DE69109582T2

DE69109582T2 - Vorrichtung zur Erzeugung von Oberwellen.

Info

Publication number: DE69109582T2
Application number: DE69109582T
Authority: DE
Inventors: Takeshi Kamijoh; Saeko Oshiba; Keisuke Shinozaki
Original assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Current assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Priority date: 1990-08-29
Filing date: 1991-08-29
Publication date: 1996-02-01
Anticipated expiration: 2011-08-30
Also published as: EP0473441A2; JPH04107536A; DE69109582D1; EP0473441A3; EP0473441B1; US5233620A; JP2685969B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Harmonischen, insbesondere einer zweiten Harmonischen einer Grundwelle.
Ein zur Erzeugung einer zweiten Harmonischen verwendetes Element (SHG- Element) ist zum Beispiel in "Electronics Letters", Band 25, (1989), S. 731-732 beschrieben. Sein Betrieb basiert auf einem Verfahren der Quasi-Phasenanpassung.
Unter Bezugnahme auf Figur 1 wird nun die Quasi-Phasenanpassung beschrieben. Figur 1 zeigt ein Wellenleiter-SHG-Element. Titan wird in Form von Streifen in eine +C-Oberfläche eines LiNbO&sub3;-Substrats 10 diffundiert, so daß mit einer Periode Λ domänenumgekehrte Gebiete 12 gebildet werden. Senkrecht zu den Domänengebieten 12 wird durch ein Protonenaustauschverfahren (Li&spplus; -H&spplus; - Austauschverfahren) ein Lichtwellenleiter 14 gebildet.
In Figur 1 tritt eine Grundwelle (Winkelfrequenz ω, Wellenlänge λ(ω)) in das SHG-Element ein. Die Grundwelle pflanzt sich im Lichtwellenleiter 14 fort (Fortpflanzungsenergie der Grundfrequenz 2ω, Wellenlänge λ(2ω)).
Weist das SHG-Element keine domänenumgekehrten Gebiete 12 auf, so wird die maximale Leistung der zweiten Harmonischen erhalten, wenn die Grundwelle gemäß der folgenden Gleichung (1) auf die Kohärenzlänge lc steigt.
lc = λ ( ω )/4 ( Nn ( 2ω ) - Nm ( ω ) ) (1)
worin Nn(2ω) ein effektiver Leitindex der zweiten Harmonischen im n-ten Fortpflanzungsmodus und Nm(ω) der Index der Grundwelle im m-ten Fortpflanzungsmodus ist.
Zum Beispiel ist die Kohärenzlänge lc ungefähr 1,7 um, wenn beide Fortpflanzungsmoden 0-te Moden sind (m = n = 0), λ(ω) gleich 830 nm ist und die Dicke d des Lichtwellenleiters 14 gleich 1 um ist.
In diesem Fall hat die zweite Harmonische ihre Maximalleistung auf den ersten 1,7 um im Lichtwellenleiter 14 und keine auf den nächsten 1,7 um. Das heißt, selbst wenn die Grundwelle länger als lc wird, übersteigt die Leistung der zweiten Harmonischen eine bestimmte Größe nicht. Dies kommt von einer unvollständigen Phasenanpassung zwischen der Grundwelle und der zweiten Harmonischen her.
Eine Phasen-Fehlanpassung Δk wird gemäß der folgenden Gleichung erhalten.
Δk = 4 π/λ ( ω ) ( N (2ω) - N (ω) )
Um die Phasen-Fehlanpassung Δk zu korrigieren, werden die domänenumgekehrten Gebiete 12 mit der Periode Λ (= 2lc ) gebildet, wie in Figur 1 gezeigt. Dadurch hat die zweite Harmonische eine Leistung, die dem Quadrat der Fortpflanzungslänge ungefähr proportional ist.
Als Bedingung, um Δk vollständig zu korrigieren, wird in "Optics Communications", Band 6, 1972, S. 301-302 die folgende Gleichung (2) angegeben.
N ( 2ω ) - N ( ω ) - λ ( 2ω ) / Λ = 0 (2)
Werden die domänenumgekehrten Gebiete 12 so gebildet, daß sie die Gleichung (2) erfüllen, obwohl die beiden Phasen nicht zusammenpassen, so hat die zweite Harmonische somit eine Leistung, die dem Quadrat der Länge L des SHG- Elements proportional ist.
Es ist jedoch schwierig, die Gleichung (2) zu erfüllen, da die effektiven Leitindizes N(2ω) und N(ω) von Abmessungen des Lichtwellenleiters 14, die schwierig mit genügender Genauigkeit zu bestimmen sind, und außerdem von der Periode Λ abhängen.
In der Literatur "Electronics Letters", Band 25, (1989), S. 731-732, wird ein Farbstofflaser als Lichtquelle in Betracht gezogen. Obwohl er imstande ist, seine Wellenlänge zu ändern, kann die Gesamtvorrichtung nicht so aufgebaut werden, daß sie eine kompakte Größe hat.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, wie im Patentanspruch 1 beansprucht, eine Vorrichtung zur Erzeugung einer zweiten Harmonischen zu schaffen, die kompakt ist und Laserlicht mit hoher Leistung erzeugt.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Laserdiode als Lichtquelle verwendet und mittels einer externen Anordnung zum Mitschwingen gebracht, die ein Beugungsgitter umfassen kann. Innerhalb der Resonatoranordnung ist ein SHG-Element angeordnet. Indem der Beugungswinkel des Gitters gesteuert wird, wird die Wellenlänge der Grundwelle so selektiert, daß die Erzeugung der zweiten Harmonischen maximiert wird.
Daher ist es möglich, die Oszillationswellenlänge der Laserdiode so zu ändern, daß sie mit der Phasenanpassungs-Bedingung des SHG-Elements harmoniert.
Die Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich noch deutlicher unter Berücksichtigung der nachfolgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen, in denen:
Figur 1 eine Schrägansicht eines zu Erzeugung der zweiten Harmonischen verwendeten Wellenleiter-SHG-Elements ist;
Figur 2 und 3 schematische Draufsichten der ersten und der zweiten Ausführungsform gemäß der Erfindung sind; und
Figur 4A und 4B Modifizierungen der ersten und der zweiten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung betreffen.
Die erste Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung ist in Figur 2 dargestellt.
In Figur 2 weist die Vorrichtung eine Halbleiter-Laserdiode 20, ein Wellenleiter- SHG-Element 32 und einen optischen Reflektor 40 auf.
Das SHG-Element 32 hat den gleichen Aufbau wie das in Figur 1 Gezeigte. Somit sind mit einer Periode Λ gleichbeabstandete domänenumgekehrte Gebiete 35 gebildet, ist senkrecht zu den Gebieten 35 ein Lichtwellenleiter 34 gebildet und wird LiNbO&sub3;, KTiOPO&sub4; oder ein anderes geeignetes Substrat für das Element 32 verwendet.
Als Lichtquelle wird die Halbleiter-Laserdiode 20 verwendet. Die Laserdiode 20 weist an den beiden Enden des aktiven Gebiets 22 eine hochreflektiv (HR) beschichtete Endfacette 24 und eine antireflektiv (AR) beschichtete Endfacette 26 auf. Von der HR-beschichteten Endfacette 24 wird verlangt, daß sie ein Reflexionsvermögen von 100 % aufweist. Das Reflexionsvermögen der AR-beschichteten Endfacette 26 ist vorzugsweise kleiner als 10&supmin;&sup4;, um eine hohe Leistung einer zweiten Harmonischen zu erhalten.
Das Licht aus der Laserdiode 20 tritt in den Lichtwellenleiter 34 des SHG-Elements 32 ein. Da das Licht im TM-Mode aus der AR-beschichteten Endfacette 26 emittiert wird, wird verlangt, die Polarisation des elektrischen Feldes unter Verwendung eines Halbwellenplättchens 35 um 90 Grad zu drehen, und dadurch hat die in den Wellenleiter 34 eintretende Grundwelle eine erhöhte Energie. Die Grundwelle aus dem SHG-Element 32 wird durch eine Linse 38 parallelgerichtet. Danach trifft sie auf einen optischen Reflektor 40, der eine Selektivität reflektierter Wellenlängen aufweist. In der ersten Ausführungsform wird für den Reflektor 40 ein Beugungsgitter verwendet. Die HR-beschichtete Endfacette 24 der Laserdiode 20 und das Beugungsgitter 40 bilden einen externen Resonator. Um die Übertragung der Grundwelle zu verringern, wird ein optisches Filter 42 verwendet.
Wird das Beugungsgitter 40 so angeordnet, daß die folgende Gleichung (3) erfüllt wird, so ist eine Wellenlänge λ(ω) der Grundwelle als Oszillationswellenlänge der Laserdiode 20 definiert.
d sin θ = λ (ω) (3)
worin d eine Gitterkonstante des Gitter 40 ist und θ ein Beugungswinkel des Gitters 40 ist.
Folglich wird die Oszillationswellenlänge λ(ω) der Laserdiode 20 durch Ändern von θ selektiert. Durch Steuern von θ ist es daher möglich, die Bedingung der Quasi-Phasenanpassung gemäß Gleichung (2) zu erfüllen, da die effektiven Leitindizes N(2ω) und N(ω) Funktionen der Wellenlänge λ(ω) der Grundwelle sind.
Der durch Steuern von θ zugängliche Bereich der Oszillationswellenlänge liegt innerhalb der Verstärkungsbreite des aktiven Gebiets 22 der Laserdiode 20 und beträgt mehr als 100 nm. In diesem Bereich läßt sich ein SHG-Element 32, das die Bedingung der Quasi-Phasenanpassung erfüllt, mit herkömmlicher Technologie herstellen.
Wird einer oberen und einer unteren (nicht gezeigten) Elektrode der Laserdiode 20 eine vorgeschriebene Spannung zugeführt, so oszilliert die Laserdiode 20. Aus der AR-beschichteten Endfacette 26 emittiertes Licht tritt über das optische System (28, 36 und 30) in den Wellenleiter 34 des SHG-Elements 32 ein. Nachdem es sich durch den Wellenleiter 34 und die Linse 38 fortgepflanzt hat, trifft das Licht auf das Beugungsgitter 40 auf, wobei der Beugungswinkel θ die Bedingung der Gleichung (3) erfüllt.
Ein Teil des Lichts wird durch das Gitter 40 zurück zur Laserdiode 20 reflektiert. Die Wellenlänge des reflektierten Lichts ist als die Wellenlänge λ(ω) der Grundwelle definiert. Als Folge davon wird die Bedingung der Gleichung (2) vollständig erfüllt. Somit tritt auf der Grundwelle Resonanz auf, und es wird eine Laseroszillation mit hoher Leistung erhalten.
Während sich die Grundwelle im Wellenleiter 34 fortpflanzt, wird ein Teil der Energie der Grundwelle in eine zweite Harmonische umgewandelt.
Die zweite Harmonische weist eine halbe Wellenlänge (λ(2ω)) der Grundwelle auf.
Die zweite Harmonische und die nicht umgewandelte Grundwelle werden teilweise durch das Gitter 40 gebeugt. Die gebeugten Wellen verlassen den Resonator, und die zweite Harmonische wird durch das Filter 42 selektiert.
Gemäß der ersten Ausführungsform ist es durch Steuern des Beugungswinkels θ des Gitters 40 möglich, die beste Wellenlänge der Grundwelle zu selektieren, um die Erzeugung der zweiten Harmonischen zu maximieren.
Zusätzlich hat der externe Resonator, der aus der Laserdiode 20 und dem Gitter 40 besteht, eine Länge von ein paar cm, so daß der Longitudinalmodenabstand der Oszillation nur 0,001 nm ist. Somit kann die Steuerung der Oszillationswellenlänge tatsächlich kontinuierlich durchgeführt werden.
Die zweite Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung ist in Figur 3 dargestellt. Für die gleichen Teile, wie in Figur 2 gezeigt, werden die gleichen Bezugszeichen verwendet.
In Figur 3 weist eine SHG-Einheit 70 eine Laserdiode 50 und das SHG-Element 32 auf. Auf die gleiche Weise wie in der ersten Ausführungsform sind dazwischen die Linsen 28, 30 und das Halbwellenplättchen 36 angeordnet. Die SHG-Einheit 70, das Beugungsgitter 40 und Lichtleitfasern 56, 60 bilden einen Ringresonator.
In der zweiten Ausführungsform weist die Laserdiode 50 ein aktives Gebiet 51 und zwei AR-beschichtete Endfacetten 52, 54 auf. Zwar oszilliert die Laserdiode 50 allein nicht, von der Laserdiode 50 emittiertes Licht wird aber über den Ring rückgekoppelt, und wegen der Rückkopplung tritt eine Laseroszillation auf.
Ein Ende der Lichtleitfaser 56 ist über die Linse 38 an das SHG-Element 32 gekoppelt, und ein Ende der Lichtleitfaser 62 ist über die Linsen 64, 66 an die Laserdiode 50 gekoppelt. Die beiden anderen Enden der Lichtleitfasern 56 und 62 sind durch das Beugungsgitter 40, das Wellenlängen selektiert, optisch miteinander verbunden. Auf den Enden der Lichtleiffasern 56 und 62, die an das Gitter 40 angrenzen, sind Gradientenindex(GRIN)-Linsen 58 und 60 angeordnet.
Die Lichtleitfasern 56 und 60 können von einem Typ sein, der eine Polarisationsebene einhält.
Wird der Laserdiode 50 eine vorgeschriebene Spannung zugeführt, so tritt aus der AR-beschichteten Endfacette 54 emittiertes Licht durch die Linse 28, das Halbwellenplättchen 36 und die Linse 30 in das SHG-Element 32 ein. Das Licht pflanzt sich durch das SHG-Element 32 fort und tritt in die Lichtleitfaser 56 ein.
Danach wird das Licht von der GRIN-Linse 58 parallelgerichtet und trifft auf das Gitter 40 auf. Das wellenlängenselektierte Licht aus dem Gitter 40 tritt durch die GRIN-Linse 60 in die Lichtleitfaser 62 ein. Das Licht läuft durch die Lichtleitfaser 62 zur Laserdiode 50 zurück.
In der Mitte der Lichtleitfaser 62 ist ein Richtungskoppler 72 angeordnet. Somit wird durch den Richtungskoppler 72 Licht aus dem Ring herausgenommen. Außerdem wird durch Verwendung eines optischen Filters wie in der ersten Ausführungsform die zweite Harmonische selektiert.
Durch Steuern des Beugungswinkels θ des Gitters 40 ist es möglich, die beste Wellenlänge zu selektieren, um die Erzeugung der zweiten Harmonischen zu maximieren. Die in der zweiten Ausführungsform verwendeten Lichtleitfasern sind für das Herausziehen der zweiten Harmonischen besonders geeignet.
Da das Beugungsgitter 40 eine hohe Wellenlängenselektivität hat, ist es außerdem möglich, eine spektrale Halbhöhenspitzenbreite (FWHM) für die Grundwelle schmal zu machen, z.B. kleiner als 1 nm.
Unter Bezugnahme auf Figur 4A und 4B werden nun Modifizierungen der ersten und der zweiten Ausführungsform beschrieben. Sie verwenden ein Prisma anstelle des Beugungsgitters zum Selektieren einer Wellenlänge; diese Figuren zeigen nur den Teil der Vorrichtung, der zur Wellenlängenselektion verwendet wird.
Figur 4A zeigt die Modifizierung der ersten Ausführungsform. Durch Verwendung eines Prismas 80 werden die Grundwelle (ω) und die zweite Harmonische (2ω) vollständig getrennt. Um den externen Resonator zu bilden, wird ein Spiegel 82 verwendet, der die Grundwelle reflektiert. Für die zweite Harmonische kann eine Linse 84 verwendet werden.
Figur 4B zeigt die Modifizierung der zweiten Ausführungsform. Das Prisma 80 trennt die Grundwelle (ω) und die zweite Harmonische (2ω). Diese Wellen werden in die Lichtleitfasern 62 bzw. eine zusätzliche Lichtleitfaser 88 eingeleitet. Die Faser 88 kann am Einlaßende eine GRIN-Linse 60 aufweisen.
Wie oben beschrieben, ist es gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, die Oszillationswellenlänge der Laserdiode so zu selektieren, daß sie mit der Phasenanpassungs-Bedingung des SHG-Elements harmoniert. Daher kann mittels der Technik der Grundwellenselektion ein quasi-phasenangepaßtes SHG-Element verwirklicht werden, obwohl die Abmessungen des SHG-Elements an sich nicht genau zu sein brauchen.
Da eine Laserdiode als Lichtquelle verwendet wird, kann ferner eine kompakte Vorrichtung geschaffen werden.
Die Vorrichtung zur Erzeugung einer zweiten Harmonischen gemäß der vorliegenden Erfindung kann in einem optischen Speicher, einem Interferometer oder einer anderen Vorrichtung verwendet werden, die Licht mit einer kurzen Wellenlänge und hohen Leistung benötigt.

Claims

1. Vorrichtung zur Erzeugung einer Harmonischen, mit:

einer Lasereinrichtung (20, 50) zur Erzeugung von Laserstrahlung mit einer Grundfrequenz;

einer Rückkopplungseinrichtung (40, 62, 80, 82), die die Laserstrahlung mit der Grundfrequenz an die Lasereinrichtung (20, 50) rückkoppelt, und

einem Element (32) zur Erzeugung einer Harmonischen, zur Erzeugung einer vorbestimmten Harmonischen der Grundfrequenz, das zwischen der Lasereinrichtung und der Rückkopplungseinrichtung angeordnet ist;

dadurch gekennzeichnet, daß

das Element (32) zur Erzeugung einer Harmonischen ein Quasi-Phasenanpassungs-Typ ist und die Rückkopplungseinrichtung (40, 62, 80, 82) eine wellenlängenselektive Abstimmeinrichtung umfaßt, die so gesteuert wird, daß die Grundfrequenz für eine optimale Quasi-Phasenanpassung im Element (32) zur Erzeugung einer Harmonischen eingestellt wird.

2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die vorbestimmte Harmonische die doppelte Grundfrequenz ist.

3. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Lasereinrichtung (20, 50) eine Laserdiode (20) ist, die eine Antireflexions-Beschichtung auf einer Endfacette und eine hochreflektive Beschichtung auf der anderen Endfacette aufweist, welche von der Einrichtung (32) zur Erzeugung einer Harmonischen weg gerichtet ist.

4. Vorrichtung gemäß Anspruch 3, wobei die Abstimmeinrichtung (40, 80, 82) ein Beugungsgitter (40) aufweist.

5. Vorrichtung gemäß Anspruch 3, wobei die Abstimmeinrichtung (40, 80, 82) ein Prisma und einen Spiegel aufweist, wobei der Spiegel (82) mit der hochreflektiv beschichteten Endfacette einen optischen Resonator bildet.

6. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Lasereinrichtung (20, 50) eine Laserdiode (50) mit einer Antireflexions-Beschichtung auf beiden Endfacetten aufweist, und mit einer ersten Lichtleitfaser (56), die zwischen dem Element (32) zur Erzeugung einer Harmonischen und der Abstimmeinrichtung (40, 80, 82) leitet, und einer zweiten Lichtleitfaser (62), die zwischen der Abstimmeinrichtung (40, 80, 82) und der Endfacette der Laserdiode leitet, die von dem Element (32) zur Erzeugung einer Harmonischen weg gerichtet ist.

7. Vorrichtung gemäß Anspruch 6, wobei die Abstimmeinrichtung (40, 80, 82) ein Beugungsgitter (40) aufweist.

8. Vorrichtung gemäß Anspruch 6, wobei die Abstimmeinrichtung (40, 80, 82) ein Prisma (80) und einen Spiegel (82) aufweist, wobei der Spiegel (82) mit der hochreflektiv beschichteten Endfacette einen optischen Resonator bildet.

9. Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Element (32) zur Erzeugung einer Harmonischen ein Wellenleitergebilde ist.