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Die Erfindung bezieht sich auf eine optische Komponente zur
Frequenzerhöhung einer Grundwelle optischer elektromagnetischer Strahlung, wobei diese
Komponente ein Substrat aufweist sowie einen nicht-linear optischen Wellenleiter mit
einer Brechzahl höher als die des Substrats, wobei zwischen voneinander
abweichenden Moden der Grundwelle und einer höheren harmonischen Welle durch modale
Dispersion für untereinander verschiedenen Moden Phasenanpassung auftritt.
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Die Erfindung bezieht sich ebenfalls auf ein optoelektronisches
Element zur Frequenzerhöhung elektromagnetischer Strahlung mit einer derartigen
Komponente.
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Unter Frequenzerhöhung wird Frequenzverdoppelung sowie eine
Erhöhung der Frequenz um einen Faktor ungleich zwei verstanden.
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Frequenzverdoppelung wird mit viel Vorteil in Geräten wie Laserdruckern und Lesern
und in optischen Geräten zum Auslesen und/oder Einschreiben eines optischen
Informationsträgers, weil damit die Informationsdichte in diesem Träger gesteigert werden kann.
Die Frequenzerhöhung um einen Faktor nahezu gleich zwei kann durch
Zusammenfügung von Strahlung zweier Strahlungsquellen erfolgen, wobei die erhöhte Frequenz
der Summenfrequenz der Einzelfrequenzen der von den Strahlungsquellen
ausgesendeten Strahlung entspricht.
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Bei Frequenzverdoppelung elektromagnetischer Strahlung in einem
Wellenleiter aus nicht-linear optischem Material pflanzen sich die Grundwelle und die
in dem nicht-linear optischen Material erzeugte zweite harmonische Welle sich mit
unterschiedlicher Geschwindigkeit fort.
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Dieser Geschwindigkeitsunterschied tritt erst auf, nachdem ein Teil der
Gundwelle in eine höhere harmonische Welle umgewandelt ist. Dadurch werden Teile
der höheren harmonischen Welle, die an verschiedenen Stellen längs der Komponente
zwischen diesen Teilen auftreten kann, mit der Folge einer Löschung der in der
Frequenz erhöhten Strahlung.
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Zwecks einer effizienten zweite-Harmonische-Erzeugung sollen die
Phase der Gundwelle und die Phase der zweiten harmonischen Welle aneinander
angepaßt werden. Dies bedeutet, daß die effektiven Brechzahlen des nicht-linear
optischen Materials für die Grundwelle und die zweite harmonische Welle einander
entsprechen sollen. Mit anderen Worten: die Brechzahldifferenz Δn = nωeff - nωeffsoll
gleich Null sein. Darin ist nωeef die effektive Brechzah; für die Grundwelle und nωeff die
effektive Brechzahl für die zweite Harmonische. Eine derartige Phasenanpassung wird
jedoch erschwert durch den Phasenverlauf, der infolge der Wellenlängendispersion in
dem Material, dessen Brechzahl mit der Wellenlänge sich ändert, auftritt. Dadurch
schwankt die Intensität der zweiten harmonischen Welle um einen relativ niedrigen
Wert herum über die Länge des Wellenleiters.
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In der Veröffentlichung: "Non linear integrated optics" von G. I.
Stegeman und C. T. Seaton in J. Appl. Phys. 58 (12), 1985 wird ein Wellenleiter der
eingangs erwähnten Art beschrieben, wobei Phasenanpassung dadurch erfolgt, daß die
Wellenlängendispersion mit Hilfe modaler Dispersion aufgehoben wird.
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In der obengenannten Veröffentlichung wird Phasenanpassung durch
eine geeignete Wahl der Schichtdicke der strahlungsleitenden Schicht erreicht, so daß
β(2ω) = 2β(ω) ist, wobei β die Fortpflanzungskonstante ist und ω und 2ω die
Frequenz der Grundwelle bzw. der zweiten harmonischen Welle ist. Außer der
Schichtdicke des optischen nicht-linear Materials ist auch die Brechzahl dieses Materials für
die Grundfrequenz und die höhere harmonische Frequenz von Bedeutung. Eine
optische Welle besteht aus verschiedenen (m) Moden, die bei einem bestimmten
Brechzahlprofil je eine andere Feldverteilung Fm haben und eine andere effektive Brechzahl
neff,m erfahren, wobei die effektive Brechzahl mit zunehmender Größenordnung
abnimmt. Für Phasenanpassung sollen die effektive Brechzahl für die selektierte Mode
der Grund-welle und die effektive Brechzahl für die selektierte Mode der zweiten
harmonischen Welle einander entsprechen. Durch eine geeignete Wahl des Materials und
der Dicke der strahlungsleitenden Schicht wird die zweite harmonische Welle sich in
einer höheren Grösenordnung fortpflanzen als die Grund-welle (nωeff,i = n2ωeff,j j > i)
und kann erreicht werden, daß die Wellenlängendispersion durch die modale
Dispersion genau ausgeglichen wird.
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Ein Nachteil dieses Phasen-Anpassungsverfahrens ist die relativ
geringe Effizienz der zweite-Harmonische-Erzeugung. Diese Effizienz ist zu dem Ausmaß,
in dem die Feldverteilungen der Grundwelle und der zweiten harmonischen Welle
einander überlappen proportional und wird durch das sog. Überlappungsintegral
bestimmt. Wenn die Größenordnungen der selektierten Moden der Grundwelle und
der zweiten harmonischen Welle verschieden sind, wie dies bei Phasenanpassung
durch modale Dispersion der Fall ist, ist der Wert des Überlappungsintegrals im
Allgemeinen sehr klein und die Effizienz gering. Außerdem müssen für eine derartige
Phasenanpassung, weil die Intensität der zweiten harmonischen Welle sehr stark
abhängig ist von der Schichtdicke, an diese Schichtdicke sehr strenge Anforderungen
gestellt werden, so daß strenge Anforderungen an diese Schichtdicke gestellt werden,
so daß die frequenzerhöhende Komponente schwer herstellbar und teuer ist.
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Es ist nun u. a. eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine
frequenzerhöhende Komponente und ein optoelektrisches Element mit einer derartigen
Komponente zu schaffen, in der Phasenanpassung mittels modaler Dispersion erfolgt,
wobei Frequenzerhöhung mit einer wesentlich größeren Effizienz erfolgt, ohne daß dabei
strenge Anforderungen in Bezug auf die Schichtdicken erfüllt werden sollen.
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Der erfindungsgemäße Wellenleiter weist dazu das Kennzeichen auf,
daß sich auf wenigstens einer Seite der Wellenleiters eine Satellitenschicht befindet,
die eine höhere Brechzahl hat als der Wellenleiter und deren Dicke kleiner ist als die
des Wellenleiters.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß durch die
gegenseitige Anpassung der Feldverteilungen der Grundwelle und der in der Frequenz erhöhten
Welle die Überlappung zwischen der Mode der Grundwelle und der Mode der zweiten
harmonischen Welle, zwischen denen infolge modaler Dispersion Phasenanpassung
auftritt, vergrößert werden kann und daß diese Anpassung dadurch verwirklicht
werden kann, daß eine zusätzliche Schicht hoher Brechzahl angebracht wird.
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Eine erste Ausführungsform der optischen Komponente weist weiterhin
das Kennzeichen auf, daß auf einer zweiten Seite des nicht-linear optischen
Wellenleiters eine zweite Satellitenschicht vorgesehen ist, wobei diese zweite Schicht eine
höhere Brechzahl hat als der Wellenleiter.
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Diese symmetrische Ausführungsform des Wellenleiters hat den
Vorteil, daß eine höhere Frequenzerhöhungseffizienz möglich ist als in dem Fall einer
einzigen Satellitenschicht.
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Bei Verwendung spezifischer nicht-linear optischer Materialien, wie
beispielsweise eines organischen Polymers, kann das Anbringen der zweiten
Satellitenschicht auf der Schicht aus nicht-linear optischem Material in der Praxis zu
Problemen führen, weil dieses Anbringen unter hohen Temperaturen erfolgen muß. In
diesen spezifischen Fällen wird eine Ausführungsform mit nur einer Satellitenschicht,
die sich unter der frequenzerhöhenden Schicht befindet, bevorzugt.
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In dieser asymmetrischen Ausführungsform werden die
Feldverteilungen der Grundwelle und der höheren harmonischen Welle und damit auch die Moden
dieser Wellen für die das Überlappungsintegral maximal ist, anders sein als in der
symmetrischen Ausführungsform.
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Die optische Komponente kann ein Planarleiter sein, dessen
Abmessungen quer zu der Fortpflanzungsrichtung der Strahlung und in einer Ebene parallel
zu den jeweiligen Schichten nicht wesentlich kleiner sind als die Abmessung in der
Fortpflanzungsrichtung. Die erfindungsgemäße optische Komponente weist jedoch
vorzugsweise das weiter Kennzeichen auf, daß sie als Kanalleiter ausgebildet ist.
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An sich ist bekannt, daß durch Verwendung eines Kanalwellenleiters
statt eines planaren Wellenleiters infolge der Einschließung der Welle in dem Kanal
die Leistungsdichte wesentlich gesteigert werden kann. Dadurch wird der Ertrag an
zweite-Harmonische-erzeugter Strahlung wesentlich zunehmen.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der optischen Komponente nach der
Erfindung weist das Kennzeichen auf, daß das nicht-linear optische Material ein
Polymer ist.
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Eine derartige Polymerschicht ist in dem Artikel: "Poled polymer for
frequenzcy doubling of diodelaser" in Apll. Phys. Lett Vol 58(5), 4. Februar, Seiten
435 -7 beschrieben worden. Dort wird aber Löschung der in der Frequenz
verdoppelten Strahlung nicht durch die die oben beschriebene Phasenanpassung vermieden,
sondern durch die sog. Quasi-Phasen-Anpassung, die dadurch erreicht wird, daß die
frequenzerhöhende Schicht eine periodische räumliche Modulation der Nicht-Linearität
aufweist. Diese Periodizität kann dadurch erhalten werden, daß während der
Herstellung der Schicht das elektrische Feld, mit der das Polymer gepolt wird, periodisch
moduliert wird.
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Ein Polymer hat den Vorteil, daß es ein Material ist, das eine relativ
niedrige Brechzahl hat und in einer dünnen Schicht aufgetragen werden kann. Die
relativ niedrige Brechzah; bietet eine große Wahl in Bezug auf das Material für die
Satellitenschichten.
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Die erfindungsgemäße optische Komponente weist vorzugsweise das
weitere Kennzeichen auf, daß die Satellitenschicht aus Si&sub3;N&sub4; besteht.
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Die Verwendung von Si&sub3;N&sub4; bietet den Vorteil, daß die vollständige
Struktur der Komponente mit Hilfe von Standard-Silizium-Technologie hergestellt
werden kann.
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Die Erfindung schafft auch ein optoelektronisches Element zur
Frequenzerhöhung einer Grundwelle elektromagnetischer Strahlung, wobei dieses
Element einen Träger aufweist, auf dem sich ein Diodenlaser befindet zum Erzeugen der
elektromagnetischen Strahlung, und eine optische Komponente, in der die
Frequenzerhöhung stattfindet, mit dem Kennzeichen, daß die optische Komponente eine
Komponente ist, wie oben beschrieben, und daß die aktive Schicht des Diodenlasers und die
Schicht der Komponente, in der die Grundwelle sich fortpflanzt, fluchtend liegen,
wobei die Austrittsfläche des Diodenlasers und die Eintrittsfläche der Komponente
einander gegenüberliegen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt
und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
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Fig. 1 eine schematische Darstellung eines optoelektronischen
Elementes mit einer erfindungsgemäßen optischen Komponente,
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Fig. 2a, 2b, 2c und 2d die Feldverteilungen der jeweiligen Moden in
einer symmetrischen planaren optischen Komponente ohne Satellitenschichten,
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Fig. 3a und 3b die Feldverteilungen der Mode der Grundwelle nullter
Ornung und der Mode der zweiten harmonischen Welle erster Ordnung für eine
optische Komponente ohne Satellitenschichten,
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Fig. 4 einen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel einer optischen
Komponente nach der Erfindung mit einer einzigen Satellitenschicht mit dem
zugeordneten Brechzahlprofil,
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Fig. 5a und Sb die Feldverteilungen der Mode der Grundwelle und der
Mode der zweiten Ordnung der zweiten harmonischen Welle für eine optische
Komponente mit nur einer Satellitenschicht,
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Fig. 6 einen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel einer optischen
Komponente nach der Erfindung mit zwei Satellitenschichten mit dem zugeordneten
Brechzahlprofil,
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Fig. 7a und 7b die Feldverteilungen der nullten Mode der Grundwelle
bzw. der Mode zweiter Ornung der zweiten harmonischen Welle für die in Fig. 6
dargestellte Komponente,
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Fig. 8 einen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel einer optischen
Komponente nach der Erfindung mit zwei Satellitenschichten und zwei
Mantelschichten,
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Fig. 9 und Fig. 10 einen Schnitt durch je eine Ausführungsform einer
optischen Komponente nach der Erfindung mit nur einer Satellitenschicht, wobei die
Komponente als Kanalwellenleiter ausgebildet ist,
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Fig. 11 einen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel einer
erfindungsgemäßen optischen Komponente mit zwei Satellitenschichten, wobei die Komponente
als Kanalwellenleiter ausgebildet ist,
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Fig. 12 einen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel einer
erfindungsgemäßen optischen Komponente ausgebildet als Kanalwellenleiter, erhalten durch
Verwendung örtlicher Oxidation von Silizium (LOCOS),
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Fig. 13 und 14 einen Schnitt durch je ein Ausführungsbeispiel einer
erfindungsgemäßen Komponente, ausgebildet als Kanalwellenleiter nach den Fig. 10
und 11, mit Streifen hoher Brechzahl neben dem Kanal, die sich in lateraler Richtung
erstrecken,
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Fig. 15 die Abhängigkeit von ∂Δn/∂λ, den Wert des
Überlappungsintegrals Sij und die Dicke der Polymerschicht dNLO als Funktion der Satellitenschicht für
Phasenanpassung bei 850 nm in einer Struktur, wie in Fig. 4 dargestellt, und
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Fig. 16 die Leistung P2ω der zweiten harmonischen Welle in arbiträren
Einheiten, als Funktion der Wellenlänge λ der Grundwelle für eine Komponente mit
gleichartigen Parametern wie die in Fig. 4 dargestellte Komponente.
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Fig. 1 zeigt schematisch ein optoelektronisches Element 1 zur
Frequenzerhöhung elektromagnetischer Strahlung. Ein derartiges Element 1 kann bei vielen
optischen Geräten, wie Laserdruckern, Scannern und bei Geräten zum Auslesen
und/oder Einschreiben eines optischen Informationsträgers benutzt werden. Durch
Erhöhung, beispielsweise Verdoppelung der Frequenz der von einer Strahlungsquelle
gelieferten primären Strahlung kann die Größe des Abtastfleckens bei diesen Geräten
verringert, beispielsweise halbiert werden, so daß die Auflösung dieser geräte erhöht
wird, beispielsweise verdoppelt, wodurch die Dichte der Information, die mit diesen
geräten ausgelesen und/oder geschrieben werden kann, erhöht wird. Insbesondere für
ein "schreibendes" Gerät, wie einen Laserdrucker oder ein Einschreibegerät für
optische Aufzeichnungsträger ist es von bedeutung, daß die in der Frequenz erhöhte
Strahlung genügend Leistung hat, so daß die Frequenzumwandlung mit einer
ausreichend hohen Effizienz erfolgen soll. Mit dieser Effizienz wird gemeint: der
Quotient aus der Leistung der in der Frequenz erhöhten Strahlung und der Leistung der
primären Strahlung. Als Beispiel wird nachstehend nur von Frequenzverdoppelung die
Rede sein.
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Das optoelektronische Element 1 besteht aus einem Träger 3, auf dem
sich eine Strahlungsquelle 5, beispielsweise ein Diodenlaser, befindet zum Erzeugen
der elektromagnetischen Strahlung. Der Diodenlaser 5 ist über Elektroden 6, 8 mit
einer Stromquelle 10 verbunden. Wenn über die Elektroden 6, 8 ein elektrischer
Strom durch den Diodenlaser gesendet wird, wird in der aktiven Schicht 12 auf
elektromagnetische Weise Strahlung mit einer Grundwellenlänge λ erzeugt. Weiterhin
befindet sich auf dem Träger 3 eine optische Komponente 7, in der
Frequenzverdoppelung der von der Strahlungsquelle 5 erzeugten Strahlung stattfindet. Eine derartige
Komponente 7 besteht aus einem Trägermaterial 9, dem sog. Substrat, beispielsweise
Silizium, mit der Brechzahl n&sub1;, auf der ein Wellenleiter 11 aus nicht-linear optischem
Material mit einer Brechzahl n&sub2; angebracht ist, wobei n&sub2; > n&sub1; ist. Auf dem
Wellenleiter kann eine Mantelschicht 13 mit einer Brechzahl n&sub3; angebracht werden, wobei n&sub3; <
n&sub2; ist. Sollte das Substrat Silizium sein, so wird in der Praxis darauf noch eine
Siliziumoxidschicht (SiO&sub2;) angebracht sein um das von Natur aus absorbierende
Substratmaterial optisch von den übrigen Schichten zu trennen. Wenn aber die SiO&sub2;-Schicht
dick genug ist, kann das Substrat nur aus dieser Schicht gebildet sein.
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Der Diodenlaser S und die Komponente 7 sind auf dem Träger 3 derart
gegenüber einander ausgerichtet, daß die aktive Schicht 12 des Diodenlasers S und die
Schicht der Komponente 7, in der die Grundwelle sich fortpflanzt, fluchtend sind. Auf
diese Weise wird, wenn die Elemente 5 und 7 dicht beisammen vorgesehen sind, d. h.
in einem Abstand in der Größenordnung von um, von dem Diodenlaser 5 herrührende
Strahlung effizient eingekoppelt in die Komponente 7, in der danach
Frequenzverdoppelung stattfindet.
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Bekanntlich ist eine Anforderung einer effizienten
Frequenzverdoppelung, daß die Grundwelle der elektromagnetischen Strahlung und in der
frequenzverdoppelnden Schicht die in der Frequenz verdoppelte Welle sich gleichphasig
zueinander fortpflanzen. Ein Phasenunterschied führt zu einem relativ kleinen Ertrag in der
Frequenz verdoppelter Strahlung infolge destruktiver Interferenz zwischen den an
verschiedenen Stellen längs des Wellenleiters erzeugten zweiten harmonischen Wellen.
Weil die effektive Brechzahl des Materials des Wellenleiters 11 von der Wellenlänge λ
abhängig ist, die zu der Frequenz f der Welle umgekehrt proportional ist, tritt in dem
Wellenleiter 11 Wellenlängendispersion auf. Das heißt, daß die Grundwelle mit der
Wellenlänge λ und die zweite harmonische Welle mit der Wellenlänge λ/2 sich mit
verschiedenen Geschwindigkeiten fortpflanzen, wodurch die zwei Wellen periodisch
gegenphasig sind.
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Damit man dennoch die gewünschte Phasenanpassung erhält, wurde
bereits vorgeschlagen, die in dem Wellenleiter 11 auftretende sog. modale Dispersion
zu benutzen. Je nach der Geometrie eines Wellenleiters kann eine optische Welle sich
dadurch verschiedenartig, d. h. nach verschiedenen Moden, fortpflanzen. In Fig. 2a ist
eine Wellenleiterschicht und ihre Umgebung durch ein Brechzahlprofil schematisch
dargestellt. Die Dicke der Schicht ist also 2a. In den Fig. 2b, 2c und 2d sind die
Feldverteilungen der Moden nullter Ordnung, erster Ordnung bzw. zweiter ordnung einer
Welle, beispielsweise der Grund-welle, dargestellt. Jede dieser Moden weist eine
andere Feldverteilung Fm auf und erfährt eine andere effektive Brechzahl neff,m. Je höher die
Ordnung der Mode, nach der die Welle sich fortpflanzt, ist, umso kleiner wird die
effektive Brechzahl für diese Welle. Die Bedingung für Phasenanpassung ist, daß die
effektiven Brechzahlen für die Grundwelle und die zweite harmonische Welle einander
entsprechen oder Δn = nωeff - n2ωeff = 0. Dadurch wird die zweite harmonische Welle in
einer höheren Ordnung sich fortpflanzen als die Grund-welle. Durch eine geeignete
Wahl der Materialien und der Schichtdicke der planaren Wellenleiterstruktur kann
dafür gesorgt werden, daß diese Grundbedingung für Phasenanpassung erfüllt wird.
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Ohne weiter Maßnahmen ist jedoch die Effizienz der
Frequenzverdoppelung in dieser Wellenleiterstruktur relativ niedrig und für die Praxis unzureichend.
Diese Effizienz ist nämlich zu dem Ausmaß, in dem die Feldverteilungen der
Grundwelle und der zweiten harmonischen Welle einander überlappen, proportional. Das
Ausmaß der Überlappung Sij wird, wie beschrieben in dem Buch "Nonlinear optical
properties of organic molecules and crystals" von D. S. Chemla und J. Zyss, Academic
Press, 1987, Seiten 426-427, gegeben durch das sog. Überlappungsintegral:
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in dem das Integralgebiet von -1 bis +a die Dicke des Wellenleiters 11 ist und Fjω die
Feldverteilung der Grundwelle und Fj2ω die Feldverteilung der zweiten harmonischen
Welle darstellen. Der Wert dieses Überlappungsintegrals ist jedoch relativ gering für
die Überlappung zwischen Feldverteilungen von Wellen mit verschiedenen Moden,
wie diese bei Phasenanpassung mit Hilfe modaler Dispersion erforderlich sind.
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Fig. 3a zeigt die Feldverteilung der Mode nullter Ordnung der
Grunswelle und Fig. 3b zeigt die feldverteilung der Mode erster Ordnung der zweiten
harmonischen Welle. In dieser und gleichartigen folgenden Figuren ist auf der
horizontalen Achse der Abstand, in dem Wellenleiter 11, von dem Substrat 9 aufgetragen und
darüber das Brechzahlprofil längs dieser Abstandsachse, während in der vertikalen
Richtung die Quadrate der Feldverteilungen in arbiträren Einheiten aufgetragen sind.
Wie aus diesen Figuren hervorgeht, ist das Überlappungsintegral in diesem Fall sogar
gleich Null.
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Nach der vorliegenden Erfindung wird eine dünne hohe
Brechzahlschicht 15, eine sog. Satellitenschicht, zwischen wenigstens dem Substrat 9 und dem
Wellenleiter 11 der Komponente 7 vorgesehen, wobei die Schicht mit dem
Wellenleiter 11 in direktem Kontakt ist. Fig. 4 zeigt im Schnitt eine derartige Komponente mit
dem zugeordneten Brechzahlprofil. Durch das Vorhandensein einer Satellitenschicht
15 werden die Feldverteilungen der Grundwelle und der zweiten harmonischen Welle
derart beeinflußt werden, daß die Überlappung zwischen den Feldverteilungen der zur
Frequenzerhöhung erforderlichen Moden und folglich die Effizienz der
Frequenzerhöhung zunimmt, während zugleich Phasenanpassung auftritt. Die Fig. 5a und Sb
zeigen die feldverteilung der Mode nullter Ordnung der Grundwelle und die der Mode
erster Ordnung der zweiten harmonischen Welle beim Vorhandensein einer
Satellitschicht.
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Ein Vergleich der Fig. 5a und Sb mit den Fig. 3a bzw. 3b zeigt, daß die
maximale Feldverteilung F&sub0;ω zur Satellitenschicht hin verschoben ist, während eine
der Keulen den Feldverteilung F2ω&sub1; abgeschwächt ist und das Maximum der anderen
Keule zu der Satellitenschicht hin verschoben ist. Dadurch wird unter Beibehaltung
der Phasenanpassung der Wert des Überlappungsintegrals und damit die Effizienz der
Frequenzverdoppelung vergrößert.
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Fig. 6 zeigt eine Ausführungsform der Komponente, in der auch
zwischen dem nicht-linear optischen Wellenleiter 11 und der Mantelschicht 13 eine
Satellitenschicht 17 vorgesehen ist. Durch das Vorhandensein der zweiten
Satellitenschicht 17 sind die Feldverteilungen der Moden namentlich der zweiten harmonischen
Welle anders als die Feldverteilungen in der Komponente ohne Satellitenschicht,
sowie anders als die feldverteilungen in der Komponente nach Fig. 4. Die
Feldverteilungen Fω&sub0; und F2ω&sub2; der Mode nullter Ordnung der Grundwelle bzw. der Mode zweiter
Ordnung der zweiten harmonischen Welle in der Komponentenach Fig. 6 sind in den
Fig. 7a und 7b dargestellt. Weil es die zweite satellitenschicht gibt, ist die
Feldverteilung Fω&sub0; gegenüber der Mitte des Wellenleiters 11 symmetrisch, dies im Gegensatz zu
der Situation in Fig. 4. Die zwei negativen Teile der Feldverteilung F2ω&sub2; sind im
vergleich zu der Fig. 2d wesentlich abgeschwächt und das Maximum der feldverteilung
F2ω&sub2; liegt in der Mitte des Wellenleiters 11. Dadurch liegt die Feldverteilung F2ω&sub2; fast
völlig inerhalb der von Fω&sub0;, so daß die Effizienz der Frequenzverdoppelung relativ
hoch ist und im Prinzip höher als die in der Komponente nach Fig. 4 unter
Beibehaltung der Phasenanpassung.
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In den Komponenten nach den Fig. 4 und 6 kann zwischen dem
Substrat 9 und der Satellitenschicht 15 eine Mantelschicht 16, entsprechend der und mit
dersleben Aufgabe wie die Mantelschicht 13 angebracht sein, wie in Fig. 8 für die
Ausführungsform mit zwei Satellitenschichten dargestellt ist. Im letzteren Fall ist die
gesamte Komponente symmetrisch im Bau. In der Ausführungsform nach Fig. 8 kann
die Mantelschicht 13 fortgelassen werden, wobei das angrenzende Medium,
beispielsweise Luft, die Funktion übernimmt. Auch dann kann eine gute Überlappung der
Feldverteilung und Fω&sub0; und F2ω&sub2; erhalten werden, wenn die Satellitenschicht 17 etwas
dicker gemacht wird als die Schicht 17 in Fig. 8, beispielsweise 100 nm statt 75 nm.
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In allen Ausführungsformen kann zwischen dem Substrat 9 und der
nächsten Schicht bzw. der Mantelschicht oder einer Satellitenschicht eine Schicht SiO&sub2;
vorgesehen sein, um das von Natur aus absorbierende Substrat von den übrigen
Schichten optisch zu isolieren.
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Für den Wellenleiter 11 können mehrere zu diesem Zweck bekannte
nicht-linear optische Materialien verwendet werden, insofern diese in relativ dünnen
Schichten angebracht werden können und insofern diese eine ausreichend niedrige
Brechzahl haben, so daß dazu Satellitenschichten mit einer wesentlich höheren
Brechzahl verfügbar sind. Ein durchaus geeignetes Material für den Wellenleiter 11 ist das
gepolte Polymer der Zusammensetzung 25/75 MSMS/MMA, das in dem Artikel
"Poled polymers for frequency doubling of diodelasers" in Appl. Phys. Letters Heft
58(5), 4 Febr. 1991, Seiten 435-7 beschrieben ist. Dieses Polymer hat eine relativ
niedrige Brechzahl, 1,52 für eine Wellenlänge von 800 nm und 1,56 für eine Wellenlänge
von 400 nm und kann in einer relativ dünnen Schicht von beispielsweise 750 nm
angebracht werden. Bei Verwendung dieses oder eines gleichartigen Polymers wird
vorzugsweise die Ausführungsform nach Fig. 4 verwendet, weil sich darin keine
Satellitenschicht über der Polymerschicht befindet. Das Anbringen eines Satellitenschicht
soll im Allgemeinen bei hoher Temperatur erfolgen, so daß beim Anbringen einer
derartigen Schicht auf einer Polymerschicht diese letztgenannte Schicht angegriffen
werden kann.
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Etwaige Materialien für Satellitenschichten sind beispielsweise Si&sub3;N&sub4;,
AIN, Nb&sub2;O&sub5; und TiO&sub2;. Diese Materialien haben gegenüber den üblichen nicht-linear
optischen Materialien eine ausreichend hohe Brechzahl, in der Größenordnung von
1,8, lassen sich gut ätzen und können auf relativ einfache Art und Weise in dünnen
Schichten angebracht werden. Von diesen Materialien wird Siliziumnitrid (Si&sub3;N&sub4;)
bevorzugt, weil bei Verwendung dieses Materials zur Herstellung der Komponente die
Standardtechnologie zur Herstellung von Silizium-Halbleiterstrukturen, wie ICs,
angewandt werden kann.
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Bisher wurde vorausgesetzt, daß die optische Komponente ein sog.
planarer Wellenleiter ist. Die Erfindung kann auch bei einem sog. Kanalwellenleiter
angewandt werden, bei dem die Strahlung nebst in einer ersten Richtung, der
vertikalen Richtung in den Fig. 4, 6 und 8, auch in einer zweiten Richtung, der sog. lateralen
Richtung, die senkrecht auf der ersten Richtung und auf der Fortpflanzungsrichtung
steht, innerhalb eines sehr engen Gebietes eingeschlossen ist. Im Allgemeinen hat ein
Kanalwellenleiter gegenüber einem planaren Wellenleiter den Vorteil einer hohen
Energiedichte.
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Im Falle eines Kanalwellenleiters mit einer Satellitenschicht aus einem
der obengenannten Materialien kann mit Vorteil diejenige Eigenschaft benutzt werden,
daß diese Materialien gut ätzbar sind. Der Kanal kann dann durch Ätzung der
Satellitenschicht erhalten werden.
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Dabei kann der Hauptteil der Oberfläche der Si&sub3;N&sub4;-Schicht bis zu einer
bestimmten Tiefe weggeätzt werden, so daß die obere Fläche dieser Schicht eine Rippe
20 aufweist, wie in Fig. 9 dargestellt. Diese Figur zeigt den Kanalwellenleiter im
Schnitt quer zu der Fortpflanzungsrichtung der Strahlung. Es ist auch möglich, daß nur
ein schmaler Streifen des Substrats 9 weggeätzt wird, so daß die Oberfläche des
Substrats eine schmale Rille 21 hat, wie in Fig. 10 dargestellt.
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Im Allgemeinen läßt sich ein Kanalwellenleiter dadurch verwirklichen,
daß auf der Satellitenschicht eine Rippe angebracht wird und/oder daß in einer der
Schichten mit einer niedrigeren Brechzahl als die der Satellitenschicht eine Rille
angebracht wird. Fig. 11 zeigt eine der möglichen Ausführungsbeispiele.
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Wie in Fig. 10 dargestellt, kann ein Kanalwellenleiter dadurch erhalten
werden, daß zunächst in dem Substrat 9 eine Rille 21 geätzt wird und daß danach
darauf die hohe Brechzahlschicht 15 und die nicht-linear optische Schicht 11
angebracht werden.
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Entsprechend dem in der bereits eingereichten, nicht
vorveröffentlichten Europäischen Patentanmeldung Nr. 91202606.9 beschriebenen Verfahren kann ein
Kanalwellenleiter auch durch Anwendung der sog. lokalen Oxidation von Silizium
(LOCOS)-Technologie erhalten werden. Dabei wird auf einem Siliziumsubstrat, ggf.
bereits mit einer dünnen Siliziumoxidschicht versehen, ein Materialstreifen
angebracht, der nahezu keinen Sauerstoff durchläßt. Durch örtliche Oxidation des
Siliziums, wobei an der Stelle des Streifens die Oxidation gebremst wird, entsteht unterhalb
des Streifens eine Rille in dem Siliziumoxid. Auf dem Substrat mit der Rille 24
kön
nen dann wieder eine hohe Brechzahlschicht 15 und eine nicht-linear optische Schicht
11 angebracht werden, wie in Fig. 12 dargestellt ist.
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Der Vorteil der Anwendung der LOCOS-Technik ist, daß die Rille 24
in der Siliziumoxidschicht 23 sehr glatte Wände hat, wodurch es weniger
Strahlungsverlust gibt als in dem Fall einer geätzten Rille.
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Wenn der Streifen aus einem Material mit hoher Brechzahl besteht, wie
Si&sub3;N&sub4;, braucht der Streifen, nachdem die Rille gebildet ist, nicht mehr weggeätzt zu
werden, sondern er kann als hohe-Brechzahl-Satellitenstreifen wirksam sein.
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Die in der genannten Europäischen Patentanmeldung beschriebenen
Ausführungsformen der optischen Komponente zur Frequenzerhöhung können mit
einer Schicht hochbrechenden Materials nach der vorliegenden Erfindung versehen
werden.
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Wegen der Struktur, die ein Kanalwellenleiter auch in der genannten
zweiten Richtung aufweist, treten in diesen Wellenleitern im vergleich zu einem
planaren Wellenleiter zusätzliche Effekte auf. Bei einer Breite W der Rippe oder der Rille
20, 21, die der Größenordnung der Dicke des nicht-linear optischen Wellenleiters 11
nahezu entspricht, beispielsweise für W ∼ 5 um, tritt zusätzliche modale Dispersion
auf. Dies läßt sich durch Anpassung der Brechzahl der Satellitenschicht(en) 15, 17
ausgleichen. Für sehr schmale Rippen oder Rillen, beispielsweise W ∼ 5 um, kann es
sich herausstellen, daß diese Korrektur nicht ausreicht. In dem Fall können in dem
Kanalwellenleiter außer dem Wellenleiterkanal Streifen aus hochbrechendem Material,
die sich in lateraler Richtung erstrecken, vorgesehen werden. Die Fig. 13 und 14
zeigen Kanalwellenleiter der Art nach den Fig. 10 und 11 und mit derartigen Streifen 25
und 26.
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Die zur Frequenzverdoppelung erforderliche Phasenanpassung kann
jedoch nur über ein beschränktes Wellenlängengebiet beibehalten werden, und zwar
einerseits wegen der Wellenlängenabhängigkeit der Brechzahlen der Materialien und
andererseits der modalen Dispersion. Die Wellenlänge der in der Frequenz zu
verdoppelnden Strahlung soll innerhalb des Akzeptationsbandes der nicht-linear optischen
Komponente liegen. Unter dem Akzeptationsband wird das Wellenlängenband der
Strahlung um eine Nenn-Wellenlänge herum gemeint, das von dem nicht-linear
optischen Medium auf effiziente Weise in der Frequenz erhöht werden kann. In
Allgemeinen ist dieses Akzeptationsband relativ schmal, typisch in der Größenordnung von
0,25 nm, wodurch an den Diodenlaser relativ hohe Anforderungen gestellt werden
können.
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Die wichtigensten Anforderungen dabei sind:
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1) Das Wellenlängenband der von dem Diodenlaser ausgesendeten Strahlung soll
innerhalb der Akzeptationsbandbreite der nicht-linear optischen Komponente liegen.
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Diese Anforderung beschränkt den Ertrag brauchbarer Diodenlaser
wesentlich. Außerdem erschwert eine geringe Akzeptationsbandbreite den Gebrauch
gepulster Diodenlaser, da derartige Diodenlaser eine typische Emissionsbandbreite von 5
nm haben. Wegen der höheren Effizienz und Stabilität werden gepulste Diodenlaser
gegenüber kontinuierlich betriebenen Diodenlasern bevorzugt.
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2) Die Emissionswellenlänge des Diodenlasers soll sehr stabil sein, so daß diese
Wellenlänge immer innerhalb der Akzeptationsbandbreite der nicht-linear optischen
Komponente liegt. Dies bedeutet, daß das Ausgangsspektrum des Diodenlasers sich
nicht ändern darf.
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Auch diese letzte Anforderung kann in der Praxis schwer erfüllt
werden, weil dazu der Diodenlaser sowie das nicht-linar optische Medium sehr genau,
beispielsweise auf 0,5ºC genu in der Temperatur stabilisiert werden muß, weil das
Verhalten des Diodenlasers sowie des genannten Mediums stark temperaturabhängig
sind.
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Wenn das Ausgangsspektrum des Diodenlasers sich dennoch ändert
und die Strahlung eine andere Wellenlänge erhält, tritt kaum noch Strahlung mit
verdoppelter oder erhöhter Frequenz aus dem nicht-linear optischen Medium heraus,
wodurch die Komponente unwirksam geworden ist.
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Die Akzeptationsbandbreite kann dadurch vergrößert werden, daß dafür
gesorgt wird, daß wenn die Brechzahldifferenz Δn = nωeff - n2ωeff für die Nenn-
Wellenlänge, für die Phasenanpassung auftritt, gleich Null ist, dieser Wert beui
Ände
rung der Wellenlän Gate-Elektrode der der Komponente angebotenen Strahlung auch
beibehalten wird, daß folglich gilt:
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wobei neff und n2ωeff Funktionen der Brechzahlen für die Grundwelle bzw. die zweite
harmonische Welle und der Dicke des nicht-linear optischen Wellenleiters ind der
Satellitenschicht(en) sind.
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Dadurch, daß nur eine oder zwei Satellitenschichten angebracht
werden, verschieben sich, wie oben dargelegt, das Maximum der Feldverteilung der
Grundwelle einerseits und das Maximum der Feldverteilung der zweiten harmonischen
Welle andererseits nach verschiedenen Schichten, so daß ein zusätzlicher Freiheitsgrad
erhalten wird, wodurch es möglich wird, die obenstehende Bedingung zu erfüllen.
Denn, wie beispielsweise aus Fig. 5 hervorgeht, ist beim Vorhandensein einer
Satellitenschicht die Grundwelle um die Satellitenschicht 15 zentriert.
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In dem Wellenlängengebiet um die Nenn-Wellenlänge der Grundwelle
herum ist die relativ hohe Brechzah; des Materials der Satellitenschicht nur wenig
wellenlängenabhängig. Da die Dicke der satellitenschicht relativ gering ist, wird die
grundwelle nicht völlig in diese Schicht passen und sich hauptsächlich außerhalb
derselben fortpflanzen. Dadurch ist die effektive Brechzahl für die Grundwelle nur
wellenlängenabhängig über die Wellenlängendispersion, die in den die Satellitenschicht
umgebenden Schichten auftritt und nicht über die der Satellitenschicht.
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Je nachdem die Satellitenschicht dicker ist, wird derjenige Teil der
Grund-welle, der sich außerhalb der satellitenschicht fortpflanzt, abnehmen und wird
die Wellenlängenabhängigkeit der Grundwelle von den die satellitenschicht
umgebenden Schichten kleiner. Obenstehendes bedeutet, daß die effektive Brechzahl für die
Grundwelle nωeff hauptsächlich durch die Dicke der satellitenschicht bestimmt wird.
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Wie aus Fig. 5b hervorgeht, ist die zweite harmonische Welle
hauptsächlich in dem nicht-linear optischen Wellenleiter 11 konzentriert. Der
Wellenleiter 11 ist relativ dick, beispielsweise um einen Faktor zehn dicker als die
Satellitenschicht 15, so daß die zweite harmonische Welle sich kaum außerhalb des
Wellenleiters fortpflanzt. Eine Dickenänderung des Wellenleiters wird folglich die effektive
Brechzahl für die zweite harmonische Welle kaum beeinträchtigen. Für das
Wellenlängengebiet um die Nenn-Wellenlänge der zweiten harmonischen Welle herum ist
jedoch die Brechzahl des Materials des Wellenleiters stark welenlängenabhängig.
Dadurch wird die effektive Brechzahl für die zweite harmonische Welle hauptsächlich
durch die Brechzahl des nicht-linear optischen Materials bestimmt.
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Wegen der Unterschiede in der Abhängigkeit der effektiven
Brechzahlen für die Grundwelle und die zweite harmonische Welle von der Schichtdicke bzw.
der Brechzahl der Schichten, in denen die Wellen sich fortpflanzen, ist es möglich
durch eine geeignete Wahl der Satellitenschichtdicke die Schwankung der effektiven
Brechzahl für die Grundwelle als Funktion der Wellenlänge, ∂/∂λ nωeff, auf dieselbe
Art und Weise variieren zu lassen wie die effektive Brechzahl für die zweite
harmonische Welle als Funktion der Wellenlänge ∂/∂λ n2ωeff. Auf diese Weise kann der Einfluß
einer Wellenlängenänderung auf Δn innerhalb eines relativ breiten
Wellenlängenbandes um die Nennwellenlänge der Grund-welle herum nahezu eliminiert werden.
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Diese Erkenntnis, die einen Teil der vorliegenden Erfindung bildet, ist
versuchsweise bestätigt worden. So sind beispielsweise in Fig. 15 die Ergebnisse eines
derartigen Experimentes für eine Wellenleiterstruktur mit nur einer Satellitenschicht,
wie in Fig. 14 dargestellt, die entworfen wurde für eine Grundwellenlänge von 850 nm
und in der Phasenanpassung (Δn = 0) verwirklicht ist, dargestellt. Der nicht-linear
optische Wellenleiter 11 wird durch ein Polymer der Zusammensetzung 25/75
MSMA/MMA gebildet und die Satellitenschicht besteht aus Si&sub3;N&sub4;. Die Figur zeigt
drei Kurven a, b und c mit zugeordneten vertikalen Skalenverteilungen a', b' und c' für
die erforderliche Dicke (dNLO in um) des nicht-linear optischen Wellenleiters 11,
∂Δn/∂λ (in nm&supmin;¹) und den Wert des Überlappungsintegrals Sij (in um-1/2) als Funktion
der Dicke (dsac in mm) der Satellitenschicht 15. Aus der Figur geht hervor, daß es eine
Dicke dsac gibt, etwa 107 nm, wofür ∂Δn/∂λ = 0 ist und der Wert des
Überlappungsin
tegrals ziemlich groß ist. Sij ist etwa 0,2 um-1/2. Die erforderliche Dicke für den
nichtlinear optischen Wellenleiter ist etwa 1,44 um.
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Fig. 16 zeigt die Leistung P der zweiten harmonischen Welle in
arbiträren Einheiten, als Funktion der Wellenlänge λ der Grundwelle für eine Komponente
mit gleichartigen Parametern und mit einer lateralen Länge von 10 nm, optimiert für
eine Wellenlänge λ um 900 nm herum. Daraus geht hervor, daß der Wellenleiter um
900 nm herum eine Akzeptationsbandbreite von etwa 130 nm hat. Die
Akzeptationsbandbreite ist der Abstand zwischen den beiden Punkten auf der horizontalen Achse,
wofür der Wert von P2ω die Hälfte des maximalen Wertes von P2ω ist, also FWHM. In
der Praxis ist eine Akzeptationsbandbreite von 10 nm ausreichend, so daß es für die
Dicke der Satellitenschicht eine ausreichende Toleranz gibt.
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Auch bei Verwendung anderer Materialien für den nicht-linear
optischen Wellenleiter und die Satellitenschicht und bei anderen Dicken für diese
Schichten kann die nicht-Wellenlänge-kritische Phasenanpassung verwirklicht werden.
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Die obenstehende Erkenntnis ist auch bei einer frequenzverdoppelnden
Komponente mit zwei Satellitenschichten anwendbar um auch dieser Komponenten
ein relativ breites Akzeptationsband zu verleihen.
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Daß die Erfindung anhand einer frequenzverdoppelnden Komponente
beschrieben worden ist, bedeutet keineswegs, daß die Erfindung sich auch darauf
beschränkt. Die Erfindung läßt sich auch bei optischen Komponenten anwenden, bei
denen eine Frequenzerhöhung anders als eine Verdoppelung auftritt. Dabei läßt sich an
Leiter, denen Strahlung mit zwei verschiedenen Wellenlängen zugeführt wird und in
denen Strahlung mit einer Frequenz gleich der Summe der beiden Frequenzen erzeugt
wird.
TEXT IN DER ZEICHNUNG
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Fig. 3a Phase Abstand (um)
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Fig. 3b Phase Abstand (um)
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Fig. 5a Phase Abstand (um)
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Fig. 5b Phase Abstand (um)
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Fig. 7a Phase Abstand (um)
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Fig. 7b Phase Abstand (um)
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Fig. 16 p2ω (arbiträre Einheiten)