DE68920537T2

DE68920537T2 - Vorrichtungen zur Umwandlung von optischen Wellenlängen.

Info

Publication number: DE68920537T2
Application number: DE68920537T
Authority: DE
Inventors: Masahiro C O Patents Di Yamada
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1988-10-11
Filing date: 1989-10-10
Publication date: 1995-06-14
Anticipated expiration: 2009-10-11
Also published as: EP0364214A3; US4973117A; EP0364214A2; DE68920537D1; EP0364214B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Umwandlung von optischen Wellenlängen und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Vorrichtung.
Bisher wurde eine Vorrichtung zur Umwandlung von optischen Wellenlängen oder einer Sekundärharmonischen-Erzeugungsanordnung (SHG Anordnung) vorgeschlagen, die einen Fscherenkow-Strahlung benutzenden Wellenleiter enthält und entsprechend Figur 5 angeordnet ist.
Diese SHG Vorrichtung weist einen optischen Wellenleiter 2 auf, der auf der Oberfläche eines Lithiumniobad (LiNbO&sub3;) Einkristallsubstrates 1 durch ein Tonenaustauschverfahren unter Verwendung von Phenylameisensäure ausgebildet wird. Eine Grundwelle f tritt an einem Ende des Wellenleiters 2 ein und eine sekundäre harmonische (SH) Welle s wird von dem Substrat 1 emittiert. Somit wird ein Laserstrahl, der eine Grundwelle f ausbildet, die an einer Endfläche des Wellenleiters 2 einfällt, darin in einem Führungsmode gehalten. Die SH Welle (SH Licht) s mit der halben Wellenlänge der Grundwelle f wird aufgrund des nichtlinearen optischen Effektes von LiNbO&sub3; und der hohen Energiedichte der Grundwelle f erzeugt.
Durch die Auswahl einer geeigneten Stärke für den optischen Wellenleiter 2 wird das derart erzeugte SH Licht s ausgestrahlt in Richtung der Tiefe des Substrates 1 in einem bestimmten Winkel, dem Tscherenkow-Winkel in einem Strahlungsmode.
Ein anderes Beispiel eines Sekundärharmonischen-Generators, wird in der EP-A-0 206 220 offenbart. Dieser Generator enthält einen ersten optischen Wellenleiter mit einem Aufbau, der eine Grundwelle führen kann und einen zweiten optischen Wellenleiter mit einem Aufbau, der eine zweite harmonische Welle führen kann. Die optischen Wellenleiter sind optisch miteinander verbunden und parallel auf einem Substrat von nichtlinearen optischem Material angeordnet. Die ersten und zweiten Wellenleiter besitzen den gleichen Brechungsindex um den Wirkungsgrad der Umwandlung von der Grundwelle in die sekundäre harmonische Welle zu verbessern.
Optische Wellenleiter verschiedener Typen sind ebenfalls vorgeschlagen worden, die einen sogenannten stegförmigen Typ eines Wellenleiters beinhalten der einen engen streifenförmigen Steg aufweist, der auf einem Substrat entsprechend Figur 6 ausgebildet ist.
Der Wellenleiter des stegförmigen Types weist eine schichtförmige Struktur auf, die zusammengesetzt ist aus einem ersten Substrat 11 mit einem Brechungsindex n&sub1; und einem zweiten Substrat 12 mit einem Brechungsindex n&sub2;, wobei n&sub2; > ni ist. Wenn sich Licht ausbreitet, so wird es durch die Unterschiede in den Brechungsindizes zwischen den Substraten 11 und 12 in einer senkrecht zu den Substraten 11 und 12 verlaufenden Richtung gehalten, und durch den Unterschied in den Brechungsindizes zwischen dem Steg 12a und der Luft in einer Richtung innerhalb der Substratebene. Ein Stegwinkel wird zwischen der lateralen seitlichen Oberfläche des Steges 12a und der horizontalen Oberfläche des Substrates ausgebildet.
Ein Wellenleiter des stegförmigen Types entsprechend Figur 6 kann durch selektives Aufwachsen oder durch Ätzprozesse ausgebildet werden. Beispielsweise wurden Techniken zur Ausbildung eines Steges durch ein Feinätzverfahren auf dem allgemeinen nationalen Treffen der "Society of Electronic Communications 1986 präsentiert (Vortrag Nr. 868). In diesen Verfahren wird beispielsweise zunächst Ti auf einem Substrat aus LiNbO&sub3; abgeschieden, um eine Metallschicht auszubilden und dann wird eine Fotolackschicht mit dem Handelsnamen "AZ-1350J" selektiv auf der Metallschicht fotolithographisch ausgebildet, gefolgt durch eine Mustererzeugung der Metallschicht durch Naßätzen unter Verwendung der Fotolackschicht als Maske. Danach wird die Fotolackschicht entfernt und die als Ergebnis der Mustererzeugung verbleibende Metallschicht wird als eine Maske benutzt, um einen Steg auf dem Substrat auszubilden durch reaktives Elektronen-Zyklotronresonanz-Ionenätzen (ECR-RIE) unter Verwendung von C&sub3;F&sub8; als ein Ätzgas.
Solch eine SHG Vorrichtung weist jedoch den Nachteil auf, daß der Strahl des SH-Lichtes s im (Quer)schnitt in sichelförmiger Gestalt emittiert wird, wie es in Figur 5 gezeigt ist, anstelle einer kreisförmigen Gestalt, wie es gewünscht wäre. Somit, wenn eine Lichtquelle für ein optisches Aufzeichnungsmedium hoher Dichte oder ein Laserdrucker als ein Beispiel einer Anwendung der SHG Anordnung betrachtet werden, wird von der Lichtquelle gefordert, bevorzugt einen Strahl mit kreisförmiger oder eliptischer Gestalt zu emittieren, anstelle eines Strahles sichelförmiger Gestalt, was den Wirkungsgrad der Anwendung erniedrigen würde.
Obwohl es möglich erscheinen könnte, den emittierten SH-Lichtstrahl umzuformen von einer sichelförmigen Gestalt in eine kreisförmige oder eliptische Gestalt, so hat sich dies jedoch als sehr schwierig herausgestellt, weil das SH-Licht dazu tendiert, in die Tiefenbereiche des Substrates zu versinken.
Mit einem Wellenleiter des stegförmigen Types wie in Figur 6 gezeigt ist es, um einen hohen Ausgangswert zu erzielen, notwendig, den Stegwinkel α soweit wie möglich zu 90º auszubilden und glatte Oberflächen auf den lateralen Seiten des Steges durch das ECR-RIE Verfahren herzustellen. Diese Anforderungen müssen gestellt werden, da ein kleinerer Stegwinkel in einem kleineren Wirkungsgrad bei der Eingrenzung (Sperrung) des Lichtes innerhalb des Steges resultiert, während rauhe Oberflächen des Steges die Lichtausbreitungsverluste durch Streuung erhöhen werden. Durch die Ausbildung ides Stegwinkels α bei annähernd 90º wird es jedoch möglich, nicht nur diese Tendenz zu reduzieren, sondern ebenso eine höhere Integration der optischen integrierten Schaltungsvorrichtungen mit Wellenleitern des stegförmigen Types zu erreichen.
Trotzdem liegen die Stegwinkel, die erreicht worden sind, bei höchstens 70º bis 80º, was ausreichend für eine wirksame Lichteingrenzung ist. Darüber hinaus ist die Vermeidung von Oberflächenrauhigkeiten nicht ausreichend gewesen. Insbesondere im Fall der Techniken, die ein sogenanntes Abtragsverfahren verwendet, sind die seitlichen Oberflächen einer ausgebildeten Metallschicht anfällig für Verletzungen oder Beschädigungen, die reflektiert werden durch die Aufrauhung der seitlichen Oberflächen eines Steges, wenn die Metallschicht darauffolgend als eine Maske in einem Verfahren zur Stegausbildung verwendet wird.
Darüber hinaus ist das Verhältnis der Ätzrate (d. h. die Selektivitätsrate des Ätzprozesses) des Kristallsubstrates zu der des Maskenmetalles annähernd so klein wie 2 bis 3, was nichtnotwendigerweise ausreichend für die Wirtschaftlichkeit, Genauigkeit und Produktivtät des Verfahrens ist.
Entsprechend einem Gegenstand der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zur Umwandlung von optischen Wellenlängen bereitgestellt, die folgendes enthält:
Einen auf einem Substrat aus einem nichtlinearen optischen Material ausgebildeten optischen Wellenleiter, um eine sekundäre harmonische Welle durch Tscherenkow-Strahlung zu erzeugen, wobei der Wellenleiter einen ersten Wellenleiterdurchgang zur Begrenzung (Confinement) einer Grundwelle und zu deren Umwandlung in eine sekundäre harmonische Welle enthält, und einen zweiten Wellenleiterdurchgang zur Begrenzung besagter sekundärer harmonischer Welle und zu der Ausbreitung in Richtung auf eine Stirnfläche, um von dort emittiert zu werden, dadurch gekennzeichnet, daß: der besagte Wellenleiter stegförmig auf dem besagten Substrat ausgebildet ist und der erste Wellenleiterdurchgang derart ausgebildet ist, um in Kontakt mit dem zweiten Wellenleiterdurchgang entlang zumindest einer der lateralen Seiten des Steges zu sein, und dar n&sub2; > n&sub3; > n&sub1; ist, wobei n&sub1;, n&sub2; und n&sub3; die entsprechenden Brechungsindizes des Substrates, des ersten Wellenleiterdurchganges und des zweiten Wellenleiterdurchganges sind und daß der erste und zweite Wellenleiterdurchgang derart ausgebildet sind, daß folgende Bedingungen erfüllt sind:
Wr f < a < Wr s Wrf oder Wrs < b, und
Wr s < c wobei a die Breite des ersten Wellenleiterdurchganges in einer zu dem Substrat parallelen Richtung bedeutet, b die Tiefe des ersten Wellenleiterdurchganges in einer senkrecht zu der Oberfläche des Substrates liegenden Richtung bedeutet, c die Tiefe des zweiten Wellenleiterdurchganges in einer senkrecht zu der Oberseite des Substrates liegenden Richtung bedeutet, Wrf die Grenzstärke der Grundwelle bedeutet unterhalb der die Ausbreitung der Grundwelle verhindert wird und Wrs die Grenzstärke der sekundären harmonischen Welle bedeutet, unterhalb der die Ausbreitung der sekundären harmonischen Welle verhindert wird.
Entsprechend einem weiteren Gegenstand der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Vorrichtung zur Umwandlung von optischen Wellenlängen mit folgenden Schritten bereitgestellt:
Ausbildung einer optischen Wellenleiterschicht, die als zweiter Wellenleiterdurchgang verwendet wird und die einen Brechungsindex n&sub3; (n&sub3; > n&sub1;) hat, durch Diffusion von Titan auf einem Substrat eines nichtlinearen optischen Materiales, das einen Brechungsindex von n&sub1; aufweist;
Ausbildung einer Metallschicht auf dem Substrat;
selektive Ausbildung einer Fotolackschicht auf der Metallschicht;
selektive Entfernung der Metallschicht an den nicht durch die Maske mit der Fotolackschicht bedeckten Bereichen unter Einsatz von Elektronen-Zyklotronresonanz-Ätzen mit Argongas;
Entfernung der Fotolackschicht;
Herausätzen eines Steges auf dem Substrat unter Verwendung der Metallschicht als Maske durch Elektronen-Zyklotronresonanz-Ätzen unter Verwendung eines Fluorkohlenstoffgases;
Ausbildung einer Protonenaustauschschicht, die als ein erster Wellenleiterdurchgang verwendet wird und die einen Brechungsindex n&sub2; (n&sub2; > n&sub3; > n&sub1; ) hat, auf einer lateralen Seite der optischen Wellenleiterschicht, durch eine Wärmebehandlung in einer wässrigen Lösung, die einen Protonenaustausch mit Bereichen des optischen Wellenleiters ermöglicht, die durch die Entfernung der Metallschicht freigelegt werden; und
Entfernung der verbleibenden Bereiche der Metallschicht
Entsprechend einem weiteren Gegenstand der vorliegenden Erfindung wird ein Herstellungsprozeß für solch eine Vorrichtung zur Umwandlung von optischen Wellenlängen mit folgenden Schritten bereitgestellt:
Ausbildung einer optischen Wellenleiterschicht zum Einsatz als ein zweiter Wellenleiterdurchgang, die einen Brechungsindex n&sub3; (n&sub3; > n&sub1;) hat, durch Diffusion von Titan auf einem Substrat eines nichtlinearen optischen Materiales, das einen Brechungsindex n&sub1; aufweist;
Ausbildung einer Metallschicht auf dem Substrat; selektive Ausbildung einer Fotolackschicht auf der Metallschicht; selektive Entfernung eines Teiles der Metallschicht und der besagten optischen Wellenleiterschicht unter Verwendung der besagten Fotolackschicht als Maske;
Ausbildung einer Protonenaustauschschicht, die als ein erster Wellenleiterdurchgang eingesetzt wird und die einen Brechungsindex n&sub2; (n&sub2; > n&sub3; > n&sub1; ) aufweist, auf einer lateralen Seite der optischen Wellenleiterschicht 2, durch eine Wärmebehandlung in einer wässrigen Lösung, die einen Protonenaustausch mit Bereichen des optischen Wellenleiters ermöglicht, die durch die Entfernung der Metallschicht freigelegt werden;
Ätzen der Protonenaustauschschicht zu einer Dünnschicht durch reaktives Ionenätzen unter Verwendung selektiv nicht entfernter Bereiche der Metallschicht als Maske; und
Entfernung der verbleibenden Bereiche der Metallschicht.
Die Erfindung wird nun beispielhaft unter Bezug auf die begleitenden Zeichnungen, in denen gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, beschrieben, wobei die Figuren folgendes bedeuten:
Figur 1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Ausgestaltung einer Vorrichtung zur Umwandlung von optischen Wellenlängen entsprechend der vorliegenden Erfindung;
Figuren 2 und 3 zeigen Diagramme zur Erklärung der Ausgestaltung;
Figur 4 zeigt ein Diagramm, daß das Verfahren zur Herstellung der Vorrichtung illustriert; und
Figuren 5 und 6 zeigen perspektivische Ansichten von vorher vorgeschlagenen Vorrichtungen zur Umwandlung von optischen Wellenlängen.
Zunächst werden Beobachtungen, die zur vorliegenden Erfindung geführt haben, erklärt.
Die Strahlgestalt der sekundären harmonischen Welle, die von einer Vorrichtung zur Umwandlung optischer Wellenlängen emittiert wird, variiert in Abhängigkeit von den Ausbreitungsbedingungen der Tscherenkow-Strahlung innerhalb der Vorrichtung und die Ausbreitungsbedingungen können durch Veränderung der Gestalt des Wellenleiters variiert werden. Daraus folgt, daß der Strahl der sekundären harmonischen Welle, der von der Vorrichtung emittiert wird, durch Einsatz eines Wellenleiters mit entsprechender Gestalt in eine kreisförmige oder eliptische Gestalt umgewandelt werden kann.
Es fragt sich, welche Form für den Wellenleiter für diesen Zweck geeignet ist. Zuerst wird ein plattenförmiger Wellenleiter betrachtet, der zur Einfachheit der Erklärung einen auf der Oberfläche eines Substrates 1 ausgebildeten filmförmigen optischen Wellenleiter 2 aufweist, wobei die Lichtausbreitung durch den optischen Wellenleiter schwierig wird, wenn die Stärke w des Wellenleiters 2 kleiner wird als ein bestimmter festzulegender Wert, der abhängt von dem Material des Substrates 1, dem Herstellungsprozeß des optischen Wellenleiters 2 und der optischen Wellenlänge. Die Ausbreitung des Lichtes durch den optischen Wellenleiter ist nämlich möglich, wenn die Stärke w des Wellenleiters 2 größer als eine bestimmte Stärke ist.
Figur 3 zeigt beispielsweise in einem Schaubild einen optischen Wellenleiter 2, der auf einem Substrat aus einem nichtlinearen optischen Material, wie einem Einkristall LiNbO&sub3; ausgebildet ist. Der optische Wellenleiter 2 weist im Schnitt eine Gestalt (Querschnittsform) auf, die eine Stärke a in der zu der Oberfläche des Substrates 1 parallelen Richtung hat und eine Stärke b bezüglich der in die Tiefe weisende Richtung des Substrates 1. In diesem Beispiel ist durch die Ausbildung des optischen Wellenleiters 2 in einer Querschnittsform, in der die Stärke a und b größer sind in als die Stärken, welche die Ausbreitung der Grundwelle verhindern, nämlich größer als eine Grenzstärke Wrf der Grundwelle, die Stärke a kleiner als die Grenzstärke Wrs der sekundären harmonischen Welle und die Stärke b größer als die Grenzstärke Wrs der sekundären harmonischen Welle, wobei die sekundäre harmonische Welle sich parallel zu der Oberfläche des Substrates 1 ausbreiten kann, ohne eine Ausbreitung in die Richtung der Tiefe des Substrates 1.
Figur 1 zeigt eine Ausgestaltung der Erfindung, die einen optischen Wellenleiter 2 aufweist, der auf einem Substrat 1 aus einem Einkristall LiNbO&sub3; in einer Form ausgebildet ist, die den Bedingungen genügt, die betrachtet werden.
Insbesondere weist das Substrat 1 einen optischen Wellenleiter 2 des stegförmigen Types auf, der in einem Stegbereich 1&sub1; ausgebildet ist. Der optische Wellenleiter 2 setzt sich zusammen aus ersten Wellenleiterdurchgängen 2a und 2c, die symmetrisch in den gegenüberliegenden Seitenbereichen des Steges 1&sub1; ausgebildet sind, und einem zweiten Wellenleiterdurchgang 2b, der zwischen den Wellenleiterdurchgängen 2a und 2c ausgebildet ist. Die ersten Wellenleiterdurchgänge 2a und 2c und der zweite Wellenleiterdurchgang 2b weisen jeweils einen erforderlichen Brechungsindex auf. Die ersten Wellenleiterdurchgänge sind so dimensioniert, daß:
Wr f < a < Wr s
Wr f or Wr s < b, wobei a die Breite der ersten Wellenleiterdurchgänge 2a und 2c in einer zu der Oberfläche des Stegbereiches 1&sub1; parallelen Richtuhg, nämlich in der x-Richtung ist; b ist die Stärke (oder Höhe) der ersten Wellenleiterdurchgänge 2a und 2c zu einer zu den lateralen seitlichen Oberflächen des Stegbereiches 1&sub1; parallelen Richtung oder in der Richtung von y; Wrf ist die Grenzstärke der Grundwelle, und Wrs ist die Grenzstärke der sekundären harmonischen Welle des Wellenleiters. Die Grundwelle ist in beiden, der x- und y-Richtung eingegrenzt, während die sekundäre harmonische Welle in der y-Richtung begrenzt ist aber in die x-Richtung ausgestrahlt wird.
Das sekundäre Wellenleiterglied 2b ist in einem stegförmigen Aufbau ausgebildet, der größer ist als die Grenzstärke Wrs der sekundären harmonischen Welle in der Dicke oder in der Dicke c, in der y-Richtung, wobei folgende Bedingung erfüllt ist:
Wr s < c
und der die sekundäre harmonische Welle in beiden, der y- und x- Richtung eingrenzt.
Auf die Ausstrahlung eines Laserstrahles auf einer Endfläche der Vorrichtung zur Umwandlung von optischen Wellenlängen entsprechend dieser Ausgestaltung mit dem oben beschriebenen Aufbau wird das Laserlicht in Richtung auf beide oder auf eine der Endflächen der ersten Wellenleiter 2a und 2c und des zweiten Wellenleiters 2b kondensiert (gebündelt) und wird in beiden oder in einem der ersten Wellenleiter 2a und 2c und dem zweiten Wellenleiter 2b eingegrenzt.
Aufgrund der Energiedichte des Läserlichtes selbst und des nichtlinearen optischen Effektes des Wellenleiters und des Substrates 1 wird das eingegrenzte Laserlicht wirksam in eine Welle umgewandelt, die die Hälfte der Wellenlänge der Grundwelle aufweist, nämlich in eine sekundäre harmonische Welle (SH-Licht), wird eingegrenzt in den Wellenleiter, der den ersten und den zweiten Wellenleiterdurchgang 2a und 2c beinhaltet, breitet sich in der z- Richtung in dem geführten Mode oder durch wiederholte Reflexionen zwischen dem ersten und dem zweiten Wellenleiterdurchgang 2a und 2c aus und wird von der gegenüberliegenden Endfläche der sekundären Welle in der Form eines Strahles mit kreisförmiger oder eliptischer Gestalt emittiert.
Wenn gewünscht kann einer der ersten Wellenleiterdurchgänge 2a und 2c des oben beschriebenen Ausführungsbeispieles entfallen. Sogar in einem solchen Fall kann die sekundäre harmonische Welle in einfacher Weise erzeugt werden.
Ein Beispiel für das Verfahren zur Herstellung dieser Vorrichtung zur Umwandlung von optischen Wellenlängen wird unter Bezug auf die Figuren 4A bis 4G beschrieben.
Zunächst wird eine Titandiffusionsschicht 1T1 auf der vorderen Oberfläche des LiNbO&sub3;-Substrates 1 durch Diffusion von Ti, wie in Figur 4A gezeigt, ausgebildet.
Eine Maske, bestehend aus einer Metallschicht 3 (aus Ni, Cu, Ta, Ti oder ähnlichem) wird dann auf der vorderen Oberfläche des Substrates 1 durch Dampfphasenabscheidung, wie in Figur 4B gezeigt, ausgebildet und ein Resist 4 wird in einem vorbestimmten Muster entsprechend der Figur 4C darauf ausgebildet.
Dann wird, wie in Figur 4D gezeigt, die Vorderseite des Substrates 1 dem ECR-RIE-Verfahren (Elektronenzyklotron reaktives Ionenresonanzätzen, d. h. reaktives Ionenätzen unter Verwendung des Phänomenes der Elektronenzyklotronresonanz) unterworfen unter Verwendung von CF&sub4;, C&sub2;F&sub6;, C&sub3;F&sub8;, CHF oder ähnlichem Fluorkohlenstoff als ein Ätzgas. Als ein Ergebnis dieser Atzung wird die Maskenschicht 3 mit Ausnahme solcher Bereiche, die unter dem Resist 4 liegen und die Oberflächenbereiche der Titandiffusionsschicht 1T1 entfernt. Die Bereiche 3 der Maskenschicht, die unter dem Resist 4 liegen, verbleiben, um als Maske 3a zu dienen.
Alternativ kann ein Steg durch ein Zweistufenätzverfahren ausgebildet werden, nämlich ein Verfahren, bestehend aus einem Ätzschritt einer Metallschicht unter Einsatz von Argon und einem Ätzschritt bezüglich der Substratoberfläche mit der resultierenden Maskenmetallschicht durch den Einsatz eines Fluorkohlenstoffgases. Entsprechend sollte die Maskenmetallschicht Eigenschaften aufweisen, die eine leichte Ätzung durch Argongas erlauben, aber ausreichenden Widerstand gegen das zu verwendende Fluorkohlenstoffgas haben. Andererseits sollte das Substrat Eigenschaften besitzen, die einen ausreichenden Widerstand gegenüber Argongas sicherstellen, aber eine leichte Ätzung durch das eingesetzte Fluorkohlenstoffgas erlauben.
Die nachfolgende Tabelle 1 zeigt die Atzraten von unterschiedlichen Substanzen durch Argongas im Vergleich mit den Ätzraten durch CF&sub4;-Gas, aufgenommen als ein Beispiel von Fluorkohlenstoffgasen. Die hier gezeigten Substanzen beinhalten LiNiO&sub3; welches in weiten Bereichen als ein nichtlineares optisches Material für Substrate benutzt wird und Ta, Ti, Ag, Al, Ni und Cu, die als Maskenmetall verwendet werden. Als eine Referenz werden ebenfalls Ätzraten von bekannten Fotolacken gezeigt, wie TSMR8900 und AZ4210 (Erzeugnisse von Tokyo Ohka Kogyo). Tabelle 1 Geätzte Substanzen Ätzrate Argon (10&supmin;¹&sup0;m/min) CF&sub4; LiNiO&sub3;
Jeder der Ätzschritte, in dem entweder Argon oder ein Fluorkohlenstoffgas benutzt wird, wird mittels eines Gerätes zum Elektronenzyklotronresonanzätzen (ECR-Ätzen) ausgeführt, wobei von dem Phänomen Gebrauch gemacht wird, daß die Elektronen beschleunigt werden, indem sie unter Resonanz die Mikrowellenenergie absorbieren, womit wirksam ein Plasma durch das Zusammenstoßen mit neutralen Molekülen und durch Ionisation erzeugt wird, wenn die Zyklotronwinkelfrequenz der Elektronen in der kreisförmigen Bewegung in einem Magnetfeld sich synchron einstellt mit der Winkelfrequenz eines elektrischen Feldes oder von Mikrowellen, die durch einen Wellenleiter eingeführt werden. Mit einem ECR-Ätzgerät kann ein Ionenstrahl mit guter Ausrichtung erhalten werden, bei einem sehr niedrigen Gasdruck wie 1,3 x 10&supmin;² Pa, so daß es möglich ist, den Ätzvorgang stabil gegenüber den reaktiven Gasen auszuführen, verbunden mit den Vorteilen einer solch hohen Genauigkeit der Ätzform und der Unwahrscheinlichkeit von Wiederzersetzung und Wiederausfällung von Reaktionsprodukten. Das ECR-Ätzen kann unter allgemein annehmbaren Bedingungen durchgeführt werden, beispielsweise mit einer Gasflußrate von 2 SCCM, einem Gasdruck von 1,3 x 10&supmin;³ bis 1,3 x 10&supmin;¹ Pa, einer Mikrowellenleistung vom 200 W und einer Beschleunigungsspannung von 400 V.
Somit kann durch Auswahl und Kombination geeigneter Arten von Fotoresist (Fotolack), Metallen und Ätzgasen, ein Steg mit einem Stegwinkel α von annähernd 90º auf dem Substrat ausgebildet werden durch ECR-Ätzen mit ausgezeichneter Richtfähigkeit und durch den Einsatz der Eigenschaften der entsprechenden Materialien.
Die Durchführbarkeit des oben beschriebenen Stegausbildungsprozesses führt zur Realisierung einer SHG-Vorrichtung, die entlang einer lateralen Seite des Steges einen Bereich mit einem Brechungsindex aufweist, der höher ist als der des Steges, der als ein erster Wellenleiter zur Ausbreitung einer Grundwelle (direkt von einer Lichtquelle ausgestrahlt) dienen kann, und in dem verbleibenden Stegbereich wird ein sekundärer Wellenleiter zur Ausbreitung der von dem Bereich mit dem höheren Brechungsindex ausgestrahlten sekundären harmonischen Welle ausgebildet. Wenn eine derartige SHG-Vorrichtung einen Stegwinkel von näherungsweise 90º aufweist, kann die sekundäre harmonische Welle, die von dem oben erwähnten Bereich unter einem vorbestimmten Tscherenkow-Winkel ausgestrahlt wird, wirksam in dem Steg begrenzt bzw. eingegrenzt werden.
In einer Wärmebehandlung in Pyrophosphorsäure, Phenylameisensäure oder ähnlichem findet ein Protonenaustausch an den nicht abgedeckten Teilen der Oberfläche der Titandiffusionsschicht 1T1 statt, genauso wie in den gegenüberliegenden seitlichen Bereichen der Titandiffusionsschicht 1T1 unter der Maske 3a zur Ausbildung einer Protonenaustauschschicht 5 (Figur 4E). In dieser Behandlung wird das Resist 4 (Abdeckmaterial, Fotolack) entfernt.
Danach wird das Werkstück erneut einem Ätzvorgang in einem ECR- RIE-Gerät unterzogen. Dieses Mal wird die Protonenaustauschschicht lediglich an ihren Oberflächenbereichen geätzt, die durch die Maske 3a ungeschützt sind und als ein Ergebnis verbleibt eine dünne Protonenaustauschschicht 5 auf den ungeschützten Bereichen der Oberfläche.
In diesem Ätzschritt können die ungeschützten Bereiche der Protonenaustauschschicht 5, falls gewünscht, vollständig entfernt werden.
Danach wird die Maske 3a entfernt, wie es in Figur 4G gezeigt wird. Nach dem Entfernen der Maske 3a liegt eine Vorrichtung zur Umwandlung von optischen Wellenlängen entsprechend Figur 1 vor, mit ersten Wellenleiterdurchgängen 2a und 2c, die durch die ungeschützten Bereiche der Protonenaustauschschicht 5 dargestellt werden und ein zweiter Wellenleiterdurchgang, der durch die Titandiffusionsschicht 1T1 zwischen den ersten Wellenleiterdurchgängen 2a und 2c dargestellt wird.
Mit dieser Anordnung wird die Grundwelle wirksam in die sekundäre harmonische Welle umgewandelt, die dann in der Form eines Strahles mit im Schnitt kreisförmiger oder eliptischer Gestalt emittiert wird. Dieser Strahl mit der verbesserten Form kann in weiten Bereichen und wirksam als eine Lichtquelle mit hoher optischer Dichte für die Aufzeichnung eingesetzt werden, wie als Lichtquelle für einen Laserdrucker und usw..
Überdies ermöglicht es das. beschriebene Verfahren einen stegförmigen Wellenleiter auszubilden, mit einem Stegwinkel α von annähernd 90º, der glatte seitliche Oberflächen aufweist. Entsprechend wird die Unterdrückung der verlustbehafteten Lichtausbreitung ermöglicht, bis auf einen extrem niedrigen Pegel, verbunden mit einer Verbesserung bzw. Erhöhung des Maßes an Schaltungsintegration. Nebenbei ist der Laserlichtstrahl der kreisförmigen oder elyptischen Gestalt, der von dem stegförmigen Wellenleiter des oben beschriebenen Aufbaues erhalten wird, sehr gut geeignet für Anwendungen in einem System für optische Platten, Laserdrucker oder ähnlichem. Weiterhin resultieren Verbesserungen in der Fertigung aufgrund der Herstellungstechniken, da ein ECR-Ätzgerät allgemein eingesetzt werden kann für die Mustererstellung einer Metallschicht und zur Ausformung eines Steges auf einem Substrat.

Claims

1. Vorrichtung zur Umwandlung von optischen Wellenlängen, die folgendes enthält: einen auf einem Substrat (1) aus einem nichtlinearen optischen Material ausgebildeten optischen Wellenleiter (2), um eine sekundäre harmonische Welle durch Tscherenkow- Strahlung zu erzeugen, wobei der Wellenleiter (2) einen ersten Wellenleiterdurchgang (2a, 2c) zur Begrenzung (Confinement) einer Grundwelle und zu deren Umwandlung in eine sekundäre harmonische Welle enthält, und einen zweiten Wellenieiterdurchgang (2b) zur Begrenzung besagter sekundärer harmonischer Welle und zu deren Ausbreitung in Richtung auf eine Stirnfläche, um von dort emittiert zu werden,

dadurch gekennzeichnet,

daß der besagte Wellenleiter (2) stegförmig auf dem besagten Substrat (1) ausgebildet ist und der erste Wellenleiterdurchgang (2a, 2c) deraat ausgebildet ist, um in Kontkkt mit dem zweiten Wellenleiterdurchgang (2b) entlang zumindest einer der lateralen Seiten des Steges zu sein, und daß n&sub2; > n&sub3; > n&sub1; ist, wobei n&sub1;, n&sub2; und n&sub3; die entsprechenden Brechungsindizes des Stubstrates (1), des ersten Wellenleiterdurchganges (2a, 2c) und des zweiten Wellenleiterdurchgangs (2b) sind und daß der erste und der zweite Wellenleiterdurchgang (2a, 2c, 2b) derart ausgebildet sind, daß folgende Bedingungen erfüllt sind:

Wrf < a < Wrs

Wrf oder Wrs < b, und

Wrs < c wobei a die Breite des ersten WellenIeiterdurchganges (2a, 2c) in einer zu dem Substrat (1) parallelen Richtung bedeutet, b die Tiefe des ersten Wellenleiterdurchganges (2a, 2c) in einer senkrecht zu der Oberseite des Substrates (1) liegenden Richtung bedeutet, c die Tiefe des zweiten Wellenleiterdurchganges (2b) in einer senkrecht zu der Oberseite des Substrates (1) liegenden Richtung bedeutet, Wrf die Grenzstärke der Grundwelle bedeutet, unterhalb der die Ausbreitung der Grundwelle verhindert wird und Wrs die Grenzstärke der sekundären harmonischen Welle bedeutet, unterhalb der die Ausbreitung der sekundären harmonischen Welle verhindert wird.

2. Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zur Umwandlung von optischen Wellenlängen nach Anspruch 1, das folgende Schritte enthält:

Ausbildung einer optischen Wellenieiterschicht (1T1), die als zweiter Wellenleiterdurchgang (2b) verwendet wird und die einen Brechungsindex n&sub3; (n&sub3; > n&sub1;) hat, durch Diffusion von Titan auf einem Substrat (1) eines nichtlinearen optischen Materiales, das einen Brechungsindex von n&sub1; aufweist;

Ausbildung einer Metallschicht (3) auf dem Substrat (1);

selektive Ausbildung einer Photolackschicht (4) auf der Metallschicht (3); selektive Entfernung der Met,allschicht (3) an den nicht durch die Maske mit der Photolackschicht (4) bedeckten Bereichen unter Einsatz von Elektronen- Zyklotronresonanz-Ätzen mit Argongas;

Entfernung der Photolackschicht (4); Herausätzen eines Steges auf dem Substrat (I) unter Verwendung der Metallschicht (3) als Maske (3a) durch Elektronen-Zyklotronresonanz-Ätzen unter Verwendung eines Fluorkohlenstoffgases;

Ausbildung einer Protonenaustauschschicht (5), die als ein erster Wellenleiterdurchgang (2a, 2c) verwendet wird und die einen Brechungsindex n&sub2; (n&sub2; > n&sub3; > n&sub1;) hat, auf einer lateralen Seite der optischen Wellenleiterschicht (2), durch eine Wärmebehandlung in einer wässrigen Lösung, die einen Protonenaustausch mit Bereichen des optischen Wellenleiters ermöglicht, die durch die Entfernung der Metallschicht (3) freigelegt werden; und Entfernung der verbleibenden Bereiche der Metallschicht (3).

3. Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zur Umwandlung von optischen Wellenlängen nach Anspruch 1, das folgende Schritte enthält:

Ausbildung einer optischen Wellenleiterschicht (1Ti) zum Einsatz als ein zweiter Wellenleiterdurchgang (2b), die einen Brechungsindex n&sub3; (n&sub3; > n&sub1;) hat, durch Diffusion von Titan auf einem Substrat (1) eines nichtlinearen optischen Materiales, das einen Brechungsindex n&sub1; aufweist;

Ausbildung einer Metallschicht (3) auf dem Substrat (1);

selektive Ausbildung einer Photolackschicht (4) auf der Metallschicht (3);

selektive Entfernung eines Teiles der Metallschicht (3) und der besagten optischen Wellenleiterschicht (2) unter Verwendung der besagten Photolackschicht (4) als Maske;

Ausbildung einer Protonenaustauschschicht (5), die als ein erster WellenIeiterdurchgang (2a, 2c) eingesetzt wird und die einen Brechungsindex n&sub2; (n&sub2; > n&sub3; > n&sub1;) aufweist, auf einer lateralen Seite der optischen Wellenleiterschicht (2), durch eine Wärmebehandlung in einer wässrigen Lösung, die einen Protonenaustausch mit Bereichen des optischen Wellenleiters ermöglicht, die durch die Entfernung der Metallschicht (3) freigelegt werden;

Ätzen der Protonenaustauschschicht (5) zu einer Dünnschicht durch reaktives Ionenätzen unter Verwendung selektiv nicht entfernter Bereiche der Metallschicht (3) als Maske (3a); und

Entfernung der verbleibenden Bereiche der Metallschicht (3).