DE69129000T2

DE69129000T2 - Verfahren zur Herstellung einer Wellenleitervorrichtung zur Erzeugung der zweiten Harmonischen

Info

Publication number: DE69129000T2
Application number: DE69129000T
Authority: DE
Inventors: Sunao Kurimura; Michio Miura; Ippei Sawaki
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1990-11-05
Filing date: 1991-11-05
Publication date: 1998-06-18
Anticipated expiration: 2011-11-06
Also published as: EP0485159B1; JP2750231B2; EP0485159A2; US5249191A; JPH052203A; EP0485159A3; DE69129000D1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Elemente zur Erzeugung zweiter Harmonischer (SHG) und Verfahren zur Herstellung derselben, und insbesondere auf ein SHG-Element vom Wellenleiter-Typ, das eine hohe Umwandlungseffizienz, eine geringe Abweichung im Brechungsindex und eine hohe optische Zerstörungsschwelle aufweist.
In letzter Zeit werden Laser und insbesondere Halbleiter-Laser in Vorrichtungen, wie Laserdruckern und Laserscannern, verbreitet verwendet und werden auch als Lichtquelle zum Emittieren eines Laserstrahls eingesetzt, der Informationen auf eine optische Platte schreibt und/oder aus dieser liest. Andererseits besteht ein Bedarf, die Wellenlänge des Laserstrahls von Infrarotlicht auf sichtbares Licht zu reduzieren, beispielsweise um die Speicherkapazität der optischen Platte zu erhöhen, die Handhabung des Laserstrahls zu erleichtern und dgl. Obwohl es Entwicklungen gibt, die Wellenlänge von Halbleiter-Lasern zu reduzieren, ist es jedoch äußerst schwierig, unter Verwendung der gegenwärtigen Technologie die Oszillationswellenlänge auf 600 nm oder weniger zu verringern. Aus diesem Grund besteht ein Bedarf, Vorrichtungen herzustellen, die kohärentes Licht mit kurzer Wellenlänge unter Verwendung der SHG empfangen können, und insbesondere ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Wellenleiters mit periodisch umgekehrten Domänen zur Verwendung in derartigen Vorrichtungen zu realisieren.
Herkömmlich gibt es ein wohlbekanntes SHG-Element, das einen Laserstrahl durch eine nicht-lineare optische Kristallmasse führt. Beispielsweise wird LiNbO&sub3;, das ein ferroelektrischer Kristall ist, in Blöcke geschnitten, und beide Seitenflächen des Blocks werden einem optischen Polieren unterzogen, um Laserstrahl-Eingangs- und -Ausgangsflächen zu bilden. Wenn ein Laserstrahl mit einer Winkelfrequenz ω von einer Seitenfläche des Blocks eingegeben wird, wird eine zweite Harmonische mit einer Winkelfrequenz 2ω, die das Doppelte der Winkelfreguenz ω betrigt, von der anderen Seitenfläche des Blocks erzeugt. Eine Umwandlungseffizienz ηSHG kann in diesem Fall durch P2ω/Pω beschrieben werden, wobei P2ω die Energie der zweiten Harmonischen bezeichnet, und Pω die Energie der Grundwelle bezeichnet. Wie wohlbekannt ist, hat die Energie P2ω der zweiten Harmonischen eine sin²-Kennlinie. Die Energie P2ω der zweiten Harmonischen weicht periodisch mit der sin²-Kurve ab, da sich Brechungsindizes nω und n2ω in bezug auf die entsprechenden Frequenzen unterscheiden, wobei n2ω den Brechungsindex der Grundwelle bezeichnet, und n2ω den Brechungsindex der zweiten Harmonischen bezeichnet. Mit anderen Worten, die Phase der an jedem Punkt erzeugten zweiten Harmonischen stimmt aufgrund des Unterschiedes der Brechungsindizes nicht überein, und die zweite Harmonische weicht aufgrund des Phasenfehlers mit einer Periode entsprechend einer Phasendifferenz von 2π ab. In normalen Kristallen ist der Unterschied zwischen nω und n2ω aufgrund der Wellenlängendispersion des Brechungsindex groß. Demgemäß ist ein kohärentes Licht lc, das der Hälfte der Abweichungsperiode der zweiten Harmonischen entspricht, äußerst klein, und die Energie P2ω der zweiten Harmonischen wird auch äußerst klein. Es wurde vorgeschlagen, daß die Quasiphasenübereinstimmung (oder Indexübereinstimmung) dieses Problem beseitigt.
Beispielsweise schlagen Tada et al., "Introduction to Optical Electronics", 3. Aufl., Maruzen Co., Ltd., 1988, S. 262-265, ein Verfahren zum Erhalten einer hohen Energie zweiter Harmonischer vor, indem die sogenannten Phasenübereinstimmungsbedingungen erfüllt werden, wobei ein Laserstrahl so eingegeben wird, daß ein Brechungsindex ne von außerordentlichem Licht eines Lichts λ2 zweiter Harmonischer mit einem Brechungsindex n&sub0; von gewöhnlichem Licht eines Lichts λ&sub1; einer Grundwelle übereinstimmt.
Fig.1 zeigt eine Ausgangskennlinie für einen Fall, wo die Phasen übereinstimmen. In Fig.1 gibt die Ordinate die Energie P2ω zweiter Harmonischer an, und die Abszisse gibt die Kristallänge 1 an. Eine mit gestrichelten Linien gezeigte Kennlinie zeigt einen Fall, wo die Brechungsindizes des Lichts λ&sub2; zweiter Harmonischer und des Lichts λ&sub1; der Grundwelle übereinstimmen, und die Energie P2ω zweiter Harmonischer mit zunehmender Kristalllänge 1 steigt. In dem Fall des oben beschriebenen Massekristall-Typs müssen jedoch die Phasenübereinstimmungsbedingungen erfüllt werden, und außerdem muß die Lichtintensität der Grundwelle groß gemacht werden, da der erhaltene Kristall keinen großen nichtlinearen optischen Koeffizienten aufweist. Aus diesen Gründen wurde das Verfahren zum Erhalten der hohen Energie zweiter Harmonischer in der Praxis nicht für eine Lichtquelle mit niedriger Energie, wie den Halbleiter-Laser, verwendet.
Andererseits wurden in letzter Zeit Verfahren zum Erhalten einer großen Umwandlungseffizienz ηSHG unter Verwendung eines Elements vom optischen Wellenleiter-Typ mit einer Quasiphasenübereinstimmung vorgeschlagen. Beispielsweise ist es möglich, den großen nicht-linearen optischen Koeffizien ten zu verwenden, indem die Phasen an der Kurve des Brechungsindex ne des außerordentlichen Lichts übereinstimmen, so daß die große Umwandlungseffizienz ηSHG erhalten wird. In diesem Fall unterscheiden sich die Brechungsindizes des Lichts der Grundwelle und des Lichts zweiter Harmonischer.
Fig.2A zeigt ein Beispiel eines SHG-Elements vom optischen Wellenleiter-Typ in einer perspektivischen Ansicht, und Fig.2B zeigt einen Schnitt dieses SHG-Elements entlang einer Linie X-X' in Fig.2A.
In Fig.2A und 2B ist eine +Z-Fläche eines LiNbO&sub3;-Substrats 1' optisch poliert, so daß es möglich ist, eine Polarisationsrichtung und eine Einfallsrichtung zu erhalten, damit der größte nicht-lineare optische Koeffizient erhalten werden kann. Ein optischer Wellenleiter 4' mit periodisch umgekehrten Domänen ist auf der Oberseite des Substrats 1' gebildet. Wenn, wie in Fig.28 gezeigt, die ferroelektrischen Aufwärtsdomänen auf dem Substrat 1' angeordnet sind, und Zonen 30' mit einer vorherbestimmten Tiefe mit den Abwärtsdomänenumkehrungen in einem konstanten Abstand am Teil des optischen Wellenleiters 4' mit einer Periode A gebildet sind, ist es beispielsweise möglich, den optischen Wellenleiter 4' mit periodisch umgekehrten Domänen zu erhalten, bei dem die Abwärtsdomänenumkehrzonen 30' in dem konstanten Abstand angeordnet sind.
Aus Armstrong et al., "Interactions between Light Waves in a Nonlinear Dielectric", Physical Review, Bd. 127, 1962, S. 1918-1939, ist bekannt, daß eine große Energie zweiter Harmonischer erhalten werden kann, wenn ein Laserstrahl mit einer Winkelfrequenz ω in den optischen Wellenleiter 4' mit periodisch umgekehrten Domänen von links in Fig.2B eingegeben wird, um die Quasiphasenübereinstimmungsbedingungen zu erfüllen, und nach rechts ausgegeben wird.
In Fig.1 zeigt eine Kennlinie eine ideale Ausgangskennlinie zweiter Harmonischer für den Fall, wo die Phasen übereinstimmen. In diesem Fall steigt die Energie P2ω zweiter Harmonischer mit zunehmender Kristallänge 1, und zusätzlich wird die Umwandlungseffizienz verglichen mit dem Massekristall-Typ stark verbessert, da ein großer nichtlinearer optischer Koeffizient verwendet wird.
Um den oben beschriebenen optischen Wellenleiter 4' mit periodisch umgekehrten Domänen herzustellen, ist es notwendig, die Domänenumkehrzonen teilweise zu bilden, wie die in Fig.2B gezeigten Abwärtsdomänenumkehrzonen 30'. Es gibt grundsätzlich zwei bekannte Verfahren zur Bildung derartiger Domänenumkehrzonen.
Gemäß einem ersten Verfahren wird eine geeignete Maske auf dem Substrat 1' vorgesehen, und dann wird das Substrat 1' auf eine hohe Temperatur erhitzt. In diesem Fall diffundiert das Li an den freiliegenden Oberflächenteilen des Substrats 1' zur Außenseite, und die Domäne an diesen Teilen wird umgekehrt. Die Tiefe der Domänenumkehrzone, die gebildet wird, liegt jedoch nur in der Größenordnung von 1 µm. Außerdem besteht insofern ein Problem, als der Brechungsindex an diesen Teilen variiert, wodurch der optische Wellenleiter zur praktischen Verwendung ungeeignet wird.
Andererseits wird gemäß einem zweiten Verfahren Ti auf Teilen des Substrats 1' abgeschieden, wo die Domänenumkehrzonen zu bilden sind, und dann wird das Substrat 1' einem thermischen Verfahren unterworfen. In diesem Fall wird die Domäne an diesen Teilen umgekehrt, und die Tiefe der Domänenumkehrzone, die gebildet wird, kann einige µm tief gemacht werden.
Als nächstes erfolgt eine Beschreibung eines Beispiels eines herkömmlichen Verfahrens zur Bildung der teilweisen Domänenumkehrzonen mit Bezugnahme auf Fig. 3A bis 3E.
In Fig.3A wird die +Z-Fläche eines ferroelektrischen Kristalls mit einer einzigen Domäne, wie LiNbO&sub3;, optisch poliert, um ein Substrat 1' zu bilden.
In Fig.3B wird eine Ti-Schicht 20 in einer Dicke von 300 nm auf dem Substrat 1' durch Vakuumaufdampfen gebildet.
In Fig.3C wird ein Photoätzverfahren durchgeführt, so daß der Ti-Schichtteil, wo die Domänenumkehrzonen 30' zu bilden sind, zurückbleibt, wodurch ein Ti-Schichtmuster 20' gebildet wird.
In Fig.3D wird das Substrat 1' einem thermischen Verfahren bei 1000ºC unterworfen, um das Ti zu diffundieren. Folglich werden Ti-Diffusionszonen 20" gebildet, und die Domänenumkehr tritt am Oberflächenteil des Substrats 1' an den Ti-Diffusionszonen 20" auf.
In Fig.3E wird eine geeignete Flüssigkeit zur Reinigung der Oberfläche des Substrats 1' verwendet, um jegliches verbleibende Ti, das weiterhin am Oberflächenteil des Substrats 1' zurückbleiben kann, zu entfernen. Folglich werden die teilweisen Domänenumkehrzonen 30' gebildet, welche die Domänenumkehrzonen des optischen Wellenleiters mit periodisch umgekehrten Domänen bilden, und das SHG-Element vom Wellenleiter-Typ kann hergestellt werden, indem ein optischer Wellenleiter auf teilweisen Domänenumkehrzonen 30' des Substrats 1' gebildet wird.
Die teilweisen Domänenumkehrzonen 30', die durch das obige Verfahren gebildet werden, schließen jedoch Ti ein. Aus diesem Grund, wie wohlbekannt ist, sinkt die sogenannte optische Zerstörungsschwelle, wenn ein Laserstrahl durch die teilweisen Domänenumkehrzonen 30' geht, und ferner ändert sich der Brechungsindex. Folglich steigt die Energie zweiter Harmonischer des optischen Wellenleiters mit periodisch umgekehrten Domänen nicht über einen bestimmten Punkt, wie durch die gestrichelte Linie in Fig.1 gezeigt, und der Verlust, der durch die Streuung des Lichts aufgrund der Änderung im Brechungsindex verursacht wird, nimmt zu. Außerdem bestehen insofern Probleme, als das oben beschriebene Verfahren nicht bei Kristallen mit einem relativ niedrigen Curie-Punkt verwendet werden kann, wie LiTaO&sub3; und Kaliumtitanphosphat (KTP).
Es ist eine allgemeine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines neuen und nützlichen SHG-Elements vom Wellenleiter-Typ vorzusehen, insbesondere eines Elements zur Erzeugung zweiter Harmonischer vom Wellenleiter-Typ, das ein Substrat aus LiTaO&sub3; umfaßt und aufweist: eine Oberseite, eine Vielzahl ungefähr paralleler Domänenumkehrzonen, die an der Oberseite des Substrats mit einer gegebenen Tiefe gebildet sind und in einer ersten Richtung verlaufen, eine Vielzahl ungefähr paralleler Nicht- Domänenumkehrzonen, die an der Oberseite des Substrats gebildet sind und in der ersten Richtung verlaufen, wobei die Domänenumkehrzonen und die Nicht-Domänenumkehrzonen abwechselnd auf dem Substrat auftreten, und einen optischen Wellenleiter, der auf der Oberseite des Substrats vorzugsweise in einer Tiefe gebildet ist, die geringer ist jene der Domänenumkehrzonen, und der diese Zonen und die Nicht-Domänenumkehrzonen überquert, wobei der optische Wellenleiter in einer zweiten Richtung verläuft, die ungefähr rechtwinkelig zur ersten Richtung ist. Ein derartiges Element zur Erzeugung zweiter Harmonischer vom Wellenleiter-Typ kann eine hohe optische Zerstörungsschwelle und eine hohe Umwandlungseffizienz erreichen.
Die vorliegende Erfindung sieht ein Verfahren zur Herstellung eines Elements zur Erzeugung zweiter Harmonischer (SHG) vom Wellenleiter-Typ vor, welches die Schritte enthält:
(a) Bilden periodischer Protonen (H&spplus;)-Austauschblockierschichten (2, 2A) auf einer Oberseite eines Substrats (1) aus LiTaO&sub3;, wobei diese Protonen (H&spplus;)-Austauschblockierschichten in einer ersten Richtung verlaufen und ungefähr parallel und periodisch beabstandet sind;
(b) Bilden von Protonen-Austauschschichten (3, 3A) auf der Oberseite des Substrats, die nicht von den Protonen (H+)-Austauschblockierschichten bedeckt ist;
(c) Erhitzen des Substrats; und
(d) Bilden eines optischen Wellenleiters (4, 4A, 4B) auf der Oberseite des Substrats, um die Domänenumkehrzonen zu überqueren, wobei der optische Wellenleiter in einer zweiten Richtung verläuft, die ungefähr rechtwinkelig zur ersten Richtung ist;
bei welchem in Schritt (c) das Substrat (1) auf eine vorherbestimmte Temperatur unmittelbar unter dem Curie-Punkt mit einer Temperaturerhöhungszeit von weniger als ungefähr 30 Minuten erhitzt wird, um die Domänen der in den Schritten (a) und (b) gebildeten Protonen (H&spplus;)-Austauschschichten umzukehren.
In den Verfahren der vorliegenden Erfindung wird der Protonenaustausch, der für die Domänenumkehr verwendet wird, bei einer Temperatur durchgeführt, die relativ gering ist, verglichen mit der Verfahrenstemperatur, bei der die Ti- Diffusion herkömmlich durchgeführt wird, um die Domänenumkehr von LiNbO&sub3; zu bewirken. Aus diesem Grund kann das Verfahren der vorliegenden Erfindung bei Kristallen mit einem relativ niedrigen Curie-Punkt, wie LiTaO&sub3;, verwendet werden, und es ist möglich, ein Element zur Erzeugung zweiter Harmonischer vom Wellenleiter-Typ mit hoher Leistung und hoher Qualität herzustellen.
Die WO 90/04807 (Institutet for Optisk Forskning) offenbart Wellenleiter vom obigen Typ, wobei regelmäßig abwechselnde Domänenumkehr- und Nicht-Domänenumkehrzonen in verschiedenen Substraten unter Verwendung eines Maskenverfahrens, gefolgt von einer Wärmebehandlung, erzeugt werden. Es werden jedoch keine Einzelheiten der Temperatursteuerung angegeben.
Zum besseren Verständnis der Erfindung wird auf die beigeschlossenen Zeichnungen bezuggenommen, in denen:
Fig.1 Ausgangskennlinien zweiter Harmonischer von optischen Wellenleitern zeigt;
Fig.2A und 2B eine perspektivische Ansicht bzw. eine Schnittansicht sind, die ein Beispiel eines herkömmlichen SHG-Elements vom optischen Wellenleiter-Typ zeigen;
Fig.3A bis 3E Draufsichten zur Erläuterung eines herkömmlichen Verfahrens zur Bildung teilweiser Domänenumkehrzonen sind;
Fig.4A bis 4J Darstellungen zur Erläuterung einer ersten Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung eines SHG-Elements vom Wellenleiter-Typ gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind;
Fig.5A bis 5I Darstellungen zur Erläuterung einer zweiten Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung eines SHG-Elements vom Wellenleiter-Typ sind;
Fig.6 eine perspektivische Ansicht ist, welche die zweite Ausführungsform des SHG-Elements vom Wellenleiter-Typ zeigt;
Fig.7 eine Schnittansicht gemäß einer Linie VI-VI in Fig.6 ist;
Fig.8 eine Schnittansicht ist, die ein SHG-Element vom Wellenleiter-Typ zeigt, bei dem die Domänenumkehrperiode eine minimale Periode ist, die für die Quasiphasenübereinstimmung erforderlich ist;
Fig.9 eine normalisierte Umwandlungseffizienz des in Fig.8 dargestellten SHG-Elements vom Wellenleiter-Typ im Vergleich mit einer normalisierten Umwandlungseffizienz der zweiten Äusführungsform des SHG-Elements vom Wellenleiter- Typ zeigt;
Fig.10 eine Schnittansicht ist, die eine dritte Ausführungsform des SHG-Elements vom Wellenleiter-Typ gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig.11 eine Darstellung zur Erläuterung einer Beziehung zwischen einer relativen Umwandlungseffizienz und einem Verhältnis von Teilen ist, die von Domänenumkehrzonen eingenommen werden;
Fig.12 eine Darstellung zur Erläuterung einer Umwandlungseffizienz relativ zu einem Domänenumkehrverhältnis auf einer Kristalloberfläche ist;
Fig.13 eine Darstellung zur Erläuterung einer Beziehung zwischen einer Temperaturerhöhungszeit und einer minimalen in der Domäne umkehrbaren Periode ist; und
Fig.14 eine Darstellung zur Erläuterung einer Beziehung zwischen einem Fleckdurchmesser und einer Ausheilungszeit ist.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Es erfolgt eine Beschreibung einer ersten Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung eines SHG-Elements vom Wellenleiter-Typ gemäß der vorliegenden Erfindung mit Bezugnahme auf Fig.4A bis 4J. Fig.4A, 4C, 4D, 4E, 4F, 4G und 4I sind Schnittansichten, Fig.4B, 4H und 4J sind perspektivische Ansichten.
In Fig.4A wird ein Substrat 1 aus einem ferroelektrischen Einkristall geschnitten und besteht aus einer einzigen LiTaO&sub3;-Domäne. Das Substrat 1 hat beispielsweise eine Dicke von 0,5 mm, eine Breite von 10 mm und eine Länge von 15 mm. Die -Z-Fläche des Substrats 1 wird optisch poliert, so daß der größte nicht-lineare optische Koeffizient erhalten wird. Eine Protonen (H&spplus;)-Austauschblockierschicht 200 wird auf diesem Substrat 1 gebildet. Die Protonen (H&spplus;)-Austauschblockierschicht 200 besteht beispielsweise aus einer Ta- Schicht, die durch Elektronenstrahlaufdampfen auf dem Substrat 1 gebildet wird, und hat eine Dicke von 50 nm.
In Fig.4B werden unter Verwendung einer normalen Photolithographie-Technik periodische Protonen (H&spplus;)-Austauschblockierschichten 2 aus der Protonen (H&spplus;)-Austauschblockierschicht 200 gebildet. Die periodischen Protonen (H&spplus;)-Austauschblockierschichten 2 werden beispielsweise gebildet, indem ein Resistmuster auf der Protonen (H&spplus;)-Austauschblockierschicht 200 als Maske gebildet und ein reaktives Ionenätzen (RIE) unter Verwendung einer Gasmischung von CF&sub4; + O&sub2; durchgeführt wird, um Teile der Protonen (H&spplus;)- Austauschblockierschicht 2, die nicht von der Maske bedeckt sind, zu entfernen. Die periodischen Protonen (H&spplus;)-Austauschblockierschichten 2 werden beispielsweise in einem konstanten Abstand von ungefähr 6 µm gebildet, der die Quasiphasenübereinstimmungsbedingung für eine Grundwellenlänge von 1,06 µm erfüllt, und jede periodische Protonen (H&spplus;)-Austauschblockierschicht 2 hat eine Breite von 3 µm.
In Fig.4C wird die in Fig.4B gezeigte Substratstruktur in eine Protonen (H&spplus;)-Austauschflüssigkeit 5 eingetaucht, die in einem Behälter 50 enthalten ist. Die Protonen (H&spplus;)- Austauschflüssigkeit 5 besteht beispielsweise aus Pyrophosphorsäure mit einer Temperatur von 260ºC, und der Protonen (H&spplus;)-Austausch wird ungefähr 30 Minuten lang durchgeführt, um Protonen (H&spplus;)-Austauschschichten 3 zu bilden.
In Fig.4D wird die in Fig.4C gezeigte Substratstruktur in einer vorherbestimmten Flüssigkeit, wie einer NaOH + H&sub2;O&sub2; Flüssigkeitsmischung, verarbeitet, um die Protonen (H&spplus;)-Austauschblockierschichten 2, das heißt das Ta-Schichtmuster, zu lösen und zu entfernen.
In Fig.4E wird die in Fig.4D gezeigte Substratstruktur innerhalb einer vorherbestimmten Zeit auf eine Temperatur unmittelbar unter dem Curie-Punkt erhitzt, und die Domänen der Protonen (H&spplus;)-Austauschschichten 3 werden umgekehrt, um eine Domänenumkehrzone 30 in jeder Zone der Protonen (H&spplus;)- Austauschschicht 3 zu bilden. Die Domäne ist in Fig.4E mit einem Pfeil bezeichnet. Die Temperatur unmittelbar unter dem Curie-Punkt beträgt beispielsweise 590 bis 595ºC, und die vorherbestimmte Zeit ist 15 Minuten. Die Tiefe der Domänenumkehrzone 30 kann gesteuert werden, indem die maximale Erhitzungstemperatur und die Temperaturerhöhungsgeschwindigkeit eingestellt werden.
Wenn der Protonen (H&spplus;)-Austausch an der Oberfläche bestimmter Arten ferroelektrischer Einkristalle, wie LiTaO&sub3;, durchgeführt wird, sinkt der Curie-Punkt an dem Teil, wo die Protonen (H&spplus;)-Konzentration hoch wird, um einige ºC auf ungefähr 10ºC. Wie aus "Ultrasonic Waves Technical Research Report of the Electronic Information Communication Society", U587-37, 1987, bekannt ist, kann daher die Domäne an diesem Teil umgekehrt werden, indem ein thermisches Verfahren bei einer Temperatur unter dem Curie-Punkt durchgeführt wird, nachdem der obige Protonen (H&spplus;)-Austausch vorgenommen wurde. Die vorliegende Erfindung nützt dieses Phänomen effektiv aus.
In Fig.4F wird die in Fig.4E gezeigte Substratstruktur einem Anneal- oder Ausheilungsprozeß während ungefähr 10 Stunden bei einer bestimmten Temperatur unterworfen, die beispielsweise ungefähr 100ºC niedriger ist als der Curie- Punkt, um die Protonen (H&spplus;) zu diffundieren. Diese bestimmte Temperatur beträgt beispielsweise ungefähr 500ºC für das LiTaO&sub3;-Substrat 1. Folglich wird die Protonen (H&spplus;)-Konzentration an dem Teil, wo der optische Wellenleiter zu bilden ist, gleichmäßig, das heißt, die Brechungsindexverteilung dieses Teils wird gleichmäßig. Dieser Ausheilungsprozeß kann weggelassen werden, wenn die Protonen (H&spplus;)-Konzentration ausreichend gleichmäßig ist, nachdem das oben in Verbindung mit Fig.4E beschriebene Domänenumkehrverfahren durchgeführt wurde.
Da die Protonen (H&spplus;)-Konzentration ungefähr gleichmäßig ist, und die Brechungsindexverteilung gleichmäßig ist, ist es möglich, eine Lichtstreuung aufgrund einer Abweichung im Brechungsindex zwangsweise zu verhindern. Da ferner der Protonen (H&spplus;)-Austausch zur Bildung des optischen Wellenleiters 4 verwendet wird, und keine Verfahren wie Ti-Diffusion und Li-Diffusion außerhalb des Kristalls durchgeführt werden, kann die optische Zerstörungsschwelle groß gemacht werden, und die Umwandlungseffizienz der Erzeugung zweiter Harmoni scher kann hoch gehalten werden. Außerdem wird der Protonen- Austausch, der für die Domänenumkehr zur Bildung der Domänenumkehrzonen 30 verwendet wird, bei einer Temperatur vorgenommen, die relativ niedrig ist, verglichen mit der Verfahrenstemperatur, bei der die Ti-Diffusion herkömmlich durchgeführt wird, um die Domänenumkehr von LiNbO&sub3; zu bilden. Aus diesem Grund kann die vorliegende Erfindung bei Kristallen mit einem relativ niedrigen Curie-Punkt, wie LiTaO&sub3;, verwendet werden, und es ist möglich, einen Element zur Erzeugung zweiter Harmonischer vom Wellenleiter-Typ mit hoher Leistung und hoher Qualität herzustellen.
In Fig.4G wird eine Protonen (H&spplus;)-Austauschblockierschicht 200 auf der in Fig.4E oder 4F gezeigten Substratstruktur gebildet. Die Protonen (H&spplus;)-Austauschblockierschicht 200 besteht beispielsweise aus einer Ta-Schicht, die durch Elektronenstrahlaufdampfen auf dem Substrat 1 gebildet wird, und hat eine Dicke von 50 nm.
In Fig.4H wird ein Verfahren ähnlich dem oben in Verbindung mit Fig.4B beschriebenen durchgeführt, um eine Protonen (H&spplus;)-Austauschblockierschicht 12 zu bilden, welche die periodischen Domänenumkehrzonen 30 überquert. Diese Protonen (H&spplus;)-Austauschblockierschicht 12 hat ein Fenster, das die Form eines Schlitzes zur Bildung eines optischen Wellenleiters 4 unter Verwendung des Protonen (H&spplus;)-Austausches aufweist. Die Breite des Schlitzes in der Protonen (H&spplus;)-Austauschblockierschicht 12 beträgt beispielsweise ungefähr 3 µm.
In Fig.41 wird die in Fig.4H gezeigte Substratstruktur einem Verfahren ähnlich dem oben in Verbindung mit Fig.4C beschriebenen unterworfen, um eine Protonen (H&spplus;)-Austauschschicht 15 zu bilden, die den optischen Wellenleiter 4 bildet. Diese Protonen (H&spplus;)-Austauschschicht 15 hat einen Brechungsindex, der ungefähr um 0,02 höher ist als die umgebenden Teile.
In Fig.4J wird die Protonen (H&spplus;)-Austauschblockierschicht 12 (beispielsweise das Ta-Schichtmuster), die auf der in Fig.41 gezeigten Substratstruktur zurückbleibt, durch ein Verfahren ähnlich dem oben in Verbindung mit Fig.4G beschriebenen gelöst und entfernt. Folglich wird ein SHG-Element 31 vom Wellenleiter-Typ mit den periodischen Domänenumkehrzonen gebildet.
Es wurde gefunden, daß eine erste Ausführungsform des SHG-Elements vom Wellenleiter-Typ gemäß der vorliegenden Erfindung, das heißt das SHG-Element 31 vom Wellenleiter-Typ, beständiger gegenüber einer optischen Zerstörung ist sowie eine geringe Brechungsindexabweichung und eine hohe Umwandlungseffizienz aufweist, verglichen mit dem herkömmlichen Element vom SHG-Typ, das durch das herkömmliche Verfahren hergestellt wird.
Als nächstes erfolgt eine Beschreibung einer zweiten Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung des SHG-Elements vom Wellenleiter-Typ gemäß der vorliegenden Erfindung mit Bezugnahme auf Fig.5A bis 5I, 6 und 7. Fig.5A, 5C, 5D, 5E, 5F, 5G und 5I sind Schnittansichten, und Fig.5B und 5H sind perspektivische Ansichten.
In Fig.5A wird ein Substrat 1 aus einem ferroelektrischen Einkristall geschnitten und besteht aus einer einzigen LiTaO&sub3;-Domäne. Das Substrat 1 hat beispielsweise eine Dicke von 0,5 mm, eine Breite von 10 mm und eine Länge von 15 mm. Die -Z-Fläche des Substrats 1 wird optisch poliert, so daß der größte nicht-lineare optische Koeffizient erhalten wird. Eine Protonen (H&spplus;)-Austauschblockierschicht 200A wird auf diesem Substrat 1 gebildet. Die Protonen (H&spplus;)-Austauschblockierschicht 200A besteht beispielsweise aus einer Ta- Schicht, die durch Elektronenstrahlaufdampfen auf dem Substrat 1 gebildet wird, und hat eine Dicke von 50 nm.
In Fig.5B werden unter Verwendung einer normalen Photolithographie-Technik periodische Protonen (H&spplus;)-Austauschblockierschichten 2A aus der Protonen (H&spplus;)-Austauschblockierschicht 200A gebildet. Die periodischen Protonen (H&spplus;)-Austauschblockierschichten 2A werden beispielsweise gebildet, indem ein Resistmuster auf der Protonen (H&spplus;)-Austauschblockierschicht 200A als Maske gebildet und ein RIE unter Verwendung einer Gasmischung von CF&sub4; + O&sub2; durchgeführt wird, um Teile der Protonen (H&spplus;)-Austauschblockierschicht 200A, die nicht von der Maske bedeckt sind, zu entfernen. Die periodischen Protonen (H&spplus;)-Austauschblockierschichten 2A werden beispielsweise in einem konstanten Abstand von ungefähr 6 µm gebildet, und ein Aperturverhältnis der periodischen Protonen (H&spplus;)-Austauschblockierschichten 2A beträgt 0,3.
In Fig.5C wird die in Fig.5B gezeigte Substratstruktur in eine Protonen (H&spplus;)-Austauschflüssigkeit 5 eingetaucht, die in einem Behälter 50 enthalten ist. Die Protonen (H&spplus;)- Austauschflüssigkeit 5 besteht beispielsweise aus Pyrophosphorsäure mit einer Temperatur von 260ºC, und der Protonen (H&spplus;)-Austausch wird ungefähr 30 Minuten lang durchgeführt, um Protonen (H&spplus;)-Austauschschichten 3A zu bilden.
In Fig.5D wird die in Fig.5C gezeigte Substratstruktur in einer vorherbestimmten Flüssigkeit, wie einer NaOH + H&sub2;O&sub2; Flüssigkeitsmischung, verarbeitet, um die Protonen (H&spplus;)-Austauschblockierschichten 2A, das heißt das Ta-Schichtmuster, zu lösen und zu entfernen.
In Fig.5E wird die in Fig.5D gezeigte Substratstruktur während einer vorherbestimmten Zeit auf eine Temperatur unmittelbar unter dem Curie-Punkt erhitzt, um die Domänen der Protonen (H&spplus;)-Austauschschichten 3A umzukehren, und eine Domänenumkehrzone 30A in jeder Zone der Protonen (H&spplus;)-Austauschschicht 3A zu bilden. Die Domäne ist in Fig.5E mit einem Pfeil bezeichnet. Die Temperatur unmittelbar unter dem Curie-Punkt beträgt beispielsweise 590ºC, und die vorherbestimmte Zeit ist 1 Stunde. Die Tiefe der Domänenumkehrzone 30A kann gesteuert werden, indem die maximale Erhitzungstemperatur und die Temperaturerhöhungsgeschwindigkeit einge stellt werden. Eine derartige Steuerung war durch die herkömmliche Ti-Diffusion äußerst schwierig durchzuführen.
In dieser Ausführungsform entspricht eine Länge l&sub1; einer Nicht-Domänenumkehrzone 30B der Kohärenzlänge und beträgt 1,5 µm für eine Grundwellenlänge von 0,85 µm. Andererseits ist eine Länge 12 der Domänenumkehrzone 30A 4,5 µm. Eine minimale Periode µmin der Domänenumkehr, die für die Quasiphasenübereinstimmung notwendig ist, kann durch die folgende Formel beschrieben werden, worin β(2ω) die Propagationskonstante der zweiten Harmonischen bezeichnet, und β(ω) die Propagationskonstante der Grundwelle bezeichnet. Die minimale Periode Ämin beträgt das Doppelte der Kohärenzlänge lc.
β(2ω) - 2β(ω) = 2π/Λmin
In dieser Ausführungsform beträgt eine Wellenlänge λF der Grundwelle 850 nm, und eine Wellenlänge λSH der zweiten Harmonischen ist 425 nm. Daher beträgt in diesem Fall die minimale Periode λmin der Domänenumkehr, die für die Quasiphasenübereinstimmung notwendig ist, 3,0 ,µm.
In Fig.5F wird die in Fig.5E gezeigte Substratstruktur einem Ausheilungsprozeß während ungefähr 10 Stunden bei einer bestimmten Temperatur unterworfen, die beispielsweise ungefähr 100ºC niedriger ist als der Curie-Punkt, um die Protonen (H&spplus;) zu diffundieren. Diese bestimmte Temperatur beträgt beispielsweise ungefähr 500ºC für das LiTaO&sub3;-Substrat 1. Folglich wird die Protonen (H&spplus;)-Konzentration an dem Teil, wo der optische Wellenleiter zu bilden ist, gleichmäßig, das heißt, die Brechungsindexverteilung dieses Teils wird gleichmäßig. Dieser Ausheilungsprozeß kann weggelassen werden, wenn die Protonen (H&spplus;)-Konzentration ausreichend gleichmäßig ist, nachdem das oben in Verbindung mit Fig.5E beschriebene Domänenumkehrverfahren durchgeführt wurde.
In Fig.5G wird eine Protonen (H&spplus;)-Austauschblockierschicht 200A auf der in Fig.5E oder 5F gezeigten Substratstruktur gebildet. Die Protonen (H&spplus;)-Austauschblockierschicht 200A besteht beispielsweise aus einer Ta-Schicht, die durch Elektronenstrahlaufdampfen auf dem Substrat 1 gebildet wird, und hat eine Dicke von 50 nm.
In Fig.5H wird ein Verfahren ähnlich dem oben in Verbindung mit Fig.5B beschriebenen durchgeführt, um eine Protonen (H&spplus;)-Austauschblockierschicht 12A zu bilden, welche die periodischen Domänenumkehrzonen 30A überquert. Diese Protonen (H&spplus;)-Austauschblockierschicht 12A hat ein Fenster, das die Form eines Schlitzes zur Bildung eines optischen Wellenleiters 4A unter Verwendung des Protonen (H&spplus;)-Austausches aufweist. Die Breite des Schlitzes in der Protonen (H&spplus;)-Austauschblockierschicht 12A beträgt beispielsweise ungefähr 2 µm.
In Fig.5I wird die in Fig.5H gezeigte Substratstruktur einem Verfahren ähnlich dem oben in Verbindung mit Fig.5C beschriebenen unterworfen, um eine Protonen (H&spplus;)-Austauschschicht 15A zu bilden, die den optischen Wellenleiter 4A bildet. Diese Protonen (H&spplus;)-Austauschschicht 15A hat einen Brechungsindex, der ungefähr um 0,02 höher ist als die umgebenden Teile. Beispielsweise wird die in Fig.5H gezeigte Substratstruktur in eine Protonen (H&spplus;)-Austauschflüssigkeit, wie Pyrophosphorsäure, mit einer Temperatur von 260ºC eingetaucht, und der Protonen (H&spplus;)-Austausch wird ungefähr 60 Minuten lang durchgeführt, um die Protonen (H&spplus;)-Austauschschicht 15A zu bilden.
Dann wird die in Fig.5I gezeigte Substratstruktur beispielsweise einem Ausheilungsprozeß bei 390ºC während 20 Minuten ausgesetzt, um den optischen Wellenleiter 4A zu bilden, der eine Tiefe d&sub1; von ungefähr 1,8 µm aufweist, wie in Fig.6 und 7 gezeigt.
Die Protonen (H&spplus;)-Austauschblockierschicht 12A (beispielsweise das Ta-Schichtmuster), die auf der in Fig.5I gezeigten Substratstruktur zurückbleibt, wird durch ein Verfahren ähnlich dem oben in Verbindung mit Fig.5G beschriebenen gelöst und entfernt. Folglich wird ein SHG-Element 40 vom Wellenleiter-Typ mit den periodischen Domänenumkehrzonen gebildet, wie in Fig.6 und 7 dargestellt. Fig.6 zeigt das SHG-Element 40 vom Wellenleiter-Typ in einer perspektivischen Ansicht, und Fig.7 zeigt das SHG-Element 40 vom Wellenleiter-Typ in einer Schnittansicht gemäß einer Linie VI-VI in Fig.6.
Es wurde gefunden, daß eine zweite Ausführungsform des SHG-Elements vom Wellenleiter-Typ gemäß der vorliegenden Erfindung, das heißt das SHG-Element 40 vom Wellenleiter-Typ, beständiger gegenüber einer optischen Zerstörung ist sowie eine geringe Brechungsindexabweichung und eine hohe Umwandlungseffizienz aufweist, verglichen mit dem herkömmlichen Element vom SHG-Typ, das durch das herkömmliche Verfahren hergestellt wird.
Als nächstes erfolgt eine Beschreibung der Konstruktion und der Charakteristiken des in Fig.6 und 7 gezeigten SHG- Elements 40 vom Wellenleiter-Typ.
Wie in Fig.6 und 7 dargestellt, haben die Domänenumkehrzonen 30A einen ungefähr halbkreisförmigen Querschnitt, da die Domänenumkehrzonen 30A durch den wie oben beschriebenen Protonen (H&spplus;)-Austausch gebildet werden. Die maximale Tiefe d&sub2; der Domänenumkehrzone 30A beträgt ungefähr 2,2 µm, und diese maximale Tiefe d&sub2; ist größer als die maximale Tiefe di des optischen Wellenleiters 4A, die ungefähr 1,8 µm beträgt. An dem Teil des SHG-Elements 40 vom Wellenleiter- Typ, der dem optischen Wellenleiter 4A entspricht, beträgt die Länge 11 der Nicht-Domänenumkehrzone 30B 1,5 µm, und die Länge 12 der Domänenumkehrzone 30A beträgt 4,5 µm. Daher ist in diesem Fall eine minimale Periode Ämin, die für die Quasiphasenübereinstimmung erforderlich ist, 3,0 µm. Die Domänenumkehrperiode Λ beträgt daher das Doppelte der minimalen Periode λmin. Das Verhältnis der Längen 12 und 11 ist 3:1. Als allgemeiner Ausdruck kann das Verhältnis der Längen 12 und 11 mit 2n-1:1 angegeben werden, wenn die Domänenumkehrperiode Λ das n-fache der minimalen Periode λmin beträgt.
Demgemäß breitet sich die sich durch den optischen Wellenleiter 4A ausbreitende Grundwelle immer durch die Domänenumkehrzonen 30A aus, die mit dem auf 2n-1:1 (3:1 in dieser Ausführungsform) eingestellten Verhältnis der Längen 12 und 11 versehen sind. Folglich wird die Quasiphasenübereinstimmung in dieser Ausführungsform zufriedenstellend durchgeführt, und die Energie P2ω der zweiten Harmonischen wird effizient erzeugt, wie durch eine Kennlinie in Fig.1 dargestellt.
Fig.8 zeigt ein SHG-Element 60 vom Wellenleiter-Typ, bei dem die Länge einer Domänenumkehrzone 61 und die Länge einer Nicht-Domänenumkehrzone 62 beide 1,5 µm betragen, und die Domänenumkehrperiode die minimale Periode ist, die für die Quasiphasenübereinstimmung erforderlich ist. In diesem Fall wird die Domänenumkehrzone 61 nur in der Nähe des Oberflächenteils eines optischen Wellenleiters 63 vorgesehen, und erreicht nicht den tiefen Teil des optischen Wellenleiters 63. Aus diesem Grund breitet sich ein Teil der sich durch den optischen Wellenleiter 63 ausbreitenden Welle außerhalb der Domänenumkehrzone 61 aus, und die Quasiphasen übereinstimmung tritt nicht wie erwartet ein. Folglich wird eine normalisierte Umwandlungseffizienz des SHG-Elements 60 vom Wellenleiter-Typ wie in einem Histogramm 500 gezeigt, das in Fig.9 dargestellt ist. Wie in Fig.9 gezeigt, ist das Histogramm 500 niedrig.
In dem Fall des in Fig.6 und 7 gezeigten SHG-Elements 40 vom Wellenleiter-Typ wird jedoch die Quasiphasenübereinstimmung zufriedenstellend und effizient durchgeführt, wie oben beschrieben. Demgemäß wird die Standard-Umwandlungseffizienz wie durch ein Histogramm 510 gezeigt, das in Fig.9 dargestellt ist. Dieses Histogramm 510 beträgt ungefähr 40 %/Wcm², was verglichen mit dem Histogramm 500 hoch ist.
Als nächstes erfolgt eine Beschreibung einer dritten Ausführungsform des SHG-Elements vom Wellenleiter-Typ gemäß der vorliegenden Erfindung mit Bezugnahme auf Fig.10. In dieser Ausführungsform: n=3.
In einem in Fig.10 gezeigten SHG-Element 70 vom Wellenleiter-Typ entspricht eine Länge l&sub3; einer Nicht-Domänenumkehrzone 71 der Kohärenzlänge und beträgt 1,5 µm. Eine Domänenumkehrzone 72 wird durch einen Protonen (H&spplus;)-Austausch gebildet, und eine Länge 14 der Domänenumkehrzone 72 ist 7,5 µm. Das Verhältnis der Längen 14 und 13 beträgt 2n-1:1=5:1. Dieses SHG-Element 70 vom Wellenleiter-Typ hat eine normalisierte Umwandlungseffizienz ähnlich dem in Fig.9 gezeigten Histogramm 510.
Als nächstes erfolgt eine Beschreibung der relativen Umwandlungseffizienz in bezug auf das Domänenumkehrverhältnis, das heißt ein Verhältnis Rp, das von den Domänenumkehrzonen eingenommen wird, mit Bezugnahme auf Fig.11. In Fig.11 bezeichnen QPM1, QPM2 und QPM3 die relativen Umwandlungseffizienzen von Quasiphasenübereinstimmungen erster, zweiter bzw. dritter Ordnung. Eine maximale relative Umwandlungseffizienz wird bei Rp = 0,5 für die Quasiphasenübereinstimmung erster Ordnung QPM1 erhalten. Eine maximale relative Umwandlungseffizienz wird bei Rp = 0,25 und 0,75 für die Quasiphasenübereinstimmung zweiter Ordnung QPM2 erhalten. Außerdem wird eine maximale relative Umwandlungseffizienz bei Rp = 0,17 (oder 1/6), 0,5 und 0,83 (oder 5/6) für die Quasiphasenübereinstimmung dritter Ordnung QPM3 erhalten. Die in Fig.11 gezeigten relativen Umwandlungseffizienzen werden für einen Fall berechnet, wo die Domänenumkehrzonen eine ideale Form aufweisen, das heißt für einen Idealfall, wo die Domänenumkehrzonen gleichmäßig bis zu einer ausreichenden Tiefe umgekehrt sind, die tiefer ist als die Tiefe des optischen Wellenleiters. Daher zeigt in diesem Fall das SHG-Element vom Wellenleiter-Typ mit der Quasiphasenübereinstimmung erster Ordnung die beste relative Umwandlungseffizienz.
In der tatsächlichen Praxis haben die Domänenumkehrzonen jedoch den halbkreisförmigen Querschnitt, wie oben in Verbindung mit den Ausführungsformen beschrieben. Aus diesem Grund wird die Tiefe der Domänenumkehrzonen mit der kleinen Periode im SHG-Element vom Wellenleiter-Typ mit der Quasiphasenübereinstimmung erster Ordnung gering, und die relative Umwandlungseffizienz wird wegen der schlechten gegenseitigen Effekte des optischen Wellenleiters und der Domänenumkehrzonen schlecht.
Fig.12 zeigt die Umwandlungseffizienz des SHG-Elements vom Wellenleiter-Typ für einen Fall, wo der optische Wellenleiter eine Tiefe von 3 µm aufweist, und die Form der Domänenumkehrzonen für die Berechnung berücksichtigt wird. Die Domänenumkehrperiode für die Quasiphasenübereinstimmungen erster, zweiter und dritter Ordnung beträgt 3,5 µm oder weniger, 7 µm oder weniger bzw. 10,5 µm oder weniger. Ferner ist das Domänenumkehrverhältnis rp = r&sub1;/Λ, worin r&sub1; die Umkehrlänge an der Kristalloberfläche bezeichnet, und Λ die Domänenumkehrperiode bezeichnet. In diesem Fall geht aus Fig.12 hervor, daß das SHG-Element vom Wellenleiter-Typ mit der Quasiphasenübereinstimmung zweiter Ordnung die beste Umwandlungseffizienz zeigt. In diesem Fall sinkt jedoch die Länge der Domänenumkehrzone in Abhängigkeit von der Distanz von der Kristalloberfläche, und das effektive Domänenumkehrverhältnis ist kleiner als das Umkehrverhältnis an der Kristalloberfläche. Daher wird Rp = 0,75 erhalten, wenn das Umkehrverhältnis an der Kristalloberfläche 0,9 bis 0,95 beträgt.
Das oben beschriebene Berechnungsergebnis ändert sich, wenn sich die Tiefe des optischen Wellenleiters ändert. Wenn der optische Wellenleiter weniger als 2 µm und flach ist, kann die Umwandlungseffizienz des SHG-Elements vom Wellenleiter-Typ mit der Quasiphasenübereinstimmung erster Ordnung besser werden als jene des SHG-Elements vom Wellenleiter-Typ mit der Quasiphasenübereinstimmung zweiter Ordnung. Im Fall des SHG-Elements vom Wellenleiter-Typ mit der Quasiphasenübereinstimmung erster Ordnung beträgt jedoch die Periode der Domänenumkehrzonen weniger als 3,5 µm, was ziemlich klein ist. Demgemäß ist es schwierig, die Muster der Domänenumkehrzonen mit einer zufriedenstellenden Reproduzierbarkeit zu bilden, und das SHG-Element vom Wellenleiter-Typ mit der Quasiphasenübereinstimmung zweiter Ordnung ist zur praktischen Verwendung besser geeignet.
Im oben in Verbindung mit Fig.4E beschriebenen Verfahren wird die in Fig.4D gezeigte Substratstruktur innerhalb einer vorherbestimmten Zeit auf eine Temperatur unmittelbar unter dem Curie-Punkt erhitzt, um die Domänen der Protonen (H&spplus;)-Austauschschichten 3 umzukehren, und eine Domänenumkehrzone 30 in jeder Zone der Protonen (H&spplus;)-Austauschschicht 3 zu bilden. In der ersten Ausführungsform des Verfahrens beträgt die Temperatur unmittelbar unter dem Curie- Punkt 590 bis 595ºC, und die vorherbestimmte Zeit ist 15 Minuten. Die Tiefe der Domänenumkehrzone 30 wird durch die Einstellung der maximalen Erhitzungstemperatur und der Temperaturerhöhungs geschwindigkeit gesteuert.
Fig.13 zeigt die minimale umkehrbare Periode der Domäne in bezug auf die Temperaturerhöhungszeit. Fig.13 zeigt den Fall, wo die Temperatur auf 590ºC erhöht wird. Aus Fig.13 geht hervor, daß die minimale umkehrbare Periode der Domäne, um eine stabile Umkehr zu ermöglichen, desto größer wird, je länger die Temperaturerhöhungszeit wird. Bei der Bildung des SHG-Elements vom Wellenleiter-Typ mit der Quasiphasenübereinstimmung erster Ordnung ist in Fig.13 ersichtlich, daß die Temperaturerhöhungszeit innerhalb von 30 Minuten und vorzugsweise innerhalb von 15 Minuten liegen sollte, wenn die Periode der Domänenumkehrzonen 3,5 µm oder weniger beträgt.
Fig.14 zeigt die Beziehung der Ausheilungszeit des Ausheilungsprozesses, der beispielsweise im oben in Verbindung mit Fig.4F beschriebenen Verfahren durchgeführt wird, und dem Fleckdurchmesser und dem Propagationsverlust des optischen Wellenleiters, der nach dem Ausheilungsprozeß gebildet wird.
Wie in Fig.14 ersichtlich ist, ist es möglich, einen optischen Wellenleiter zu bilden, der einen kleinen Fleckdurchmesser (das heißt eine zufriedenstellende Begrenzungs charakteristik) und einen geringen Propagationsverlust hat, indem der Ausheilungsprozeß durchgeführt wird. Die Änderung im Fleckdurchmesser kann durch die Erhöhung des Brechungsindex in der Nähe der Substratoberfläche entsprechend der Protonen-Konzentration erklärt werden. Mit anderen Worten, in einem Fall, wo der Brechungsindex des Substrats aufgrund einer nicht ausreichenden Ausheilung höher ist als sein ursprünglicher Wert, ist die Änderung des Brechungsindex gering, auch wenn der Protonen-Austausch neu durchgeführt wird, um den optischen Wellenleiter zu bilden.
Um den Propagationsverlust des optischen Wellenleiters zu reduzieren, und den Fleckdurchmesser auf 2 bis 3 µm zu setzen, damit der gegenseitige Effekt relativ zu den Domä nenumkehrzonen erhöht wird, kann es daher für zweckmäßig gehalten werden, daß der Ausheilungsprozeß 2 Stunden lang oder länger bei 500ºC und vorzugsweise 5 Stunden lang oder länger durchgeführt wird. Bei 590ºC kann es für zweckmäßig gehalten werden, daß der Ausheilungsprozeß 30 Minuten lang oder länger und vorzugsweise 90 Minuten lang oder länger durchgeführt wird.
Es ist zu beachten, daß zusätzlich zu den oben beschriebenen Effekten der Ausheilungsprozeß die Wirkung der Verhinderung einer Verschlechterung des nicht-linearen optischen Koeffizienten hat, die durch die hohe Protonen- Konzentration verursacht wird.
In den oben beschriebenen Ausführungsformen besteht das Substrat 1 aus LiTaO&sub3;, wird die Ta-Schicht als Protonen (H&spplus;)-Austauschblockierschichten 200 und 200A verwendet, und wird Pyrophosphorsäure als Protonen (H&spplus;)-Austauschflüssigkeit 5 eingesetzt. Die für die Protonen (H&spplus;)-Austauschblockierschichten 200 und 200A verwendeten Materialien und die für die Protonen (H&spplus;)-Austauschflüssigkeit 5 eingesetzte Flüssigkeit sind jedoch nicht auf jene der beschriebenen Ausführungsformen begrenzt, und es können andere Materialien und Flüssigkeiten verwendet werden. Beispielsweise kann Benzoesäure als Protonen (H&spplus;)-Austauschflüssigkeit 5 eingesetzt werden.
Die vorliegende Erfindung ist ferner nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt, sondern es können verschiedene Variationen und Modifikationen vorgenommen werden, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung, wie in den beigeschlossenen Ansprüchen definiert, abzuweichen.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Elements zur Erzeugung zweiter Harmonischer (SHG) vom Wellenleiter-Typ, welches die Schritte enthält:

(a) Bilden periodischer Protonen (H&spplus;)-Austauschblockierschichten (2, 2A) auf einer Oberseite eines Substrats (1) aus LiTaO&sub3;, wobei diese Protonen (H&spplus;)-Austauschblockierschichten in einer ersten Richtung verlaufen und ungefähr parallel und periodisch beabstandet sind;

(b) Bilden von Protonen-Austauschschichten (3, 3A) auf der Oberseite des Substrats, die nicht von den Protonen (H&spplus;)-Austauschblockierschichten bedeckt ist;

(c) Erhitzen des Substrats; und

(d) Bilden eines optischen Wellenleiters (4, 4A, 4B) auf der Oberseite des Substrats, um die Domänenumkehrzonen zu überqueren, wobei der optische Wellenleiter in einer zweiten Richtung verläuft, die ungefähr rechtwinkelig zur ersten Richtung ist;

dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt (c) das Substrat (1) auf eine vorherbestimmte Temperatur unmittelbar unter dem Curie-Punkt mit einer Temperaturerhöhungszeit von weniger als ungefähr 30 Minuten erhitzt wird, um die Domänen der in den Schritten (a) und (b) gebildeten Protonen (H&spplus;)-Austauschschichten umzukehren.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem in Schritt (c) das Substrat (1) auf die vorherbestimmte Temperatur innerhalb einer Zeit von weniger als ungefähr 15 Minuten erhitzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, welches ferner zwischen den Schritten (c) und (d) einen Schritt (c1) des Diffundierens der Protonen (H&spplus;) enthält, indem das Substrat einem Ausheilungsprozeß unterworfen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, bei welchem in Schritt (c1) der Ausheilungsprozeß bei einer Temperatur durchgeführt wird, die niedriger ist als die vorherbestimmte Temperatur.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, bei welchem der Ausheilungsprozeß in Schritt (cl) bei einer Temperatur von ungefähr 500ºC während zumindest ungefähr 2 Stunden durchgeführt wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem in Schritt (c) und, sofern vorhanden, in Schritt (c1) die Domänenumkehrzonen (30, 30A, 72) mit einer ersten Tiefe im Substrat (1) gebildet werden, und in Schritt (e) der optische Wellenleiter (4, 4A, 4B) mit einer zweiten Tiefe gebildet wird, wobei diese zweite Tiefe kleiner ist als die erste Tiefe.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem in Schritt (c) und, sofern vorhanden, (c1) die Domänenumkehrzonen (30, 30A, 72) mit einer ungefähr halbkreisförmigen Gestalt, in einem Querschnitt entlang einer Ebene parallel zur zweiten Richtung und rechtwinkelig zur Oberseite des Substrats (1), gebildet werden.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem in Schritt (c) und, sofern vorhanden, (c1) die Domänenumkehrzonen (30, 30A, 72) mit einer Breite I&sub2; in der zweiten Richtung an der Oberseite des Substrats (1) und Nicht-Domänenumkehrzonen (30B, 71) mit einer Breite l&sub1; in der zweiten Richtung an der Oberseite des Substrats gebildet werden, so daß das Verhältnis 12:11 gleich 2n-1:1 ist, worin n das Verhältnis der Periode der Domänenumkehrzonen in der zweiten Richtung zur minimalen Domänenumkehrperiode ist, die für eine Quasiphasenübereinstimmung im optischen Wellenleiter erzeugter zweiter Harmonischer erforderlich ist, wobei die Domänenumkehrzonen und Nicht-Domänenumkehrzonen abwechselnd auf dem Substrat in der zweiten Richtung auftreten.

9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei n=2.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem in Schritt (a) die periodischen Protonen (H&spplus;)-Austauschblockierschichten (2, 2A) auf einer optisch polierten -Z-Fläche des Substrats (1) gebildet werden.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die vorherbestimmte Temperatur in Schritt (c) ungefähr im Bereich von 590 bis 595ºC liegt.