專利名稱：波長轉換裝置及其制造方法
波長轉換裝置及其制造方法相關申請交叉參考本申請涉及2007年10月30提交的題為“波長轉換裝置及其制造方法 (WAVELENGTH CONVERSION DEVICES AND FABRICATION METHODS FOR THE SAME)”的共同待審查和共同轉讓的美國專利申請序列第11/978864號(SP07-218)，但是沒有要求其優(yōu)先權。優(yōu)先權聲明本申請要求2008年8月15日提交的題為“波長轉換裝置及其制造方法 (WAVELENGTH CONVERSION DEVICES AND FABRICATION METHODS FOR THE SAME)” 的美國申請第12/192397號的優(yōu)先權。
背景技術：
本發(fā)明一般涉及波長轉換裝置及其制造方法。更具體來說，本發(fā)明的一些實施方式涉及利用極化周期操控來減小布拉格(Bragg)共振和相應的光的背反射同時保持該波長轉換裝置的有效轉換效率的波長轉換裝置及其制造方法。發(fā)明概述波長轉換裝置可包括周期性極化(poled)的非線性光學材料如鈮酸鋰，可以對波長轉換裝置進行設計，通過在非線性光學材料中使用周期性反轉的疇進行準匹配，從而使得激光器產生的輸入信號的頻率翻倍。但是，這些周期性反轉的疇可能在極化的非線性光學材料的相匹配波長(即，波長轉換裝置以最大效率使輸入信號的頻率翻倍時的輸入信號波長)處產生不需要的布拉格共振，導致從波長轉換裝置到激光器的不利的背反射，當反射在基波長中發(fā)生時，對激光器的穩(wěn)定性產生負面影響。另外，若布拉格共振在頻率翻倍的波長內發(fā)生，則布拉格共振會導致發(fā)射功率的明顯降低。本發(fā)明的實施方式通過操控周期性極化的非線性光學材料的極化周期，破壞了由極化疇引起的布拉格共振，由此減少了到激光器的背反射，從而提高了激光器的穩(wěn)定性。根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式，提供了一種制造波長轉換裝置的方法，該波長轉換裝置包含非線性光學材料，其包括輸入面、輸出面、以及從輸入面延伸到輸出面的波導區(qū)域。根據(jù)該方法，通過以下方式制造波長轉換裝置識別波長轉換裝置的相匹配波長λφ， 為波長轉換裝置的相匹配波長λ φ確定理想極化周期Altj通過以下方式將非線性光學材料極化在波導區(qū)域中誘導形成一些按順序定位的疇，這些疇具有隨機變化的疇寬，該疇寬由理想極化周期A1加或減中斷值限定，使得布拉格共振以及從以隨機變化的疇寬極化的波長轉換裝置到激光器的光的相應背反射比以理想極化周期A1極化的非線性光學材料的布拉格共振和背反射小至少一個數(shù)量級。以隨機變化的疇寬極化的波長轉換裝置的輸入信號轉換效率是最大轉換效率的至少一半。根據(jù)本發(fā)明的另一種實施方式，提供了一種制造波長轉換裝置的方法，該波長轉換裝置包含非線性光學材料，其包括輸入面、輸出面、以及從輸入面延伸到輸出面的波導區(qū)域。根據(jù)該方法，通過以下方式制造波長轉換裝置識別波長轉換裝置的相匹配波長λφ， 為波長轉換裝置的相匹配波長λ φ確定理想極化周期Altj通過以下方式將非線性光學材料極化在波導區(qū)域中誘導形成多個按順序定位的疇，這些疇包括多個理想極化疇和一個或多個非理想極化疇，其中非理想極化疇具有一定寬度，該寬度由理想極化周期A1加或減不連續(xù)值來限定，理想極化疇具有一定寬度，該寬度由理想極化周期A1限定。對該不連續(xù)值進行選擇，使得由波導區(qū)域的第二個半?yún)^(qū)域反射的光的相位與由波導區(qū)域的第一個半?yún)^(qū)域反射的光的相位相反，以非理想極化疇極化的波長轉換裝置的輸入信號轉換效率是最大轉換效率的至少一半。根據(jù)本發(fā)明的另一種實施方式，提供了一種波長轉換裝置。更具體來說，根據(jù)本發(fā)明的實施方式，波長轉換裝置包含非線性光學材料，其包括輸入面、輸出面、以及從輸入面延伸到輸出面的波導區(qū)域。波導區(qū)域進一步包括多個具有隨機變化的疇寬的按順序定位的疇，所述疇寬由理想極化周期A1W或減中斷值來限定。中斷值小于理想極化周期A1，該中斷值使得布拉格共振以及光的相應背反射比以理想極化周期A1極化的非線性光學材料的光的布拉格反射小至少一個數(shù)量級。中斷值還使得具有隨機變化的疇寬的波長轉換裝置的輸入信號轉換效率是以理想極化周期A1極化的非線性光學材料的最大效率的至少一半。根據(jù)本發(fā)明的另一種實施方式，提供了一種波長轉換裝置，該波長轉換裝置包含非線性光學材料，其包括輸入面、輸出面、以及從輸入面延伸到輸出面的波導區(qū)域。更具體來說，根據(jù)一種實施方式的波導區(qū)域包括多個理想極化疇和一個或多個非理想極化疇。非理想極化疇具有一定寬度，該寬度由理想極化周期A1W或減不連續(xù)值來限定，該不連續(xù)值小于理想極化周期A1，理想極化疇具有一定寬度，該寬度由理想極化周期A1來限定。附圖簡要描述結合附圖能最好地理解以下關于本發(fā)明具體實施方式
的詳細說明，附圖中使用相同的附圖標記表示相同的結構，其中

圖1是根據(jù)本發(fā)明的一種或多種實施方式與光波長轉換裝置光學連接的DBR或類似種類的半導體激光器的示意圖；圖2和3說明發(fā)射波長隨DBR激光器中的增益電流的變化；圖4是說明根據(jù)本發(fā)明一種或多種實施方式的波長轉換裝置的布拉格共振曲線的圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明一種或多種實施方式的波長轉換裝置的示意圖；和圖6是說明根據(jù)本發(fā)明一種或多種實施方式的波長轉換裝置的布拉格共振曲線的圖。發(fā)明詳述本發(fā)明一般涉及半導體激光器和波長轉換裝置，例如二次諧波產生晶體(SHG)，可以以多種方式對其進行設計。例如(說明而非限制性地)，通過將分布式反饋(DFB)激光器、分布式布拉格反射器(DBR)激光器、垂直腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)、垂直外部腔表面發(fā)射激光器(VECSEL)或Fabry-Perot激光器之類的單波長半導體激光器與光波長轉換裝置如SHG晶體組合，可以對短波長光源進行設計用于高速調制。熟悉激光器設計的普通技術人員將會理解，DFB激光器是使用在半導體材料中蝕刻形成的格柵或類似結構作為反射介質的共振腔激光器。DBR激光器是其中蝕刻的布拉格柵與半導體激光器的電子泵浦區(qū)物理分隔的激光器。另一方面，F(xiàn)abry-Perot激光器沒有波長選擇段，因此產生多重波長。因此，要以單一模式操作Fabry-Perot激光器，必須將波長選擇組件引入光路中，以向二極管反射部分光，并使波長穩(wěn)定化。這種功能可以通過在一部分SHG晶體波導上結合布拉格柵來實現(xiàn)。設想根據(jù)本發(fā)明可以利用這些和其他種類的激光器。波長轉換裝置可包含SHG晶體。雖然SHG晶體產生的輸出信號的頻率是原始或輸入光學信號的頻率的兩倍，但是這些信號的相位互相不匹配。當光經(jīng)過波導區(qū)域時，基波長 (即輸入波長)和二次諧振波長的光的相位變得不匹配，使得在波長轉換裝置的輸入面附近產生的二次諧振信號的相位與在波長轉換裝置的輸出面附近產生的二次諧振光信號的相位不匹配。這導致產生非常弱的二次諧振光。要在波長轉換裝置中產生的二次諧振光信號之間獲得建設性的相位匹配，采用了準相位匹配。通過在非線性材料的波導區(qū)域內引入周期性反轉的極化疇，可以實現(xiàn)準相位匹配。極化包括周期性地反轉波長轉換裝置的晶軸取向，從而確保紅外光和可見光都幾乎保持在沿波長轉換裝置的傳播方向的相位中。通過在各疇引入相移，實現(xiàn)相位校正。適用于SHG晶體的非線性光學材料可包括但并不限于例如周期性極化的鈮酸鋰(PPLN)，周期性極化的鉭酸鋰(PPLT)，和周期性極化的鈦氧基磷酸鉀(PH(TP)?？梢酝ㄟ^許多工藝在波長轉換裝置中誘導形成極化，這些工藝包括例如電子束掃描、施加電場或生長晶體。通過將例如1060納米DBR或DFB激光器調節(jié)到波長轉換裝置的光譜中心，將波長轉換到530納米，波長轉換裝置可以產生較高的基礎激光器信號諧波。但是。在這種較高的諧波產生系統(tǒng)中，一種重要的參數(shù)是激光器二極管的波長穩(wěn)定性。波長轉換裝置如摻雜 MgO的PPLN的波長轉換效率很大程度上取決于激光器二極管和波長轉換裝置之間的波長匹配。波長轉換裝置的轉換效率是波長的非常窄的函數(shù)，因此任何波長不穩(wěn)定性都會產生倍頻光的強度波動。本發(fā)明的發(fā)明人已經(jīng)認識到，來自波長轉換裝置和再注入半導體激光器中的背反射對波長穩(wěn)定性起到關鍵作用。激光器如DBR激光器對反饋非常敏感，即使反饋水平低至-60到-70分貝，也會使波長變得不穩(wěn)定。例如，布拉格柵會導致激光器系統(tǒng)中的背反射。 本發(fā)明的發(fā)明人還已經(jīng)認識到，雖然波長轉換裝置如周期性極化的SHG晶體可以不在DBR 或DFB激光器系統(tǒng)中有意地包含誘導形成的布拉格柵，但是SHG晶體的主體中存在一些周期性或幾乎周期性的特征(例如晶體極化)或其他與該晶體波導的制造方式相關的特征。 這些特征可以發(fā)揮不需要的布拉格柵的作用，向激光器二極管產生明顯的反饋。當這些布拉格反射在基波長發(fā)生時，它們會產生激光器不穩(wěn)定性，以及/或者，當這些布拉格反射在倍頻波長發(fā)生時，功率會下降。鑒于開發(fā)半導體激光器光源時遇到的與波長匹配和穩(wěn)定性相關的難題，本發(fā)明的實施方式涉及能使從波長轉換裝置到半導體激光器的背反射最小化、從而提高半導體激光器波長穩(wěn)定性的波長轉換裝置及其制造方法。雖然已經(jīng)主要就DBR激光器描述了本發(fā)明的理念，但是，可以設想本文討論的控制模式還可用于多種半導體激光器中，包括但并不限于 DFB激光器、Fabry-Perot激光器、VCSELS, VECSELS和許多其他種類的外部腔激光器。參見圖1，激光器(如DBR激光器)10與光波長轉換裝置40光學偶連，該光波長轉換裝置40包含非線性光學材料。由半導體激光器10發(fā)射的波長λ ^的輸入光學信號可以直接耦合進波長轉換裝置40中，或者可以通過校準和聚焦光學裝置20、30或一些其他種類的合適光學元件或光學系統(tǒng)進行耦合。波長轉換裝置40將由半導體激光器10發(fā)射的輸入光學信號波長λ ^轉換成較高的諧波。這種結構特別適用于從較長波長的半導體激光器產生較短波長的激光束，可以用作例如激光投影系統(tǒng)的可見激光光源。輸入光學信號λ ^可以包括例如可見光、紅外光、近紅外光和紫外光的波長。圖1中所示的波長轉換裝置40是非線性SHG晶體。將波長λ 0和頻率Coci的輸入光學信號通入波長轉換裝置40的輸入面，沿光路向輸出面?zhèn)鞑?。被稱為波導區(qū)域的光路是光在波長轉換裝置40內采取的從輸入面延伸到輸出面的路徑。從波長轉換裝置40的輸出面射出倍頻的輸出光學信號λ1()圖1中所示波長轉換裝置40的波長轉換效率取決于半導體激光器10和波長轉換裝置40之間的波長匹配。當激光器10的輸出波長偏離波長轉換裝置40的波長轉換帶寬時，波長轉換裝置40中產生的較高諧振光波的輸出功率急劇降低。在涉及激光器10(如 DBR光源激光器)和PPLN晶體作為波長轉換裝置40用于倍頻的應用中，期望光不會發(fā)生反射并耦合回到激光器10的激光器二極管中。外部腔反饋會使激光器10的波長變得非常不穩(wěn)定。波長轉換裝置40的轉換效率對波長變化非常敏感，因此，背反射形式的反饋會使倍頻功率發(fā)生明顯波動。另外，在例如激光投影系統(tǒng)中非線性倍頻的應用中，需要具有最高可能功率(例如幾百毫瓦)的激光器二極管來實現(xiàn)足夠的轉換效率。如上所述，波長轉換裝置40內的類布拉格柵(Bragg-like grating)會導致向激光器10的明顯反饋。這些類布拉格柵由極化以及波長轉換裝置40的折射率產生。使用 DBR或DFB激光器10對波長轉換裝置40進行泵浦時，激光器二極管本身包括布拉格柵。在這種情況中，波長轉換裝置40并不有意包含布拉格柵。但是，SHG和其他類似晶體具有固有的和由極化工藝產生的不利的布拉格柵。例如，在極化工藝過程中，可能在波長轉換裝置 40中引入局部應力，導致折射率變化。另外，任何由極化工藝產生的殘余電壓會在極化和未極化的區(qū)域中產生不同的折射率。晶體的不完美的局部反轉會在結構中產生散射中心。這些周期性散射結構會以與指數(shù)變化布拉格柵類似的方式產生共振。波長轉換裝置40內的布拉格共振會導致明顯的背反射，在激光器10中產生不穩(wěn)定性。圖2和3說明背反射對激光器穩(wěn)定性的影響。圖2說明光源波長隨激光器10的增益段(約1060納米)中的電流的變化，該激光器10的波長不會產生明顯的布拉格共振。 實線100對應于第一激光器二極管組合件(package)，而虛線101對應于第二激光器二極管組合件。激光器的波長保持比較穩(wěn)定，但是波長逐漸增大，存在一些與激光器的模式躍變相關的突然波動。另一方面，圖3說明第一激光器組合件102和第二激光器組合件103的光源波長的一個例子，其中存在明顯的布拉格共振(在約1063納米)。由圖3中可知，由于在相匹配波長λ φ發(fā)生布拉格共振，導致從波長轉換裝置40發(fā)生背反射，使得兩種激光器二極管組合件都經(jīng)歷了顯著的不穩(wěn)定性。因此，要避免背反射，應當以一定的方式對波長轉換裝置40進行設計和制造，使得在相匹配波長λ φ不會發(fā)生布拉格共振，或者使布拉格共振明顯最小化。如上所述，本發(fā)明的具體實施方式
一般涉及波長轉換裝置40的制造，從而使從波長轉換裝置40到半導體激光器10的背反射最小化。更具體來說，本發(fā)明的發(fā)明人已經(jīng)認識到，對波長轉換裝置40的相匹配波長λ φ的理想極化周期A1進行變化或中斷，將確保在激光器相匹配波長λ φ對布拉格共振曲線進行改變或最小化。因此，從波長轉換裝置40 到激光器10的背反射明顯最小化。根據(jù)本發(fā)明的一些實施方式，應當識別所需的相匹配波長λ φ。如上所述，相匹配波長λ φ是激光器在波長轉換裝置以最大轉換效率轉換信號頻率時發(fā)射的信號的激光波長。由于非線性光學材料在輸入波長(即，基波長)和轉換波長(即，二次諧振波長)的折射率略有不同，隨著光傳播通過波長轉換裝置，如上所述，輸入和轉換波長的相位變得不匹配。兩種波長發(fā)生破壞性的干涉，從而從波長轉換裝置輸出轉換程度非常小的光。但是，通過在SHG晶體(如PPLN)中以理想極化周期A1引入多個相移疇，能實現(xiàn)具有明顯增大的強度的輸出信號。 以理想極化周期Λ工，在發(fā)生任何破壞性的干涉之前，使得傳播通過波長轉換裝置的光的相位反轉180°，因此只存在建設性的干涉，隨著光通過波長轉換裝置的長度，轉化的波長的強度增大。相匹配波長λ φ的理想極化周期A1可以由下式確定
權利要求
1.一種制造波長轉換裝置的方法，該波長轉換裝置包含非線性光學材料，輸入面，輸出面，以及從輸入面延伸到輸出面的波導區(qū)域，該方法包括識別波長轉換裝置的相匹配波長λ Φ，其中，當該波長轉換裝置以大約最大轉換效率轉換輸入信號的頻率時，相匹配波長λ φ對應于激光器發(fā)射的輸入信號的激光波長； 確定波長轉換裝置的相匹配波長λ φ的理想極化周期A1 ；和通過在波導區(qū)域內引入按順序定位的疇使非線性光學材料極化，這些疇具有隨機變化的疇寬，這些疇寬由理想極化周期A1加或減中斷值限定，使得布拉格共振以及相應的從以隨機變化的疇寬極化的波長轉換裝置到激光器的光的背反射比以理想極化周期A1極化的非線性光學材料的布拉格共振和背反射至少小一個數(shù)量級；和以隨機變化的疇寬極化的波長轉換裝置的輸入信號轉換效率是最大轉換效率的至少一半。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述中斷值小于或等于約0.1微米。
3.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述按順序定位的疇的平均寬度約等于理想極化周期A115
4.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述理想極化周期A1等于3.3微米，所述中斷值等于0. 1微米，使得按順序定位的疇的疇寬在3. 2,3. 3和3. 4微米隨機變化。
5.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述波長轉換裝置經(jīng)過設計，使得入射在波長轉換裝置的輸入面上的輸入信號的頻率翻倍。
6.如權利要求1所述的方法，其特征在于，通過電子束掃描、施加電場、或在非線性光學材料的生長過程中對非線性光學材料進行誘導極化。
7.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述非線性光學材料包括鈮酸鋰。
8.—種制造波長轉換裝置的方法，所述波長轉換裝置包含非線性光學材料，輸入面，輸出面，以及從輸入面延伸到輸出面的波導區(qū)域，該波導區(qū)域包括第一個半個波導區(qū)域和第二個半個波導區(qū)域，該方法包括識別波長轉換裝置的相匹配波長λ Φ，其中，當該波長轉換裝置以大約最大轉換效率轉換輸入信號的頻率時，該相匹配波長λ φ對應于激光器發(fā)射的輸入信號的激光波長； 確定波長轉換裝置的相匹配波長λ φ的理想極化周期A1 ；和通過在波導區(qū)域內誘導形成多個按順序定位的疇，使非線性光學材料極化，這些疇包括多個理想極化疇和一個或多個非理想極化疇，其中該非理想極化疇的寬度由理想極化周期A1加或減不連續(xù)值限定，該理想極化疇的寬度由理想極化周期A1限定； 其中對該不連續(xù)值進行選擇，使得由第二個半個波導區(qū)域反射的光的相位與由第一個半個波導區(qū)域反射的光的相位相反；和以非理想極化疇極化的波長轉換裝置的輸入信號轉換效率是最大轉換效率的至少一半。
9.如權利要求8所述的方法，其特征在于，對所述不連續(xù)值進行選擇，使得
10.如權利要求8所述的方法，其特征在于，所述不連續(xù)值大約比理想極化周期A1小一個數(shù)量級。
11.如權利要求8所述的方法，其特征在于，所述非理想極化疇定位于非線性光學材料內波導區(qū)域的中點。
12.如權利要求8所述的方法，其特征在于，所述不連續(xù)值約等于0.122微米。
13.如權利要求8所述的方法，其特征在于，所述理想極化周期A1約等于3.3微米，所述非理想極化疇的疇寬約等于3. 422微米。
14.一種波長轉換裝置，其包含非線性光學材料，輸入面，輸出面，以及從輸入面延伸到輸出面的波導區(qū)域，該波導區(qū)域包含多個按順序定位的疇，這些疇具有隨機變化的疇寬，這些疇寬由理想極化周期A1加或減中斷值限定，其中理想極化周期A1建立相匹配波長λ φ，在該相匹配波長處，波長轉換裝置以最大轉換效率轉換激光器發(fā)射的輸入信號的頻率；和中斷值小于理想極化周期A1，使得布拉格共振以及相應的從以隨機變化的疇寬極化的波長轉換裝置到激光器的光的背反射比以理想極化周期A1極化的非線性光學材料的布拉格共振和背反射小至少一個數(shù)量級；和具有隨機變化的疇寬的波長轉換裝置的輸入信號轉換效率是最大效率的至少一半。
15.如權利要求14所述的波長轉換裝置，其特征在于，所述中斷值小于或等于約0.1微米。
16.如權利要求14所述的波長轉換裝置，其特征在于，所述按順序定位的疇的平均寬度約等于理想極化周期K10
17.如權利要求14所述的波長轉換裝置，其特征在于，所述理想極化周期A1等于3.3 微米，所述中斷值等于0. 1微米，使得所述按順序定位的疇的疇寬在3. 2、3. 3和3. 4微米隨機變化。
18.一種波長轉換裝置，其包含非線性光學材料，輸入面，輸出面，以及從輸入面延伸到輸出面的波導區(qū)域，該波導區(qū)域包括第一個半個波導區(qū)域和第二個半個波導區(qū)域，該波導區(qū)域包含多個按順序定位的疇，這些疇包括多個理想極化疇和一個或多個非理想極化疇；其中非理想極化疇的寬度由理想極化周期A1W或減不連續(xù)值限定，理想極化疇的寬度由理想極化周期A1限定；和不連續(xù)值小于理想極化周期A1，使得由第二個半個波導區(qū)域反射的光的相位與由第一個半個波導區(qū)域反射的光的相位相反；和以非理想極化疇極化的波長轉換裝置的輸入信號轉換效率是最大轉換效率的至少一半。
19.如權利要求18所述的波長轉換裝置，其特征在于
20.如權利要求18所述的波長轉換裝置，其特征在于，所述不連續(xù)值大約比理想極化周期A1小一個數(shù)量級。
21.如權利要求19所述的波長轉換裝置，其特征在于，所述理想極化周期A1約等于 3. 3微米，中間部分的疇寬約等于3. 422微米。
全文摘要
本發(fā)明的具體實施方式
一般涉及半導體激光器和波長轉換裝置，更具體涉及能減小從波長轉換裝置到激光器的光的背反射的波長轉換裝置及其制造方法。根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式，將包含非線性光學材料的波長轉換裝置極化成一些具有隨機變化的疇寬的疇，所述疇寬由理想極化周期ΛI加或減中斷值而限定。根據(jù)另一種實施方式，波長轉換裝置包括多個按順序定位的理想極化疇和一個或多個非理想極化疇。理想極化疇具有理想極化周期ΛI的疇寬，而非理想極化疇具有理想極化周期ΛI加或減不連續(xù)值的疇寬。
文檔編號G02F1/365GK102159756SQ200980136968
公開日2011年8月17日 申請日期2009年1月20日 優(yōu)先權日2008年8月15日
發(fā)明者J·高里爾 申請人:康寧股份有限公司