回过来再耦合该非线性光学材料中产生的光波的瞬逝分量而使波长转换系统达到相位匹配。

构造用光学材料的选择及设计参数，如片宽度和深度应能使生产的光学器件具有所需要的非线性光学性质和基本适宜的转换效率，而对工艺参数如温度、时间和波导深度不是特别敏感。例如：可以选择某一种材料制成的波导的片深度使该片的△k值相对而言不受工艺条件如温度的影响。

只要每个片的长度小于其相干长度，并且对每段来说，∑△k_ih_i约等于零。在理论上可以确信，由多少光学材料片制成光学器件是不受限制的。对于波导，所用的片的数量有赖于诸如所使用的光学材料和波导长度之类的因素，在一典型的5.0mm长的波导中，可以使用400-1000个片或更多一点。然而仅有两片组成的光学转换部分构成的器件也被认为属于本发明的范围。

另一个使用线性材料如钇铝石榴石（即YAG或Y₅Al₅O₁₂）或Al₂O₃制成的光学器件的例子是利用取向的变化及按不同取向生成的单晶纤维，使得∑△K_ih_i约等于零的条件得到满足。然后即可通过将波束传播到光纤中并在与光纤作光学接触的定向非线性薄膜或层（如在Langmuir-Blodgett薄膜中）形成边缘场来实现波长转换。本发明的光学器件的中一个例子是该器件由一组相互叠置的非线性双折射材料晶片构成的，如用LiNbO₃或3-甲基-4甲氧基硝基芪，其中晶片是交替取向的（例如：在a方向或b方向），从而△k_ah_a+△k_bh_b约等于零。这样光学元件的另一种结构是使用在同一方向取向的非线性材料晶片（即ma）被一种线性透明薄膜或粘结材料（即mb）隔开而成。从而使△k_ah_a+△k_bh_b约等于零。其中a表示晶片，b表示透明薄膜或粘结剂。

本发明可以应用于波导结构，块状体应用和在某些环境下用于混合式波导和非波导系统中。在混合系统中，在波传导方向上的每个非制导长度应小于光波在该材料中的散焦长度，以使波导片之间的辐射损失减到最低值。

本发明可以用来改进一种光波导装置。该装置包括至少一个通道波导;用于将入射光波耦合进所说的通道波导装置;用于将产生出的光波与所说的通道波导相耦合的装置。该光波导装置被利用一个如本发明所述的器件（如其中的波导）来加以改进。

本发明的应用可参考图1中的装置（10）加以说明，其中激光器（12）发射的具有某一波长的光被用来产生具有另一波长的光，透镜（13）用于将激光器（12）发射的光束聚焦射入根据本发明制造的波导（14）中。波长转换在这个波导中完成。第二个透镜（17）用来准直从波导中射出的光波。光路中设置的滤波器（18）滤去仍然具有初始射入波波长的剩余光。而只允许在波导（14）中生成的所需要的波长的光波通过。例如：如果激光器是一台NdYAG激光器，它产生波长为1.06μm的偏振光，波导（14）是根据本发明而制作的利用上述光为入射波而产生的二次谐波。滤波器（18）采用只允许波长0.53μm的光通过，而滤掉从波导出来的生成光中混杂的波长为1.06μm的光波。图1中所示装置的每一个器件（即激光器（12）、波导（14）、滤波器（18），和透镜（13）、（17））都被认为是属于本发明的范围内的。实际上，波导，如波导（14）本身就是本发明的产物。

本发明的波导的一个实施例如图2所示的具有二次谐波产生过程的波导（20）。如图所示，波导（20）包括一块晶体材料（22），其上嵌置有由另一种晶体材料制成的片（24）（25）（26）（27）和（28），通常至少其中一种，最好是两种材料都具有非线性光学性质，片（24）（25）（26）（27）和（28）在该器件的顶部（30）和底部（32）之间排成一列，从而使得嵌片所排列的块状晶体块（22）的这一部分形成一波导。波导应设计得使在操作过程中，入射光从器件（20）的顶部（30）片（24）的上表面进入波导。入射光是准直的，从而光波穿过每一嵌置片（24）（25）（26）（27）和（28），同样也穿过由块（22）所表示的与所说嵌置片排列在一起的部分，然后从块（22）的底部（32）射出。

所以，如图3进一步所示，图2中的波导如此设计，使得通过的光束不仅通过若干由某一种材料制成的片，图中表示为（24）（25）（26）（27）和（28）。而且通过如图所示与之排列成一行的相同数量的由另一种材料，即块状晶体的一部分所制成的片。

根据本发明制作如图2和图3中所示类型的通道波导的一种方法是改变一分子式为K_1-xRb_xTiOMO₄的单晶基片，其中X从0到1，M为磷（P）或砷（As）或是所说分子式的单晶基片，其中的阳离子被Rb⁺、Tl⁺和Cs⁺中的至少一种元素所部分取代，最好是阳离子交换应使交换部分的折射率与基片折射率之差至少为0.00025。较好的基片是上述分子式的材料，用这些基片制作通道波导在本领域是众所周知的。参见美国专利4，766，954号和4，740，265号，它们都作为整体而与本发明相结合了。用于制作波导的一种典型基片是KTiOPO₄晶体，其中X是O，M是磷（即“KTP”）。

如在美国专利4，740，265和4，766，954号所记载的，使用基片覆盖法在光滑的光学平面上进行阳离子置换，用于置换的离子选自Rb⁺、Cs⁺和Tl⁺中的至少一种，从而使被离子置换部分的折射率相对于基片的折射率发生改变。根据本发明沿晶体基片表面上形成所需光通道部分的面积在阳离子置换过程中交叉覆盖和不覆盖，从而使制成的光通道包括一组排成一列的片，这些片由原始基片（例如KTiOPO₄）和其中阳离子已被置换的基片材料（如：K_1-xRb_xTiOPO₄，X不为零）互相间隔排列而成。标准的光刻技术可以用来制成需要的掩模图案。举例来说，可以用一种保护材料（如T_i）作掩模遮盖住晶体基片表面而只留出所要产生的图案部分，经过在一种熔盐中适当的曝光，通过阳离子交换形成第二种光学材料。阳离子交换过程结束后可以将留存的保护性材料除掉。

根据本发明，制作一个用于一波长转换系统的通道波导的一种方法包括下列步骤：（1）提供一个Z截割的晶体材料基片（即一种单晶），其分子式为K_1-xRb_xTiOMO₄，X从0到1，M是磷（P）或砷（As），所说基片具有一光学平面，其上有一部分被选择用来制成一通道波导。（2）提供足够数量的一种含有从Rb⁺，Cs⁺，Tl⁺族中选择出的离子的熔盐，一旦所说的波导部分在其中曝光，则在一定温度下经过一定的时间，进行光的阳离子置换。就会使这一部分的折射率相对于所说基片的折射率发生变化。（3）在所说基片上放掩模材料，而在所说的光学平面的波导部分上用耐所说的熔盐腐蚀材料互相间隔覆盖，使未覆盖的区域形成一组排成一列的图案。（4）将所说的经过遮蔽的基片浸入所说的熔盐，在一定的温度下经过一定的时间，在所说的未遮蔽区域进行阳离子置换，（5）将遮蔽材料从所说基片上除掉。（6）将波导的入射面和出射面抛光从而将所说基片制成一表面光滑的波导。在这个方法中，所说遮蔽区和非遮蔽区域的长度是一定的，从而在非遮蔽区域发生阳离子置换之后在所说的部分形成一通道波导，该波导包括至少一个由一组排成一列的光学材料片构成的光学转换部分。并且对于这几组片，每片的长度与该片的△k值之积的和约等于零，每片的长度小于其相干长度，其中每片的△k值是在该片中波长转换系统的入射波波数之和与其中所说光学转换系统生成的光波波数之和的差值。每片的相干长度为2π/△k，含铊的基片（即分子式为K_1-xRb_xTiOMO₄的基片，其中阳离子被Tl⁺部分置换）也是适合的，KTiOMO₄（即X为零，M为磷（P））是较可取的基片材料。

根据步骤（1）通过切割和抛光一片1mm厚的Z截割基片（即使用一具有一光学平面的单晶片）制成一KTP基片，根据步骤（3），与标准的光刻技术一样，在基片上可以使用T_i作遮蔽材料，在T_i材料上涂上光刻胶并使之固化，使用一具有所需图案的光掩模，透过光掩模对光刻胶接触曝光，去掉光刻胶已曝光的部分;将去掉的光刻胶下面的T_i蚀掉;再去掉未曝光的光刻胶，于是，具有图案的T_i遮片就留下了。典型地，基片在被浸入熔盐之前要进行端面抛光，在从盐中取出后予以清洗。典型地，根据步骤（6）基片在进行抛光后就完成了。再将T_i遮片去掉后，波导可以进行适合的装配，以使激光束能从中穿过。

应该认识到，根据本发明制作波导的方法阳离子被置换后的每个片的△k可通过改变片的宽度或深度而被稍许改变，也可能由于置换离子的类型及浓度而有某种程度的改变，所以人们可以制作许多具有不同宽度的波导以便使用某一特定材料来对某一特定波长转换系统进行最佳设计。

为了进一步弄清本发明方法的应用范围以及波导的深度和折射率之间的失配值△n的关系式，一个在本领域的技术人员可以利用M.J.Adams《光导引论》（John Wiley和Sons，NY，1981）中介绍的方法来计算折射率失配值△n，对于按Y向传播时晶体KTiOPO₄中二次谐波产生的情况进行计算（即△n＝0.5[nx（ω）+n₂（ω）]-n_x（2ω），其中n_x（ω）和n₂（ω）分别是频率为ω的入射光的X向偏振和Z向偏振的有效折射率），将△n作为不同波导宽度下波导深度的函数。用这个方法可以计算最低级空间模在λ＝0.532和1.064μm时的有效空间指数。在上述计算中，深度方向上的指数分布是假设的。

对于KTP的折射率，同J.D.Bierlein和H.Vanherzeele《美国光学学会杂志》B6.622-633（1989）的论文中所公开的一样，在λ＝1.064μm时取n_x＝1.7399，n_z＝1.8296，在λ＝0.532μm n_x＝1.779。对于平面型Rb置换波导，测得在λ＝1.064μm时的表面折射率为n_x＝1.7644、n_z＝1.8511，在λ＝0.532μm时n_x＝1.8042。计算结果如图7所示，在零波导深度，△n等于块状KTP基片Y向传播的值，对应的相干长度为92μm，对于Rb置换波导，当1.064μm波长时，截止深度是2.0μm。在无限大深度△n相应于块状RbTiOPO₄（RTP）的值，最小值出现在2到3μm深度范围内，与根据本发明制作的波导范围相近（参见下面的例1）。从图7可以看到，浓度为4μm，宽度（W）为5μm时，△n₁（即阳离子置换片的△n值）＝0.0022，△n₂（即KTP片的△n值）＝0.0058，如果KTP片的长度h₂＝1.3μm，则根据本发明采用的技术方法，当阳离子置换片的长度h₁＝3.4μm时，可望满足相位匹配条件，这与下面例1的实验值是基本一致的（即4μm）。

图7说明了根据本发明的技术方法制作的分段式波导相对于均匀式波导在实现二次谐波生成的相位匹配方面的实际优点。由于在△n相对于深度的变化曲线上存在一极小值，在这极小值附近，只要因处理条件（如置换时间或温度）的变化而引起△n的很小改变都将导致波导深度的改变。选择这个最小值，且通过调整光学转换部分各片的长度以使h₁△n₁+h₂△n₂约等于零，即可实现相位匹配。影响波导深度的处理条件的很小的变化会引起△n值很大的改变，所以处理条件的允差范围是很小的。使用本发明的分段式波导的另一个好处是这种波导允许非临界相位匹配，甚至在块状KTP中当λ＝1.064μm时，相位匹配也是临界的。

波长转换装置的另一实施例如图4和图5所示。

如图所示，波导装置（40）由一线性晶体材料块（42）所构成，其上嵌置片（44）（45）（46）（47）和（48），这些片都是另一种线性晶体材料制成的。这些片（44）（45）（46）（47）和（48）在器件的顶部（50）和底部（52）之间排成一列，从而在所说的块（42）上由这些嵌片排成一列所形成的这部分即构成一波导。一层非线性光学材料薄膜被用于该装置，设置在线性光学材料波导之邻接处。这个波导是这样设计的，在操作过程中，入射光波从装置（40）顶部（50）处的片（44）的上表面（54）进入波导。入射光是经过准直的，所以它穿过每一片（44）（45）（46）（47）（48），同样也穿过与所说片排成一列的用块（42）表示的片，然后从块（42）的底部（52）出去，当光波穿过片和块（42）上与片排列在一起的部分时，入射光波的瞬逝分量耦合进薄膜（56），在那里产生具有不同波长的光波，然后在薄膜（56）中产生的波的瞬逝分量被耦合回线性光学材料构成的那一列片中。

如图4和图5所示的带有非线性光学材料薄膜的波导装置可以通过处理一单晶基片而制得，即使基片上有一光学平面，在上面制作一条由一组原基质材料片和另一种光学材料片相互间隔排列构成的通道，在通道制成后，按照Langmuir-Blodgett方法，沿通道表面加作一层有机薄膜。加制有机薄膜的一个方法是包括下列步骤：在一Langmuir槽的水表面上布上一单层具有大的超偏振性的amphiphillic化合物膜，再将这单层膜压到适当的表面密度（或表面压力）。将分段式波导基片反复浸入和提出单层膜复盖的水溶液，同时保持表面密度（压力）恒定，则薄膜分子就会一层层地镀到分段式波导表面。LB薄膜的厚度由浸入-提出的循环次数来控制。包括两种化合物的叠层LB薄膜也可以用两只Languir槽-（每个槽中有一种化合物的单层膜）交替彼此覆盖来制备。（参阅Sugi，Langmuir-Blodgett薄膜-分子电子学的发展教程，综述文章，《分子电子学杂志》vol.1，2-17（1985）和U.S.Patent  No.4792208）。

本发明的构思从下述不限数量的例子中将变得更加清楚。

例一：

将一块水热生长的KTP晶体（从Litton System的Airtron部得到的）首先制成1毫米厚的Z向切割片，抛光后用热蒸汽法镀上约1000 厚的T_i层。在T_i层上旋涂一层光刻胶（Shipley^＃140J）在110℃下加热固化1小时，然后通过一带有所需波导图案的光掩模对固化的光刻胶进行接触曝光，去掉已曝光的光刻胶，再用EDTA，H₂O₂和NH₄OH溶液将去掉光刻胶后露出的T_i层腐蚀掉，从而使KTP基片按一定的图案暴露出来，然后去掉剩余的光刻胶;将镀T_i的基片端面抛光。

为了制成与块状KTP片间隔排列的Rb置换波导片，在T_i镀层上制作一组周期性波导图案，加有遮蔽层的基片上可以制作出有36种不同的波导图案，其中含有约400-1000个片，这些图案包括的未遮蔽区域宽度在4μm到9μm按相差1μm的阶差变化，在光传播方向上也是以1μm的阶差从1.7μm到4.7μm变化T_i遮蔽层的间隔尺度是1.3μm。即分段式波导段周期是从3μm到6μm，波导按KTP中的Y传播方向取向。

带有遮蔽层的基片经端面抛光后总的波导长度近似为5μm，在330℃温度下在含有3%摩尔Ba（NO₃）₂比97%摩尔RbNO₃熔盐中进行离子交换，通过有次序地变化交换时间，从45分钟到90分钟，研究不同的通道深度，这个离子置换过程得到的Rb通道光导，其特征是深度在约3到4μm的范围。离子交换过和结束后，将T_i遮蔽层去掉。

二次谐波产生转换效率可以通过-10倍、0.25数值孔径的物镜，利用与连续二极管泵浦随机偏振Nd∶YAG激光器（48mw，1.064μm）端射式耦合来进行测量，波长转换系统的KTP的相干长度约为91μm，波长转换系统的Rb置换片的相干长度约为190μm。

测得的二次谐波的产出是波导宽度的函数。当波导周期为4μm，离子交换时间为90分钟情况下，显示为第Ⅱ类型相位匹配，在波导宽度按近6μm时二次谐波的产生出现一个峰值，峰的半高宽（FWHM）小于1.5μm。

观察波导表面的弱散射看到二波谐波的产生随传播距离而增大。这表明，该波导中，总的相干长度大于波导长度，从而证明了已达到相位匹配。基于上述观测结果，整个波导上所有片的△kh的和被确定为小于π，对于另一具有不同宽度、周期和较低数量级的二次谐波产出效率的波导图案，观测了若干相干长度，对这一波长没有达到相位匹配。

所观测到的最大转换效率是15±4%w/cm²。

显示相位匹配的温度是变化的，在室温条件（即约25℃～125℃）都可以达到相位匹配（即约100℃的范围）。

例二

将一块从中国（北京晶体生长研究所）得到的熔融生长的KTP晶体按例一的加工处理方式、传播方向、掩蔽方法进行抛光和光刻。并将这个样品在370。℃温度下，在R_bNO₃熔盐中处理45分钟。[因为熔融生长的KTP晶体的离子导电率显著大（100倍～1000倍）于水热生长的KTP所以处理条件不同]在各种图案中，对于波长为1.064μm的达到相位匹配的二次谐波的产生是在波导宽度为6μm，波导周期为5μm时观测到的。其转换效率约为8%w/cm²。

例三

一块水热生长而成的晶体KTP（从Littom  System的Airtron部得到）仍按例一的方式切割，抛光，光刻而制备，只是掩模是按X传播方向取向而不是按Y传播方向取向的。这个样品被在摩尔比为95∶4∶1的RbNO₃∶TlNO₃∶Ba（NO₃）₂混合镀液中进行处理，在360℃下处理1小时。对于1.319μm波长（Nd∶YAG）;达到相位匹配的二次谐波的产生（SHG）是在波导宽度为7μm，间距为4μm时观测到的。（即用含T1的镀液来调整波导的表面折射率，使其对于1.319μm波长而不是1.064μm波长满足相位匹配的条件）。

本发明的几个特殊的实施例已包括在上述例子中，其他的实施例对于熟悉本领域的技术人员而言结合本发明的说明书及构思是显而易见的。应当理解，在不脱离本发明精神和新的概念的范围内可以做出许多改进和变化，还应该理解，本发明并不受这里所列举的公式及例子的局限，但是它包括在下面的权利要求书所限定的范围内。

Claims (26)

1、一种波长转换方法，其特征在于它包括下述步骤：

使用于波长转换的入射光波穿过一组排成一列的用来进行波长转换的光学材料片、所说的片经过选择使得所有片在排列方向的长度与该片的△k值之积的和约等于零，并且每片的长度小于其相干长度，其中每片的△k值是在该片中波长转换系统的入射光波数之和与该片中波长转换系统的生成波波数之和的差值，每片的相干长度是2π/△k，并且其中

或者是所说材料的至少一种是非线性光学性质的，或者是在所说的波长转换组片邻接处设置一种非线性光学材料，或者两者都用。

2、根据权利要求1所述的波长转换方法，其特征在于：在波长转换组片邻接处镀有一种Langmuir-Blodgett薄膜。

3、根据权利要求1所述的波长转换方法，其特征在于：每一片是由非线性光学材料构成的。

4、根据权利要求3所述的波长转换方法，其特征在于：用频率为ω₁和ω₂的入射光波产生频率为ω₃的光波，其中ω₃等于ω₁和ω₂之和。

5、根据权利要求3所述的波长转换方法，其特征在于：用频率为ω₄的入射光波产生频率为ω₅和ω₆的光波，其中ω₄等于ω₅和ω₆之和。

6、根据权利要求3所述的波长转换方法，其特征在于，产生了入射光波的二次谐波。

7、根据权利要求3所述的波长转换方法，其特征在于：这一列片是由成对配置的光学材料片构成，而且每一对片中的一片的长度与其△k值之积和另一片的长度与其△k值之积的和约等于零。

8、根据权利要求7所述的波长转换方法，其特征在于：用波长为1.064μm的入射光波产生其二次谐波，光波通过由KTP和用Rb（铷）置换的KTP片相互间隔形成的波导。

9、根据权利要求8所述的二次谐波的产生方法，其特征在于：波导宽度约为6μm，每个KTP片的长度约为1.3μm，每个用铷置换的片的长度约为2.7μm，KTP是水热生长而成的。

10、根据权利要求3所述的波长转换方法，其特征在于：每个片的长度在0.25μm到50μm范围内。

11、一种波长转换方法，其特征在于它包括下列步骤：

让用于波长转换的入射光通过由一组排成一列的波长转换光学材料片形成的波长转换路径，至少有一片所说的光学材料的△k值对于该波长转换系统是正值，至少还有一片所说的光学材料的△k值对于该波长转换系统是负值，这一组片经过这样选择，使得所有具有正△k值的片的长度与其△k值之积的和，与所有具有负△k值的片的长度与其△k值之积的和是平衡的，从而使整个波长转换路径的相干长度大于波长转换路径的长度。

12、一种用于波长转换系统的光学器件，所说光学器件包括至少一个光转换段，它是由一组排成一列的波长转换光学材料片组成;其特征在于：所说的片经过选择，使得每片的长度与其△k值之积的和约等于零，每片的长度小于其相干长度，其中△k值是在该片中用于波长转换系统的入射光波数之和与该片中由波长转换系统生成的光波的波数之和的差值，每一片的相干长度是2π/△k，而且，或者是所说材料中至少一种是非线性光学性质的，或者是由此所构成的器件包括有一层配置在所说转换系统部分邻接处的非线性光学材料，或者是上述两处均用非线性光学材料。

13、根据权利要求12所述的光学器件，其特征在于：在所说的转换部分的邻接处配置的是一层Langmuir-Blodgett薄膜。

14、根据权利要求12所述的光学器件，其特征在于：每一片都是由非线性光学材料所构成的。

15、根据权利要求14所述的光学器件，其特征在于：排成一列的片是由互相邻接的光学材料片成对地构成的，每对片中一片的长度与其△k值之积和另一片的长度和其△k值之积的和约等于零。

16、根据权利要求15所述的光学器件，其特征在于：它是由相互间隔的KTP片和用铷置换的KTP片构成的。

17、根据权利要求16所述的光学器件，其特征在于：波导中片的宽度约为6μm，每KTP片的长度约为1.3μm，每个用铷置换的片的长度约为2.7μm，KTP是水热生长而成的。

18、根据权利要求14所述的光学器件，其特征在于：每个片的长度在0.25μm到50μm范围内。

19、根据权利要求12所述的光学器件，其特征在于：所说的器件是一波导，它包括不同材料的相互间隔的片，一种是分子式为K_1-xRb_xTiOMO₄的晶体基片，其中X从0到1，M是磷（P）或砷（As），另一种是从Rb⁺、Cs⁺和Tl⁺族中选择出来的阳离子对所说基片进行充分的阳离子交换后的材料，这是为了使置换部分的表面折射率相对于所说基片的折射率有所改变。

20、根据权利要求14所述的光学器件，其特征在于：它是由单晶材料KTiOPO₄基片和该基片材料中阳离子被Rb部分地置换后相互间隔而构成的。

21、根据权利要求14所述的光学器件，其特征在于：它是由单晶KTiOPO₄基片和所说基片材料中的阳离子被Tl和Rb部分地置换后的片相互间隔而构成的。

22、根据权利要求12所说的光学器件，其特征在于：其中的光学材料是分子式为K_1-xRb_xTiOMO₄的单晶材料，其中x为从0到1，M是P或As和所说分子式的单晶材料中阳离子已被Rb⁺、Ti⁺和Cs⁺，至少其中一种置换后的单晶材料。

23、根据权利要求22所述的光学器件，其特征在于：它是一经过处理的单晶KT₁OPO₄，其中所包含的片中KT₁OPO₄的阳离子已被Rb⁺和Tl⁺至少其中之一部分地置换了。

24、在一个包括至少一个通道波导和一个将入射光波耦合进所说通道波导的装置，以及一个将射出的光波与该装置相耦合的装置中作出改进，其特征在于：该通道波导是如权利要求12所说的光学器件。

25、一种制作用于一波长转换系统的通道波导的方法，它包括下述步骤：

（1）取一分子式为K_1-xRb_xTiOMO₄其中X从0到1，M是磷或砷，或是上述分子式中阳离子被Tl⁺部分置换的Z向切割晶片，所说基片具有一光学平面，其上有某一部分适于制作一通道波导，

（2）提供一种适当数量的熔盐，其中所含阳离子选自Rb⁺，Cs⁺和Tl⁺族之中，在一定温度下经过一定的时间，在上述波导部分曝光使阳离子的置换充分进行从而使置换部分的折射率相对于所说基片的折射率发生变化，

（3）在所说基片上使用一种掩模材料，沿所说光学平面的波导部分，形成排成一列的条状图案，它是由耐所说熔盐腐蚀的材料间隔掩蔽波导表面而形成的，

（4）在一定温度下将已镀有掩模材料的基片浸入所说熔盐中经一定时间，使未覆盖区域进行阳离子置换，

（5）将掩模材料从所说的基片上去掉，

（6）将波导入射表面和射出表面抛光，从而将所基片制成一表面光滑的波导，

所说的覆盖区域和未覆盖区域的长度是经过选择的，未覆盖区域用阳离子置换后，在所说区域形成的通道波导包括至少一个由一组排成一列的光学材料片构成的光学转换部分，而且每个片的长度与其△k值之积的和约等于零，每一片的长度小于其相干长度，其中△k值是每一片中用于波长转换系统的入射光波数之和与该片中由波长转换系统产生的光的波数之和的差值，每一片的相干长度定义为2π/△k。

26、如权利要求25所述的方法，其特征在于：步骤（1）中的基片的分子式为K_1-xRb_xTiOMO₄。

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