RU2045089C1

RU2045089C1 - Element of non-linear optical unit for transforming laser radiation frequency

Info

Publication number: RU2045089C1
Application number: RU92010781A
Authority: RU
Inventors: В.А. Горбылев; А.А. Чельный
Original assignee: Акционерное общество "Сигма Плюс"; Горбылев Владимир Алексеевич; Чельный Александр Александрович
Priority date: 1992-12-08
Filing date: 1992-12-08
Publication date: 1995-09-27

Abstract

FIELD: optical industry. SUBSTANCE: element is made of epitaxial waveguide layers of semiconductor materials, which are applied onto semiconductor substrate. Conditions are settled for choosing layers lattice spacings depending on substrate lattice spacing. Ranges of thicknesses of the layers are specified. EFFECT: improved precision. 2 dwg

Description

Изобретение относится к нелинейной оптике, квантовой электронике и может быть использовано для преобразования частоты оптического излучения. The invention relates to nonlinear optics, quantum electronics and can be used to convert the frequency of optical radiation.

Известны элементы нелинейного оптического преобразования частоты, выполненные в виде плоской, отполированной пластины любого полупроводникового материала [1, 2, 3] Благодаря разнице в показателях преломления полупроводникового материала и воздуха пластина становится волноводом для введенной в нее электромагнитной волны. Тогда, в случае появления встречной электромагнитной волны той же частоты, в волноводе будет наводиться поляризационная волна удвоенной частоты с константой распространения перпендикулярной плоскости волновода. Known elements of nonlinear optical frequency conversion made in the form of a flat, polished plate of any semiconductor material [1, 2, 3] Due to the difference in the refractive indices of the semiconductor material and air, the plate becomes a waveguide for the electromagnetic wave introduced into it. Then, in the case of the appearance of a counterpropagating electromagnetic wave of the same frequency, a doubled frequency polarization wave with a propagation constant perpendicular to the plane of the waveguide will be induced in the waveguide.

Однако коэффициент преобразования в таком устройстве очень мал. However, the conversion coefficient in such a device is very small.

Наиболее близким к изобретению по достигаемому результату и технической сущности является элемент нелинейного оптического устройства для преобразования частоты лазерного излучения на основе полупроводниковых материалов, включающий эпитаксиальные слои, выращенные на подложке, образующие систему волноводных слоев, толщина которых порядка λ₂/2 [4]
В работе для удвоения частоты лазерного излучения была использована пластина полупроводникового материала, на которой выращивалась периодическая структура волноводных эпитаксиальных слоев, например Al_0,7Ga_0,3As/Al_0,9Ga_0,1As, причем толщины d этих слоев выбирались такими, чтобы обеспечить эффективное взаимодействие первоначальной волны излучения λ₁ и волны λ₂ λ₁/n удвоенной частоты в волноводе. Тогда d ≈ λ₂/2n. В частности для приведенного примера [4] удвоения частоты излучения с длиной волны λ₁ 1,06 мкм в волноводной решетке Al_0,7Ga_0,3As/Al_0,9Ga_0,1As толщины волноводных слоев (при n 3,5 и λ₂ 0,53) d 0,53/2˙3,5 ≈ 600

. При этом эффективность преобразования полученa на пять порядков выше, чем в элементах, известных из работ [1, 2, 3] Так по работе [4] при введении в элемент излучения мощностью 10 мВт с длиной волны λ₁ 1,06 мкм получена мощность преобразованного излучения, равная 76 мкВт, с длиной волны второй гармоники λ₂= 0,53 мкм. Как видно из вышесказанного, коэффициент преобразования остается по-прежнему мал.The closest to the invention is achieved by the technical essence and the result is an element of a nonlinear optical device for frequency conversion of laser radiation on the basis of semiconductor material comprising epitaxial layers grown on a substrate, forming a waveguide system layers, thickness of the order of λ _2/2 [4]
To double the frequency of laser radiation, we used a wafer of semiconductor material on which a periodic structure of waveguide epitaxial layers was grown, for example, Al _0.7 Ga _0.3 As / Al _0.9 Ga _0.1 As, and the thicknesses d of these layers were chosen such in order to ensure effective interaction of the initial radiation wave λ ₁ and wave λ ₂ λ ₁ / n double frequency in the waveguide. Then d ≈ λ ₂ / 2n. In particular, for the given example [4], doubling the radiation frequency with a wavelength of λ ₁ 1.06 μm in the waveguide lattice Al _0.7 Ga _0.3 As / Al _0.9 Ga _0.1 As the thickness of the waveguide layers (for n 3, 5 and λ ₂ 0.53) d 0.53 / 2˙3.5 ≈ 600

. In this case, the conversion efficiency was obtained five orders of magnitude higher than in elements known from [1, 2, 3] So, according to [4], when radiation of 10 mW with a wavelength of λ ₁ 1.06 μm was introduced into the element, the power of the converted radiation equal to 76 μW, with a second harmonic wavelength λ ₂ = 0.53 μm. As can be seen from the above, the conversion coefficient remains still small.

Предложен элемент нелинейного оптического устройства для преобразования частоты лазерного излучения на основе полупроводниковых материалов, в котором эпитаксиальные слои выполнены из нелинейных материалов, периоды кристаллических решеток каждого из которых отличны от периода кристаллической решетки подложки, и разности этих периодов имеют противоположные знаки. An element of a nonlinear optical device for converting the frequency of laser radiation based on semiconductor materials is proposed in which the epitaxial layers are made of nonlinear materials, the periods of the crystal lattices of each of which are different from the period of the crystal lattice of the substrate, and the differences of these periods have opposite signs.

Это позволяет повысить коэффициент преобразования первоначальной электромагнитной волны при сохранении степени надежности преобразования. This allows you to increase the conversion coefficient of the original electromagnetic wave while maintaining the degree of reliability of the conversion.

В материалах, не совпадающих по периоду кристаллической решетки с периодом решетки подложки, возникают механические напряжения. В каждом последующем слое знак механических напряжений меняется на противоположный и, следовательно, величина матричных элементов нелинейной восприимчивости также сильно меняется. При этом общие механические напряжения, возникающие в предложенной гетероэпитаксиальной композиции, не должны приводить к деградации оптических характеристик волноводов. In materials that do not coincide in the period of the crystal lattice with the lattice period of the substrate, mechanical stresses arise. In each subsequent layer, the sign of the mechanical stresses is reversed and, therefore, the magnitude of the matrix elements of the nonlinear susceptibility also changes greatly. Moreover, the general mechanical stresses arising in the proposed heteroepitaxial composition should not lead to degradation of the optical characteristics of the waveguides.

Механические напряжения вызывают деформацию кристаллической решетки. При этом меняется ее кристаллографическая симметрия и, следовательно, меняются оптические постоянные, в том числе такой параметр, как нелинейная восприимчивость. Причем в матрице нелинейной восприимчивости, являющейся тензорной величиной, во-первых, появляются дополнительные недиагональные члены, а во-вторых, увеличивается значение диагональных элементов. Таким образом, нелинейные свойства напряженных пленок усиливаются. Как известно [5] амплитуда любой поляризационной волны второй гармоники вследствие интерференции с основной электромагнитной световой волной изменяется по синусоидальному закону и поэтому интегральный коэффициент преобразования обычно мал. На расстоянии, равном длине когерентности L_ког, амплитуда волны второй гармоники достигает максимума и затем начинает уменьшаться вследствие перекачки энергии волны второй гармоники в основную волну. На расстоянии 2L_ког амплитуда волны второй гармоники становится пренебрежимо малой. Если изготовить слоистую структуру с чередованием слоев нелинейный линейный нелинейный и толщины этих слоев будут равны длине когерентности L_ког, то можно избежать перекачки энергии волны удвоенной частоты в первоначальную волну, а амплитуда световой волны будет увеличиваться по мере прохождения ею всей толщи структуры. Увеличение ее интенсивности будет проходить в слоях нелинейного материала, а в слоях линейного материала она не будет ни нарастать, ни уменьшаться. В том случае, когда вместо линейного материала будет другой нелинейный материал, сильно отличающийся коэффициентом нелинейной восприимчивости, волна второй гармоники будет усиливаться по всей толще волноводной структуры.Mechanical stresses cause deformation of the crystal lattice. In this case, its crystallographic symmetry changes and, therefore, the optical constants, including such a parameter as nonlinear susceptibility, change. Moreover, in the matrix of nonlinear susceptibility, which is a tensor quantity, firstly, additional off-diagonal terms appear, and secondly, the value of diagonal elements increases. Thus, the nonlinear properties of stressed films are enhanced. As is known [5], the amplitude of any polarization wave of the second harmonic due to interference with the main electromagnetic light wave changes according to a sinusoidal law and therefore the integral conversion coefficient is usually small. At a distance equal to the coherence length L _coh , the amplitude of the second harmonic wave reaches a maximum and then begins to decrease due to the transfer of the energy of the second harmonic wave to the main wave. At a distance of 2L _{coh, the} amplitude of the second harmonic wave becomes negligible. If you make a layered structure with alternating layers, nonlinear linear nonlinear and the thicknesses of these layers are equal to the coherence length L _coh , then you can avoid the transfer of the energy of the double-frequency wave to the original wave, and the amplitude of the light wave will increase as it passes through the entire thickness of the structure. An increase in its intensity will take place in layers of nonlinear material, and in layers of linear material it will neither increase nor decrease. In the case where instead of a linear material there will be another nonlinear material, which is very different in the coefficient of nonlinear susceptibility, the second harmonic wave will be amplified throughout the entire thickness of the waveguide structure.

Две световые волны с противоположной константой распространения, идущие по слоистому волноводу, могут вызывать поляризационную волну и соответствующую световую волну удвоенной частоты и в материалах на чисто волноводном эффекте, как это осуществлено в прототипе, что обусловлено различными показателями преломления материалов волноводной структуры и, следовательно, различными составляющими вектора распространения. Two light waves with the opposite propagation constant, traveling along the layered waveguide, can cause a polarization wave and the corresponding light wave of double frequency and in materials with a pure waveguide effect, as is done in the prototype, which is due to different refractive indices of the materials of the waveguide structure and, therefore, different components of the propagation vector.

Максимальное преобразование волн основной частоты в волну удвоенной частоты будет иметь место при толщинах волноводных слоев d ≈ λ₂/2n.The maximum transformation of the waves of the fundamental frequency into a wave of doubled frequency will take place at the thicknesses of the waveguide layers d ≈ λ ₂ / 2n.

При выполнении волноводных слоев из нелинейных материалов и при условии, что для каждой соседней пары слоев выбраны разности периодов кристаллической решетки слоя и подложки, имеющие противоположные знаки, эффект преобразования частоты оптического излучения значительно усиливается. When performing waveguide layers of nonlinear materials and provided that for each adjacent pair of layers, the lattice differences of the crystal lattice of the layer and the substrate are selected, which have opposite signs, the effect of converting the frequency of the optical radiation is significantly enhanced.

Толщины слоев необходимо поддерживать примерно равными λ₂/2n, а чередующиеся волноводные слои при выполнении условия будут иметь сильно меняющееся значение нелинейной восприимчивости. Указанное изменение линейной восприимчивости можно добиться, выращивая на подложке пленки толщиной λ₂/2n с рассогласованием периода решетки пленки а_а и подложки а_и, причем величина Δа а_а а_и должна менять свой знак в каждом последующем волноводном слое.The thicknesses of the layers must be maintained approximately equal to λ ₂ / 2n, and alternating waveguide layers, when the condition is met, will have a strongly changing value of the nonlinear susceptibility. This change of the linear susceptibility can be achieved by growing on a substrate a film thickness of λ ₂ / 2n mismatch with the lattice period and _a film and a substrate, _and wherein a value of Δa _as well _and should change its sign in each subsequent waveguide layer.

Известно, что для каждой величины Δ а существует критическое значение толщины пленки, выше которой механические напряжения, возникающие в пленке, будут сниматься пластической деформацией за счет образования дислокаций несоответствия. Процесс образования дислокаций несоответствия будет уменьшать механические напряжения в пленке и, следовательно, уменьшать значение нелинейной восприимчивости с одной стороны, а с другой будет ухудшать поверхность раздела между волноводными слоями, приводя к их деградации. Таким образом, величина Δа должна быть такой, чтобы при оптимальной толщине волновода d ≈ λ₂/2n не образовывались дислокации несоответствия. Поскольку последующий волноводный слой будет иметь Δа другого знака, то он будет полностью или частично уравновешивать напряжения, возникшие в предыдущем слое. Поэтому суммарные напряжения в эпитаксиальной композиции из нескольких чередующихся волноводов могут либо отсутствовать, либо быть небольшими. Главное, чтобы суммарная толщина гетероэпитаксиальной композиции не была больше критической для данного значения суммарных механических напряжений.It is known that for each value of Δ a there is a critical value of the film thickness above which mechanical stresses arising in the film will be removed by plastic deformation due to the formation of misfit dislocations. The process of formation of misfit dislocations will reduce mechanical stresses in the film and, consequently, decrease the value of nonlinear susceptibility on the one hand, and on the other, will worsen the interface between the waveguide layers, leading to their degradation. Thus, Δa should be such that, at the optimum waveguide thickness d ≈ λ ₂ / 2n, mismatch dislocations do not form. Since the subsequent waveguide layer will have Δa of a different sign, it will completely or partially balance the stresses arising in the previous layer. Therefore, the total stresses in the epitaxial composition of several alternating waveguides can either be absent or small. The main thing is that the total thickness of the heteroepitaxial composition should not be more critical for a given value of total mechanical stresses.

На фиг.1 изображена схема эпитаксиальной структуры элемента нелинейного оптического устройства для преобразования частоты лазерного излучения в поперечном сечении; на фиг.2 зависимость интенсивности второй гармоники на длине волны λ₂= 0,53 мкм от суммарной интенсивности волн с длиной волны λ₁ 1,06 мкм, вводимых в нелинейный элемент от двух лазерных источников.Figure 1 shows a diagram of the epitaxial structure of an element of a nonlinear optical device for converting the frequency of laser radiation in cross section; figure 2 the dependence of the intensity of the second harmonic at a wavelength of λ ₂ = 0.53 μm from the total intensity of waves with a wavelength of λ ₁ 1,06 μm, introduced into the nonlinear element from two laser sources.

Примеры конкретного выполнения. Examples of specific performance.

Элемент (фиг. 1) выполнен на основе гетероэпитаксиальной структуры, выращенной на подложке из арсенида галлия. Гетероэпитаксиальная структура представляет последовательность чередующихся слоев: слоев 1 из In_0,08(Ga_0,1Al_0,9)_0,92As и слоев 2 из (Ga_0,1Al_0,9)_0,5(As_0,92P_0,08)_0,5 с периодами кристаллических решеток ≈ 5,68

и ≈5,636

соответственно. При этом разность между периодами кристаллической решетки слоев 1 и подложки 3 из GaAs (период кристаллической решетки составляет 5,65

) будет равна + 0,03

и для слоев 2 равна 0,014

. Приведенные составные твердых растворов обеспечивают отсутствие образования дислокаций несоответствия на границе слоев, а также образования дислокаций несоответствия при выращивании периодной гетероэпитаксиальной композиции, что соответствует общей толщине 1,2 мкм. Две встречные волны от двух лазеров на Nd ИАГ с длиной волны излучения λ₁ 1,06 мкм вводятся в нелинейный элемент. Излучение второй гармоники с длиной волны λ₂ 0,53 мкм выводят через поверхность гетероэпитаксиальной волноводной структуры. При мощности вводимого излучения ≈ 100 мВт получена мощность излучения второй гармоники до 5 мВт (фиг.2), что свидетельствует о значительном повышении коэффициента преобразования более чем в 6,5 раза по сравнению с прототипом. При этом надежность преобразования частоты осталась неизменной.The element (Fig. 1) is made on the basis of a heteroepitaxial structure grown on a gallium arsenide substrate. The heteroepitaxial structure is a sequence of alternating layers: layers 1 of In _0.08 (Ga _0.1 Al _0.9 ) _0.92 As and layers 2 of (Ga _0.1 Al _0.9 ) _0.5 (As _0.92 P _0.08 ) _0.5 with periods of crystal lattices ≈ 5.68

and ≈5.636

respectively. The difference between the periods of the crystal lattice of layers 1 and the substrate 3 of GaAs (the period of the crystal lattice is 5.65

) will be equal to + 0.03

and for layers 2 is equal to 0.014

. The given composite solid solutions ensure the absence of mismatch dislocations at the layer boundary, as well as the formation of mismatch dislocations during the growth of a periodic heteroepitaxial composition, which corresponds to a total thickness of 1.2 μm. Two counterpropagating waves from two Nd YAG lasers with a radiation wavelength of λ ₁ 1.06 μm are introduced into the nonlinear element. The second harmonic radiation with a wavelength of λ ₂ 0.53 μm is removed through the surface of the heteroepitaxial waveguide structure. When the input radiation power ≈ 100 mW, the second-harmonic radiation power up to 5 mW was obtained (Fig. 2), which indicates a significant increase in the conversion coefficient by more than 6.5 times in comparison with the prototype. At the same time, the reliability of frequency conversion remained unchanged.

Мощность излучения второй гармоники может быть увеличена за счет нанесения просветляющих диэлектрических покрытий на эпитаксиальную поверхность нелинейного элемента, а также при использовании других полупроводниковых материалов, не поглощающих излучение на длине волны λ₂= 0,53 мкм.The radiation power of the second harmonic can be increased due to the application of antireflective dielectric coatings on the epitaxial surface of a nonlinear element, as well as using other semiconductor materials that do not absorb radiation at a wavelength of λ ₂ = 0.53 μm.

Аналогичного типа структуры могут быть выращены на основе твердых растворов GaP/AlGaP/InGaAlP или других, более широкозонных материалов. Преимущество материалов с шириной запрещенной зоны Е_g > 2,4 эВ состоит в том, что эти материалы прозрачны в видимой области спектра и, следовательно, в них отсутствует поглощение второй гармоники. В системе А^IIIB^IV предложенный активный элемент может быть изготовлен на основе слоев твердых растворов ZnSSe/CdSSe, LnCdS/ZnCdSe, ZnSeTe/ZnSeS и т.д. В качестве подложки могут быть использованы GaAs, ZnSe, CdS. Еще лучшими материалами могут быть эпитаксиальные структуры на основе твердых растворов AlGaInN на подложке из сапфира. Большая ширина запрещенной зоны (-6 эВ) позволит изготовить элементы с генерацией второй гармоники фиолетовой и ультрафиолетовой области спектра без ее заметного поглощения в эпитаксиальной структуре.Structures of a similar type can be grown on the basis of solid solutions GaP / AlGaP / InGaAlP or other, wider-band materials. The advantage of materials with a band gap E _g > 2.4 eV is that these materials are transparent in the visible region of the spectrum and, therefore, there is no absorption of the second harmonic. In system A ^III B ^{IV, the} proposed active element can be made on the basis of layers of ZnSSe / CdSSe, LnCdS / ZnCdSe, ZnSeTe / ZnSeS solid solutions, etc. As the substrate, GaAs, ZnSe, CdS can be used. Even better materials can be epitaxial structures based on AlGaInN solid solutions on a sapphire substrate. The large band gap (-6 eV) will make it possible to fabricate elements with the second harmonic generation of the violet and ultraviolet spectral regions without noticeable absorption in the epitaxial structure.

Проведенные эксперименты показали, что коэффициент преобразования частоты при исследовании предложенного элемента может быть повышен до 100-1000 раз. The experiments showed that the frequency conversion coefficient in the study of the proposed element can be increased to 100-1000 times.

Claims

ELEMENT OF A NONLINEAR OPTICAL DEVICE FOR TRANSFORMING THE FREQUENCY OF LASER RADIATION based on semiconductor materials, including epitaxial layers grown on a substrate, forming a system of waveguide layers, each of which is of the order of λ / 2n, where λ is the wavelength of the second harmonic, characterized in that the neighboring epitopes made of materials, the periods of the crystal lattices of which are different from the period of the crystal lattice of the substrates and the differences of these periods have opposite signs, and the thicknesses for each waveguide layer is not more than the critical thickness of occurrence of plastic deformation, and the total thickness of the layers is not more than the critical thickness of occurrence of deformation under the influence of the total mechanical stresses.