专利名称：增强光学波导的非线性的制作方法
技术领域：
本发明涉及适于采用特定类型和特定材料的非线性光学效应的光学波长或近光学波长的波导。
本申请要求瑞典专利申请No.9302634-2(1993年8月13日)提交的优先权，该专利申请在这里作为参考资料。
玻璃光纤是一种廉价的波导介质，其可以开发来应用于非线性光学。然而，熔融石英的非线性系数与一些材料(比如半导体)相比很小。这显著地限制了光纤的应用，比如作为光学开关，这是由于为了引起光纤的性质的明显变化，控制信号的光学功率必须很高，参见“全光学波导开关”G.I.斯代格曼(Stegman)，E.M.怀特(Wright)，光学与量子电子学杂志(Opticala nd Quantum Electronies)第22(1990)期，第95-122页。这导致使用基于LiNbO，GaAs和其它材料的分立元件，见“LiNbO3的集成光学用于通信装置中的新发展“(Integrated Optics in LiNbO3Recent Developments in Devicesfor Telecommunications)，L.塞勒(Thylén)，光波技术杂志(Journal of Lightwave Tech.)第6(1988)期，第847-861页，“基于非线性光学高聚物的集成光学装置(Integrated Optic Devices Basedon Nonlinear Optical Polymers)，E.V.汤米(Tomme)，P.P温达力(Van.Daele)，R.G.柏特(Baets)，P.E.来格斯(Lagasse)，IEEE量子电子学杂志(Journal of Quantum Electronics)1991年3月第27期和“用于新型光电装置件应用的材料的物理概念II器件物理和应用”(Physical Concepts of Materials for Novel OptoelectronicDevice Applicatios IIDeviee Physics and Application)SPIE报告集(proceedings)1362(1990)，并导致寻找有较高非线性的光纤，这比如用搀杂半导体的玻璃得到的光纤，见“半导体的玻璃纤维的光学非线性和应用”(Optical Nonlinearity and Applications ofSemiconductor-doped Glass Fiber)，D.考特(Cotter)，B.J.爱斯雷(Ainslie)，M.G.伯特(Bust)，S.T.戴文(Davey)，R.J.曼宁(Manning)，CLEO′91报告文集(Proceedings)与CTuE7，92页和“高效的非线性光纤及其应用”(Efficient non-linear optical fibersand their application)，S.苏鲁(Sudo)，H.艾斯(Itoh)，光学和量子电子学杂志(Optical and Quantum Electronics)第22(1990)期，第187-212页；但是这种光纤难以制作。另一方面，随着光学通信的发展，需要有一种简单的以光纤为基础的光控耦合器。用这样的装置，可以把在光纤中传送的信号的可调整的一部分引到传送网络中的一个或几个通道中去。以光纤为基础的非线性光学耦合器也可以在逻辑门和光学晶体器件中找到重要的应用，在那里一个微弱的信号可以控制一个高功率信号的开关。
最新的技术发展导致非圆柱几何形状的玻璃纤维的制作，具体地说，所谓D-形光纤，见“带有精确控制的线芯/平面距离的D-光纤的制作和特点”(Fabrication and characterization of D-fiberswith a Range of Accurately controlled Core/Flat Distances)，1986年3月电子学杂志(Electronies Leffers)，第22期。其中，光线象在常规的光纤中那样被引导，但是电磁场一直伸展到玻璃-空气的交界面。这就提供了一个极好的机会通过损耗场使光与在D-形光纤的平面上沉积的任何材料相互作用。由于这种相互作用沿着光纤的纵向发生，所以这是一种特别有利的几何构形，它可以在非线性光学中被利用。
在多特(Dyott)的美国专利US-A4,557,551中，介绍了具有平行地位于中心结构的相对的侧面上的两根椭圆形截面的保持极化的光纤的一种非线性光纤耦合器。这个中心结构具有透镜形状的截面，它由两段相对设置的弧形段构成。这个中间结构的中心厚度比光纤的直径大几倍，是光纤线芯的直径的许多倍。另外，采用支承结构来使光纤维持在所需要的构形。该中间结构是一块具有非中心对称晶体结构的电光材料的单晶。所提到的材料是具有电绝缘子的有机型材料。所利用的物理效应是以电-光效应为基础的，该材料的折射率由于与入射光波(抽运光波)的电场的相互作用而改变。
在里兰德、斯坦福特的初级大学(Leland Stanford)董事会拥有的欧洲专利申请EP-A2 0,164,212中介绍了一种光饱和光纤吸收器。一个光纤具有一部分通过沿着平面把稍带曲率的用抛光的方法而去除包层的光纤。把一种具有非线性光吸收特性的光吸收物质，比如一种染料应用于被抛光的表面上，以使得在光纤中传播的光以可控的方式被吸收。
在如美国专利US-A4,927,223中所公布的光纤相关器中，采用了D-光纤在其平面处与一种非中心对称的材料相接触的形式，为的是得到倍频。把激光二极管连接到相对的光纤的二端部，把相同波长的光注入到D-光纤中，收集由该层发出的光可以发现来自激光二极管的信号的相关性作用。
在欧洲专利EP-A1 0,254,509中公开的光学装置中，D-光纤的平面上可以设置一个薄层，该薄层由折射率随光强度变化的材料制成。用相干光来照射该薄层的自由表面，以在该薄层中形成被调制的折射率的驻波，从而产生调制的折射率光栅。
在此，本发明公开了一种装置，它把半导体材料的高度的非线性与光纤的引导光性质结合起来。此装置可以用作一种以光纤为基础的非线性光学耦合器，该耦合器由一个较弱的光信号控制它。也可以把此装置用作一个激光器，以及用于各种其它用途。
这样，一般说来，本发明涉及一种光学装置，它包括一根带有线芯的光纤，一个所设置的薄层，该薄层厚度均匀，并平行于线芯，且与线芯隔开一个均匀的距离。该距离设置成使沿波导传播的光的损耗电磁场伸入到该薄层中。为了影响光波，该层的材料波选定为具有非线性光学性质。把波导的尺寸最好设定成只传播一个波长的光，也就是说，波导是单模的。
材料最好是在光学上均匀的，或是中心对称的，它可以对于具有所考虑的波长并适合于沿着波导传播的第一束光有一个折射率，具体地说，对于接近第一束光波长的一些波长，折射率的数值取决于第二束光，以某种方式把此第二束光安排得与材料相互作用，并且它的波长与第一束光的波长不同，使得当第二束光有变化时，材料对于第一束光的波长附近的那些波长的折射率显著地改变。具体地说，折射率的数值可以取决于第二束光的强度。
在一优选实施例中，此材料为一种带有能带间隙的半导体。上面所述的第一束光可以沿着波导传播，而可以把第二束光设置成与薄层中的半导体材料相互作用。在这种情况下，第二束光的波长可以相应于刚好超过能带间隙的一个能量值，这样使得材料中吸收有第二束光的光量子，产生一个电子-空穴对。而把第一束光的波长选定为相应于显著低于能带间隙的能量值的一个能量值，这样就基本上没有因吸收第一束光而产生的电子-空穴对。
对于该装置的尺寸，应提到的是，由该薄层到波导的线芯的距离可以比线芯的直径小，以满足使损耗场伸展进薄层的条件。薄层的厚度通常很小，以使得它可以很好地粘附在波导上，具体地说，其可以是波导线芯的直径的一小部分，更具体地说，为其直径的1/8至1/80，最好为其直径的1/16至1/80。
在一个实施例中，波导包括一第一D-光纤，它象常规光纤那样，具有一相当于一部分圆柱表面的弯曲表面，通常基本上是一个半圆柱表面，以及一个平表面。该平表面应该与D-光纤的线芯相平行，并与线芯间隔一个小距离，薄层应该设置在该平表面上。
在干涉器装置中，可以设有一个光学耦合器，如常规的那样，其在一第一侧面有第一平行端口和第二平行端口，而在一第二侧面有第一端口和第二端口。在一个侧面的两个端口可以由一根波导连接起来，且一第一光源对另一侧面上的一端口提供信号光。应该把薄层设置在连接波导的一段上，为的是控制信号光。因此，可以设置一第二光源提供控制光，并把此光引导到与薄层的材料相互作用。在第一种方案中，把第二光源设置成直接将控制光引向薄层的自由表面。在第二方案中，把第二光源设置成对耦合器的另一侧面上的一个端口提供控制光。在连接的波导中最好设置一个相位延迟器装置，它延迟来自信号光的光，为的是使得控制光以开-关方式工作，控制信号光到在耦合器的另一侧面上的两个端口之一个中。
涂覆的D-光纤所构成的装置对于某些用途可以用一第二根D-光纤来实现，它也有一个基本上半圆柱形的表面和一个平表面，例如具有与第一根光纤相同的类型。把第二根D-光纤的平表面设置成对着薄层的自由表面，这一表面与第一根D-光纤相对着。
这种双D-光纤装置可以用于耦合的目的。一第一光源提供信号光，把该光源设置成对第一根D-光纤的一第一端提供信号光。一第二光源提供控制光，使得控制光输入到第二根D-光纤的一第一端D-光纤的两个第一端最好被确定为两端，该两端使得信号光和控制光以彼此平行并且相同的方向在D-光纤的线芯中传播，但是也可以把两个第一端确定成使得信号光和控制光以相反的方向传播。D-光纤的两个第二端自然是与两个第一端相对的那些端。把两个第二端接到信号光接收和/或传输装置上。此外，可以把控制光提供给第一根D-光纤的第一端，同样的一端作为信号光。
包括有两根并列的D-光纤的结构的特点通常是除了上面开始的线芯之外，基本的波导还包括与所提到的第一根线芯平行着伸展的另一根线芯。应该把薄层置于两根线芯的相同的均匀距离上，从而使得沿着两根线芯传播的光的损耗电磁场伸展到薄层中。
在它的一个优选的具体实施例中，第一根D-光纤有两根线芯，它们彼此平行并与平表面平行，且把它们置于离平表面相同的距离上，并在D-光纤中对称。在另一个实施例中，该装置包括一种平面的结构，其中把两根线芯置于基底的平表面上。用一个与基底具有基本上相同的折射率的薄层把这一表面盖住。然后，用如上面的具有非线性光学性质的一薄层材料对该薄层进行涂覆。
这些双线芯装置可以用于进行耦合，象双D-光纤那样。
为了用作激光器，如上面所述的通常装置可以包括提供抽运光(Pump Light)的一个光源。把此光源设置成将抽运光注入到波导的一第一端，使光沿线芯传播进入靠近线芯的薄层所在的区域。选择抽运光的波长和强度，使得它能造成薄层中的材料中光的受激发射。因受激发射所产生的光可以由与波导的第一端相对的第二端指向某一个另外的装置。
至于薄层的尺寸，具体地说，在这种情况下，为了限制产生激光的范围，薄层的宽度(即相对于波导线芯的纵向而言的横向上并与波导的表面平行的方向上的尺寸)相当于线芯直径的几倍，具体地说，最多三倍于线芯直径、最少一倍于线芯直径。可以把薄层设置在波导的平表面上，或设置在波导材料的一个凹槽中，其中该凹槽与波导线芯平行着伸展。
也可以把干涉器装置描述成包括具有一第一对和一第二对光通信端口的一个耦合装置，其中在一对端口的一个端口处所接收的光脉冲信号被基本上相等地耦合进另一对端口的每个端口。它还包括与第二对端口在光学上耦合在一起的一根光学波导。该光学波导包括这样一部分，在波导中传播的光在该部分内可以感应到非线性折射率，这一部分包括有一根线芯和一片材料的波导，该片材料通常是上面提到的那种“薄层”，它与线芯隔开的距离使得沿着波导及其线芯传播的光的损耗电磁场伸展进该材料之中。这种材料应该呈现出非线性光学特性。
该片材料或“薄层”可以有一个自由表面，其设置成使得一个光源对该自由表面提供控制光，以与该材料进行相互作用。另一种可供选择的是，一个光源设置成对第一对端口的一个端口提供控制光。
通常可以把用于耦合目的的光学装置描述成包括带有两根线芯的一根波导，这两个线芯用来沿着每根线芯引导光波，其中有一片材料位于离线芯这样一段距离，即使得沿每根波导线芯传播的光的损耗电磁场伸展到该片材料中。与上面一样，该材料应该有非线性光学性质。
可以把包括这种双线芯装置的一种光学控制的耦合器系统，开关或调制系统描述成通常包括一个耦合装置，该装置有一第一对和一第二对光通信端口。它还包括向第一对端口中的一第一端口提供信号光的一第一光源和向第一对端口中的第一端口或一第二端口提供控制光的一第二光源。第二对的两个端口中的每一个端口如上面那样连接，以把信号光接收装置和/或传输装置分开。该耦合装置包括一根波导，该波导带有用来沿着每根线芯引导光的两根线芯和一片材料(上述的“薄层”)，该片材料离线芯的一段距离使得沿每根波导线芯传播的光的损耗电磁场伸展到该片材料中。象上面那样，该材料应该有非线性光学性质。
如上面提到的抽运激光器通常包括带有一个线芯的波导。它还包括一片材料或一个薄层，该片材料离线芯的距离使得沿着该波导传播的光的损耗电磁场伸展进该片材料或薄层之中。该材料应该有非线性光学性质。波导的一端适于接受来自一个光源的抽运光，而另一端适于发出在该片材料中的受激发射所产生的光。
另外在这种情况下，波导可以有一第二线芯，这样，光波可以沿着两个线芯中的任何一个传播。该片材料离两个线芯的距离使得沿着波导线芯中的每一个线芯传播的光的损耗电磁场伸展进该片材料之中。
在激光器结构中的该片材料或薄层可以有一个自由表面，它适于接收来自一个光源的抽运光。
现在参考着有关附图以及作为几个非限制性的实施例将对本发明的其他目的、结构及特点作进一步详细描述。附图中
图1表示一种部分已涂覆的D-光纤结构；图2表示在干涉仪器中使用的图1所示的光纤；图3a表示一种其间带有一个薄层的双D-光纤结构；图3b示意性地表示出用于光学耦合器中的图3a所示的结构；图4a表示出双线芯型已涂覆的D-光纤结构；图4b表示出一种带有一个非线性光学材料薄层的平面波导结构；图5a表示出用作激光器的一种部分已涂覆的D-光纤；图5b和5c表示出另外的适合于用作激光器的涂层布置；图6示意性地表示出采用一种已涂覆的D-光纤的一种激光器布置；和图7示意性地表示出采用具有两个波导线芯的结构的一种激光器布置。
单根D-光纤图1中所示出的装置包括一根D-形光纤1，该光纤有一个线芯3和一个包层5，并且在光纤的某个长度内在其平表面上涂覆有一薄层高度非线性的材料层7，这比如半导体。该涂层在光纤的纵向上的长度可以如所示出的那样相当于大约为D-光纤的外径，而在横向上涂层可以覆盖住光纤的整个平表面。然而，可以使此长度适合于具体的用途和适合于用来得到下面所要讨论的所需要的效应。D-光纤1的尺寸可以与通常的单模通信光纤相匹配，例如有约125微米的外包层直径和8-10微米的线芯直径，并且理想上也应该在感兴趣的波长是单模的。
在D-形光纤1中，线芯与平表面的距离d应该使得通过光纤1传播的光的损耗场能够与薄层7相互作用，这意谓着线芯与平面的距离d只是线芯直径的一小部分。在实际情况中，所采用的D-光纤的线芯与平面的距离d应该为几微米或更少，这就是说，线芯3到光纤1的平表面的这个距离d可以为比如说2微米的量级。
涂覆的薄层7的厚度是均匀的，并且通常远较线芯的直径要小。它的典型值可以为1微米或更小，比如说0.1-0.5微米。因为较厚的薄层由于膨胀系数不同而无法永久地粘附在D-光纤的平表面上，所以不能使用较厚的薄层。
在薄层7中所涂覆的材料可以为GaAs，InP，InGaAsP，和其它III-V族半导体，以硅和锗为基础的材料，比如无定形硅，无定形锗，碳化硅，多孔硅等等，II-IV族半导体，比如CdTe，CdS，CdSe和其混合物，以及象LiF，NaF，NaCl和其它碱金属与卤素所形成的盐。对于许多种装置的薄层来说，一种优选的材料可以是无定形硅。可以用某种通常的方法，比如某种化学气相沉积技术(CVD)对材料进行沉积，通常不必要在原地里长晶体。也可以用离子或电子束轰击或紫外光辐照(UV)的方法作进一步的加工。装置的制作也可以包括一个退火过程，在此过程中，加热被沉积的材料，然后把它冷却到环境温度，为的是改变材料的性质，比如它的载流子的复合时间。也可以把包括多个薄层的结构比如III-V族或其它半导体的单一的和多个量子阱结构沉积在光纤1的平表面上，并把这种结构作为高度非线性介质。所沉积的材料可以是无定形的，也可以是结晶态的。可以采用其它感光趣的材料，比如稀土金属的薄层。下面，我们将把薄层7认为是由半导体材料制成的，但是上述述及的所有其它材料都落在本发明的精神之内。我们将把装置称作为半导体涂覆的光纤(SCF)。
物理过程当把半导体材料，金属材料或介电材料7沉积在一个类似D-光纤1的平表面上时，在光纤1的纵向方向上传播光波的场可以伸展到材料7中去。在这种情况下，传播的光的横模取决于薄层7的材料的线性和非线性磁化率的实部和虚部。该材料的性质与光纤的参数(比如线芯3和包层5的折射率，线芯3的直径，以及线芯与平表面的距离d)一起决定了在光纤中传播的光所受到的等效折射率，色散、吸收、增益、极化特性，以及非线性效应，比如光的相位调制和频率转换。
信号光和控制光在所公开的装置的许多应用中，采用了两种波长不同的光，把它们称为“信号”光和“控制”光(相当于术语“第一种光”和“第二种光”)。通常(但不是必然的)，信号光的光子能量接近或低于把电子由价带(低移动能力)抽运到导带(较高移动能力)所必须的能量，也就是说，所沉积的材料对于信号光来说是“透明”的。另一方面，对于控制光而言，光子能量比材料的能带间隙大。作为一个例子，对于InGaAs薄层(能带间隙典型地为1.3-1.55微米)可以采用波长为0.85微米的光作为控制光。在这种情况下，吸收控制光的光子在材料中产生可以移动的电子，暂时地影响它的性质。这可以强烈地改变折射率，并且也可以通过斯达克(Stark)效应改变能带间隙。甚至通过热产生的可移动的电子也可以造成折射率的改变。
因此，通常采用这样的材料，即当材料以某种方式(例如上面由光子的吸收而产生电子-空穴对，由吸收在材料中产生的热来提高材料的温度)与控制光相互作用时，材料对于特定波长(即信号光的波长)的光学性质被改变。优选的材料是光学上均匀的，例如是无定形的，所产生的结构可以容易地且化费不大地制作出来。
干涉仪可以利用涂覆材料的折射率的改变作用开关，调制，以及对激光器进行锁模。采用象在美国专利文件US-A4,973,122和US-A4,962,987中所公布的那样的一种干涉装置可能是有利的。在这些专利中公开有一种交叉耦合的干涉仪，其中把控制光传送给耦合器的端口中的一个，并且用一个环路将两个平行的端口连接起来。入射光被分成两部分(通常有相同的功率)，由于有控制光的存在这两部分光有不同的相位移动。当把它们再结合在一起时，即使控制光的小的影响也会大大地改变发出的信号光的振幅。
可以采用的装置的一个例子示于图2，其中采用了所谓非线性环路镜结构。耦合器9在其一侧有两个平行的端口A和D，而在其另一侧有两个平行的端口B和C。把信号光Ps耦合进耦合器9的端口A，该耦合器把信号光Ps分成有大约相等功率的两部分，而传送给该耦合器的另一侧的端口B和C。图1所示的那种装置11是处在与象B一样的那些端口的一个端口相连接的一端，而装置11的另一端连接到同一侧的另一个平行的端口C上。这样，离开耦合器9的信号光的一半通过第一端口B，通过装置11传送，然后到达端口C。而另一半为首先通过端口C传送，然后经过装置11，回到端口B。然后两部分光在耦合器9处复合在一起。沿着其中一条光路(例如如图所示在连接装置11与端口C的那个光路中)可以设有一组由BT&D公司制造的光纤联结器13，它们被称为手动极化控制器。
在没有控制光时，可以把光纤联结器13调整成使得所有信号光在耦合器9上复合起来，并且通过输入端口A返回。在这种状态下，没有信号光由端口D输出，端口D就是与端口A平行并且在耦合器的同一侧的那个端口。然而，在存在控制光Pc时，例如由包括激光器14和透镜系统15的一个光源所得到的并照射到装置11的薄层的表面上的光，在涂覆的薄层中所沉积的材料的折射率被改变。对于一个给定的控制光功率，在信号光分量之间的相对相位移动可能导致所有在耦合器9上复合在一起的信号光会指向端口D。装置11在连接端口B和C的环路中的准确位置可能是重要的，特别是如果控制光是连续光、而不是脉冲光时更会是这样。
也可以由端口A和D注入控制光，来使装置11的涂层的折射率产生同样的改变。
非线性耦合器——调制器上面描述的装置采用了一个单根SCF。也可以以背靠背的布置方式用平表面把二根D-形光纤1隔开，并使半导体薄层7位于两个线芯3之间，如图3a中所示。我们把这种装置称为双重结构SCF。为了如所示出的那样对光纤进行定位，使两个线芯彼此平行并离开一个最小的距离，可以采用两个固定装置，一根光纤采用一个。可以用比玻璃更软的材料(比如塑料或软金属)制作固定装置。制作固定装置的一种可能的方式是采用一根D-光纤作为固定物的液相溶液的模具。该D-光纤应该保持平直。在使该溶液固化后，该固定装置就适合于装入双重结构SCF中所使用的D-光纤中的一根。一旦把光纤如图3a中所示出的那样定位使线芯3彼此平行，就可以把固定装置用胶粘在一起。
在这种情况下可以通过用作耦合器17、如图3a中所示的装置的输入控制端口D送入适当波长的控制光Pc的办法来利用半导体薄层7的非线性，参见图3b，该装置在其一端设有端口A和D，而在另一端具有端口B和C。进入端口A与上面提到的控制光Pc平行的信号光Ps可以被进入端口D的控制光Pc的控制光Pc所影响。在不存在控制光Pc时，信号光Ps如在常规的耦合器中那样在端口B或C处离开器件17，见“光学波导理议”，A.W.森德(Snyder)，J.D.拉芙(LOVE)所著，由紫普曼和海尔(Chapman and Hall)出版社出版，伦敦1983年版，第387-399页和568-574页。当存在控制光Pc时，可以对离开端口B和C的那部分光进行控制。即使是弱的信号Pc也可以显著地改变耦合器的传递函数，因此，弱信号Pc可以象在晶体管中那样控制较强的信号Ps。
上面描述的非线性耦合器也可以用作一个高速光学调制器。通过耦合进入端口D的控制光脉冲Pc可以使耦合进入装置的端口A的连续波信号(信号光)Ps在端口B和C上接通或断开。当调制深度足够大时，该装置就象一个开关那样运行。因为该装置对控制光Pc的波长相对来说不敏感，所以即使被严重地线性调频3的光脉冲也可以用来控制耦合进入端口A的光谱线的信号Ps。装置中的速度高是基于这一事实，即由于吸收控制光的脉冲而在装置17的薄层7的半导体中产生的自由载流子可以快速地弛豫，从而便可以得到每秒几吉(十亿)毕特(Gbits/s)的码元(bit)速率。因此，经过端口B和C离开装置的光信号可以有窄带宽和高速度的调制。
集成的双线芯结构虽然上面描述的特定构形对于许多用途来说是方便的，但也可以以同样的思想采用其它的设计。例如，一个双线芯D-形光纤可以有由半导体薄层的激活来控制的耦合特性，如图4a中所示。D-光纤有两个线芯3′，3″，它们平行地以对称和对中的方式靠近光纤19的圆柱形外表面的中心线，并与上面一样靠近平表面设置。另外，在光纤线芯3′，3″中任何一个中传播的控制光的损耗场穿透涂覆在平表面上的半导体薄层7来改变它的性质，并且因此改变在另一个线芯中传播的信号光的传输特性。图4a的双线芯结构可以如图3a的双D-光纤那样使用，例如图3b所示的那样在耦合器中使用。
平面结构即使带有埋在下面的波导的玻璃基底上的分立元件也能用于受控制的耦合，开关和调制。如图4b中所示，可以利用离子注入或热扩散的方法在玻璃基底23上制作一对波导21。可能还希望气化一个氧化硅SiO/SiO2层25，把波导21埋入到玻璃基底里面。然后在埋入的波导21的上表面上沉积上半导体材料的薄层7，从而使得波导21中的光的损耗场伸展进入半导体材料7中去。由一个通道切换到不同通道应该是可能的，被切换的那部分信号可以由沿波导传播的光或由外部(例如，垂直地)入射到装置上的光来控制。图4b的埋入式波导结构可以象图3a的双D-光纤那样来使用。
由卡瓦奇(Kawachi)在“硅上的二氧化硅波导和它们对集成光学元件的应用”，(Silica Waveguides on Silicon and theirApplication to Integrated Optic Components)光学及量子电子学杂志(Optical and Quantum Electronics)第22(1990)期，第391-416页提出了类似建议，然而，在那种情况下，，在一种半导体材料例如硅的上面制作波导。
激光器到现在为止，所述的包括一个SCF的装置采用了控制光的输入，该光有效地改变了衰减和材料的折射率。另一方面，半导体被广泛地用作激光材料。通常，激光脉动是电抽运，但是光一直用于抽运激光器结构。抽运光应该有足够的光子能量被薄层所吸收，而在激光状态产生过量的电子，并在较低的能带产生过量的空穴。由于输射复合，半导体将发光。只要抽运光足够强，其将引起激光发射，并在半导体薄层中造成激光作用。半导体材料的高折射率有利于在半导体薄层的平面中引导光、引导的增益常常足以保证装置在激光阈值以上运行。因为抽运场只在邻近光纤的线芯的区域内与半导体薄层重迭，所以发生激光作用的薄层的宽度被限制在少于约10微米的范围。类似于图1所示的一种结构可以如图5a所示的那样被使用。
为了进一步把场限制在邻近光纤的线芯的抽运区域，可以用平版印刷方法把非抽运区域的半导体除去，如图5b所示。因此在D-光纤1的平表面上将只有一个窄带和窄条7′的半导体材料在表面的中心部位伸展，而与光纤线芯3平行。另一种可供选择的是，D-形光纤的截面形状可以被改变成如图5C所示的样子。在D-光纤1′的平表面上有一个线凹槽27靠近并平行于光纤线芯3，并把半导体薄层7″沉积在凹槽27中。这将确保只有半导体材料的窄条7′或7″引导光。
只要增益足够高，甚至在没有端镜的条件下，图5b和5c的结构都能够产生激光作用。另外，可以使用涂覆或未涂覆的光纤端表面作为端镜，或靠布赖革(Bragg)反射来提供端镜。激光的激活长度可以长至几个厘米，相应于涂层7的纵向长度(图5a)。可以采用的典型材料是那些对于发光有高量子效率的材料。例如，可以采用用MOVCD或分子束外延MBE技术沉积的III-V族半导体，比如GaAs，也可以采用三元化合物。激光运行的波长将与材料的能带间隙有关(例如，对于GaAs为0.85微米)。其它感兴趣的材料是带有色芯的碱金属卤化物薄层，比如LiF或LiI的f-芯。这些材料在可见和接近红外区有多个发光峰。在这样的激光器中产生的光被在薄层中引导，但是在存在着光纤的线芯附近也可以导致光在线芯中被引导。
图6中示意性地表示出一个激光装置，发自一个适用的光源31的抽运光29被以标号33表示的一个透镜系统聚焦，入射到D-光纤1的一端中。通过适当地选择光的分量和参数，由D-光纤的另一端发射出激光35，这束光可以经过标号37表示的一个透镜系统变成平行光。
也可以采用如图3a和3b和图4a和4b所示的是有两个平行的波导线芯的结构作为一个激光装置，在该装置中可以沿着输出端口B和C收集到激光输出，参见图7，抽运光沿着端口A入射。当耦合器17′的半导体薄层7吸收抽运光Pp时，如上面那样通过适当地选择参数和材料，可以在激发状态能带中产生过量的电子和在较低的能带中产生过量的空穴。靠辐射复合，半导体材料将发光。
虽然从实际装置的观点看来上面的提到的装置是方便的，但也可以考虑其它的抽运几何形状，比如从外面抽运参照着图1和图2所描述的那种单根的半导体涂覆的光纤。
权利要求
1.一种包括带有一个线芯的波导的光学装置，其特征在于，一个薄层，其厚度均匀并平行于线芯而与线芯间隔一个均匀的距离，该距离使得沿波导传播的光的损耗电磁场伸展进该薄层中，薄层的材料有非线性的光学性质。
2.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，波导被制造成只传播一个波长的光，也就是说，波导是单模的。
3.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，材料在光学上是均匀的或是中心对称的。
4.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，材料对于具有所考虑的波长、沿着波导传播的第一束光有一个折射率，该折射率的数值取决于与材料相互作用的并有不同的波长的第二束光。
5.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，材料对于具有所考虑的波长、沿着波导传播的第一束光有一个折射率，该折射率的数值取决于与材料相互作用的第二束光的强度。
6.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，材料为一种带有能带间隙的半导体，其中，第一束光沿着使波导传播，而第二束光设置成与薄层的半导体材料相互作用，第二束光的波长相应于刚好超过能带间隙的一个能量值，这样使得在材料中吸收第二束光的光量子，产生一个电子-空穴对，以及第一束光的波长具有相应于显著低于能带间隙的能量值的一个能量值，这样使得基本上没有因吸收第一束光而产生的电子-空穴对。
7.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，薄层到波导的线芯的距离比线芯的直径要小。
8.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，薄层的厚度为波导线芯的直径的一小部分，具体地说，为直径的1/8至1/80，最好为直径的1/16至1/80。
9.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，波导包括具有一部分圆柱(具体地说基本上为半圆柱)的表面和一个平表面的一根D-光纤，该平表面与D-光纤的线芯相平行，并与线芯间隔一个小距离，薄层设置在该平表面上。
10.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，光学耦合器在第一侧面有一第一和一第二平行端口，而在第二侧面有一第一和一第二端口，在一个侧面的两个端口由一根波导连接起来，以及一个提供信号光的第一光源，把第一光源设置成对另一侧面的一个端口提供信号光，把薄层设置在连接波导的一段上。
11.按照权利要求10所述的装置，其特征在于，第二光源提供控制光，把这个光源设置成将控制光引向与薄层的材料相互作用。
12.按照权利要求11所述的装置，其特征在于，把第二光源设置成将控制光直接引向薄层的自由表面。
13.按照权利要求11所述的装置，其特征在于，所第二光源设置成对耦合器的另一侧面上的一个端口提供控制光。
14.按照权利要求10所述的装置，其特征在于，在连接波导中设置一个相位延迟器装置，用来延迟来自信号光的光。
15.按照权利要求9所述的装置，其特征在于，第二根D-光纤具有一个部分圆柱(具体地说为半圆柱)形状的表面和一个平表面，把该平表面设置成对着薄层的表面，这一表面与第一根D-光纤相对着。
16.按照权利要求15所述的装置，其特征在于，第1光源提供信号光，把该光源设置成对第一根D-光纤的第一端提供信号光，第二光源提供控制光，把此光源设置成对第二根D-光纤的第一端提供控制光，D-光纤的第二端与第一端相对，并被连接到信号光接收和/或传输装置上。
17.按照权利要求15所述的装置，其特征在于，D-光纤的第一端，第一光源提供信号光，把该光源设置成对第一根D-光纤的第一端提供信号光，第二光源提供控制光，把该光源设置成对第一根D-光纤的第一端提供控制光，D-光纤的第二端与第一端相对，并被连接到信号光接收和/或传输装置上。
18.按照权利要求g所述的装置，其特征在于，第一根D-光纤有两个线芯，它们彼此平行着伸展，并与平表面平行，把它们置于与平表面间隔相同的距离上，并在D-光纤中对称。
19.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，波导包括另一个线芯，它平行于所提到的第一线芯，在与两个线芯的相同的距离上设置一个薄层，从而使得沿着两个线芯传播的光的损耗电磁场伸展到薄层中。
20.按照权利要求19所述的装置，其特征在于，它包括一种平面结构，把两个线芯设置在基底的平表面上，用一个与基底有基本上相同的折射率的薄层把这一表面盖住，然后，用具有非线性光学性质的一薄层材料对该薄层的表面进行涂覆。
21.按照权利要求19所述的装置，其特征在于，第一光源提供信号光，把该光源设置成将信号光入射到波导中，以使得光由第一线芯的第一端沿着波导的该线芯传播，第二光源提供控制光，把此光源设置成将控制光入射到波导中，以使得光由第二线芯的第一端沿着波导的该线芯传播，线芯的第二端与第一端相对，并且被连接到两个信号光接收和/或传输装置上，这些装置接收沿着两个线芯中的相应的一个传播的光。
22.按照权利要求19所述的装置，其特征在于，第一光源提供信号光，把该光源设置成使信号光入射到波导中，以使得光由第一线芯的第一端沿着波导的该线芯传播；第二光源提供控制光，把此光源设置成使控制光入射到波导中，以使得光由第一端也沿着波导的第一线芯传播；波导的一第二端与一第一端相对，并且被连接到两个信号光接收和/或传输装置上，这些装置接收沿着两个线芯中相应的一个传播的光。
23.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，一个光源提供抽运光，把该光源设置成使抽运光入射到波导的一端，以使光沿着线芯传播进靠近线芯、薄层所在的区域，抽运光的波长和强度使得它能在薄层的材料中造成光的受激发射，把波导的一端设置成输出由受激发射所产生的光。
24.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，薄层的宽度只相当于线芯的直径的几倍，具体地说，最多三倍于线芯直径，最少一倍于线芯直径。
25.按照权利要求19所述的装置，其特征在于，把薄层设置在波导材料的一个凹槽中，该凹槽与波导线芯平行着伸展。
26.一种干涉器装置，它包括具有一第一对和一第二对光通信端口的一个耦合装置，其中在一对端口的一个端口所接收的光脉冲信号被基本上相等地耦合进另一对端口的每一个端口，以及与第二对端口在光学上耦合在一起的一根光学波导，该光学波导包括一部分，在波导中传播的光在这一部分内可以感应到非线性折射率，其特征在于，该部分包括有一根线芯和一片材料的波导，该片材料离开线芯的距离使得沿着波导及其线芯传播的光的损耗电磁场伸展进该材料之中，该材料具有非线性光学特性。
27.按照权利要求26所述的干涉器装置，其特征在于，该材料有一个自由表面，一个光源提供控制光，把该光源设置成使控制光引向该自由表面，以与该材料进行相互作用。
28.按照权利要求26所述的干涉器装置，其特征在于，把一个光源设置成对第一对端口的一个端口提供控制光。
29.一种包括带有两个线芯的一根波导的光学装置，这两个线芯用来沿着其每个线芯引导光，其特征在于，一片被涂覆物的材料离线芯的距离使得沿每根波导线芯传播的光的损耗电磁场伸展到该片材料中，该材料具有非线性光学性质。
30.按照权利要求29所述的光学装置，其特征在于，波导包括放置在该片材料的每一侧面上的两根D-光纤。
31.按照权利要求29所述的光学装置，其特征在于，波导包括具有两个线芯的一根D-光纤。
32.按照权利要求29所述的光学装置，其特征在于，波导包括一个平面结构，该结构有与第一部分平行地伸展的两个线芯，把该片材料设置于第一部分的一个表面上。
33.按照权利要求32所述的光学装置，其特征在于，该第一部分包括具有在它的一个表面上设置的线芯的一个基底，该表面被光学上与基底材料类似的一薄层材料覆盖着。
34.一种光学控制的耦合器系统，开关或调制系统，其特征在于，一个耦合装置，它具有一第一对和一第二对光通信端口；把信号光提供给第一对端口中的一第一个端口的第一光源；把控制光提供给第一对端口中的第一个端口或一第二个端口的第二光源；第二对端口中的每一个端口连接成使信号光接收和/或传输装置分开，以及该耦合装置包括一根波导，该波导带有用来沿着每根线芯引导光的两个线芯和一片材料，该片材料离线芯的距离使得沿每个波导线芯传输的光的损耗电磁场伸展到该片材料中，该材料具有非线性光学性质。
35.一种包括带有一个线芯的一根波导的光抽运激光器结构，其特征在于，该片材料所处的离线芯的距离使得沿着该波导传播的光的损耗电磁场伸展进该片材料之中，该材料具有非线性光学性质。波导的一端适于接受来自一个光源的抽运光，而一端或两端适于发出在该片材料中的受激发射所得到的光。
36.按照权利要求35所述的激光器结构，其特征在于，波导包括一根D-光纤，该片材料位于它的平表面上。
37.按照权利要求35所述的激光器结构，其特征在于，波导包括一根D-光纤，该片材料位于在其平表面上制出的一个凹槽中。
38.一种包括带有一第一线芯的一根波导的光抽运激光器结构，其特征在于，该波导具有一第二线芯，光可以沿着两个线芯中的任何一个传播，一片材料所述的离两个线芯的距离使得沿着波导线芯中的每一个传播的光的损耗电磁场伸展进该片材料中，该材料有非线性光学性质，波导的一端(第一线芯所在的那端)适于接收来自一个光源的抽运光，而波导的另一端(两个线芯的端部所在的每一端)适于发出由该片材料中的受激发射所得到的光。
39.一种包括带有一个线芯的一根波导的光抽运激光器结构，其特征在于，一片材料所处的离该线芯的距离使得沿着波导传播的光的损耗电磁场伸展进该片材料中，该材料具有非线性光学性质，该片材料具有一个自由表面，它适于接收来自一个光源的抽运光，波导的至少一端适于发出由该片材料中的受激发射所得到的光。
全文摘要
一种光源装置，其包括一根波导(1)和具有高度非线性光学特性的一个薄膜或一个薄层材料(7)，具体地说，是一种半导体材料。薄层(7)离波导线芯(3)的距离，使得沿着该波导(1)传播的光的损耗场伸展到薄层(7)。在该装置中，特别是半导体材料的高度的非线性影响到波导(1)的光学特性。当把该装置沿着一根类似的D-光纤放置时，可以作为一个由很弱的光信号(Pc)控制的以光纤为基础的非线性耦合器(17)。该装置可以用作一个激光器的一个元件，也可以用于多种不同的其它应用中。
文档编号G02B6/12GK1113394SQ94190599
公开日1995年12月13日 申请日期1994年8月15日 优先权日1993年8月13日
发明者W·马古利斯, A·I·B·里加德 申请人:艾利森电话股份有限公司