DE69531917T2

DE69531917T2 - Verfahren zur Herstellung von invertierten Domänen und eines optischen Wellenlängenkonverters mit denselben

Info

Publication number: DE69531917T2
Application number: DE69531917T
Authority: DE
Inventors: Kiminori Neyagawa-shi Mizuuchi; Kazuhisa Takatsuki-shi Yamamoto
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 1994-08-31
Filing date: 1995-08-30
Publication date: 2004-08-19
Anticipated expiration: 2015-08-31
Also published as: EP1355186B1; EP0699934A2; EP1355186A2; EP0699934A3; EP0699934B1; DE69531917D1; EP1355186A3; US5652674A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf: ein Verfahren zur Herstellung eines Domänen-invertierten Bereichs, welches das Anlegen eines elektrischen Felds verwendet, und ein Verfahren zum Herstellen eines Bauelements zur Wellenlängen-Umwandlung zur Verwendung auf den industriellen Gebieten der optischen Informationsverarbeitung und der angewandten Steuerung optischer Messungen, die eine kohärente Lichtquelle verwendet und den Domänen-invertierten Bereich umfasst.
2. Beschreibung der verwandten Technik
Die Verwendung eines Phänomens der Domänen-Inversion, um eine Domäne in einem ferroelektrischen Kristall zwangsweise zu invertieren, ermöglicht die Bildung eines periodischen Domänen-invertierten Bereichs (Struktur) in dem ferroelektrischen Kristallsubstrat. Der auf diese Weise gebildete Domänen-invertierte Bereich wird in optischen Frequenzmodulatoren verwendet, die akustische Oberflächenwellen verwenden, und außerdem in Bauelementen zur optischen Wellenlängen-Umwandlung, die die Inversion einer nicht linearen Domäne verwenden. Im Einzelnen kann durch das periodische Invertieren der nicht linearen Domänen von nicht linearen optischen Materialien ein Bauelement zur optischen Wellenlängen-Umwandlung, das einen äußerst hohen Wirkungsgrad der Umwandlung aufweist, hergestellt werden. Durch die Verwendung der auf diese Weise hergestellten Bauelemente zur optischen Wellenlängen-Umwandlung, um einen Lichtstrahl, wie etwa den von einem Halbleiterlaser erzeugten Lichtstrahl, umzuwandeln, wird eine kleine kurzwellige Lichtquelle realisiert, die auf verschiedenen Gebieten angewendet werden kann, wie etwa der Druck, die optische Informationsverarbeitung, die angewandte Steuerung der optischen Messung und dergleichen.
Als herkömmliche Verfahren zum Ausbilden eines periodischen Domänen-invertierten Bereichs sind die folgenden Verfahren veröffentlicht worden: ein Verfahren, das die thermische Diffusion von Ti verwendet; ein Verfahren, bei dem SiO₂ zugefügt wird, das anschließend wärmebehandelt wird; und ein Verfahren zum Ausführen einer Protonen-Austausch-Behandlung und einer Wärmebehandlung. Andererseits sind außerdem Verfahren zum Ausbilden eines periodischen Domänen-invertierten Bereichs veröffentlicht worden, die die Inversion der spontanen Polarisation eines ferroelektrischen Kristalls infolge eines elektrischen Felds verwenden. Ein Verfahren zum Bestrahlen einer –C Oberfläche eines Substrats mit einem Elektronenstrahl und ein Verfahren zum Bestrahlen einer +C Oberfläche eines Substrats mit positiven Ionen und dergleichen sind z. B. angewandte Verfahren, die ein elektrisches Feld verwenden. In jedem Fall wird ein tiefer Domänen-invertierter Bereich mit einer Tiefe von mehreren hundert Mikrometern durch das elektrische Feld ausgebildet, das durch emittierte geladene Partikel gebildet wird.
Als ein weiteres herkömmliches Verfahren zum Herstellen eines Domänen-invertierten Bereichs ist ein Verfahren zum Ausbilden einer kammförmigen Elektrode auf LiNbO₃ oder LiTaO₃ und dem anschließenden Anlegen eines impulsförmigen elektrischen Felds an die kammförmige Elektrode veröffentlicht worden (japanische Veröffentlichungen zur Patentoffenlegung Nr. 3-121428 und 4-19719).
Unter Bezugnahme auf 30 wird ein herkömmliches Verfahren zum Herstellen eines Bauelements zur optischen Wellenlängen-Umwandlung erläutert.
Ein herkömmliches Bauelement 50 zur optischen Wellenlängen-Umwandlung unter Verwendung eines LiNbO₃-Substrats, das in 30 gezeigt ist, wird in der folgenden Weise hergestellt. Zuerst wird eine periodische kammförmige Elektrode 51 auf einer +C Oberfläche 55a des LiNbO₃-Substrats 55 ausgebildet und eine Planare Elektrode 52 wird auf einer –C Oberfläche 55b ausgebildet. Dann wird die +C Oberfläche 55a geerdet und eine Impuls-Spannung, die typischerweise eine Impulsbreite von 100 μs aufweist, wird durch eine Impuls-Spannungsquelle 56 an die –C Oberfläche 55b angelegt. Das elektrische Feld, das erforderlich ist, um eine Domäne zu invertieren, ist etwa 20 kV/mm oder stärker. Bei der Anwendung eines derartigen elektrischen Felds besteht die Wahrscheinlichkeit, dass Kristalle des Substrats 55 durch das Anlegen des elektrischen Felds zerstört werden, wenn das Substrat 55 dick ist. Die Zerstörung von Kristallen infolge der Anwendung des elektrischen Felds kann jedoch vermieden werden, wenn die Dicke des Substrats 55 auf etwa 200 μm eingestellt wird, was wiederum ermöglicht, einen Domänen-invertierten Bereich bei Raumtemperatur auszubilden.
Es ist ferner eine Domänen-invertierte Struktur, die eine kurze Periode im Bereich von 3 bis 4 μm besitzt, erforderlich, um ein Bauelement 50 zur optischen Wellenlängen-Umwandlung, das einen hohen Wirkungsgrad besitzt, zu realisieren. Wenn der Domänen-invertierte Bereich durch Anlegen eines elektrischen Felds ausgebildet wird, wird eine Domäne eines Abschnitts direkt unter einer Elektrode invertiert und anschließend breitet sich der Domänen-invertierte Bereich in einer Richtung parallel zur Oberfläche des Substrats 55 aus. Es ist deswegen schwierig, die Periode einer Domänen-invertierten Struktur zu verkürzen. Um dieses Problem zu lösen, wird ein kurzer Impuls mit einer Impulsbreite von etwa 100 μs an eine Elektrode angelegt, um die Zeitdauer der Spannungsanwendung zu verkürzen, um dadurch eine Domänen-invertierte Struktur mit einer kurzen Periode auszubilden.
Wie oben beschrieben wurde, kann in den herkömmlichen Verfahren ein Domänen-invertierter Bereich durch das Anwenden eines elektrischen Felds bei Raumtemperatur ausgebildet werden, indem das Substrat 55 dünner gemacht wird, und eine Periode der Domänen-invertierten Struktur kann verkürzt werden, indem die Zeitdauer der Spannungsanwendung verkürzt wird.
Ferner ist ein Verfahren zum Herstellen eines Bauelements zur optischen Wellenlängen-Umwandlung, das ein herkömmliches Verfahren zum Ausbilden eines Domänen-invertierten Bereichs verwendet, z. B. in M. Yamada, N. Nada, M. Saitoh und K. Watanabe: "First-order quasi-phase matched LiNbO₃ waveguide periodically poled by applying an external field for efficient blue second-harmonic generation", Appl. Phys. Lett., 62, S.435–436 (Feb. 1993) offenbart. Bei dem offenbarten Verfahren wird, nachdem periodische Domänen-invertierte Bereiche ausgebildet wurden, ein optischer Wellenleiter senkrecht über die periodischen Domänen-invertierten Bereiche ausgebildet, wodurch ein Bauelement zur optischen Wellenlängen-Umwandlung hergestellt wird. In dem hergestellten Bauelement zur optischen Wellenlängen-Umwandlung wird als ein Ausgang eine sekundäre harmonische Welle von 20,7 mW erhalten, wenn die Wechselwirkungslänge 3 mm beträgt und die Leistung des einfallenden Lichtstrahls 196 mW beträgt.
Ferner ist ein Verfahren zum Herstellen eines Domänen-invertierten Bereichs, das die Kombination aus einem Protonen-Austausch und der Anwendung eines elektrischen Felds verwendet, z. B. in der japanischen Veröffentlichung zur Patentoffenlegung Nr. 4-264534 offenbart. Nachdem die gesamte Oberfläche eines Substrats einer Protonen-Austausch-Behandlung unterzogen wurde, um eine Protonen-Austausch-Schicht zu bilden, wird gemäß diesem Verfahren auf der Oberfläche der Protonen-Austausch-Schicht eine kammförmige Elektrode ausgebildet und auf der Unterseite des Substrats wird eine planare Elektrode ausgebildet. Ein Domänen-invertierter Bereich wird durch Anlegen einer Spannung zwischen den Elektroden ausgebildet. Eine Protonen-Austausch-Behandlung erleichtert die Ausbildung eines Domänen-invertierten Bereichs. Es ist deswegen möglich, eine sehr gleichförmige periodische Domänen-invertierte Struktur auszubilden.
Bei den oben beschriebenen herkömmlichen Verfahren zum Herstellen eines Domänen-invertierten Bereichs ist es erforderlich, eine starke Impulsspannung (mehrere kV) mit einer kleinen Impulsbreite (100 μm oder geringer) anzulegen. Da es schwierig ist, eine derartige Hochspannung mit kurzen Impulsen zu bilden, ist es schwer, bei der Anwendung der Spannung die Reproduzierbarkeit, Zuverlässigkeit und Gleichförmigkeit in ausreichendem Maße sicherzustellen.
Wenn eine Hochspannung mit kurzen Impulsen an ein Substrat angelegt wird, wird darüber hinaus die Verteilung des elektrischen Felds in den Substratebenen ungleichförmig. Deswegen entsteht ein Problem dahingehend, dass die Gleichförmigkeit in den Ebenen der ausgebildeten Domänen-invertierten Struktur verschlechtert ist. Da es schwierig ist, eine gleichförmige Domänen-invertierte Struktur über einen großen Bereich auszubilden, gibt es ferner außerdem ein Problem dahingehend, dass Domänen-invertierte Strukturen nicht unter Verwendung von großen Substraten in Massenfertigung hergestellt werden können.
Wenn die angelegte Spannung ungleichförmig ist, kann das Substrat ferner brechen, was eine Verminderung der Produktionsausbeute der Bauelemente zur Folge hat. Um eine Zerstörung der Kristalle des Substrats zu verhindern, selbst wenn ein Hochspannungsimpuls angelegt wird, kann lediglich ein Dünnfilm-Substrat verwendet werden, wie oben beschrieben wurde. Da es jedoch schwierig ist, ein derartiges Dünnfilm-Substrat zu handhaben, ist die Brauchbarkeit gering.
Ein Domänen-invertierter Bereich mit einer kurzen Periode ist erforderlich, um ein hochwirksames Bauelement zur optischen Wellenlängen-Umwandlung zu realisieren. Bei einem herkömmlichen Verfahren zum Herstellen eines Domänen-invertierten Bereichs, das die Anwendung eines elektrischen Felds verwendet, dehnt sich ein Domänen-invertierter Bereich von Bereichen unter streifenförmigen Elektroden, die eine kammförmige Elektrode bilden, aus. Da benachbarte Domänen-invertierte Bereiche in gegenseitigen Kontakt gelangen, wird es folglich schwierig, einen Domänen-invertierten Bereich mit einer kurzen Periode auszubilden.
Ein Verfahren zum Herstellen eines Domänen-invertierten Bereichs gemäß dem Oberbegriff des vorliegenden Anspruchs 1 ist aus dem Dokument EP-A-0 532 969 bekannt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Ein Verfahren zum Herstellen eines Domänen-invertierten Bereichs dieser Erfindung ist im Anspruch 1 definiert. Es enthält im Wesentlichen die folgenden Schritte: Ausbilden einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode, die in einer Domänen-Richtung eines ferroelektrischen Kristall-Substrats getrennt sind; Anlegen einer Gleichstrom-Spannung zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode; und Invertieren einer Domäne eines vorgegebenen Bereichs in dem ferroelektrischen Kristall-Substrat durch das Anlegen einer kombinierten Spannung der Gleichstrom-Spannung und einer Impuls-Spannung, wobei die kombinierte Spannung erhältlich ist durch das Überlagern der Impuls-Spannung auf die Gleichstrom-Spannung.
Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Demzufolge ermöglicht die hierin beschriebene Erfindung die Vorteile des Schaffens eines Verfahrens zur Herstellung eines domänen-invertierten Bereiches, welches in der Lage ist einen domänen-invertierten Bereich auszubilden durch das Anlegen eines elektrischen Feldes mit einer geringen elektrischen Impulsfeldstärke.
Diese sowie weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann beim Lesen und Verstehen der folgenden genauen Beschreibung bei Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung deutlich.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1A ist eine perspektivische Ansicht, die ein Verfahren zum Ausbilden eines Domänen-invertierten Bereichs gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. 1B ist eine schematische Darstellung, die die zeitliche Änderung der Intensität eines elektrischen Felds zeigt, das zum Ausbilden Domänen-invertierter Bereiche an ein Substrat angelegt wird.
2A zeigt eine Signalform einer Spannung, die gemäß einem herkömmlichen Verfahren an ein Substrat angelegt wird; 2B zeigt eine Signalform eines Inversionsstroms, der bei der Anwendung der in 2A gezeigten Spannung fließt; 2C zeigt eine Signalform einer Spannung, die gemäß der vorliegenden Erfindung an ein Substrat angelegt wird; 2D zeigt eine Signalform eines Inversionsstroms, der bei der Anwendung der in 2C gezeigten Spannung fließt; und 2E zeigt ein Beispiel einer Signalform einer weiteren angelegten Spannung gemäß der vorliegenden Erfindung.
3 ist eine graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen einer Änderungsrate einer angelegten Impuls-Spannung und einem Spannungswert, bei dem ein Re-Inversionsstrom fließt.
4A ist eine graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen der Intensität eines elektrischen Gleichstrom-Felds, das an ein Substrat angelegt wird, und einer Dicke des Substrats, mit dem ein Domänen-invertierter Bereich ausgebildet werden kann, zeigt. 4B ist eine Darstellung, die die Beziehung zwischen der Intensität eines elektrischen Gleichstrom-Felds, das an ein Substrat angelegt wird, und der Breite eines Domänen-invertierten Bereichs zeigt.
Die 5A bis 5C sind perspektivische Ansichten, die die Schritte zum Bilden eines Bauelements zur optischen Wellenlängen-Umwandlung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen.
6 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Bauelement zur optischen Wellenlängen-Umwandlung zeigt, das durch die in den 5A bis 5C gezeigten Schritte hergestellt wird.
Die 7A bis 7C sind Schnittansichten, die ein Verfahren zum Ausbilden eines Domänen-invertierten Bereichs gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen.
8A ist eine Schnittansicht, die die Positionsbeziehung zwischen einer kammförmigen Elektrode und einem Domänen-invertierten Bereich zeigt; und 8B ist eine Darstellung, die die Beziehung zwischen einer angelegten Spannung und einer Breite eines Domänen-invertierten Bereichs zeigt.
Die 9A bis 9C sind Schnittansichten, die ein Verfahren zum Ausbilden eines Domänen-invertierten Bereichs gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen.
Die 10A bis 10D sind Schnittansichten, die die Beziehung zwischen einer Glühtemperatur und der Form eines Domänen-invertierten Bereichs zeigen.
Die 11A bis 11D sind Schnittansichten, die die Schritte zum Bilden eines Bauelements zur optischen Wellenlängen-Umwandlung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen.
12 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Bauelement zur optischen Wellenlängen-Umwandlung zeigt.
Die 13A bis 13C sind Schnittansichten, die ein Verfahren zum Ausbilden eines Domänen-invertierten Bereichs gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen.
14A ist eine graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen einer angelegten Spannung und der Breite eines Domänen-invertierten Bereichs zeigt; und die 14B und 14C sind Schnittansichten, die die Form der auszubildenden Domänen-invertierten Bereiche schematisch zeigen.
Die 15A bis 15D sind Schnittansichten, die ein Verfahren zum Ausbilden eines Domänen-invertierten Bereichs gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen.
Die 16A bis 16E sind Schnittansichten, die ein Verfahren zum Ausbilden eines Domänen-invertierten Bereichs gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen.
17 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Bauelement zur optischen Wellenlängen-Umwandlung zeigt, das unter Verwendung des Domänen-invertierten Bereichs, der durch die in den 16A bis 16E gezeigten Schritte erhalten wird, hergestellt wird.
Die 18A bis 18C sind Schnittansichten, die ein Verfahren zum Ausbilden eines Domänen-invertierten Bereichs gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen.
Die 19A und 19B sind perspektivische Ansichten, die die Schritte zum Bilden eines Bauelements zur optischen Wellenlängen-Umwandlung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen.
20 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Bauelement zur optischen Wellenlängen-Umwandlung zeigt.
21 ist eine graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen der Leistung einer Grundwelle, die eingegeben wird, und der Leistung einer sekundären harmonischen Welle, die ausgegeben wird, in einem Bauelement zur optischen Wellenlängen-Umwandlung zeigt.
22 ist eine graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen der Leistung einer Grundwelle, die eingegeben wird, und der Leistung einer sekundären harmonischen Welle, die ausgegeben wird; in einem Bauelement zur optischen Wellenlängen-Umwandlung zeigt.
Die 23A bis 23C sind Schnittansichten, die ein Verfahren zum Ausbilden eines optischen Wellenleiters gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
24A ist eine perspektivische Ansicht, die ein Bauelement zur optischen Wellenlängen-Umwandlung zeigt; und 24B ist eine Schnittansicht, die das Verfahren zum Trennen der umgewandelten harmonischen Welle und der nicht umgewandelten Grundwelle veranschaulicht.
25 ist eine graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen einer Dauer der Protonen-Austausch-Behandlung, die zum Ausbilden eines optischen Wellen leiters ausgeführt wird, und der Tiefe, bei der die Domänen-Inversion endet, zeigt.
Die 26A bis 26D sind jeweils perspektivische Ansichten, die die Schritte zum Bilden eines Bauelements zur optischen Wellenlängen-Umwandlung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen.
Die 27A bis 27D sind jeweils perspektivische Ansichten, die die Schritte zum Bilden eines Bauelements zur optischen Wellenlängen-Umwandlung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen.
Die 28A bis 28D sind jeweils perspektivische Ansichten, die die Schritte zum Bilden eines Bauelements zur optischen Wellenlängen-Umwandlung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen.
Die 29A bis 29D sind Schnittansichten, die ein Verfahren zum Ausbilden eines Domänen-invertierten Bereichs gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen.
30 ist eine Schnittansicht, die ein Verfahren zum Ausbilden eines Domänen-invertierten Bereichs gemäß einem herkömmlichen Verfahren zeigt.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Vor der Beschreibung von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird zuerst die Domänen-Inversion eines ferroelektrischen Kristalls beschrieben.
Das ferroelektrische Kristall weist eine elektrische Fehlladung auf, die durch spontane Polarisation in seinem Kristall bewirkt wird. Die Richtung der spontanen Polarisation in dem ferroelektrischen Kristall kann durch Anlegen eines elektrischen Felds in einer Richtung, die der spontanen Richtung entgegengesetzt ist, geändert werden.
Die Richtung der spontanen Polarisation ändert sich in Abhängigkeit von der Art des Kristalls (Material). Da Kristalle, wie etwa LiTaO₃ oder LiNbO₃, eine spontane Polarisation lediglich in Richtung einer C-Achse aufweisen, tritt die Polarisation in diesen Kristallen nur in zwei Richtungen auf, d. h. eine "+"-Richtung längs der C-Achse oder eine "–"-Richtung längs der C-Achse, die zur "+"-Richtung entgegen gesetzt ist. Wenn an die Kristalle ein elektrisches Feld angelegt wird, bewirkt die Polarisation dieser Kristalle, dass sie um 180° gedreht werden. Somit ist das Kristall in einer Richtung ausgerichtet, die der unmittelbar vorherigen Richtung entgegengesetzt ist. Dieses Phänomen wird als "Domänen-Inversion" bezeichnet. Ein elektrisches Feld, das erforderlich ist, um die Inversion einer Domäne zu bewirken, wird als invertierendes elektrisches Feld bezeichnet und besitzt in solchen Kristallen wie LiNbO₃ oder LiTaO₃ bei Raumtemperatur einen Wert im Bereich von etwa 20 bis 30 kV/mm.
Der Prozess zum Schaffen eines Kristalls mit einer einzigen Domänen-Richtung in dem ferroelektrischen Kristall wird als "Singularisierung der Domänen-Richtung" bezeichnet. Um die Singularisierung der Domänen-Richtung zu erreichen, wird im Allgemeinen ein Verfahren zum Anlegen eines elektrischen Felds bei einer hohen Temperatur nach dem Kristallwachstum ausgeführt.
Beispiel 1
1A ist eine schematische perspektivische Ansicht, um ein Verfahren zum Ausbilden eines Domänen-invertierten Bereichs gemäß Beispiel 1 zu beschreiben.
Um ein Bauelement 100 zur optischen Wellenlängen-Umwandlung unter Verwendung eines LiTaO₃-Substrats 1 herzustellen, wie in 1A gezeigt ist, werden eine periodische kammförmige Elektrode 2 auf einer +C Oberfläche 1a und eine Planare Elektrode 3 auf einer –C Oberfläche 1b des LiTaO₃-Substrats ausgebildet. Anschließend wird eine Gleichstrom-Spannungsquelle 4 und eine Impuls-Spannungsquelle 5 an die kammförmige Elektrode 2 an der +C Oberfläche 1a bzw. an der Planaren Elektrode 3 an der –C Oberfläche angeschlossen. Bei dieser Konfiguration ist es möglich, eine Gleichstrom-Spannung mit einem vorgegebenen Spannungspegel, der bei Bedarf eine Impuls-Spannung überlagert ist, an das LiTaO₃-Substrat 1 anzulegen.
Um das Auftreten einer Entladung während der Anwendung einer Spannung zu vermeiden, wird das Substrat in einer isolierenden Lösung oder in einer Unterdruck-Umgebung (mindestens 10^–6 Torr) angeordnet und anschließend wird eine Gleichstrom-Spannung angelegt. Wenn die Domänen-Inversion auftritt, fließt ein Strom (der als "Inversionsstrom" bezeichnet wird), der der Intensität der spontanen Polarisation und der Fläche der Elektroden proportional ist, zwischen der kamm förmigen Elektrode 2 und der planaren Elektrode 3.
Zuerst wird nachfolgend die Beziehung zwischen einem elektrischen Gleichstrom-Feld Ecw und einem elektrischen Impuls-Feld Epp, die angelegt werden sollen, und dem Phänomen der Domänen-Inversion beschrieben.
Zuerst wird ein Beispiel beschrieben, bei dem versucht wird, einen Domänen-invertierten Bereich auszubilden, indem lediglich eine Impuls-Spannung unter Verwendung einer Impuls-Spannungsquelle 5 angelegt wird. In diesem Fall wird bei der in 1A gezeigten Konfiguration eine Impuls-Spannung durch die Impuls-Spannungsquelle 5 über die planare Elektrode 2 an das LiTaO₃-Substrat 1 angelegt. Die Gleichstrom-Spannungsquelle 4 wird nicht verwendet und die kammförmige Elektrode 2 ist geerdet.
Eine Impuls-Spannung mit einer Impulsbreite von etwa 100 μs wird an das Substrat 1, das eine Dicke von 0,2 mm besitzt, angelegt. Dann wird eine Domäne durch Anlegen eines elektrischen Felds von etwa 20 kV/mm oder größer invertiert (wodurch angegeben wird, dass auf 1 mm eine Spannung von 20 kV angelegt wird). Wenn ferner die ähnliche Operation für ein Substrat 1, das eine Dicke von 0,3 mm besitzt, ausgeführt wird, wird die Domänen-Inversion durch das Anlegen eines elektrischen Felds von 20 kV/mm und größer bewirkt. Bei dem Substrat 1 treten jedoch wahrscheinlich Risse auf, was eine geringe Ausbeute zur Folge hätte.
Anschließend wird versucht, einen periodischen Domänen-invertierten Bereich mit einer Periode von 3 μm auszubilden, während die Dicke des Substrats 1 auf einen konstanten Wert, d. h. 0,2 mm und eine Fläche der planaren Elektrode 3 auf 3 × 10 mm eingestellt werden. Wenn die Fläche der planaren Elektrode 3 vergrößert wird, werden jedoch selbst in dem Substrat mit der Dicke 0,2 mm viele Risse gefunden. Dieses Problem entsteht daraus, dass der Domänen-invertierte Bereich lediglich teilweise ausgebildet wird oder dass die Form des Domänen-invertierten Bereichs, der ausgebildet werden soll, ungleichmäßig ist. Es wird vermutet, dass diese Probleme durch das teilweise konzentrierte angelegte elektrische Feld infolge der tatsächlichen Ungleichförmigkeit in der Dicke und der Form der planaren Elektrode 3, an die die Impuls-Spannung angelegt wird, bewirkt werden. Außerdem wird die Gleichförmigkeit der periodischen Struktur in dem ausgebildeten Domänen-invertierten Bereich verschlechtert.
Die Größe des Domänen-invertierten Bereichs sollte etwa 3 × 3 mm betragen oder kleiner sein, um die Form des periodischen Domänen-invertierten Bereichs gleichförmig zu gestalten. Wenn der Domänen-invertierte Bereich nur durch Anlegen einer Impuls-Spannung ausgebildet wird, entstehen Probleme dahingehend, dass es schwierig ist, einen ausreichend großen Domänen-invertierten Bereich auszubilden und die Gleichförmigkeit in einer Fläche des auf diese Weise ausgebildeten Domänen-invertierten Bereichs ist schlecht und dergleichen, wenn die Dicke des Substrats 0,3 mm beträgt oder größer ist.
Nun wird ein Beispiel beschrieben, bei dem versucht wird, den Domänen-invertierten Bereich lediglich durch das Anlegen einer Gleichstrom-Spannung unter Verwendung der Gleichspannungsquelle 4 auszubilden. In diesem Fall wird bei der in 1A gezeigten Konfiguration durch die Gleichspannungsquelle 4 über die kammförmige Elektrode 2 eine Gleichstrom-Spannung an das LiTaO₃-Substrat angelegt. Die Impuls-Spannungsquelle 5 wird nicht verwendet und die Planare Elektrode 3 ist geerdet.
Wenn eine Gleichstrom-Spannung an das Substrat 1, das eine Dicke von 0,2 mm besitzt, angelegt wird, wird ein elektrisches Gleichstrom-Feld an das Substrat angelegt. Dann fließt ein Inversionsstrom zu dem Zeitpunkt, wenn eine Spannung, die der Intensität des elektrischen Felds von etwa 20 kV/mm oder mehr entspricht, angelegt wird. Im Ergebnis wird eine Domäne invertiert. Ferner werden Charakteristiken der Domänen-Inversion in Bezug auf die Dicke des Substrats 1 gemessen. Bei dem Substrat 1, das eine Dicke von 0,5 mm oder weniger besitzt, ist es möglich, einen Domänen-invertierten Bereich auszubilden. Wenn die Dicke jedoch 0,5 mm übersteigt, treten in dem Substrat 1 Risse auf, die die Ausbildung des Domänen-invertierten Bereichs schwierig gestalten. Der Grund, warum die Risse im Substrat 1 auftreten, wird in der folgenden Weise betrachtet. Die Spannungsintensität, die erforderlich ist, um einen Domänen-invertierten Bereich auszubilden, steigt an, wenn die Dicke des Substrats 1 größer wird. Deswegen wird dann, wenn versucht wird, in einem dicken Substrat einen Domänen-invertierten Bereich auszubilden, eine Spannung an das Substrat 1 angelegt, die eine Durchschlagspannung des Kristalls übersteigt. Folglich treten Risse auf.
Wenn jedoch eine Gleichstrom-Spannung angelegt wird, ist es möglich, ein elektrisches Feld mit einer hohen Intensität anzulegen, da die Gleichförmigkeit des elektrischen Felds, das an der Oberfläche an das Substrat 1 anzulegen ist, groß ist.
In Bezug auf die oben erwähnte Bildung eines periodischen Domänen-invertierten Bereichs durch Anlegen einer Gleichstrom-Spannung wird versucht, einen periodischen Domänen-invertierten Bereich auszubilden, indem eine Gleichstrom-Spannung von etwa 20 kV/mm unter verschiedenen Bedingungen anlegt wird, wie oben beschrieben wurde. Im Einzelnen wird ein periodischer Domänen-invertierter Bereich unter den folgenden Bedingungen ausgebildet: die Periode der kammförmigen Elektrode 2 liegt im Bereich von 2 bis 10 μm; die Dicke des Substrats 1 liegt im Bereich von 0,2 bis 0,5 mm; und die Zeitperiode der Spannungsanwendung liegt im Bereich von 0,5 bis 10 Sekunden. Im Ergebnis wird nicht in jedem Fall eine periodische Domänen-invertierte Struktur mit einer Periode von maximal 5 μm ausgebildet. Dieses Ergebnis zeigt, dass es schwierig ist, eine periodische Struktur mit einer kurzen Periode lediglich durch Anlegen einer Gleichstrom-Spannung auszubilden, da sich ein Domänen-invertierter Bereich, der direkt unter der kammförmigen Elektrode 2 ausgebildet wird, in horizontaler Richtung schnell ausbreitet.
Wie oben beschrieben wurde, ist es dann, wenn lediglich entweder eine Gleichstrom-Spannung (elektrisches Feld) oder eine Impuls-Spannung (elektrisches Feld) angelegt wird, schwierig, eine Domänen-invertierte Struktur mit einer kurzen Periode über einen großen Bereich gleichförmig auszubilden. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann jedoch durch Anlegen einer Gleichstrom-Spannung (elektrisches Feld), der eine Impuls-Spannung (elektrisches Feld) überlagert ist, an das Substrat die oben beschriebene Aufgabe der vorliegenden Erfindung erreicht werden.
1B zeigt die zeitliche Änderung der Intensität des elektrischen Felds, das durch die Spannungsanwendung gemäß der vorliegenden Erfindung an das Substrat 1 angelegt wird. In der folgenden Beschreibung wird ein elektrisches Feld, das durch eine Gleichstrom-Spannung von einer Gleichspannungsquelle 4 angelegt wird, mit Ecw bezeichnet und ein elektrisches Feld, das durch eine Impuls-Spannung (in diesem Fall ein Einzelimpuls) von einer Impuls-Spannungsquelle 5 angelegt wird, wird mit Epp bezeichnet. In der vorliegenden Erfindung wird, wie in 1B gezeigt ist, das elektrische Gleichstrom-Feld Ecw, dem das elektrische Impuls-Feld Epp überlagert ist, an das Substrat 1 angelegt.
Ein elektrisches Impuls-Feld Epp besitzt typischerweise eine Impulsbreite von maximal 100 μs. In der folgenden Beschreibung beträgt die Impulsbreite 0,5 ms. Bei einer Impuls-Spannung, die tatsächlich an das Substrat angelegt wird, wird eine Spannungsänderung mit einer vorgegebenen Amplitude nicht unmittelbar an ihren ansteigenden und abfallenden Flanken beeinflusst, sondern erfordert eine bestimmte Zeitperiode. In 1B sind die obigen Punkte weggelassen und das elektrische Impuls-Feld Epp ist zur Vereinfachung der Beschreibung als eine Impuls-Signalform Ep dargestellt.
Die Domänen-Inversions-Charakteristiken werden unter Verwendung der Werte von Ecw und Epp als Parameter gemessen. Die Spannung, bei der die Domänen-Inversion auftritt, wird außerdem während der gesamten Messung des Inversionsstroms gemessen. Im Ergebnis wird klar, dass eine Domäne invertiert wird, wenn die Summe von Ecw und Epp etwa 20 kV/mm beträgt oder größer ist, unabhängig von einem Wert von Epp oder Ecw.
Wenn die Domänen-invertierten Bereiche durch Anlegen eines elektrischen Felds ausgebildet werden, sollte dem Phänomen der Re-Inversion von Domänen Aufmerksamkeit gewidmet werden. Gemäß einem Verfahren zum Herstellen eines Domänen-invertierten Bereichs in Übereinstimmung mit Beispiel 1 können jedoch die herkömmlichen Probleme gelöst werden, die durch das Phänomen der Re-Inversion von Domänen bewirkt werden. Das wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die 2A bis 2E und 3 beschrieben.
Wenn die Domänen-invertierten Bereiche durch die herkömmliche Anwendung eine Impuls-Spannung ausgebildet werden, werden die Domänen-invertierten Bereiche in einigen Fällen nicht erfolgreich ausgebildet, selbst wenn eine Impulsbreite, eine Anstiegsgeschwindigkeit und eine Abfallgeschwindigkeit der angelegten Impuls-Spannung eingestellt sind. Um zu untersuchen, warum dieses Phänomen bewirkt wird, messen die Erfinder der vorliegenden Erfindung einen Inversionsstrom, der dann fließt, wenn eine Domänen-Inversion auftritt. Die 2A bis 2D zeigen die Untersuchungsergebnisse.
Die 2A und 2B zeigen Signalformen von Spannungen, die an das Substrat angelegt werden, und Signalformen der Inversionsströme, die bei der Anwendung der Spannungen gemäß dem herkömmlichen Verfahren fließen. Wie in 2A gezeigt ist, wird eine Impuls-Spannung (die in diesem Fall als eine negative Impuls-Spannung dargestellt ist) an ein Substrat angelegt. Wenn eine Spannung an das Substrat angelegt wird, die eine Inversionsspannung übersteigt, fließt ein Inversionsstrom, der in 2B gezeigt ist, wodurch eine Domänen-Inversion bewirkt wird. Während jedoch die angelegte Spannung nach Beendigung der Anwendung der Impuls-Spannung auf null verringert wird, fließt ein Strom, der eine zu der Richtung des Inversionsstroms entgegengesetzte Richtung besitzt. Der Strom wird als ein Re-Inversionsstrom bezeichnet, der dann fließt, wenn die invertierte Domäne re-invertiert wird, um in ihren ursprünglichen Zustand zurückzukehren. Wie oben beschrieben wurde, können durch das herkömmliche Verfahren zum alleinigen Anlegen einer Impuls-Spannung (elektrisches Feld) in manchen Fällen die Domänen-invertierten Bereiche wegen der Auswirkungen des Phänomens der Re-Inversion auf die Domäne nicht ausgebildet werden. Das Phänomen der Re-Inversion zeigt, dass die Domänen-invertierten Bereiche unmittelbar nach Beendigung der Ausbildung instabil sind.
Ein Spannungswert, bei dem Domänen re-invertiert werden, damit ein Re-Inversionsstrom fließt, hängt von der Änderungsrate der Spannung ab, wenn die angelegte Impuls-Spannung auf einen Nullpegel zurückgebracht wird. Diese Beziehung ist in 3 gezeigt. Diese graphische Darstellung zeigt den Fall, bei dem eine Impuls-Spannung von –5 kV an ein LiTaO₃-Substrat, das eine Dicke von 0,2 mm besitzt, angelegt wird. Während sich in einen tatsächlichen Fall die Beziehung in Abhängigkeit von einem spezifischen Lastwiderstand einer Spannungsquelle verändert, zeigt die graphische Darstellung von 3 die Beziehung in dem Fall, wenn ein spezifischer Lastwiderstand 1 MΩ beträgt. Wenn gemäß 3 die Änderungsrate der Impuls-Spannung größer wird, steigt die Spannung an, bei der ein Re-Inversionsstrom zu fließen beginnt, da das Auftreten der Re-Inversion von Domänen allmählich näher an einen Spannungswert der Re-Inversion rückt.
Andererseits wird gemäß einem Verfahren vom Beispiel 1 eine Spannung, die durch Überlagern einer Impuls-Spannung auf eine Gleichstrom-Spannung erhalten wird, an das Substrat angelegt, wie in 2C gezeigt ist. Zu diesem Zeitpunkt ist die Gleichstrom-Spannung auf einen solchen Wert gesetzt, dass keine Domänen-Re-Inversion auftritt und kein Re-Inversionsstrom fließt. Folglich können dann, wenn die angelegte Spannung von einem Impuls-Spannungswert auf einen Nullpegel vermindert wird, die ausgebildeten Domänen-invertierten Bereiche aufrechterhalten werden, ohne dass ein Re-Inversionsstrom fließen kann, wie in
2D gezeigt ist. Es ist ausreichend, nach der Domänen-Inversion eine Gleichstrom-Spannung auf einem vorgegebenen Spannungspegel, wie oben beschrieben wurde, während wenigstens einer vorgegebenen Zeitperiode, z. B. mehrere Sekunden anzulegen.
Wenn z. B. das LiTaO₃-Substrat, das eine Dicke von 0,2 mm besitzt, in der oben beschriebenen Weise verwendet wird, ist es ausreichend, eine Spannung von maximal –5 kV anzulegen, wobei die Gleichspannung auf –2 kV und die Impuls-Spannung auf –3 kV eingestellt sind. Es ist ausreichend, die Änderungsrate der angelegten Spannung zum Nullpegel nach der Ausbildung der Domänen-invertierten Bereiche auf 100 V/Sekunde einzustellen. Die Impulsbreite der Impuls-Spannung kann ferner optimiert werden, indem eine Gesamtmenge von Ladungen, die in das Substrat fließen, auf der Grundlage der Signalform eines Inversionsstroms bewertet wird. Durch die Ausführung des Prozesses vom Beispiel 1 auf der Grundlage dieser Bedingungen können über dem gesamten Substrat Domänen-invertierte Bereiche gleichförmig ausgebildet werden.
Obgleich in der obigen Beschreibung das LiTaO₃-Substrat verwendet wird, kann dasselbe Ergebnis mit einem LiNbO₃-Substrat erhalten werden.
Ein Inversionsstrom fließt nur dann, wenn eine Spannung, die eine Inversionsspannung überschreitet, an das Substrat angelegt wird. Um die Form (die Fläche) der Domänen-invertierten Bereiche, die ausgebildet werden sollen, genau zu steuern, sollte ein Gesamtbetrag des Inversionsstroms gesteuert werden. Eine derartige Steuerung kann ausgeführt werden, indem ein Inversionsstrom und eine Zeitperiode, während der eine angelegte Spannung einen Inversionsspannungswert überschreitet, genau gesteuert werden. Um diese Steuerung auszuführen, wie z. B. in 2E gezeigt ist, ist es ausreichend, eine angelegte Spannung von einem Impuls-Spannungswert auf einen Nullpegel so zu ändern, dass die angelegte Spannung zuerst schrittweise auf einen Inversionsspannungspegel oder darunter und dann allmählich auf einen Nullpegel verringert wird.
Wenn die Beziehung zwischen einem Wert von Ecw und einer Dicke des Substrats 1, bei dem ein Domänen-invertierter Bereich ausgebildet werden kann, bewertet wird, während die Summe von Ecw und Epp konstant auf einen Wert von 21 kV/mm eingestellt ist, werden die in 4A gezeigten Ergebnisse erhalten. Im Einzelnen kann ein Domänen-invertierter Bereich durch Erhöhen des Werts von Ecw selbst in dem dicken Substrat 1 ausgebildet werden, ohne Risse des Substrats 1 zu verursachen. Wenn z. B. Ecw 5 kV/mm beträgt oder größer ist, kann in dem Substrat 1, das eine Dicke von 0,3 mm besitzt, ein Domänen-invertierter Bereich ausgebildet werden, und wenn Ecw 10 kV/mm beträgt oder größer ist, kann in dem Substrat 1, das eine Dicke von 0,4 mm oder größer besitzt, ein Domänen-invertierter Bereich ausgebildet werden.
Wenn der Wert von Ecw ansteigt, verbessert sich die Gleichförmigkeit in der Fläche des Domänen-invertierten Bereichs, der ausgebildet werden soll. Dann, wenn Ecw auf einen Wert eingestellt wird, der etwas kleiner als der Wert ist, bei dem eine Domänen-Inversion tatsächlich auftritt (d. h. das elektrische Inversions-Feld), kann ein Domänen-invertierter Bereich, der die beste Gleichförmigkeit besitzt, ausgebildet werden. Obgleich ein spezieller Wert in Abhängigkeit vom Substrat leicht schwankt, ist es ausreichend, den Wert von Ecw auf 19,9 kV einzustellen, wenn ein elektrischer Inversionswert etwa 20 kV/mm beträgt. Durch Einstellen von Ecw auf den oben beschriebenen Wert kann über eine große Fläche, d. h. 20 × 20 mm oder größer ein Domänen-invertierter Bereich ausgebildet werden.
Anschließend wird die Verkürzung der Periode eines Domänen-invertierten Bereichs, der ausgebildet werden soll, für den Fall untersucht, wenn der Domänen-invertierte Bereich durch Anlegen einer Gleichstrom-Spannung (elektrisches Feld), auf die eine Impuls-Spannung (elektrisches Feld) überlagert ist, ausgebildet wird.
Der Domänen-invertierte Bereich, der durch Anlegen eines elektrischen Felds ausgebildet werden soll, breitet sich in horizontaler Richtung aus, nachdem er direkt unter der Elektrode erzeugt wurde. Deswegen kommen dann, wenn ein Domänen-invertierter Bereich mit einer kurzen Periode ausgebildet werden soll, die benachbarten Domänen-invertierten Bereiche untereinander in Kontakt. Im Ergebnis wird keine periodische Struktur ausgebildet. Deswegen werden die Auswirkungen der Form der angelegten Spannung auf die Ausbreitung des Domänen-invertierten Bereichs in einer horizontalen Richtung nachfolgend untersucht.
Bei der Konfiguration, die in 1A gezeigt ist, werden die kammförmige Elektrode 2, die eine Breite von 10 μm besitzt, und die Planare Elektrode 3 auf der +C Oberfläche 1a bzw. auf der –C Oberfläche des Substrats 1 ausgebildet. Eine Gleichstrom-Spannung, auf die eine Impuls-Spannung überlagert ist, wird zwischen den Elektroden 2 und 3 angelegt. Wenn ein Wert von Ecw als Parameter geändert wird, während die Impulsbreite auf 5 μm und die Summe von Ecw und Epp auf 21 kV/mm gehalten werden, wird die in 4B gezeigte Beziehung zwischen einer Breite des Domänen-invertierten Bereichs und Ecw erhalten. Wenn das angelegte elektrische Gleichstrom-Feld Ecw größer wird, ist es weniger wahrscheinlich, dass sich der Domänen-invertierte Bereich in der horizontalen Richtung ausbreitet. Die Breite des Domänen-invertierten Bereichs, der dann ausgebildet wird, wenn Ecw maximal 5 kV/mm beträgt, unterscheidet sich nicht von der Breite des Domänen-invertierten Bereichs, der lediglich durch Anlegen einer Impuls-Spannung ausgebildet wird.
Wie oben beschrieben wurde, ist es durch Anlegen einer Gleichstrom-Spannung, auf die eine Impuls-Spannung überlagert ist, an das Substrat 1 möglich, einen Domänen-invertierten Bereich mit der Anwendung eines elektrischen Impuls-Felds von mehreren kV/mm auszubilden, was herkömmlich die Anwendung eines großen elektrischen Impuls-Felds von etwa 20 kV/mm erfordert. Ein Domänen-invertierter Bereich, der ausgebildet werden soll, kann gleichzeitig in einfacher Weise gleichförmig gemacht und seine Periode kann in einfacher Weise verkürzt werden. Im Einzelnen sind die Anwendung eines elektrischen Gleichstrom-Felds von mindestens 5 kV/mm und die Verringerung des elektrischen Gleichstrom-Felds nach der Beendigung der Anwendung des elektrischen Impuls-Felds wirkungsvoll beim Ausbilden eines gleichförmigen Domänen-invertierten Bereichs mit einer kurzen Periode.
Obgleich im Beispiel 1 das elektrische Feld zwischen den Elektroden 2 und 3 angelegt wird, kann ein ähnlicher Domänen-invertierter Bereich ausgebildet werden, indem an Stelle des elektrischen Felds ein Magnetfeld angelegt wird. Es ist z. B. durch Anlegen eines starken Magnetfelds von mindestens 10 kH in einer +Z Richtung möglich, einen Domänen-invertierten Bereich wie denjenigen auszubilden, der durch Anlegen eines elektrischen Felds ausgebildet wird. Es ist möglich, einen Domänen-invertierten Bereich mit einer kurzen Periode auszubilden, indem die Anwendungsdauer eines Magnetfelds verkürzt wird, um das Magnetfeld in eine Impulsform zu formen.
Obwohl im Beispiel 1 ein Einzelimpuls als ein elektrisches Impuls-Feld überlagert wird, kann darüber hinaus der ähnliche Effekt erreicht werden, wenn statt dessen mehrere Impulse überlagert werden. Wenn ein Signalimpuls überlagert wird, kann die Form des Domänen-invertierten Bereichs, der ausgebildet werden soll, durch eine Amplitude und eine Impulsbreite einer Impuls-Spannung, die anzulegen ist, gesteuert werden. Wenn andererseits mehrere Impulse überlagert werden, ist es möglich, die Form des Domänen-invertierten Bereichs, der ausgebildet werden soll, durch die Anzahl der elektrischen Impuls-Felder, die angelegt werden sollen; zu steuern. Somit ist dieses Verfahren durch die Verwendung mehrerer elektrischer Impuls-Felder wirkungsvoll bei der Verbesserung der Gleichförmigkeit in der Oberfläche des Domänen-invertierten Bereichs.
Der Grund, warum die kammförmige Elektrode 2 auf der +C Oberfläche 1a des Substrats 1 ausgebildet wird, besteht darin, dass auf der +C Oberfläche 1a Domänen-invertierte Kerne gebildet werden. Selbst wenn eine periodische Domänen-invertierte Struktur durch Ausbilden der kammförmige Elektrode 2 auf der –C Oberfläche 1b ausgebildet werden soll, ist es schwierig, eine Domänen-invertierte Struktur mit einer kurzen Periode auszubilden, da sich der Domänen-invertierte Bereich in einer horizontalen Richtung (Richtung parallel zur Oberfläche des Substrats 1) rasch ausbreitet.
Beispiel 2
Im Beispiel 2 wird ein Verfahren zum Herstellen eines Bauelements zur optischen Wellenlängen-Umwandlung mit einem streifenförmigen optischen Wellenleiter, das einen Domänen-invertierten Bereich verwendet, der gemäß Beispiel 1 hergestellt ist, beschrieben. Die 5A bis 5C sind perspektivische Ansichten, die ein Bauelement 200 zur optischen Wellenlängen-Umwandlung gemäß Beispiel 2 veranschaulichen.
Wie im Beispiel 1 beschrieben wurde, werden eine kammförmige Elektrode und eine planare Elektrode auf der +C Oberfläche bzw. auf der –C Oberfläche des LiTaO₃-Substrats 1, das eine Dicke von 0,3 mm besitzt, ausgebildet. Anschließend werden durch Anlegen der Gleichstrom-Spannung, auf die die Impuls-Spannung überlagert ist, periodische Domänen-invertierte Bereiche 9 ausgebildet. Bei der angelegten Spannung sind eine Impulsbreite auf 0,5 ms und ein Impuls-Spannungspegel so eingestellt, dass ein elektrisches Gleichstrom-Feld Ecw = 19,5 kV/mm und ein elektrisches Impuls-Feld Epp = 1,5 kV erreicht werden.
Ferner ist die Gleichspannungsquelle um eine Stromerfassungsfunktion erweitert, damit ein Inversionsstrom erfasst wird, um dadurch gleichzeitig mit der Ausbildung der Domänen-Inversion durch Überlagerung einer Impulsspannung das elektrische Gleichstrom-Feld auf einen Wert von maximal 1,5 kV/mm zu reduzieren. Im Ergebnis des obigen Prozesses werden, wie in 5A gezeigt ist, die Domänen-invertierten Bereiche 9, die eine Periode von 3,5 μm besitzen, über den Bereich der Größe 10 × 10 mm ausgebildet.
Ein streifenförmiger optischer Wellenleiter wird so ausgebildet, dass er rechtwinklig über die auf diese Weise ausgebildeten Domänen-invertierten Bereiche 9 verläuft, wodurch ein Bauelement zur optischen Wellenlängen-Umwandlung des Typs mit optischem Wellenleiter hergestellt wird. Der Brechungsindex eines Bereichs, in dem eine Domäne invertiert ist, ist jedoch im Allgemeinen größer als der des Substrats 1. Deswegen ändert sich in den periodischen Domänen-invertierten Bereichen 9, die in der oben beschriebenen Weise durch Anlegen eines elektrischen Felds hergestellt werden, der Brechungsindex periodisch, was einen bedeutenden Anstieg des Ausbreitungsverlusts des optischen Wellenleiters, der auszubilden ist, zur Folge hat.
Um das obengenannte Problem zu lösen, wird das Substrat 1 vor der Ausbildung des optischen Wellenleiters einem Glühen in einer Sauerstoff-Atmosphäre unterzogen, um den Unterschied des Brechungsindex der Domänen-invertierten Bereiche 9 so zu reduzieren, dass die Verteilung des Brechungsindex gleichförmig gemacht wird.
Der Brechungsindex wird gemessen, während die Glühtemperatur im Bereich von 300°C bis 600°C verändert wird. Im Ergebnis wird klar, dass die Änderung des Brechungsindex durch das Glühen bei 400°C und darüber bedeutend verringert wird. Wenn jedoch ein Domänen-invertierter Bereich bei einer höheren Temperatur, d. h. mindestens 580°C geglüht wird, wird der bereits ausgebildete Domänen-invertierte Bereich reduziert. Wenn das Glühen im Einzelnen bei einer derartig hohen Temperatur ununterbrochen für mindestens 60 Sekunden ausgeführt wird, wird ein Domänen-invertierter Bereich nahezu vollkommen eliminiert.
Aus dem obigen Ergebnis folgt, dass eine Glühtemperatur bei maximal 580°C vorzuziehen ist. Durch das Einstellen der Abkühlgeschwindigkeit auf maximal 5 Grad/Sekunde, wenn die Temperatur nach dem Glühen abgesenkt wird, wird darüber hinaus die Änderung des Brechungsindex weiter verringert, um eine gleichförmige Verteilung des Brechungsindex zu erhalten.
Nach dem Ausbilden eines periodischen Domänen-invertierten Bereichs gemäß Beispiel 1 wird das Glühen unter den obengenannten Bedingungen ausgeführt. Anschließend wird das Bauelement 200 zur optischen Wellenlängen-Umwandlung, das einen streifenförmigen optischen Wellenleiter besitzt, in den Schritten, die in den 5A bis 5C gezeigt sind, hergestellt.
Wenn der optische Wellenleiter nach der Ausbildung der Domänen-invertierten Bereiche 9 ausgebildet wird, ist es vorzuziehen, den optischen Wellenleiter in einem Tieftemperatur-Prozess auszubilden, um die bereits ausgebildete periodische Domänen-invertierte Struktur nicht zu beeinflussen. Die Curie-Temperatur von LiTaO₃ beträgt z. B. 600°C und es ist erwünscht, dass der Prozess bei der Curie-Temperatur oder darunter ausgeführt wird. Deswegen wird in der vorliegenden Erfindung eine Protonen-Austausch-Behandlung durchgeführt, wobei der optische Wellenleiter bei einer tiefen Temperatur hergestellt werden kann.
Bei der Protonen-Austausch-Behandlung werden Metallionen in einem Substrat und Protonen in Säure durch die Wärmebehandlung des Substrats, das in die Säure eingetauscht ist, untereinander ausgetauscht, wodurch eine Schicht mit einem hohen Brechungsindex ausgebildet werden kann. Bei dem LiTaO₃-Substrat werden z. B. Li und Protonen untereinander ausgetauscht. Da die Nichtlinearität des Bereichs, der der Protonen-Austausch-Behandlung unterzogen wird, auf etwa die Hälfte der ursprünglichen Nichtlinearität des Substrats abgesenkt wird, ist es notwendig, nach der Protonen-Austausch-Behandlung die Nichtlinearität durch das Ausführen des Glühens wiederherzustellen.
Im Einzelnen wird, wie in 5A gezeigt ist eine Ta- (Tantal) Maskenschicht 10 auf der Oberfläche des Substrats 1, in der die periodischen Domänen-invertierten Bereiche 9 ausgebildet sind, durch Sputtern abgelagert. Die Dicke der Ta-Maskenschicht 10 liegt typischerweise im Bereich von 10 nm bis 500 nm; vorzugsweise im Bereich von 20 nm bis 100 nm, und beträgt z. B. 40 nm. Anschließend wird, wie in 5B gezeigt ist, durch Rasterbildung durch ein Photolithographie-Verfahren und nachfolgendes Trockenätzen eine streifenförmige Öffnung 10a, die dem streifenförmigen optischen Wellenleiter entspricht, ausgebildet. Daraufhin wird eine Protonen-Austausch-Behandlung durch die Öffnung 10a der Ta-Mas kenschicht 10 durchgeführt, indem das Substrat 1 für 16 Minuten bei 260°C in Pyrophorsäure wärmebehandelt wird, wodurch der Protonen-Austausch-Wellenleiter ausgebildet wird, der in 5C gezeigt ist. Anschließend wird die Ta-Maskenschicht 10 entfernt und dann wird eine Wärmebehandlung bei 420°C für 60 Minuten durchgeführt, um den Wellenleiterverlust abzusenken und die Nichtlinearität des Wellenleiters wiederherzustellen, um dadurch den streifenförmigen optischen Wellenleiter 11 fertigzustellen.
Die perspektivische Ansicht des Bauelements 200 zur optischen Wellenleiter-Umwandlung, das hergestellt werden soll, ist in 6 gezeigt. Bei dem Bauelement 200 zur optischen Wellenleiter-Umwandlung, das in 6 gezeigt ist, betragen die Bauelementlänge und die Funktionslänge jeweils 10 mm und eine Periode des Domänen-invertierten Bereichs 9 beträgt 3,5 μm. Der optische Wellenleiter 11 besitzt eine Breite von 4 μm und eine Tiefe von 3 μm. Wie durch Pfeile 9a und 9b in 6 angegeben ist, sind die Richtung der Domänen in den Domänen-invertierten Bereichen 9 und die Richtung der anderen Bereiche zueinander entgegengesetzt.
Gemäß Beispiel 2 kann der Domänen-invertierte Bereich über eine große Fläche gleichförmig ausgebildet werden, wodurch die Betriebscharakteristiken des Bauelements 200 zur optischen Wellenlängen-Umwandlung, das hergestellt werden soll, verbessert werden. Im Einzelnen kann ein Lichtstrahl, der sich durch den optischen Wellenleiter 11 ausbreitet, den Domänen-invertierten Bereichen 9, die in vertikaler Richtung tief ausgebildet sind, ausreichend überlagert sein. Im Ergebnis kann das Bauelement zur optischen Wellenlängen-Umwandlung, das einen hohen Wirkungsgrad besitzt, hergestellt werden.
In der obigen Beschreibung des Beispiels 2 wird als Substrat 1 das LiTaO₃-Substrat verwendet. Alternativ können ein KTP- (KTiOPO₄) Substrat, ein KNbO₃-Substrat, ein LiNbO₃-Substrat bzw. das LiTaO₃-Substrat oder das LiNbO₃-Substrat, die mit MgO, Nb, Nd oder dergleichen dotiert sind, verwendet werden. Alternativ kann ein ähnliches Bauelement zur optischen Wellenlängen-Umwandlung mit einem LiNb(_1–x)Ta_xO₃-Substrat (0 ≤ x ≤ 1), das ein Mischkristall aus LiTaO₃ und LiNbO₃ ist, hergestellt werden. Unter den obigen Substraten ist insbesondere das LiNbO₃-Substrat wirkungsvoll, um ein Bauelement zur optischen Wellenlängen-Umwandlung, das einen hohen Wirkungsgrad besitzt, herzustellen, da es eine hohe nichtlineare optische Konstante besitzt.
In der obigen Beschreibung in Bezug auf Beispiel 2 wird der optische Wellenleiter 11 auf der +C Oberfläche 1a des Substrats 1 ausgebildet. Da jedoch der Domänen-invertierte Bereich 9 so ausgebildet ist, dass er die Bodenfläche des Substrats 1 erreicht, kann das Bauelement zur optischen Wellenlängen-Umwandlung, das dieselbe Leistungsfähigkeit besitzt, hergestellt werden, selbst wenn der optische Wellenleiter 11 statt dessen an der –C Oberfläche 1b des Substrats 1 ausgebildet wird. Wenn der optische Wellenleiter in der oben beschriebenen Weise an der –C Oberfläche ausgebildet wird, ist die Oberfläche gering geraut, da lediglich die planare Elektrode auf der –C Oberfläche ausgebildet ist und das Raster der kammförmigen Elektrode nicht darauf ausgebildet ist. Somit kann ein Bauelement zur optischen Wellenlängen-Umwandlung, das einen hohen Wirkungsgrad besitzt, hergestellt werden.
Als optischer Wellenleiter können andere optische Wellenleiter, wie etwa ein Ti-Diffusions-Wellenleiter, ein Nb-Diffusions-Wellenleiter oder ein Ionenimplantations-Wellenleiter an Stelle des Wellenleiters, der durch den oben beschriebenen Protonen-Austausch ausgebildet wird, verwendet werden.
Bei der Protonen-Austausch-Behandlung können zusätzlich zu der oben beschriebenen Pyrophorsäure Orthophosphorsäure, Benzoesäure, Schwefelsäure oder dergleichen verwendet werden. Die Maske für den Protonen-Austausch ist nicht auf die Ta-Maske beschränkt. Jede Maske kann verwendet werden, solange sie aus einem Material hergestellt ist, das Eigenschaften einer gute Säurebeständigkeit besitzt, wie etwa Ta₂O₅, Pt oder Au.
Beispiel 3
Um einen Domänen-invertierten Bereich mit einer kurzen Periode auszubilden, sollte die Breite des Domänen-invertierten Bereichs maximal auf der gewünschten Periode gehalten werden. Die Domänen-Inversion, die durch Anlegen eines elektrischen Felds über die kammförmige Elektrode, die auf der +C Oberfläche des Substrats ausgebildet ist, gebildet wird, erfolgt von der +C Oberfläche aus, die direkt unter den streifenförmigen Elektrodenzweigen, die die kammförmige Elektrode bilden, liegt und wächst in Richtung der –C Achse. Gleichzeitig breitet sich jedoch die Domänen-Inversion in einer Breitenrichtung der streifenförmigen Elektrodenzweige aus (d. h. eine Richtung parallel zur Oberfläche des Substrats). Im Ergebnis wird die Breite des Domänen-invertierten Bereichs vergrößert, wodurch es schwierig wird, eine Domänen-invertierte Struktur mit einer kurzen Periode auszubilden.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung untersuchten ein Verfahren zum Einschränken der Ausbreitung des Domänen-invertierten Bereichs in einer Breitenrichtung. Im Ergebnis schätzen die Erfinder der vorliegenden Erfindung ein, dass der Domänen-invertierte Bereich an einer Ausbreitung in einer Breitenrichtung behindert wird, in dem verhindert wird, dass Domänen in einer Spalte bzw. einem Zwischenraum zwischen den streifenförmigen Elektrodenzweigen auf der +C Oberfläche erzeugt werden. Somit ist als Ergebnis der Untersuchung eines Verfahrens zum Verhindern des Auftretens der Domänen-Inversion festgestellt worden, dass verhindert werden kann, dass eine Domänen-Inversion in der Umgebung der +C Oberfläche auftritt, indem die Ferroelektrizität in der Umgebung der +C Oberfläche eines LiTaO₃-Kristalls oder eines LiNbO₃-Kristalls verschlechtert wird. Es ist z. B. ermittelt worden, dass durch das Ausführen des Protonen-Austausches an der Oberfläche der +C Oberfläche des LiTaO₃ ein Wert des elektrischen Inversionsfeld um mehrere kV/mm ansteigt, wodurch das Auftreten der Domänen-Inversion verhindert werden kann.
Ein Versuch, die Periode des Domänen-invertierten Bereichs unter Verwendung des oben erwähnten Ergebnisses der Untersuchung der Erfinder zu verkürzen, wird nun unter Bezugnahme auf die 7A bis 7C beschrieben.
7A ist eine Schnittansicht des LiTaO₃-Substrats 1 in dem Messsystem, das zuvor in 1 beschrieben wurde. In 7A werden gleiche Komponenten wie in 1A mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
In der in 7A gezeigten kammförmigen Elektrode 2, die auf der +C Oberfläche 1a des LiTaO₃-Substrats 1 ausgebildet ist, sind streifenförmige Elektrodenzweige mit einer Breite von 10 μm mit dazwischen liegenden Spalten bzw. Zwischenräumen von jeweils 10 μm ausgebildet. Andererseits ist die Planare Elektrode 3 auf der –C Oberfläche des Substrats 1 ausgebildet. Zu diesem Zeitpunkt sind die Domänen in dem Substrat 1 nach oben gerichtet, wie durch die Pfeile 9b in 7A angegeben ist.
Wenn eine Spannung zwischen der kammförmigen Elektrode 2 und der Planaren Elektrode 3 angelegt wird, um ein elektrisches Feld an das Substrat 1 anzulegen, werden die Domänen-invertierten Bereiche 9 direkt unter den Elektrodenzweigen der kammförmigen Elektrode 2 dann ausgebildet, wenn die Intensität des elektrischen Felds im Substrat 1 etwa 20 kV/mm oder größer wird. Die Domänen in den Domänen-invertierten Bereichen 9 werden nach unten ausgerichtet, wie durch die Pfeile 9a in 7B angegeben ist. Somit ist die Domänenrichtung im Vergleich zu der Richtung vor dem Anlegen des elektrischen Felds umgekehrt.
Die auf diese Weise ausgebildeten Domänen-invertierten Bereiche 9 breiten sich jedoch in einer Breitenrichtung der Elektrodenzweige (d. h. in einer Richtung parallel zur Oberfläche des Substrats 1) aus. Wenn das Wachstum sich in der Breitenrichtung fortsetzt, können die benachbarten Domänen-invertierten Bereiche 9 schließlich miteinander in Kontakt gelangen.
Wie in 7C gezeigt ist, wird andererseits die Umgebung der Oberfläche der +C Oberfläche 1a zwischen den Elektrodenzweigen einer Protonen-Austausch-Behandlung unterzogen, wodurch durch Protonen-Austausch hergestellte Bereiche 7 ausgebildet werden. In derartigen durch Protonen-Austausch hergestellten Bereichen 7 ist ihre Ferroelektrizität verschlechtert. Deswegen wird eine Ausbreitung der Domänen-invertierten Bereiche 9 in eine horizontale Richtung verhindert. Wie in 7C gezeigt ist, werden im Ergebnis die Domänen-invertierten Bereiche 9, die dieselbe Breite besitzen wie die Breite der Elektrodenzweige, lediglich direkt unter den entsprechenden Elektrodenzweigen ausgebildet.
Ferner wird der Einfluss der Protonen-Austausch-Behandlung auf die Ausbreitung der Domänen-invertierten Bereiche 9 in einer horizontalen Richtung unter Bezugnahme auf die 8A und 8B beschrieben.
In 8B repräsentiert die Ordinate eine Breite W der ausgebildeten Domänen-invertierten Bereiche 9. Die Domänen-invertierten Bereiche 9 werden unter Verwendung der kammförmigen Elektrode 2, die eine Breite von 10 μm besitzt, ausgebildet, wie in 8A gezeigt ist. Mit anderen Worten, die Breite W des Domänen-invertierten Bereichs, die an der Ordinate von 8B angegeben ist, repräsentiert den Grad der Ausbreitung der Domänen-invertierten Bereiche 9.
Andererseits repräsentiert die Abszisse von 8B eine Spannung, die zwischen der kammförmigen Elektrode 2 und der planaren Elektrode 3 angelegt wird.
Genauer wird eine Gleichstrom-Spannung Ecw, auf die eine Impuls-Spannung Epp überlagert ist, angelegt und eine Gleichstrom-Komponente Ecw der angelegten Spannung wird konstant gehalten, d. h. 3 kV. Die Abszisse von 8B repräsentiert die Summe aus der Gleichstrom-Spannung Ecw und der Impuls-Spannung Epp, d. h. E = Ecw + Epp. Dabei beträgt die Impulsbreite der Impuls-Spannung 3 ms.
8B zeigt die Beziehungen zwischen der Breite W der Domänen-invertierten Bereiche 9 und der angelegten Spannung E in einem Beispiel, bei dem sich die +C Oberfläche in der Spalte bzw. Zwischenraum zwischen den streifenförmigen Elektrodenzweigen der kammförmigen Elektrode 2 befindet, die einer Protonen-Austausch-Behandlung (260°C, 20 Minuten) unterzogen wird, bzw. in einem Beispiel, das keiner derartigen Protonen-Austausch-Behandlung unterzogen wird.
Wie in 8B gezeigt ist, vergrößert sich die Breite W des Domänen-invertierten Bereichs 9, d. h. die Ausbreitung in der horizontalen Richtung unabhängig vom Vorhandensein der Protonen-Austausch-Behandlung. Wenn keine Protonen-Austausch-Behandlung ausgeführt wird, wird die Domänen-Inversion bei der angelegten Spannung von maximal 5,5 kV nicht gleichförmig ausgebildet. Deswegen beträgt der erreichte minimale Wert von W 2,7 μm, wobei das die Breite W des Domänen-invertierten Bereichs ist, wenn das angelegte elektrische Feld 5,5 kV beträgt. Insbesondere in dem Beispiel, das keiner Protonen-Austausch-Behandlung unterzogen wird, beträgt die minimale Breite W des tatsächlich ausgebildeten Domänen-invertierten Bereichs 9 2,7 μm, obwohl die Breite der streifenförmigen Elektrodenzweige der kammförmigen Elektrode 2, die zum Ausbilden des Domänen-invertierten Bereichs 9 verwendet wird, 2 μm beträgt.
Wenn andererseits eine Protonen-Austausch-Behandlung ausgeführt wird, wird die Ausbreitung der Domänen-invertierten Bereiche 9 in der horizontalen Richtung blockiert. Folglich kann der Domänen-invertierte Bereich 9, der im Wesentlichen die gleiche Breite W besitzt wie die der streifenförmigen Elektrodenzweige der kammförmigen Elektrode 2, ausgebildet werden. Wie oben beschrieben wurde, ist klar, dass die Ausbreitung der Domänen-invertierten Bereiche 9 in der horizontalen Richtung durch das Ausführen einer Protonen-Austausch-Behandlung unterbunden wird.
Anschließend wird das Beispiel, bei dem das obige Ergebnis bei der Ausbildung eines periodischen Domänen-invertierten Bereichs angewendet wird, unter Bezugnahme auf die 9A bis 9C beschrieben. In den 9A bis 9C werden gleiche Komponenten wie die in den vorherigen Darstellungen durch gleiche Bezugszeichen bezeichnet.
Wie in 9A gezeigt ist, werden zuerst die kammförmige Elektrode 2 und die Planare Elektrode 3 auf der +C Oberfläche 1a bzw. auf der –C Oberfläche 1b des LiTaO₃-Substrats, das als eine C-Platte dient, ausgebildet. Als Planare Elektrode 3 kann z. B. ein Ta-Film mit einer Dicke von etwa 500 nm verwendet werden. Anschließend wird die +C Oberfläche 1a des Spalts zwischen den streifenförmigen Elektrodenzweigen einer Protonen-Austausch-Behandlung unterzogen, wobei die kammförmige Elektrode 2 als eine Maske verwendet wird. Die Protonen-Austausch-Behandlung wird typischerweise in Pyrophorsäure bei 260°C für 30 Minuten ausgeführt. Wie in 9B gezeigt ist, werden durch diese Behandlung durch Protonen-Austausch hergestellte Bereiche 7 mit einer Tiefe von etwa 0,4 μm ausgebildet. Wie in 9C gezeigt ist, wird das durch Protonen-Austausch hergestellte Substrat 1 anschließend in einer isolierenden Lösung oder in einem Unterdruck angeordnet. Dann wird zwischen der kammförmigen Elektrode 2 und der Planaren Elektrode 3 unter Verwendung der Gleichstrom-Spannungsquelle 4 bzw. der Impuls-Spannungsquelle 5 eine Spannung angelegt, um an dem Substrat 1 ein elektrisches Feld anzulegen. Als ein spezielles elektrisches Feld, das z. B. angelegt wird, wird ein elektrisches Gleichstrom-Feld Ecw = 18 kV/mm, auf das ein elektrisches Impuls-Feld Epp = 3 kV/mm überlagert ist, verwendet.
Gemäß den oben beschriebenen Schritten können die Domänen-invertierten Bereiche 9, die eine Periode von 2 μm bis 10 μm besitzen, ausgebildet werden. Wenn der Spalt zwischen den streifenförmigen Elektrodenzweigen der kammförmigen Elektrode 2 keiner Protonen-Austausch-Behandlung unterzogen wird, ist es schwierig, den Domänen-invertierten Bereich mit einer Periode von maximal 3 μm gleichförmig auszubilden. Wenn andererseits der Spalt zwischen den streifenförmigen Zweigen einer Protonen-Austausch-Behandlung gemäß dem Beispiel 3 unterzogen wird, können die Domänen-invertierten Bereiche 9, die eine kurze Periode besitzen, mit einer Periode von maximal 2,5 μm ausgebildet werden.
Anschließend wird der Einfluss der Zeitdauer der Protonen-Austausch-Behandlung auf die Ausbildung der Domänen-invertierten Bereiche 9 beschrieben.
Wenn eine Protonen-Austausch-Behandlung unter Verwendung von Pyrophorsäure bei 260°C ausgeführt wird, zeigen sich die Auswirkungen zum Blockieren der Ausbreitung der Domänen-invertierten Bereiche 9, wenn die Zeitdauer des Protonen-Austausches auf mindestens 5 Minuten eingestellt wird. Ferner kann der Domänen-invertierte Bereich 9 mit einer ausgezeichneten Gleichförmigkeit in der Fläche erreicht werden, indem eine Protonen-Austausch-Behandlung von mindestens 10 Minuten ausgeführt wird. Wenn jedoch die Protonen-Austausch-Behandlung über eine lange Zeitdauer ausgeführt wird, gelangen die benachbarten durch Protonen-Austausch hergestellten Bereiche 7 in gegenseitigen Kontakt, wodurch es misslingt, die periodische Domänen-invertierte Struktur 9 auszubilden. Aus den obigen Ergebnissen ergibt sich, dass es wirkungsvoll ist, eine Protonen-Austausch-Behandlung für mindestens 10 Minuten auszuführen, derart, dass die benachbarten durch Protonen-Austausch hergestellten Bereiche 7 nicht in gegenseitigen Kontakt gelangen.
Die Verschlechterung der Ferroelektrizität des Substrats 1, die durch die Protonen-Austausch-Behandlung bewirkt wird, bedeutet eine Verschlechterung des Kristallzustands, der eine spontane Polarisation invertieren kann. Die Verschlechterung der Ferroelektrizität gibt im Einzelnen den Zustand an, bei dem die spontane Polarisation klein wird, den Zustand, bei dem das elektrische Inversionsfeld der spontanen Polarisation ansteigt, oder den Zustand, bei dem das Kristall keine Ferroelektrizität mehr aufweist. Wenn z. B. eine Protonen-Austausch-Behandlung ausgeführt wird, wird die spontane Polarisation äußerst klein, da die mechanische Spannung des Kristalls verringert wird.
Alternativ kann das gleiche Phänomen durch eine vom Protonen-Austausch verschiedene Behandlung erreicht werden. Durch das Implantieren von Ionen in die Oberfläche des Substrats 1 wird z. B. die Kristallstruktur zerstört, derart, dass sich eine nahezu willkürliche Struktur ergibt. Folglich weist das Substrat 1 keine spontane Polarisation mehr auf.
Wie oben beschrieben wurde, wird durch Ändern der Kristallstruktur in der Kristalloberfläche, in der die Domänen-Inversion auftritt, das Ausbreiten der Domänen-invertierten Bereiche 9 verhindert. Bei dem LiTaO₃-Substrat und dem LiNbO₃-Substrat, die oben beschrieben wurden, werden die Domänen-invertierten Bereiche 9 aus der +C Oberfläche 1a erzeugt. In einigen Kristallarten kann die Domänen-Inversion nicht aus der +C Oberfläche, sondern aus der –C Oberfläche oder anderen Flächen erfolgen. Dabei wird durch Verschlechterung der Ferroelektrizität der Fläche, in der die Domänen-Inversion erfolgt, das Ausbreiten der Domänen-invertierten Bereiche in ähnlicher Weise verhindert.
In der obigen Beschreibung des Beispiels 3 wird die Protonen-Austausch-Behandlung als ein Verfahren zur Verschlechterung der Ferroelektrizität der Oberfläche des Substrats verwendet. Alternativ können ähnliche Wirkungen durch Ionenaustausch von Zn, Cd oder dergleichen; durch Implantierung von Protonenionen, He-Ionen, Si-Ionen oder Au-Ionen; Metalldiffusion, wie etwa Ti-Diffusion oder MgO-Diffusion, erreicht werden.
In der obigen Beschreibung des Beispiels 3 wird die Protonen-Austausch-Behandlung unter Verwendung von Pyrophorsäure ausgeführt. Alternativ können die gleichen Wirkungen, die im Beispiel 3 beschrieben wurden, durch Ausführung einer Protonen-Austausch-Behandlung unter Verwendung von Orthophosphorsäure, Benzoesäure, Schwefelsäure oder dergleichen erreicht werden. Obwohl der Ta-Film als ein Metallfilm verwendet wird, der im Beispiel 3 die Elektrode bildet, kann darüber hinaus jeder weitere Film verwendet werden, solange er die geeigneten Eigenschaften der Wärmebeständigkeit besitzt. Im Einzelnen kann ein Film verwendet werden, der aus einem Material, wie etwa Ti, Pt, Au oder dergleichen, hergestellt ist.
In der obigen Beschreibung des Beispiels 3 wird das LiTaO₃-Substrat als Substrat 1 verwendet. Alternativ kann außerdem ein LiNbO₃-Substrat bzw. ein LiTaO₃-Substrat oder ein LiNbO₃-Substrat, das entweder nicht dotiert oder mit MgO, Nb, Nd oder dergleichen dotiert ist, als Substrat 1 verwendet werden. Alternativ kann ein ähnliches Bauelement zur optischen Wellenlängen-Umwandlung unter Verwendung eines LiNb(_1–x)Ta_xO₃-Substrats (0 ≤ x ≤ 1), das ein Mischkristall aus LiTaO₃ und LiNbO₃ ist, hergestellt werden. Mit diesen Kristallen kann eine Schicht mit verschlechterter Ferroelektrizität in der gleichen Weise wie oben beschrieben durch Protonen-Austausch einfach ausgebildet werden. Deswegen kann ein periodischer Domänen-invertierter Bereich in einfacher Weise durch Anlegen eines elektrischen Felds hergestellt werden. Im Einzelnen ist LiNbO₃ wirkungsvoll beim Herstellen eines Bauelements zur optischen Wellenlängen-Umwandlung mit hohem Wirkungsgrad, da LiNbO₃ eine hohe nicht lineare optische Konstante besitzt.
Andererseits kann ein KTP-(KTiOPO₄) Substrat oder ein KNbO₃-Substrat als das Substrat 1 verwendet werden. Da diese Substrate eine hohe nicht lineare optische Konstante besitzen, sind sie wirkungsvoll beim Herstellen eines Bauelements zur optischen Wellenlängen-Umwandlung mit hohem Wirkungsgrad. Im Einzelnen kann bei dem KTP-Substrat, bei dem die Kristalloberfläche des Spalts zwischen den Elektrodenzweigen der kammförmigen Elektrode verschlechtert ist, die Kristallform der Oberfläche durch eine Behandlung unter Verwendung von Rb-Ionen geändert werden. Durch das anschließende Anlegen eines elektrischen Felds können tiefe Domänen-invertierte Bereiche ausgebildet werden.
Beispiel 4
Im Beispiel 4 wird ein Verfahren zum Herstellen eines Bauelements zur optischen Wellenlängen-Umwandlung unter Verwendung des periodischen Domänen-invertierten Bereichs durch Ausführen einer Protonen-Austausch-Behandlung gemäß Beispiel 3 beschrieben.
Wie zuvor im Beispiel 2 beschrieben wurde, wenn ein optischer Wellenleiter auf dem ausgebildeten Domänen-invertierten Bereich ausgebildet wird, kann das Bauelement zur optischen Wellenlängen-Umwandlung mit der in 5C gezeigten Form hergestellt werden. Es wird jedoch eine Protonen-Austausch-Behandlung periodisch an der +C Oberfläche 1a des LiTaO₃-Substrats 1 ausgeführt, auf der die periodischen Domänen-invertierten Bereiche 9 gemäß Beispiel 3 ausgebildet werden. Es ist daher eine periodische Verteilung des Brechungsindex vorhanden (eine Differenz des Brechungsindex zwischen dem Substrat 1 und den Domänen-invertierten Bereichen 9). Um einen verlustarmen optischen Wellenleiter auszubilden, ist es deswegen erforderlich, die Verteilung des Brechungsindex durch Glühen gleichförmig zu machen.
Die 10A bis 10D sind Schnittansichten, die den Einfluss der Temperatur des Glühens für die obige Aufgabe auf die Form der ausgebildeten Domänen-invertierten Bereiche 9 schematisch darstellen. 10A zeigt den Zustand, bei dem kein Glühen ausgeführt wird, und die 10B bis 10D zeigen die Zustände bei denen einen Glühen bei 450°C, 500°C bzw. 550°C ausgeführt wird.
Vor dem Ausführen des Glühens verbleiben nadelähnliche Mikrodomänen 8 in der Umgebung der Oberfläche der +C Oberfläche 1a des Substrats 1, wie in 10A gezeigt ist. Derartige Mikrodomänen 8 verschlechtern die Periodizität der periodischen Domänen-invertierten Struktur, die die Domänen-invertierten Bereiche 9 enthalten. Um dieses Problem zu lösen, werden die Mikrodomänen 8 eliminiert, indem das Glühen ausgeführt wird.
Wenn die Glühtemperatur 500°C übersteigt, werden die ausgebildeten periodischen Domänen-invertierten Bereiche 9 aus der Umgebung der +C Oberfläche 1a des Substrats 1 eliminiert, wie in den 10C und 10D gezeigt ist. Wenn die Glühtemperatur erhöht oder die Zeitdauer des Glühens verlängert wird, werden die Domänen-invertierten Bereiche 9 in größerer Tiefe eliminiert.
Wenn die periodische Domänen-invertierte Struktur aus der Umgebung der Oberfläche des Substrats 1 eliminiert ist, kann die vorgegebene Funktion der optischen Wellenlängen-Umwandlung nicht erreicht werden. Um einen verlustarmen optischen Wellenleiter zu bilden, während die Gleichförmigkeit der ausgebildeten periodischen Domänen-invertierten Struktur verbessert wird, ist es deswegen erwünscht, dass die Glühtemperatur auf maximal 500°C eingestellt wird.
Da es gemäß den obigen Schritten möglich ist, die Periode der Domänen-invertierten Struktur auf 2 μm zu verkürzen, kann die Wellenlänge zur Phasenanpassung auf 740 nm verkürzt werden. Es ist deswegen möglich, einen ultravioletten Strahl mit einer Wellenlänge von 370 nm zu erzeugen.
Da, wie oben beschrieben wurde, gemäß Beispiel 4 ein gleichförmiger Domänen-invertierter Bereich erreicht werden kann, kann versucht werden, die Charakteristiken des Bauelements zur optischen Wellenlängen-Umwandlung zu verbessern. Darüber hinaus kann durch die Ausbildung der Domänen-invertierten Bereiche an einer tiefen Position des Substrats ein Bauelement zur optischen Wellenlängen-Umwandlung mit hohem Wirkungsgrad hergestellt werden. Ferner kann durch Verkürzen der Periode der Domänen-invertierten Bereiche eine sekundäre harmonische Welle mit einer kurzen Wellenlänge erzeugt werden.
Obwohl die Änderung des Brechungsindex, die vor dem Anwenden eines elektrischen Felds durch die Protonen-Austausch-Behandlung erzeugt wird, durch Glühen eliminiert wird, kann sie außerdem durch andere Verfahren eliminiert werden.
Die Dicke der durch Protonen-Austausch hergestellten Schicht auf der Oberfläche des Substrats, die durch Protonen-Austausch ausgebildet wird, beträgt lediglich etwa 1 μm. Durch optisches Schleifen oder Polieren der Oberfläche des Substrats kann die durch Protonen-Austausch hergestellte Schicht leicht entfernt werden. Im Einzelnen wird die durch Protonen-Austausch hergestellte Schicht auf der Oberfläche des Substrats durch Schleifen der Oberfläche des Substrats mit einem Schleifgewebe unter Verwendung einer diamanthaltigen Schleiflösung entfernt, die allgemein zum optischen Schleifen des LiNbO₃-Substrats, des LiTaO₃-Substrats oder dergleichen verwendet wird. Daraufhin kann durch Bilden des durch Protonen-Austausch hergestellten optischen Wellenleiters gemäß dem oben beschrieben Verfahren ein Bauelement zur optischen Wellenlängen-Umwandlung, das einen hohen Wirkungsgrad besitzt, in ähnlicher Weise ausgebildet werden.
Alternativ kann die durch Protonen-Austausch hergestellte Schicht durch Nassätzen oder Trockenätzen entfernt werden.
Wenn Nassätzen unter Verwendung eines Ätzmittels verwendet wird, wird das Ätzen unter Verwendung einer Lösung ausgeführt, die z. B. durch Mischen von HF und HNO₃ im Verhältnis 2 : 1 als Ätzmittel erhalten wird, während die Temperatur des Ätzmittels auf etwa 60°C gehalten wird. Beim Nassätzen unterscheidet sich die Ätzrate der +C Oberfläche im Allgemeinen von der der –C Oberfläche. Da die Ätzraten jedoch nach dem Protonen-Austausch im Wesentlichen untereinander gleich sind, wird das Ätzen ausgeführt, ohne Unebenheiten an der Domänen-invertierten Oberfläche zu erzeugen. Somit kann ein verlustarmer optischer Wellenleiter ausgebildet werden.
Beim Trockenätzen kann das Ätzen unter Verwendung von Gasen, wie etwa CF₄, CHF₃ oder dergleichen ausgeführt werden. Indem z. B. in einer reaktiven Ionenätzeinrichtung die Hochfrequenz-Leistung auf etwa 100 W eingestellt wird, kann eine Ätzrate von einigen Zehn nm/min erreicht werden. Die Ätzrate der Oberfläche des Substrats nach dem Protonen-Austausch ist höher als die des Substrats vor dem Protonen-Austausch. Somit kann ein Prozess mit höherem Wirkungsgrad ausgeführt werden.
Beispiel 5
Im Beispiel 5 wird ein weiteres Verfahren zum Bilden eines Bauelements zur optischen Wellenlängen-Umwandlung, das einen hohen Wirkungsgrad besitzt, beschrieben.
Der Wirkungsgrad eines Bauelements zur optischen Wellenlängen-Umwandlung hängt von der Leistungsdichte des Lichts, das sich durch einen optischen Wellenleiter ausbreitet, ab. Wenn demzufolge ein optischer Wellenleiter ausgebildet wird, der Eigenschaften des starken Lichteinschlusses besitzt, kann ein Bauelement zur optischen Wellenlängen-Umwandlung, das einen größeren Wirkungsgrad besitzt, hergestellt werden. Im Beispiel 5 wird ein steg- bzw. gratförmiger Wellenleiter als optischer Wellenleiter zum Herstellen eines Bauelements zur optischen Wellenlängen-Umwandlung verwendet, das einen optischen Wellenleiter mit den Eigenschaften des starken Lichteinschlusses besitzt.
Die 11A bis 11D veranschaulichen ein Verfahren zum Ausbilden eines stegförmigen Wellenleiters 17a auf den Domänen-invertierten Bereichen 9. Die Domänen-invertierten Bereiche 9 können gemäß einem der zuvor im Beispiel 1 oder Beispiel 3 beschriebenen Verfahren ausgebildet werden.
Das LiTaO₃-Substrat 1, in dem die periodischen Domänen-invertierten Bereiche 9 ausgebildet werden, wird einer Protonen-Austausch-Behandlung unterzogen, um an der Oberfläche des Substrats 1 eine durch Protonen-Austausch hergestellte Schicht 17 auszubilden. Die Protonen-Austausch-Behandlung kann durch Eintauchen des Substrats 1 in Pyrophorsäure bei 260°C für 20 Minuten ausgeführt werden. Anschließend wird eine Resist-Struktur 12 zum Ausbilden eines optischen Wellenleiters durch Photolithographie auf der durch Protonen-Austausch hergestellten Schicht 17 gebildet, wie in 11B gezeigt ist. Nachfolgend wird Trockenätzen in einer CHF₃-Gas-Atmosphäre unter Verwendung der Resist-Struktur 12 als Maske ausgeführt. Durch dieses Trockenätzen wird die durch Protonen-Austausch hergestellte Schicht 17 auf etwa 300 nm geätzt. Ferner wird durch Entfernen der Resist-Struktur 12 die durch Protonen-Austausch hergestellte Schicht 17, die teilweise einen Steg bzw. Grat 17a besitzt, ausgebildet, wie in 11C gezeigt ist. Ferner wird ein Glühen z. B. bei 420°C und während 60 Minuten ausgeführt, wodurch ein Bauelement 500 zur optischen Wellenlängen-Umwandlung erhalten wird, das den stegförmigen optischen Wellenleiter 17a, der in 11D gezeigt ist, enthält.
Bei dem Bauelement 500 zur optischen Wellenlängen-Umwandlung, das auf diese Weise hergestellt wird, ist es möglich, die herkömmliche Dicke des optischen Wellenleiters 17a von etwa 2 μm auf 1,5 μm und die herkömmliche Breite von etwa 4 μm auf 3 μm zu verringern. Bei dieser Größenverringerung des optischen Wellenleiters ist es möglich, die Leistungsdichte des Lichts, das sich durch den optischen Wellenleiter ausbreitet, auf das 1,5fache der herkömmlichen Leistungsdichte zu verbessern. Folglich wird der Wirkungsgrad der Umwandlung des Bauelements zur optischen Wellenlängen-Umwandlung so verbessert, dass er etwa das Doppelte im Vergleich zu einem herkömmlichen Wirkungsgrad der Umwandlung beträgt.
Beispiel 6
Im Beispiel 6 wird ein Bauelement 600 zur optischen Wellenlängen-Umwandlung unter Bezugnahme auf 12 beschrieben.
Bei dem Bauelement 600 zur optischen Wellenlängen-Umwandlung werden die periodischen Domänen-invertierten Bereiche 9 in dem LiTaO₃-Substrat 1 ausgebildet. In dem Spalt zwischen den Domänen-invertierten Bereichen 9 werden in der Umgebung der Oberfläche des Substrats 1 durch Protonen-Austausch hergestellte Bereiche 7 ausgebildet. Ferner werden auf beiden Seiten des Substrats 1, in dem die periodischen Domänen-invertierten Bereiche 9 ausgebildet sind, nach dem Schleifen jeweils reflektierende Filme 14 aufgebracht. Der reflektierende Film 14 reflektiert typischerweise wenigstens 90% einer Grundwelle mit einer Wellenlänge von 800 nm.
Wenn ein Lichtstrahl (Grundwelle) 23 eines Halbleiterlasers 21 durch ein optisches System 22 zur Lichtfokussierung in ein derartiges Bauelement 600 zur optischen Wellenlängen-Umwandlung eintritt, wird die eintretende Grundwelle an den reflektierenden Filmen 14, die an den beiden Enden des Substrats 1 ausgebildet sind, mehrfach reflektiert, um im Substrat 1 in Resonanz zu gelangen. Im Einzelnen funktioniert das Bauelement 600 zur optischen Wellenlängen-Umwandlung als ein Resonator und wandelt die eintretende Grundwelle 23 mit hohem Wirkungsgrad durch Erhöhen der inneren Leistung in eine zweite harmonische Welle 24 um und gibt diese aus.
Bei dem Bauelement 600 zur optischen Wellenlängen-Umwandlung wird der eintretende Lichtstrahl der Wellenlängen-Umwandlung unterzogen, wobei die periodischen Domänen-invertierten Bereiche 9, die in dem Substrat 1 in Blockform ausgebildet sind, verwendet werden. Da die Grundwelle 23 die Domänen-invertierten Bereiche 9 ausreichend überlappt, kann die Wellenlängen-Umwandlung des Lichts mit hohem Wirkungsgrad ausgeführt werden.
Die durch Protonen-Austausch hergestellten Bereiche 7, die in der Umgebung der Oberfläche des Substrats 1 zwischen den Domänen-invertierten Bereichen 9 ausgebildet sind, besitzen eine Funktion, um die Verschlechterung der Domänen-invertierten Bereiche 9 zu verhindern. Wenn eine Domänen-Inversion durch Anlegen eines elektrischen Felds bewirkt wird, ist das Kristall des Substrats 1 stark mechanisch beansprucht, während die tiefen Domänen-invertierten Bereiche 9 ausgebildet werden können. Eine derartige Belastung induziert im Verlauf der Zeit eine Verschlechterung in den ausgebildeten Domänen-invertierten Bereichen 9. Zum Beispiel ändert sich allmählich die Form der Domänen-invertierten Bereiche 9, um die Änderung der Betriebscharakteristiken des Bauelements 600 zur optischen Wellenlängen-Umwandlung zu induzieren. Wenn andererseits die durch Protonen-Austausch hergestellten Bereiche 7 zwischen den Domänen-invertierten Bereichen 9 ausgebildet werden, wird eine Änderung der Form der Domänen-invertierten Bereiche 9 verhindert, wodurch das stabile Bauelement 600 zur optischen Wellenlängen-Umwandlung mit zeitlich unveränderlichen Betriebscharakteristiken geschaffen wird.
Das LiTaO₃-Substrat 1 besitzt ferner starke pyroelektrische Effekte. Wenn sich die Temperatur des Substrats 1 ändert, werden deshalb in der Oberfläche des Kristalls in dem Substrat 1 pyroelektrische Ladungen angesammelt, wodurch ein elektrisches Feld erzeugt wird. Wenn das elektrische Feld erzeugt wird, ändert sich der Brechungsindex durch elektro-optische Effekte. Dadurch werden die Phasenanpassungscharakteristiken des Bauelements 600 zur optischen Wellenlängen-Umwandlung beeinflusst, wodurch der Ausgang instabil wird. Im Hinblick auf dieses Problem ist es möglich, die Bewegungsgeschwindigkeit der Ladungen, die durch die pyroelektrischen Effekte erzeugt werden, zu verbessern, um die Erzeugung des elektrischen Felds zu verhindern, indem die durch Protonen-Austausch hergestellten Bereiche 7 auf der Oberfläche des Substrats 1 ausgebildet werden, da die durch Protonen-Austausch hergestellten Bereiche 7 einen um eine Größenordnung kleineren elektrischen Widerstand besitzen als der des LiTaO₃-Substrats 1. Somit kann das Bauelement 600 zur optischen Wellenlängen-Umwandlung aufgebaut werden, das stabile Ausgangscharakteristiken aufrechter halten kann, selbst wenn eine äußere Temperatur schwankt.
Wie oben beschrieben wurde, dient das Bauelement 600 zur optischen Wellenlängen-Umwandlung im Beispiel 6 als ein Resonator. Damit das Bauelement 600 zur optischen Wellenlängen-Umwandlung als Resonator dient, sollten die Domänen-invertierten Bereiche 9 in einer Position gleichmäßig ausgebildet sein, die tiefer als ein Strahldurchmesser der mehrfach reflektierten Grundwelle 23 liegt, typischerweise in einer Tiefe von mindestens mehreren Zehn μm. Da die gleichförmigen periodischen Domänen-invertierten Bereiche 9 bis zu einer Tiefe von etwa mehreren Hundert μm durch Anwendung eines elektrischen Felds ausgebildet werden können, kann das Bauelement 600 des Resonator-Typs zur optischen Wellenlängen-Umwandlung, das einen hohe Wirkungsgrad besitzt, hergestellt werden.
In der obigen Beschreibung des Beispiels 6 wird das Bauelement 600 zur optischen Wellenlängen-Umwandlung in Blockform, das die Wellenlängen-Umwandlung unter Verwendung der im Substrat 1 ausgebildeten Domänen-invertierten Bereiche 9 ausführt, beschrieben. Wie jedoch in den 2, 4 oder 5 beschrieben wurde, kann der optische Wellenleiter auf der Oberfläche des Substrats 1 ausgebildet werden, um ein Bauelement zur optischen Wellenlängen-Umwandlung des Typs mit optischem Wellenleiter aufzubauen. In diesem Fall ist, wie im Zusammenhang mit dem Beispiel 2 beschrieben wurde, das Glühen zum Verringern der periodischen Änderung des Brechungsindex, die zwischen dem Substrat 1 und den Domänen-invertierten Bereichen 9 vorhanden ist, erforderlich. Da jedoch im Beispiel 6 die durch Protonen-Austausch hergestellten Bereiche 7, die einen Brechungsindex besitzen, der größer als der des Substrats 1 ist, in den Spalten zwischen den Domänen-invertierten Bereichen 9 in der Umgebung der Oberfläche des Substrats 1 ausgebildet werden, kann der Unterschied des Brechungsindex zwischen den Domänen-invertierten Bereichen 9 und dem Substrat 1, der oben beschrieben wurde, reduziert werden. Da ein verlustarmer optischer Wellenleiter hergestellt werden kann, kann somit das Bauelement zur optischen Wellenlängen-Umwandlung, das einen hohe Wirkungsgrad besitzt, aufgebaut werden.
Beispiel 7
Ein Verfahren zum Bilden eines Domänen-invertierten Bereichs gemäß Beispiel 7 der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf die 13A bis 13C beschrieben.
Wie in 13A gezeigt ist, wird zuerst die kammförmige Elektrode 2, die streifenförmige Elektrodenzweige mit einer Breite von jeweils 1,2 μm besitzt, auf der +C Oberfläche 1a des LiTaO₃-Substrats 1 ausgebildet, das mit einer Dicke von z. B. 200 μm als eine C-Platte (ein Substrat, das längs der Fläche senkrecht zur C-Achse des Kristalls geschnitten ist) dient. Zum Beispiel können Ta-Filme mit einer Dicke von etwa 60 nm für diese Elektroden 2 und 3 verwendet werden. Wie in 13B gezeigt ist, wird anschließend ein isolierender Film 34, der mit einer Dicke von 200 nm aus SiO₂ hergestellt ist, durch Sputtern aufgebracht, um die an der Oberfläche der +C Oberfläche 1a ausgebildete kammförmige Elektrode 2 abzudecken. Daraufhin wird eine negative Impuls-Spannung (die typischerweise eine Impulsbreite von 3 ms besitzt) an die planare Elektrode 3 angelegt, während die kammförmige Elektrode 2 geerdet ist. Um die Erzeugung einer Entladung zu verhindern, ist das gesamte Substrat 1 in einer isolierenden Lösung oder in einem Unterdruck von mindestens 10^–5 Torr angeordnet, wenn eine Spannung angelegt wird.
Die Ausbreitung der auf diese Weise erzeugten Domänen-invertierten Bereiche 9 in einer horizontalen Richtung wird unter Bezugnahme auf die 14A bis 14C beschrieben.
In 14A repräsentiert die Ordinate die Breite W der ausgebildeten Domänen-invertierten Bereiche 9 und die Abszisse repräsentiert eine Spannung (Absolutwert), die zwischen der kammförmigen Elektrode 2 und der planaren Elektrode 3 angelegt wird. Die 14B und 14C sind dagegen Schnittansichten, die die Form der auszubildenden Domänen-invertierten Bereiche zeigen.
14A zeigt außerdem die Daten für den Fall, wenn zum Vergleich auf der kammförmige Elektrode 2 kein isolierender Film 34 aufgebracht ist. Gemäß den Daten kann dann, wenn kein isolierender SiO₂-Film 34 ausgebildet ist, eine Breite der Domänen-invertierten Bereiche 9 nicht auf einen Wert von maximal 1,7 μm reduziert werden. Wie in 14B schematisch gezeigt ist, besitzen die Domänen-invertierten Bereiche 9, die dann erreicht werden, wenn kein isolierender SiO₂-Film 34 ausgebildet wird, eine ungleichmäßige Form und ihre Breite W schwankt im Bereich von 30% und darüber. Ferner wird dann, wenn eine angelegte Spannung kleiner als 5,5 V ist, das Phänomen beobachtet, bei dem einige Domänen in dem Substrat 1 nicht invertiert werden oder lediglich kleine Domänen invertiert werden. Deswegen ist es dann, wenn der isolierende SiO₂-Film 34 nicht auf der kammförmigen Elektrode 2 aufgebracht wird, erforderlich, eine Spannung von mindestens 5,5 kV anzulegen, um die Domänen-invertierten Bereiche 9 über eine große Fläche des Substrats stabil auszubilden.
Wenn dagegen der isolierende SiO₂-Film 34 mit einer Dicke von 200 nm auf der kammförmigen Elektrode 2 gemäß Beispiel 7 ausgebildet wird, kann die Breite der auszubildenden Domänen-invertierten Bereiche 9 auf 1,5 μm reduziert werden, wobei der Wert nahe an der Breite der streifenförmigen Elektrodenzweige der kammförmigen Elektrode liegt. Wie in 15C gezeigt ist, werden die Domänen-invertierten Bereiche 9 mit einer gleichmäßigen Form ausgebildet und die Schwankung ihrer Breite kann auf einen Bereich von ±5% beschränkt werden. Ferner können die Domänen-invertierten Bereiche 9 dann, wenn eine Spannung von mindestens 4,9 kV angelegt wird, über eine große Fläche, die der gesamten Elektrode entspricht, ausgebildet werden.
Wie oben beschrieben wurde kann durch das Abdecken der kammförmigen Elektrode 2 mit dem isolierenden SiO₂-Film 34 die Ausbreitung der Domänen-invertierten Bereiche 9 in einer horizontalen Richtung über einen weiten Bereich der angelegten Spannung unterbunden werden. Es ist folglich möglich, die Domänen-invertierten Bereiche 9 mit einer gleichmäßigen Form auszubilden.
Anschließend werden die Charakteristiken, die für den isolierenden Film 34 erforderlich sind, der auf der kammförmigen Elektrode ausgebildet wird, beschrieben.
Zuerst werden die Auswirkungen eines spezifischen Widerstands des isolierenden Films 34 auf der Grundlage der Ergebnisse der Messung der Breiten der Domänen-invertierten Bereiche untersucht, die mit der kammförmigen Elektrode 2 ausgebildet werden, die mit isolierenden Filmen mit jeweils unterschiedlichen spezifischen Widerständen bedeckt sind. Wenn ein isolierender Film mit einem spezifischen Widerstand von mindestens 105 Ω·cm aufgebracht wird, kann die Ausbreitung der Domänen-invertierten Bereiche 9 folglich so unterbunden werden, dass sie auf etwa 1 μm beschränkt ist, und die Breitenänderung kann auf etwa ±10% reduziert werden. Je größer der spezifische Widerstand des isolierenden Films wird, desto stärker kann die Ausbreitung der Breite der auszubildenden Domänen-invertierten Bereiche 9 eingeschränkt werden, um die Änderung auf einen Wert im Bereich von ±5% zu beschränken. Es werden folglich gleichmäßigere Domänen-invertierte Bereiche 9 ausgebildet.
Bei Betrachtung der obigen Ergebnisse können die Domänen-invertierten Bereiche 9, die eine Periode von etwa 5 μm besitzen, unter Verwendung eines isolierenden Films mit einem spezifischen Widerstand von 105 Ω·cm ausgebildet werden. Wenn die Domänen-invertierten Bereiche 9, die eine kurze Periode besitzen, mit einer Periode von maximal 4 μm ausgebildet werden, ist es erwünscht, dass ein isolierender Film mit einem spezifischen Widerstand von mindestens 1016 Ω·cm verwendet wird.
Anschließend wird der Fall veranschaulicht, bei dem ein SiO₂-Film (mit einem spezifischen Widerstand von 107 Ω·cm) auf der kammförmigen Elektrode 2 aufgebracht wird, wobei die Beziehung zwischen der Dicke des isolierenden Films 34 und der Breite der Domänen-invertierten Bereiche, die auszubilden sind, beschrieben wird.
Die Wirkungen zum Unterbinden der Ausbreitung der Domänen-invertierten Bereiche 9 in einer Breitenrichtung können dann erhalten werden, wenn eine Dicke des SiO₂-Films mindestens 20 nm beträgt. Wenn die Dicke des SiO₂-Films auf mindestens 100 nm eingestellt wird, kann die Breitenschwankung der Domänen-invertierten Bereiche 9 auf etwa ±10% reduziert werden. Wenn die Dicke des SiO₂-Films auf mindestens 200 nm eingestellt wird, kann die Breitenschwankung der Domänen-invertierten Bereiche 9 auf etwa maximal ±5% reduziert werden, wobei deren Ausbreitung auf weniger als 0,2 μm begrenzt werden kann. Wenn jedoch die Dicke des SiO₂-Films auf mindestens 200 nm eingestellt wird, können keine weiteren Verbesserungen erzielt werden.
Wenn der SiO₂-Film dagegen dünn ist, können infolge der Auswirkungen auf die isolierende Lösung (spezifischer Widerstand: 105 Ω·cm), die während der Anwendung eines elektrischen Felds als eine Umgebungsatmosphäre dient, keine ausreichenden Wirkungen zum Unterdrücken der Ausbreitung der Domänen-invertierten Bereiche 9 in einer Breitenrichtung erreicht werden.
Obwohl in der obigen Beschreibung der SiO₂-Film als der isolierende Film 34 verwendet wird, kann außerdem ein isolierender Film, der ein anderes Material enthält, verwendet werden. Wenn die Domänen-invertierten Bereiche z. B. in ähnlicher Weise in dem Substrat ausgebildet werden, auf dem ein Ta₂O₅-Film bis zu einer Dicke von 200 nm durch Sputtern ausgebildet wird, können die gleichen Charakteristiken erreicht werden wie jene, die mit dem SiO₂-Film erreicht werden. Wenn jedoch ein Film, der aus organischem Polymer hergestellt ist, als ein isolierender Film verwendet wird, sind die erreichten Auswirkungen etwa halb so groß wie jene, die dann erreicht werden, wenn der SiO₂-Film oder der Ta₂O₅-Film verwendet wird.
Darüber hinaus wird der isolierende Film 34 in der obigen Beschreibung durch Sputtern aufgebracht. Beim Sputtern besitzt ein Material eines Films, der aufgebracht werden soll, eine hohe kinetische Energie, wenn es von einem Ziel gesputtert wird, damit es an dem Substrat anhaftet. Diese beeinflusst Ladungen an der Oberfläche des Substrats 1 stark und deswegen besitzt das Sputtern ausgezeichnete Eigenschaften zum Unterbinden der Domänen-Inversion. Der isolierende Film 34 kann jedoch durch andere Verfahren zum Ablagern eines Films aufgebracht werden, z. B. durch EB-Dampfphasen-Ablagerung, Ionenstrahl-Sputtern und Sol-Gel-Verfahren.
In der obigen Beschreibung wird die kammförmige Elektrode 2 auf der +C Oberfläche 1a des Substrats 1 ausgebildet. Die Ausbildung der Domänen-invertierten Bereiche in dem LiNbO₃-Substrat oder in dem LiTaO₃-Substrat wird von der Bildung von Domänen-invertierten Kernen in der +C Oberfläche 1a ausgelöst. Deswegen kann durch das Ausbilden der kammförmigen Elektrode 2 auf der +C Oberfläche 1a das Muster bzw. Raster der kammförmigen Elektrode 2 genau auf das Muster der Domänen-invertierten Bereiche übertragen werden. Selbst wenn eine kammförmige Elektrode andererseits auf der –C Oberfläche 1b des Substrats 1 ausgebildet wird, wird keine hochgradig gleichförmige periodische Domänen-invertierte Struktur ausgebildet.
In der Beschreibung des Beispiels 7 wird das LiTaO₃-Substrat als Substrat 1 verwendet. Alternativ kann ein KTP-(KTiOPO₄) Substrat, ein KNbO₃-Substrat, ein LiNbO₃-Substrat bzw. das LiTaO₃-Substrat oder das LiNbO₃-Substrat, das mit MgO, Nb, Nd oder dergleichen dotiert ist, als Substrat 1 verwendet werden. Alternativ kann ein ähnliches Bauelement zur optischen Wellenlängen-Umwandlung außerdem mit einem LiNb(_1–x)Ta_xO₃-Substrat (0 ≤ x ≤ 1), das ein Mischkristall aus LiTaO₃ und LiNbO₃ ist, hergestellt werden. Insbesondere das LiNbO₃-Sub strat ist wirkungsvoll zum Herstellen eines Bauelements zur optischen Wellenlängen-Umwandlung, das einen hohen Wirkungsgrad besitzt, da das LiNbO₃-Substrat eine große nicht lineare optische Konstante besitzt.
Beispiel 8
Ein Verfahren zum Ausbilden Domänen-invertierter Bereiche gemäß Beispiel 8 der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf die 15A bis 15D beschrieben.
Wie in 15A gezeigt ist, werden zuerst die kammförmige Elektrode 2 und die planare Elektrode 3 auf der +C Oberfläche 1a bzw. auf der –C Oberfläche 1b des LiNbO₃-Substrats 1, das eine Dicke von z. B. 200 μm besitzt und als eine C-Platte dient (ein Substrat, das längs einer Fläche senkrecht zur C-Achse des Kristalls geschnitten ist), ausgebildet. Ta-Filme mit einer Dicke von 60 μm können z. B. als diese Elektroden 2 und 3 verwendet werden. Die kammförmige Elektrode 2 besitzt eine Periode der streifenförmigen Elektrodenzweige von 3,8 μm, wovon jede eine Breite von 1,9 μm besitzt.
Nachdem ein Resist mit einer Dicke von 1 μm auf der kammförmigen Elektrode 2 aufgebracht wurde, wird dann der Teil der Oberfläche des Substrats 1, der nicht durch die kammförmige Elektrode 2 bedeckt ist, durch resistives Ionenätzen in einer CHF₃-Atmosphäre geätzt. Durch das nachfolgende Entfernen des Resists werden auf der +C Oberfläche 1a des Substrats 1 zwischen den streifenförmigen Elektrodenzweigen der kammförmigen Elektrode 2 Nute 18 ausgebildet. Die Tiefe des Entfernens durch Ätzen ist z. B. auf 0,1 μm eingestellt.
Anschließend wird ein isolierender Film 34, der aus SiO₂ hergestellt ist, mit einer Dicke von 200 μm durch Sputtern aufgebracht, um die +C Oberfläche 1a des Substrats 1 mit der kammförmigen Elektrode 2 und den Nuten 18 zu bedecken. Nachdem die kammförmige Elektrode 2 geerdet wurde, wird dann eine negative Impuls-Spannung (die typischerweise eine Impulsbreite von 3 ms und eine Amplitude von 5,2 kV besitzt) an die planare Elektrode 3 angelegt. Um die Erzeugung einer Entladung zu verhindern, wird das gesamte Substrat 1 während der Anwendung der Spannung in einer isolierenden Lösung oder in einem Unterdruck von mindestens 10^–6 Torr angeordnet.
Durch die obigen Schritte werden die Domänen-invertierten Bereiche 9 ausschließlich direkt unter den Elektrodenzweigen der kammförmigen Elektrode 2 ausgebildet und das Muster der Elektrode 2 wird perfekt auf die Domänen-invertierten Bereiche übertragen. Insbesondere die Oberfläche des Substrats 1 am Umfang der streifenförmigen Elektrodenzweige der kammförmigen Elektrode 2 wird durch Ätzen entfernt, um die Nute 18 auszubilden, wodurch die Bewegung von Ladungen in der Oberfläche des Substrats 1 reduziert wird. Im Ergebnis kann die Ausbreitung der Domänen-invertierten Bereiche 9 in einer Breitenrichtung unterbunden werden. Somit werden die gleichförmigen periodischen Domänen-invertierten Bereiche 9 ausgebildet.
Beispiel 9
Wie in den vorherigen Beispielen beschrieben wurde, können die periodischen Domänen-invertierten Bereiche durch Anlegen einer Spannung in einer Domänenrichtung eines ferroelektrischen Kristalls unter Verwendung einer kammförmigen Elektrode ausgebildet werden. In einigen Kristallen kann die Domänen-Inversion nicht in einfacher Weise bewirkt werden oder es kann schwierig sein, Domänen-invertierte Bereiche mit einer kurzen Periode auszubilden, selbst wenn die Domänen erfolgreich invertiert werden. In dem nachfolgend beschriebenen Beispiel 9 wird ein Verfahren zum einfachen Ausbilden von Domänen-invertierten Bereichen in einem Kristall beschrieben, in dem Domänen-invertierte Bereiche durch ein herkömmliches Verfahren kaum ausgebildet werden können.
Um die Domänen-Inversion in dem ferroelektrischen Substrat zu erleichtern, wird die Anwendung eines großen elektrischen Felds mit einer kleinen Inversionsspannung auf ein dünnes Substrat betrachtet. Da ein dünnes Substrat jedoch keine ausreichende Festigkeit besitzt, wird es äußerst schwierig, die erforderlichen Herstellungsprozesse, wie etwa einen Prozess zum Bilden von Elektroden, auszuführen. Daher werden im Beispiel 9 Domänen-invertierte Bereiche in einem Substrat gemäß den in den 16A bis 16E gezeigten Schritten ausgebildet, um eine einfache Handhabung des dünnen Substrats zu ermöglichen.
Wie in 16A gezeigt ist, wird zuerst die kammförmige Elektrode 2 auf einer +C Oberfläche 31a eines LiNbO₃-Substrats 31, das mit MgO dotiert ist und eine Dicke von 0,5 mm besitzt, ausgebildet. Wie in 16B gezeigt ist, wird das mit MgO dotierte LiNbO₃-Substrat an einem LiNbO₃-Substrat 32 angebracht, auf dem eine leitende Elektrode 20 ausgebildet ist. Zu diesem Zeitpunkt werden die leitende Elektrode 20 des LiNbO₃-Substrats 32 und die kammförmige Elektrode 2 des mit MgO dotierten LiNbO₃-Substrats 31 miteinander elektrisch verbunden. Anschließend wird das auf diese Weise angebrachte mit MgO dotierte LiNbO₃-Substrat 31 optisch geschliffen, um seine Dicke auf 50 μm zu verringern, wie in 16C gezeigt ist. Wie in 16d gezeigt ist, wird daraufhin die planare Elektrode 3 auf einer geschliffenen Oberfläche des mit MgO dotierten LiNbO₃-Substrats 31 ausgebildet. Wie in 16E gezeigt ist, wird die Impuls-Spannungsquelle 5 dann zwischen die leitende Elektrode 20 des LiNbO₃-Substrats 32 und die planare Elektrode 3 des mit MgO dotierten LiNbO₃-Substrats 31 geschaltet, um eine Impuls-Spannung anzulegen. Durch die Anwendung der Impuls-Spannung werden in dem mit MgO dotierten LiNbO₃-Substrat 31 Domänen-invertierte Bereiche 9 mit einer kurzen Periode ausgebildet.
Da das mit MgO dotierte LiNbO₃-Substrat 31 eine große nicht lineare optische Konstante besitzt und sehr gute optische Eigenschaften der Resistenz gegen Beschädigungen aufweist, ist es als ein Material des Bauelements zur Wellenlängen-Umwandlung geeignet. Bei einem herkömmlichen Verfahren ist es jedoch schwierig, eine periodische Domänen-invertierte Struktur mit MgO-dotiertem LiNbO₃ auszubilden. Gemäß dem zuvor beschriebenen Verfahren von Beispiel 9 können andererseits die Domänen-invertierten Bereiche 9 mit einer Periode von 3 μm auf dem mit MgO dotierten LiNbO₃-Substrat 31 ausgebildet werden. Auf diese Weise ist es durch die Verwendung des mit MgO dotierten LiNbO₃-Substrats 31, in dem die periodischen Domänen-invertierten Bereiche 9 ausgebildet sind, möglich, ein Bauelement zur optischen Wellenlängen-Umwandlung, das einen hohen Wirkungsgrad besitzt, herzustellen. Es ist somit möglich, SHG-Licht mit hoher Ausbeute zu erzeugen.
Wie zuvor im Beispiel 8 und außerdem im Prozess von Beispiel 9 beschrieben wurde, ist es möglich, die Gleichförmigkeit der periodischen Struktur der Domänen-invertierten Bereiche, die ausgebildet werden sollen, durch Bedecken der kammförmigen Elektrode 2 mit einem isolierenden Film, wie etwa ein SiO₂-Film, zu verbessern.
Wenn das Bauelement zur optischen Wellenlängen-Umwandlung, das gemäß dem Beispiel 9 gebildet wird, bei einem pyroelektrischen Sensor angewendet wird, ist es möglich, die Reaktionsgeschwindigkeit des pyroelektrischen Sensors durch die Verwendung eines Materials mit großer Wärmeleitfähigkeit als optisches Substrat zu verbessern.
Ferner kann durch Verwendung der in der oben beschriebenen Weise ausgebildeten Domänen-invertierten Struktur ein Bauelement zur optischen Wellenlängen-Umwandlung des Typs mit optischem Wellenleiter hergestellt werden. Dabei wird vor der Ausführung der Reihe von Schritten, die in den 16A bis 16E gezeigt sind, ein optischer Wellenleiter auf der +C Oberfläche 31a des mit MgO dotierten LiNbO₃-Substrats 31 ausgebildet.
Der optische Wellenleiter wird z. B. gemäß den folgenden Schritten hergestellt. Ein Ta-Film wird auf der +C Oberfläche 31a des Substrats 31 aufgebracht. Dann wird ein Muster des streifenförmigen optischen Wellenleiters durch Photolithographie und Trockenätzen ausgebildet. Anschließend wird das Substrat 31 für 8 Minuten bei 230°C in Pyrophorsäure wärmebehandelt, um einen Protonen-Austausch auszuführen, um dadurch einen Protonen-Austausch-Wellenleiter zu bilden. Durch die weitere Ausführung einer Wärmebehandlung bei 300°C für 10 Minuten wird ein optischer Wellenleiter ausgebildet. Daraufhin werden die in den 16A bis 16E gezeigten Schritte ausgeführt. Dann werden in dem optischen Wellenleiter periodische Domänen-invertierte Bereiche ausgebildet. Im Ergebnis wird ein Bauelement 900 zur optischen Wellenlängen-Umwandlung mit einem streifenförmigen optischen Wellenleiter 33, das in 17 gezeigt ist, fertig gestellt.
In dem Bauelement 900 zur optischen Wellenlängen-Umwandlung breitet sich nur die Grundwelle 23, die in das Bauelement 900 von einem Lichteintrittsabschnitt 15 eintritt, durch den optischen Wellenleiter 33 aus. Während dieses Prozesses wird die Grundwelle 23 in die zweite harmonische Welle 24 umgewandelt und tritt aus einem Lichtaustrittsabschnitt 16 aus. Zu diesem Zeitpunkt erhöht sich die Leistungsdichte der Grundwelle 23 in dem Bauelement 900, da sich die Grundwelle 23 durch den optischen Wellenleiter 33 allein ausbreitet. Darüber hinaus erhöht sich außerdem die Wechselwirkungslänge zwischen der sich ausbreitenden Grundwelle 23 und der Domänen-invertierten Struktur 9. Folglich wird das Bauelement 900 zur Wellenlängen-Umwandlung, das einen hohen Wirkungsgrad besitzt, realisiert.
Durch das Anbringen des LiNbO₃-Substrats 31 an dem optischen Wellenleiter 33 wird verhindert, dass sich Staub und dergleichen auf dem optischen Wellenleiter 33 ablagern, damit sich keine Wellenleiterdämpfung ergibt. Darüber hinaus wird durch das Ablagern eines Materials, das einen Brechungsindex besitzt, der näher an dem des Substrats liegt, ermöglicht, dass die Verteilung der Brechungsindizes des optischen Wellenleiters 33 eine symmetrische Struktur aufweist. Somit besitzt die Verteilung des elektrischen Felds des Lichts, das sich durch den optischen Wellenleiter 33 ausbreitet, eine symmetrische Struktur, was einen hohen Kopplungswirkungsgrad der Grundwelle 23 zur Folge hat. In diesem Fall sollte die kammförmige Elektrode des Bauelements 900 zur optischen Wellenlängen-Umwandlung, das in 17 gezeigt ist, eine durchlässige Elektrode sein, um den Verlust des optischen Wellenleiters 33 zu reduzieren.
In der oben angeführten Beschreibung des Beispiels 9 wird das mit MgO dotierte LiNbO₃-Substrat als das ferroelektrische Substrat 31 verwendet. Alternativ kann außerdem ein MgO-dotiertes LiTaO₃-Substrat, ein Nd-dotiertes LiNbO₃-Substrat, ein Nd-dotiertes LiTaO₃-Substrat, ein KTP-Substrat, ein KNbO₃-Substrat, ein LiNbO₃-Substrat, das mit Nd und MgO dotiert ist, oder ein LiTaO₃-Substrat, das mit Nd und MgO dotiert ist, als das ferroelektrische Substrat 31 verwendet werden.
Da das Substrat, das ein mit Nd dotiertes Kristall enthält, ein Oszillieren des Lasers bewirken kann, kann bei den obigen Materialien eine zweite harmonische Welle erzeugt werden, indem eine Wellenlänge der Grundwelle gleichzeitig mit der Erzeugung der Grundwelle durch Laseroszillation umgewandelt werden kann. Deswegen kann eine kurzwellige Lichtquelle mit stabilen Betriebscharakteristiken, die einen hohen Wirkungsgrad besitzt, hergestellt werden.
Da das KNbO₃-Substrat eine hohe nicht lineare optische Konstante und ausgezeichnete optische Eigenschaften der Resistenz gegen Beschädigungen besitzt, kann ein Bauelement zur optischen Wellenlängen-Umwandlung, das eine große Ausgangsleistung besitzt, gebildet werden.
In der obigen Beschreibung des Beispiels 9 wird andererseits das LiNbO₃-Substrat als das Substrat 32 verwendet, das auf dem ferroelektrischen Substrat 31 angebracht werden soll. Ein Substrat, das aus anderen Materialien hergestellt ist, kann jedoch außerdem verwendet werden, solange das Substrat optisch eben ist. Es ist im Einzelnen vorzuziehen, das Substrat 32 zu verwenden, das aus einem Material hergestellt ist, das einen Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt, der gleich dem des ferroelektrischen Substrats 31 ist, da das Anlegen einer thermi schen Spannung an das ferroelektrische Substrat 31 durch ein derartiges Material reduziert werden kann.
Beispiel 10
Ein Dünnfilmkristall, das aus einem ferroelektrischen Material hergestellt ist, kann unter Verwendung von solchen Verfahren wie Flüssigphasen-Kristallepitaxie, Dampfphasen-Kristallepitaxie oder Laserabschmelzung gebildet werden. Wenn ein derartiges ferroelektrisches Dünnfilmkristall verwendet wird, können Domänen-invertierte Bereiche selbst bei einem Material ausgebildet werden, in dem periodische Domänen-invertierte Bereiche kaum ausgebildet werden können. Durch die Verwendung des Dünnfilms als ein optischer Wellenleiter kann ferner ein Bauelement zur optischen Wellenlängen-Umwandlung des Typs mit optischem Wellenleiter, das einen hohen Wirkungsgrad besitzt, aufgebaut werden.
Nachfolgend wird ein Verfahren zum Bilden der Domänen-invertierten Bereiche 9 in dem ferroelektrischen Dünnfilm 30, der durch Kristallwachstum gebildet wird, als Beispiel 10 der vorliegenden Erfindung beschrieben.
LiNbO₃, das mit MgO dotiert ist, ist ein stark nicht lineares Material, das ausgezeichnete optische Eigenschaften der Resistenz gegen Beschädigungen besitzt. Gemäß einem herkömmlichen Verfahren ist es jedoch schwierig, periodische Domänen-invertierte Bereiche in LiNbO₃, das mit MgO dotiert ist, auszubilden. Deswegen werden im Beispiel 10 nach dem Wachsen der MgO-dotierten LiNbO₃-Schicht 30 auf dem LiTaO₃-Substrat in der gewachsenen MgO-dotierten LiNbO₃-Schicht 30 die periodischen Domänen-invertierten Bereiche 9 ausgebildet.
Ein Verfahren zum Ausbilden der Domänen-invertierten Bereiche 9 gemäß Beispiel 10 wird unter Bezugnahme auf die 18A bis 18C beschrieben.
Wie in 18A gezeigt ist, wird die LiNbO₃-Schicht 30, die mit 5 mol% MgO dotiert ist und eine Dicke von 2 μm besitzt, auf einer +C Oberfläche 32a des LiTaO₃-Substrats 32, das als eine C-Platte dient (ein Substrat, das längs der Fläche senkrecht zur C-Achse des Kristalls geschnitten ist), durch Flüssigphasen-Epitaxie aufgebracht. Wie in 18b gezeigt ist, werden anschließend die kammförmige Elektrode 2 und die planare Elektrode 3 auf der gewachsenen LiNbO₃-Schicht 30 bzw. auf einer –C Oberfläche 32b des LiTaO₃-Substrats 32 ausgebildet. Es werden z. B. Ta-Filme mit einer Dicke von etwa 60 nm für diese Elektroden 2 und 3 verwendet. Die kammförmige Elektrode 2 besitzt die streifenförmigen Elektrodenzweige mit einer Periode von 3,8 μm und einer Breite von jeweils 1,9 μm. Anschließend wird durch die Impuls-Spannungsquelle 5 eine Impuls-Spannung zwischen der kammförmigen Elektrode 2 und der Planaren Elektrode 3 angelegt. Durch die Anwendung der Impuls-Spannung werden die periodischen Domänen-invertierten Bereiche 9 in der mit MgO dotierten LiNbO₃-Schicht 30 ausgebildet.
Da der ferroelektrische Film, der durch Kristallwachstum gebildet wird, eine geringe Störstellenkonzentration und eine veränderliche Kristallstruktur besitzt, kann ein Bauelement zur optischen Wellenlängen-Umwandlung, das einen hohen Wirkungsgrad besitzt, gebildet werden. Da ein Dünnfilm in einfacher Weise ausgebildet werden kann, kann ferner eine sehr gleichförmige periodische Domänen-invertierte Struktur in einfacher Weise ausgebildet werden.
Wie zuvor im Beispiel 8 sowie außerdem im Prozess des Beispiels 10 beschrieben wurde, kann die Gleichförmigkeit der periodischen Struktur des Domänen-invertierten Bereichs 9 durch das Bedecken der kammförmigen Elektrode 2 mit einem isolierenden Film, wie etwa SiO₂, verbessert werden.
Unter Verwendung der periodischen Domänen-invertierten Bereiche 9, die gemäß Beispiel 10 ausgebildet werden, wird ferner ein Verfahren zum Bilden eines Bauelements 1000 zur optischen Wellenlängen-Umwandlung mit einem steg- bzw. gratförmigen optischen Wellenleiter 30a unter Bezugnahme auf die 19A und 19B beschrieben.
Wie in 19A gezeigt ist, wird zuerst ein streifenförmiger Ti-Film 29 auf der MgO-dotierten LiNbO₃-Schicht 30 ausgebildet, in der die periodischen Domänen-invertierten Bereiche 9 durch die in den 18A und 18B gezeigten Schritte ausgebildet sind. Unter Verwendung des Ti-Films 29 als eine Maske wird dann die MgO-dotierte LiNbO₃-Schicht 30 durch eine ECR-Ätzvorrichtung geätzt. Anschließend wird durch Entfernen des Ti-Films 29 ein streifenförmiger Abschnitt 30a in der MgO-dotierten LiNbO₃-Schicht 30 ausgebildet, wie in 19B gezeigt ist. Der streifenförmige Abschnitt 30a der MgO-dotierten LiNbO₃-Schicht 30, der mit dem Ti-Film 29 bedeckt ist und ungeätzt blieb, besitzt z. B. eine Breite von 6 μm und eine Höhe von 0,3 μm. Die Dicke der MgO-dotierten LiNbO₃-Schicht 30 außer dem streifenförmigen Abschnitt 30a wird typischerweise durch Ätzen auf 10 μm verdünnt.
Da der Brechungsindex der MgO-dotierten LiNbO₃-Schicht 30 kleiner ist als der des LiTaO₃-Substrats 32, funktioniert der streifenförmige Abschnitt 30a der auf diese Weise ausgebildeten MgO-dotierten LiNbO₃-Schicht 30 als optischer Wellenleiter 30a. Somit wird durch die Schritte, die in den 19A und 19B gezeigt sind, der optische Wellenleiter 30a mit den periodischen Domänen-invertierten Bereichen 9, die durch die in den 7A bis 7C gezeigten Schritten ausgebildet werden, ausgebildet.
Ferner wird das Bauelement 1000 zur optischen Wellenlängen-Umwandlung durch optisches Schleifen der beiden Enden des ausgebildeten optischen Wellenleiters 30a gebildet. Da MgO-dotiertes LiNbO₃ ein Material mit einer hohen nicht linearen optischen Konstante ist, kann das auf diese Weise gebildete Bauelement 1000 zur optischen Wellenlängen-Umwandlung eine Wellenlänge mit hohem Wirkungsgrad umwandeln. Da MgO-dotiertes LiNbO₃ ferner ausgezeichnete optische Eigenschaften der Resistenz gegen Beschädigungen besitzt, ist es möglich, eine Wellenlänge mit hoher Ausgangsleistung umzuwandeln.
In der obigen Beschreibung des Beispiels 10 wird der ferroelektrische Dünnfilm 30, der durch Flüssigphasen-Epitaxie ausgebildet wird, verwendet. Der ferroelektrische Dünnfilm 30 kann jedoch durch andere Wachstumsverfahren gezogen werden, wie etwa Dampfphasen-Epitaxie oder Laserablösung.
Wenn im Einzelnen die Laserablösung zum Ausbilden des ferroelektrischen Dünnfilms 30 verwendet wird, kann auf dem Substrat 32 ein Film mit einem Spannungs-Supergitter des ferroelektrischen Kristalls ausgebildet werden. Da der Supergitter-Dünnfilm eine Spannung besitzt, die größer als die der Kristalle ist, die den Dünnfilm bilden, besitzt er eine große nicht lineare Konstante. In dem Prozess vom Beispiel 10 wird es durch das Ausbilden der periodischen Domänen-invertierten Bereiche 9, nachdem der ferroelektrische Film 30 durch Laserablösung aufgebracht wurde, möglich, das Bauelement zur optischen Wellenlängen-Umwandlung, das einen hohen Wirkungsgrad besitzt, zu bilden.
Der ferroelektrische Dünnfilm 30 kann ferner durch andere Verfahren als Kristallwachstum ausgebildet werden. Zum Beispiel wird ein ferroelektrisches Kristall auf das Substrat des optischen Kristalls geheftet bzw. geklebt. Dann kann durch Schleifen und Ätzen des ferroelektrischen Kristalls das Dünnfilmkristall ausgebildet werden. Für den Dünnfilm, der durch das oben beschriebene Kleben der Kristalle ausgebildet wurde, werden die Domänen-invertierten Bereiche durch die in den 18A bis 18C gezeigten Schritte ausgebildet und der optische Wellenleiter wird ferner durch die in den 19A und 19B gezeigten Schritte ausgebildet. Durch das oben beschriebene Anheften bzw. Ankleben der Kristalle können die periodischen Domänen-invertierten Bereiche selbst in einem Material ausgebildet werden, in dem Kristalle kaum wachsen, z. B. ein nicht lineares Material, wie etwa KNbO₃, KTP oder BBO.
Beispiel 11
Im Beispiel 11 wird ein Verfahren zum Herstellen eines Bauelements zur optischen Wellenlängen-Umwandlung beschrieben, das die Domänen-invertierten Bereiche verwendet, die durch die im Beispiel 8 beschriebenen Schritte ausgebildet werden. Die Konfiguration des Bauelements zur optischen Wellenlängen-Umwandlung, das gebildet werden soll, ist in 20 gezeigt.
Um ein Bauelement zur optischen Wellenlängen-Umwandlung, das einen hohen Wirkungsgrad besitzt, zu realisieren, ist es erforderlich, Domänen-invertierte Bereiche, die eine kurze Periode besitzen, mit einer gleichförmigen Struktur längs einer großen Strecke auszubilden. Um z. B. einen blauen Lichtstrahl mit einer Wellenlänge in einem 400 nm-Band mittels der Wellenlängen-Umwandlung zu erzeugen, die eine Domänen-invertierte Struktur verwendet, die in einem Kristallzustand, wie etwa LiNbO₃, LiTaO₃ oder KTP, ausgebildet ist, ist es erforderlich, die Domänen-invertierten Bereiche mit einer Periode im Bereich von 3 bis 4 μm über eine Länge von etwa 10 mm gleichförmig auszubilden. Wie zuvor beschrieben wurde, sollte die Ausbreitung der Domänen-invertierten Bereiche in einer Breitenrichtung der Elektrode für die Ausbildung der Domänen-invertierten Bereiche mit einer kurzen Periode auf einem möglichst kleinem Wert gehalten werden. Um die gleichförmige periodische Struktur auszubilden, sollten die Domänen-invertierten Bereiche gleichzeitig eine gleichmäßige Form besitzen. Bei Beachtung der obigen Punkte sind die durch das im Beispiel 8 gezeigte Herstellungsverfahren erhaltenen Domänen-invertierten Bereiche äußerst wirkungsvoll zum Herstellen eines Bauelements zur optischen Wellenlängen-Umwandlung, das einen hohen Wirkungsgrad besitzt.
Ein Herstellungsverfahren des Bauelements zur optischen Wellenlängen-Umwandlung ist im Wesentlichen gleich dem Verfahren, das unter Bezugnahme auf die 15A bis 15D beschrieben wurde.
Im Einzelnen werden die kammförmige Elektrode 2 und die planare Elektrode 3 auf der +C Oberfläche 1a bzw. auf der –C Oberfläche 1b des LiTaO₃-Substrats 1, das eine Dicke von 0,2 mm besitzt, ausgebildet. Eine Periode der kammförmigen Elektrode 2 ist auf 3,8 μm eingestellt und die streifenförmigen Elektrodenzweige, die die kammförmige Elektrode 2 bilden, besitzen jeweils eine Breite von 1,9 μm. Die planare Elektrode 3 weist dagegen eine Größe von 3 × 10 mm auf. Nachdem die kammförmige Elektrode 2 ausgebildet wurde, wird die Oberfläche (die +C Oberfläche 1a) des Substrats 1 am Umfang jedes streifenförmigen Elektrodenzweigs um 100 nm geätzt, um die Nuten 18 auszubilden. Anschließend wird die SiO₂-Schicht 34, die eine Dicke von 200 nm besitzt, durch Sputtern auf der kammförmigen Elektrode 2 auf der +C Oberfläche 1a aufgebracht. Dann wird eine Impuls-Spannung zwischen den Elektroden 2 und 3 angelegt. Die angelegte Impuls-Spannung besitzt z. B. eine Impulsbreite von etwa 3 ms und einen Spitzenwert von 5,1 kV.
Durch die oben beschriebenen Schritte werden die Domänen-invertierten Bereiche 9, die eine Breite von 1,9 μm und ein Tastverhältnis von 50% besitzen, über eine Länge von 10 mm gleichförmig ausgebildet. Die auszubildenden Domänen-invertierten Bereiche 9 erreichen im Einzelnen die Unterseite des Substrats 1, d. h. die –C Oberfläche 1b.
Wie in 20 gezeigt ist, werden dann, nachdem eine Lichteintrittsfläche 25 und eine Lichtaustrittsfläche 26 des Substrats 1 optisch geschliffen wurden, die SiO₂-Filme 19 mit einer Dicke von 145 nm, die als Antireflexionsfilme 19 für die Grundwelle 23 mit einer Wellenlänge von 850 nm dienen, auf die Lichteintrittsfläche 25 und auf die Lichtaustrittsfläche 26 aufgebracht. Im Ergebnis wird ein Bauelement 1100 zur optischen Wellenlängen-Umwandlung, das in 20 gezeigt ist, aufgebaut.
Dem auf diese Weise hergestellten Bauelement 1100 zur optischen Wellenlängen-Umwandlung wird ein Lichtstrahl eines Ti:Al₂O₃-Lasers, der als Grundwelle 23 dient, zugeführt und dessen SHG-Charakteristiken werden gemessen. Im Einzel nen wird der Lichtstrahl (Grundwelle) 23, der von einem Laser 21 ausgesendet wird, durch das optische Lichtfokussierungssystem 22 auf die Lichteintrittsfläche 25 des Bauelements 1100 zur optischen Wellenlängen-Umwandlung fokussiert, wodurch der Lichtstrahl in das Bauelement 1100 zur optischen Wellenlängen-Umwandlung eintritt. Die eintretende Grundwelle 23 wird während der Ausbreitung durch das Bauelement 1100 zur optischen Wellenlängen-Umwandlung der Wellenlängen-Umwandlung unterzogen und tritt aus der Lichtaustrittsfläche 26 als eine zweite harmonische Welle (SHG-Licht) aus, die die halbe Wellenlänge der Grundwelle 23 besitzt. Ein Umwandlungs-Wirkungsgrad von der Grundwelle 23 zur zweiten harmonischen Welle 24 wird maximal, wenn ein Durchmesser ϕ des Fokussierungspunkts 37 μm beträgt.
21 zeigt die Beziehung zwischen einer Wellenlänge der Grundwelle 23, die eingegeben wird (Phasenanpassungs-Wellenlänge) und einer Leistung der zweiten harmonischen Welle 24 (SHG-Ausgangsleistung), die ausgegeben wird. Der Durchmesser des Fokussierungspunkts der Grundwelle 23 wird konstant gehalten, d. h. ϕ = 37 μm. Wie in 21 gezeigt ist, wird die SHG-Ausgangsleistung maximal, wenn die Phasenanpassungs-Wellenlänge 850 nm beträgt. An diesem Punkt beträgt die vollständige Breite bei dem halben Maximum der Wellenlängentoleranz 0,12 nm. Der Wert liegt sehr nahe an einem theoretischen Wert von 0,1 nm, der kennzeichnet, dass die periodische Domänen-invertierte Struktur über eine Bauelement-Länge von 10 mm gleichförmig ausgebildet ist.
Anschließend zeigt die 22 die Beziehung zwischen der Leistung der Grundwelle 23, die eingegeben wird, und der SHG-Ausgangsleistung. Wenn die Eingangsleistung der Grundwelle 300 mW beträgt, wird die SHG-Ausgangsleistung von 4,2 mW erreicht. An diesem Punkt beträgt der Umwandlungs-Wirkungsgrad 1,4%. Der Wert ist gleich einem theoretischen Wert, was angibt, dass die ausgebildete Domänen-invertierte Struktur eine ideale Form besitzt.
Die Nuten 18, die zwischen den Domänen-invertierten Bereichen 9 in der Umgebung der Oberfläche des Substrats 1 ausgebildet wurden, veranschaulichen die Funktion zur Verhinderung der Verschlechterung der Domänen-invertierten Bereiche 9. Wenn eine Domänen-Inversion durch Anlegen eines elektrischen Felds bewirkt wird, sind die Kristalle des Substrats 1 stark mechanisch belastet, während die tiefen Domänen-invertierten Bereiche 9 vorteilhaft ausgebildet werden. Eine derartige Belastung induziert im Laufe der Zeit eine Verschlechte rung an den ausgebildeten Domänen-invertierten Bereichen 9. Zum Beispiel ändert sich die Form der Domänen-invertierten Bereiche 9 allmählich innerhalb mehrerer Wochen bis mehrerer Monate, was eine Änderung der Betriebscharakteristiken des Bauelements 900 zur optischen Wellenlängen-Umwandlung zur Folge hat. Wenn andererseits die Nute 18 zwischen den Domänen-invertierten Bereichen 9 ausgebildet sind, wird das Auftreten einer derartigen Änderung der Form der Domänen-invertierten Bereiche 9 verhindert. Somit kann ein stabiles Bauelement zur optischen Wellenlängen-Umwandlung ohne zeitliche Änderung der Betriebscharakteristiken hergestellt werden.
Es ist bevorzugt, dass die Breite W der streifenförmigen Elektrodenzweige, die die kammförmige Elektrode 2 bilden, und die Periode A der kammförmigen Elektrode 2 die folgende Beziehung besitzen: W ≤ Λ/2. Der Grund dafür wird später erläutert.
Unter der Bedingung der Spannungsanwendung, bei der die Domänen-invertierten Bereiche über die gesamte Elektrode gleichförmig ausgebildet werden, ist die Breite Wd der Domänen-invertierten Bereiche, die unter den streifenförmigen Elektrodenzweigen ausgebildet werden, etwas größer als die Breite W des Elektrodenzweigs. Andererseits wird ein Wirkungsgrad des Bauelements zur optischen Wellenlängen-Umwandlung maximal, wenn die Periode A und die Breite Wd der Domänen-invertierten Bereiche die Beziehung Λ/2 = Wd erfüllen. Um einen Wert von Wd auf Λ/2 einzustellen, ist es vorzuziehen, dass die Breite W der Elektrode so eingestellt wird, dass sie gleich Λ/2 oder kleiner ist, wodurch die Ausbreitung der Domänen-invertierten gereiche in einer horizontalen Richtung berücksichtigt wird.
Ferner kann ein Bauelement zur optischen Wellenlängen-Umwandlung des Resonator-Typs gemäß Beispiel 11 ausgebildet werden. Dabei werden in der in 20 gezeigten Konfiguration, nachdem beide Stirnflächen des LiTaO₃-Substrats 1, in dem die Domänen-invertierten Bereiche 9 ausgebildet sind, geschliffen wurden, an den Stirnflächen an Stelle der Antireflexionsfilme 19 die reflektierenden Filme 14 aufgebracht, die mindestens 99% der Grundwelle 23, die eine Wellenlänge von 800 nm besitzt, reflektieren können. Wenn die Grundwelle 23 in ein derartiges Bauelement zur optischen Wellenlängen-Umwandlung eintritt, wird die Grundwelle 23 an den reflektierenden Filmen 14, die an beiden Stirnflächen des Substrats 1 ausgebildet sind, mehrfach reflektiert, um im Substrat 1 in Resonanz zu gelangen. Im Einzelnen funktioniert das Bauelement zur optischen Wellenlängen-Umwandlung als ein Resonator, so dass die eintretende Grundwelle 23 auf Grund des Anstiegs der internen Leistung mit einem hohen Wirkungsgrad in die zweite harmonische Welle 24 umgewandelt wird.
Um zu bewirken, dass das Bauelement zur optischen Wellenlängen-Umwandlung in der oben beschriebenen Weise als ein Resonator funktioniert, sollten die Domänen-invertierten Bereiche 9 an einer Position, die tiefer als der Strahldurchmesser der mehrfach reflektierten Grundwelle 23 und typischerweise in einer Tiefe von mindestens mehreren Zehn μm liegt, gleichförmig ausgebildet sein. Da die gleichförmigen Domänen-invertierten Bereiche 9 durch die Anwendung eines elektrischen Felds bis zu einer Tiefe von mehreren Hundert μm ausgebildet werden, kann das Bauelement zur optischen Wellenlängen-Umwandlung des Resonator-Typs, das einen hohen Wirkungsgrad besitzt, hergestellt werden.
Beispiel 12
Im Beispiel 12 wird ein Verfahren zum Herstellen eines Bauelements zur optischen Wellenlängen-Umwandlung, das einen hohen Wirkungsgrad besitzt, mit einer großen Leistungsdichte und einer langen Wechselwirkungsstrecke beschrieben. Es wird speziell ein optischer Wellenleiter in den bereits ausgebildeten gleichförmigen Domänen-invertierten Bereichen mit einer kurzen Periode ausgebildet. Im Einzelnen werden zuerst die periodischen Domänen-invertierten Bereiche in dem LiTaO₃-Substrat durch die in den vorherigen Beispielen beschriebenen Verfahren ausgebildet. Anschließend wird ein optischer Wellenleiter durch Protonen-Austausch ausgebildet.
Als ein Verfahren zum Ausbilden eines derartigen optischen Wellenleiters wird z. B., der folgende Prozess verwendet. Eine Ta-Maskenschicht, die einem Muster des auszubildenden optischen Wellenleiters entspricht, wird auf der +C Oberfläche des Substrats ausgebildet, in dem die Domänen-invertierten Bereiche ausgebildet sind. Dann wird das Substrat einer Wärmebehandlung bei 260°C für 16 Minuten in Pyrophorsäure und anschließend bei 420°C für 5 Minuten in Luft unterzogen, wodurch ein durch Protonen-Austausch hergestellter Wellenleiter ausgebildet wird.
Beide Stirnflächen des optischen Wellenleiters, der durch den obigen Prozess gebildet wird, werden optisch geschliffen. Dann werden die Ausgangscharakteristiken des SHG-Lichts, das durch die Eingabe einer Grundwelle in den optischen Wellenleiter ausgegeben wird, gemessen. Bei diesem optischen Wellenleiter ist der erreichte Wirkungsgrad der Umwandlung jedoch lediglich halb so groß wie der theoretische Wert. In Bezug auf den Grund, warum der Wirkungsgrad der Umwandlung auf einen geringen Wert begrenzt ist, wurde durch die Untersuchung des Erfinders festgestellt, dass die periodischen Domänen-invertierten Bereiche in dem optischen Wellenleiter teilweise eliminiert sind. Im Einzelnen wurde festgestellt, dass der Wirkungsgrad der Umwandlung verringert ist, da die ausgebildeten Domänen-invertierten Bereiche von der Oberfläche bis zu einer Tiefe von etwa 0,6 μm durch den Herstellungsprozess des optischen Wellenleiters eliminiert werden. Darüber hinaus wird die Eliminierung der Domänen-invertierten Bereiche von der Oberfläche in ähnlicher Weise in einem LiNbO₃-Substrat oder in einem Substrat, das aus Mischkristallen aus LiNbO₃ und LiTaO₃ hergestellt ist, beobachtet.
Um die Auswirkungen auf die Domänen-invertierten Bereiche infolge eines Herstellungsprozesses des optischen Wellenleiters zu vermeiden, wird ein optischer Wellenleiter 11 durch die Schritte hergestellt, die im Beispiel 13 in den 23A bis 23C gezeigt sind.
Wie in 23A gezeigt ist, wird eine Ta-Maskenschicht 10, die einem Muster des auszubildenden optischen Wellenleiters 11 entspricht, auf der +C Oberfläche 1a des Substrats 1 ausgebildet, in dem die (nicht gezeigten) periodischen Domänen-invertierten Bereiche ausgebildet sind. Wie in 23B gezeigt ist, wird anschließend in einem Abschnitt des Substrats 1, der einer Öffnung der Ta-Maskenschicht 10 entspricht, der durch Protonen-Austausch hergestellte Wellenleiter 11 durch eine Wärmebehandlung in Pyrophorsäure bei 260°C für 20 Minuten und einer anschließenden Wärmebehandlung bei 420°C für 5 Minuten in Luft ausgebildet. Daraufhin wird die Ta-Maskenschicht 10 durch reaktives Ionenätzen in einem CHF₃-Gas entfernt und die Oberfläche des Substrats 1 wird durch Ätzen um 0,5 μm entfernt. Indem in ähnlicher Weise die Oberfläche des durch Protonen-Austausch hergestellten optischen Wellenleiters 11 entfernt wird, wird an diesem Punkt der verschlechterte Abschnitt der periodischen Domänen-invertierten Bereiche in der Umgebung der Oberfläche des optischen Wellenleiters 11 entfernt.
Die beiden Stirnflächen des optischen Wellenleiters 11, der durch den obigen Prozess ausgebildet werden, werden optisch geschliffen. Dann werden die Ausgangscharakteristiken von SHG-Licht, das durch das Eingeben einer Grund welle in den optischen Wellenleiter ausgegeben wird, gemessen. Im Ergebnis wird bei einer Eingabe einer Grundwelle von 100 mW eine Ausgangsleistung einer zweiten harmonischen Welle von 200 mW erreicht. Der Wirkungsgrad der Umwandlung ist in diesem Fall gleich einem theoretischen Wert. Somit wird das Bauelement zur optischen Wellenlängen-Umwandlung, das einen hohen Wirkungsgrad besitzt, durch den Prozess auf der Grundlage des Beispiels 12 erreicht.
In der obigen Beschreibung in Bezug auf Beispiel 12 wird der optische Wellenleiter 11 auf der +C Oberfläche 1a des Substrats 1 ausgebildet. Da jedoch die Domänen-invertierten Bereiche in der Weise ausgebildet sind, dass sie die Bodenfläche des Substrats 1, d. h. die –C Oberfläche erreichen, kann ein Bauelement zur optischen Wellenlängen-Umwandlung, das eine ähnliche Leistungsfähigkeit besitzt, hergestellt werden, selbst wenn der optische Wellenleiter 11 auf der –C Oberfläche 1b des Substrats 1 ausgebildet ist. Wenn der optische Wellenleiter 11 auf der –C Oberfläche 1b ausgebildet ist, ist die Oberfläche in geringem Umfang aufgeraut, da auf der –C Oberfläche 1b nicht die kammförmige Elektrode, sondern lediglich die Planare Elektrode ausgebildet ist. Deswegen können ein Wellenleiter mit geringem Wellenleiterverlust und ein Bauelement zur optischen Wellenlängen-Umwandlung, das einen hohen Wirkungsgrad besitzt, hergestellt werden.
Als optischer Wellenleiter können an Stelle des Wellenleiters, der durch den oben beschriebenen Protonen-Austausch gebildet wird, weitere optische Wellenleiter, wie etwa ein Ti-Diffusions-Wellenleiter, ein Nb-Diffusions-Wellenleiter oder ein Ionenimplantations-Wellenleiter, verwendet werden.
Um einen optischen Wellenleiter unter Verwendung von Diffusion herzustellen, ist es erforderlich, eine Diffusionstemperatur auf mindestens 1000°C einzustellen. Die Curie-Temperaturen von LiTaO₃ und LiNbO₃ liegen jedoch bei 600°C bzw. 1000°C und sind somit gleich der Diffusionstemperatur oder niedriger. Wenn ein optischer Wellenleiter durch Diffusion gemäß einem herkömmlichen Verfahren ausgebildet wird, nachdem die Domänen-invertierten Bereiche ausgebildet wurden, werden somit alle ausgebildeten Domänen-invertierten Bereiche eliminiert. Wenn andererseits die Domänen-invertierten Bereiche ausgebildet werden, nachdem ein optischer Wellenleiter ausgebildet wurde, können die periodischen Domänen-invertierten Bereiche in dem durch Diffusion ausgebildeten optischen Wellenleiter ausgebildet werden. Es wird folglich möglich, ein Bauelement zur optischen Wellenlängen-Umwandlung, das einen hohen Wirkungsgrad besitzt, herzustellen.
Für den Protonen-Austausch können zusätzlich zur Pyrophorsäure, die im Beispiel 12 verwendet wird, Orthophosphorsäure, Benzoesäure, Schwefelsäure oder dergleichen verwendet werden.
Die Maske für den Protonen-Austausch ist nicht auf die Ta-Maske beschränkt. Jede andere Maske, die aus einem Material mit säurefesten Eigenschaften, wie etwa Ta₂O₅, Pt oder Au, hergestellt ist, kann verwendet werden.
Beispiel 13
Ein Bauelement 1300 zur optischen Wellenlängen-Umwandlung des Blocktyps, das eine modifizierte Domänen-invertierte Struktur besitzt, wird als Beispiel 13 unter Bezugnahme auf die 24A und 24B beschrieben.
Bei einem Bauelement zur optischen Wellenlängen-Umwandlung des Blocktyps, das das Substrat verwendet, bei dem die periodischen Domänen-invertierten Bereiche gemäß der vorliegenden Erfindung als ein Block ausgebildet ist, kann die Periode der Domänen-Inversion durch Neigen des Bauelements unter einem bestimmten Winkel in Bezug auf die optische Achse einer eintretenden Grundwelle geändert werden. Die Ausnutzung dieses Vorteils macht es möglich, die Veränderung der Oszillations-Wellenlänge einer eintretenden Grundwelle und die Veränderung der Phasenanpassungs-Wellenlänge infolge einer Änderung der Umgebungstemperatur einzustellen.
Der Bereich der Periode der Domänen-invertierten Struktur, der durch Einstellen eines Winkels des Bauelements geändert werden kann, ist durch das Snell-Gesetz in Abhängigkeit von einem Brechungsindex des Substrats definiert. Die Periode kann deswegen nicht in einem weiten Bereich eingestellt werden.
Wenn z. B. bei dem Bauelement zur optischen Wellenlängen-Umwandlung, das ein LiTaO₃-Substrat enthält, in dem Domänen-invertierten Bereiche so ausgebildet sind, dass sie zu seinen Stirnflächen parallel verlaufen, das Substrat um 12 Grad in Bezug auf die optische Achse einer eintretenden Grundwelle geneigt wird, vergrößert sich eine Periode der Domänen-invertierten Struktur lediglich auf das 1,02fache im Vergleich zu dem Fall, bei dem die Grundwelle in das Bauelement so eintritt, dass sie senkrecht zu einer Lichteintrittsfläche verläuft.
Wie in 24A gezeigt ist, werden somit in dem Bauelement 1300 zur optischen Wellenlängen-Umwandlung vom Beispiel 13 die Domänen-invertierten Bereiche 9, die um einen Winkel θ in Bezug auf die Lichteintrittsfläche 15 und die Lichtaustrittsfläche 16 oder wenigstens in Bezug auf die Lichteintrittsfläche 15 geneigt sind, in dem Substrat 1 ausgebildet. Um derartige Domänen-invertierten Bereiche 9 auszubilden, ist es ausreichend, die kammförmige Elektrode 2 um einen Winkel θ in Bezug auf die Stirnflächen des Substrats 1 zu neigen, wenn die kammförmige Elektrode 2 in dem Herstellungsprozess der Domänen-invertierten Bereiche 9 in den vorher beschriebenen Beispielen auf der +C Oberfläche 1a des Substrats 1 ausgebildet wird. Da weitere Charakteristiken des Ausbildungsprozesses im Wesentlichen die gleichen sind, wird deren Beschreibung an dieser Stelle weggelassen.
Bei dem Bauelement 1300 zur optischen Wellenlängen-Umwandlung, bei dem die Domänen-invertierten Bereiche 9 so ausgebildet werden, dass sie um einen bestimmten Winkel θ in Bezug auf die Lichteintrittsfläche 15 und die Lichtaustrittsfläche 16 oder wenigstens in Bezug auf die Lichteintrittsfläche 15 des Substrats 1 geneigt sind, ist es möglich, die Phasenanpassung über einen größeren Bereich einzustellen, wenn die Periode der Domänen-Inversion für Licht, das sich in dem Bauelement 1300 bewegt, so geändert wird, dass die Phasenanpassung durch Neigen des Bauelements 1300 in Bezug auf die optische Achse der eintretenden Grundwelle 23 eingestellt wird.
Wenn z. B. bei dem Bauelement 1300 zur optischen Wellenlängen-Umwandlung, das das LiTaO₃-Substrat 1 enthält, in dem die Domänen-invertierten Bereiche 9 so ausgebildet sind, dass sie um 45 Grad in Bezug auf die Lichteintrittsfläche 15 geneigt sind, das Substrat 1 um 12 Grad in Bezug auf die optische Achse der Grundwelle 23, die von dem Laser 21 ausgesendet wird, geneigt wird, damit sie über das optische Lichtfokussierungssystem 22 in das Bauelement 1300 eintritt, vergrößert sich die Periode der Domänen-invertierten Struktur auf das 1,12fache im Vergleich zu dem Fall, bei dem die Grundwelle 23 senkrecht in die Lichteintrittsfläche 15 des Bauelements 1300 eintritt. Wie oben beschrieben wurde, ist der mögliche Bereich der Winkeleinstellung so vergrößert, dass er mindestens das 5fache von dem des Bauelements beträgt, das gemäß einem herkömmlichen Verfahren hergestellt ist. Folglich ist die Toleranz der Phasenanpassungs-Wellen länge vergrößert. Daher kann das Bauelement 1300 zur optischen Wellenlängen-Umwandlung in einer bequemeren Weise verwendet werden.
Durch die Herstellung des Bauelements 1300 zur optischen Wellenlängen-Umwandlung, wobei die Domänen-invertierten Bereiche 9 in Bezug auf den einfallenden Lichtstrahl geneigt werden, wird es ferner möglich, die Toleranz einer Phasenanpassungs-Temperatur auszudehnen. Der Grund dafür besteht in Folgendem. Da ein fokussierter Lichtstrahl (Grundwelle) unter einem bestimmten Winkel über die periodische Domänen-invertierte Struktur verläuft, erfolgt die Phasenanpassung für Komponenten, die einen Winkel in Bezug auf eine optische Achse aufweisen, in einem großen Bereich.
Obwohl die Domänen-invertierten Bereiche 9 so ausgebildet werden, dass sie sowohl in Bezug auf die Lichteintrittsfläche 15 als auch in Bezug auf die Lichtaustrittsfläche 16 des Substrats1 in 16A geneigt sind, können die Domänen-invertierten Bereiche 9 so ausgebildet werden, dass sie parallel zur Lichtaustrittsfläche 16 verlaufen.
Anschließend werden das Bauelement 1300a zur optischen Wellenlängen-Umwandlung des Blocktyps und ein Verfahren zum Trennen einer Grundwelle 23a und einer harmonischen Welle 24, die von der Lichtaustrittsfläche 16 ausgehen, unter Bezugnahme auf 24B beschrieben.
Bei dem Bauelement 1300a zur optischen Wellenlängen-Umwandlung wird die Grundwelle 23, die vom Laser 21 ausgesendet wird, damit sie über das optische Lichtfokussierungssystem 22 in die Lichteintrittsfläche 15 des Bauelements 1300a zur optischen Wellenlängen-Umwandlung eintritt, während der Ausbreitung durch das Bauelement 1300a in die harmonische Welle 24 umgewandelt. Daraufhin tritt die umgewandelte harmonische Welle 24 ebenfalls aus der Lichtaustrittsfläche 16 aus. Gleichzeitig tritt eine nicht umgewandelte Komponente 23a der Grundwelle aus der Lichtaustrittsfläche 16 aus. Es ist deswegen erforderlich, die nicht umgewandelte Komponente 23a der Grundwelle von der umgewandelten harmonischen Welle 24 zu trennen.
Wie in 24B gezeigt ist, ist die Lichtaustrittsfläche 16 des Bauelements 1300a zur optischen Wellenlängen-Umwandlung des Blocktyps, in dem die periodischen Domänen-invertierten Bereiche 9 ausgebildet sind, diesmal in Bezug auf die optische Achse der eintretenden Grundwelle 23 geneigt. Dann unterscheiden sich die Brechungsindizes für die Grundwelle und die harmonische Welle voneinander infolge der Wellenlängendispersion der Grundwelle und der harmonischen Welle: Es ist deswegen möglich, die Grundwelle 23a und die harmonische Welle 24 bei verschiedenen Austrittswinkeln auszugeben (d. h. θ1 und θ2). Folglich können die Grundwelle 23a und die harmonische Welle 24 voneinander getrennt werden. Da sich im Einzelnen ein Brechungsindex n_f für die Grundwelle und ein Brechungsindex n_s für die harmonische Welle voneinander unterscheiden, unterscheiden sich die Austrittswinkel der entsprechenden Wellen voneinander auf der Grundlage des Snell-Gesetzes.
Beispiel 14
Im Beispiel 14 wird das Ergebnis der Untersuchung des Erfinders der vorliegenden Erfindung in Bezug auf die Auswirkung des Bildungsprozesses eines optischen Wellenleiters auf die periodischen Domänen-invertierten Bereiche weiter beschrieben. Gleichzeitig wird ein Verfahren zum Herstellen eines Bauelements zur optischen Wellenlängen-Umwandlung beschrieben, das einen stärker bevorzugten Prozess zum Bilden eines optischen Wellenleiters auf der Grundlage der Untersuchung enthält.
Ein Prozess zum Bilden eines optischen Wellenleiters durch Ausführen einer Protonen-Austausch-Behandlung an einer +C Oberfläche eines LiTaO₃-Substrats, in dem periodische Domänen-invertierten Bereiche bereits ausgebildet wurden, wird betrachtet. Bei einer derartigen Protonen-Austausch-Behandlung wird das Substrat z. B. für 16 Minuten wärmebehandelt, während es bei 260°C in Pyrophorsäure eingetaucht ist, und wird anschließend für 5 Minuten in Luft bei 420°C wärmebehandelt. Der Prozess ist ein Niedertemperatur-Prozess, der bei einer Temperatur ausgeführt wird, die niedriger als die Curie-Temperatur (etwa 600°C) des LiTaO₃-Substrats ist.
Wenn ein optischer Wellenleiter durch den obigen Prozess ausgebildet wird, können die ausgebildeten periodischen Domänen-invertierten Bereiche von der +C Oberfläche des Substrats in der Tiefenrichtung eliminiert werden. Die Tiefe, bis zu der die Domänen-invertierten Bereiche eliminiert werden, vergrößert sich in gewissem Umfang mit dem Ablauf der Glühdauer und wird dann auf einem konstanten Wert gehalten. Wenn die Glühbedingungen festgelegt sind, hängt die Tiefe hauptsächlich von der Periode der Protonen-Austausch-Behandlung ab, wie in 25 gezeigt ist. Es wird deswegen angenommen, dass die ausgebildeten Domänen-invertierten Bereiche durch thermische Diffusion von Protonen während des Protonen-Austausches eliminiert werden. Selbst wenn eine Glühtemperatur auf 300°C abgesenkt wird, werden die Domänen-invertierten Bereiche in einigen Fällen eliminiert. Es entsteht deswegen ein Problem dahingehend, dass ein Bauelement zur optischen Wellenlängen-Umwandlung, das einen hohen Wirkungsgrad besitzt, nicht stetig hergestellt werden kann.
Darüber hinaus werden die Domänen-invertierten Bereiche lediglich in der +C Oberfläche des Substrats eliminiert. Die Eliminierung der Domänen-invertierten Bereiche, die mit der Ausbildung des optischen Wellenleiters einhergeht, wird an der –C Oberfläche nicht beobachtet.
Um die Auswirkungen des Phänomens der Eliminierung der Domänen-invertierten Bereiche, das die Ausführung des Prozesses der Herstellung eines optischen Wellenleiters begleitet, zu vermeiden, wird zur Herstellung eines Bauelements zur optischen Wellenlängen-Umwandlung ein optischer Wellenleiter durch Protonen-Austausch ausgebildet, bevor die Domänen-invertierten Bereiche ausgebildet werden.
Die 26A bis 26D sind perspektivische Ansichten, die die Herstellungsschritte eines Bauelements 1410 zur optischen Wellenlängen-Umwandlung zeigen, das den streifenförmigen optischen Wellenleiter 1410 des eingebetteten Typs gemäß Beispiel 14 aufweist.
Eine (nicht gezeigte) Ta-Maskenschicht mit einer Öffnung, die einem Muster des optischen Wellenleiters entspricht, wird auf die Oberfläche des Substrats 1 aufgebracht. Dann wird das Substrat 1 einer Protonen-Austausch-Behandlung unterzogen, indem es in Pyrophorsäure wärmebehandelt wird. Durch diesen Schritt wird der streifenförmige optische Wellenleiter 11 des eingebetteten Typs, der in 26A gezeigt ist, gebildet. Anschließend wird der optische Wellenleiter 11 einem Glühen unterzogen, um den Unterschied in den Charakteristiken der Domänen-Inversion zwischen dem Protonen-Austausch hergestellten Abschnitt (der optische Wellenleiter 11) und dem anderen Abschnitt zu reduzieren. Dann werden, wie in 26B gezeigt ist, die kammförmige Elektrode 2 und die planare Elektrode 3 auf der +C Oberfläche bzw. auf der –C Oberfläche des Substrats1 ausgebildet. Durch Anlegen eines bestimmten elektrischen Felds an das Substrat 1 über die Elektroden 2 und 3 werden die periodischen Domänen-invertierten Bereiche 9, die in 26C gezeigt sind, in dem Substrat 1 ausgebildet. Wenn die kammförmige Elektrode 2 und die planare Elektrode 3 entfernt werden, wird das Bauelement 1410 zur optischen Wellenlängen-Umwandlung mit einem streifenförmigen optischen Wellenleiter 11 des eingebetteten Typs, das in 26D gezeigt ist, erhalten.
Die 27A bis 27D sind perspektivische Ansichten, die die Herstellungsschritte des Bauelements 1420 zur optischen Wellenlängen-Umwandlung, das einen steg- bzw. gratförmigen optischen Wellenleiter 17a besitzt, gemäß Beispiel 14 zeigen.
Die +C Oberfläche des Substrats 1 wird einem Protonen-Austausch und einem Glühen unterzogen, um die durch Protonen-Austausch hergestellte Schicht (plattenförmiger optischer Wellenleiter) 17 auszubilden, die in 27A gezeigt ist. Wie in 27B gezeigt ist, werden die kammförmige Elektrode 2 und die Planare Elektrode 3 auf der durch Protonen-Austausch hergestellten Schicht 17 bzw. auf der Bodenfläche (–C Oberfläche) des Substrats 1 ausgebildet. Dann werden durch Anlegen eines vorgegebenen elektrischen Felds an das Substrat 1 über die Elektroden 2 und 3 die periodischen Domänen-invertierten Bereiche 9 in der in 27C gezeigten Weise im Substrat 1 ausgebildet. Anschließend werden die kammförmige Elektrode 2 und die Planare Elektrode 3 entfernt und die durch Protonen-Austausch hergestellte Schicht 17 wird zu einer Streifenform bearbeitet, um dadurch den steg- bzw. gratförmigen optischen Wellenleiter 17a auszubilden. Im Ergebnis wird ein Bauelement 1420 zur optischen Wellenlängen-Umwandlung, das den in 27D gezeigten streifenförmigen steg- bzw. gratförmigen optischen Wellenleiter 17a besitzt, erhalten.
Bei dem optischen Wellenleiter 11 des eingebetteten Typ gibt es einen geringen Unterschied bei der Protonenverteilung zwischen dem durch Protonen-Austausch hergestellten Abschnitt (optischer Wellenleiter 11) und dem anderen Abschnitt. Da andererseits die durch Protonen-Austausch hergestellte Schicht 17 in dem obigen Prozess der Bildung des steg- bzw. gratförmigen optischen Wellenleiters 17a über der gesamten Oberfläche des Substrats 1 gebildet wird, ist keine ungleichförmige Protonenverteilung in der Elektrodenfläche vorhanden, wenn ein elektrisches Feld angelegt wird, um die Domänen-invertierten Bereiche auszubilden. Es ist deswegen möglich, die Domänen-invertierten Bereiche mit einer gleichförmigen Vertei lung in der Fläche auszubilden. Da die durch Protonen-Austausch hergestellte Schicht 17 ferner an den Seitenflächen des optischen Wellenleiters 17a vorhanden ist, ist die Festigkeit gegenüber mechanischer Zerstörung verbessert und seine optischen Eigenschaften der Resistenz gegen Beschädigungen sind hervorragend. Im Ergebnis besitzt der steg- bzw. gratförmige optische Wellenleiter 17a Eigenschaften der Resistenz gegen Beschädigungen, die doppelt so gut sind wie die des optischen Wellenleiters 11 des eingebetteten Typs.
Die 28A bis 28D sind perspektivische Ansichten, die die Schritte der Bildung eines Bauelements 1430 zur optischen Wellenlängen-Umwandlung gemäß Beispiel 14 schematisch zeigen. Das Bauelement 1430 zur optischen Wellenlängen-Umwandlung enthält ferner eine streifenförmige Schicht 44 mit großem Brechungsindex, die an der Oberfläche der durch Protonen-Austausch hergestellten Schicht (optischer Wellenleiter des Plattentyps) 17 ausgebildet ist, als angebrachten optischen Wellenleiter 44.
Zuerst wird die +C Oberfläche des Substrats 1 einem Protonen-Austausch und einem Glühen unterzogen, um die durch Protonen-Austausch hergestellte Schicht (optischer Wellenleiter des Plattentyps) 17 auszubilden, die in 28A gezeigt ist. Wie in 28B gezeigt ist, werden anschließend die kammförmige Elektrode 2 und die planare Elektrode 3 auf der durch Protonen-Austausch hergestellten Schicht 17 bzw. auf der Bodenfläche (–C Oberfläche) des Substrats 1 ausgebildet. Dann werden durch Anlegen eines vorgegebenen elektrischen Felds über die Elektroden 2 und 3 an das Substrat 1 die periodischen Domänen-invertierten Bereiche 9, die in der 28C gezeigt sind, im Substrat 1 ausgebildet. Anschließend werden die kammförmige Elektrode 3 und die planare Elektrode 3 entfernt und die streifenförmige Schicht 44 mit großem Brechungsindex wird auf der durch Protonen-Austausch hergestellten Schicht 17 ausgebildet. Im Ergebnis wird das in der 28D gezeigte Bauelement 1430 zur optischen Wellenlängen-Umwandlung, das den streifenförmigen optischen Wellenleiter 44 umfasst, erhalten.
Da der optische Wellenleiter 44 in dem Bauelement 1430 zur optischen Wellenlängen-Umwandlung stärkere Eigenschaften zur Lichtbegrenzung aufweist als jene des steg- bzw. gratförmigen optischen Wellenleiters 17a, kann das Bauelement zur optischen Wellenlängen-Umwandlung, das einen hohen Wirkungsgrad besitzt, erreicht werden.
Wie oben beschrieben wurde, wird verhindert, dass die periodische Domänen-invertierte Struktur durch die Bildung des optischen Wellenleiters vor der Ausbildung der Domänen-invertierten Bereiche eliminiert wird. Im Ergebnis wird das Bauelement zur optischen Wellenlängen-Umwandlung, das ausgezeichnete optische Eigenschaften der Resistenz gegen Beschädigungen besitzt und eine Wellenlängen-Umwandlung mit hohem Wirkungsgrad realisieren kann, erhalten.
Beispiel 15
Im Beispiel 15 wird ein Verfahren zum Ausbilden Domänen-invertierter Bereiche, das die Domänen-Inversion über dem gesamten Bereich und die Re-Inversion in einem Teil des Bereichs verwendet, unter Bezugnahme auf die 29A bis 29D beschrieben.
Wie in 29A gezeigt ist, werden eine planare Elektrode 43 und die planare Elektrode 3 auf der +C Oberfläche 1a bzw. auf der –C Oberfläche 1b des LiTaO₃-Substrats 1 ausgebildet. Zu diesem Zeitpunkt sind Domänen im Substrat 1 in 29A nach oben ausgerichtet, wie in 29A durch Pfeile 41a angegeben ist.
Anschließend werden durch Anlegen eines elektrischen Felds an das Substrat 1 über die Elektroden 3 und 43 bei Raumtemperatur die Domänen fast des gesamten Bereichs im Substrat 1 invertiert. Wie in 29B gezeigt ist, wird im Ergebnis ein Domänen-invertierter Bereich 41, der nach unten ausgerichtete Domänen enthält, die in 29B durch Pfeile 41b angegeben sind, in der in 29B gezeigten Weise ausgebildet.
Dann wird, nachdem die planare Elektrode 43 auf der +C Oberfläche 1a des Substrats 1 entfernt wurde, an Stelle der planaren Elektrode 43 die kammförmige Elektrode 2 ausgebildet. Durch Anlegen einer Spannung an die kammförmige Elektrode 2 und die planare Elektrode 3, um ein vorgegebenes elektrisches Feld an das Substrat 1 anzulegen, wird eine Domäne in den Bereichen 49 direkt unter den entsprechenden streifenförmigen Elektrodenzweigen der kammförmige Elektrode 2 re-invertiert. Wie in 29D gezeigt ist, werden folglich die Bereiche 49 mit einer Domänenrichtung, die durch die Pfeile 41a angegeben ist, und die Bereiche 41 mit der entgegengesetzten Domänenrichtung, die durch die Pfeile 41b angegeben ist, in periodischer Weise abwechselnd ausgebildet.
Gemäß den obigen Verfahren wird die gleichförmige periodische Domänen-invertierte Struktur sogar in der Umgebung der –C Oberfläche 1b ausgebildet, indem zunächst die Domänen über fast den gesamten Bereich im Substrat 1 invertiert werden. Im Einzelnen tritt die Eliminierung der Domänen-invertierten Bereiche, die im Allgemeinen dann bewirkt wird, wenn der optische Wellenleiter unter Verwendung von Protonen-Austausch und Glühen ausgebildet wird, auf der –C Oberfläche 1b nicht auf. Deswegen kann durch das Ausbilden des optischen Wellenleiters auf der –C Oberfläche, nachdem die Domänen-invertierte Struktur gemäß Beispiel 15 ausgebildet wurde, das Bauelement zur optischen Wellenlängen-Umwandlung, das einen hohen Wirkungsgrad besitzt, realisiert werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird im Voraus eine Gleichstrom-Spannung an ein Substrat angelegt, um Domänen-invertierte Bereiche auszubilden. Wenn ein Wert der angelegten Spannung so eingestellt ist, dass ein elektrisches Feld, das durch die Gleichstrom-Spannung angelegt wird, ein elektrisches Inversions-Feld zum Invertieren der spontanen Polarisation des Kristalls des Substrats nicht übersteigt, tritt keine Domänen-Inversion infolge des elektrischen Felds auf. Wenn eine Spannung mit kurzen Impulsen in einem derartigen Zustand auf die Gleichstrom-Spannung überlagert wird, invertiert die Kombination aus einem elektrischen Feld mit kurzen Impulsen und einem elektrischen Gleichstrom-Feld, das durch die Gleichstrom-Spannung erzeugt wird, die Domänen. Da ein kleiner Wert für die überlagerte Impuls-Spannung ausreichend ist, ist es möglich, einen Impuls mit einer hohen Reproduzierbarkeit anzulegen. Da die Impulsspannung klein ist, ist außerdem die Gleichförmigkeit des an das Substrat anzulegenden elektrischen Felds verbessert.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ermöglichen die oben beschriebenen Verfahren, die periodischen Domänen-invertierten Bereiche über eine große Fläche gleichförmig auszubilden. Der Grund dafür wird nachfolgend beschrieben.
Zwei Elektroden, die in einer Domänenrichtung ferroelektrischer Kristalle voneinander getrennt sind, werden ausgebildet. Wenn eine Domänen-Inversion durch Anlegen einer Spannung zwischen den beiden Elektroden gebildet wird, hängt die Gleichförmigkeit der auszubildenden Domänen-invertierten Bereiche von der Gleichförmigkeit der Verteilung des elektrischen Felds, das angelegt wird, ab. Deswegen wird gemäß der vorliegenden Erfindung zunächst eine Gleichstrom-Spannung, die kleiner ist als eine Inversionsspannung zum Invertieren der Domänen des Substrats, zwischen den Elektroden angelegt. Durch Überlagern einer Spannung mit kurzen Impulsen auf die angelegte Spannung in diesem Zustand, werden Domänen-invertierte Bereiche erzeugt. Da die Gleichstrom-Spannung zwischen den Elektroden angelegt wird, weist das elektrische Feld zwischen den Elektroden eine hohe Gleichförmigkeit auf. Deswegen wird eine Spannung über eine große Fläche gleichförmig angelegt. Da es ferner möglich ist, die Intensität der Impuls-Spannung, die überlagert wird, auf einen kleinen Wert einzustellen, ist die Verteilung des elektrischen Felds, das durch die Impuls-Spannung zwischen den Elektroden angelegt wird, gleichförmig und die Spannung kann in einfacher Weise gesteuert werden. Es wird deswegen möglich, in der Fläche die Domänen-invertierten Bereiche mit ausgezeichneter Gleichförmigkeit bei hoher Reproduzierbarkeit über einen großen Bereich auszubilden.
Anschließend wird ein Verfahren zum Vereinfachen der Ausbildung von Domänen-invertierten Bereichen mit einer kurzen Periode beschrieben.
In den Domänen-invertierten Bereichen, die durch Anlegen eines elektrischen Felds ausgebildet werden, werden die Domänen von einer +C Oberfläche des Substrats invertiert. Auf der Grundlage dieses Phänomens wurden verschiedenen Untersuchungen an einem Verfahren zum Beschränken der Ausbreitung der Domänen-invertierten Bereiche in einer horizontalen Richtung ausgeführt. Im Ergebnis wurde festgestellt, dass die Erzeugung der Domänen-Inversion durch die Verschlechterung der Kristallstruktur (Ferroelektrizität) in der Umgebung der Oberfläche der +C Oberfläche des Substrats eingeschränkt wird. Wenn ferner eine kammförmige Elektrode auf der Oberfläche (+C Oberfläche) des Substrats gebildet wird, gefolgt von der Verschlechterung der Ferroelektrizität in der Umgebung der Oberfläche des Kristalls mit Ausnahme der streifenförmigen Elektrodenzweige, die die kammförmige Elektrode bilden, wird die Ausbreitung der Domänen-invertierten Bereiche, die unter den Elektrodenzweigen ausgebildet werden, in einer horizontalen Richtung eingeschränkt. Es wird folglich möglich, Domänen-invertierte Bereiche mit einer kurzen Periode auszubilden. Der Grund dafür wird nachfolgend beschrieben.
Nachdem eine kammförmige Elektrode, die streifenförmige Elektrodenzweige enthält, und eine planare Elektrode auf der +C Oberfläche bzw. auf der –C Oberfläche ausgebildet wurden, wird eine Spannung zwischen den Elektroden angelegt. Dann erfolgt von der +C Oberfläche eine Domänen-Inversion, derart, dass nadelförmige Domänen-invertierte Bereiche unter den Elektroden ausgebildet werden. Wenn die Anwendung der Spannung fortgesetzt wird, breiten sich jedoch die invertierten Bereiche mit der Zeit in eine Breitenrichtung aus, wodurch es schwierig wird, Domänen-invertierte Bereiche mit einer kurzen Periode auszubilden. Dann wird ein Prozess zum Ausbilden der Domänen-Inversion beobachtet. Im Ergebnis wurde festgestellt, dass das Auftreten der Domänen-Inversion durch die Verschlechterung der Kristallstruktur (in der vorliegenden Erfindung der Ferroelektrizität) in der Umgebung der +C Oberfläche, wo die Domänen-Inversion auftritt, eingeschränkt wird. Wenn z. B. die +C Oberfläche einem Protonen-Austausch unterzogen wird, um einen Abschnitt in der Oberfläche des Substrats in einen durch Protonen-Austausch hergestellten Bereich zu verändern, kann eine Inversionsspannung, die für die Domänen-Inversion erforderlich ist, um mehrere kV oder mehr vergrößert werden. Es ist folglich möglich, das Auftreten der Domänen-Inversion einzuschränken. Deswegen kann durch Verschlechtern der Ferroelektrizität in der Umgebung der Oberfläche der +C Oberfläche des Kristalls zwischen den streifenförmigen Elektroden, die die kammförmige Elektrode bilden, in jedem Bereich die Ausbreitung der Domänen-Inversion in einer Breitenrichtung mit Ausnahme des Bereichs direkt unter den Elektrodenzweigen eingeschränkt werden. Im Einzelnen wird die Ausbreitung der invertierten Bereiche in einer Breitenrichtung eingeschränkt, indem Bereiche mit verschlechterter Ferroelektrizität zwischen den streifenförmigen Elektrodenzweigen geschaffen werden, wodurch es möglich ist, Domänen-invertierte Bereiche mit einer kurzen Periode auszubilden.
Um andererseits gemäß der vorliegenden Erfindung die Form der in dem Substrat auszubildenden Domänen-invertierten Bereiche gleichförmig zu machen, wird zwischen den Elektroden eine Spannung angelegt, nachdem die auf dem Substrat gebildeten Elektroden mit isolierenden Materialien (Isolatoren) bedeckt wurden. Die mit isolierenden Filmen bedeckten Elektroden beschränken die Bewegung freier Ladungen am Umfang der Elektroden. Da somit eine Ausbreitung der Domänen-invertierten Bereiche am Umfang der Elektroden in einer horizontalen Richtung eingeschränkt werden kann, wird eine gleichförmige Domänen-invertierte Struktur erhalten.
Bei einem Ausbildungsprozess zum Ausbilden der beiden Elektroden, die in einer Domänenrichtung des ferroelektrischen Kristalls voneinander getrennt sind, und zum nachfolgenden Anlegen eines elektrischen Felds an die beiden Elektroden, um die Domänen-Inversion zu bewirken, müssen zuerst Domänen-Inversionskerne durch Anlegen des elektrischen Felds ausgebildet werden. Dann wachsen die Domänen-invertierten Bereiche von dem Domänen-Inversionskern in einer Domänenrichtung (Vorwärtswachstum) und breiten sich dann zum Umfang des Domänen-Inversionskerns aus (horizontales Wachstum). Da sich jedoch die Domänen-invertierten Bereiche zum Umfang des Elektrodenmusters ausbreiten, wird es schwierig, ein Domänen-invertiertes Muster auszubilden, das eine feine Struktur besitzt. Insbesondere dann, wenn die Domänen-invertierte Schicht ausgebildet wird, wird es schwierig, eine Domänen-invertierte Schicht mit einer kurzen Periode auszubilden. Da das horizontale Wachstum des Domänen-invertierten Bereichs am Umfang der Elektrode eine schlechte Gleichförmigkeit aufweist, ist es schwierig, die Struktur der Domänen-invertierten Bereiche in Übereinstimmung mit dem Elektrodenmuster herzustellen.
Als Ergebnis der verschiedenen Untersuchungen an dem Phänomen der Ausbreitung der Domänen-invertierten Bereiche haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung festgestellt, dass der Zustand der Kristalloberfläche, an der Kerne der Domänen-Inversion erzeugt werden, die Bildung der Domänen-Inversion beeinflusst. Im Einzelnen wurde festgestellt, dass die Bewegung von freien Oberflächenladungen, die in der Oberfläche des Ferroelektrikums vorhanden sind, eine ungleichförmige Verteilung des an das Ferroelektrikum angelegten elektrischen Felds und des in der Umgebung der Elektrode zu erzeugenden elektrischen Felds induziert, wodurch folglich das horizontale Wachstum der Domänen-invertierten Bereiche unterstützt wird. Mit anderen Worten, die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben folgenden Mechanismus entdeckt: Die freien Oberflächenladungen, die in der Oberfläche des Kristalls vorhanden sind, bewegen sich durch das Anlegen einer Spannung, um das elektrische Feld zu induzieren, nicht nur direkt unter den Elektroden, sondern auch an ihrem Umfang zum Umfang der Elektrode, wodurch sich die Domänen-Inversion zum Umfang der Elektrode ausbreitet.
Um das horizontale Wachstum der Domänen-invertierten Bereiche zu unterdrücken, wird deswegen ein Verfahren zum Einschränken der freien Oberflächenladungen, die sich zum Umfang der Elektrode bewegen, durch das Bedecken der Elektrode mit einem Isolator vorgeschlagen. Mit anderen Worten, durch das Bedecken der Elektroden, die in einer Domänenrichtung der Ferroelektrikums ausgebildet sind, mit isolierenden Filmen ist es möglich, ein Ausbreiten der Domänen-invertierten Bereiche zum Umfang der Elektrode zu unterdrücken, wodurch eine gleichförmige Domänen-invertierte Schicht ausgebildet werden kann.
Dasselbe Verfahren kann zum Ausbilden periodischer Domänen-invertierter Schichten, die für das Bauelement zur optischen Wellenlängen-Umwandlung erforderlich sind, verwendet werden. Im Einzelnen kann dann, wenn die periodischen Domänen-invertierten Schichten durch Anlegen einer Spannung zwischen der auf der Oberfläche des Ferroelektrikums ausgebildeten kammförmigen Elektrode und der auf deren Unterseite ausgebildeten planaren Elektrode ausgebildet werden, ein Ausbreiten der Domänen-invertierten Bereiche zum Umfang der streifenförmigen Elektroden, die die kammförmige Elektrode bilden, unterdrückt werden, indem die kammförmige Elektrode, die ein feines Muster besitzt, mit einem isolierenden Film bedeckt wird. Folglich kann eine gleichförmige Domänen-invertierte Schicht mit einer kurzen Periode ausgebildet werden.
Als ein weiteres Verfahren zum Bilden eines Bauelements zur optischen Wellenlängen-Umwandlung, das einen hohen Wirkungsgrad besitzt, wird die Bewegung der freien Oberflächenladungen eingeschränkt, indem die Oberfläche des Kristalls zwischen den streifenförmigen Elektroden, die die kammförmige Elektrode bilden, entfernt wird. Demzufolge wird die Ausbreitung der Domänen-invertierten Bereiche zum Umfang der kammförmigen Elektrode eingeschränkt, wodurch gleichförmige Domänen-invertierte Schichten mit einer kurzen Periode ausgebildet werden können.
Ferner ermöglicht die Verwendung von auf diese Weise ausgebildeten gleichförmigen Domänen-invertierten Schichten mit einer kurzen Periode das Herstellen eines Bauelements zur optischen Wellenlängen-Umwandlung, das einen hohen Wirkungsgrad besitzt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden eine kammförmige Elektrode und eine Planare Elektrode auf einer +C Oberfläche bzw. auf einer –C Oberfläche eines Substrats ausgebildet, wie oben beschrieben wurde. Anschließend wird ein elektrisches Gleichstrom-Feld, dem ein elektrisches Impuls-Feld überlagert ist, über die beiden Elektroden an das Substrat angelegt. Folglich kann ein elektrisches Feld, das eine gleichförmige Intensitätsverteilung besitzt, an das Substrat angelegt werden, wodurch Domänen-invertierte Bereiche mit einer gleichförmigen periodischen Struktur ausgebildet werden können. Darüber hinaus kann ein Bauelement zur optischen Wellenlängen-Umwandlung, das einen hohen Wirkungsgrad besitzt, hergestellt werden, indem auf den ausgebildeten periodischen Domänen-invertierten Bereichen ein optischer Wellenleiter ausgebildet wird, oder indem die ausgebildeten periodischen Domänen-invertierten Bereiche als ein Block verwendet werden.
Ein Ausbreiten der Domänen-invertierten Bereiche in einer horizontalen Richtung von einem Punkt direkt unter der kammförmigen Elektrode sollte unterdrückt werden, um Domänen-invertierte Bereiche mit einer kurzen Periode auszubilden. Wegen dieses Problems werden die Zwischenräume zwischen den streifenförmigen Elektroden, die die kammförmige Elektrode bilden, einem Protonen-Austausch unterzogen, um die Ferroelektrizität der Zwischenräume zu verschlechtern, um dadurch ein Ausbreiten der Domänen-invertierten Bereiche in einer horizontalen Richtung zu unterdrücken. Demzufolge werden Domänen-invertierte Bereiche mit kurzen Perioden ausgebildet. Im Ergebnis wird ein Bauelement zur optischen Wellenlängen-Umwandlung, das einen hohen Wirkungsgrad besitzt, hergestellt.
Alternativ wird die Bewegung freier Ladungen in der Oberfläche des Substrats eingeschränkt, indem ein elektrisches Impuls-Feld zwischen einer kammförmigen Elektrode und einer planaren Elektrode angelegt wird, die jeweils mit einem isolierenden Film bedeckt und an der Oberfläche bzw. der Unterseite des ferroelektrischen Kristalls ausgebildet sind. Somit kann ein elektrisches Feld mit einer gleichförmigen Intensitätsverteilung an das Kristall angelegt werden. Folglich werden Domänen-invertierte Bereiche, die eine gleichförmige periodische Struktur besitzen, ausgebildet.
Nachdem durch das Entfernen der Oberfläche des Kristalls zwischen den streifenförmigen Elektrodenzweigen, die die kammförmige Elektrode bilden, Nute gebildet wurden und anschließend auf der Oberfläche des Kristalls ein isolierender Film ausgebildet wurde, wird ein elektrisches Feld an das Substrat angelegt. Im Ergebnis können Domänen-invertierte Bereiche, die eine gleichförmige periodische Struktur besitzen, ausgebildet werden.
Ferner kann durch Ausbilden eines optischen Wellenleiters in den ausgebildeten periodischen Domänen-invertierten Bereichen ein Bauelement zur optischen Wellenlängen-Umwandlung, das einen hohen Wirkungsgrad besitzt, ausgebildet werden.
Um Domänen-invertierte Bereiche mit einer kurzen Periode auszubilden, sollte ein Ausbreiten der Domänen-invertierten Bereiche direkt unter der kammförmigen Elektrode in einer horizontalen Richtung unterdrückt werden. Freie Oberflächenladungen eines ferroelektrischen Substrats, wie etwa LiTaO₃, LiNbO₃ oder dergleichen, bewegen sich in der Oberfläche des Kristalls während der Anwendung eines elektrischen Felds, wodurch die Verteilung des elektrischen Felds am Umfang der Elektrode ungleichförmig bleibt. Die Tatsache, dass die ungleichförmige Verteilung des elektrischen Felds die horizontale Ausbreitung des Domänen-invertierten Bereichs unterstützt, wurde durch die Untersuchung der Erfinder der vorliegenden Erfindung festgestellt. Deswegen wird die gesamte, auf der Oberfläche ausgebildete kammförmige Elektrode, an der Domänen-Inversionskerne erzeugt werden, mit einem isolierenden Film bedeckt, um die Bewegung der freien Oberflächenladungen in der oben beschriebenen Weise einzuschränken, wodurch die horizontale Ausbreitung der Domänen-invertierten Bereiche unterdrückt wird. Im Ergebnis werden Domänen-invertierten Bereiche mit kurzen Perioden ausgebildet, die es möglich machen, ein Bauelement zur optischen Wellenlängen-Umwandlung, das einen hohen Wirkungsgrad besitzt, herzustellen.
Verschiedene andere Modifikationen sind für einen Fachmann offensichtlich und können von ihm in einfacher Weise ausgeführt werden, ohne vom Umfang dieser Erfindung abzuweichen. Es ist deswegen nicht beabsichtigt, dass der Umfang der beigefügten Ansprüche auf die hier dargestellte Beschreibung beschränkt ist, sondern dass die Ansprüche in einem weiten Sinn ausgelegt werden.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Domänen-invertierten Bereiches, mit den Schritten: Vorsehen eines ferroelektrischen Kristall-Substrats mit einer einzigen Domänen-Richtung der spontanen Polarisation; Ausbilden einer ersten Elektrode auf einer ersten Oberfläche und einer zweiten Elektrode auf einer zweiten Oberfläche des ferroelektrischen Kristall-Substrats, wobei die Elektroden gegenüberliegend sind und getrennt sind in der Domänen-Richtung; Anlegen einer Gleichstrom(DC)-Spannung, welche der Domänen-Richtung entgegengesetzt ist, zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode; und Invertieren der Domänen eines vorgegebenen Bereichs in dem ferroelektrischen Kristall-Substrat; dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt der Domänen-Invertierung durchgeführt wird durch das Anlegen einer ersten kombinierten Spannung der Gleichstrom-Spannung und einer Impuls-Spannung, wobei die erste kombinierte Spannung erhältlich ist durch das Überlagern der Impuls-Spannung auf die Gleichstrom-Spannung.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein Pegel der Gleichstrom-Spannung geringer ist als ein Spannungspegel, bei welchen die Domänen-Inversion auftritt, und ein Pegel der ersten kombinierten Spannung ist im Wesentlichen gleich zu oder größer als der Spannungspegel, bei welchem die Domänen-Inversion auftritt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei mindestens die erste Elektrode oder die zweite Elektrode eine kamm-förmige Elektrode ist.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die kamm-förmige Elektrode auf einer +C Oberfläche des ferroelektrischen Kristall-Substrats ausgebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Domänen-Richtung des ferroelektrischen Kristall-Substrats senkrecht zu der ersten oder zweiten Oberfläche des Substrats ist.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei das fenoelektrische Kristall-Substrat hergestellt ist aus einem Material ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus LiNb_(1–x)Ta_xO₃ (0 ≤ c ≤ 1) und KTiOPO₄.
Verfahren nach Anspruch 1, weiter aufweisend die Schritte: Entfernen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode; und Wärmebehandeln des ferroelektrischen Kristall-Substrats bei 580°C oder niedriger.
Verfahren nach Anspruch 1, weiter aufweisend den Schritt: Verschlechtern der Fenoelektrizität des ferroelektrischen Kristall-Substrats in einer Umgebung bzw. Peripherie von mindestens der ersten Elektrode oder der zweiten Elektrode vor dem Schritt des Anlegens der Spannung.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei mindestens die erste Elektrode oder die zweite Elektrode eine kamm-förmige Elektrode ist, und die Ferroelektrizität ist verschlechtert in einer Spalte bzw. einem Zwischenraum zwischen den Elektroden-Zweigen der kamm-förmigen Elektrode.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Schritt der Verschlechterung der Fenoelektrizität eine Protonen-Austausch-Behandlung verwendet.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das ferroelektrische Kristall-Substrat ein C-Platten-Substrat ist, welches entlang einer Oberfläche geschnitten ist, die senkrecht zu einer C-Achse eines Kristalls ist, und die erste Elektrode und die zweite Elektrode sind eine kamm-förmige Elektrode, welche ausgebildet ist auf der ersten Oberfläche des C-Platten-Substrats bzw. eine planare Elektrode, welche auf der zweiten Oberfläche des C-Platten-Substrats ausgebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei ein Kern für eine Domänen-Inversion erzeugt wird in einer Nähe der ersten Oberfläche.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei eine Breite eines jeden streifenförmigen Elektroden-Zweiges, welcher enthalten ist in der kamm-förmigen Elektrode, gleich oder kleiner ist als die Hälfte eines Intervalls zwischen den streifen-förmigen Elektroden-Zweigen.
Verfahren nach Anspruch 11, weiter aufweisend den Schritt der Entfernung einer Umgebung von mindestens der ersten Oberfläche oder der zweiten Oberfläche des C-Platten-Substrats mit einer vorgegebenen Tiefe.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das C-Platten-Substrat hergestellt ist aus einem Material, ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus LiNb_(1–x)Ta_xO₃ (0 ≤ x ≤ 1) und KTiOPO₄, und die erste Oberfläche ist eine +C und die zweite Oberfläche ist eine –C Oberfläche.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei der Schritt der Verschlechterung der Fenoelektrizität eine Protonen-Austausch-Behandlung verwendet.
Verfahren nach Anspruch 15, weiter aufweisend die Schritte: Entfernen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode; und Glühen des ferroelektrischen Kristall-Substrats bei 500°C oder niedriger.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei mindestens die erste Elektrode oder die zweite Elektrode eine kamm-förmige Elektrode ist.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das ferroelektrische Kristall-Substrat hergestellt ist aus einem Material ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus LiNb_(1–x)Ta_xO₃ (0 ≤ x ≤ 1) und KTiOPO₄.
Verfahren nach Anspruch 8, das ferroelektrische Kristall-Substrat ein C-Platten-Substrat ist, welches entlang einer Oberfläche geschnitten ist, die senkrecht zu einer C-Achse eines Kristalls ist, und die erste Elektrode und die zweite Elektrode sind eine kamm-förmige Elektrode, welche ausgebildet ist auf der ersten Oberfläche des C-Platten-Substrats bzw. eine planate Elektrode, welche auf der zweiten Oberfläche des C-Platten-Substrats ausgebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei ein Kern für eine Domänen-Inversion erzeugt wird in einer Nähe der ersten Oberfläche.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei eine Breite eines jeden streifenförmigen Elektroden-Zweiges, welcher enthalten ist in der kamm-förmigen Elektrode, gleich oder kleiner ist als die Hälfte eines Intervalls zwischen den streifen-förmigen Elektroden-Zweigen.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei das C-Platten-Substrat hergestellt ist aus einem Material, ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus LiNb_(1–x)Ta_xO₃ (0 ≤ x ≤ 1) und KTiOPO₄, und die erste Oberfläche ist eine +C und die zweite Oberfläche ist eine –C Oberfläche.
Verfahren nach Anspruch 11, weiter aufweisend den Schritt: Anheften bzw. Anbringen eines optischen Substrats an mindestens der ersten Oberfläche oder der zweiten Oberfläche.
Verfahren nach Anspruch 24, weiter aufweisend den Schritt des Schleifens bzw. Polierens des ferroelektrischen Kristall-Substrats nachdem das optische Substrat an dem ferroelektrischen Kristall-Substrat angeheftet bzw. angeklebt worden ist, wobei die planare Elektrode auf der geschliffenen Oberfläche ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei das ferroelektrische Kristall-Substrat hergestellt ist aus einem Material ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus LiNb_(1–x)Ta_xO₃ (0 ≤ x ≤ 1) und KTiOPO₄.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei eine Breite eines jeden streifenförmigen Elektroden-Zweiges, welcher enthalten ist in der kamm-förmigen Elektrode, gleich oder kleiner ist als die Hälfte eines Intervalls zwischen den streifen-förmigen Elektroden-Zweigen.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei ein Kern für eine Domänen-Inversion erzeugt wird in einer Nähe der ersten Oberfläche.
Verfahren nach Anspruch 24, weiter aufweisend den Schritt der Verschlechterung der Fenoelektrizität des ferroelektrischen Kristall-Substrats in einem Zwischenraum bzw. einer Spalte zwischen den Elektroden-Zweigen der kamm-förmigen Elektrode.
Verfahren nach Anspruch 24, weiter aufweisend den Schritt des Abschälens bzw. Abschneidens einer Oberfläche des ferroelektrischen Kristall-Substrats in einem Zwischenraum zwischen den Elektroden-Zweigen der kammförmigen Elektrode.
Verfahren nach Anspruch 24, weiter aufweisend den Schritt des Bedeckens von mindestens der kamm-förmigen Elektrode oder der planaren Elektrode mit einem isolierenden Film.
Verfahren nach Anspruch 1, weiter aufweisend den Schritt: Aufwachsen eines ferroelektrischen Kristalls auf einer Oberfläche eines optischen Substrats vor dem Ausbilden der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode.
Verfahren nach Anspruch 32, wobei das ferroelektrische Kristall-Substrat hergestellt ist aus einem Material ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus LiNb_(1–x)Ta_xO₃ (0 ≤ x ≤ 1) und KTiOPO₄.
Verfahren nach Anspruch 32, wobei das ferroelektrische Kristall in einer Richtung der C-Achse wächst, und eine kamm-förmige Elektrode und eine planare Elektrode ausgebildet werden auf einer Oberfläche des ferroelektrischen Kristalls und einer Unterseite eines optischen Substrats als die erste Elektrode und die zweite Elektrode.
Verfahren nach Anspruch 32, wobei ein Kern für die Domänen-Inversion erzeugt wird in einer Nähe einer Oberfläche des ferroelektrischen Kristalls.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der vorgegebene Bereich das gesamte ferroeiektrische Kristallsubstrat umfasst; das Verfahren umfasst weiter den Schritt des Re-Invertierens der Domänen in mindestens einem Teil des ferroelektrischen Kristall-Substrats durch das Anlegen einer zweiten Spannung, welche entgegengesetzt ist zu der invertierten Domänen-Richtung, zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode, wobei die zweite Spannung eine kombinierte Spannung ist, welche erhältlich ist durch das Überlagern einer Impulsspannung auf eine Gleichstromspannung.
Verfahren nach Anspruch 36, wobei die erste kombinierte Spannung und die zweite kombinierte Spannung bei Raumtemperatur angelegt werden.
Verfahren nach Anspruch 36, wobei das ferroelektrische Kristall hergestellt ist aus einem Material ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus LiNb_(1–x)Ta_xO₃ (0 ≤ x ≤ 1) und KTiOPO₄.
Verfahren nach Anspruch 36, weiter aufweisend den Schritt des Abdeckens mindestens der ersten Elektrode oder der zweiten Elektrode mit einem isolierenden Film.
Verfahren zur Herstellung eines Bauelements zur optischen Wellenlängen-Umwandlung, mit den Schritten: Herstellen eines Domänen-invertierten Bereichs nach Anspruch 1; und Ausbilden eines optischen Wellenleiters.
Verfahren nach Anspruch 40, wobei der optische Wellenleiter durch einen Protonen-Austausch ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 40, wobei das ferroelektrische Kristall hergestellt ist aus einem Material ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus LiNb_(1–x)Ta_xO₃ (0 ≤ x ≤ 1) und KTiOPO₄.
Verfahren nach Anspruch 40, wobei mindestens die erste Elektrode oder die zweite Elektrode eine kamm-förmige Elektrode ist.
Verfahren nach Anspruch 40, weiter aufweisend den Schritt des Abdeckens mindestens der ersten Elektrode oder der zweiten Elektrode mit einem isolierenden Film.
Verfahren nach Anspruch 40, wobei das ferroelektrische Kristall-Substrat ein C-Platten-Substrat ist, welches entlang einer Oberfläche geschnitten ist, die senkrecht zu einer C-Achse des Kristalls ist, und die erste Elektrode und die zweite Elektrode sind eine kamm-förmige Elektrode, ausgebildet auf der ersten Oberfläche und eine planare Elektrode, ausgebildet auf der zweiten Oberfläche des C-Platten-Substrats.
Verfahren nach Anspruch 45, wobei ein Kern für eine Domänen-Inversion erzeugt wird in einer Nähe der ersten Oberfläche.
Verfahren nach Anspruch 45, wobei eine Breite eines jeden streifenförmigen Elektroden-Zweiges, welcher enthalten ist in der kamm-förmigen Elektrode, gleich oder kleiner ist als die Hälfte eines Intervalls zwischen den streifen-förmigen Elektroden-Zweigen.
Verfahren nach Anspruch 45, weiter aufweisend den Schritt der Verschlechterung der Fenoelektrizität des ferroelektrischen Kristall-Substrat in einem Zwischenraum zwischen den Elektroden-Zweigen der kamm-förmigen Elektrode.
Verfahren nach Anspruch 45, weiter aufweisend den Schritt des Abschälens bzw. Abschneidens einer Oberfläche des ferroelektrischen Kristall-Substrats in einem Zwischenraum zwischen den Elektroden-Zweigen der kammförmigen Elektrode.
Verfahren nach Anspruch 40, wobei der optische Wellenleiter ausgebildet wird bzw. ist in einer Richtung senkrecht zu der Domänen-Richtung des ferroelektrischen Kristalls.
Verfahren nach Anspruch 40, wobei der Schritt der Ausbildung des optischen Wellenleiters weiter den Schritt des teilweisen Entfernens einer Oberfläche des ausgebildeten optischen Wellenleiters umfasst.
Verfahren nach Anspruch 40, weiter aufweisend den Schritt der Ausbildung eines Platten- bzw. Scheiben-Wellenleiters auf einer Oberfläche des ferroelektrischen Kristall-Substrats vor dem Schritt der Ausbildung der Elektroden, wobei der Schritt der Ausbildung des optischen Wellenleiters den Schritt der Bearbeitung des ausgebildeten optischen Wellenleiters in eine Steg- bzw. Grat-Form umfasst.
Verfahren nach Anspruch 40, weiter aufweisend den Schritt der Ausbildung eines Platten- bzw. Scheiben-Wellenleiters auf einer Oberfläche des ferroelektrischen Kristall-Substrats vor dem Schritt der Ausbildung der Elektroden, wobei der Schritt der Ausbildung des optischen Wellenleiters den Schritt der Ablagerung eines streifen-förmigen dielektrischen Films auf einer Oberfläche des Platten-Wellenleiters umfasst.