[发明专利]二维非线性光学超晶格光学双稳器件及其制法

说明书

本发明涉及非线性光学中光学双稳器件及其制作方法。现有涉及非吸收型光学双稳器件主要是在法布罗-珀罗(Fabry-Perot)干涉仪中填充具有较大克尔(Kerr)效应的光学晶体来实现，为此需要二个加工精度要求很高起着强正反馈作用的镜面，对内置KDP、钽酸锂、铌酸锂等晶体的加工精度要求也很高，这样的双稳器件不但制作成本高，尤其不能微型化或集成化。1979年美国学者威福(H.G.Winful)在理论上提出了实现光学双稳的另一种反馈方式，这种反馈是分布在整个一维非线性光学超晶格中，因而无需反射镜，但在实际中欲制成器件，一维周期数必须很大以提供强反馈。用现有分子来外延生长技术来制备，不但耗时，而且难以控制生长方向上的严格周期性，亦未见有此类器件的报导。

本发明则以二维非线性光学晶体制作可微型化又有良好光双稳特性，且工艺可行、成本低的光双稳态器件。

本发明基于二维非线性光学超晶格的参数调制的双稳原理，其要点是在二维非线性光学超晶格中一束入射光在满足位相匹配条件(Bragg条件)时，会出现四束衍射光，由于非线性光学晶体的电系数是受入射光强度影响的，因此四束衍射光就能表现出双稳特性(参见徐斌、闵乃本《两维非线性光学超晶格中的光学双稳》Phys.Rev.Lett.Vol.7l，NO.7，pp1003，1993)。

本发明的技术解决方案是用具有较大克尔效应系数的晶体，内部刻有体光栅结构，其光栅常数为入为入射光波长，晶体的克尔系数α、折射率调制参数(M₁、M₂、M₃、M₄)光栅厚度l，波矢K_v(K_v为介质中的波矢)在下述范围：M₁＝M₂＝10^-4，M₃＝M₄＝10^-5，α＝10^-4，K_vl＝10^-4晶体可以在钽酸锂、磷酸二氢钾(KH₂PO₄)、铌酸锂、钛酸钡、铌酸钡钠以及掺铁、钴的以上晶体中选择，还可以在ADP、(NH₄H₂PO₄)、LiTaO₃。等单晶体中选择。

制造二维非线性光学超晶格双稳态器件的方法可用深层同步X射线光刻技术、离子束蚀刻等方法，对于具有光折变性质的晶体又可用常规体全息光栅写入与热固定技术，本发明可用作光开关器件。

本发明器件的尺寸可以在毫米量级，在几个mW的激光束下就可以实现光学双稳(开关)行为，易满足器件集成要求，本发明远比分子束外延更易准确控制微结构的尺寸和精度，在集成光学、信息光学及光计算机上有广泛用途，且工艺易工业化生产。

以下结合附图和通过实施例对发明作进一步说明：

图1给出了入射光I。在满足Bragg条件下四束衍射光I₁I₂I₃I₄的光路图，图2a-d说明了I0-50MW变化范围内，四束光呈现出双稳态现象，横座标I₀为入射光强，纵座标为衍射光的相对强度，图3为体全息光栅的写入光路图。图4说明了出射光双稳现象。I₀入射光，I₂为出射光。图5给出了具有微结构器件示意图。

用X射线光刻、离子束蚀刻可对KH₂PO₄、ADP、LiTao₃、Ba₂N_aN_b5O₁₃、LiNbO₃晶体均可按图4结构尺寸刻制，光栅常数a＝2/2入，入为光波长，b＝c＝a/2。