成图形极化介质材料结构和装置的制作制造方法及图纸

通过在邻近可极化介质材料如压电或铌酸锂的第一表面（６）产生一均一电位，如通过电极表面的地电位，然后邻近可极化介质材料的第二表面（８）和加一电场，其中电场按三维调制模式以一场调制级在所选足以引起可极化材料预定区内原子重排的位置进行空间调制，其中调制模式按调制参数控制。调制振幅级的控制机构可以是导电材料（１５）伸向可极化材料的突起或由将可极化材料从电极板分开的介质材料的介电常数调制变量控制。（*该技术在2015年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。本专利技术广泛用于光学系统，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。。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所示采用沉积在晶体±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，paper CThA1-1，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，Burns等[Bams等，Paper CThC3-1，Compact BlueGreen Lasers，1994，Optical Society of America，Burns等，Phot.Tech.Lett.，Vol6，p252-4，1994)最近得到了约250μm厚的LiNbO3乎板的畴反转结构。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。采用电场来极化成图形的铁电晶体以达到准晶相匹配是由Papuchon等基于x或y切割晶体衬底在1980年提出的(美国专利4,236,785)。在此专利技术中，在如图2b所示，通过在光学晶体的x或y切割面26上的光刻构造有由所要的非线性相互作用的相干长度所确定的周期的锯齿形电极结构24。加高电压跨过两电极使得电场和晶体z方向(材料自身极化方向)反平行以使周期性畴反转于该晶体衬底。这种周期性极化技术自发现以来就是用LiNbO3作晶体衬底，并由科学文献所报道(Janzen等，Integrated Photonic Research，paper TuD5-1，1992，Optical society of America]，但是由于共平面电极间的电场不能深深地穿过晶体，所反转的畴必须很浅(≤2μm)。Papuchon等也提出了在用于畴反转电极上沉积和成图形第二电极，从而使得可对准晶相匹配晶格的反转和未反转畴部分加不同电压，然后利用光电效应调谐准晶相匹的相互作用波长峰。Matsumoto等(Electron Lett.，27，p2040-2，1991)描述了在电周期性极化的LiTaO3波导中蓝光的第二谐波的产生。在将样品加热到刚刚低于居里温度约610℃时，用叉指状电极加周期性电场将z切割LiTaO3晶体衬底极化。制成的波导装置的转换效率明显低于通过+z面上离子交换得到的装置，没有对其进一步研究。Siebert等(Proc.Soc.Instr.Egn.，1362，p370-6，1991)报导了用热电效应生产电场在y切割LiNbO3表面的反转铁电微畴。一对锯齿形电极在y切割面成型沿正轴分开约6μm，周期为30μm。将该晶体加热到约100℃，由于热电效应产生跨过两电极的足够电压空间周期地反转电极间的铁电畴。但是电场未深浸入晶体。所以形成的畴只有约1μm深，以致于太浅而使相互作用的波导也不够用。Mizuuchi等(Appl.Phys.Lett.，62，p1860-2，1993)公开了一种用常用于正切割面的选择质子交换和快速热处理在x切割LiTaO3上制造周期性畴反转的技术。畴反转部分在y-z平面内以一角度向z轴倾斜。但是，在这种畴反转结构中已经呈现准晶相匹配的非线性相互作用。电场极化不限于铁电材料。Brueck等(美国专利5239407)报导了当在高温度(250℃-350℃)下对高电场(约5kV/mm)曝露在熔融二氧化硅中产生二级非线性。这种稳定的非线性认为是由于熔融的二氧化硅内在所加电场作用下离子杂质物种迁移造成的。有机聚合场材料也能加电场极化产生二级光学非线性(如美国专利5064265)。表现出二级非线性电极化率的悬枝基团作为侧链加到热塑性聚合物中。通过将聚合物加热到接近或超过其玻璃化温度，加一DC电场以在单轴向线性侧链悬枝基团的分子两极，在电场依然作用时冷却该聚合物以固定所校正的侧链分子而极化。现有技术不能提供基于准晶相匹配的产生二次谐波的产生的低价可见光源所要求的多种特征和非线性光学相互作用用的体周期性极化材料。问题在于样品之间很难再现，不适于体光学相互作用的浅反转畴，晶体衬底电击穿的破坏效应。由于公知的铁电材料的最发达技术只能用于z切割面和只产生浅的反转畴，在已有技术中，集成光波导变频装置领域基本上只是关于z切割的铁电材料。钛内扩散到LiNbO3和KTP中的钡离子交换也是同样。为得到这些材料的最大非线性光学系数，d33，泵和信号束必须沿z轴偏振，要求横向磁(TM)偏振波导方式(垂直于波导芯片的平面偏振)。但是，半导体二极管激光器，用于许多非线性光学变频相互作用最吸本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制作成图形极化介质结构的方法，包括：将第一导电材料附着在可极化介质材料第一表面；在所述可极化介质材料的第二表面相邻放置一装置，以根据所选振幅调制参数控制所述可极化介质材料内所选区域中的电场强度；和在所述第一导电材料和所述控制 装置间加一高于畴定向电位极限的有效电位以在所述可极化介质材料内产生畴的选择定向而产生所述成图形极化介质结构。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：希姆J菲尔德，大卫AG迪肯，
申请(专利权)人：杰姆法尔公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]