DE102020200025A1

DE102020200025A1 - Optische Wellenlängenumwandlungsvorrichtung und Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE102020200025A1
Application number: DE102020200025.5A
Authority: DE
Inventors: Shigehiro Nagano
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2019-01-09
Filing date: 2020-01-03
Publication date: 2020-07-09
Also published as: JP2020112626A; JP2022180544A; US11126064B2; JP7392792B2; US20200264491A1; US20200218127A1; US10698292B1

Abstract

Eine Aufgabe ist es beispielsweise ein Verfahren zur Herstellung einer optischen Wellenlängenumwandlungsvorrichtung mit einer Struktur bereitzustellen, die eine effiziente Bildung von Kristallbereichen auf der Oberfläche oder im Inneren eines amorphen Materials ermöglicht. Ein amorpher Hauptkörper wird intermittierend mit einem ersten Laserstrahl zum Erzeugen eines Bereichs mit hoher Dichte an angeregten Elektronen im Inneren des Hauptkörper und einem zweiten Laserstrahl zum Erwärmen des Bereichs mit hoher Dichte an angeregten Elektronen bestrahlt, wobei sich die jeweiligen Fokusbereiche der ersten und zweiten Laserstrahlen überlappen. Während der intermittierenden Bestrahlung mit den ersten und zweiten Laserstrahlen werden die relative Position des Hauptkörpers und des überlappenden Fokusbereichs der ersten und zweiten Laserstrahlen variiert. Dies ermöglicht, dass ein Teil des Hauptkörpers, in dem sich der überlappende Fokusbereich bewegt, als Wärmequelle zum Bilden eines Kristallbereichs dient.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Wellenlängenumwandlungsvorrichtung und ein Verfahren zu deren Herstellung.
Beschreibung des Standes der Technik
Ferroelektrische optische Kristalle, wie ein LiNbO₃(LN)-Kristall, ein KTiOPO₄(KTP)-Kristall, ein LiB₃O₅(LBO)-Kristall und ein β-BaB₂O₄(BBO)-Kristall, sind Materialien, die typischerweise in nichtlinearen Vorrichtungen zweiter Ordnung verwendet werden, die in einer Vielzahl von Anwendungsgebieten, die auf Wellenlängenumwandlung basieren, entwickelt wurden. Auf dem Gebiet der Laserbearbeitung werden diese Kristalle verwendet, um die Wellenlängen von optischen Faserlasern unter Verwendung von Frequenzverdopplung (SHG - „second harmonic generation“) zu verkürzen. Da Strahlpunktdurchmesser reduziert werden können, werden die oben beschriebenen Kristalle in der Feinlaserbearbeitung verwendet. Auf dem Gebiet der optischen Kommunikation werden die oben beschriebenen Kristalle in optischen Vorrichtungen verwendet, die eine simultane Mehrfachwellenlängenumwandlung von C-Band-Wellenlängenmultiplex-(WDM - „wavelength division multiplexing“)-Signalen in L-Band-WDM-Signale ausführen, damit die Wellenlängenressourcen der WDM-Signale effektiv genutzt werden. Auf dem Gebiet der Messtechnik, bei der die Terahertz-Spektroskopie, die die Beobachtung von durch Wasserstoffbrücken verursachten intermolekularen Schwingungen ermöglicht, Beachtung fand, werden die oben beschriebenen Kristalle in Lichtquellen verwendet, die Terahertz-Licht erzeugen. In letzter Zeit haben Verbindungshalbleiterkristalle, wie GaAs, GaP, GaN, CdTe, ZnSe und ZnO, als Materialien für nichtlineare Vorrichtungen zweiter Ordnung Aufmerksamkeit erregt, da sie große nichtlineare optische Konstanten zweiter Ordnung aufweisen, und es gab erhebliche Fortschritte in der Technologie zur Herstellung periodisch gepolter Strukturen, die für nichtlineare Vorrichtungen zweiter Ordnung essentiell sind.
Verfahren zur Wellenlängenumwandlung können in zwei Arten unterteilt werden: Winkelphasenanpassung und Quasi-Phasenanpassung (QPM - „quasi-phase matching“) basierend auf periodischer Polung. Insbesondere ermöglicht die Quasi-Phasenanpassung durch Anpassen des periodischen Polungsabstands die Erzeugung einer Vielzahl von phasenangepassten Wellenlängen und die Wellenlängenumwandlung über den gesamten transparenten Bereich des Materials. Darüber hinaus ist es mit der Quasi-Phasenanpassung, die keine Walk-Off-Winkel aufweist, die bei Verwendung von Winkelphasenanpassung unvermeidbar sind, möglich, eine hohe Strahlqualität zu erzielen und die Wechselwirkungslänge zu erhöhen. Die Quasi-Phasenanpassung ermöglicht somit eine effiziente Nutzung von Wellenlängenressourcen und eine Verringerung des Kopplungsverlusts bei der optischen Kommunikation und ist somit ein effizientes Verfahren, das sich aufgrund der hohen Strahlqualität zur Verwendung auf dem Gebiet der Laserbearbeitung und Messtechnik eignet.
Wenn das in der nichtlinearen Vorrichtung zweiter Ordnung verwendete Material ein einkristallines Material ist, weist die Wellenlängenumwandlung unter Verwendung der Quasi-Phasenanpassung jedoch immer noch Einschränkungen beim Formungsprozess auf und erfordert ein komplexes optisches System. Die internationale Veröffentlichung Nr. 2017/110792 schlägt ein Verfahren vor, das einen flexiblen Glasformungsprozess mit Wellenlängenumwandlung kombiniert. Der Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, dass das Substrat, das aus Glas ist, zu verschiedenen Formen verarbeitet werden kann, beispielsweise zu Fasern oder dünnen Folien. Das heißt, da den verschiedenen Formen von Substraten Wellenlängenumwandlungsfähigkeiten hinzugefügt werden können, kann eine benutzerfreundliche Wellenlängenumwandlung erreicht werden. Die oben beschriebene internationale Veröffentlichung Nr. 2017/110792 offenbart auch eine Verfahren zur Steuerung der Ausrichtung, die das Ausrichten von Kristallen in einem Bereich beinhaltet, der mit einem Laserstrahl unter Anlegen eines elektrischen Feldes bestrahlt wird.
Als eine einfache und selektive Kristallisationstechnik schlägt die internationale Veröffentlichung Nr. 2018/123110 eine selektive Kristallisationstechnik unter Verwendung von Laserglühen vor. Dieses Verfahren beinhaltet das Bestrahlen von Vorläuferglas mit einem Laserstrahl, der eine Wellenlänge im Absorptionswellenlängenband des Vorläuferglases aufweist. Diese Laserbestrahlung bewirkt eine lokale Wärmeeinwirkung, die aus der Absorption von Licht in den laserbestrahlten Bereichen resultiert, oder bewirkt eine lokale Wärmeeinwirkung auf eine Materialoberfläche durch eine Folie, die mit einem absorbierenden Material beschichtet ist, und ermöglicht somit die Bildung von Kristallbereichen mit lokalen spontanen Polarisationen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung stellt ein Herstellungsverfahren bereit, das eine Erhöhung der Anzahl von Herstellungsschritten verhindert, keine komplexen Vorgänge zur Optimierung der Herstellungsbedingungen und -anlagen beinhaltet und dennoch eine größere Flexibilität bei der Bildung von Kristallbereichen auf der Oberfläche oder im Inneren eines amorphen Materials bietet, um eine optische Wellenlängenumwandlungsvorrichtung zu bilden. Die vorliegende Erfindung stellt auch eine optische Wellenlängenumwandlungsvorrichtung bereit, die durch das Herstellungsverfahren erhalten wird.
Ein Verfahren zur Herstellung einer optischen Wellenlängenumwandlungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung umfasst einen Herstellungsschritt, einen ersten Bestrahlungsschritt, einen zweiten Bestrahlungsschritt und einen Abtastschritt. Der Herstellungsschritt stellt einen Hauptkörper aus einem amorphen Material zur Bildung einer optischen Wellenlängenumwandlungsvorrichtung her. Der erste Bestrahlungsschritt bestrahlt den Hauptkörper mit einem ersten Laserstrahl, der auf die Oberfläche oder das Innere des Hauptkörpers fokussiert ist und Elektronen im Fokusbereich des ersten Laserstrahls anregt. Ein Femtosekunden(fs)-Laserstrahl wird als erster Laserstrahl verwendet. Der fs-Laserstrahl weist eine Wellenlänge auf, die außerhalb der Absorptionswellenlängenbande des Hauptkörpers liegt, oder eine Wellenlänge, bei der die Absorption von Licht in den Hauptkörper auf einem niedrigen Niveau gehalten werden kann. Der zweite Bestrahlungsschritt bestrahlt den Hauptkörper mit einem zweiten Laserstrahl, der so fokussiert ist, dass er den Fokusbereich des ersten Laserstrahls überlappt und den Fokusbereich des ersten Laserstrahls erwärmt. Als zweiter Laserstrahl wird ein Pulslaserstrahl mit einer Pulsbreite von 1 Picosekunde (ps) oder mehr oder ein Dauerstrich(CW - „continuous wave“)-Laserstrahl verwendet. Außerhalb des Fokusbereichs des ersten Laserstrahls weist der Pulslaserstrahl oder der CW-Laserstrahl eine Wellenlänge außerhalb der Absorptionswellenlängenbande des Hauptkörpers auf oder weist eine Wellenlänge auf, bei der die Absorption von Licht in den Hauptkörper auf einem niedrigen Niveau gehalten werden kann. Der Abtastschritt variiert die relative Position des Hauptkörpers und des überlappenden Fokusbereichs der ersten und zweiten Laserstrahlen, während der erste und der zweite Bestrahlungsschritt intermittierend in synchronisierter Weise durchgeführt werden.
In der vorliegenden Offenbarung beziehen sich „Wellenlänge außerhalb der Absorptionswellenlängenbande“ und „Wellenlänge, bei der die Absorption von Licht auf einem niedrigen Niveau gehalten werden kann“ auf eine Wellenlänge, bei der der Absorptionskoeffizient 0,01/cm oder weniger beträgt. Der Fokusbereich des ersten Laserstrahls bezieht sich auf einen Bereich (Bereich mit hoher Dichte an angeregten Elektronen), in dem angeregte Elektronen in hoher Dichte vorhanden sind, wobei der Fokuspunkt des ersten Laserstrahls im Zentrum liegt, und ist definiert als ein Bereich, in dem die Dichte an angeregten Elektronen 10¹⁹/cm³ oder mehr beträgt. Der Zustand, in dem der Fokusbereich des ersten Laserstrahls und der Fokusbereich des zweiten Laserstrahls überlappen, bezieht sich nicht nur auf einen Zustand, in dem der Fokuspunkt des ersten Laserstrahls mit dem Fokuspunkt des zweiten Laserstrahls zusammenfällt, sondern ebenso auf einen Zustand, in dem diese Fokuspunkte nicht zusammenfallen. Insbesondere kann beispielsweise auch dann, wenn der Fokuspunkt des zweiten Laserstrahls außerhalb des Bereichs mit hoher Dichte an angeregten Elektronen (d. h. außerhalb des Fokusbereichs des ersten Laserstrahls) liegt, der gesamte oder zumindest ein Teil des Bereichs mit hoher Dichte an angeregten Elektronen in dem Bereich liegen, der mit dem zweiten Laserstrahl bestrahlt wird.
Eine optische Wellenlängenumwandlungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung umfasst einen Hauptkörper, der so konfiguriert ist, dass sich Licht darin ausbreiten kann, und eine Vielzahl von Kristallbereichen, die im Inneren des Hauptkörpers entlang einer Ausbreitungsrichtung des Lichts angeordnet sind. Die Vielzahl von Kristallbereichen weisen jeweils eine spontane Polarisation auf, die entlang der Ausbreitungsrichtung ausgerichtet ist (d. h. spontane Polarisation mit einer Polarisationsausrichtung, die mit der Ausbreitungsrichtung übereinstimmt).
Die vorliegende Offenbarung ermöglicht die effiziente Bildung von Kristallbereichen und stellt eine optische Wellenlängenumwandlungsvorrichtung bereit, die in der Lage ist, eine hocheffiziente Wellenlängenumwandlung auf der Oberfläche oder im Inneren des Hauptkörpers einer beliebigen Form, wie z. B. einer sperrigen Form und einer Faserform, durchzuführen.
Figurenliste

1 ist ein konzeptionelles Diagramm zur Erläuterung einer Grundstruktur einer optischen Wellenlängenumwandlungsvorrichtung und eines Prinzips davon, wie ein Kristallbereich gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung gebildet wird.
2 ist ein konzeptionelles Diagramm zur Erläuterung einer Beziehung zwischen Kristallisation und Temperatur während der direkten Laserbestrahlung eines amorphen Materials.
3 ist ein konzeptionelles Diagramm zur Erläuterung eines Verfahrens zur Herstellung einer optischen Wellenlängenumwandlungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung.
4 ist ein konzeptionelles Diagramm zur Erläuterung eines anderen Verfahrens zur Herstellung einer optischen Wellenlängenumwandlungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung.
5 ist ein konzeptionelles Diagramm, das als Beispiel der optischen Wellenlängenumwandlungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung eine sich wiederholende Struktur darstellt, bei der eine Vielzahl von Kristallbereichen abwechselnd mit amorphen Bereichen in einem Hauptkörper angeordnet sind.
6 ist ein konzeptionelles Diagramm, das als weiteres Beispiel der optischen Wellenlängenumwandlungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung eine sich wiederholende Struktur darstellt, bei der eine Vielzahl von Kristallbereichen kontinuierlich in dem Hauptkörper angeordnet sind.
7 ist ein konzeptionelles Diagramm zur Erläuterung der Polarisationsordnung in der in 6 dargestellten Struktur.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Eine optische Wellenlängenumwandlungsvorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung der optischen Wellenlängenumwandlungsvorrichtung gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun detailliert unter Bezugnahme der beigefügten Figuren beschrieben. Es ist zu beachten, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist. Die vorliegende Erfindung wird durch die beigefügten Ansprüche definiert und alle Änderungen, die im Rahmen der beigefügten Ansprüche und der dazu äquivalenten Bedeutungen und Bereiche vorgenommen werden, sollen von der vorliegenden Erfindung umfasst sein. In den Zeichnungen sind dieselben Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen und auf eine redundante Beschreibung wird verzichtet.
Das in der internationalen Veröffentlichung Nr. 2017/110792 offenbarte Verfahren beinhaltet den Schritt des Anlegens eines elektrischen Feldes, und dies erfordert die Herstellung von Elektroden. Da eine Spannung in kurzen Intervallen angelegt wird, muss beim Anlegen einer hohen Spannung besondere Beachtung geschenkt werden, um eine dielektrische Störung zu vermeiden. Das in der internationalen Veröffentlichung Nr. 2017/110792 offenbarte Verfahren erfordert somit viele Herstellungsschritte und erhöht die Schwierigkeit der Herstellung. Bei dem in der internationalen Veröffentlichung Nr. 2018/123110 offenbarten Verfahren hängt die Kristallisation im Inneren des Materials stark von der Menge der Lichtabsorption ab. Selbst wenn die Wellenlänge eines Laserstrahls, mit dem das Material bestrahlt werden soll, kurz eingestellt ist, ist es schwierig, eine flexible Bildung von Kristallbereichen im Inneren des Materials nur durch Optimieren der Laserbestrahlungsbedingungen und des Lichtkondensorsystems zu erreichen, wenn das Material nicht genügend Licht absorbiert.
1 ist ein konzeptionelles Diagramm zur Erläuterung einer Grundstruktur einer optischen Wellenlängenumwandlungsvorrichtung und eines Prinzips davon, wie ein Kristallbereich gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung gebildet wird. 2 ist ein konzeptionelles Diagramm zur Erläuterung einer Beziehung zwischen Kristallisation und Temperatur während der direkten Laserbestrahlung eines amorphen Materials.
Ein Verfahren zur Herstellung einer optischen Wellenlängenumwandlungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung kann ein Glas, das SiO₂ enthält, als amorphes Material für einen Hauptkörper zur Bildung der optischen Wellenlängenumwandlungsvorrichtung verwenden. Der amorphe Hauptkörper wird mit einem fs-Laserstrahl (erster Laserstrahl), der eine Wellenlänge außerhalb der Absorptionswellenlängenbande des Hauptkörpers oder eine Wellenlänge aufweist, bei der das Niveau der Absorption von Licht in den Hauptkörper niedrig ist, sowie ebenso mit einem Laserstrahl (zweiter Laserstrahl) bestrahlt, der eine Wellenlänge außerhalb der Absorptionswellenlängenbande des Hauptkörpers oder eine Wellenlänge aufweist, bei der das Niveau der Absorption von Licht in den Hauptkörper niedrig ist. Der zweite Laserstrahl ist entweder ein Pulslaserstrahl mit einer Pulsbreite von 1 ps oder mehr oder ein CW-Laserstrahl. Der erste Laserstrahl und der zweite Laserstrahl werden auf den Hauptkörper so angewendet, dass diese in demselben Fokusbereich überlappen. Wenn der gepulste Laserstrahl mit einer Pulsbreite von 1 ps oder mehr oder der CW-Laserstrahl bevorzugt in einem kurzzeitig im Fokusbereich des fs-Laserstrahls erzeugten Bereich angeregter Elektronen mit hoher Dichte absorbiert wird, wird zu diesem Zeitpunkt Wärme im Bereich mit hoher Dichte an angeregten Elektronen erzeugt. Das Herstellungsverfahren der vorliegenden Offenbarung kristallisiert den benachbarten Bereich dieses erwärmten Bereichs mit hoher Dichte an angeregten Elektronen (wärmeerzeugender Bereich) und ermöglicht die flexible Bildung eines oder mehrerer Kristallbereiche auf der Oberfläche oder im Inneren des Hauptkörpers.
Unter Bezugnahme auf 1 ist ein Hauptkörper 10 aus einem amorphen Material und Licht verbreitet sich in dem Hauptkörper 10 entlang einer optischen Achse AX. Wenn beispielsweise der Hauptkörper 10 ein Substrat mit einer Kanalwellenleiterstruktur ist, fällt die optische Achse des Kanalwellenleiters mit der optischen Achse AX zusammen. Wenn der Hauptkörper 10 eine optische Faser ist, fällt die zentrale Achse der optischen Faser mit der optischen Achse AX in ähnlicher Weise zusammen. Materialien, die zur Bildung des Hauptkörpers 10 verwendet werden können, umfassen ein Glas auf Basis von BaO-TiO₂-GeO₂-SiO₂ oder ein Glas auf Basis von SrO-TiO₂-SiO₂. In dem aus diesen Materialien hergestellten Hauptkörper 10 kann eine radial geordnete Polarisationsstruktur aus Fresnoitkristallen (Sr₂TiSi₂O₈, Ba₂TiGe₂O₈) auf einfache Weise durch Laserbestrahlung erhalten werden. Ein Metall aus einer aus den Lanthanoid-Reihen, Actinoid-Reihen und Gruppe 4 bis Gruppe 12 kann zu dem Hauptkörper 10 hinzugefügt werden, der aus einem der oben beschriebenen Materialien hergestellt ist. Dies verbessert die Absorption des Laserstrahls in den Hauptkörper 10 und ermöglicht eine effizientere Bildung der geordneten Polarisationsstruktur.
In der vorliegenden Offenbarung wird der Hauptkörper 10 mit zwei unterschiedlichen Arten an Laserstrahlen L1 und L2 bestrahlt, die unterschiedlich auf den Hauptkörper 10 wirken. Der Laserstrahl L1 (erster Laserstrahl) wird so auf den Hauptkörper angewendet, dass sich der Fokusbereich des Laserstrahls L1 auf der Oberfläche oder im Inneren des Hauptkörpers 10 befindet. Der Laserstrahl L1 ist ein Laserstrahl zur Erzeugung eines Bereichs mit hoher Dichte an angeregten Elektronen 110 in dem Hauptkörper 10 (siehe beispielsweise Nature Photonics 2, 219-225 (2008) von Rafael R. Gatass & Eric Mazur) und umfasst einen fs-Laserstrahl, der eine Wellenlänge außerhalb der Absorptionswellenlängenbande des Hauptkörpers 10 oder eine Wellenlänge aufweist, bei der die Absorption von Licht in den Hauptkörper 10 auf einem niedrigen Niveau gehalten werden kann. Beispiele des Laserstrahls L1 umfassen eines aus einem von einem Titansaphir-(Ti:S)-Laser ausgegebenen Laserstrahl, einem von einem Faserlaser ausgegebenen Laserstrahl (z. B. Ytterbium-dotierter (Yb-dotierter) Faserlaser) und einem unter Verwendung dieser Laserquellen von einem Wellenlängenumwandlungslaser (mit einer Wellenlänge von 400 nm bis 550 nm) ausgegebenen Laserstrahl. Alle hier beschriebenen Laserstrahlen sind Pulslaserstrahlen mit einer Pulsbreite von 900 fs oder weniger.
Andererseits wird der Laserstrahl L2 (zweiter Laserstrahl) so auf den Hauptkörper 10 angewendet, dass der Fokusbereich des Laserstrahls L2 den Fokusbereich des Laserstrahls L1 überlappt. Der Laserstrahl L2 ist ein Laserstrahl, der die Funktion hat, den Bereich mit hoher Dichte an angeregten Elektronen 110 des Hauptkörpers 10 zu erwärmen. Außerhalb des Fokusbereiches des Laserstrahls L1 weist der Laserstrahl L2 eine Wellenlänge außerhalb der Absorptionswellenlängenbande des Hauptkörpers 10 oder eine Wellenlänge auf, bei der die Absorption von Licht in den Hauptkörper 10 auf einem niedrigen Niveau gehalten werden kann. Der Laserstrahl L2 umfasst einen Pulslaserstrahl mit einer Pulsbreite von 1 ps oder mehr oder einen CW-Laserstrahl. Beispiele der Lichtquelle zur Ausgabe des Laserstrahls L2 umfassen einen Gaslaser (z. B. einen Kohlendioxid(CO₂)-Laser), einen Faserlaser (z. B. einen Ybdotierten Faserlaser) und einen Halbleiterlaser. Der von einer dieser Lichtquellen ausgegebene Laserstrahl L2 umfasst einen Pulslaserstrahl mit einer Pulsbreite von 1 ps oder mehr (vorzugsweise mit einer Pulsbreite von 1 Nanosekunde (ns) oder mehr) oder einen CW-Laserstrahl.
Der in 1 dargestellte Bereich mit hoher Dichte an angeregten Elektronen 110 ist ein Bereich, in dem Elektronen kurzzeitig mittels Bestrahlung mit dem Laserstrahl L1 in hoher Dichte vorhanden sind. Wenn der Laserstrahl L2 in Richtung des Bereichs mit hoher Dichte an angeregten Elektronen 110 fokussiert wird, wird die optische Energie des Laserstrahls L2 bevorzugt und selektiv in dem Bereich mit hoher Dichte an angeregten Elektronen 110 absorbiert. Dieser Bereich, der optische Energie absorbiert, erzeugt Wärme und fungiert als wärmeerzeugender Bereich (Wärmequelle) zum Bilden eines Kristallbereichs 100 (siehe beispielsweise Applied Physics Letters, Vol. 113, 061101/1-4 (2018) von Yusuke Ito et al.).
In der vorliegenden Offenbarung wird der Bereich mit hoher Dichte an angeregten Elektronen 110 in dem Hauptkörper 10 entlang der optischen Achse AX verschoben, indem zumindest die Laserstrahlen L1 und L2 oder der Hauptkörper 10 in die durch den Pfeil S1 in 1 angegebene Richtung bewegt werden. Dies bedeutet, dass in dem durch diagonale Linien in 1 angezeigten Bereich 110 zuvor durch Bestrahlung mit dem Laserstrahl L1 ein Bereich mit hoher Dichte an angeregten Elektronen erzeugt wurde und dieser während des Bildungsprozesses des Kristallbereichs 100 durch Absorbieren der optischen Energie des Laserstrahls L2 als wärmeerzeugender Bereich fungierte. Der in dem Hauptkörper 10 gebildete Kristallbereich 100 ist ein benachbarter Bereich des Bereichs mit hoher Dichte an angeregten Elektronen 110. Insbesondere ist der Kristallbereich 100 ein Bereich, der durch Wärme, die während Bestrahlung mit den Laserstrahlen L1 und L2, die relativ zueinander entlang der durch den Pfeil S1 angegebenen Richtung bewegt werden, in Teilen des Bereichs mit hoher Dichte an angeregten Elektronen erzeugt wird, kristallisiert.
Der wie oben beschrieben gebildete Kristallbereich 100 besteht aus einem ersten Kristallteilbereich 100A mit einer spontanen Polarisation A, die radial in der Richtung senkrecht zur optischen Achse AX ausgerichtet ist, und zweiten Kristallteilbereichen 100B1 und 100B2, die sich an beiden Enden des ersten Kristallteilbereichs 100A entlang der optischen Achse AX befinden. Die zweiten Kristallteilbereiche 100B1 und 100B2 weisen spontane Polarisationen B1 bzw. B2 auf. Anders als die spontane Polarisation A im ersten Kristallteilbereich 100A sind die spontanen Polarisationen B1 und B2 entlang der optischen Achse AX (Abtastrichtung des Laserstrahls L1) ausgerichtet.
Die Position einer Grenzfläche 120A zwischen dem ersten Kristallteilbereich 100A und dem zweiten Kristallteilbereich 100B1 kann als ein Ende des ersten Kristallteilbereichs 100A identifiziert werden, d. h. als Startposition zur Bestrahlung des Laserstrahls L1. Auf ähnliche Weise kann die Position einer Grenzfläche 120B zwischen dem ersten Kristallteilbereich 100A und dem zweiten Kristallteilbereich 100B2 als das andere Ende des ersten Kristallteilbereichs 100A identifiziert werden, d. h. als Endposition zur Bestrahlung des Laserstrahls L1.
Insbesondere sind in der optischen Wellenlängenumwandlungsvorrichtung der vorliegenden Offenbarung eine Vielzahl von Kristallbereichen 100, die jeweils die in 1 dargestellte Struktur aufweisen, entlang der optischen Achse AX in dem Hauptkörper 10 angeordnet. In der Vielzahl von Kristallbereichen 100, die entlang der optischen Achse AX im Hauptkörper 10 angeordnet sind, sind die Grenzflächen 120A und 120B, die die Positionen beider Enden jedes ersten Kristallteilbereichs 100A definieren, abwechselnd entlang der optischen Achse AX angeordnet. Wenn die Vielzahl von Kristallbereichen 100 in dem Hauptkörper 10 angeordnet sind, wird ein Intervall zwischen Grenzflächen 120A in zwei benachbarten der Kristallbereiche 100 entlang der optischen Achse AX oder ein Intervall zwischen Grenzflächen 120B in zwei benachbarten der Kristallbereiche 100 entlang der optischen Achse AX als eine Periode der sich wiederholenden Struktur definiert. Diese sich wiederholende Struktur weist vorzugsweise eine konstante Periode, eine Chirp-Periode, eine Periode mit mehreren unterschiedlichen konstanten Perioden oder eine Periode auf, die auf einer Fibonacci-Sequenz oder einer Barker-Sequenz basiert.
Die Menge der Wärmeerzeugung in dem Bereich, in dem die optische Energie des Laserstrahls L2 absorbiert wird (Absorptionsbereich), hängt von der Bestrahlungsdauer mit dem Laserstrahl L2 ab. Mit zunehmender Menge an Wärmeerzeugung steigt auch die Temperatur im benachbarten Bereich um den Absorptionsbereich an (von einer Kristallkeimbildungsschwelle T1 zu einer Kristallwachstumsschwelle T2, wie in 2 gezeigt). Der benachbarte Bereich kann kristallisiert werden, indem die Menge der Wärmeerzeugung in dem Absorptionsbereich derart gesteuert wird, dass die Temperatur in dem benachbarten Bereich niedriger als oder gleich einer Schädigungsschwelle (oder Schmelzschwelle) T3 ist.
2 ist ein Diagramm zur Erläuterung einer Beziehung zwischen der Kristallisation und der Temperatur während der direkten Laserbestrahlung eines amorphen Materials, das ein typisches Beispiel der Laserbestrahlung ist. Der in 2 dargestellte Kristallbereich 100 fällt mit einem Querschnitt des Hauptkörpers 10 senkrecht zur in 1 dargestellten optischen Achse AX zusammen. Der Kristallbereich 100 weist die spontane Polarisation A, die wie in 2 dargestellt radial ausgerichtet ist, auf. Die Kurven G1 bis G3 in 2 zeigen an, dass die Temperatur in dem bestrahlten Bereich auf der optischen Achse des Laserstrahls am höchsten ist und mit zunehmendem Abstand von der optischen Achse des Laserstrahls in der radialen Richtung abnimmt, wenn ein amorphes Material (Zielbereich) mit einem Laserstrahl bestrahlt wird.
Im Stadium der Kurve G1 hat nur die zentrale Temperatur im bestrahlten Bereich die Kristallkeimbildungsschwelle T1 erreicht und die Temperatur im anderen Bereich hat die Kristallkeimbildungsschwelle T1 noch nicht erreicht. Kristallkeime bilden sich nur im Zentrum des bestrahlten Bereichs und die spontane Polarisation ist an dieser Stelle zufällig ausgerichtet.
Wenn die kontinuierliche oder intermittierende Laserbestrahlung fortgesetzt wird, steigt die Gesamttemperaturverteilung an und die zentrale Temperatur im bestrahlten Bereich erreicht die Kristallwachstumsschwelle T2, wie durch die Kurve G2 angegeben. Dies ermöglicht, dass die Kristalle an den Kristallkeimen zu wachsen beginnen. Die Kristalle wachsen entsprechend der zufälligen Ausrichtung der spontanen Polarisation. Die zum Zentrum des bestrahlten Bereichs hin wachsenden Kristallkeime kollidieren miteinander und hören auf zu wachsen. Dadurch ist die Ausrichtung auf den äußeren Bereich gerichtet, in dem die Kristalle dominierend wachsen können. Daher ist die Endausrichtung der spontanen Polarisation A hauptsächlich vom Zentrum des bestrahlten Bereichs (d. h. von der optischen Achse des Laserstrahls) entlang der radialen Richtung weg.
Die kontinuierliche oder intermittierende Laserbestrahlung wird fortgesetzt, und wenn die Temperatur in und um das Zentrum des bestrahlten Bereichs die durch die Kurve G3 angegebene Schädigungsschwelle T3 überschreitet, schmilzt der Zielbereich in und um das Zentrum. Dies bedeutet, dass eine Perforation (Bearbeitungsmarke) 101 im Zentrum des Kristallbereichs gebildet wird. Auf diese Weise wird der Kristallbereich 100 mit einer Ringform gebildet, bei dem die spontane Polarisation A radial ausgerichtet ist.
3 ist ein konzeptionelles Diagramm zur Erläuterung eines Verfahrens zum Herstellen einer optischen Wellenlängenumwandlungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung. Als Hauptkörper 10 wird ein Wellenleitersubstrat 10A mit einem Kanalwellenleiter 11, der sich entlang der optischen Achse AX erstreckt, hergestellt (Herstellungsschritt). Eine erste Lichtquelle 20A gibt den Laserstrahl L1 (fs-Laserstrahl) zum Erzeugen eines Bereichs mit hoher Dichte an angeregten Elektronen auf der Oberfläche oder im Inneren des Wellenleitersubstrats 10A aus und das Wellenleitersubstrat 10A wird mit dem Laserstrahl L1 bestrahlt (erster Bestrahlungsschritt). Eine zweite Lichtquelle 20B gibt den Laserstrahl L2 (der ein Pulslaserstrahl mit einer Pulsbreite von 1 ps oder mehr oder ein CW-Laserstrahl ist) zum Erwärmen eines Teils des Wellenleitersubstrats 10A aus, und das Wellenleitersubstrat 10A wird mit dem zweiten Laserstrahl L2 bestrahlt (zweiter Bestrahlungsschritt). Der Laserstrahl L1 und der Laserstrahl L2 werden koaxial auf das Wellenleitersubstrat 10A angewendet. Das heißt, der Strahlengang des Laserstrahls L1, der sich von der ersten Lichtquelle 20A zum Wellenleitersubstrat 10A erstreckt, und der Strahlengang des Laserstrahls L2, der sich von der zweiten Lichtquelle 20B zum Wellenleitersubstrat 10A erstreckt, sind mit einem optischen Lichtkondensorsystem 30 und einem Halbspiegel 40 versehen, die sich die Laserstrahlen L1 und L2 teilen. Dieses koaxiale Bestrahlungssystem hat den Vorteil, dass es auf einfache Weise konfiguriert werden kann.
Der erste Bestrahlungsschritt und der zweite Bestrahlungsschritt werden in synchronisierter Weise ausgeführt, um eine intermittierende Bestrahlung mit dem Laserstrahl L1 und dem Laserstrahl L2 zu ermöglichen. Während der Laserbestrahlung wird der von der ersten Lichtquelle 20A ausgegebene Laserstrahl L1 durch den Halbspiegel 40 in Richtung des optischen Lichtkondensorsystems 30 reflektiert. Nach dem Passieren des optischen Lichtkondensorsystems 30 wird der Laserstrahl L1 nahe der Oberfläche des Wellenleitersubstrats 10A fokussiert. Der Bereich mit hoher Dichte an angeregten Elektronen 110 wird im Fokusbereich des Laserstrahls L1 erzeugt. Gleichzeitig wandert der von der zweiten Lichtquelle 20B ausgegebene Laserstrahl L2 durch den Halbspiegel 40 in Richtung des optischen Lichtkondensorsystems 30. Nach dem Passieren des optischen Lichtkondensorsystems 30 wird der Laserstrahl L2 fokussiert, damit dieser mit dem Bereich mit hoher Dichte an angeregten Elektronen 110 überlappt. Die optische Energie des Laserstrahls L2 wird in dem Bereich mit hoher Dichte an angeregten Elektronen 110, der als wärmeerzeugender Bereich zur Bildung des Kristallbereichs 100 in dem Kanalwellenleiter 11 dient, absorbiert.
Während der erste und der zweite Bestrahlungsschritt in synchronisierter Weise intermittierend ausgeführt werden, bewegt sich zumindest das Wellenleitersubstrat 10A oder das koaxiale Bestrahlungssystem für die Laserstrahlen L1 und L2 entlang der durch den Pfeil S2 angegebenen Richtung. Dies ermöglicht es, eine Vielzahl von Kristallbereichen 100 entlang der optischen Achse AX des Kanalwellenleiters 11 in dem Wellenleitersubstrat 10A auszubilden (Abtastschritt).
In diesem Beispiel werden die Kristallbereiche 100 durch eine Abtastung gebildet, diese können jedoch durch mehrere Abtastungen gebildet werden. Im letzteren Fall beinhaltet die anfängliche Abtastung die Verwendung des Laserstrahls L2 mit geringerer Leistung zur Bildung von Kristallkeimen im Stadium der Kurve G1 in 2, und die nachfolgenden Abtastungen beinhalten das Verwenden des Laserstrahls L2 mit höherer Leistung, damit ermöglicht wird, dass die Kristallkeime im Stadium der Kurve G2 oder G3 in 2 wachsen. Der Kanalwellenleiter 11 kann vor dem ersten und dem zweiten Bestrahlungsschritt in dem Wellenleitersubstrat 10A gebildet werden oder kann nach dem Abtastschritt in dem Wellenleitersubstrat 10A gebildet werden (Bearbeitungsschritt). Der Kanalwellenleiter 11 mit einer Kammstruktur kann durch Trockenätzen gebildet oder durch eine Trennsäge ausgeschnitten werden.
4 ist ein konzeptionelles Diagramm zur Erläuterung eines anderen Verfahrens zum Herstellen einer optischen Wellenlängenumwandlungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung. In diesem Beispiel wird eine optische Faser 10B mit einer zentralen Achse, die sich entlang der optischen Achse AX erstreckt, als Hauptkörper 10 hergestellt (Herstellungsschritt). Die optische Faser 10B enthält einen Kern 12, der die zentrale Achse (die mit der optischen Achse AX zusammenfällt) enthält und sich entlang dieser erstreckt, einen den Kern 12 umschließenden optischen Mantel 13A und einen den optischen Mantel 13A umschließenden physikalischen Mantel (Umhüllung) 13B. In der optischen Faser 10B, die wie oben beschrieben aufgebaut ist, ist der Kristallbereich 100 in zumindest einem Teil eines optischen Wellenleiterbereichs 130, der den Kern 12 und den optischen Mantel 13A enthält, gebildet. Insbesondere ist eine Vielzahl von Kristallbereichen 100 in dem Kern 12 (d. h. in dem gesamten oder einem Teil des Kerns 12), in dem optischen Mantel 13A (d. h. in dem gesamten oder einem Teil des optischen Mantels 13A), in einem Bereich, der einen Teil des Kerns 12 und einen Teil des optischen Mantels 13A enthält, oder in einem Bereich, der den gesamten Kern 12 und den gesamten optischen Mantel 13A enthält, gebildet.
Die erste Lichtquelle 20A gibt den Laserstrahl L1 (fs-Laserstrahl) zum Erzeugen des Bereichs mit hoher Dichte an angeregten Elektronen 110 innerhalb der optischen Faser 10B aus und die optische Faser 10B wird mit dem Laserstrahl L1 bestrahlt (erster Bestrahlungsschritt). Die zweite Lichtquelle 20B gibt den Laserstrahl L2 (der ein Pulslaserstrahl mit einer Pulsbreite von 1 ps oder mehr oder ein CW-Laserstrahl ist) zum Erwärmen des Bereichs mit hoher Dichte an angeregten Elektronen 110 in der optischen Faser 10B aus und die optische Faser 10B wird mit dem Laserstrahl L2 bestrahlt (zweiter Bestrahlungsschritt). In dem in 4 dargestellten Beispiel breiten sich der Laserstrahl L1 und der Laserstrahl L2 entlang verschiedener Strahlengänge aus, um das Innere der optischen Faser 10B zu erreichen. Das heißt, im Strahlengang des Laserstrahls L1, der sich von der ersten Lichtquelle 20A zur optischen Faser 10B erstreckt, ist ein Lichtkondensorsystem 30A angeordnet, und im Strahlengang des Laserstrahls L2, der sich von der zweiten Lichtquelle 20B zur optischen Faser 10B erstreckt, ist ein Lichtkondensorsystem 30B angeordnet.
Wie in dem in 3 dargestellten Beispiel werden der erste Bestrahlungsschritt und der zweite Bestrahlungsschritt in synchronisierter Weise ausgeführt, um eine intermittierende Bestrahlung mit dem Laserstrahl L1 und dem Laserstrahl L2 zu ermöglichen. Während der Laserbestrahlung passiert der von der ersten Lichtquelle 20A ausgegebene Laserstrahl L1 das optische Lichtkondensorsystem 30A und wird innerhalb der optischen Faser 10B fokussiert. Der Bereich mit hoher Dichte an angeregten Elektronen 110 wird im Fokusbereich des Laserstrahls L1 erzeugt. Gleichzeitig passiert der von der zweiten Lichtquelle 20B ausgegebene Laserstrahl L2 das optische Lichtkondensorsystem 30B und wird so fokussiert, dass er den Bereich mit hoher Dichte an angeregten Elektronen 110 überlappt. Die optische Energie des Laserstrahls L2 wird effizient in dem Bereich mit hoher Dichte an angeregten Elektronen 110 absorbiert, der als wärmeerzeugender Bereich dient, um den Kristallbereich 100 in der optischen Faser 10B zu bilden. Der Kristallbereich 100 wird auf die gleiche Weise wie in dem in 3 dargestellten Beispiel reguliert.
Indem der erste und der zweite Bestrahlungsschritt in synchronisierter Weise entlang der durch den Pfeil S3 angegebenen Richtung intermittierend ausgeführt werden, werden eine Vielzahl von Kristallbereichen 100 entlang der zentralen Achse (optische Achse AX) der optischen Faser 10B gebildet (Abtastschritt). Durch Fokussieren des Laserstrahls L1 an einer Position außerhalb der zentralen Achse und Rotieren der optischen Faser 10B in der durch den Pfeil S4 in 4 angegebenen Richtung können die Kristallbereiche 100 mit ringförmigem Querschnitt in dem optischen Wellenleiterbereich 130 erhalten werden.
Wenn ein Bestrahlungssystem, das aus der ersten Lichtquelle 20A und dem optischen Lichtkondensorsystem 30A besteht, und das andere Bestrahlungssystem, das aus der zweiten Lichtquelle 20B und dem optischen Lichtkondensorsystem 30B besteht, in Bezug auf die optische Faser 10B bewegt werden, werden XYZ-Achsenschritte, die die jeweiligen Bestrahlungssysteme halten, in synchronisierter Weise bewegt. Die beiden Bestrahlungssysteme in dem in 4 dargestellten Beispiel bieten eine größere Flexibilität bei der Laserbestrahlung, da sie Änderungen der Fokussierungsbedingungen der ersten und zweiten Lichtquellen 20A und 20B ermöglichen. Das heißt, die Fokussierungsbedingungen des Laserstrahls L2 können in Übereinstimmung mit der Tiefe des Fokuspunkts des Laserstrahls L1 geändert werden. Zu jedem der Beispiele kann ein Mechanismus hinzugefügt werden, um die Pulsbestrahlung des Laserstrahls L1 und des Laserstrahls L2 am Fokuspunkt zu synchronisieren (obwohl dieser Mechanismus nicht erforderlich ist, wenn der Laserstrahl L2 ein CW-Laserstrahl ist). In jedem der Beispiele können ebenso die Intensitäten der Laserstrahlen L1 und L2 in Übereinstimmung mit dem bestrahlten Bereich eingestellt werden.
5 ist ein konzeptionelles Diagramm, das als ein Beispiel der optischen Wellenlängenumwandlungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung eine sich wiederholende Struktur darstellt, bei der eine Vielzahl von Kristallbereichen abwechselnd mit amorphen Bereichen dazwischen in dem Hauptkörper 10 angeordnet sind. In dem in 5 dargestellten Beispiel sind benachbarte Kristallbereiche 100, die entlang der optischen Achse AX angeordnet sind, mit einem amorphen Bereich dazwischen beabstandet. Es sei angemerkt, dass 5 die Kristallbereiche 100 konzeptionell darstellt, die erhalten werden, nachdem ein Substrat in einer überlappenden Weise von einem fs-Laser und einem wärmeerzeugenden Laser mit geeigneten Pulsbreiten, optischen Intensitäten, Wiederholungsfrequenzen, Fokussierungsbedingungen und Wellenlängen bestrahlt wurde.
Ein zylindrischer Abschnitt im Zentrum jedes Kristallbereichs 100 ist der Bereich mit hoher Dichte an angeregten Elektronen 110, der durch Bestrahlung mit dem Laserstrahl L1 erzeugt wird. Durch überlappendes Bestrahlen des Bereichs mit hoher Dichte an angeregten Elektronen 110 mit dem Laserstrahl L2 steigt die Temperatur im benachbarten Bereich wie in 2 gezeigt von T1 auf T2 an. Dies ermöglicht, dass der Kristallbereich 100, der um den Bereich mit hoher Dichte an angeregten Elektronen 110 gebildet werden soll, die Form des Bereichs mit hoher Dichte an angeregten Elektronen 100 reflektiert. Der Kristallbereich 100 ist in dem in 5 dargestellten Beispiel zylindrisch. Genauer gesagt ist der Kristallbereich 100 jedoch in einer länglichen Eiform kristallisiert, da seine Form von der Form des Bereichs mit hoher Dichte an angeregten Elektronen 110 abhängt, der die Fokussierungsbedingungen reflektiert.
In dem zentralen Abschnitt des Zylinders, der den Kristallbereich 100 darstellt (der dem ersten Kristallteilbereich 100A in 1 entspricht), wird die spontane Polarisation A erzeugt, die radial um die optische Achse AX ausgerichtet ist. Die Endabschnitte des Kristallbereichs 100 (die den zweiten Kristallteilbereichen 100B1 und 100B2 in 1 entsprechen) weisen die jeweiligen spontanen Polarisationen B1 und B2 auf, die in entgegengesetzten Richtungen entlang der optischen Achse AX ausgerichtet sind. Genauer gesagt ist jede spontane Polarisation in einer Richtung ausgerichtet, die die Form des angeregten Elektronenbereichs 110 mit hoher Dichte reflektiert, d. h. in einer Richtung senkrecht zur Tangente an der Grenze zwischen dem Bereich mit hoher Dichte an angeregten Elektronen 110 und dessen benachbarten Bereich.
In dem Beispiel von 5 sind die Vielzahl von Kristallbereichen 100 mit einer Periode angeordnet, die die Summe einer Länge L des Bereichs mit hoher Dichte an angeregten Elektronen 110 und eines Abstands L' zwischen benachbarten Bereichen mit hoher Dichte an angeregten Elektronen ist. Insbesondere wird L durch den Abstand zwischen der Grenzfläche 120A und der Grenzfläche 120B innerhalb eines Kristallbereichs 100 bestimmt und L' wird durch den Abstand zwischen der Grenzfläche 120B in einem von zwei benachbarten Kristallbereichen 100 und der Grenzfläche 120A innerhalb des anderen der zwei benachbarten Kristallbereiche 100 bestimmt. Das heißt, die Vielzahl von Kristallbereichen 100 entlang der optischen Achse AX sind mit einer Periode von L + L' angeordnet, und dies ermöglicht eine hocheffiziente Wellenlängenumwandlung unter Verwendung von Quasi-Phasenanpassung.
Um das Phasenanpassungsband zu erweitern, kann zum Beispiel eine der folgenden Strukturen als die zuvor erwähnte sich wiederholende Struktur verwendet werden: eine aperiodisch periodisch gepolte Struktur (oder Chirp-Periode, beschrieben in IEEE J. Quantum Electron., Vol. 28, 2631-2654 (1992) von Martin M. Fejer et al.), eine Struktur, bei der mehrere Arten von periodischen Bereichen (z. B. Bereich der Periode A1, Bereich der Periode A2 und Bereich der Periode A3) als ein Segment behandelt werden und mehrere solche Segmente in vorgegebenen Intervallen angeordnet sind (siehe IEEE J. Quantum Electron., Vol. 30, 1596-1604 (1994) von Kiminori Mizuuchi et al.), eine periodische Struktur, die auf einer Fibonacci-Sequenz basiert (siehe Science, Vol. 278, 843-846 (1997) von Shi-ning Zhu et al.) und eine periodische Struktur, die auf einer Barker-Sequenz basiert (siehe Electronics and Communications in Japan, Part 2, Vol. 78, 20-27 (1995) von Masatoshi Fujimura et al.).
Eine optische Vorrichtung, die den in dem Beispiel von 5 dargestellten Hauptkörper 10 enthält, empfängt Licht, das entlang der optischen Achse AX einfällt. Das einfallende Licht ist vorzugsweise ein radial polarisierter Vektorstrahl. Die spontane Polarisation B1 und die spontane Polarisation B2 fallen mit der Ausbreitungsrichtung des Lichts entlang der optischen Achse AX zusammen. Die nichtlineare optische Konstante (d) ist beispielsweise d16 oder d22. Da jedoch die nichtlineare optische Konstante des Hauptkörpers 10, der ein tetragonales System ist, Null ist, findet keine unnötige Wellenlängenumwandlung statt. Somit ist eine hocheffiziente Wellenlängenumwandlung erreichbar.
6 ist ein konzeptionelles Diagramm, das als ein anderes Beispiel der optischen Wellenlängenumwandlungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung eine sich wiederholende Struktur darstellt, bei der eine Vielzahl von Kristallbereichen kontinuierlich in dem Hauptkörper 10 angeordnet sind. Insbesondere zeigt 6 eine laterale Struktur und eine vordere Struktur des Hauptkörpers 10. 7 ist eine perspektivische Ansicht, die die Ausrichtungen von spontanen Polarisationen zeigt, die in dem Hauptkörper 10 in der in 6 dargestellten Struktur gebildet sind. In dem in 6 und 7 dargestellten Beispiel sind benachbarte der Vielzahl von Kristallbereichen 100 entlang der optischen Achse AX angeordnet, wobei Abschnitte davon, die die spontanen Polarisationen B1 und B2 aufweisen, in Kontakt miteinander sind.
In dem Beispiel von 6 und 7 ist die Gesamtstruktur der Kristallbereiche 100 die gleiche wie in dem Beispiel von 5, und die sich wiederholende Struktur weist eine konstante Periode von 2L auf, wobei L der Abstand zwischen den Grenzflächen 120A und 120B ist. Der Abstand L ist die Kohärenzlänge der Quasi-Phasenanpassung. Unabhängig davon, ob sich die Kristallbereiche 100 in Kontakt befinden oder mit einem amorphen Bereich beabstandet sind, der wie im Beispiel von 5 zwischen benachbarten der Kristallbereiche 100 verbleibt, sind die Brechungsindizes der Kristallbereiche 100 und der amorphen Bereiche unverändert. Das heißt, da eine solche Anordnung keinen Einfluss auf die Wellenlängenumwandlung hat, können benachbarte Kristallbereiche 100 entweder in Kontakt stehen oder voneinander beabstandet sein.
Obwohl die Kristallbereiche 100 in dem Beispiel von 6 und 7 im Inneren des Hauptkörpers 10 gebildet sind, können die Bereiche mit hoher Dichte an angeregten Elektronen 110 wie in dem Beispiel von 3 an der Oberfläche des Hauptkörpers 10 freigelegt sein. Durch Fokussieren der Laserstrahlen L1 und L2 auf diese Oberfläche wird ein im Querschnitt halbkreisförmiger Kristallbereich gebildet. In diesem Fall ist die spontane Polarisation im Querschnitt radial ausgerichtet. Eine hocheffiziente Wellenlängenumwandlung ist hier immer noch realisierbar, wenn eine Vielzahl von Kristallbereichen 100 linear so angeordnet sind, dass benachbarte Grenzflächen voneinander L beabstandet sind und der Hauptkörper 10 gleichzeitig auf eine solche Weise zu einer Kammform verarbeitet wird, dass er sich parallel zu der Richtung befindet, in der die Quasi-Phasenanpassung etabliert wird (d. h. der Richtung entlang der optischen Achse AX).
Die Kristallbereiche 100 können in einer beliebigen Form ausgebildet sein, unabhängig davon, ob der Hauptkörper 10 sperrig, plattenförmig oder faserförmig ist. Ebenso kann in der optischen Faser 10B, die in dem Beispiel von 4 dargestellt ist, jedes aus dem Kern 12, dem optischem Mantel 13A und dem physikalischen Mantel 13B aus dem Material hergestellt sein (mindestens einem aus Glas auf Basis von BaO-TiO₂-GeO₂-SiO₂ oder Glas auf Basis von SrO-TiO₂-SiO₂) , das verwendet wird, um den in 1 dargestellten Hauptkörper 10 zu bilden. Ein Metall aus einem aus den Lanthanoid-Reihen, Actinoid-Reihen und Gruppe 4 bis Gruppe 12 kann zum gesamten oder einem Teil des optischen Wellenleiterbereichs 130, einschließlich des Kerns 12 und des optischen Mantels 13A, hinzugefügt werden. In jedem der oben beschriebenen Fälle kann durch Bestrahlen mit dem Laserstrahl L1 (fs-Laserstrahl) und dem Laserstrahl L2 (Pulslaserstrahl oder CW-Laserstrahl) auf eine solche Weise, dass sich ihre Fokusbereiche überlappen, bevorzugt ein wärmeerzeugender Bereich erzeugt werden und ein Kristallbereich wird unter Verwendung der Wärme aus dem wärmeerzeugenden Bereich gebildet. Die intermittierende Laserbestrahlung des Hauptkörpers 10 ermöglicht auch die intermittierende Bildung von Kristallbereichen (d. h. die Bildung einer Vielzahl von entlang der optischen Achse angeordneten Kristallbereichen).

Claims

Verfahren zur Herstellung einer optischen Wellenlängenumwandlungsvorrichtung, umfassend: einen Herstellungsschritt, bei dem ein Hauptkörper aus einem amorphen Material hergestellt wird; einen ersten Bestrahlungsschritt, bei dem der Hauptkörper mit einem ersten Laserstrahl, der auf eine Oberfläche oder auf das Innere des Hauptkörpers fokussiert ist, bestrahlt wird und Elektronen in einem Fokusbereich des ersten Laserstrahls angeregt werden, wobei der erste Laserstrahl ein Femtosekundenlaserstrahl ist, der eine Wellenlänge außerhalb einer Wellenlängenabsorptionsbande des Hauptkörpers aufweist; einen zweiten Bestrahlungsschritt, bei dem der Hauptkörper mit einem zweiten Laserstrahl, der so fokussiert ist, dass der Fokusbereich des ersten Laserstrahls überlappt wird, bestrahlt wird und der Fokusbereich des ersten Laserstrahls erwärmt wird, wobei der zweite Laserstrahl ein Dauerstrichlaserstrahl oder ein Pulslaserstrahl mit einer Pulsbreite von einer Pikosekunde oder mehr ist, der zweite Laserstrahl ein Laserstrahl ist, der außerhalb des Fokusbereichs des ersten Laserstrahls eine Wellenlänge außerhalb der Wellenlängenabsorptionsbande des Hauptkörpers aufweist; und einen Abtastschritt, bei dem eine relative Position des Hauptkörpers und der überlappende Fokusbereich der ersten und zweiten Laserstrahlen variiert werden, während die ersten und zweiten Bestrahlungsschritte intermittierend in synchronisierter Weise durchgeführt werden.
Verfahren gemäß Anspruch 1, worin der Hauptkörper aus Glas auf Basis von BaO-TiO₂-GeO₂-SiO₂ oder aus Glas auf Basis von SrO-TiO₂-SiO₂ ist.
Verfahren gemäß Anspruch 2, worin der Hauptkörper ein Metall aus einem aus den Lanthanoid-Reihen, den Actinoid-Reihen und Gruppe 4 bis Gruppe 12 als Additiv umfasst.
Verfahren gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, worin der erste Laserstrahl eines aus einem von einem Titansaphirlaser ausgegebenen Laserstrahl, einem Laserstrahl, der durch Umwandeln einer Wellenlänge des von dem Titansaphirlaser ausgegebenen Laserstrahls erhalten wird, einem von einem Ytterbium-dotierten Faserlaser ausgegebenen Laserstrahl und einem Laserstrahl, der durch Umwandeln einer Wellenlänge des von dem Ytterbium-dotierten Faserlaser ausgegebenen Laserstrahls erhalten wird, umfasst.
Verfahren gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, worin der zweite Laserstrahl einen Laserstrahl, der von einem aus einem Kohlendioxidlaser, einem Ytterbium-dotierten Faserlaser und einem Halbleiterlaser ausgegeben wird, umfasst.
Verfahren gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, ferner umfassend einen Bearbeitungsschritt, bei dem vor den ersten und zweiten Bestrahlungsschritten oder nach dem Abtastschritt eine Kanalwellenleiterstruktur im Hauptkörper gebildet wird, wobei die Kanalwellenleiterstruktur eine optische Achse aufweist, die sich entlang einer Richtung erstreckt, in der sich der überlappende Fokusbereich der ersten und zweiten Laserstrahlen bewegt.
Optische Wellenlängenumwandlungsvorrichtung, aufweisend: einen Hauptkörper, der so konfiguriert ist, dass sich Licht darin ausbreiten kann; und eine Vielzahl von Kristallbereichen, die im Inneren des Hauptkörpers entlang einer Ausbreitungsrichtung des Lichts angeordnet sind, worin die Vielzahl von Kristallbereichen jeweils eine spontane Polarisation aufweisen, die entlang der Ausbreitungsrichtung ausgerichtet ist.
Optische Wellenlängenumwandlungsvorrichtung gemäß Anspruch 7, worin benachbarte der Vielzahl von Kristallbereichen angeordnet sind, wobei Abschnitte, die die jeweiligen spontanen Polarisationen entlang der Ausbreitungsrichtung ausgerichtet aufweisen, in Kontakt miteinander sind.
Optische Wellenlängenumwandlungsvorrichtung gemäß Anspruch 7, worin benachbarte der Vielzahl von Kristallbereichen mit einem amorphen Bereich dazwischen voneinander beabstandet sind.
Optische Wellenlängenumwandlungsvorrichtung gemäß mindestens einem der Ansprüche 7 bis 9, worin der Hauptkörper ein Substrat mit einer Kanalwellenleiterstruktur mit einer optischen Achse, die sich entlang der Ausbreitungsrichtung erstreckt, umfasst.
Optische Wellenlängenumwandlungsvorrichtung gemäß mindestens einem der Ansprüche 7 bis 9, worin der Hauptkörper eine optische Faser mit einer zentralen Achse, die sich entlang der Ausbreitungsrichtung erstreckt, umfasst; die optische Faser einen Kern, der die zentrale Achse enthält und sich entlang dieser erstreckt, einen optischen Mantel, der den Kern umschließt und einen Brechungsindex aufweist, der niedriger als der Brechungsindex des Kerns ist, und einen physikalischen Mantel, der den optischen Mantel umschließt und einen Brechungsindex aufweist, der niedriger als der Brechungsindex des Kerns ist, umfasst; und die Vielzahl von Kristallbereichen jeweils zumindest einen Teil eines optischen Wellenleiterbereichs, der den Kern und den optischen Mantel umfasst, bilden.
Optische Wellenlängenumwandlungsvorrichtung gemäß mindestens einem der Ansprüche 7 bis 11, worin der Hauptkörper aus einem Material ist, das hauptsächlich aus Glas auf Basis von BaO-TiO₂-GeO₂-SiO₂ oder Glas auf Basis von SrO-TiO₂-SiO₂ besteht, und die Vielzahl von Kristallbereichen Fresnoitkristalle sind.
Optische Wellenlängenumwandlungsvorrichtung gemäß Anspruch 12, worin der Hauptkörper ein Metall aus einem aus den Lanthanoid-Reihen, den Actinoid-Reihen und Gruppe 4 bis Gruppe 12 als Additiv umfasst.
Optische Wellenlängenumwandlungsvorrichtung gemäß mindestens einem der Ansprüche 7 bis 13, worin die Vielzahl von Kristallbereichen jeweils einen ersten Kristallteilbereich mit einer spontanen Polarisation, die radial in einer Richtung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung ausgerichtet ist, und zweite Kristallteilbereiche, die an beiden Enden des ersten Kristallteilbereichs in der Ausbreitungsrichtung angeordnet sind, umfassen, wobei die zweiten Kristallteilbereiche jeweilige spontane Polarisationen aufweisen, die entlang der Ausbreitungsrichtung ausgerichtet sind, wobei die spontanen Polarisationen jeweils in einer Richtung ausgerichtet sind, die sich von der spontanen Polarisation des ersten Kristallteilbereichs unterscheidet; wenn die Vielzahl von Kristallbereichen derart angeordnet sind, dass sich das Licht von einem der zweiten Kristallteilbereiche zu dem anderen der zweiten Kristallteilbereiche ausbreitet, eine erste Grenzfläche zwischen dem ersten Kristallteilbereich und einem der zweiten Kristallteilbereiche und eine zweite Grenzfläche zwischen dem ersten Kristallteilbereich und dem anderen der zweiten Kristallteilbereiche abwechselnd entlang der Ausbreitungsrichtung angeordnet sind; und eine sich wiederholende Struktur eine Struktur ist, bei der ein Intervall zwischen ersten Grenzflächen in zwei benachbarten Kristallbereichen entlang der Ausbreitungsrichtung oder ein Intervall zwischen zweiten Grenzflächen in den zwei benachbarten Kristallbereichen als eine Periode definiert ist und die sich wiederholende Struktur eine konstante Periode, eine Chirp-Periode, eine Periode, die durch Kombinieren mehrerer verschiedener konstanter Perioden gebildet ist, oder eine Periode, die auf einer Fibonacci-Sequenz oder einer Barker-Sequenz basiert, aufweist.