DE69030103T2

DE69030103T2 - Optischer gegenstand für wellenlängenwandlung und seine herstellung und anwendung

Info

Publication number: DE69030103T2
Application number: DE69030103T
Authority: DE
Inventors: John Bierlein; Daniel Laubacher
Original assignee: EI Du Pont de Nemours and Co
Current assignee: EIDP Inc
Priority date: 1989-12-12
Filing date: 1990-12-07
Publication date: 1997-07-17
Anticipated expiration: 2010-12-08
Also published as: WO1991009339A2; SG48150A1; JP2858479B2; EP0505453A1; JPH05505034A; EP0505453B1; MY104564A; WO1991009339A3; US5028107A; DE69030103D1; CN1053844A; CN1024379C

Description

Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung bezieht sich auf optische Gegenstände und insbesondere auf optische Gegenstände, die sich für die Wellenlängenumwandlung eignen.

Hintergrund der Erfindung

Beträchtliche Anstrengungen gelten seit kurzem der Entwicklung von optischen Systemen, wie Kommunikationssystemen, unter Verwendung optischer Wellen. Eine Herausforderung, der man sich beim Entwurf solcher Systeme häufig gegenübersieht, ist die effiziente Erzeugung optischer Wellen mit Wellenlängen, die insbesondere für die Verwendung in solchen Systemen geeignet sind. Während zum Beispiel eine effiziente Erzeugung von Infrarotwellen mit dem Laser im allgemeinen möglich ist, ist die direkte Erzeugung bestimmter wünschenswerterer Wellen mit kürzeren Wellenlängen häufig beträchtlich schwieriger.
Ein Ansatz zur Gewinnung von Wellen mit wünschenswerteren Wellenlängen ist die Wellenlängenumwandlung, wobei Gegenstände, die ein optisches Medium enthalten, verwendet werden, um optische Wellen, die auf das Medium auftreffen, wenigstens teilweise in optische Wellen mit einer anderen Wellenlänge umzuwandeln. Ein häufig verwendetes Wellenlängenumwandlungsverfahren beinhaltet zum Beispiel die Erzeugung der zweiten Harmonischen, wobei eine eintreffende optische Welle durch ein Medium (z.B. einen nichtlinearen Kristall) geleitet wird, in dem durch Wechselwirkung zwischen dem Medium und den optischen Wellen optische Wellen mit Wellenlängen erzeugt werden, die der zweiten Harmonischen der Wellenlänge der eintreffenden optischen Welle entsprechen.
In optischen Gegenständen für die Wellenlängenumwandlung werden Wellen geeigneter Wellenlänge typischerweise über die gesamte Länge des Mediums erzeugt. Es ist wohlbekannt, daß beim Entwurf solcher Gegenstände, wenn keine Mittel bereitgestellt werden, um eine destruktive Interferenz zwischen den an verschiedenen Punkten entlang der Länge des Mediums erzeugten Wellen zu hemmen, die Effizienz der Wellenlängenumwandlungsmechanismen, wie Erzegung der zweiten Harmonischen, stark eingeschränkt sein kann. Entsprechend muß im allgemeinen eine Technik verwendet werden, um die Wirkungen dieser destruktiven Interferenz einzudämmen.
Etwas theoretischer ausgedrückt, kann man bei Wellenlängenumwandlungssystemen allgemein eine Ausbreitungskonstante k für jede der in dem Konversionsmedium wechselwirkenden optischen Wellen angeben. Für die Zwecke dieser Beschreibung kann k für jede optische Welle gleich 2πn/λ definiert werden, wobei n der Brechungsindex des Mediums und λ die Wellenlänge der Welle ist. Im Hinblick auf das umgekehrt proportionale Verhältnis zwischen der Ausbreitungskonstante und der Wellenlänge und die Tatsache, daß der Brechungsindex für optische Wellen verschiedener Frequenz unterschiedlich sein kann, ist klar, daß die Ausbreitungskonstante für jede der wechselwirkenden optischen Wellen in dem Konversionsmedium verschieden sein kann.
Für die Wellenlängenumwandlung ist im allgemeinen die Summe der Frequenzen der wechselwirkenden einfallenden Wellen gleich der Summe der Frequenzen der durch die Wechselwirkung erzeugten Wellen. Um die destruktive Interferenz zwischen in dem Medium erzeugten Wellen zu minimieren, wurde es allgemein als wünschenswert angesehen, daß die Summe der Ausbreitungskonstanten der wechselwirkenden einfallenden Wellen ebenfalls ungefähr gleich der Summe der Ausbreitungskonstanten der durch die Wechselwirkung erzeugten Wellen ist. Mit anderen Worten wird es für die bei der Wellenlängenumwandlung beteiligten optischen Wellen fur eine effiziente Wellenlängenumwandlung als wünschenswert angesehen, daß die Differenz zwischen der Summe aller Ausbreitungskonstanten der einfallenden Wellen in dem Medium und der Summe aller Ausbreitungskonstanten der in dem Medium erzeugten Wellen (d.h. Δk für das Medium) etwa gleich null ist. Die Einstellung eines Wellenlängenumwandlungssystems auf einen Zustand, bei dem Δk etwa null ist, ist als Phasenanpassung bekannt.
Ein optischer Parameter, der bei Wellenlängenumwandlungssystemen für ein bestimmtes Medium von Interesse ist, ist die Kohärenzlänge coh, die allgemein als 2π/Δk definiert ist. Offensichtlich ist unter Bedingungen, bei denen Δk etwa null ist, das entsprechende coh relativ groß.
Für Zwecke der weiteren Erläuterung ist bei einem normalen Phasenanpassungsvorgang, der die nichtlineare Wechselwirkung dreier Strahlen in einem Kristallsystem beinhaltet, wobei zwei Strahlen eintreffender optischer Wellen mit den Frequenzen ω&sub1; bzw. ω&sub2; und den Wellenlängen λ&sub1; bzw. λ&sub2; durch ein Medium (z.B. einen Kristall oder einen Verbundstoff) geleitet werden, das einen Brechungsindex n(ω) hat, der als Funktion der Frequenz der optischen Welle variiert, wobei optische Wellen mit einer Frequenz ω&sub3; und einer Wellenlänge λ&sub3; entstehen, eine Strahlausbreitungskonstante k für jeden Wellenstrahl definiert, die gleich 2πn(ω)/λ ist, und ein Δk für das Kristallsystem wird durch die Beziehung dargestellt:
Die maximale Outputintensität tritt in einem solchen System unter der Bedingung auf, daß das Phasensystem angepaßt ist (d.h. Δk null ist). Die Intensität des Outputs nimmt bei einem phasenangepaßten System im allgemeinen mit h², dem Quadrat der Kristallänge h, zu.
Für Systeme mit Erzeugung der zweiten Harmonischen werden die Frequenzen ω&sub1; und ω&sub2; als gleich und gleich der Hälfte der Frequenz ω&sub3; genommen. Entsprechend sind die Wellenlängen λ&sub1; und λ&sub2; gleich dem Doppelten der Wellenlänge λ&sub3;, und Δk für Systeme mit Erzeugung der zweiten Harmonischen kann bei dem obigen Beispiel dargestellt werden durch die Beziehung:
Die Kohärenzlänge für solche Systeme mit Erzeugung der zweiten Harmonischen kann also dargestellt werden durch die Beziehung:
Ein alternatives Beispiel für einen Wellenlängenumwandlungsmechanismus beinhaltet die Erzeugung zweier Wellen mit den Wellenlängen λ&sub5; und λ&sub6; aus einer einzigen Inputwelle der Wellenlänge λ&sub4;.
Mehrere Techniken zum Erreichen einer effizienten Phasenanpassung wurden dargelegt oder vorgeschlagen. (Siehe zum Beispiel F.A. Hopf et al., Applied Classical Electrodynamics, Volume II, Nonlinear Optics, John Wiley & Sons, 1986, S. 29-56.) Die häufigsten sind die Winkel- und die Temperaturabstimmungstechnik, die in fast allen derzeitigen Anwendungen, wie Erzeugung der zweiten Harmonischen und Erzeugung von Summen- und Differenzfrequenz, verwendet werden. Bei der Winkelabstimmung von makrokristallinem Material, wie einem Einkristall, wird die Orientierung des Kristalls relativ zum einfallenden Licht so eingestellt, daß man eine Phasenanpassung erreicht. Die Technik wird im allgemeinen als ungeeignet für die Verwendung bei Gegenständen, wie Wellenleitern, angesehen, die von der Natur ihrer Ausgestaltung her in einer bestimmten Richtung in bezug auf die einfallenden Wellen orientiert sein müssen. Die Temperaturabstimmung beruht auf der Temperaturabhängigkeit der Doppelbrechung des Materials und kann für Wellenleiter sowie für makrokristallines Material verwendet werden. Bei vielen Materialien ist die Temperaturabhängigkeit der Doppelbrechung jedoch groß, und obwohl für Wellenleiter aus diesen Materialien eine Temperaturabstimmung möglich ist, muß ein hoher Grad der Temperaturregelung (z.B. +/- 1ºC) erreicht werden.
Bei optischen Materialien, bei denen die Temperaturabhängigkeit der Doppelbrechung klein ist (z.B. KTiOP&supmin;&sub4;), ist zwar kein hoher Grad der Temperaturregelung notwendig, doch ist bei Wellenleitern der Wellenlängenbereich, über den eine Temperaturabstimmung möglich ist, klein.
Eine Phasenanpassung für die Erzeugung der zweiten Harmonischen unter Verwendung periodischer Variationen des Brechungsindex, um die Tatsache zu korrigieren, daß Δk nicht gleich 0 ist, kann erreicht werden, indem man sowohl den Grundstrahl als auch den Strahl der zweiten Harmonischen so zurückreflektiert, daß die reflektierten Strahlen phasenangepaßt sind (siehe zum Beispiel S. Somekh, "Phase-Interchangeable Nonlinear Optical Interactions in Periodic Thin Films", Appl. Phys. Lett., 21, 140 (1972)). Wie bei den obigen Verfahren nimmt die Intensität des Outputs der zweiten Harmonischen mit dem Quadrat der Länge des verwendeten Materials zu. Da jedoch nur ein kleiner Bruchteil der Strahlen reflektiert wird, ist die Gesamteffizienz dieses Verfahrens noch geringer als bei den oben diskutierten Verfahren.
Weitere "Quasi"-Phasenanpassungstechniken wurden dargelegt, die periodische Domänenumkehrungen oder interne Reflexion beinhalten (siehe J.A. Armstrong et al., "Interactions between Light Waves in a Nonlinear Dielectric", Phys. Rev., 127, 1918 (1962)). Zum Beispiel offenbaren Hopf et al. (s.o.) auf Seite 52 Segmente aus nichtlinearem optischem Material, wobei der nichtlineare optische Koeffizient mit einer Periode moduliert wird, die gleich der Kohärenzlänge der Wellen in dem Material ist.
Ein Artikel von M.M. Fejer in SPIE, Vol II, 48, "Nonlinear Optical Properties of Materials" (1989) offenbart einen Wellenleiter für die optische Frequenzumwandlung, der Segmente aus nichtlinearem optischem Material umfaßt, wo der nichtlineare optische Koeffizient mit einer Periode moduliert wird, die gleich der Kohärenzlänge der jeweiligen Wellen in dem Material ist.
In der Technik sind weitere Mechanismen mit moduliertem Wellenleiter beschrieben, die durch Verwendung von Längen aneinandergrenzender Materialien, die gleich der Kohärenzlänge sind, eine Phasenanpassung ergeben können. Diese Mechanismen mit periodischer Modulation können jedoch sehr empfindlich gegenüber Wellenleiterparametern wie Wellenleitertiefe und Modulationsperiode sein und sind in bezug auf die Umwandlung nicht sehr effizient.
Es besteht weiterhin ein Bedürfnis nach Wellenlängenumwandlungsmechanismen zur effizienten Umwandlung optischer Grundwellen in geeignete alternative Wellenlängen.

Kurzbeschreibung der Erfindung

Diese Erfindung beruht auf dem Befund, daß eine Wellenlängenumwandlung erreicht werden kann, indem man eine Abfolge von Abschnitten von optischen Materialien verwendet, wobei die Unterschiede der Brechungsindices und der Längen der Abschnitte so aufeinander abgestimmt sind, daß die Wirkungen der destruktiven Interferenz über die Abfolge hinweg eingedämmt werden, so daß die optischen Wellen am Ende der Reihe phasenangepaßt sind, obwohl sie in den einzelnen Abschnitten nicht phasenangepaßt sind. Die Abstimmung der Längen der Abschnitte und der Brechungsindices erfordert, daß die Länge jedes Abschnitts (d.h. hi) kleiner ist als seine Kohärenzlänge (d.h. 2π/Δki) für das Wellenlängenumwandlungssystem und daß die Brechungsindices der Abschnitte so sind, daß für die Abfolge die Summe der Produkte aus der Länge und Δk für jeden Abschnitt (d.h. Δki) ungefähr gleich null ist (d.h. Δkihi 0).
Gemäß dieser Erfindung wird ein Verfahren zur Wellenlängenumwandlung bereitgestellt, wie es in Anspruch 1 definiert ist. Das Verfahren kann verwendet werden, um Strahlen mit einer bestimmten Wellenlänge aus zwei einfallenden Strahlen zu erzeugen. Alternativ dazu kann das Verfahren verwendet werden, um zwei Strahlen aus einem einfallenden Strahl zu erzeugen. Vorzugsweise wird das Wellenlängenumwandlungsverfahren jedoch zur Erzeugung der zweiten Harmonischen verwendet, wobei die erzeugten Wellen eine Wellenlänge haben, die halb so groß ist wie die Wellenlänge der einfallenden Strahlen. Im allgemeinen ist entweder wenigstens eines der Materialien optisch nichtlinear, oder während der Wellenlängenumwandlung wird eine Schicht aus nichtlinearem optischem Material, das an die Abfolge angrenzt, bereitgestellt, oder beides.
Gemäß dieser Erfindung werden optische Gegenstände, wie sie in Anspruch 12 definiert sind, für die Verwendung in einem Wellenlängenumwandlungs system bereitgestellt. Die Gegenstände umfassen wenigstens ein optisches Umwandlungssegment, das aus einer Abfolge hintereinander ausgerichteter Abschnitte optischer Materialien für die Wellenlängenumwandlung besteht, wobei die Abschnitte so gewählt sind, daß die Summe der Produkte aus der Lange jedes Abschnitts (d.h. hi) und dem Δk für diesen Abschnitt (d.h. Δki) ungefähr gleich null ist (d.h. ΣiΔkihi 0) und die Länge jedes Abschnitts kleiner ist als seine Kohärenzlänge (d.h. 2π/Δki). Gegebenenfalls umfaßt der optische Gegenstand weiterhin eine Schicht aus nichtlinear-optischem Material, das an das optische Umwandlungssegment angrenzt. Gemäß dieser Erfindung werden Ausführungsformen bereitgestellt, bei denen wenigstens eines der Materialien der Abschnitte nichtlinear ist, solche, bei denen jeder Abschnitt aus einem nichtlinearen optischen Material besteht, und solche, bei denen die Abschnitte aus optisch linearem Material und/oder aus optisch nichtlinearem Material besteht und eine Schicht aus nichtlinear-optischem Material, das an das optische Umwandlungssegment angrenzt, bereitgestellt wird. Bevorzugte optische Materialien sind Einkristallmaterialien der Formel K1-xRbxTiOMO&sub4;, wobei x 0 bis 1 beträgt und M P oder As ist, sowie Einkristallmaterialien dieser Formel, wobei die Kationen der Formel zum Teil durch wenigstens eines der Kationen Rb&spplus;, Tl&spplus; und Cs&spplus; ersetzt sind.
Für ein Segment aus p Abschnitten der jeweiligen Länge h&sub1;, h&sub2;, ... hi, ... hp, die durch eine Reihe von Ausbreitungskonstanten k&sub1;, k&sub2;, ... ki, ... kp für jede der optischen Wellen in dem Wellenlängenumwandlungssystem gekennzeichnet sind, wobei ki = 2πni(ω)/λ und ni(ω) und λ der Brechungsindex in dem Abschnitt bzw. die Wellenlänge sind, wird für jedeh Abschnitt ein Δk bereitgestellt, das der Differenz zwischen der Summe aller Ausbreitungskonstanten der für das Wellenlängenumwandlungssystem in diesem Abschnitt einfallenden Wellen und der Summe aller Ausbreitungskonstanten für die für das Wellenlängenumwandlungssystem in diesem Abschnitt erzeugten Wellen entspricht. Gemäß dieser Erfindung werden die Abschnitte für jedes Segment so gewählt, daß die Summe Δk&sub1;h&sub1; + Δk&sub2;h&sub2; + ... Δkihi + ... Δkphp für das Segment (d.h. die Summe der hiΔki für die Abfolge oder Δkihi) ungefähr gleich null ist und jede Abschnittslänge hi kleiner als 2π/Δki ist.
Eine bevorzugte Ausführungsform beinhaltet die Erzeugung der zweiten Harmonischen, wobei wenigstens eines der Materialien in der Abfolge einen nichtlinearen optischen Koeffizienten hat, der ungleich null ist.
Bestimmte Ausführungsformen werden bereitgestellt, bei denen die p Abschnitte entweder als ein Segment mit q aneinandergrenzenden Paaren von Abschnitten (d.h. p = 2q), wobei die Summe Δki-1hi-1 + Δkihi für jedes Paar ungefähr gleich null ist, oder als q aneinandergrenzende Segmente aus jeweils 2 Abschnitten, wobei die Summe Δk&sub1;h&sub1; + Δk&sub2;h&sub2; in jedem Segment ungefähr gleich null ist, charakterisiert werden können.
Gemäß dieser Erfindung aufgebaute Kanalwellenleiter können verwendet werden, um optische Wellenleitervorrichtungen, die wenigstens einen Kanalwellenleiter, Mittel zum Einkoppeln einer eintreffenden optischen Welle in den Kanalwellenleiter sowie Mittel zum Auskoppeln einer auslaufenden Welle aus dem Kanalwellenleiter umfassen, zu verbessern.
Diese Erfindung stellt weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Gegenstands bereit, wie es in Anspruch 25 definiert ist. Ein Verfahren zur Herstellung eines Kanalwellenleiters für ein Wellenlängenumwandlungssystem gemäß dieser Erfindung umfaßt die Schritte: (1) Bereitstellen eines z-geschnittenen Substrats aus einem Einkristallmaterial mit der Formel K1-xRbxTiOMO&sub4;, wobei x null bis eins beträgt und M P oder As ist, wobei das Substrat eine optisch glatte Oberfläche mit einem ausgewählten Teil, in dem es zur Bildung eines Kanalwellenleiters geeignet ist, beinhaltet; (2) Bereitstellen eines geschmolzenen Salzes, das Kationen, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Rb&spplus;, Cs&spplus; und Tl&spplus; besteht, in einer Menge enthält, die beim Einwirken einer ausgewählten Temperatur während einer ausgewählten Zeit auf den Wellenleiterteil einen ausreichenden Kationenersatz bewirkt, so daß der Brechungsindex in bezug auf den Brechungsindex des Substrats geändert wird; (3) Auftragen eines maskierenden Materials auf das Substrat, so daß man entlang dem Wellenleiterteil der optisch glatten Oberfläche ein Muster aus hintereinander ausgerichteten Bereichen erhält, die abwechselnd mit einem Material, das gegen das geschmolzene Salz beständig ist, maskiert bzw. unmaskiert sind (wobei die Längen der maskierten und unmaskierten Bereiche in geeigneter Weise gewählt sind, so daß man eine Phasenanpassung im Einklang mit dieser Erfindung erhält); (4) Eintauchen des maskierten Substrats in das geschmolzene Salz bei der ausgewählten Temperatur während der ausgewählten Zeit, so daß ein Ersatz von Kationen in den unmaskierten Bereichen stattfindet; (5) Entfernen des maskierenden Materials von dem Substrat; und (6) Nachbearbeiten des Substrats, so daß man einen sauberen Wellenleiter mit polierten Wellenleiter-Input- und -Output-Flächen erhält.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Figur 1 ist eine schematische Zeichnung einer Vorrichtung zur Wellenlängenumwandlung gemäß dieser Erfindung.
Figur 2 ist eine perspektivische Ansicht eines Wellenleiters für die Wellenlängenumwandlung gemäß dieser Erfindung.
Figur 3 ist eine perspektivische Ansicht der hintereinander ausgerichteten Abschnitte nichtlinearer optischer Materialien, die der Wellenleiter von Figur 2 liefert.
Figur 4 ist eine perspektivische Ansicht eines anderen Wellenleiters für die Wellenlängenumwandlung gemäß dieser Erfindung.
Figur 5 ist ein Querschnitt entlang Abschnitt 5-5 von Figur 4.
Figur 6 ist eine perspektivische Ansicht eines anderen Wellenleiters für die Wellenlängenumwandlung gemäß dieser Erfindung.
Figur 7 ist eine beispielhafte Auftragung einer berechneten Beziehung zwischen Tiefe und Brechungsindexunterschied für unterschiedliche Wellenleiterbreiten.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung

Gemäß dieser Erfindung werden Mittel bereitgestellt, die geeignet sind, optische Wellen einer Wellenlänge wenigstens zum Teil in optische Wellen einer anderen Wellenlänge umzuwandeln. Im allgemeinen ist die Summe der Frequenzen der einfallenden Wellen und die Summe der Frequenzen der erzeugten Wellen während der Wellenlängenumwandlung gleich. Bei Wellenlängenumwandlungssystemen, bei denen Wellen der Frequenz ω&sub1; und Wellenlänge λ&sub1; zusammen mit Wellen der Frequenz ω&sub2; und Wellenlänge λ&sub2; verwendet werden, so daß Wellen der Frequenz ω&sub3; und Wellenlänge λ&sub3; entstehen, ist ω&sub3; entsprechend gleich der Summe von ω&sub1; und ω&sub2;; und bei Wellenlängenumwandlungssystemen, bei denen Wellen der Frequenz ω&sub4; und Wellenlänge λ&sub4; verwendet werden, so daß Wellen der Frequenz ω&sub5; und Wellenlänge λ&sub5; zusammen mit Wellen der Frequenz ω&sub6; und Wellenlänge λ&sub6; entstehen, ist ω&sub4; gleich der Summe von ω&sub5; und ω&sub6;.
Gemäß dieser Erfindung wird ein Verfahren zur Wellenlängenumwandlung bereitgestellt, das den Schritt des Leitens der einfallenden optischen Wellen für die Wellenlängenumwandlung durch eine Abfolge hintereinander ausgerichteter Abschnitte optischer Materialien für die Wellenlängenumwandlung umfaßt, wobei die Abschnitte so gewählt sind, daß für die Abfolge der Abschnitte die Summe der Produkte aus der Länge jedes Abschnitts in der Richtung der Ausrichtung und dem Δk für diesen Abschnitt ungefähr gleich null ist und die Länge jedes Abschnitts kleiner ist als seine Kohärenzlänge. Wie unten weiter diskutiert wird, ist Δk für jeden Abschnitt die Differenz zwischen der Summe der Ausbreitungskonstanten für die für das Wellenlängenumwandlungssystem in diesem Abschnitt einfallenden Wellen und der Summe der Ausbreitungskonstanten für die für das Wellenlängenumwandlungssystem in diesem Abschnitt erzeugten Wellen, und die Kohärenzlänge für jeden Abschnitt ist 2π/Δk für diesen Abschnitt. Das Verfahren kann verwendet werden, um Strahlen mit einer bestimmten Wellenlänge aus zwei einfallenden Strahlen zu erzeugen. Alternativ dazu kann das Verfahren verwendet werden, um zwei Strahlen aus einem einfallenden Strahl zu erzeugen. Das Wellenlängenumwandlungsverfahren wird jedoch vorzugsweise für die Erzeugung der zweiten Harmonischen verwendet, wobei die erzeugten Wellen eine Wellenlänge haben, die halb so groß ist wie die Wellenlänge der einfallenden Strahlen.
Die optischen Gegenstände dieser Erfindung zur Verwendung in einem Wellenlängenumwandlungssystem umfassen wenigstens ein optisches Umwandlungssegment, das aus einer Abfolge hintereinander ausgerichteter Abschnitte optischer Materialien für die Wellenlängenumwandlung besteht. Die Abfolge kann als eine Vielzahl von p hintereinander ausgerichteten, aneinandergrenzenden Abschnitten optischer Materialien m&sub1;, m&sub2;, ... mi, ... mp dargestellt werden. Jeder Abschnitt hat eine Länge hi in der Richtung der Ausrichtung und einen Brechungsindex ni(ω), der als Funktion der Frequenz ω der hindurchtretenden Wellen variiert. Die Differenz zwischen der Summe aller Ausbreitungskonstanten der einfallenden Wellen für jeden ausgerichteten Abschnitt und der Summe aller Ausbreitungskonstanten für die für jeden der ausgerichteten Abschnitte erzeugten Wellen definiert Δki für diesen Abschnitt. Gemäß dieser Erfindung werden die Abschnitte für jedes der Segmente so gewählt, daß die Summe der Produkte aus Δk für einen Abschnitt und der Länge h für diesen Abschnitt über das ganze Segment (d.h. Δk&sub1;h&sub1; + Δk&sub2;h&sub2; + ... Δkihi + ... Δkphp ungefähr gleich null ist und jedes hi kleiner als 2π/Δki ist.
Es ist wünschenswert, daß die Δkihi so nahe wie möglich bei null ist. Es sei jedoch vorausgeschickt, daß eine perfekte Abstimmung der optischen Eigenschaften und der Längen der Abschnitte schwierig zu erreichen ist und daß die Vorteile dieser Erfindung erreicht werden können, solange Δkihi im Bereich von etwa null gehalten wird: das heißt, die Gesamtkohärenzlänge über den gesamten Wellenlängenumwandlungsweg ist größer als die Länge des Wellenlängenumwandlungswegs selbst. Ein Ansatz zum Entwerfen von Wellenlängenumwandlungswegen, so daß diese Abstimmung erreicht wird, besteht darin, die Δk und die Abschnittslängen für jeden Abschnitt tatsächlich zu berechnen. Bei diesem Ansatz gilt eine Abstimmung als vorteilhaft, wenn die Summe der Produkte aus den Δk jedes Abschnitts und der Länge dieses Abschnitts über den gesamten Wellenlängenumwandlungsweg einen Absolutbetrag von weniger als 2π hat. Vorzugsweise ist die resultierende Summe aller dieser Produkte über den Wellenlängenumwandlungsweg kleiner als 3π/2, und am meisten bevorzugt ist sie kleiner als π.
Entsprechend ist es bei optischen Gegenständen dieser Erfindung mit einer Zahl (N) von hintereinanderliegenden optischen Umwandlungssegmenten, wobei die Segmente 1, 2, ... und N jeweils p&sub1;, p&sub2;, ... und pN Abschnitte aufweisen, wünschenswert, daß jedes Segment so ausgestaltet ist, daß Δkihi für das Segment des Wellenlängenumwandlungssystems einen Absolutbetrag von weniger als 2π/N hat, so daß die Summe der Produkte aus den Δk und den Längen der Abschnitte für die Gesamtzahl der Abschnitte p&sub1; + p&sub2; + ... + pN in dem Wellenlängenumwandlungsweg in dem oben beschriebenen Sinn etwa null bleibt (d.h. einen Absolutbetrag von weniger als 2π hat). Vorzugsweise hat Δkihi für jedes Segment einen Absolutbetrag von weniger als 1,5π/N, und am meisten bevorzugt hat Δkihi einen Absolutbetrag von weniger als π/N.
Ein Beispiel für die Verwendung dieses Ansatzes sei unter Bezugnahme auf den optischen Gegenstand gemäß dieser Erfindung in Form eines Wellenleiters erläutert, wie er in Figur 6 dargestellt ist. In Figur 6 weist ein Einkristall aus KTiOPO&sub4; (22) eine Abfolge von Abschnitten auf einschließlich einer Vielzahl hintereinander ausgerichteter Abschnitte (57), (59), (61), (63), (65) und (67) aus KTiOPO&sub4;, bei dem die Kationen zum Teil durch Rb&spplus; ersetzt wurden, die mit einer Vielzahl hintereinander ausgerichteter Abschnitte (58), (60), (62), (64), (66) und (68) aus KTiOPO&sub4; abwechseln, bei dem die Kationen zum Teil entweder durch Tl&spplus; oder durch ein Gemisch von Rb&spplus; und Tl&spplus; ersetzt wurden. In dieser Ausführungsform gewährleistet der Einbau von Rubidium- und/oder Thalliumkationen in KTiOPO&sub4; in der gezeigten Weise eine im wesentlichen vollständige Leitung der Welle auf dem optischen Weg durch den Wellenleiter.
Die Abschnitte in Figur 6 haben eine solche Größe, daß der optische Gegenstand ein erstes optisches Umwandlungssegment, das durch die hintereinander ausgerichteten Abschnitte (57) und (58) repräsentiert wird, ein zweites optisches Umwandlungssegment, das durch die hintereinander ausgerichteten Abschnitte (59) und (60) repräsentiert wird, ein drittes optisches Umwandlungssegment, das durch die hintereinander ausgerichteten Abschnitte (61) und (62) repräsentiert wird, ein viertes optisches Umwandlungssegment, das durch die hintereinander ausgerichteten Abschnitte (63) und (64) repräsentiert wird, ein fünftes optisches Umwandlungssegment, das durch die hintereinander ausgerichteten Abschnitte (65) und (66) repräsentiert wird, und ein sechstes optisches Umwandlungssegment, das durch die hintereinander ausgerichteten Abschnitte (67) und (68) repräsentiert wird, aufweist. In diesem einfachen, zur Veranschaulichung dienenden Fall ist also die Zahl der optischen Umwandlungssegmente N gleich 6, und die Zahl der Abschnitte p für jedes Segment ist 2. Die Summation über das Produkt der Δk mal der Länge jedes Abschnitts über alle sechs optischen Umwandlungssegmente muß einen Absolutbetrag von weniger als 2π haben, und um dies zu gewährleisten, hat die Summation über das Produkt der Δk mal der Länge jedes Abschnitts für jedes der sechs optischen Umwandlungssegmente vorzugsweise einen Absolutbetrag von weniger als 2π/N (d.h. in diesem einfachen Fall weniger als π/3). Man sieht, daß mit zunehmender Zahl der optischen Umwandlungssegmente in dem optischen Weg die Summation über das Produkt der Δk mal der Länge jedes Abschnitts für jedes der sechs optischen Umwandlungssegmente einen Absolutbetrag haben muß, der gegen 0 geht. In der Praxis kann die Zahl der optischen Umwandlungssegmente entlang des optischen Weges in der Größenordnung von einigen hundert sein, so daß man sich einer Summation über Produkte von jeweils null annähert.
In der Praxis ist es in vielen Fällen wegen Einschränkungen der Genauigkeit bei der Herstellung einer Abfolge von Abschnitten zur Verwendung in dieser Erfindung (einschließlich der Herstellung der optischen Materialien selbst) vielleicht wünschenswert, zu bestätigen, daß die gewünschte Abstimmung der Δk-Werte und der Längen der Abschnitte erreicht wurde, indem man beobachtet, daß die Gesamtkohärenzlänge über den gesamten Wellenlängenumwandlungsweg größer ist als die Länge dieses Weges. In manchen Fällen kann man die Gesamtkohärenzlänge direkt durch Untersuchung der schwachen Streuung von Wellen entlang der Länge des Wellenlängenumwandlungsweges beobachten.
Es ist klar, daß, damit Δkihi etwa null ist, Δk fur einen Teil der Abschnitte der Abfolge ein anderes Vorzeichen haben muß als das Δk für andere Abschnitte (d.h. wenigstens ein Δk muß positiv sein, und wenigstens ein Δk muß negativ sein). Gemäß dieser Erfindung wird tatsächlich ein Verfahren für die Wellenlängenumwandlung bereitgestellt, das den Schritt des Leitens der einfallenden optischen Wellen für die Wellenlängenumwandlung durch einen Wellenlängenumwandlungsweg umfaßt, der eine Abfolge hintereinander ausgerichteter Abschnitte optischer Materialien für die Wellenlängenumwandlung aufweist, wobei wenigstens eines der optischen Materialien ein Δk hat, das für die Wellenlängenumwandlung positiv ist, wenigstens eines der optischen Materialien ein Δk hat, das für die Wellenlängenumwandlung negativ ist und die Abfolge der Abschnitte so gewählt ist, daß die Summe der Produkte aus der Länge jedes Materialabschnitts, der ein positives Δk hat, und seinem Δk die Summe der Produkte aus der Länge jedes Materialabschnitts, der ein negatives Δk hat, und seinem Δk ausgleicht, so daß die Gesamtkohärenzlänge über den Wellenlängenumwandlungsweg größer ist als die Länge des Wellenlängenumwandlungswegs. Für eine effiziente Wellenlängenumwandlung sollte vorzugsweise ein Abschnitt, der ein Δk eines Vorzeichens besitzt, an wenigstens einen Abschnitt angrenzen, der ein Δk des entgegengesetzten Vorzeichens besitzt.
Zum Beispiel ist in einem Abschnitt, in dem zwei Strahlen einfallender optischer Wellen mit den Frequenzen ω&sub1; bzw. ω2 und den __ Wellenlängen λ&sub1; bzw. λ&sub2; durch ein Medium (z.B. einen Kristall oder einen Verbundstoff) mit einer Länge hi und einem Brechungsindex ni (ω), der als Funktion der Frequenz der optischen Welle variiert, geleitet werden, so daß optische Wellen mit einer Frequenz ω3 und einer Wellenlänge λ&sub3; erzeugt werden, eine Strahlausbreitungskonstante k für jede Welle definiert, die gleich 2πn(ω)/λ ist, und ein Δki für den Abschnitt wird durch die Beziehung dargestellt:
Gemäß dem Verfahren dieser Erfindung werden die einfallenden optischen Wellen solcher Wellenlängenumwandlungssysteme (mit den Frequenzen ω&sub1; und ω&sub2;) durch eine Abfolge von Abschnitten geleitet, die so gewählt sind, daß die Summe der hiΔki für die Abfolge ungefähr gleich null ist. Die optischen Umwandlungssegmente für optische Gegenstände, bei denen solche Wellenlängenumwandlungssysteme verwendet werden, bestehen aus einer Abfolge von Abschnitten, die so gewählt sind, daß die Summe der für die Abfolge ungefähr gleich null ist.
Im Falle der Erzeugung der zweiten Harmonischen sind ω&sub1; und ω&sub2; gleich und betragen jeweils die Hälfte von ω&sub3;. Entsprechend können die Δki für jeden Abschnitt bei der Erzeugung der zweiten Harmonischen durch die Beziehung dargestellt werden:
Alternativ dazu ist in einem Abschnitt, in dem ein Strahl einfallender optischer Wellen mit der Frequenz ω&sub4; und der Wellenlänge λ&sub4; durch ein Medium mit einer Länge hi und einem Brechungsindex ni (ω), der als Funktion der Frequenz der optischen Welle variiert, geleitet wird, so daß zwei Strahlen optischer Wellen mit den Frequenzen ω&sub5; bzw. ω&sub6; und den Wellenlängen λ&sub5; bzw. λ&sub6; erzeugt werden, eine Strahlausbreitungskonstante ki für jede Welle definiert, die gleich 2πni(ω)/λ ist, und ein Δki für diesen Abschnitt wird durch die Beziehung dargestellt:
Gemäß dem Verfahren dieser Erfindung werden die einfallenden optischen Wellen solcher Wellenlängenumwandlungssysteme (mit der Frequenz ω&sub4;) durch eine Abfolge von Abschnitten geleitet, so daß die Summe der hiΔki für die Abfolge ungefähr gleich null ist. Die optischen Umwandlungssegmente für optische Gegenstände, bei denen solche Wellenlängenumwandlungssysteme verwendet werden, bestehen aus einer Abfolge von Abschnitten, die so gewählt sind, daß die Summe der hiΔki für die Abfolge ungefähr gleich null ist.
In jedem Fall ist die Kohärenzlänge cohi für jeden Abschnitt durch die Gleichung definiert:
Gemäß dem Verfahren dieser Erfindung hat jeder der Abschnitte in der Abfolge, durch die die einfallenden optischen Wellen des Wellenlängenumwandlungssystems geleitet werden, eine Länge hi, die kleiner ist als seine Kohärenz länge cohi. Die optischen Umwandlungssegmente für optische Gegenstände, bei denen solche Wellenlängenumwandlungssysteme verwendet werden, bestehen aus Abschnitten mit Längen hi, die kleiner sind als ihre jeweiligen Kohärenz längen cohi.
Für bestimmte Ausführungsformen dieser Erfindung können die p Abschnitte optischer Materialien als q Paare aneinandergrenzender Abschnitte optischer Materialien m&sub1; und m&sub2;, m&sub3; und m&sub4;, ... mi-1 und mi, ... m2q-1 und m2q (d.h. p = 2q) dargestellt werden, wobei jeder Abschnitt durch entsprechende Längen h&sub1;, h&sub2;, ... hi, ... h2q, entsprechende Brechungsindices n&sub1;, n&sub2;, ... ni, ... n2q und entsprechende Ausbreitungskonstanten k&sub1;, k&sub2;, ... ki, ... kp, die mit jeder Wellenlänge des Wellenlängenumwandlungssystems verbunden sind, charakterisiert ist und die Materialien so gewählt werden, daß für jedes Paar von Abschnitten aus Material mi-1 und mi die Summe von Δki-1hi-1 und Δkihi ungefähr gleich null ist. In diesem Fall erfolgt eine Phasenanpassung am Ende des ersten Paares, am Ende des zweiten Paares usw. Segmente können in Serie verwendet werden; und entsprechend kann ein optischer Gegenstand (z.B. ein Wellenleiter), der ein Segment umfaßt, bei dem die Abschnitte wie oben gepaart sind, auch so angesehen werden, als verwende er q aneinandergrenzende Segmente von jeweils 2 Abschnitten (d.h. N = q).
Im allgemeinen sind die Längen h&sub1;, h&sub2;, ... hi, ... hp viel kleiner als die Kohärenzlänge und liegen typischerweise jeweils im Bereich von 0,25 bis 50 µm und betragen häufig jeweils 1 µm oder mehr. In der Praxis liegt das Verhältnis der Längen aneinandergrenzender Abschnitte (d.h. hi-1:hi) gewöhnlich im Bereich von 1:20 bis 20:1. Typische Breiten der Abschnitte liegen zwischen etwa 0,2 µm und 50 µm, und typische Tiefen der Abschnitte liegen zwischen etwa 0,1 µm und 50 µm.
Gemäß dieser Erfindung können sowohl lineare als auch nichtlineare Materialien verwendet werden. In bestimmten Ausführungsformen hat wenigstens ein Abschnitt jedes Segments einen von null verschiedenen nichtlinearen optischen Koeffizienten. Typischerweise wird jeder Abschnitt aus nichtlinearen optischen Materialien aufgebaut sein.
Zu den bevorzugten optischen Materialien für die optischen Gegenstände dieser Erfindung für die Verwendung in einem Wellenlängenumwandlungssystem gehören kristalline Materialien, die ausgewählt sind aus einem Einkristallmaterial mit der Formel K1-xRbxTiOMO&sub4;, wobei x 0 bis 1 beträgt und M aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus P und As besteht, sowie Einkristallmaterialien dieser Formel, wobei die Kationen der Formel zum Teil durch wenigstens eines der Kationen Rb&spplus;, Tl&spplus; und Cs&spplus; ersetzt sind. Wenn Materialien dieser Formel verwendet werden, wobei die Kationen zum Teil ersetzt wurden und x etwa 0,8 oder mehr beträgt, gehören zu den Ersatzkationen aus praktischen Gründen vorzugsweise Cs&spplus;, Tl&spplus; oder sowohl Cs&spplus; als auch Tl&spplus;. Im US-Patent Nr. 4,766,954 wird daßauf hingewiesen, daß die Verwendung zweiwertiger Ionen (z.B. Ca²&spplus;, Sr²&spplus; und Ba²&spplus;) zusammen mit Rb&spplus;-, Cs&spplus;- und/oder Tl&spplus;-Ionen einen weiten Bereich der Kontrolle des Brechungsindex liefern kann. Die zweiwertigen Ionen sowie die Rb&spplus;-, Cs&spplus;- und/oder Tl&spplus;-Ionen können mit den einwertigen Kationen des Substratmaterials (z.B. den K&spplus;- Ionen eines KTiOPO&sub4;-Substrats) ausgetauscht werden. Beispiele für Gegenstände, bei denen die Materialien dieser Erfindung verwendet werden, sind ein Gegenstand, der einen KTiOPO&sub4;-Einkristall aufweist, der (z.B. durch Kationenaustausch) so modifiziert wurde, daß man einen Wellenleiter aus aufeinanderfolgenden Abschnitten von KTiOPO&sub4; und Abschnitten von K1-xRbxTiOMO&sub4;, wobei x nicht null ist, erhält, sowie ein Gegenstand, der einen KTiOPO&sub4;-Einkristall aufweist, der so modifiziert wurde, daß man einen Wellenleiter aus aufeinanderfolgenden Abschnitten von KTiOPO&sub4; und Abschnitten von KTiOPO&sub4;, bei dem die Kationen zum Teil durch ein Gemisch von Rb&spplus;- und Tl&spplus;-Ionen oder ein Gemisch von Rb&spplus;-, Tl&spplus;- und Ba²&spplus;-Ionen ersetzt wurde, erhält.
Gegebenenfalls kann auch eine Schicht oder ein Film (z.B. ein orientierter Langmuir-Blodgett-Film) aus nichtlinearem optischem Material bereitgestellt werden, der an das Segment angrenzt, um eine Wechselwirkung unter Verwendung der abklingenden Komponente optischer Wellen zu ermöglichen. Eine weitere Ausführungsform dieser Erfindung ist ein Wellenleiter oder anderer optischer Gegenstand, bei dem Δkihi etwa null ist und keines der optischen Baumateralien an sich linear ist, d.h. einen nichtlinearen optischen Koeffizienten hat, der nicht gleich null ist. In diesem Fall wird eine phasenangepaßte Wellenlängenumwandlung gemäß der Erfindung erhalten, indem man die abklingende Komponente des einfallenden Strahls in eine angrenzende Schicht aus nichtlinearem optischem Material einkoppelt und die abklingende Komponente der in dem nichtlinearen optischen Material erzeugten Wellen zurückkoppelt.
Die Wahl der optischen Baumaterialien und der Ausgestaltungsparameter, wie Breite und Tiefe der Abschnitte, ermöglicht die Herstellung optischer Gegenstände mit den gewünschten nichtlinearen optischen Eigenschaften und einer wesentlichen Umwandlungseffizienz ohne extreme Empfindlichkeit gegenüber Verarbeitungsparametern wie Temperatur, Zeit und Tiefe des Wellenleiters. Zum Beispiel kann die Tiefe der Abschnitte für Wellenleiter aus einem bestimmten Material so gewählt werden, daß das Δk des Abschnitts gegenüber Verarbeitungsbedingungen wie der Temperatur relativ unempfindlich ist.
Vermutlich gibt es tatsächlich keine theoretische Grenze für die Zahl der Abschnitte optischer Materialien, die den optischen Gegenstand bilden, solange die Länge jedes Abschnitts kleiner ist als seine Kohärenzlänge und solange Δkihi für jedes Segment etwa null ist. Für Wellenleiter kann die Zahl der vorhandenen Abschnitte von solchen Faktoren wie den verwendeten optischen Materialien und der Länge des Wellenleiters abhängen. In einem typischen, 5,0 mm langen Wellenleiter kann ein Bereich von etwa 400 bis 1000 Abschnitten vorhanden sein. Längere Wellenleiter können bis zu 10 000 Abschnitte oder noch mehr aufweisen. Gegenstände, die optische Umwandlungssegmente von nur zwei Abschnitten umfassen, gelten jedoch ebenfalls als innerhalb des Umfangs dieser Erfindung.
Ein weiteres Beispiel für optische Elemente, bei denen ein lineares Material, wie Yttriumaluminiumgranat (d.h. YAG oder Y&sub5;Al&sub5;O&sub1;&sub2;) oder Al&sub2;O&sub3;, verwendet wird, verwendet eine mit unterschiedlichen Orientierungen gezüchtete Einkristallfaser, wobei die Orientierung so wechselt, daß die Bedingung, daß Δkihi etwa null ist, erfüllt wird. Dann kann eine Wellenlängenumwandlung erreicht werden, indem sich der Grundstrahl entlang der Faser ausbreitet, wobei die Randfelder mit einem orientierten nichtlinearen Film oder Schicht in optischem Kontakt mit der Faser wechselwirken, wie bei einem Langmuir-Blodgett-Film. Ein weiteres Beispiel für ein optisches Element gemäß der Erfindung ist eines, das aus einer Abfolge übereinandergestapelter Plättchen aus einem nichtlinearen doppelbrechenden Material, wie LiNbO&sub3; oder 3-Methyl-4- methoxynitrostilben, gebildet ist, wobei die Plättchen abwechselnd orientiert sind (z.B. in Orientierung a oder Orientie&sup4;rung b), so daß Δkaha + Δkbhb etwa null ist. Eine weitere Form dieses optischen Elements verkörpert Plättchen aus einem nichtlinearen Material (d.h. ma), die in derselben Richtung orientiert und durch einen linearen transparenten Film oder Klebstoff (d.h. mb) voneinander getrennt sind, so daß Δkaha + Δkbhb etwa null ist, wobei sich a auf das Plättchen und b auf den transparenten Film oder Klebstoff bezieht.
Die Erfindung kann für Wellenleiterstrukturen, makrokristalline Anwendungen und unter bestimmten Bedingungen für gemischte geleitete und ungeleitete Wellensysteme eingesetzt werden. In gemischten Systemen sollte jede ungeleitete Länge in der Wellenausbreitungsrichtung kleiner sein als die Defokussierungslänge der Welle in dem Material, um Strahlungsverluste zwischen den Leiterabschnitten zu minimieren.
Die vorliegende Erfindung kann verwendet werden, um eine optische Wellenleitervorrichtung zu verbessern, die wenigstens einen Kanalwellenleiter, Mittel zum Einkoppeln einer eintreffenden optischen Welle in den Kanalwellenleiter sowie Mittel zum Auskoppeln einer auslaufenden Welle aus dem Kanalwellenleiter umfaßt. Die Vorrichtung wird verbessert, indem man einen Gegenstand gemäß dieser Erfindung als Wellenleiter darin verwendet.
Der Einsatz der vorliegenden Erfindung wird anhand der in Figur 1 gezeigten Apparatur (10) erläutert, wobei von einem Laser (12) emittierte optische Wellen einer Wellenlänge verwendet werden können, um Wellen einer anderen Wellenlänge zu erzeugen. Die Linse (13) wird verwendet, um die vom Laser (12) emittierten optischen Wellen in einen Wellenleiter (14) zu fokussieren, der gemäß dieser Erfindung aufgebaut ist. Die Wellenlängenumwandlung erfolgt innerhalb des Wellenleiters (14), und eine zweite Linse (17) wird bereitgestellt, um die aus dem Wellenleiter austretenden optischen Wellen zu kollimieren. Ein Filter (18) wird in der gezeigten Anordnung bereitgestellt, um die restlichen optischen Wellen, die die Wellenlänge der emittierten Wellen haben, auszufiltern, während er die optischen Wellen der gewünschten Wellenlänge, die innerhalb des Wellenleiters (14) erzeugt wurden, hindurchläßt. Wenn also zum Beispiel Laser (12) ein Nd-YAG-Laser ist, der verwendet wird, um polarisiertes Licht mit einer Wellenlänge von 1,06 µm zu erzeugen, und der Wellenleiter (14) gemäß dieser Erfindung für die Erzeugung der zweiten Harmonischen unter Verwendung solchen einfallenden Lichts aufgebaut ist, würde man den Filter (18) so anpassen, daß er optische Wellen der Wellenlänge 0,53 µm durchläßt, während optische Wellen der Wellenlänge 1,06 µm aus dem kollimierten Strahl, der aus dem Wellenleiter austritt, herausgefiltert werden. Eine Vorrichtung, die die Apparatur von Figur 1 (d.h. den Laser (12), den Wellenleiter (14), den Filter (18) und die Linsen (13) und (17)) beinhaltet, wird als Gegenstand innerhalb des Umfangs dieser Erfindung angesehen. Tatsächlich werden Wellenleiter wie der Wellenleiter (14) selbst als Gegenstände innerhalb des Umfangs der Erfindung angesehen.
Eine Ausführungsform eines Wellenleiters der vorliegenden Erfindung wird anhand des Wellenleiters für die Erzeugung der zweiten Harmonischen gezeigt, der in Figur 2 als (20) dargestellt ist. Der gezeigte Wellenleiter (20) umfaßt einen Block (22) aus kristallinem Material, in den Abschnitte (24), (25), (26), (27) und (28) eingebettet sind, die alle aus einem anderen kristallinen Material bestehen. Normalerweise hat wenigstens eines, und vorzugsweise haben beide Materialien nichtlineare optische Eigenschaften. Die Abschnitte (24), (25), (26) , (27) und (28) sind zwischen der Oberseite des Gegenstands (30) und der Unterseite des Gegenstands (32) hintereinander ausgerichtet, so daß die eingebetteten Abschnitte zusammen mit den damit hintereinander ausgerichteten Teilen des Blocks (22) einen Wellenleiter umfassen. Der Wellenleiter ist so ausgestaltet, daß während des Betriebs einfallende Strahlen optischer Wellen an der oberen Oberfläche (34) von Abschnitt (24) an der Oberseite (30) des Gegenstands (20) in den Wellenleiter eintreten. Die einfallenden Strahlen sind so ausgerichtet, daß optische Wellen durch jeden der eingebetteten Abschnitte (24), (25), (26), (27) und (28) sowie durch Abschnitte, die durch die Teile des Blocks (22) dargestellt sind, die mit den eingebetteten Abschnitten hintereinander ausgerichtet sind, hindurchtreten und dann aus der Unterseite (32) von Block (22) austreten.
Wie Figur 3 weiter zeigt, ist der durch Figur 2 verkörperte Wellenleiter entsprechend so ausgestaltet, daß hindurchtretende Strahlen durch eine Anzahl von Abschnitten, die aus einem Material bestehen, das durch die Blöcke (24), (25), (26), (27) und (28) dargestellt ist, und eine gleiche Zahl von Abschnitten, die aus einem anderen Material bestehen, das durch die damit hintereinander ausgerichteten Teile des Blocks (22) dargestellt ist, hindurchtreten.
Ein Mittel, um einen Kanalwellenleiter des in Figur 2 und 3 gezeigten Typs gemäß dieser Erfindung herzustellen, besteht darin, ein Einkristallsubstrat der Formel K1-xRbxTiOMO&sub4;, wobei x 0 bis 1 beträgt und M P oder As ist, oder ein Einkristallsubstrat dieser Formel, wobei die Kationen der Formel zum Teil durch wenigstens eines der Kationen Rb&spplus;, Tl&spplus; und Cs&spplus; ersetzt sind, zu modifizieren. Vorzugsweise ergibt der Kationenaustausch einen Unterschied von wenigstens etwa 0,00025 zwischen dem Oberflächenbrechungsindex von kationenausgetauschten Abschnitten und dem Oberflächenbrechungsindex des Substrats. Bevorzugte Substrate sind solche der genannten Formel. Die Verwendung dieser Substrate zur Herstellung von Kanaiwellenleitern ist in der Technik wohlbekannt, und es wird auf US-Patent Nr. 4,740,265 und US-Patent Nr. 4,766,954 verwiesen. Ein typisches Substrat für die Verwendung bei der Herstellung von Wellenleitern ist ein KTiOPO&sub4;- Kristall, wobei x 0 ist und M P ist (d.h. "KTP").
Wie in US-Patent Nr. 4,740,265 und US-Patent Nr. 4,766,954 beschrieben, erlaubt die Verwendung einer Substratmaskierung den Ersatz von Kationen einer optisch glatten Oberfläche durch Ionen, die aus wenigstens einem der Kationen Rb&spplus;, Cs&spplus; und Tl&spplus; ausgewählt sind, sowie eine resultierende Änderung des Oberflächenbrechungsindex gegenüber dem Brechungsindex des Ausgangssubstrats. Gemäß der vorliegenden Erfindung können Bereiche entlang des Teils der Kristallsubstratoberfläche, die zur Bildung des gewünschten Kanals verwendet werden, während des Kationenersatzes abwechselns maskiert und unmaskiert sein, so daß der resultierende Kanal aus einer Abfolge hintereinander ausgerichteter Abschnitte besteht, die zwischen ursprünglichem Substrat (z.B. KTiOPO&sub4;) und Substratmaterial, in dem Kationen ersetzt wurden (z.B. K1-xRbxTiOPO&sub4;, wobei x nicht null ist) abwechseln. Photolithographische Standardtechniken können verwendet werden, um die gewünschte Maskierung zu erhalten. Zum Beispiel kann eine Maske aus schützendem Material (z.B. Ti) über die Oberfläche des Kristallsubstrats aufgetragen werden, wobei ein Muster darin gebildet wird, so daß nach geeigneter Einwirkung eines geschmolzenen Salzes Abschnitte aus einem zweiten optischen Material durch Kationenaustausch gebildet werden können. Nach dem Kationenersatz kann das restliche schützende Material entfernt werden.
Ein Verfahren zur Herstellung eines Kanalwellenleiters für ein Wellenlängenumwandlungssystem gemäß dieser Erfindung umfaßt die Schritte: (1) Bereitstellen eines z-geschnittenen Substrats aus kristallinem Material (d.h. eines Einkristalls) mit der Formel K1-xRbxTiOMO&sub4;, wobei x null bis eins beträgt und M P oder As ist, wobei das Substrat eine optisch glatte Oberfläche mit einem ausgewählten Teil, in dem es zur Bildung eines Kanalwellenleiters geeignet ist, beinhaltet; (2) Bereitstellen eines geschmolzenen Salzes, das Kationen, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Rb&spplus;, Cs&spplus; und Tl&spplus; besteht, in einer Menge enthält, die beim Einwirken einer ausgewählten Temperatur während einer ausgewählten Zeit auf den Wellenleiterteil einen ausreichenden Kationenersatz bewirkt, so daß der Brechungsindex in bezug auf den Brechungsindex des Substrats gendert wird; (3) Auftragen eines maskierenden Materials auf das Substrat, so daß man entlang dem Wellenleiterteil der optisch glatten Oberfläche ein Muster aus hintereinander ausgerichteten Bereichen erhält, die abwechselnd mit einem Material, das gegen das geschmolzene Salz beständig ist, maskiert bzw. unmaskiert sind; (4) Eintauchen des maskierten Substrats in das geschmolzene Salz bei der ausgewählten Temperatur während der ausgewählten Zeit, so daß ein Ersatz von Kationen in den unmaskierten Bereichen stattfindet; (5) Entfernen des maskierenden Materials von dem Substrat; und (6) Nachbearbeiten des Substrats, so daß man einen sauberen Wellenleiter mit polierten Wellenleiter-Input- und -Output-Flächen erhält. Bei diesem Verfahren wird die Länge der maskierten und der unmaskierten Bereiche so gewählt, daß man nach dem Ersatz der Kationen in den unmaskierten Bereichen in diesem Teil einen Kanalwellenleiter erhält, der wenigstens ein optisches Umwandlungssegment umfaßt, das aus einer Abfolge hintereinander ausgerichteter Abschnitte optischer Materialien besteht, und daß für die Abfolge der Abschnitte die Summe der Produkte aus der Länge jedes Abschnitts und dem Δk für diesen Abschnitt ungefähr gleich null ist und die Länge jedes Abschnitts kleiner ist als seine Kohärenzlznge, wobei Δk für jeden Abschnitt die Differenz zwischen der Summe der Ausbreitungskonstanten für die einfallenden Wellen für das Wellenlängenumwandlungssystem in diesem Abschnitt und der Summe der Ausbreitungskonstanten für die erzeugten Wellen für das Wellenlängenumwandlungssystem in diesem Abschnitt ist und die Kohärenzlänge für jeden Abschnitt 2π/Δk für diesen Abschnitt ist. Thalliumhaltige Substrate (d.h. Substrate der Formel K1-xRbxTiOMO&sub4;, wobei die Kationen dieser Formel zum Teil durch Tl&spplus; ersetzt wurden) werden ebenfalls als geeignet angesehen. KTiOMO&sub4; (d.h. x ist null, und M ist P) ist ein bevorzugtes Substrat.
KTP-Substrate können gemäß Schritt (1) bereitgestellt werden, indem man ein 1 mm dickes z-geschnittenes Substrat schneidet und poliert (d.h. so, daß man einen Einkristall mit einer optisch glatten Oberfläche erhält). Eine Ti-Maskierung kann gemäß Schritt (3) im Einklang mit photolithographischen Standardtechniken erhalten werden, indem man nacheinander Ti auf das Substrat aufträgt, ein Photoresistmaterial über das Ti aufträgt und den Photoresist härtet, eine Photomaske mit dem gewünschten Muster bereitstellt und den Photoresist durch die Photomaske kontaktbelichtet, den belichteten Teil des Photoresists entfernt und das Ti unter dem entfernten Photoresist wegätzt sowie den unbelichteten Photoresist entfernt, so daß die Ti-Maskierung in dem Muster zurückbleibt. Typischerweise wird das Substrat endpoliert, bevor es in das geschmolzene Salz eingetaucht wird, und nach dem Entfernen des Salzes gewaschen. Typischerweise wird das Substrat gemäß Schritt (6) nachbehandelt, indem man es poliert. Nachdem die Ti-Maske entfernt wurde, kann der Wellenleiter in geeigneter Weise montiert werden, so daß ein Laserstrahl hinein gerichtet werden kann.
Man sollte sich bewußt sein, daß das Δk für jeden Abschnitt, in dem Kationen gemäß diesem Verfahren für die Wellenleiterherstellung ausgetauscht wurden, etwas variiert werden kann, indem man die Breite und/oder Tiefe des Abschnitts ändert, und auch etwas als Funktion des Typs und der Konzentration des Ersatzions variieren kann. Entsprechend könnte man eine Anzahl von Wellenleitern mit verschiedenen Breiten usw. herstellen wollen, um die optimale Ausgestaltung für ein bestimmtes Wellenlängenumwandlungssystem unter Verwendung bestimmter Materialien zu bestimmen.
Um die Verarbeitungsbreite, die durch diese Erfindung ermöglicht wird, und die Beziehung zwischen Wellenleitertiefe und Brechungsindexunterschied in näher zu erläutern: Ein Fachmann kann den Brechungsindexunterschied, d.h. Δn, für die Erzeugung der zweiten Harmonischen in KTiOPO&sub4; (KTP) mit y-Ausbreitung (d.h. Δn = 0,5 (nx(ω) + nz(ω)) - nx(2ω), wobei nx(ω) und nz(ω) die effektiven Brechungsindices der einfallenden optischen Welle der Frequenz ω, für x-Polarisation und z-Polarisation sind und nx(2ω) der effektive Brechungsindex der erzeugten optischen Welle der Frequenz 2ω für x-Polarisation ist) als Funktion der Tiefe des Leiters für verschiedene Wellenleiterbreiten berechnen, wobei die in M.J. Adams, "An Introduction to Optical Waveguides" (John Wiley & Sons, NY 1981), beschriebenen Verfahren verwendet werden. Unter Verwendung dieses Ansatzes wurden die effektiven Modusindices für die Raummoden niedrigster Ordnung bei λ = 0,532 und 1,064 µm berechnet. Bei der Berechnung wurde ein exponentielles Indexprofil in der Richtung der Tiefe angenommen. Die für KTP verwendeten Brechungsindices sind nx = 1,7399 und nz = 1,8296 bei λ = 1,064 µm und nx = 1,779 bei λ = 0,532 µm, wie es in J.D. Bierlein und H. Vanherzeele, J. Opt. Soc. Am., B, 6, 622-633 (1989) offenbart ist. Für planare Rb-ausgetauschte Wellenleiter wurde der Oberflächenindex zu nx = 1,7644, nz = 1,8511 bei λ = 1,064 µm und nx = 1,8042 bei λ = 0,532 µm gemessen. Das Ergebnis der Berechnung ist in Figur 7 gezeigt. Bei null Wellenleitertiefe ist Δn gleich dem makrokristallinen KTP-Substratwert für die y-Ausbreitung. Die entsprechende Kohärenzlänge beträgt 92 µm. Für die Rb-ausgetauschten Leiter liegt der Schwellenwert fur eine Wellenlänge von 1,064 µm bei einer Tiefe von 2,0 µm. Bei unendlicher Tiefe würde das Δn dem von makrokristallinem RbTiOPO&sub4; (RTP) entsprechen. Im Bereich von 2 bis 3 µm Tiefe tritt ein Minimum auf, das in der Nähe des Bereichs für die gemäß dieser Erfindung hergestellten Wellenleiter liegt (siehe Beispiel 1 unten). Für eine Tiefe von 4 µm und Breite (W) von 5 µm ergibt sich aus Figur 7 Δn&sub1; (d.h. das Δn für die kationausgetauschten Bereiche) = -0,0022 und Δn&sub2; (d.h. das Δn für die KTP-Bereiche) = 0,0058. Mit der Länge der KTP-Abschnitte h&sub2; = 1,3 µm würde man vorhersagen, daß eine Phasenanpassung gemäß den Lehren dieser Erfindung auftritt, wenn die Länge der kationausgetauschten Bereiche h&sub1; = 3,4 µm beträgt, was im wesentlichen mit dem tatsächlichen experimentellen Wert übereinstimmt, der in Beispiel 1 unten gefunden wurde (d.h. 4 µm).
Figur 7 zeigt den praktischen Vorteil der Verwendung von Wellenleitern, die gemäß den Lehren dieser Erfindung segmentiert sind, gegenüber gleichmäßigen Wellenleitern zum Erreichen einer Phasenanpassung für die Erzeugung der zweiten Harmonischen. Da in der Auftragung von Δn gegen die Tiefe ein Minimum auftritt, erwartet man in der Nähe dieses Minimums sehr wenig Anderungen in Δn mit Änderungen in den Verarbeitungsbedingungen, wie Austauschzeit oder Temperatur, die die Tiefe des Leiters verändern. Wenn man dieses Minimum auswählt, wird eine Phasenanpassung erreicht, indem man die Länge jedes Abschnitts des optischen Umwandlungssegments so wählt, daß h&sub1;Δn&sub1; + h&sub2;Δn&sub2; etwa gleich null ist. Dagegen ist man bei einem gleichmäßigen Wellenleiter, d.h. einem Wellenleiter ohne die in dieser Erfindung gelehrte segmentierte Struktur, wo die Phasenanpassung erfordert, daß Δn im ganzen Wellenleiter etwa gleich null ist, nicht frei, die Leitertiefe zu wählen, und als Ergebnis wird eine kleine Änderung der Verarbeitungsbedingungen, die die Wellenleitertiefe beeinflussen, eine viel größere Änderung in Δn ergeben, und damit wird die Verarbeitungsbreite viel geringer sein. Ein weiterer Vorteil der Verwendung von Wellenleitern, die gemäß dieser Erfindung segmentiert sind, besteht darin, daß diese Wellenleiter eine nichtkritische Phasenanpassung erlauben, obwohl die Phasenanpassung bei 1, 064 µm in makrokristallinem KTP kritisch ist.
Eine andere Ausführungsform einer Vorrichtung für die Wellenlängenumwandlung ist in Figur 4 und 5 gezeigt.
Die gezeigte Wellenleitervorrichtung (40) umfaßt einen Block (42) aus linearem kristallinem Material, in den Abschnitte (44), (45), (46), (47) und (48) eingebettet sind, die alle aus einem anderen kristallinen Material bestehen. Die Abschnitte (44), (45), (46), (47) und (48) sind zwischen der Oberseite des Gegenstands (50) und der Unterseite des Gegenstands (52) hintereinander ausgerichtet, so daß die eingebetteten Abschnitte zusammen mit den dadurch ausgerichteten Teilen von Block (42) einen Wellenleiter umfassen. Ein Film aus nichtlinearem optischem Material (56) grenzt in Vorrichtung (40) an den Wellenleiter aus linearen optischen Materialien an. Die Wellenleitervorrichtung ist so ausgestaltet, daß während des Betriebs die einfallenden Strahlen optischer Wellen an der oberen Oberfläche (54) von Abschnitt (44) an der Oberseite (50) der Vorrichtung (40) in den Wellenleiter eintreten. Die einfallenden Strahlen sind so ausgerichtet, daß optische Wellen durch jeden der eingebetteten Abschnitte (44) (45), (46), (47) und (48) sowie durch Abschnitte, die durch die Teile des Blocks (42) dargestellt sind, die mit den eingebetteten Abschnitten hintereinander ausgerichtet sind, hindurchtreten und dann aus der Unterseite (52) von Block (42) austreten. Während die optischen Wellen durch die eingebetteten Abschnitte und die damit hintereinander ausgerichteten Teile des Blocks (42) hindurchtreten, koppelt die abklingende Komponente des einfallenden Strahls in den Film (56), wobei Wellen einer anderen Wellenlänge erzeugt werden; und die abklingende Komponente der in dem Film (56) erzeugten Wellen wird in die hintereinander ausgerichteten Abschnitte des linearen optischen Materials zurückgekoppelt.
Wellenleitervorrichtungen, die einen Film aus nichtlinearem optischem Material aufweisen, wie es in Figur 4 und 5 gezeigt ist, können hergestellt werden, indem man ein Einkristallsubstrat so modifiziert, daß man eine optisch glatte Oberfläche sowie einen Kanal erhält, der aus einer Abfolge hintereinander ausgerichteter Abschnitte besteht, die zwischen ursprünglichem Substratmaterial und einem anderen optischen Material abwechseln, und man, nachdem der Kanal erhalten wurde, einen dünnen organischen Film entlang der Oberfläche nach dem Langmuir-Blodgett-Verfahren bereitstellt. Ein Verfahren zum Bereitstellen eines dünnen organischen Films beinhaltet das Ausbreiten einer monomolekularen Schicht aus einer amphiphilen Verbindung, die eine große Hyperpolarisierbarkeit besitzt, auf der Wasseroberfläche in einem Langmuir-Trog und das Komprimieren der monomolekularen Schicht auf eine geeignete Oberflächendichte (oder Oberflächendruck). Durch wiederholtes Eintauchen und Herausziehen des segmentierten Wellenleitersubstrats in das bzw. aus dem mit einer monomolekularen Schicht bedeckte Wasser, während man die Oberflächendichte (den Oberflächendruck) konstant hält, können die Moleküle Monoschicht für Monoschicht auf die Oberfläche des segmentierten Wellenleiters übertragen werden. Die Dicke eines LB-Films wird durch die Zahl der Cyclen des Eintauchens und Herausziehens gesteuert. LB-Filme, die aus abwechselnden monomolekularen Schichten von zwei Verbindungen bestehen, können ebenfalls erhalten werden, indem man zwei Langmuir-Tröge verwendet, die jeweils mit einer monomolekularen Schicht einer Verbindung bedeckt sind. (Siehe M. Sugi, Langmuir- Blodgett films - a Course Toward Molecular Electronics: a Review, Journal of Molecular Electronics, Vol 1, 2-17 (1985), und US-Patent Nr. 4,792,208).
Die praktische Durchführung der Erfindung geht weiter aus den folgenden nichteinschränkenden Beispielen hervor.

Beispiel 1

Ein hydrothermal gezüchteter KTP-Kristall (erhalten von der Airtron Division of Litton Systems) wurde zuerst in ungefähr 1 mm dicke z-Platten geschnitten, poliert und durch thermisches Aufdampfen mit etwa 1000 Å Ti beschichtet. Ein Photoresist (Shipley #140J) wurde durch Schleuderbeschichtung auf das Ti aufgetragen und etwa 1 Stunde bei 110ºC wärmegehärtet. Dann wurde der gehärtete Photoresist durch eine Photomaske, die die gewünschten Wellenleitermuster enthielt, kontaktbelichtet. Der belichtete Photoresist wurde entfernt, und die unter dem entfernten Photoresist freigelegte Ti-Beschichtung wurde unter Verwendung einer Lösung von EDTA, H&sub2;O&sub2; und NH&sub4;OH chemisch geätzt, so daß das KTP- Substrat selektiv freigelegt wurde. Dann wurde der restliche Photoresist entfernt, und die Ti-maskierten Substrate wurde endpoliert.
Eine Abfolge von periodischen Wellenleitermustern wurden in der Ti-Maske erzeugt, um die Herstellung von Rb-ausgetauschten Wellenleiterabschnitten abwechselnd mit Abschnitten des makrokristallinen KTP zu ermöglichen. Die maskierten Substrate ergaben 36 verschiedene Wellenleitermuster mit einer Zahl von Abschnitten in der Größenordnung von etwa 400 bis 1000. Diese Muster bestanden aus offenen Bereichen mit Breiten, die in 1-µm-Schritten von 4 bis 9 µm und in der Strahlausbreitungsrichtung wiederum in Längen in 1-µm-Schritten im Bereich von 1,7 bis 4,7 µm mit 1,3-µm-Ti-Trennungen variieren, d.h. es sind segmentierte Wellenleiterperioden von 3 bis 6 µm. Die Wellenleiter wurden für eine y-Ausbreitung im KTP orientiert.
Die maskierten Substrate wurden endpoliert, so daß man eine Gesamtleiterlänge von ungefähr 5 mm erhielt, und einem Ionenaustausch in einem Bad von geschmolzenem Salz, das aus 3 Mol-% Ba(NO&sub3;)&sub2; und 97 Mol-% RbNO&sub3; bestand, bei einer Temperatur von 330ºC unterzogen. Mehrere Kanaltiefen wurden untersucht, indem man die Austauschzeit systematisch von 45 bis 90 Minuten variierte. Dieser Ionenaustauschvorgang führt zu Rb-Kanal-Wellenleitern mit charakteristischen Tiefen in einem Bereich von etwa 3 bis 4 µm. Nach dem Austausch wurde die Ti-Maske entfernt.
Die Effizienz der Umwandlung durch Erzeugung der zweiten Harmonischen wurde gemessen, wobei eine Längsstrahlkopplung eines mit einer Diode gepumpten, statistisch polarisierten Dauerstrich-48-mW-1,064-µm-Nd: Yttrium-Aluminium-Granat-(YAG)-Lasers durch ein Objektiv mit 10 x, 0,25 n.A., verwendet wurde, gemessen. Es wurde von einer Kohärenzlänge für den KTP-Abschnitt für dieses Wellenlängenumwandlungssystem von etwa 91 µm und einer Kohärenzlänge für die Rb-ausgetauschten Abschnitte für diese Wellenlängenumwandlung von etwa 190 µm ausgegangen.
Der gemessene Output aus der Erzeugung der zweiten Harmonischen als Funktion der Leiterbreite für eine Leiterperiode von 4 µm und eine Ionenaustauschzeit von 90 Minuten zeigte eine Phasenanpassung des Typs II mit einem Peak im Output aus der Erzeugung der zweiten Harmonischen in der Nähe einer Leiterbreite von 6 µm mit einer Peakbreite (FWHM) von weniger als 1,5 µm.
Eine Untersuchung der schwachen Streuung aus der Leiteroberfläche zeigte, daß die Erzeugung der zweiten Harmonischen kontinuierlich mit dem Ausbreitungsabstand zunimmt, was darauf hinweist, daß für diesen Leiter die Gesamtkohärenzlänge größer war als die Leiterlänge, und damit war eine Phasenanpassung bewiesen. Auf der Grundlage dieser Beobachtung wurde die Summe der Δkh für die Abschnitte über den gesamten Wellenleiter zu weniger als π bestimmt. Für andere Wellenleitermuster mit anderen Breiten und Perioden und Größenordnungen der Effizienz der Umwandlung durch Erzeugung der zweiten Harmonischen wurden mehrere Kohärenzlängen beobachtet, und eine Phasenanpassung wurde für diese Wellenlänge nicht erreicht.
Die maximale gemessene beobachtete Umwandlungseffizienz betrug 15±4%/W/cm².
Die Temperatur des Wellenleiters, der eine Phasenanpassung zeigte, wurde variiert, und eine Phasenanpassung wurde für Raumtemperatur (d.h. etwa 25ºC) bis etwa 125ºC nachgewiesen (d.h. in einem Bereich von etwa 100ºC).

Beispiel 2

Ein mit Flußmittel gezüchteter KTP-Kristall wurde aus China erhalten (Research Institute for Crystal Growth, Peking) und wurde geschnitten, poliert und maskiert, wobei man ein Verfahren, eine Ausbreitungsrichtung und eine Maske verwendet, die im allgemeinen mit dem Verfahren von Beispiel 1 übereinstimmten. Diese Probe wurde 45 Minuten bei 370ºC in einem Bad aus geschmolzenem RbNO&sub3;- Salz behandelt. (Die Ionenleitfähigkeit von mit Flußmittel gezüchtetem KTP ist erheblich (100 x - 1000 x) größer als die von hydrothermal gezüchtetem KTP, und somit sind die Verarbeitungsbedingungen verschieden.) Von den verschiedenen Mustern wurde eine phasenangepaßte Erzeugung der zweiten Harmonischen bei 1,064 µm für eine Leiterbreite von 6 µm und eine Leiterperiode von 5 µm beobachtet. Diese Umwandlungseffizienz betrug etwa 8%/W/cm².

Beispiel 3

Ein hydrothermal gezüchteter KTP-Kristall (erhalten von der Airtron Division of Litton Systems) wurde vorbereitet, wobei dasselbe Schneide-, Polier- und Maskierungsverfahren wie in Beispiel 1 verwendet wurde, außer daß die Maske für x-Ausbreitung anstatt y-Ausbreitung orientiert war. Diese Probe wurde 1 Stunde bei 360ºC in einem RbNO&sub3;:TlNO&sub3;:Ba(NO&sub3;)&sub2;-Bad mit dem Stoffmengenverhältnis 95:4:1 behandelt. Eine phasenangepaßte Erzeugung der zweiten Harmonischen bei 1,319 µm (Nd:YAG) wurde für eine Leiterbreite von 7 µm und eine Leiterperiode von 4 µm beobachtet (d.h. die Verwendung des Tl-haltigen Bades verschob den Oberflächenbrechungsindex des Wellenleiters für die Phasenanpassung von 1,064 µm nach 1,319 µm).
Besondere Ausführungsformen der Erfindung sind in den Beispielen enthalten. Weitere Ausführungsformen werden dem Fachmann bei einer Betrachtung der Beschreibung oder bei der praktischen Durchführung der hier offenbarten Erfindung einfallen. Selbstverständlich können Modifikationen und Variationen praktisch durchführbar sein, ohne vom Umfang der neuen Konzepte dieser Erfindung abzuweichen. Weiterhin ist die Erfindung selbstverständlich nicht auf die besonderen hier erläuterten Formulierungen und Beispiele beschränkt, sondern sie umfaßt solche modifizierten Formen davon, die in den Umfang der folgenden Ansprüche fallen.

Claims

1. Verfahren zur Wellenlängenumwandlung, das den Schritt des Leitens der einfallenden optischen Wellen für die Wellenlängenumwandlung durch wenigstens ein optisches Umwandlungssegment umfaßt, das aus einer Abfolge hintereinander ausgerichteter Abschnitte optischer Materialien für die Wellenlängenumwandlung besteht, wobei wenigstens eines der optischen Materialien ein Δk hat, das für die Wellenlängenumwandlung positiv ist, und wenigstens eines der optischen Materialien ein Δk hat, das für die Wellenlängenumwandlung negativ ist, wobei das Segment am Ende jedes der Abschnitte keine Phasenanpassung beinhaltet und die Länge und die Brechungsindices der Abschnitte so gewählt sind, daß für die Abfolge der Abschnitte die Summe der Produkte aus der Länge jedes Abschnitts in der Richtung der Ausrichtung (h) und dem Δk für diesen Abschnitt, d.h. ΣΔk h, minimiert wird und einen Absolutbetrag von weniger als 2π hat und daß die Länge jedes Abschnitts kleiner ist als seine Kohärenzlänge, wobei Δk für jeden Abschnitt die Differenz zwischen der Summe der Ausbreitungskonstanten für die einfallenden Wellen für das Wellenlängenumwandlungssystem in diesem Abschnitt und der Summe der Ausbreitungskonstanten für die erzeugten Wellen für das Wellenlängenumwandlungssystem in diesem Abschnitt ist und die Kohärenzlänge für jeden Abschnitt 2π/Δk für diesen Abschnitt ist und wobei entweder wenigstens eines der Materialien optisch nichtlinear ist oder während der Wellenlängenumwandlung eine Schicht aus nichtlinearem optischem Material, das an die Abfolge angrenzt, bereitgestellt wird oder beides.

2. Verfahren zur Wellenlängenumwandlung gemäß Anspruch 1, wobei während der Wellenlängenumwandlung ein Langmuir- Blodgett-Film, der an die Abfolge angrenzt, bereitgestellt wird.

3. Verfahren zur Wellenlängenumwandlung gemäß Anspruch 1, wobei jeder Abschnitt aus nichtlinearen optischen Materialien aufgebaut ist.

4. Verfahren zur Wellenlängenumwandlung gemäß Anspruch 3, wobei einfallende Wellen der Frequenzen ω&sub1; und ω&sub2; verwendet werden, um Wellen der Frequenz ω&sub3; zu erzeugen, und wobei ω&sub3; gleich der Summe von ω&sub1; und ω&sub2; ist.

5. Verfahren zur Wellenlängenumwandlung gemäß Anspruch 3, wobei einfallende Wellen der Frequenz ω&sub4; verwendet werden, um Wellen der Frequenzen ω&sub5; und ω&sub6; zu erzeugen, und wobei ω&sub4; gleich der Summe von ω&sub5; und ω&sub6; ist.

6. Verfahren zur Wellenlängenumwandlung gemäß Anspruch 3, wobei Wellen der zweiten Harmonischen der einfallenden optischen Wellen erzeugt werden.

7. Verfahren zur Wellenlängenumwandlung gemäß Anspruch 3, wobei es sich bei den hintereinander ausgerichteten Abschnitten um Paare aneinandergrenzender Abschnitte aus optischen Materialien handelt, die so gewählt sind, daß für jedes Paar die Summe des Produkts aus der Länge (h) eines Abschnitts und seinem Δk und des Produkts aus der Länge des anderen Abschnitts und seinem Δk, d.h. ΣΔk h, minimiert wird und einen Absolutbetrag von weniger als 2π hat.

8. Verfahren zur Wellenlängenumwandlung gemäß Anspruch 7, wobei einfallende Wellen mit einer Wellenlänge von 1,064 µm verwendet werden, um Wellen der zweiten Harmonischen zu erzeugen, und wobei die optischen Wellen durch einen Wellenleiter geleitet werden, der abwechselnde Abschnitte aus KTP und rubidiumausgetauschtem KTP aufweist.

9. Verfahren zur Erzeugung zweiter Harmonischer gemäß Anspruch 8, wobei die Breite des Wellenleiters etwa 6 µm beträgt, die Lange jedes KTP-Abschnitts etwa 1,3 µm beträgt und die Länge jedes rubidiumausgetauschten Abschnitts etwa 2,7 µm beträgt und wobei das KTP hydrothermal gezüchtet ist.

10. Verfahren zur Wellenlängenumwandlung gemäß Anspruch 3, wobei die Länge jedes Abschnitts im Bereich von 0,25 µm bis 50 µm liegt.

11. Verfahren zur Wellenlängenumwandlung gemäß Anspruch 1, wobei die Abfolge von Abschnitten so gewählt ist, daß die Summe der Produkte aus der Länge jedes Materialabschnitts, der ein positives Δk besitzt, und seinem Δk mit der Summe der Produkte aus der Länge jedes Materialabschnitts, der ein negatives Δk besitzt, und seinem Δk so ausgewogen ist, daß die Gesamtkohärenzlänge über den Wellenlängenumwandlungsweg größer ist als die Länge des Wellenlängenumwandlungswegs.

12. Optischer Gegenstand zur Verwendung in einem Wellenlängenumwandlungssystem, wobei der optische Gegenstand eine Lichtquelle umfaßt, die so angeordnet ist, daß sie Licht einer vorbestimmten Wellenlänge in wenigstens ein optisches Umwandlungssegment einstrahlt, das aus einer Abfolge hintereinander ausgerichteter Abschnitte optischer Materialien für die Wellenlängenumwandlung besteht, wobei wenigstens eines der optischen Materialien ein Δk hat, das für die Wellenlängenumwandlung positiv ist, und wenigstens eines der optischen Materialien ein Δk hat, das für die Wellenlängenumwandlung negativ ist, wobei das Segment am Ende des Abschnitts keine Phasenanpassung beinhaltet und die Länge und die Brechungsindices der Abschnitte so gewählt sind, daß die Summe der Produkte aus der Länge jedes Abschnitts (h) und dem Δk für diesen Abschnitt, d.h. ΣΔk h, minimiert wird und einen Absolutbetrag von weniger als 2π hat und daß die Länge jedes Abschnitts kleiner ist als seine Kohärenzlänge, wobei Δk für jeden Abschnitt die Differenz zwischen der Summe der Ausbreitungskonstanten für die einfallenden Wellen für das Wellenlängenumwandlungssystem in diesem Abschnitt und der Summe der Ausbreitungskonstanten für die erzeugten Wellen für das Wellenlängenumwandlungssystem in diesem Abschnitt ist und die Kohärenzlänge für jeden Abschnitt 2π/Δk für diesen Abschnitt ist und wobei entweder wenigstens eines der Materialien optisch nichtlinear ist oder der Gegenstand eine Schicht aus optischen Material, das an das Segment angrenzt, umfaßt oder beides.

13. Optischer Gegenstand gemäß Anspruch 12, wobei ein Langmuir- Blodgett-Film bereitgestellt wird, der an das Segnent angrenzt.

14. Optischer Gegenstand gemäß Anspruch 12, wobei jeder Abschnitt aus nichtlinearen optischen Materialien aufgebaut ist.

15. Optischer Gegenstand gemäß Anspruch 14, wobei es sich bei den hintereinander ausgerichteten Abschnitten um Paare aneinandergrenzender Abschnitte aus optischen Materialien handelt, die so gewählt sind, daß für jedes Paar die Summe des Produkts aus der Länge eines Abschnitts und seinem Δk und des Produkts aus der Länge des anderen Abschnitts und seinem Δk, d.h. ΣΔk h, minimiert wird und einen Absolutbetrag von weniger als 2π hat.

16. Optischer Gegenstand gemäß Anspruch 15, der abwechselnde Abschnitte aus KTP und rubidiumausgetauschtem KTP aufweist.

17. Optischer Gegenstand gemäß Anspruch 16, wobei die Abschnitte einen Wellenleiter mit einer Breite von etwa 6 µm bilden, wobei die Länge jedes KTP-Abschnitts etwa 1,3 µm beträgt und die Länge jedes rubidiumausgetauschten Abschnitts etwa 2,7 µm beträgt und wobei das KTP hydrothermal gezüchtet ist.

18. Optischer Gegenstand gemäß Anspruch 14, wobei die Länge jedes Abschnitts im Bereich von 0,25 µm bis 50 µm liegt.

19. Optischer Gegenstand gemäß Anspruch 12, bei dem es sich um einen Wellenleiter handelt, der abwechselnde Abschnitte aus einem Einkristallsubstrat mit der Formel K1-xRbxTiOMO&sub4;, wobei x null bis eins beträgt und M P oder As ist, und Abschnitte aus einem Substratmaterial, bei dem die Kationen des Substrats durch genügend Kationen ersetzt wurden, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Rb&spplus;, Cs&spplus; und Tl&spplus; besteht, so daß der Oberflächenbrechungsindex in bezug auf den Brechungsindex des Substrats verändert ist, umfaßt.

20. Optischer Gegenstand gemäß Anspruch 14, der abwechselnde Abschnitte aus einkristallinem KTiOPO&sub4;-Substrat und Abschnitte aus Substratmaterial, bei dem die Kationen des Substrats teilweise durch Rb ersetzt sind, umfaßt.

21. Optischer Gegenstand gemäß Anspruch 14, der abwechselnde Abschnitte aus einkristallinem KTiOPO&sub4;-Substrat und Abschnitte aus dem Substratmaterial, bei dem die Kationen teilweise durch Tl&spplus; und Rb&spplus; ersetzt sind, umfaßt.

22. Optischer Gegenstand gemäß Anspruch 12, wobei es sich bei den optischen Materialien um Einkristallmaterialien mit der Formel K1-xRbxTiOMO&sub4;, wobei x 0 bis 1 beträgt und M aus P und As ausgewählt ist, und um Einkristallmaterialien mit dieser Formel, wobei die Kationen durch wenigstens eines der Kationen Rb&spplus;, Tl&spplus; und Cs&spplus; ersetzt sind, handelt.

23. Optischer Gegenstand gemäß Anspruch 22, bei dem es sich um einen modifizierten Einkristall von KTiOPO&sub4; handelt, der Abschnitte enthält, bei denen die Kationen von KTiOPO&sub4; teilweise durch wenigstens eines der Kationen Rb&spplus; und Tl&spplus; ersetzt sind.

24. Optische Wellenleitervorrichtung, die wenigstens einen Kanalwellenleiter, Mittel zum Einkoppeln einer eintreffenden optischen Welle in den Kanalwellenleiter sowie Mittel zum Auskoppeln einer auslaufenden Welle aus dem Kanalwellenleiter umfaßt, wobei es sich bei dem Kanalwellenleiter um einen optischen Gegenstand gemäß Anspruch 12 handelt.

25. Verfahren zur Herstellung eines Kanalwellenleiters für ein Wellenlängenumwandlungssystem, umfassend die Schritte:

(1) Bereitstellen eines z-geschnittenen Substrats aus kristallinem Material mit der Formel K1-xRbxTiOMO&sub4;, wobei x null bis eins beträgt und M P oder As ist, oder aus kristallinem Material mit dieser Formel, wobei die Kationen teilweise durch Tl&spplus; ersetzt worden sind, wobei das Substrat eine optisch glatte Oberfläche mit einem ausgewählten Teil, in dem es zur Bildung eines Kanalwellenleiters geeignet ist, beinhaltet;

(2) Bereitstellen eines geschmolzenen Salzes, das Kationen, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Rb&spplus;, Cs&spplus; und Tl&spplus; besteht, in einer Menge enthält, die beim Einwirken einer ausgewählten Temperatur während einer ausgewählten Zeit auf den Wellenleiterteil einen ausreichenden Kationenersatz bewirkt, so daß der Brechungsindex in bezug auf den Brechungsindex des Substrats geändert wird;

(3) Auftragen eines maskierenden Materials auf das Substrat, so daß man entlang dem Wellenleiterteil der optisch glatten Oberfläche ein Muster aus hintereinander ausgerichteten Bereichen erhält, die abwechselnd mit einem Material, das gegen das geschmolzene Salz beständig ist, maskiert bzw. unmaskiert sind;

(4) Eintauchen des maskierten Substrats in das geschmolzene Salz bei der ausgewählten Temperatur während der ausgewählten Zeit, so daß ein Ersatz von Kationen in den unmaskierten Bereichen stattfindet;

(5) Entfernen des maskierenden Materials von dem Substrat; und

(6) Nachbearbeiten des Substrats, so daß man einen sauberen Wellenleiter mit polierten Wellenleiter-Input- und -Output-Flächen erhält;

wobei die Länge der maskierten und der unmaskierten Bereiche so gewählt wird, daß man nach dem Ersatz der Kationen in den unmaskierten Bereichen in diesem Teil einen Kanalwellenleiter erhält, der wenigstens ein optisches Umwandlungssegment umfaßt, das aus einer Abfolge hintereinander ausgerichteter Abschnitte optischer Materialien ohne Phasenanpassung am Ende jedes solchen Abschnitts besteht, wobei wenigstens eines der optischen Materialien ein Δk hat, das für die Wellenlängenumwandlung positiv ist, und wenigstens eines der optischen Materialien ein Δk hat, das für die Wellenlängenumwandlung negativ ist, wobei die Länge und die Brechungsindices der Abschnitte so gewählt sind, daß für die Abfolge der Abschnitte die Summe der Produkte aus der Länge jedes Abschnitts und dem Δk für diesen Abschnitt, d.h. ΣΔk h, minimiert wird und einen Absolutbetrag von weniger als 2π hat und daß die Länge jedes Abschnitts kleiner ist als seine Kohärenzlänge, wobei Δk für jeden Abschnitt die Differenz zwischen der Summe der Ausbreitungskonstanten für die einfallenden Wellen für das Wellenlängenumwandlungssystem in diesem Abschnitt und der Summe der Ausbreitungskonstanten für die erzeugten Wellen für das Wellenlängenumwandlungssystem in diesem Abschnitt ist und die Kohärenzlänge für jeden Abschnitt 2π/Δk für diesen Abschnitt ist.