DE69126155T2

DE69126155T2 - Optische Wellenlängenwandlervorrichtung zur Erzeugung der zweiten Harmonischen mit Cerenkovstrahlung in einem Wellenleiter

Info

Publication number: DE69126155T2
Application number: DE69126155T
Authority: DE
Inventors: Genichi Hatakoshi; Masaru Kawachi; Kazutaka C O Intelle Terashima; Yutaka Uematsu
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1990-03-02
Filing date: 1991-03-01
Publication date: 1997-12-18
Anticipated expiration: 2011-03-02
Also published as: US5113469A; EP0445984B1; DE69126155D1; EP0445984A2; EP0445984A3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft optische Wellenlängenwandlervorrichtungen, die nichtlineare optische Materialien verwenden, und insbesondere eine optische Wellenleitervorrichtung, die die Erzeugung der zweiten Harmonischen einer geleiteten Welle im Cerenkov-Strahlenmodus ermöglicht.
In letzter Zeit richten sich zahlreiche Bemühungen auf die Erforschung und Entwicklung optischer Elemente, die die zweite harmonische Welle erzeugen, indem sie einen nichtlinearen optischen Kristall verwenden, um eine kurzwellige Lichtquelle zu erhalten. Um die Lichtquelle kleiner und mit geringerem Leistungsbedarf auszuführen, wurden immer neue Versuche unternommen, Halbleiterlaser für die Erzeugung der Grundwelle zu verwenden und eine optische Wellenlänge in der Welle des optischen Kristalls zu bilden. Der verwendete nichtlineare optische Kristall ist so angeordnet, daß er einen bandförmigen optischen Wellenleiter auf der Oberfläche des Substrats bildet.
Eine beispielhafte optische Wellenlängenwandlervorrichtung dieses Typs ist in dem Artikel "Second harmonic generation using proton-exchanged LiNbO&sub3; waveguide" von T. Taniuchi et al., Optoelectronics, 1987, Band 2, Nr. 1, S. 53-58, beschrieben. Mit der in dieser Veröffentlichung beschriebenen Anordnung wird zunächst Halbleiterlaserlicht als Grundwelle erzeugt, welches dann in eine zweite harmonische Welle (z.B. blaues Licht) gewandelt wird, die in dem Substrat als Cerenkovstrahlungswelle ausgestrahlt wird. Die zweite harmonische Welle strahlt bezogen auf die Ausbreitungsrichtung der Grundwelle, die sich in der Leitungsrichtung des auf dem Substrat gebildeten Wellenleiters ausbreitet, diagonal nach unten.
Solche herkömmliche optische Wellenlängenwandlervorrichtungen für Cerenkovstrahlung haben jedoch einen schlechten Wandlungswirkungsgrad. Der Grund hierfür wird im folgenden gesehen: während die Phasenanpassungsbedingung zwischen der Grundwelle und der zweiten Harmonischen längs der Ausbreitungsrichtung der Grundwelle in der zweiten Harmonischen der Cerenkovstrahlung vollständig erfüllt werden kann, kann die Phasenanpassungsbedingung längs der Vertikalenrichtung senkrecht zur Substratoberfläche nicht immer erfüllt werden. Eine solche Phasenfehlanpassung verringert den Strahlungswirkungsgrad der zweiten Harmonischen beträchtlich.
Das Auftreten einer solchen kristallinen Phasenfehlanpassung hängt eng von der physischen Schichtstruktur eines Wellenleiters sowie dem Material und der Höhe und der Breite ab. Allgemein ist die physische Lagenstruktur des Wellenleiters in einer optischen Wellenlängenwandlervorrichtung vom Cerenkov-Typ hauptsächlich so ausgebildet, daß sie die Bedingungen für die Erzeugung der zweiten Harmonischen erfüllt, wobei diese Bedingungen als Cerenkov-Bedingungen bekannt sind. Die Wellenleiterparameter dürfen nicht in einer solchen Weise geändert werden, daß der Aufbau die Cerenkov-Bedingungen nicht erfüllt. Dies bedeutet, daß der Wellenleiter nicht beliebig ausgebildet werden kann, um die Phasenfehlanpassung zu vermeiden; die Flexibilität bei Verbesserungen in der Struktur des Wellenleiters für eine Vermeidung einer Fehlanpassung ist äußerst eng begrenzt. Demzufolge ist eine vollständige Vermeidung der Phasenfehlanpassung grundsätzlich schwierig. Vor diesem Hintergrund waren Versuche zur Verbesserung des optischen Wandlungswirkungsgrades auf den gewünschten Wert nur sehr begrenzt erfolgreich.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine neue und verbesserte optische Wellenlängenwandlervorrichtung mit einem hohen Wandlungswirkungsgrad bereitzustellen.
In Applied Physics Letters, Band 56, Nr. 3, Januar 1990, New York, USA, Seiten 206-208; K. Hayata et al.: Enhancement of the guided-wave second-harmonic generation in the form of Cerenkov radiation" wird eine SHG-Vorrichtung vom Cerenkov- Typ beschrieben, bei der das nichtlineare Suszeptibilitätsprofil die Form hat von:
einem domäneninvertierten Film mit umgekehrtem Vorzeichen der nichtlinearen Suszeptibilität in dem Substrat,
[d']film = -[d']substrate.
Des weiteren beschreibt Optics Letters, Band 33, Nr. 7, Seiten 603-605; J. Khurgin; "Improvement of frequency-conversion efficiency in waveguides with rotationally twinned layers" ebenfalls eine Frequenzwandlervorrichtung, die eine Kernführungsschicht hat, die drei geschichtete Domänen umfaßt, die relativ zueinander gepaart sind, um den Vorteil aus dem größtmöglichen effektiven Koeffizienten der zweiten Harmonischen in Richtung der Atombindung zu ziehen; die Vorrichtung ist in der Lage, eine Kopplung im TM&sub0;ω-Modus oder im TE&sub0;ω-Modus herzustellen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird eine optische Vorrichtung zur Erzeugung einer zweiten Harmonischen durch Cerenkov-Strahlungstyp-Phasenanpassung bereitgestellt, die einen Überzugsabschnitt und einen in Berührung mit dem Überzugsabschnitt gebildeten Wellenleiterabschnitt umfaßt, der einen Brechungsindex für die Grundwelle bzw. den Grundmodus hat, der höher ist als derjenige des Überzugsabschnitts; wobei wenigstens einer von dem Überzugsabschnitt und dem Wellenleiterabschnitt mehrere nichtlineare optische Materialbereiche hat, die aus einem nichtlinearen optischen Kristallmaterial hergestellt sind, wobei die Bereiche jeweils verschiedene Werte eines nichtlinearen Koeffizienten haben und angeordnet sind, um eine Phasenfehlanpassung zwischen einer Grundwelle und einer Strahlungswelle einer zweiten Harmonischen in einer Richtung im wesentlichen senkrecht zu der Ausbreitungsrichtung der Grundwelle zu kompensieren.
Die vorliegende Erfindung stellt eine Wellenlängenwandlervorrichtung bereit, die ein Substrat aus einem optischen Kristall und einen optischen Wellenleiterabschnitt hat, dessen Brechungsindex größer ist als derjenige des Substrats, wobei mindestens eines (einer) von dem Substrat und dem Wellenleiterabschnitt aus nichtlinearem optischem Kristallmaterial gefertigt ist, das Vorzeichen des nichtlinearen Koeffizienten in mindestens einem Teil des Wellenleiterabschnitts geändert wird, und eine solche lokale Änderung des Vorzeichens des nichtlinearen Koeffizienten erzielt wird, indem durch die Unterschiede der Curie-Temperatur domäneninvertierte Bereiche gebildet werden.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen einer optischen Erzeugungsvorrichtung für eine zweite Harmonische bereitgestellt, welche vom Cerenkov-Strahlungsphasen-Anpaßtyp ist, das die folgenden Schritte umfaßt: Bilden eines Wellenleiterabschnittes auf einem Überzugsabschnitt, wobei wenigstens einer von dem Wellenleiterabschnitt und dem Überzugsabschnitt aus einem ferroelektrischen Kristall hergestellt ist; Bilden eines Domänenumkehrbereiches in wenigstens einem von dem Wellenleiterabschnitt und dem Überzugsabschnitt, hergestellt aus einem ferroelektrischen Kristall; und teilweises Ändern der Zusammensetzung und der Richtung der Kristall-C-Achse des Domänenumkehrbereiches durch Ausnützen der Unterschiede von zusammensetzungsabhängigen spezifischen Temperaturen, bei denen eine Kristallphasenänderung in wenigstens einem von dem Überzugsabschnitt und dem Wellenleiterabschnitt auftritt.
Gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird eine optische Faservorrichtung zur Erzeugung einer zweiten Harmonischen durch Cerenkov-Strahlungstyp-Phasenanpassung bereitgestellt, die einen Überzugsabschnitt und einen in Berührung mit dem Überzugsabschnitt gebildeten Wellenleiterabschnitt umfaßt, der einen Brechungsindex für den Grundmodus hat, der höher ist als derjenige des Überzugsabschnitts; dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer von dem Überzugsabschnitt und dem Wellenleiterabschnitt mehrere nichtlineare optische Materialbereiche hat, die aus einem nichtlinearen optischen Kristallmaterial hergestellt sind, wobei die Bereiche jeweils verschiedene Werte eines nichtlinearen Koeffizienten haben und angeordnet sind, um eine Phasenfehlanpassung zwischen einer Grundwelle und einer Strahlungswelle einer zweiten Harmonischen in einer Richtung im wesentlichen senkrecht zu der Ausbreitungsrichtung der Grundwelle zu kompensieren.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nunmehr unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
In der folgenden detaillierten Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen; es zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Gesamtansicht einer optischen Wellenlängenwandlervorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 eine schematische Darstellung der geschnittenen Struktur eines Hauptteils der optischen Wellenlängenwandlervorrichtung der Fig. 1;
Fig. 3 ein charakteristisches Diagramm von Variationen des Wandlungswirkungsgrad-Koeffizienten in Bezug auf eine Position in der vertikalen Richtung der Wellenleiterschicht der Vorrichtung, anhand dessen das Prinzip der Verbesserung des Wandlungswirkungsgrades einer optischen Wellenlängenwandlervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung erklärt wird;
Fig. 4 eine perspektivische Gesamtansicht einer optischen Wellenlängenwandlervorrichtung;
Fig. 5 eine perspektivische Gesamtansicht einer optischen Wellenlängenwandlervorrichtung;
Fig. 6 ein Diagramm, das die Ergebnisse der aktuellen Berechnung von Variationen des Wandlungswirkungsgrad-Koeffizienten γSH unter Bezug auf den nichtlinearen Koeffizienten dG des Wellenleiterabschnitts mittels Computersimulationstechniken zeigt;
Fig. 7 eine Darstellung, die die geschnittene Struktur eines Hauptteils einer optischen Wellenlängenwandlervorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 8 eine schematische Darstellung, die die geschnittene Struktur eines Hauptteils einer optischen Wellenlängenwandlervorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 9 eine charakteristische Auftragung von Variationen des Wandlungswirkungsgrad-Koeffizienten in Bezug auf eine Position in der vertikalen Richtung der Wellenleiterschicht der Vorrichtung, anhand derer das Prinzip der Verbesserung des Wandlungswirkungsgrades einer optischen Wellenlängenwandlervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung erklärt wird;
Fig. 10A bis 10E Darstellungen zur Illustration der geschnittenen primären Strukturen, die durch die grundlegenden Herstellungsschritte der optischen Wellenlängenwandlervorrichtung der Fig. 8 erhalten werden;
Fig. 11A eine perspektivische Ansicht eines Typs einer optischen Wellenlängenwandlervorrichtung, die unter Verwendung der gestapelten Struktur, die in Fig. 10E erzeugt wird, hergestellt ist.
Fig. 11b eine perspektivische Ansicht eines anderen Typs einer Wellenlängenwandlervorrichtung, die unter Verwendung der gestapelten Struktur, die in Fig. 10E erzeugt wird, hergestellt ist.
Fig. 12 eine schematische Darstellung, die die geschnittene Struktur eines wichtigen Teils einer optischen Wellenlängenwandlervorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 13 eine schematische Darstellung, die die geschnittene Struktur eines Hauptteils einer optischen Wellenlängenwandlervorrichtung gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 14A bis 14D Darstellungen zur Illustration der geschnittenen Hauptstrukturen, die durch die grundlegenden Herstellungsschritte der optischen Wellenlängenwandlervorrichtung der Fig. 13 erhalten werden;
Fig. 15 ein Diagramm, das allgemein die Änderungen der Temperatureinstellung in Abhängigkeit von der Zeit für die Herstellungsschritte der Fig. 14A bis 14D wiedergibt;
Fig. 16 eine Schnittdarstellung eines wesentlichen Teils der Herstellungseinrichtung, anhand derer eine Ausführungsform nach einem Herstellungsverfahren für die vorerwähnten Vorrichtungen als Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung erklärt wird;
Fig. 17 eine Schnittdarstellung eines wesentlichen Teils der Herstellungseinrichtung, anhand derer eine weitere Ausführungsform in Verbindung mit einem Verfahren zur Herstellung der obenerwähnten Vorrichtungen als Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung erklärt wird;
Fig. 18 eine Schnittdarstellung eines wesentlichen Teils der Herstellungseinrichtung, anhand derer eine weitere Ausführungsform nach einem Herstellungsverfahren für die vorerwähnten Vorrichtungen als Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung erklärt wird;
Fig. 19 eine Schnittdarstellung eines Hauptteils der Herstellungseinrichtung, anhand derer eine weitere Ausführungsform nach einem Herstellungsverfahren für die vorerwähnten Vorrichtungen als Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung erklärt wird;
Fig. 20 eine Schnittdarstellung eines Hauptteils der Herstellungseinrichtung, anhand derer eine Modifikation der Ausführungsform der Fig. 19 erklärt wird; und
Fig. 21A bis 21D Darstellungen zur Illustration der geschnittenen Hauptstrukturen, die durch die grundlegenden Herstellungsschritte für eine optische Wellenlängenwandlervorrichtung gemäß einem weiteren Herstellungsverfahren als Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung erhalten werden.
In Fig. 1 ist eine für eine blaue Lichtquelle geeignete optische Wellenlängenwandlervorrichtung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung allgemein mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet. Diese optische Vorrichtung 10 hat ein Substrat 12 aus nichtlinearem optischen Kristall. Auf dem oberen Abschnitt des Substrats 12 sind mehrere Domänenumkehrschichten 14a, 14b und 14c geformt, die einen mehrlagigen Domänenumkehrabschnitt 14 bilden. Das Vorhandensein der Domänenumkehrschichten 14a, 14b und 14c ermöglicht die Änderung des Vorzeichens des nichtlinearen Koeffizienten des Substrats 12 in einer senkrechten Richtung zu diesen. Auf der Oberseite des Substrats 12 ist ein langgestreckter kanalförmiger optischer Wellenleiter 16 ausgebildet, dessen Brechungsindex größer gemacht ist als der des Substrats 12. Die Wellenleiterschicht 16 hat z.B. einen halbkreisförmigen Querschnitt. In Fig. 1 ist die Wellenleiterschicht 16 durch eine Schattierung mittels Punkten sichtbar vom Rest unterschieden.
Wenn Licht 18 von einem Halbleiterlaser mit einer gewählten Wellenlänge λ&sub1;, das als Grundwelle dient, von außen auf das Eingangsende der Wellenleiterschicht 16 der optischen Wellenlängenwandlervorrichtung 10 auftrifft, wird die Welle der zweiten Harmonischen als Ergebnis eines Vorgangs, der als nichtlinearer optischer Effekt bekannt ist, innerhalb des Substrats 12 generiert oder ausgestrahlt. Die Wellenlänge λ&sub2; der zweiten Harmonischen ist im wesentlichen die Hälfte der Wellenlänge der Grundwelle λ&sub1; (λ&sub2; = λ&sub1;/2). Die in Fig. 1 gezeigte Anordnung, bei der die Welle der zweiten Harmonischen als eine Substratstrahlungswelle generiert wird, wird im die Erfindung betreffenden technischen Gebiet als "Erzeugung der zweiten Harmonischen vom Cerenkov-Strahlungstyp" bezeichnet. Die Welle der zweiten Harmonischen strahlt wie in Fig. 1 gezeigt vom Ausgangsende des Substrats 12 schräg nach unten. Anders gesagt, die Welle 20 der zweiten Harmonischen strahlt mit einem Winkel Θ gegenüber der Ausbreitungsrichtung der Grundwelle nach unten, wobei letztere die Ausbreitung als geleitete Welle längs der Wellenleiterschicht 16 ist.
Der effektive Brechungsindex nG der Wellenleiterschicht 16 ist wie folgt festgelegt: wenn die Brechungsindizes für die Wellenlängen λ&sub1; und λ&sub2; des Subtrates 12 mit nl bzw. n2 bezeichnet sind, und der effektive Brechungsindex des Wellenleiters, der sich aus der Wellenleiterschicht 16 und dem Substrat 12 zusammensetzt, nEFF ist, wird der Brechungnsindex nG der Wellenleiterschicht 16 extra so gewählt, daß der effektive Brechungsindex nEFF die folgenden Bedingungen erfüllt:
(1) nl < nEFF < n2
Die geschnittene Struktur der optischen Wellenlängenwandlervorrichtung 10 der Fig. 1 ist detailliert in Fig. 2 wiedergegeben. Die Welle der zweiten Harmonischen, die als Cerenkov-Strahlungswelle innerhalb des Substrats 12 erzeugt wird, ist durch das Bezugszeichen 22 gekennzeichnet. In dieser geschnittenen Struktur ist der Brechungsindex des Substrats 12 über dessen gesamten internen Bereich der gleiche, sein nichtlinearer Koeffizient variiert jedoch mit dem jeweiligen Ort. In ähnlicher Weise ist der Brechungsindex der Wellenleiterschicht 16 über deren gesamten internen Bereich der gleiche, ihr nichtlinearer Koeffizient ändert sich jedoch mit dem jeweiligen Ort. Bei dieser Ausführungsform bleibt der absolute Wert des nichtlinearen Koeffizienten über den gesamten Bereich des Substrats 12 unverändert, während in dem Bereich, der die Domänenumkehrschichten 14a, 14b und 14c enthält, das Vorzeichen des nichtlinearen Koeffizienten entgegengesetzt dem anderer Bereiche ist.
Mit der so aufgebauten optischen Wellenlängenwandlervorrichtung 10 kann die Phasenfehlanpassung zwischen der Grundwelle und der Welle der zweiten Harmonischen in der Richtung senkrecht zu der Wellenleiterschicht 16 durch lokale Änderungen des nichtlinearen Koeffizienten, die durch das Vorhandensein der Domänenumkehrschichten 14a, 14b und 14c und der Wellenleiterschicht 16 in dem Substrat 12 verursacht sind, in zufriedenstellender Weise kompensiert werden. Demgemäß wird die Strahlungseffizienz der Welle 20 der zweiten Harmonischen vorzugsweise ohne Verletzung der durch Gleichung (1) gegebenen Cerenkov-Bedingung der optischen Wellenlängenwandlervorrichtung verbessert.
Das Prinzip der Verbesserung der Strahlungseffizienz gemäß der vorliegenden Erfindung wird nachstehen erläutert.
Im Fall der Vorrichtung zur Erzeugung der zweiten Harmonischen vom Cerenkov-Strahlungstyp sind die elektrischen Felder E&sub1; und E&sub2; der Grundwelle und der Welle der zweiten Harmonischen in der Form einer geleiteten und einer ausgestrahlten Welle gegeben. Sie werden durch die folgenden Gleichungen ausgedrückt:
Bei der Vorrichtung zur Erzeugung der zweiten Harmonischen vom Cerenkov-Strahlungstyp wird die Phasenanpassung in der Ausbreitungsrichtung (der x-Richtung) der Grundwelle automatisch bewirkt. Dies wird ausgedrückt durch:
(11) β&sub2; = 2β&sub1;
Die Phasenanpassungsbedingung ist jedoch in Schichtrichtung (z-Richtung) nicht erfüllt. Wie aus den Gleichungen (4) bis (6), (9) und (10) ersichtlich ist, ist es nicht möglich, die Bedingung der Gleichung (11) und die Phasenanpassungsbedingungen in z-Richtung (z.B. κG2 = 2κG1) gleichzeitig zu erfüllen. Folglich begrenzt eine solche Phasenfehlanpassung in z- Richtung den Wandlungswirkungsgrad bei der Erzeugung der zweiten Harmonischen vom Cerenkov-Typ.
Fig. 3 zeigt die Ergebnisse der Berechnung eines Beitragskoeffizienten η zum Wandlungswirkungsgrad bezogen auf den Ort in der z-Richtung der herkömmlichen Vorrichtung zur Erzeugung der zweiten Harmonischen vom Cerenkov-Strahlungstyp. Wie aus der Figur ersichtlich ist, wird das Vorzeichen von η an verschiedenen Stellen invertiert, mit dem Ergebnis, daß ein Beitrag zum Wandlungswirkungsgrad ausgeglichen oder insgesamt aufgehoben wird. Die Verwendung einer Struktur, bei der das Vorzeichen des nichtlinearen Koeffizienten an Stellen umgekehrt wird, an denen das Vorzeichen des Beitrags umgekehrt wird, würde den Wandlungswirkungsgrad wesentlich erhöhen. Die in Fig. 1 und 2 gezeigten Ausführungsformen haben jeweils eine Struktur, bei der das Vorzeichen des nichtlinearen Koeffizienten an Stellen invertiert wird, an denen das Vorzeichen von η invertiert wird.
Die vorerwähnte Ausführungsform kann wie in Fig. 4 gezeigt modifiziert werden. In dieser Figur sind gleiche Teile wie in Fig. 1 mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und die Wiederholung ihrer Erklärung entfällt.
Eine optische Wellenlängenwandlervorrichtung 50 hat ein Substrat 12, dessen nichtlinearer Koeffizient über das gesamte Substrat den gleiche Absolutwert hat, aber in dessen oberem Bereich (dem mit schrägen Linien schattierten Abschnitt in Fig. 4) und dessen unterem Bereich (dem Hauptkörper des Substrats) entgegengesetzte Vorzeichen aufweist. Eine Wellenleiterschicht 54 ist auf dem oberen Bereich 52 des Substrats ausgebildet. Die Annahme, daß die einfache Änderung des Vorzeichens des nichtlinearen Koeffizienten des Wellenleiterabschnitts den Wandlungswirkungsgrad verbessert, erscheint auf Basis der folgenden Tatsachen begründet: (1) In der Darstellung der Charakteristik der Fig. 3 ändert der Beitragskoeffizient η sein Vorzeichen im Nahbereich der Grenzfläche zwischen dem Substrat und dem Wellenleiterabschnitt; und (2) im gleichen Nahbereich wird sein absoluter Wert größer. In der Praxis machen es manche der in einer optischen Wellenlängenwandlervorrichtung verwendeten Materialien und/oder Strukturen schwierig, das Vorzeichen des nichtlinearen Koeffizienten lokal zu ändern, wobei in diesem Fall die in Fig. 4 gezeigte Struktur von Nutzen ist.
Für den Fall, daß selbst eine Änderung des Vorzeichens des nichtlinearen Koeffizienten schwierig ist, bildet einfaches Setzen des nichtlinearen Koeffizienten des durch schräge Linien markierten Bereichs 52 in Fig. 4 auf Null (d.h., der nichtlineare Koeffizient der Wellenleiterschicht 54 wird ebenfalls zu Null) einen praktischen Beitrag zur Verbesserung des Wandlungswirkungsgrades. Insbesondere dann, wenn das Vorzeichen des nichtlinearen Koeffizienten über den gesamten Bereich des Substrats 12 unverändert bzw. konstant bleibt, gleicht der Beitragskoeffizient η des Hauptabschnitts des Substrats denjenigen des Wellenleiterabschnitts aus. Wird folglich der nichtlineare optische Koeffizient wenigstens in einem lokalen Abschnitt zu Null gemacht, verbessert dies den Wandlungswirkungsgrad.
Eine optische Wellenlängenwandlervorrichtung ist in Fig. 5 durch das Bezugszeichen 60 bezeichnet. Ein Substrat 62 besteht aus einem nichtlinearen optischen Kristall. Auf dem oberen Bereich des Substrats 62 ist eine Schicht 64 mit einem langen, schmalen, streifenförmigen Überstand 66 ausgebildet, der aus optischem Kristallmaterial besteht, dessen nichtlinearer Koeffizient im wesentlichen Null ist. Der Überstand 66 definiert einen Wellenleiterabschnitt. Der Brechungsindex sowohl für das Substrat 62 als auch für den Wellenleiterabschnitt 66 wird durch die oben beschriebene Gleichung (1) bestimmt. Mit dieser Anordnung erzeugt die Aufbringung der Grundwelle 18 die Welle 20 der zweiten Harmonischen am Ausgangsende der Vorrichtung 60 mit einem höheren Wandlungswirkungsgrad als bei deren herkömmlichen Gegenstücken.
Das Diagramm der Fig. 6 stellt die Resultate tatsächlich berechneter Variationen des Wandlungswirkungsgrad-Koeffizienten γSH unter Bezug auf den nichtlinearen optischen Koeffizienten dG des Wellenleiterabschnittes mittels Computersimulationstechniken für die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar. Wie aus der Figur hervorgeht, ist bei einer Dicke h der Wellenleiterschicht von z.B. 0,4 µm, wenn deren nichtlinearer optischer Koeffizient dG identisch mit demjenigen des Subtrates (ds) ist, der Wandlungswirkungsgrad γSH ein Minimum. Wenn in dieser Situation der nichtlineare Koeffizient dG des Wellenleiterabschnitts Null war, war der Wandlungswirkungsgrad-Koeffizient γSH neunmal so groß, und wenn das Vorzeichen des nichtlinearen Koeffizienten dG umgekehrt demjenigen des Substrats 12 war, war er überraschenderweise 24mal so groß.
Obwohl ein einfacher Wellenleiter mit drei Schichten für die oben beschriebene Ausführungsform verwendet wurde, ist die vorliegenden Erfindung nicht darauf beschränkt und kann auf jeden anderen Mehrschichten-Wellenleiter angewendet werden. In diesem Fall wird der Beitragskoeffizient η zum Wandlungswirkungsgrad wie in Fig. 3 gezeigt berechnet, und das Vorzeichen der nichtlinearen optischen Konstante wird an Orten invertiert, an denen das Vorzeichen des Beitragskoeffizienten invertiert wird, oder die Anordnung wird so gestaltet, daß die nichtlineare optische Konstante an diesen Stellen nahezu gleich Null wird.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf einen Plattenwellenleiter beschränkt und ist gleichermaßen auf die Erzeugung von Wellen der zweiten Harmonischen durch Cerenkov-Strahlung mittels anderer dreidimensionaler Wellenleiter anwendbar. Fig. 7 zeigt eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der die Welle der zweiten Harmonischen durch Cerenkov-Strahlung unter Verwendung eines optischen Faserbündels als Wellenleiter erzeugt wird. Bei dieser Ausführungsform ist eine zylindrische Überzugsschicht 70 aus einem nichtlinearen optischen Kristall hergestellt. Innerhalb der Überzugsschicht befinden sich röhrenförmige, domäneninvertierte, nichtlineare optische Kristallbereiche 72a, 72b und 72c, die konzentrisch zueinander und übereinandergelegt sind. Bei dieser Anordnung entspricht der innere Zentralbereich 74, der durch eine gestrichelte Linie 76 markiert ist, einem Wellenleiterabschnitt. Das Bezugszeichen 78 bezeichnet Laserlicht der Grundwelle, das von außen eingestrahlt wird, und 80 die Ausgangswelle der zweiten Harmonischen.
Mit den optischen Wellenlängenwandlervorrichtungen gemäß den oben beschriebenen Ausführungsformen kann der Wandlungswirkungsgrad durch lokale Änderungen des Absolutwertes und/oder des Vorzeichens des nichtlinearen optischen Koeffizienten innerhalb des nichtlinearen optischen Substratmaterial bei der Erzeugung der Welle der zweiten Harmonischen mittels Cerenkov-Strahlung verbessert werden. Derartige Änderungen des nichtlinearen optischen Koeffizienten können einfach und wirkungsvoll ohne jede Verletzung der Cerenkov-Strahlungsbedingungen erhalten werden. Folglich stellt das Konzept der vorliegenden Erfindung eine seit langem erwartete Lösung aller obigen Probleme auf einmal dar, die wahrscheinlich von großem Nutzen für die Hersteller von Halbleitern sein wird.
Die Umkehrung des Vorzeichens des nichtlinearen Koeffizienten kann auch durch Invertieren der Kristalldomäne erreicht werden. Einige Strukturen, die dieses Konzept verwenden, werden nachstehend beschrieben.
In Fig. 8 hat eine optische Wellenlängenwandlervorrichtung 100 ein Substrat 102, das aus nichtlinearem optischem Material wie LiNbO&sub3;-Kristall (im folgenden durch LN abgekürzt) hergestellt ist. Aufeinanderfolgend sind auf dem Substrat 102 eine erste und eine zweite dielektrische Schicht 104 und 106 gestapelt, die eine optische Wellenleiterschicht 108 bilden. Der effektive Brechungsindex nG der Wellenleiterschicht 108 ist so gemacht, daß die vorerwähnte Bedingungsgleichung (1) erfüllt ist. Es ist anzumerken, daß in Fig. 8 ein Pfeil in jeder der Schichten 102, 104 und 106 die Richtung der Kristallachse in der jeweiligen Schicht anzeigt.
Die erste und die zweite dielektrische Schicht 104 und 106 unterscheiden sich in ihren Curie-Temperaturen, die ein Invertieren der Kristallachse wenigstens in Teilen der Kristallachse der Wellenleiterschicht 108 ermöglichen. Genauer gesagt, die Kristallachse der ersten dielektrischen Schicht 104 ist derjenigen des Substrats 102 entgegengerichtet, während die Richtung der Kristallachse der zweiten dielektrischen Schicht 106 die gleiche ist wie die des Substrats 102. Wenn bei dieser Anordnung Laserlicht 110 der Grundwelle mit einer Wellenlänge λ von außen in ein Ende der optischen Wellenleiterschicht 108 in der optischen Wellenlängenwandlervorrichtung 100 eingestrahlt wird, wird die Welle der zweiten Harmonischen mit einer Wellenlänge von λ&sub2; (= λ&sub1;/2) entlang des Pfeiles 113 in dem Substrat 102 ausgestrahlt, und zwar in Form von Cerenkov-Lichtstrahlung als Resultat des nichtlinearen optischen Effekts. Anschließend wird die Welle 112 der zweiten Harmonischen am anderen Ende des Substrats 102 ausgestrahlt.
Wie oben beschrieben, ist bei der Anordnung, bei der die Richtung der Kristallachse wenigstens in einem Teil der Wellenleiterschicht 108 invertiert ist, der Wandlungswirkungsgrad verbessert. Der zugrundeliegende Mechanismus wird im folgenden erläutert.
Ein charakteristisches Diagramm, das demjenigen der Fig. 3 weitgehend ähnlich ist, ist nochmals in Fig. 9 gezeigt, die Variationen des Beitragskoeffizienten η zum Wandlungswirkungsgrad in Bezug auf den Ort in Richtung der Tiefe der Wellenleiterschicht in einer Vorrichtung zur Erzeugung der zweiten Harmonischen vom Cerenkov-Strahlungstyp wiedergibt. Wie durch eine durchgezogene Linie 114 in Fig. 9 gezeigt, ändert sich das Vorzeichen des Koeffizienten η in der Nähe der Grenzfläche zwischen dem Substrat 102 und der optischen Wellenleiterschicht 108 in ausgeprägter Weise. Insbesondere hat das Vorzeichen des Koeffizienten η auf der Substratseite des Grenzbereichs einen positiven Wert, während es auf der Seite der Wellenleiterschicht einen plötzlichen Wechsel zum negativen Wert erfährt, wie dies die durchgezogene Linie 116 verdeutlicht. Eine solche Vorzeichenumkehr des Beitragskoeffizienten η resultiert in der Aufhebung der Beitragskoeffizienten η in beiden Bereichen (des Substrats und der Wellenleiterschicht), wodurch der Wandlungswirkungsgrad für die gesamte Vorrichtung 100 verringert wird. Wenn in dieser Situation wie oben beschrieben ein Domänenumkehrbereich in die Wellenleiterschicht 108 eingefügt wird, werden Änderungen des Beitragskoeffizienten η in Abhängigkeit vom Ort z modifiziert, wie dies die gestrichelte Linie 118a in Fig. 9 verdeutlicht. Das heißt, der plötzliche Wechsel 116 zur negativen Polarität im Bereich der Wellenleiterschicht ist invertiert, so daß ein spiegelbildlicher Verlauf mit positivem Vorzeichen entsteht, der durch die positive Variationskurve 118a dargestellt ist. Im Ergebnis tritt keine Aufhebung der Beitragskoeffizienten η für das Substrat 102 und die Wellenleiterschicht 108 ein, wodurch sich eine beträchtliche Erhöhung des Wandlungswirkungsgrades für die gesamte optische Wellenlängenwandlervorrichtung 100 ergibt.
Die Domänenumkehr in dem Substrat, die durch eine gestrichelte Linie 118b in Fig. 9 repräsentiert ist, hat ebenfalls eine Auswirkung auf die Verbesserung des Wandlungswirkungsgrades. Ein Beispiel einer solchen Struktur wird an späterer Stelle in dieser Beschreibung gegeben.
Ein Verfahren zur Herstellung der optischen Wellenlängenwandlervorrichtung 100, die die dielektrischen Schichten 104 und 106 der Fig. 8 hat, wird unter Bezug auf die Fig. 10A bis 10E beschrieben.
Wie dem Fachmann bekannt ist, variiert die Curie-Temperatur eines dielektrischen Kristalls mit dem Zusammensetzungsverhältnis des Kristalls und dem Vorliegen von Verunreinigungen. Zum Beispiel bewirkt in einem LN-Kristall eine Änderung des Verhältnisses der Anzahl von Li-Atomen zu der von Nb- Atomen in einer Änderung der Curie-Temperatur.
In diesem Ausführungsbeispiel wird zunächst ein Substrat 102 aus MgO-dotiertem LN-Kristall wie in Fig. 10A gezeigt hergestellt, dessen Kristallachse durch das Bezugszeichen 120 bezeichnet ist. Auf dem Substrat 102 wird durch Aufwachsen eine erste dielektrische Schicht 104 mit einer Dicke von nahezu 0,2 µm bei z.B. 800ºC mittels der Technik der Flüssigphasen-Epitaxie gebildet, wobei V&sub2;O&sub5; als Flußmittel dient. An diesem Punkt unterscheidet sich die Richtung der Kristallachse in der dielektrischen Schicht 104 von Ort zu Ort wie in Fig. 10A gezeigt. Das LN-Substrat 102 hat eine hohe Curie-Temperatur, so daß seine Kristallachse unter den gleichen Temperaturbedingungen unverändert bleibt.
Anschließend werden wie in Fig. 10B gezeigt Metallfilme 122 und 124 auf dem Substrat 102 und der dielektrischen Schicht 104 ausgebildet. Eine Gleichspannungsquelle 126 (DC) legt eine vorgewählte Gleichspannung Vs über diesen Metallfilmen 122 und 124 an, die ein dementsprechend starkes elektrisches Feld innerhalb des Substrats 102 und der dielektrischen Schicht 104 aufbaut. In diesem Zustand wird eine Wärmebehandlung über 3 bis 5 Stunden bei Temperaturen oberhalb des Curie-Punktes der dielektrischen Schicht 104, aber unterhalb desjenigen des Substrats 102, bei z.B. 500ºC vorgenommen. Anschließend werden die Metallfilme 122 und 124 abgetragen. Die dielektrische Schicht 104 kann in einfacher Weise als Nb-reicher Kristall ausgebildet werden, indem von vornherein das Verhältnis Li/Nb im verwendeten Flußmittel geeignet eingestellt wird. Die aus einem solchen Kristall gebildete dielektrische Schicht 104 hat eine niedrige Curie-Temperatur, die eine Wärmebehandlung von 500ºC für eine einfache Reorientierung der Kristallachsen in der gleichen Richtung, jedoch entgegengesetzt zu derjenigen des Substrats 102 zuläßt, wie durch einen Pfeil 128 in Fig. 10C angedeutet,
Dann wird, wie in Fig. 10D gezeigt, auf der ersten dielektrischen Schicht 104 eine zweite dielektrische Schicht 106 mittels der Technik der Flüssigphasen-Epitaxie gebildet. Diese zweite dielektrische Schicht 106 wird mit einem höheren Überschuß an Nb gemacht als die erste dielektrische Schicht 104, wodurch ihre Curie-Temperatur niedriger ausfällt als diejenige der letzteren.
Danach werden, wie in Fig. 10E gezeigt, auf dem Substrat 102 und der zweiten dielektrischen Schicht 106 zwei Metallfilme 130 und 132 ausgebildet. Die Gleichspannungsquelle 126 wird über diese Elektroden 130 und 132 angeschlossen, die das Anlegen einer Gleichspannung Vs über das Substrat 102 und die dielektrische Schicht 106 ermöglichen. In diesem Zustand wird die Wärmebehandlung für 3 bis 5 Stunden bei einer Temperatur oberhalb des Curie-Punktes der zweiten dielektrischen Schicht 106, aber unterhalb desjenigen der ersten dielektrischen Schicht 104, z.B. bei 400ºC vorgenommen. Dabei bleibt die Kristallachse in der ersten dielektrischen Schicht 104 unverändert, während die Kristallachse in der zweiten dielektrischen Schicht 106 so verändert wird, daß sie die Richtung des Pfeils 134 aufweist, der die gleiche Richtung wie das Substrat 102 hat.
Demzufolge wird ein optischer Wellenleiter 108 mittels der Protonen-Austauschtechnik oder ähnlichem bei einer Temperatur von nahezu 230ºC ausgebildet, um den Variationen des Brechungsindex gemäß der obenbeschriebenen Bedingungsgleichung (1) zu entsprechen. Damit wird ein komplettes optisches Wellenlängenwandlerelement wie in Fig. 11A gezeigt erhalten. Während bei der obigen Ausführungsform die Struktur der dielektrischen Schicht zweilagig ist, kann sie wie in Fig. 11B gezeigt einlagig sein, wobei in diesem Fall die Kristallachse der dielektrischen Schicht 104 invertiert ist. Bei dieser Anordnung wird, obwohl der Beitragskoeffizient η zum Wandlungswirkungsgrad über den gesamten Bereich der Wellenleiterschicht in Fig. 9 invertiert ist, der resultierende Wandlungswirkungsgrad mit Sicherheit verbessert, da in dem Bereich die Integrationskomponente mit negativer Polarität größer ist als die positive, wie dies die durchgezogene Linie 116 verdeutlicht. Bei dieser Ausführungsform werden die dielektrischen Schichten 104 und 106 mit Hilfe der Flüssigphasen-Epitaxie hergestellt, es können jedoch auch andere Aufwachsverfahren einschließlich MOCVD- und MBE-Techniken eingesetzt werden.
Bei dieser Ausführungsform kann eine Domäneninversionsschicht in der optischen Wellenleiterschicht 108 ausgebildet werden, indem man den Unterschied der Curie-Temperaturen zwischen den dielektrischen Schichten 104 und 106 nutzt, die die Wellenleiterschicht 108 bilden, wodurch der Beitragskoeffizient zum Wandlungswirkungsgrad in der Wellenleiterschicht 108 erhöht wird. Dementsprechend ist es möglich, ein optisches Wellenlängenwandlerelement mit einem hohen Wandlungswirkungsgrad herzustellen.
In Fig. 12 ist eine optische Wellenlängenwandlervorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung allgemein mit dem Bezugszeichen 140 bezeichnet. Hierbei sind gleiche Teile wie in Fig. 8 mit gleichen Bezugszeichen versehen und ihre detaillierte Beschreibung entfällt.
Diese Ausführungsform 140 ist dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrischen Pufferschichten 142 und 144 zusätzlich zwischen der Oberseite des Substrats 102 und den gestapelten dielektrischen Schichten 104 und 106 ausgebildet sind. Genauer gesagt, die Pufferschichten 142 und 144 sind aufeinandergestapelt und zwischen das Substrat 102 und die gestapelte Struktur der dielektrischen Schichten 104 und 106 eingefügt. Die Wellenleiterschicht 108 entsprechend der Ausführung der Fig. 8 ist in den gestapelten Wellenleiterschichten 104 und 106 in der gleichen Weise wie z.B. in Fig. 11A definiert. In Fig. 12 repräsentiert ein Pfeil in jeder der Schichten 102, 104, 106, 142 und 144 die Richtung der Kristallachse in der jeweiligen Schicht. Die Richtung der Kristallachse in der ersten Pufferschicht 142 ist entgegengesetzt derjenigen des Substrats 102, während die Richtung der Kristallachse der zweiten Pufferschicht 144 die gleiche ist wie diejenige des Substrats 102. Eine solche Ausrichtung der Kristallachsen in der Mehrlagenstruktur kann relativ einfach erhalten werden, indem der Curie-Punkt beginnend mit der Substratschicht 102 in Richtung nach oben abgesenkt und der in der obigen Ausführungsform beschriebene Domänenumkehrprozeß bei einer spezifischen Temperatur durchgeführt wird.
Für die optische Wellenlängenwandlervorrichtung 140 ermöglicht sogar eine Domänenumkehr in dem Substrat 102 eine Umkehr des Beitragskoeffizienten η in die positive Polarität, wie dies durch die gestrichelten Linien 118a und 118b in der Charakteristikauftragung der Fig. 9 gezeigt ist, was größere Verbesserungen des Wandlungswirkungsgrades als bei der Ausführungsform der Fig. 8 erwarten läßt.
In einer optischen Wellenlängenwandlervorrichtung 150 gemäß einer fünten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Fig. 13 ist eine optische Wellenleiterschicht 152 aus mittels Ionenimplantation mit Fremdstoff dotierten Schichten 154 und 156 unmittelbar auf dem Oberflächenbereich des Substrats ausgebildet. Die erste mit Fremdstoff dotierte Schicht 154 wird so in dem Substrat 102 gebildet, daß sie eine im wesentlichen langgestreckte, schmale halbzylindrische Form von vorgewählter Größe aufweist. Die zweite mit Fremdstoff dotierte Schicht 156 in langgestreckter, schmälerer halbzylindrischer Form wird so gebildet, daß sie in die erste Schicht 154 eingebettet ist. Die Richtungen der Kristallachsen in jeder dieser mit Fremdstoff dotierten Schichten 154 und 156 sind, wie durch die Pfeile in Fig. 13 angedeutet, einander entgegengesetzt; die Richtung der Kristallachse in der ersten mit Fremdstoff dotierten Schicht 154 ist entgegengesetzt derjenigen des Substrats 102, während die Richtung der Kristallachse in der zweiten Schicht 156 die gleiche ist wie diejenige des Substrats 102. Diese Anordnung trägt ebenfalls zur Verbesserung des Wandlungswirkungsgrades bei.
Ein Verfahren zur Herstellung der optischen Wellenlängenwandlervorrichtung 150 der Fig. 13 wird unter Bezug auf die Fig. 14A bis 14D und Fig. 15 erläutert. Neben der Technik der Nutzung eines Unterschiedes im Zusammensetzungsverhältnis des Kristalls kann durch geeignete Wahl von Art und Menge der Fremdstoffe die Curie-Temperatur im dielektrischen Kristall verändert werden. Diese Ausführungsform verwendet wie weiter unten erläutert die Domänenumkehrtechnik mittels Ionenimplantation.
Wie in Fig. 14A gezeigt, werden zuerst Bereiche des Substrats 102, die keine Domänenumkehr erfahren sollen, mit einer Formmaske 158 abgedeckt. Ti-Ionen werden mit einer Rate von z.B. 1 x 10¹&sup8; cm&supmin;³ als Maximalkonzentration in den Domänenumkehrbereich implantiert. Die Wärmebehandlung erfolgt während einer Stunde bei nahezu 800ºC, um Rekristallation und Diffusion zu ermöglichen. Dadurch wird die erste dielektrische Schicht 154 erzeugt. An diesem Punkt variiert die Kristallachse in der Ionenimplantationsschicht von Ort zu Ort und der Curie-Punkt der dielektrischen Schicht 154 ist nahezu 900ºC.
Anschließend wird ein Metallfilm (nicht dargestellt) auf dem Oberflächenbereich einschließlich wenigsten der ersten dielektrischen Schicht 154 aufgebracht. Danach wird, während wie in Fig. 14B gezeigt eine Gleichspannungsquelle 160 eine geeignete Spannung über das Substrat anlegt (das erste Aufbringen eines elektrischen Feldes), die Wärmebehandlung unter geeigneten Temperaturbedingungen (z.B. 1000ºC) durchgeführt, die höher sind als der Curie-Punkt der dielktrischen Schicht 154 und eine Domänenveränderung in dem Substrat 102 nicht beeinträchtigen. Im Ergebnis stellt sich eine Domänenumkehr in der ersten dielektrischen Schicht 154 ein.
Danach wird, wie in Fig. 14C gezeigt, auf der resultierenden Substratstruktur eine Abdeckmaske 162 aufgebracht, die einen kleineren Durchmesser offenläßt als die Abdeckmaske 158.
Darauf folgt die Ti-Ionenimplantation bei einer Rate der Maximalkonzentration von 1 × 10²&sup0; cm&supmin;³, die die zweite dielektrische Schicht 156 ausbildet. Danach wird, wie in Fig. 14D gezeigt, während die Gleichspannungsquelle 160 eine geeignete Spannung anlegt (das zweite Aufbringen eines elektrischen Feldes), die Wärmebehandlung unter Temperaturbedingungen (z.B. 820ºC) durchgeführt, die höher sind als der Curie-Punkt der zweiten dielektrischen Schicht 156, aber niedriger als derjenige der ersten dielektrischen Schicht 154. Dieser Prozeß bewirkt, daß die Richtung 164 der Kristallachse in der zweiten dielektrischen Schicht 156 die gleiche ist wie die im Substrat 102.
Danach wird die optische Wellenleiterschicht 152 mittels der Protonenaustauschtechnik o.dgl. gebildet, um eine Veränderung des Brechungsindex mit der oben erwähnten Bedingungsgleichung (1) in Einklang zu bringen. Nunmehr ist das optische Wellenlängenwandlerelement 150 fertiggestellt. Wenn eine Veränderung des Brechungsindex in der dielektrischen Schicht 154 aufgrund der Ionenimplantation die Gleichung (1) erfüllt, ist der Protonenaustauschprozeß nicht notwendig.
Bei dieser Ausführungsform trägt der Unterschied im Grad der Fremdstoffdotierung zwischen den dielektrischen Schichten 154 und 156, die die Wellenleiterschicht 152 bilden, zur Erzeugung von Domänenumkehrschichten mit jeweils entgegengesetzten Polarisationsrichtungen innerhalb der Wellenleiterschicht bei, die den Beitragskoeffizienten zum Wandlungswirkungsgrad in der optischen Wellenleiterschicht 152 erhöhen. Demzufolge ist es ebenso wie mit der vorherigen Ausführungsform möglich, ein optisches Wellenleiterelement mit einem hohen Wandlungswirkungsgrad herzustellen.
Fig. 15 zeigt allgemein Temperaturvariationen in Abhängigkeit von der Zeit für den oben beschriebenen Herstellungsprozeß. Hierbei entspricht eine Zeit A einem Ti-Dotierungsprozeß; Zeit B dem ersten Aufbringen eines elektrischen Feldes (Fig. 14B); Zeit C dem zweiten Ti-Dotierungsprozeß; und Zeit D dem zweiten Aufbringen eines elektrischen Feldes. Eine gestrichelte Linie 164 kennzeichnet die Curie-Temperatur der Pufferschicht 154, während eine gestrichelte Linie 166 diejenige der Pufferschicht 156 repräsentiert.
Bei dieser Ausführungsform wird die Ti-Ionenimplantationstechnik genutzt, wobei jedoch auch andere Techniken Verwendung finden können. Beispielsweise liefern die Diffusion von Fremdstoffen wie Li- oder Nb-Atomen, Neutronenbestrahlung und radioaktive Bestrahlung sämtlich die gleichen Ergebnisse. Zusätzlich können durch die wiederholte Anwendung solcher Prozesse mehr Pufferschichten bereitgestellt werden.
Die optischen Wellenlängenwandlervorrichtungen 100, 140 und 150, deren dielektrische Pufferschichten wie oben beschrieben gestapelt und in ihren Kristallachsenrichtungen invertiert sind, können durch direkte Kontrolle des Li/Nb-Verhältnisses bei der Durchführung des epitaxialen Kristallwachstums während des Fertigungsprozesses hergestellt werden, der im folgenden detailliert beschrieben wird.
Wie in Fig. 16 gezeigt, werden die gewählten Flußmittel und LN-Materialien in einen Platintiegel 170 eingebracht, gemischt und geschmolzen, der anschließend das resultierende Lösungsgemisch 172 enthält. Normalerweise wird unter Eintauchen eines LN-Substrats 174 in die Lösung 172 die Temperatur nach und nach abgesenkt, um eine einkristalline Schicht zu bilden. Während der Bildung einer einkristallinen Schicht aus der Lösung wird durch eine Gleichspannungsquelle 176 ein geeignetes elektrisches Feld über einen leitenden Tragstab 178 auf das LN-Substrat 174 aufgebracht, um einen Konzentrationsunterschied zwischen positiven Ionen 180 und negativen Ionen 182 unmittelbar unter dem LN-Substrat 174 zu erzeugen. In diesem Zustand erlaubt die allmähliche Absenkung der Temperatur der flüssigen Phase die Bildung einer einkristallinen Schicht. Im Fall der Fig. 16 ist die Konzentration der positiven Nb-Ionen unmittelbar unter dem Substrat 174 höher, so daß eine LN-Kristallschicht mit einem höheren Nb-Verhältnis aufwachsen kann. Damit kann die bei der Ausführungsform 100 beschriebene Domänenumkehr mit einer höheren Wiederholgenauigkeit bei einem niedrigeren Curie- Punkt erzielt werden.
Dieses Verfahren kann verwendet werden, um Verunreinigungen zu entfernen, die nicht in die LN-Wellenleiterschicht gelangen dürfen. Zusätzlich kann während des Kristallwachstums durch abwechselnde Änderung der Richtung des elektrischen Feldes der Curie-Punkt in Abhängigkeit vom Ort innerhalb der einkristallinen Schicht veränderlich gemacht werden. Des weiteren ermöglicht die Verwendung eines Substrats mit hohem Curie-Punkt für das epitaxiale Schichtwachstum eine Richtung der Kristallachse in der epitaxialen Aufwachsschicht umgekehrt zu derjenigen des Substrats.
Noch mehr von Bedeutung ist, daß dieses Verfahren nicht nur auf die Flüssigphasen-Expitaxialtechnik, sondern auch auf die Dampfphasen-Epitaxialtechnik angewendet werden kann. In Fig. 17 wird bei auf einer Trägerbasis 190 angeordnetem LN- Substrat mittels einer Platinelektrode 192 während des Kristallwachstums ein elektrisches Feld an die Oberfläche des Substrats angelegt. Dadurch wird es möglich, die Anhaftung von Molekülen mit positiven Polarisationsmomenten zu kontrollieren, was im wesentlichen zu den gleichen Ergebnissen wie mit der Flüssigphasen-Epitaxialtechnik führt.
Bei einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird wie in Fig. 18 gezeigt eine Technik zur Reinigung der Lösung für das Kristallwachstum verwendet. Genauer gesagt, geschmolzenes LN wird in einem Platintiegel 202 gehalten. In diesem Zustand wird über einen in das geschmolzene LN 200 eintauchten Platinstift 204 z.B. durch eine Gleichspannungsquelle 206 ein elektrisches Feld an die Lösung 200 angelegt, so daß sich mehr positive Ionen um den Platinstift 204 ansammeln können. Langsames Absenken der Temperatur in der LN-Lösung 200 bewirkt, daß sich mit Verunreinigungen belastete LN-Polykristalle an dem Platinstab anlagern. Nachdem der Stab 204 entfernt ist, kann durch einkristallines Kristallwachstum ein hochreiner LN-Einkristall erhalten werden.
Mit einem weiteren in die Lösung eingetauchten Platinstab und einem an diese angelegten positiven elektrischen Feld können ähnliche Prozesse wie oben beschrieben ausgeführt werden, um LN-Polykristalle mit negativen Ionen an dem Platinstab anzulagern. Nach dem Entfernen des Platinstabs kann das Wachstum des Einkristalls erfolgen. Das getrennte Anlegen positiver und negativer Felder mittels zweier Platinstäbe macht es möglich, geschmolzenes LN mit einem hohen Reinheitsgrad zu erhalten. Dementsprechend ist es möglich, einen LN-Einkristall zu erzeugen, der als optischer Kristall verwendet werden kann.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung nach Fig. 19 wird erläutert, die auf ein Verfahren zur Herstellung eines LN- Substrats mit hohem Curie-Punkt abzielt. Wie aus Fig. 8 ersichtlich, durchläuft die erzeugte Welle der zweiten Harmonischen den Substratkristall und wird von dem optischen Wellenlängenwandlerelement abgestrahlt. Liegt demzufolge irgendeine Unregelmäßigkeit auf dem Weg der Welle der zweiten Harmonischen in dem Substratkristall vor, z.B. eine Schwankung des Brechungsindex, wird die Welle der zweiten Harmonischen gestreut oder gebrochen, so daß es selbst mit einer optischen Linse nicht möglich ist, das abgestrahlte Licht zu bündeln. Insbesondere im Fall der Herstellung von LN-Kristall mit hohem Leistungsschwellenwert gegenüber optischen Beschädigungen durch Hinzufügung von MgO und ähnlichem führen Schwankungen in der Mg-Konzentration unmittelbar zu Schwankungen beim Brechungsindex, so daß dieser nicht als optisches Substrat verwendet werden kann. Eine Hauptursache für Schwankungen der Mg-Konzentration ist Konvektion innerhalb der Lösung. Die Zugabe von MgO zu dem geschmolzenen LN erhöht dessen Viskosität, wodurch in Abständen von einigen zehn Minuten bis zu mehreren Stunden anstatt nur geringfügiger sehr heftige thermische Schwingungen verursacht werden. Die Größe der thermischen Schwingungen reicht von 5 bis 15ºC. Infolge der thermischen Schwingungen entwickeln die Änderungen der Mg-Konzentration Streifen in Abständen von einigen 100 Mikrometern bis zu einigen Millimetern im gewachsenen Kristall.
Es ist bekannt, daß solche durch Konvektion verursachte Streifen im Halbleiterkristall z.B. durch das Anlegen äußerer Magnetfelder oder andere Maßnahmen zur Unterdrückung von Konvektion in der Lösung vermieden werden können. Der elektrische Widerstand geschmolzener Oxidmaterialien wie LN ist jedoch für den praktischen Einsatz zu hoch. Im Gegensatz dazu erzeugt beim Anlegen eines elektrischen Feldes an das geschmolzene LN zur Unterdrückung thermischer Schwingungen das Aufwachsen des Einkristalls einen gleichförmigen LN- Einkristall.
Wie in Fig. 19 gezeigt, wurde geschmolzenes LN 210 (400 g) in einen Platintiegel (von 50 mm Durchmesser) eingebracht und auf über 1200ºC erhitzt, um es in einem geschmolzenen Zustand zu halten. Anschließend wurde mit einer Platinelektrode 214, die mit der Oberfläche des geschmolzenen LN in Kontakt gebracht wurde, eine Gleichspannung von 100 V aus einer Gleichspannungsquelle 206 an die Elektrode angelegt. Die Oberflächenelektrode 214 hatte eine Öffnung 216 in ihrer Mitte, durch die das Wachstum in Richtung der C-Achse (Kristallachse) 218 mit einer Ziehgeschwindigkeit von 5 mm/h bei einer Drehgeschwindigkeit von 5 U/min erfolgte. Der gezogene Kristall 220 mit einem Durchmesser von nahezu 25 mm war frei von signifikanten Streifen und bildete damit einen optisch hervorragenden Einkristall.
Wie in Fig. 20 gezeigt, reduziert ein Einstellen der Elektrode 214 im Abstand von ein oder zwei Millimetern über der Oberfläche der Lösung ebenfalls die thermischen Schwingungen an der Oberfläche der Lösung und führt zu guten Ergebnissen.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die obigen Ausführungsformen beschränkt. In den bisher erläuterten Ausführungsformen wurde die Beschreibung anhand von LN vorgenommen, die vorliegende Erfindung kann jedoch auch auf andere Arten von dielektrischen Kristallen und nichtlinearen optischen Oxidkristallen angewendet werden. Als Einrichtung zur Bildung einer optischen Wellenleiterschicht konnten dielektrische Filme mit unterschiedlichen Domänenausrichtungen aufeinandergestapelt werden, anstatt Kristallwachstumstechniken einzusetzen.
Beispielsweise kann das Herstellungsverfahren der Fig. 10A bis 10E wie in Fig. 21A bis 21C gezeigt modifiziert werden, wobei eine größere Anzahl dielektrischer Schichten 302, 304, 306, 308, 310 und 312 nacheinander auf das Substrat 102 gestapelt werden. Das damit beschriebene Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichspannungsquelle 126 elektrisch mit dem Substrat 102 und den gestapelten Schichten 302, 304, 306, 308, 310 und 312 verbunden wird, nachdem alle diese Schichten auf dem Substrat 102 ausgebildet sind.
Genauer gesagt, die dielektrischen Schichten 302, 304, 306, 308, 310 und 312, die sich in ihren Curie-Punkten voneinander unterscheiden, sind wie in Fig. 21A gezeigt aufeinanderfolgend auf dem Substrat 102 gestapelt. Die Curie-Punkte dieser Schichten 302, 304, 306, 308, 310 und 312 sind speziell festgelegt, so daß wechselweise aufgebrachte Schichten 302, 306 und 310 unter demjenigen des Substrats 102 liegen, und die übrigen Schichten 304, 308 und 312 hinsichtlich ihrer Curie-Punkte sogar noch niedriger liegen als die obigen Schichten 302, 306 und 310.
Danach werden wie in Fig. 21B gezeigt die leitenden Elektrodenschichten 314 und 316 auf den einander gegenüberliegenden Oberflächen der resultierenden Mehrlagenstruktur gebildet. Eine Gleichspannungsquelle 318 ist entsprechend Fig. 21B mit den Elektroden 314 und 316 verbunden. Dann wird die Wärmebehandlung bei einer bestimmten Temperatur durchgeführt, während ein elektrisches Feld innerhalb der Mehrlagenstruktur aufgebaut ist. Die Temperatur wird so gewählt, daß sie unter dem Curie-Punkt des Substrats 102, aber über denjenigen der Schichten 302, 306 und 310 liegt. Im Ergebnis sind sämtliche gestapelten Schichten 302, 304, 306, 308, 310 und 312 wie in Fig. 21B gezeigt in der gleichen Richtung polarisiert.
Die Gleichspannungsversorgung 318 wird entsprechend Fig. 21C umgekehrt an die Struktur angeschlossen, so daß die Polarität der Spannung vertauscht ist, um ein elektrisches Feld in entgegengesetzter Richtung innerhalb der Struktur zu erzeugen. Während das elektrische Feld angelegt ist, wird die zweite Wärmebehandlung bei einer anderen Temperatur vorgenommen, die so gewählt ist, daß sie höher ist als die Curie- Punkte der Schichten 304, 308 und 312, aber niedriger als diejenigen der übrigen Schichten 302, 306 und 310. Bei einer solchen Behandlung werden nur die Schichten 304, 308 und 312 wie in Fig. 21C gezeigt umgepolt. Die Schichten 302, 306 und 310 sind wie in Fig. 21B gezeigt in der gleichen Richtung polarisiert. Im Ergebnis werden abwechselnd polarisierte dielektrische Schichten 302, 304, 306, 308, 310 und 312 auf dem Substrat 102 erhalten, wobei nur zwei Schritte einer simultanen Wärmebehandlung für die dielektrische Sechslagenstruktur durchgeführt werden.
Nachdem die Elektroden 314 und 316 entfernt sind, kann die optische Wellenleiterstruktur durch Definition eines längserstreckten Bereiches 318 mit hohem Brechungsindex und halbkreisförmigem Querschnitt wie in Fig. 21D gezeigt in dem oberen Abschnitt der mehrlagigen dielektrischen Struktur gebildet werden. In diesem Fall ist anzumerken, daß die Begrenzung der Wellenleiterschicht nicht notwendigerweise identisch ist mit einer der Berührungsflächen zwischen den Schichten 302, 304, 306, 308, 310 und 312, und daß ein geeigneter Ort gewählt werden kann, um den Wandlungswirkungsgrad entsprechend den Erkenntnissen aus den in Fig. 9 dargestellten experimentellen Ergebnissen zu maximieren.

Claims

1. Optische Vorrichtung zur Erzeugung der zweiten Harmonischen durch Cerenkov-Strahlungstyp-Phasenanpassung mit einem überzugabschnitt (12, 102) und einem in Berührung mit dem überzugabschnitt ausgebildeten Wellenleiterabschnitt (16, 108, 152), der einen Brechungsindex für die Grundwelle hat, der höher gemacht ist als derjenige des Überzugabschnittes, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Einheit aus dem Überzugabschnitt und dem Wellenleiterabschnitt mehrere nichtlineare optische Materialbereiche aufweist, die aus einem nichtlinearen optischen Kristallmaterial hergestellt sind, wobei die Bereiche jeweils verschiedene Werte eines nichtlinearen Koeffizienten aufweisen und angeordnet sind, um eine Phasenfehlanpassung zwischen einer Grundwelle und einer Welle einer zweiten harmonischen Strahlung in einer Richtung im wesentlichen senkrecht zu der Ausbreitungsrichtung der Grundwelle zu kompensieren.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bereiche verschiedene Absolutwerte und/oder Vorzeichen eines nichtlinearen Koeffizienten haben.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bereiche verschiedene Absolutwerte eines nichtlinearen Koeffizienten und eines konstanten Vorzeichens haben.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bereiche verschiedene Vorzeichen eines nichtlinearen Koeffizienten und einen im wesentlichen konstanten Absolutwert haben.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bereiche unabhängig voneinander verschiedene Absolutwerte und Vorzeichen eines nichtlinearen Koeffizienten haben.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der nichtlineare optische Materialbereich einen ferroelektrischen Kristall mit einem domäneninvertierten Bereich umfaßt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der nichtlineare optische Materialbereich eine Vielzahl von domäneninvertierten nichtlinearen optischen Kristallschichten (14a, 14b, 14c) umfaßt, die aufeinander mit einem spezifischen Abstand dazwischen gestapelt sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß die Bereiche jeweils eine Richtung einer Kristall-C-Achse verändern.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenleiterabschnitt (108) aufweist: eine erste dielektrische Schicht (104), die auf dem Überzugabschnitt (102) gebildet ist, deren Richtung der Kristall-C-Achse entgegengesetzt zu derjenigen des Überzugabschnittes ist, und eine zweite dielektrische Schicht (106), die auf die erste dielektrische Schicht gestapelt ist, deren Richtung der Kristall-C- Achse die gleiche wie diejenige des Überzugabschnittes ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch weiterhin einen dielektrischen Pufferabschnitt (142, 144), der zwischen den Überzugabschnitt (102) und die erste dielektrische Schicht (104) gelegt ist, wobei der dielektrische Pufferabschnitt wenigstens teilweise voneinander abweichende Richtungen einer Kristall- C-Achse hat.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der dielektrische Pufferabschnitt eine erste Pufferschicht (142), deren Richtung der Kristall-C-Achse entgegengesetzt zu derjenigen des Überzugabschnittes ist, und eine zweite Pufferschicht (144), gestapelt auf die erste Pufferschicht, deren Richtung der Kristall-C-Achse die gleiche wie diejenige des Überzugabschnittes ist, aufweist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch einen Wellenleiterabschnitt (152), der eine erste mit Fremdstoff dotierte Schicht (154), die in dem Überzugabschnitt (102) gebildet ist und deren Richtung der Kristall-C-Achse entgegengesetzt zu derjenigen des Überzugabschnittes ist, und eine zweite mit Fremdstoff dotierte Schicht (156), die in der ersten mit Fremdstoff dotierten Schicht ausgebildet ist und deren Richtung der Kristall-C-Achse die gleiche wie diejenige des Überzugabschnittes ist, aufweist.

13. Verfahren zum Herstellen einer optischen Erzeugungsvorrichtung für eine zweite Harmonische, welche vom Cerenkov-Strahlungsphasen-Anpaßtyp ist, mit:

Bilden eines Wellenleiterabschnittes (108) auf einem Überzugabschnitt, wobei wenigstens eine Einheit aus dem Wellenleiterabschnitt und dem Überzugabschnitt aus einem ferroelektrischen Kristall hergestellt ist,

gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

Bilden eines Domänenumkehrbereiches in wenigstens einer Einheit aus dem Wellenleiterabschnitt und dem Überzugabschnitt, hergestellt aus einem ferroelektrischen Kristall, und

teilweises Ändern der Zusammensetzung und der Richtung der Kristall-C-Achse des Domänenumkehrbereiches durch Verwenden der Differenz in zusammensetzungsabhängigen spezifischen Temperaturen, bei denen eine Kristallphasenänderung in wenigstens einer Einheit aus dem Überzugabschnitt und dem Wellenleiterabschnitt auftritt.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Bildens des Domänenumkehrbereiches aufweist:

Bilden einer ersten dielektrischen Schicht (104) auf dem aus einem ferroelektrischen Kristall hergestellten Überzugabschnitt (102), deren zusammensetzungsabhängige spezifische Temperatur niedriger als diejenige des Überzugabschnittes ist,

Bilden einer zweiten dielektrischen Schicht (106) auf der ersten dielektrischen Schicht (104), deren zusammensetzungsabhängige spezifische Temperatur höher als diejenige der ersten dielektrischen Schicht (104), jedoch niedriger als diejenige des Überzugabschnittes ist, und

Wärmebehandeln der ersten und zweiten dielektrischen Schichten (104, 106) unter gewählten Temperaturbedingungen, während welchem eine Spannung anliegt, so daß die Richtungen der Kristall-C-Achse in der ersten dielektrischen Schicht (104) entgegengesetzt zu derjenigen des Überzugabschnittes (102) ist und die Richtung der Kristall-C-Achse in der zweiten dielektrischen Schicht (106) mit derjenigen des Überzugabschnittes übereinstimmt.

15. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die spezifische Temperatur in dem Wellenleiterabschnitt durch Ändern des Zusammensetzungsverhältnisses von dessen Materialien gesteuert ist.

16. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die spezifische Temperatur in dem Wellenleiterabschnitt durch Ändern der Menge des darin dotierten Fremdstoffes gesteuert ist.

17. Optische Faservorrichtung für Erzeugung einer zweiten Harmonischen durch Cerenkov-Strahlungstyp-Phasenanpassung mit einem Überzug- bzw. Mantelabschnitt (70) und einem in Berührung mit dem Überzugabschnitt gebildeten Wellenleiterabschnitt (76), der einen Brechungsindex für die Grundwelle hat, der höher gemacht ist als derjenige des Überzugabschnittes, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Einheit aus dem Überzugabschnitt und dem Wellenleiterabschnitt mehrere nichtlineare optische Materialbereiche hat, die aus einem nichtlinearen optischen Kristallmaterial hergestellt sind, wobei die Bereiche jeweils verschiedene Werte eines nichtlinearen Koeffizienten haben und angeordnet sind, um eine Phasenfehlanpassung zwischen einer Grundwelle und einer Strahlungswelle einer zweiten Harmonischen in einer Richtung im wesentlichen senkrecht zu der Ausbreitungsrichtung der Grundwelle zu kompensieren.