[发明专利]成图形极化介质材料结构和装置的制作

说明书

本发明涉及从可极化材料制造成图形极化介质结构和装置，特别是周期性极化的介质结构以及结合周期性极化结构的装置的技术。本发明广泛用于光学系统，特别是非线性光学系统，如信频器，光参量振荡器和放大器，光学波导等等。

非线性光学相互作用所选的铁电材料为LiNbO3，LiTaO3，和KTP。一般说来通过内扩散和热处理，如对这三种材料分别进行Ti内扩散，质子交换和Ba内扩散而产生铁电畴反转。在LiNbO3和LiTaO3中，这些极化技术在可极化材料中生成浅畴，只适用于浅波导相互作用。为得到和模的最大重叠和最佳装置效率，畴反转晶格应为带垂直畴壁的矩形。但是，在LiNbO3中，钛内扩散工艺(美国专利5,036,220)产生三角形畴倒转晶格，而在LiTaO3中，质子交换和600℃左右热处理(美国专利5,249,191)产生半圆形畴。这些畸形的、非矩形的畴降低了所要求的非线性相互作用的效率。

在KTP中，由Ba扩散产生的反转畴(美国专利5,157,754，Van der Poel等，Appl.Phys.Lett.，57(20)，p2074-6，1990)由于这种扩散工艺的各向异性，得到带垂直侧壁的矩形。但是比较浅：它们可用于波导相互作用，但对块应用不特别有效。对KTP畴反转工艺的附加处理是对畴反转进行与形成光波导的常用的离子交换相同的步骤。尽管这意味着只需一个加工步骤制造这种装置(而不是分别进行畴反转和波导构造工艺)，但它同时意味着波导和畴反转尺寸不能独立选择最佳条件以取得最大效率。为得到周期性反转畴图形，形成由交替指示离子交换区和不指示不交换晶体构成的分节波导。应用不同的畴反转工序，如电场诱导极化，可将上两个构造过程分开从而可以独立优化。

已有技术中的畴反转工艺仅限于只适用于相互作用波导的较浅表面特征的构造。[除了Magel等(Magel et al Appl.Phys.Lett 56(2)，p108-10,1990)所述的由激光加热的座生长技术长成的LiNbO3周期性极化纤维例外。但是，这种周期性极化纤维不能控制畴的尺寸和边界的位置到保证长度大于3mm的长样品的相匹配的程度]。对于更高功率的相互作用，如高功率变频和脉冲激光系统，由于发生波导时晶体前面上产生的强度远超过了材料损坏极限，波导装置不适用。为避免非浅性晶体的物理损伤，必须缓和高功率射线束聚焦。对此时所用的周期性极化材料来说，大块晶体接缝处的极化要非常均匀。需要一种能对铁电材料进行大块周期极化的畴反转工艺。

Yamada等对LiNbO3的电场诱导极化(美国专利5193023)提供了一种得到最大效率的垂直壁畴化结构和适用于所有铁电材料的相互作用的准晶相匹配的准极化的可能性。Yamada等描述了如图2a所示采用淀积在晶体±z表面上的成图形金属电极22并结合应用脉冲高电压20。该高电压脉冲超过了晶体的矫顽场而在金属电极下产生畴反转。但是，经常的破坏性电击穿依然是一个问题，使这种极化技术还远不能用于装置的制造。科学文献上对电场极化方面工作的报导(Yanada等，APl.Phys.Lett.，62(5)，p435-6，1993，Yamada等，ASSL and Blue Green Lasers 1993，paperCThA1-1，Optical Society of America]于电击穿的破坏效果仅限于100μm厚的晶体衬底。对大块晶体的应用需要更大的孔径。

紧随Yamada等的努力，Bums等[Bams等，Paper CThC3-1，Compact Blue GreenLasers，1994，Optical Society of America，Burns等，Phot.Tech.Lett.，Vo16，p252-4，1994)最近得到了约250μm厚的LiNbO3平板的畴反转结构。但是电击穿仍是一个问题，光刻成图形金属电极不能很好地限定反转畴的宽度，从而明显地降低了装置效率。