DE69020697T2 - Frequenzverdoppelnder optischer Wellenleiter mit aktiver Phasenanpassung und Frequenzverdoppelungssystem. - Google Patents
Frequenzverdoppelnder optischer Wellenleiter mit aktiver Phasenanpassung und Frequenzverdoppelungssystem.Info
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Description
- Die Erfindung betrifft eine durchstimmbare optische Wellenleiterstruktur zur Verdopplung der Frequenz elektromagnetischer Strahlung mit:
- einem Wellenleiter mit einer ersten Schicht und einer zweiten Schicht aus nichtlinearem optischem Material, wobei die erste und die zweite Schicht unterschiedliche Brechzahlen haben.
- Die Erfindung betrifft auch ein System zur Verdopplung der Frequenz elektromagnetischer Strahlung mit:
- einer Halbleiterlaserdiode und der genannten frequenzverdoppelnden durchstimmbaren Wellenleiterstruktur.
- Optische digitale Datenspeichereinrichtungen, wie Compact Discs, sind seit einiger Zeit allgemein in Gebrauch. Typischerweise werden diese Platten mit Hilfe von aus einem Halbleiterlaser (d.h. einer Laserdiode) emittiertem Licht eingeschrieben und ausgelesen. Das von Halbleiterlaserdioden emittierte Licht liegt jedoch im allgemeinen am unteren Ende des elektromagnetischen Frequenzspektrums (d.h. rot oder infrarot). Die Verwendung höherfrequenten Lichtes, d.h. am blauen Ende des Spektrums, zum Lesen und Beschreiben eines optischen Speichermediums würde zu einer erheblich höheren Speicherdichte führen. Bisher gibt es leider noch keine praktisch verwendbaren blauen Halbleiterlaser. Bis heute sind die einzigen blau emittierenden Laser große Gaslaser, die offensichtlich für die Verwendung in kompakten und preiswerten Lese-/Schreibeinrichtungen mit optischer Speicherung nicht geeignet sind.
- Entsprechend ist eine Anordnung, die das von leicht verfügbaren Halbleiterlaserdioden emittierte Licht in blaues Licht umwandelt, sehr wünschenswert. Laserdioden, die infrarotes Licht aussenden, sind preiswert und in großem Umfang verfügbar. Die Frequenz von blauem Licht ist zweimal so groß wie die infraroter Strahlung. Entsprechend hat eine Anordnung, die die Frequenz infraroter Strahlung verdoppeln kann, ein hohes kommerzielles Potential.
- Das Gebiet der nichtlinearen Optik hat zahlreiche als Frequenzverdoppler verwendete Anordnungen hervorgebracht, im allgemeinen mittels einer Erzeugung einer zweiten Harmonischen einer Grundfrequenz. Solche Anordnungen enthalten Substratmaterialien und Stapelanordnungen nichtlinearer Kristalle. Eine besonders wirksame Verdopplungsanordnung ist ein nichtlinearer optischer Wellenleiter. Wenn ein Lichtbündel den Wellenleiter durchläuft, bewirkt der nichtlineare optische Effekt die Erzeugung einer Lichtwelle der zweiten Harmonischen der Eingangslichtwelle. Solche optischen Wellenleiter können sehr effizient bei der Verschaffung von Frequenzverdopplung sein.
- Wirksame Frequenzverdopplung erfordert jedoch genaue Phasenanpassung zwischen der Grundwelle und den Harmonischen. Wenn die Frequenzverdopplungsanordnung nicht sorgfältig phasenangepaßt ist, führen Interferenzeffekte zu einer Abschwächung der zweiten Harmonischen. In einem Wellenleiter sind die Toleranzanforderungen für eine genaue Phasenanpassung sehr schwer zu erfüllen. Um die Phasenanpassung zu erreichen, sind mehrere verschiedene Strukturen vorgeschlagen worden. Phasenanpassung ist sowohl mit passiven als auch aktiven Mitteln versucht worden. Passive Phasenanpassung ist beispielsweise durch Hinzufügung einer periodischen Struktur zu einer Frequenzverdopplungsanordnung bewerkstelligt worden. Solche Anordnungen können jedoch nicht auf veränderliche Bedingungen reagieren und im Laufe der Zeit kann ihre Genauigkeit abnehmen. Die Parameter einer aktiven Struktur dagegen können anhand der gemessenen Menge des verdoppelten Lichtes gesteuert werden. Daher ist es wünschenswert, die Phasenanpassungseigenschaften aktiv steuern zu können. Aktive Phasenanpassungsanordnungen sind jedoch entweder unpraktisch gewesen oder unfähig, die Phasenanpassung in ausreichendem Maße zu steuern.
- Vorschläge zur aktiven Phasenanpassung sind beispielsweise in dem US- Patent 4.427.260 (Puech et al.) und in dem Beitrag "Electric Field Tuning of Second- Harmonic Generation in A Three-Dimensional LINbO&sub3; Optical Waveguide", Applied Physics Letters, 34(1), 1. Januar 1979, gemacht worden. Diese Vorschläge erreichen Phasenanpassung mit Hilfe elektrooptischen Durchstimmens des den Wellenleiter bildenden Materials. Diese Ansätze sind jedoch beschränkt, da die Brechzahl des Wellenleiters durch den elektrooptischen Effekt verhältnismäßig kleine Änderungen erfahrt. Daher konnen solche Mittel nur relativ kleine Änderungen der geometrischen oder physikalischen Eigenschaften des Wellenleiters kompensieren.
- Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch Verschaffen einer preiswerten aktiven phasenangepaßten Frequenzverdopplungsanordnung und eines Systems zur Erzeugung blauen, für das Auslesen und Beschreiben optischer Speichermedien geeigneten Lichtes die Schwierigkeiten des Standes der Technik zu beseitigen. Eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen durchstimmbaren Wellenleiterstruktur ist dadurch gekennzeichnet, daß
- eine transparente Halbleiterschicht sich auf einer der Oberflächen dieses Wellenleiters befindet, wobei die transparente Halbleiterschicht eine Brechzahl hat, die sich durch den Franz-Keldysh-Effekt in Reaktion auf ein angelegtes elektrisches Feld ändert und daß
- Mittel zum Anlegen eines elektrischen Feldes an die genannte transparente Halbleiterschicht vorgesehen sind, um die Brechzahl der Halbleiterschicht zu ändern, um dadurch die Phasenanpassung des Wellenleiters als Ganzes zu steuern.
- Mit der Struktur gemäß der vorliegenden Erfindung kann Phasenanpassung über einen relativ breiteren Bereich geometrischer und physikalischer Änderungen des Wellenleiters erreicht werden.
- Die Struktur nutzt aktive Steuerung der Phasenanpassung durch ein angelegtes elektrisches Feld. Das elektrische Feld wird an ein Halbleitermaterial angelegt, das entlang einer Oberfläche eines frequenzverdoppelnden nichtlinearen optischen Wellenleiters angebracht ist. Die Brechzahl des Halbleitermaterials wird bei Vorhandensein eines angelegten elektrischen Feldes durch den "Franz-Keldysh"-Effekt verändert. Der Franz-Keldysh-Effekt kann die Brechzahl der Halbleiterschicht in relativ großem Ausmaß modifizieren. Entsprechend ist die Phasenanpassung der Wellenleiterstruktur in weit größerem Maße steuerbar als nach dem Stand der Technik unter Verwendung des elektrooptischen Effekts zur Steuerung der Brechzahl des Wellenleiters selbst.
- Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen durchstimmbaren Wellenleiterstruktur ist dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Mittel zum Anlegen einer Spannung eine zu beiden Seiten der genannten Halbleiterschicht liegende transparente Elektrode umfassen, wobei die Elektrode mit einer änderbaren Spannungsquelle verbunden ist. Eine mit Hilfe der Elektrode angelegte Spannung steuert die Brechzahl der Halbleiterschicht und damit die Phasenanpassung des Wellenleiters als Ganzes.
- Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen durchstimmbaren Wellenleiterstruktur ist dadurch gekennzeichnet, daß die genannte erste Schicht KTP umfaßt.
- Der Hauptkörper des Wellenleiters umfaßt eine Platte aus nichtlinearem Material, beispielsweise KTP.
- Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemaßen durchstimmbaren Wellenleiterstruktur ist dadurch gekennzeichnet, daß die genannte zweite Schicht thallium-dotiertes KTP umfaßt.
- Durch den Einbau von Thallium in KTP erhöht sich die Brechzahl von KTP. Folglich haben die erste und die zweite Schicht eine unterschiedliche Brechzahl und bilden somit einen Wellenleiter, der zur Erzeugung zweiter Harmonischer imstande ist.
- Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemaßen durchstimmbaren Wellenleiterstruktur ist dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Halbleiterschicht ZnSe umfaßt.
- ZnSe ist ein geeignetes Halbleitermaterial, das eine in Abhängigkeit vom angelegten elektrischen Feld variierende Brechzahl hat.
- Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen durchstimmbaren Wellenleiters ist dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Elektroden InSnO umfassen.
- Aus dem gleichen Grund, wie in der vorigen Ausführungsform genannt, ist InSnO ein geeignetes Material für transparente Elektroden.
- Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen durchstimmbaren Wellenleiterstruktur ist dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenleiterstruktur weiterhin eine zwischen der genannten Elektrode und dem genannten Wellenleiter befindliche Pufferschicht umfaßt. Durch die aus isolierendem Material bestehende Pufferschicht wird der Wellenleiter von den Elektroden und Halbleiterschichten getrennt.
- Zum besseren Verständnis ist die Erfindung in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
- Fig. 1 eine perspektivische Ansicht der Wellenleiterstruktur, die aktive Phasenanpassung verwendet; und
- Fig. 2 eine Schnittansicht entlang der Linie 2-2 von Fig. 1, mit den Brechzahlen (n) der verschiedenen Schichten seitlich aufgetragen.
- Fig. 1 und 2 erläutern eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen phasenangepaßten Wellenleiters 10. Der Hauptkörper des Wellenleiters umfaßt eine Platte aus nichtlinearem optischen Material 12, wie, nur als Beispiel genannt, Kaliumtitanatphosphat (KTiOPO&sub4;), bekannt als "KTP". In einer zweiten Schicht 14 wird Thallium (T1) in das KTP durch Diffusion oder andere Techniken eingebaut. Der Einbau von Thallium in KTP ergibt einen Wellenleiter mit Frequenzverdopplung, da das Thallium eine Zunahme der Brechzahl des KTP bewirkt (siehe das Brechzahlprofil bei Fig. 2), wodurch also ein nichtlinearer optischer Wellenleiter gebildet wird, der zweite Harmonische erzeugen kann.
- Oben auf der Schicht 14 befindet sich die Pufferschicht 16 aus isolierendem Material wie Siliciumdioxid (SiO&sub2;), das dazu dient, den aus den Schichten 12 und 14 bestehenden Wellenleiter von der Elektrode und den darauf befindlichen Halbleiterschichten zu trennen. Oben auf der Schicht 16 befindet sich eine erste Elektrodenschicht 18 aus einem transparenten Leiter. Auf einer Schicht 18 befindet sich eine Schicht 20 aus transparentem Halbleitermaterial, dessen Brechzahl sich durch den Franz-Keldysh- Effekt entsprechend einem angelegten elektrischen Feld verändert. Der Franz-Keldysh- Effekt ist an sich beispielsweise aus Engineering Optics von K. Iizuka, zweite Ausgabe, Springer Verlag, S. 404-405 bekannt. Auf einer Schicht 20 befindet sich eine zweite transparente leitende Elektrode 22, die mit der Elektrode 18 verwendet wird, um an die Halbleiterschicht 20 ein elektrisches Feld zu legen, um deren Brechzahl zu verändern. Geeignetes Material für die transparenten Elektroden 18, 22 ist Indiumzinnoxid (InSnO). Geeignete Halbleitermaterialien, die eine Brechzahl haben, die sich entsprechend eines angelegten elektrischen Feldes ändert, sind II-VI-Materialien, wie Zinkselenid (ZnSe). Mit II-VI-Teilchen dotierte Gläser sind ebenfalls eine Möglichkeit.
- Die Struktur von Anordnung 10 ist derart, daß eine Änderung der Brechzahl der Halbleiterschicht 20 die Fortpflanzung von Licht durch den Wellenleiter als Ganzes bewirkt. Somit steuern Änderungen der Brechzahl der Schicht 20 mittels des an die Schichten 18 angelegten Feldes die Phasenanpassung des Wellenleiters. Da die an den Elektroden 18, 22 anliegende Spannung die Brechzahl der Schicht 20 steuert, die ihrerseits die Phasenanpassung der gesamten Anordnung 10 steuert, wird durch Änderung des Potentials zwischen den Elektroden 18 und 22 ein Einfluß auf die Phasenanpassung erhalten. Entsprechend werden die Elektroden 18, 22 mit einer variablen Spannungsversorgung 30 verbunden, deren Potential die Phasenanpassung steuert. Die Spannungsversorgung 30 hat einen Steuereingang, der seinerseits mit der Steuerelektronik 32 verbunden ist, die einen mit einer Anordnung 34 verbundenen Eingang hat, um die Intensität des Lichtes der zweiten Harmonischen des einfallenden Lichtes zu detektieren. In Abhängigkeit von der Intensität des austretenden Lichtes sorgt die Anordnung 34 für eine Korrektur der Ausgangsspannung der Spannungsversorgung 30 durch die Steuerschaltung 32, wodurch Phasenanpassung garantiert wird. Die tatsächliche in der Spannungsversorgung 30 verwendete Elektronik, die Steuerung 32 und das Lichtstärkemeßgerät 34 sind für den Fachmann wohlbekannt und brauchen nicht näher beschrieben zu werden.
- Die in der oben genannten Struktur beschriebenen Materialien sind nicht als einschränkend zu betrachten, sondern nur als Beispiel. Die oben beschriebenen Materialien, nämlich ein KTP- und ein thallium-dotierter KTP-Wellenleiter, der zur Phasenanpassungssteuerung eine Zinkselenid-Halbleiterschicht verwendet, sind für die Frequenzverdopplung von infrarotem bis blauem Licht geeignet, was, wie oben beschrieben, für das Gebiet optischer Speicheranordnungen wichtig ist. Es können jedoch auch andere Materialien zur Verdopplung in anderen Frequenzbereichen verwendet werden. Das Substrat könnte beispielsweise aus Lithiumniobat (LiNbOo) bestehen, und die Halbleiterschicht könnte mit III-V-Materialien ausgeführt sein. Außerdem könnten die Elektroden 18 und 22 und der Halbleiter 20 durch eine PIN-Multi-Quantum-Well- Struktur ersetzt werden, die verbesserte Änderungen in der Brechzahl verschafft. Schließlich könnte die thallium-dotierte KTP-Schicht durch eine zweite ZnSe-Schicht ersetzt werden (inaktiv bei Frequenzverdopplung), die die Notwendigkeit einer KTP- Diffusion beseitigt. Allerdings scheint der Gesamtwirkungsgrad verringert zu werden.
- Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben worden ist, ist natürlich deuflich, daß Abwandlungen und Varianten möglich sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, wie der Fachkundige leicht einsehen wird. Solche Abwandlungen und Varianten werden als innerhalb der Rahmens der Erfindung und den zugehörigen Ansprüchen liegend betrachtet.
Claims (8)
1. Durchstimmbare optische Wellenleiterstruktur (10) zur Verdopplung der
Frequenz elektromagnetischer Strahlung mit:
einem Wellenleiter (11) mit einer ersten Schicht (12) und einer zweiten
Schicht (14) aus nichflinearem optischem Material, wobei die erste (12) und die zweite
schicht (14) unterschiedliche Brechzahlen haben, dadurch gekennzeichnet, daß eine
transparente Halbleiterschicht (20) sich auf einer der Oberflächen dieses Wellenleiters
(11) befindet, wobei die transparente Halbleiterschicht (20) eine Brechzahl hat, die sich
durch den Franz-Keldysh-Effekt in Reaktion auf ein angelegtes elektrisches Feld ändert
und daß
Mittel (18, 22) zum Anlegen eines elektrischen Feldes an die genannte
transparente Halbleiterschicht (20) vorgesehen sind, um die Brechzahl der
Halbleiterschicht (20) zu ändern, um dadurch die Phasenanpassung des Wellenleiters (11) als
Ganzes zu steuern.
2. Wellenleiterstruktur (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die genannten Mittel zum Anlegen einer Spannung eine zu beiden Seiten der genannten
Halbleiterschicht (20) liegende transparente Elektrode (18, 22) umfassen, wobei die
Elektrode (18, 22) mit einer änderbaren Spannungsqueile (30) verbunden ist.
3. Wellenleiterstruktur (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
die Wellenleiterstruktur (10) weiterhin eine zwischen der genannten Elektrode (18) und
dem genannten Wellenleiter (11) befindliche Pufferschicht (16) umfaßt.
4. Wellenleiterstruktur (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die genannte erste Schicht (12) KTP umfaßt.
5. Wellenleiterstruktur (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die genannte zweite Schicht (14) thallium-dotiertes KTP umfaßt.
6. Wellenleiterstruktur (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die genannte Halbleiterschicht (20) ZnSe umfaßt.
7. Wellenleiterstruktur (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die genannten Elektroden (18, 22) InSnO umfassen.
8. Frequenzverdopplungsanordnung mit:
einer Halbleiterlaserdiode und einer frequenzverdoppelnden durchstimmbaren
Wellenleiterstruktur (10) nach einem der Ansprüche 1-7.
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