CN101884009B - 波长转换器件及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明的特定实施方式一般涉及一种制造波长转换器件的方法。根据本方法，波长转换器件是这样制造的：提供非线性光学材料；以及对非线性光学材料进行极化以形成多个周期性反转的极化畴，这些畴是按照防回射周期Λ排列的。极化非线性材料的几何结构以及防回射周期Λ被选定，使得极化非线性光学材料的相位匹配波长λ_Φ与极化非线性光学材料的布拉格波长λ_BRAGG之差大于1nm。

Description

波长转换器件及其制造方法

优先权

本申请要求2007年10月30日提交的题为“Wavelength Conversion Devicesand Fabrication Methods For Same”的美国专利申请11/978,864的优先权。

背景技术

本发明一般涉及波长转换器件及其制造方法。更具体地讲，本发明的一些实施方式涉及一种波长转换器件的制造方法，该方法在波长转换器件内引入一极化周期(poling period)，使得相位匹配信号的波长充分地区别于布拉格波长。

发明内容

本发明一般涉及波长转换器件，比如二次谐波产生晶体(SHG)，可以按照各种方式用半导体激光器对其进行有用地配置。例如，为了说明而非限制，通过将单波长半导体激光器(比如分布反馈(DFB)激光器、分布式布拉格反射器(DBR)激光器、垂直腔面发射激光器(VCSEL)、垂直外腔面发射激光器(VECSEL)或法布里-波罗激光器)与光波长转换器件(比如二次谐波产生(SHG)晶体)组合起来，就可以配置出用于高速调制的短波长的源。通过将比如1060nm DBR或DFB激光器调谐到波长转换器件的光谱中心(该波长转换器件将该波长转换成530nm)，就可以将该波长转换器件配置成产生基频激光信号的高次谐波。然而，在这种更高次谐波发生系统中，一个重要的参数是激光器的波长稳定性。波长转换器件(比如掺MgO的周期性极化铌酸锂(PPLN))的波长转换效率强烈地取决于激光二极管和该波长转换器件之间的波长匹配。该波长转换器件的转换效率是关于波长的非常窄的函数，使得任何波长不稳定性都会产生倍频光的强度波动。

发明人已发现，对于波长稳定性而言，从波长转换器件往回反射并重新进入半导体激光器的光扮演了重要的角色。像DBR激光器这种激光器对反馈非常敏感，在反馈水平低至-60到-70dB时其波长就会变得不稳定。例如，在激光器系统中，布拉格光栅可以引起往回的反射。发明人还发现，尽管像SHG晶体这种波长转换器件可能并非故意地在DFB激光器系统中包括布拉格光栅，但是SHG晶体的主体呈现出一些周期的或接近周期的特征，比如晶体极化或与制造该晶体波导的方式相关联的其它特征。这些特征可能像不想要的布拉格光栅那样起作用，并向激光二极管产生一些显著的反馈。

考虑到在开发半导体激光源的过程中与波长匹配和稳定相关联的诸多挑战，发明人已认识到一种制造波长转换器件的方法，该方法能使从波长转换器件到半导体激光器的往回的反射达到最少，由此增大了半导体激光器波长的稳定性。

发明人已认识到，尽管本发明的概念主要是在DBR激光器的上下文中进行描述的，但是，可以预期，本文所讨论的控制方案也可以应用于各种类型的半导体激光器，包括但不限于DFB激光器、法布里波罗激光器、VCSELS、VECSELS以及许多其它类型的外部腔激光器。

根据本发明的一个实施方式，提供了一种用于制造波长转换器件的方法。根据本方法，波长转换器件是这样制造的：使非线性光学材料定形；以及对非线性光学材料进行极化以形成多个周期性反转的极化畴(poling domain)，这些畴是按照防回射周期Λ排列的。经极化的非线性光学材料的几何结构以及防回射周期Λ被选定，使得在工作温度范围中，经极化的非线性光学材料的相位匹配波长λ_Φ与经极化的非线性光学材料的布拉格波长λ_BRAGG之差大于1nm。

根据本发明的另一个实施方式，提供了一种用于制造波长转换器件的方法。根据该方法，制造一种波长转换器件，使得在波长转换器件的任何可能的折射率组合的情况下(这包括更高阶模式和交叉极化)，相位匹配波长λ_Φ永远不等于布拉格波长λ_BRAGG。

附图说明

在与附图相结合的情况下，可以对本发明的特定实施方式的详细描述作最佳的理解，其中相似的结构是用相似的标号来表示的，其中：

图1是光学地耦合到光波长转换器件的DBR或相似类型半导体激光器的示意图；以及

图2和3示出了作为DBR激光器中的增益电流的函数的发射波长的演变情况。

具体实施方式

在图1中，DBR激光器10光学地耦合到包括非线性光学材料的光波长转换器件40。如熟悉激光器设计的技术人员所理解的那样，DFB激光器是使用栅格或相似结构的谐振腔激光器，该栅格或相似结构被蚀刻到半导体材料中成为反射介质。DBR激光器是这样的激光器，其中蚀刻出的布拉格光栅与半导体激光器的电子泵浦区域物理地分开。另一方面，法布里波罗激光器不具有波长选择部分，因此，产生多个波长。为了使法布里波罗激光器按单模工作，必须将波长选择部件引入光路之中，以朝着二极管反射一些光并使波长稳定。这种功能是这样实现的：在周期性极化铌酸锂(PPLN)晶体波导的一部分之上集成一布拉格光栅。预计到，这些和其它类型的激光器可以被用于本发明。

半导体激光器10所发射的波长为λ₀的输入光信号可以被直接地耦合到波长转换器件40中，或者可以通过准直与聚焦光学设备20、30或其它类型的合适的光学元件或光学系统进行耦合。波长转换器件40将半导体激光器10所发射的输入光信号波长λ₀转换成更高次的谐波。此类配置特别用于从波长较长的半导体激光器中产生波长较短的激光束，并且可用作激光投影系统的可见激光源。输入光信号λ₀可以包括可见光、红外光、近红外光和紫外光的波长。

图1将波长转换器件40显示成一种非线性二次谐波发生器(SHG)晶体。波长为λ₀且频率为ω₀的输入光信号被传递到波长转换器件10的输入面中，并且沿着光路朝着输出面传播。该光路是光在波长转换器件内所行走的任何路径。倍频2ωX的输出光信号从波长转换器件40的输出面中出射。例如，通过将比如1060nm DBR或DFB激光器调谐到波长转换器件40的光谱中心(该波长转换器件将该波长转换成530nm)，就可以将该波长转换器件40配置成产生基频激光信号的高次谐波。

尽管波长转换器件40产生了其频率是原始光信号频率的两倍的信号，但是这些信号是彼此异相的。例如，在波长转换器件40的输入面附近所产生的二次谐波光信号将与波长转换器件的输出面附近所产生的二次谐波光信号异相。为了在波长转换器件中所产生的二次谐波光信号之间获得相长的相位匹配，使用了准相位匹配。通过在非线性材料中引入周期性反转的极化畴，就可以实现准相位匹配。极化包括使波长转换器件的晶轴取向周期性地反转，以便确保红外光和可见光在沿着波长转换器件传播时保持几乎同相。通过在每一个畴处引入相位移动，所得的相位校正被实现。适用于SHG晶体的非线性光学材料可以包括但不限于PPLN、周期性极化钽酸锂(PPLT)以及周期性极化磷酸氧钛钾(PPKTP)。可以通过许多工艺将上述极化包括到波长转换器件40中，这些工艺包括电子束扫描、施加电场或晶体生长。

图1所示波长转换器件40的波长转换效率取决于半导体激光器10和波长转换器件40之间的波长匹配。当激光器10的输出波长偏离波长转换器件40的波长转换带宽时，波长转换器件40中所产生的更高次谐波的输出功率就急剧地下降。

发明人已经认识到，在解决半导体激光器的发射波长不稳定的过程中存在诸多挑战，这种不稳定是从波长转换器件到半导体激光器的往回的反射所导致的。在将激光器10(比如DBR激光器)用作光源且将PPLN晶体用作波长转换器件40以便于倍频的应用中，期望光不被回射且不往回耦合到激光二极管中。外腔反馈会使激光波长变得非常不稳定。波长转换器件40的转换效率对波长变化是非常敏感的。结果，反馈会使倍频后的功率有显著的波动。

另外，在非线性倍频等应用中，具有最高可能的功率(几百毫瓦)的激光二极管被要求实现足够大的转换效率。在单模激光器中实现这种高功率的一种方式包括使激光器前端面的反射率减小到尽可能低的程度，以使激光腔内的功率密度达到最小。然而，减小前端面反射率的缺点在于，这使激光器对往回的反射更敏感。低至-60到-70dB的反馈振幅足以开始产生一些波长不稳定性。

波长转换器件40内的像布拉格的光栅会引起到激光器10的显著反馈。这些像布拉格的光栅源自波长转换器件40的极化和折射率。当DBR或DFB激光器10被用于对波长转换器件40进行泵浦时，激光二极管自身包括布拉格光栅。在这种情况下，波长转换器件40并未有意地包括布拉格光栅。然而，SHG和其它相似的晶体具有因极化过程而导致的固有的且不想要的布拉格光栅。例如，在极化过程中，可能将局部应力引入到波长转换器件40中，而这可能会导致折射率变化。另外，极化过程所导致的任何剩余电压可能对极化区域和非极化区域产生不同的折射率。晶体的非完美的局部反转可能在结构中产生散射中心。这些周期的散射结构可能按照与折射率变化布拉格光栅相似的方式来产生谐振。波长转换器件40内的布拉格谐振引起了显著的往回的反射，并且在激光器10中产生了不稳定性。

发明人已认识到，从波长转换器件40往回反射的功率是相位匹配波长λ_Φ的函数(该相位匹配波长是发生最佳非线性转换时激光器10的波长)，还是波长转换器件40的布拉格谐振的波长(布拉格波长λ_BRAGG)的函数。当相位匹配波长λ_Φ显著不同于布拉格波长λ_BRAGG时，往回反射的量是可忽略的，并且激光器10保持稳定。然而，当激光器10的波长匹配于布拉格波长λ_BRAGG时，往回的反射突然增大，并且激光器二极管变得不稳定。多种谐振情况可能会突然出现，因为在波长转换器件中传播的不同电磁模式上发生了谐振。

图2和3示出了往回的反射对激光器稳定性的影响。图2示出了作为激光器10的增益部分中的电流的函数的源波长(约1060nm)。实线100对应于第一激光二极管组合件(package)，虚线101对应于第二激光二极管组合件。激光器的波长保持相对稳定，尽管与激光器的模式跳变相关联的一些突然的波动使波长有逐渐的增大。另一方面，图3示出了第一激光器组合件102和第二激光器组合件103的源波长经调节之后接近于布拉格谐振(约1063nm)。如图3所示，这两个激光二极管组合件经历了从波长转换器件40往回的反射所导致的显著的不稳定，这是因为源波长接近于布拉格波长λ_BRAGG所导致的。因此，为了避免往回的反射，波长转换器件40必须被设计和制造成在相位匹配波长λ_Φ处不出现布拉格谐振。

如上所述，本发明的特定实施方式一般涉及一种波长转换器件的制造过程，能使从波长转换器件40到半导体激光器10的往回的反射达到最少。更具体地讲，发明人已认识到，改变波长转换器件的极化周期将确保布拉格波长λ_BRAGG显著不同于激光波长。

为了确保稳定的波长操作，可以选择波长转换器件40的设计参数，使得布拉格反射发生时的波长离相位匹配波长λ_Φ非常远。波长转换器件40的设计参数包括极化周期以及在输入频率(或波长)处的前向和后向传播有效折射率。必须选择波长转换器件的极化周期，并且按照防回射周期Λ将这种极化周期引入到波长转换器件40中，使得布拉格波长λ_BRAGG与相位匹配波长λ_Φ显著地不同。相位匹配波长λ_Φ是下列参数的函数：防回射周期Λ；在输入频率(或波长)处的前向传播有效折射率η_F；以及在输入频率(或波长)处的后向传播有效折射率η_B。布拉格波长λ_BRAGG是下列参数的函数：防回射周期Λ；转换后频率有效折射率η_2υ；以及输入频率有效折射率η_IN。

更具体地讲，

布拉格波长λ_BRAGG被定义成：

λ_BRAGG＝Λ(η_F+η_B)/k；并且

相位匹配波长λ_Φ被定义为

λ_Φ＝2Λ(η_2υ-η_IN)

其中

Λ是极化非线性光学材料的防回射周期；

η_F是在输入频率处极化非线性光学材料的前向传播有效折射率；

η_B是在输入频率处极化非线性光学材料的后向传播有效折射率；

η_2υ是极化非线性光学材料的转换后频率有效折射率；

η_IN是极化非线性光学材料的输入频率有效折射率；以及

k是正整数。

因此，必须选择防回射周期，使得上面两个方程彼此不相等。发明人已认识到，布拉格波长λ_BRAGG与相位匹配波长λ_Φ之差应该大于1nm。为了确定布拉格波长λ_BRAGG与相位匹配波长λ_Φ需要被分开多少，应该考虑工作温度。当该系统工作在大工作温度下时，重要的是，确保布拉格波长λ_BRAGG与相位匹配波长λ_Φ在整个温度范围中保持分开的状态。在大多数周期性极化晶体中，发明人已认识到，布拉格波长λ_BRAGG的热敏度显著地不同于相位匹配波长λ_Φ的热敏度。结果是，这两种波长在室温下可以被分开，但是在更高或更低的温度下无法被分开。下面的公式显示了在整个温度范围中需要匹配的条件：

ABS((λ_BRAGG+dλ_B/dt*(T-T_AMB))-(λ_Φ+dλ_Φ/dt*(T-T_AMB)))＞1nm

其中

dλ_B/dt是单位为nm/C°的布拉格波长λ_BRAGG的热敏度，

dλ_Φ/dt是单位为nm/C°的相位匹配波长的热敏度，

T是温度，以及

T_AMB是环境温度。

作为示例而非限制，通过将该公式用于在室温下1060nm处工作的PPLN晶体，并假定-20C°到+65C°是工作温度，室温下的布拉格波长λ_BRAGG应该大于1063.3nm或小于1056.9nm。对于上述布拉格波长λ_BRAGG公式中所有的折射率组合，这一条件都应该匹配。

上述相位匹配波长λ_Φ和布拉格波长λ_BRAGG方程中的各种折射率代表了波长转换器件40中的有效折射率。多个情况都应该被考虑，以覆盖所有可能的谐振波长。波长转换器件40是相对较大的，并且波长转换器件40的芯和包层之间的折射率对比也是很大的。因此，可以完全或部分地引导多个模式。因为多个模式以不同速度在波长转换器件40中传播，所以每个模式具有不同的有效折射率。因为布拉格谐振可以产生一些模式混合，特别是如果通过散射效应产生了布拉格，则所有可能的有效折射率的组合都应该被考虑。

另外，布拉格谐振也可以产生一些极化耦合，尤其是如果布拉格谐振是通过散射而产生的时候。当使用双折射材料(比如PPLN)时，重要的是，也要考虑寻常和异常折射率的折射率组合，两者可能显著地不同。因此，在确定布拉格波长λ_BRAGG时，所有前向和后向传播模式所对应的有效折射率的所有可能的组合以及所有的极化方向都应该被考虑。

就可能产生布拉格反射的周期特征而言，多个参数都应该被考虑。要考虑的第一周期是晶体极化周期，对于在1060nm处工作的PPLN晶体而言，该晶体极化周期产生了间隔约为40nm的多个布拉格谐振。

然而，在一些其它的情况下，晶体的极化可能并非完全是周期的。因为目前的制造限制，极化必须被选定在多个分立的值之间，这些值是一微米的十分之一的倍数(例如，6.5/6.6/6.7...微米)。当期望得到特定的波长时，有时候有必要选择介于两个可用的值之间的周期。为了实现该目的，一种公知的方法包括使用伪周期极化。作为示例而非限制，为了产生具有6.55微米的等价周期的极化，通过6.5+6.6微米的重复就可以实现该极化，这种6.5+6.6微米的重复给出了6.55微米的平均值。就布拉格谐振而言，要考虑的周期是13.1微米。所得的影响是布拉格谐振之间的距离除以因子2，这使得很难避免使布拉格波长λ_BRAGG与相位匹配波长λ_Φ相等。作为示例，当PPLN晶体在1060nm处工作时，对于纯周期极化而言，多个布拉格谐振被分隔开20nm，而非传统的40nm。

要考虑的另一个参数与形成波长转换器件40或使波长转换器件40定形的方式相关联。例如，当使用激光消融技术对非线性光学材料进行定形时，就可以产生因制造过程而得到的周期结构。激光消融包括使脉冲激光在材料上进行扫描，以产生波长转换器件40的边缘。这种方法可以产生一种周期结构，其周期是由扫描速度乘以脉冲的周期而给出的。该周期可以通过稍稍修改激光脉冲周期或扫描速度而很容易地被修改。因此，调节与接近周期的特征相关联的布拉格谐振是相对简单的。

在设计包括PPLN晶体的波长转换器件40的过程中，根据这些规则，优化的第一步在于，固定波导的几何结构和材料以及极化周期，以满足期望的波长处的相位匹配。基于这些参数，所有组合所对应的布拉格谐振的位置均被证实。更具体地讲，在530nm附近优化的绿光激光器的情况下，看起来寻常和异常折射率之间的组合给出了一个太接近于激光器的1060nm波长的布拉格谐振。

优化的下一步包括：选择其它参数，比如波导几何结构、波导折射率对比或极化周期以及标称波长，以确保相位匹配波长λ_Φ与布拉格波长λ_BRAGG之间有足够的分离。注意到，第一次迭代的结果可以被用作第二次迭代的输入。通过了解布拉格谐振的位置，可以确定IR中的多个模式的精确的有效折射率。此外，通过了解相位匹配波长λ_Φ，可以推断出倍频波长中的折射率。基于该数据，有可能准确地确定如何改变这些参数以避免布拉格谐振。一旦波导几何结构与折射率对比被选定，则期望仅修改极化周期以及相位匹配波长λ_Φ，以满足期望的布拉格谐振条件。

应该理解，先前的描述旨在提供一种概述或框架，以便理解本发明的本质和特征。对于本领域的技术人员而言，很明显，在不背离本发明的精神和范围的情况下可以对本发明做出各种修改和变化。由此，本发明旨在覆盖这些修改和变化，只要它们落在所附的权利要求书及其等价方案中就可以。

注意到，在本文中，像“较佳地”、“共同地”和“典型地”等术语并不旨在限制本发明的范围或暗指某些特征对于本发明的结构和功能而言是关键性的、必不可少的或很重要的。相反，这些术语仅仅旨在凸显本发明特定实施方式中可以使用或不使用的备选或额外的特征。此外，注意到，提到数值、参数或变量是另一个数值、参数或变量的“函数”不应该被视为意指该数值、参数或变量仅是一个数值、参数或变量的函数。

为了描述并限定本发明，注意到，本文用“基本上”一词来表示任何定量比较、值、测量、或其它表示固有的不确定性。术语“基本上”也用在本文中，表示量化表示的程度，例如，“基本上在零之上”与“零”是不同的，应该被解释成要求该量化表示与所声称的参考值相差一个可辨识的数量。

Claims (5)

1.一种制造波长转换器件的方法，所述方法包括：

使非线性光学材料定形成用于限定输入面、输出面和光路的几何结构，所述光路从输入面延伸至输出面；以及

对所述非线性光学材料进行极化，以形成多个周期性反转的极化畴，这些畴是按照防回射周期Λ排列的，其中

经极化的非线性光学材料的几何结构以及防回射周期Λ被选定，使得在工作温度范围中，经极化的非线性光学材料的相位匹配波长λ_Φ与经极化的非线性光学材料的布拉格波长λ_BRAGG之差大于1nm，

布拉格波长λ_BRAGG是下列参数的函数：经极化的非线性光学材料的防回射周期Λ，经极化的非线性光学材料的前向传播有效折射率η_F，以及经极化的非线性光学材料的后向传播有效折射率η_B，

相位匹配波长λ_Φ是下列参数的函数：经极化的非线性光学材料的防回射周期Λ，经极化的非线性光学材料的转换后频率有效折射率η_2υ，以及经极化的非线性光学材料的输入频率有效折射率η_IN。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

布拉格波长λ_BRAGG被定义成

λ_BRAGG＝Λ(η_F+η_B)/k；以及

相位匹配波长λ_Φ被定义为

λ_Φ＝2Λ(η_2v-η_IN)；

其中

Λ是经极化的非线性光学材料的防回射周期；

η_F是在输入频率处经极化的非线性光学材料的前向传播有效折射率；

η_B是在输入频率处经极化的非线性光学材料的后向传播有效折射率；

η_2υ是经极化的非线性光学材料的转换后频率有效折射率；

η_IN是经极化的非线性光学材料的输入频率有效折射率；以及

k是正整数。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

在工作温度范围中，相位匹配波长λ_Φ与布拉格波长λ_BRAGG之差是通过下式计算的：

ABS((λ_BRAGG+dλ_B/dt*(T-T_AMB))-(λ_Φ+dλ_Φ/dt*(T-T_AMB)))＞1nm

其中

dλ_B/dt是单位为nm/℃的布拉格波长λ_BRAGG的热敏度，

dλ_Φ/dt是单位为nm/℃的相位匹配波长的热敏度，

T是温度，以及

T_AMB是环境温度。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

防回射周期Λ被选定，使得对于入射到波长转换器件的输入面上的大约介于760nm和1250nm之间的输入光信号而言，经极化的非线性光学材料的相位匹配波长λ_Φ与经极化的非线性光学材料的布拉格波长λ_BRAGG之差大于1nm。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

防回射周期Λ被选定，以使从波长转换器件到半导体激光器的像布拉格光栅这类回射达到最少。

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