专利名称：非临界位相匹配的光波导材料及其制法和应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种新型复合型光波导器件及制备，这种光波导在激光倍频；特别是作为小型半导体激光器的倍频器方面的应用。
光波导分为折射率渐变型(用杂质离子扩散制备，波导与衬底为同种材料)和折射率跃变型(用外延技术制备，波导层与衬底为不同材料)。光波导用于激光倍频优点是1.对光的限制强，倍频效率高；2.可同时使用双折射与模色散补偿频率色散，扩展了有效倍频所需的位相匹配频率范围。但波导做为倍频器也有许多技术困难。最主要的困难之一是导模的有折射率Neff对光波导层膜厚度非常敏感，用模色散实现相匹配需要均匀的膜厚，一般情况下，由于制备不当造成的膜厚的微小涨落或不均匀都可能引起位相严重失配而导致倍频效率的下降。理论计算表明在1cm长的光波导中，如果有效折射率有10-4大小的起伏，就可导致倍频效率下降20％。而现有的外延制膜技术要使膜的均匀性达到这一标准仍有相当大的困难。要解决这一问题的技术方案有两种一是着手设备与工艺的进一步更新，以制备均匀性更好的光波导薄膜。二是利用外延薄膜，波导层与衬底为不同材料这一特点，选用线性极化率不同的材料的恰当组合以实现倍频过程的非临界位相匹配，使得膜厚不再成为影响位相失配的敏感参数。
本发明的目的就是用上述第二种方案，选用线性极化率不同的材料的恰当组合，制备一种在激光倍频过程中具有非临界位相匹配特征的光波导。本发明的技术解决方案是选用具有大非线性系数d13，高折射率的Ba2NaNb5O15(BNN)为外延薄膜层材料，而采用低折射率、低色散的KTiOPO4(KTP)为衬底材料，(简写成BNN/KTP)。表1列出了BNN和KTP的晶格常数与折射率，外延生长要求衬底与薄膜材料具有相同的对称性且晶格失配度要小，非临界位相匹配则要求薄膜与衬底折射率差要大，且具有特定的色散特性，以KTP为衬底，以BNN为外延落膜则能同时满足上述两项要求，膜厚一般在0.4-3μm，因而可以通过外延技术制备。表2列出了可以实现非临界位相匹配同时可以外延生长BNN/KTP波导的三种组态，目前可以用于这一波导制备常规技术包括准分子激光淀积(PLD)，金属有机化学气相淀积(MOCVD)，分子束外延(MBE)，电子束蒸发(EBV)磁控溅射(RFS)液相外延等。本发明用于制作激光倍频器件，如制造蓝绿光激光器。
本发明特点如下找到了可实用的非临界相匹配材料，且制备工艺容易控制，产品应用范围广。
以下结合附图和通过实施例使对本发明作进一步说明一.
图1，2，3分别为表2中3种组合BNN/KTP波导基频与倍频的色散曲线。图1为(001)BNN/(001)KTP对应于TEw(0.98μm)→TM2w(0.49μm)倍频的色散曲线，图中空心园线代表倍频，实心园线代表基频，二线在膜厚1.1μm处以非常接近的斜率相交，相交点为相匹配点，从图中可以看出在交点附近，薄膜厚度的涨落，造成位相失配的变化极小，图2为(100)BNN/(001)KTP的色散曲线，其倍频方式为TMw·(1.02μm)→TE2w(0.51μm)基频的零阶模，一阶、二阶、三阶模分别与倍频的一阶、三阶、五阶、七阶二组曲线分别在0.5μm，1.0μm，.1.5μm，2.0μm处完全重合。二条曲线的重合说明倍频过程中，基频与倍频相位完全匹配，不受薄膜厚度变化影响。并且各阶导模均能实现非临界位相匹配，同时参与倍频过程。图3对应于(100)BNN/(100)KTP TMw(1.02μm)→TE2w(0.51μm)倍频的色散特征，这是一个更完美的情况，几乎在任何膜厚下都可实现完全的位相匹配。
二.基频与倍频光场的空间交叠是产生有效倍频的另一个重要因素。二光场空间分布的交叠积分的平方与转换效率成正比。图4为1.1μm厚的(001)BNN/(001)KTP交叠积分变化曲线。在接近膜层的中点处，交叠积分开始下降，在1.1μm处其值仅为0.11。图5为不同膜厚条件下交叠积分变化趋势。它的大小随膜的变小呈单调增加，根据交叠积分与上述特征拟考虑采用以下两种技术方案增加交叠积分。
1.对于(001)BNN/(001)KTP波导，在300℃温度在水蒸气下退火一段时间，使H+离子扩散进波导表层诱发薄膜的上半层的自发极化反向，这样会大大增加基频与倍频光场的空间交叠(见图4中的实线)，从而提高倍频效率。
2.对于(100)BNN/(001)KTP，(100)BNN/(100)KTP两种波导不宜采用以上办法，根据图5，减小膜厚有利于交叠积分，因此波导膜厚控制在0.5μm较为适宜。
三.图2，图3非临界相匹配的波长是1.02μm，偏离这一波长，在一定的膜厚范围内，由于基频与倍频的色散曲线斜率相近，在相匹配的交点附近，位相失配对膜厚的变化仍有较大的容忍性，图1就是一个很明显的例子，(001)BNN/(001)KTP非临界相匹配的波长也为1.02μm。对于0.98μm基频输入，位相匹配对应厚度为1.1μm。但从图中可以看出，即使膜厚达1.5μm，基频与倍频二条曲线仍然非常贴近即位相失配很小。
四.膜的色散特性取决于基质材料的折射率，而基质材料的折射率又取决于材料的化学配比。BNN薄膜在实际制备过程中Na离子的占有率会随工艺条件而异，通过工艺改变Ba/Na二者的比例而改变折射率和色散特性，可以找到对应于不同波长泵浦光源的非临界位相匹配条件。这一个特点对实现近红外的半导体激光器的激光倍频特别有利。
以下通过准分子激光淀积(PLD)在KTP衬底上外延BNN单晶薄膜作为实施例加以说明。
薄膜的制备工艺图如图6所示，KrF准分子激光器1的波长为248μm，脉冲宽度为30ns。重复频率为5HZ，以纯BNN单晶做靶。激光经一长焦距透镜聚焦，经石英透镜2会聚于靶3上，衬底4与靶之间的距离3.5cm。夹角为45℃。衬底与靶都以一定转速旋转。为了得到表面平整，光学质量好的薄膜，在制备过程中衬底下置加热器5保持在较高的温度(700℃)，膜的沉积率保持在6A/min。
以上述条件制成的BNN/KTP薄膜波导经X射线分析(图7)，证明具有单晶结构，光电子能谱分析证实化学配比正常(图8)。波导参数测试证实光学均匀性好损耗低(-1.6db/cm)(图9)，是良好的光波导倍频材料。
同样，该光波导薄膜易于用其他生长工艺制备，包括MOCVD，MBE，EBV，RFS和液相外延等，此处不再一一赘述。
表1BNN a＝12.451ana＝2.326bb＝12.451anb＝2.324bc＝3.994anc＝2.221bKTP a＝12.814 na＝1.7367b＝6.404 nb＝1.7395c＝10.616 nc＝1.8305a.准正方b斜交表2
权利要求
1.一种非临界位相匹配的光波导材料，其特征是选用具有大非线性系数d13，高折射率的Ba2NaNb5O15(BNN)为外延薄膜材料而采用低折射率，低色散的KTOPO4为衬底材料，在光波导中以实现激光倍频的非临界位相匹配和激光倍频输出。
2.由权利要求1所述的光波导材料，其特征是两种材料的不同晶向的三种组态(001)BNN/(100)KTP，(100)BNN/(001)KTP，(100)BNN/(100)KTP。对应于不同组态有不同的实现非临界位相匹配的膜厚及相应的增大基频与倍频光空间交迭的技术方案与工艺。
3.根据要求1所述的制备BNN/KTP的方法，其特征是在KTP衬底上利用准分子激光淀积(PLD)，金属有机化学气相淀积(MOCVD)、分子束外延(MBE)，电子束蒸发(EBV)，磁控溅射(RFS)方法相应的的技术工艺。
4.由权利1所述的该光波导材料的应用，其特征是用于作激光倍频元器件或直接与半导体激光器的输出端相偶合制成一体化的小型可见光固体激光器。
全文摘要
一种非临界位相匹配的光波导材料，其特征是选用具有大非线性系数d
文档编号G02F1/35GK1138231SQ9511105
公开日1996年12月18日 申请日期1995年5月26日 优先权日1995年5月26日
发明者刘俊民, 朱永元, 祝世宁, 刘治国, 闵乃本 申请人:南京大学