DE2402041A1

DE2402041A1 - Verfahren zur herstellung einer lichtleitschicht in einem wirts-koerper der chemischen zusammensetzung (li tief 2 o) tief x (b tief n o) tief 1-

Info

Publication number: DE2402041A1
Application number: DE2402041A
Authority: DE
Inventors: John Robert Carruthers; Ivan Paul Kaminow
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1973-01-18
Filing date: 1974-01-17
Publication date: 1974-07-25
Also published as: FR2214899B1; GB1450354A; CA996008A; JPS49106340A; US3837827A; FR2214899A1; NL7400643A

Description

Patentanwalt

D,pl,lng. waiter Jacklsch A <i A

^Stutt9art N, Menzelstraße ₄₀ HJ¹*

16. Jan. 1974

A-34 030

Case: Carruthers, J.R. 3-I5

Western Electric Company, Ine New York, N.Y., V.St.A.

Verfahren zur Herstellung einer Lichtleitschicht in einem Wirts-Körper der chemischen Zusammensetzung (LLO) (B O)₁

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren der im Oberbegriff des Anspruchs 1 näher bezeichneten Art.

Die in jüngster Zeit erzielten Portschritte in der Technologie von optischen Geräten ermöglichen schon in naher Zukunft eine praktische und wirtschaftliche Kommunikation auf optischem Wege. Die genannten Fortschritte umfassen Verbesserungen bei optischen Dünn-

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filmsehaltungenj bei der Signalverarbeitung sowie bei den Anschlußeinrichtu/igen im allgemeinen, und insbesondere eine verbesserte optische Übertragung in durchsichtigen Festkörperwerkstoffen infolge der Anwendung des Prinzips· der Lichtleitung.

Die optische Lichtleitung beruht auf dem allgemein bekannten Prinzip der inneren Lichtreflektion. Dabei wird das Lichtsignal durch ein Medium übertragen, welches von einer Grenzschicht umgeben ist, deren Brechungsindex geringer ist als der Brechungsindex des Übertragungsmediums. Der einfachste Aufbau, welcher dieses Prinzip verwirklicht, ist ein aus einem Festkörper bestehendes Übertragungsmedium in Luft. Bei technisch geeigneten Übertragungssystemen für große Übertragungsentfernungen muß jedoch die Lichtleitung einen hohen Wirkungsgrad besitzen, was fertigungstechnisch eine Toleranzsteuerung der Zwischenfläche zwischen dem Übertragungsmedium und der Grenzschicht innerhalb enger Grenzen voraussetzt. Es wird allgemein angenommen, daß Streuverluste an Festkörper-Festkörper-Zwischenflächen leichter innerhalb annehmbarer Grenzen zu beeinflussen sind als Streuverluste bei Festkörper-Luft-Zwischenflächen, womit Festkörper-FestkÖrper-Zwichenflachen technisch einfacher zu erzielen sind.

Eine Vielzahl der in jüngster Zeit durchgeführten Versuche zur Herstellung von optischen Übertragungsmedien

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— "Z —

mit geringen Verlusten wurden aus den vorstehenden Gründen anhand von "umkleideten" Medien durchgeführt, d.h. mit einem Pestkörper-Übertragungsmedium, welches von einem Festkörper mj.t einem geringeren Brechungsindex umgeben ist. Beträchtliche Erfolge wurden dabei mit Hilfe von umkleideten Glasfasern erzielt.

Ähnliche Versuche wurden durchgeführt, um wellenleitende Schichten in elektro-optischen, akusto-optischen und magneto-optischen Kristallen herzustellen. Die dabei angewandten Verfahren beinhalten eine Eindiffusion, eine Ionenimplantation und ein epitaktisches Aufwachsen. Die letztgenannten Versuche waren jedoch nur innerhalb bestimmter enger Grenzen erfolgreich.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung einer optischen Wellenleitung mit geringen Verlusten in einem elektrisch hochohmigen Kristall zu schaffen, welches zur Verwendung für einen elektrooptischen oder akusto-optischen Modulator unter Anwendung von modulierten Feldern geeignet ist.

Die Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs "erwähnten Art erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 genannten Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausführungsformen- des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Anspruch 1 sind in

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.den Patentansprüchen 2 bis 6 gekennzeichnet.

Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens können optische Wellenleiterschichten in lichtdurchlässigen Festkörpermedien mit hohem Wirkungsgrad hergestellt werden. Die Wellenleiterschichten können dabei längs der Oberfläche eines Wirts-Mediums ausgebildet werden.

Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert; es zeigt:

Pig. la bis Id schematische Darstellungen der Brechungsindexprofile von erfindungsgemäß hergestellten Wellenleiterschichten;

Fig. 2 eine graphische Darstel

lung der Abhängigkeit der Brechungsindexänderung von der Schichtdicke bei verschiedenen Wirts-Kristallkörpern₃ und

Fig. 3 eine perspektivische Dar

stellung einer Versuchsanordnung unter Verwendung einer nach dem erfindungsge-A0S830/0845

—. C —.

mäßen Verfahren hergestellten Lichtleitschicht.

Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf der selektiven Ausdiffusion der festen Bestandteile eines geometrisch geformten Körpers unter Ausbildung einer Oberflächenschicht auf dem Körper, wodurch dieser an dem Diffusionsbestandteil verarmt. Bei einer geeigneten Zusammensetzung des chemischen Systems besitzt die genannte Schicht bezüglich des Wirts-Körpers einen höheren oder einen geringeren Brechungsindex. Der Bereich mit dem höheren Brechungsindex, welcher entweder von der Schicht oder von dem Wirts-Körper gebildet wird, stellt die gewünschte optische Wellenleitschicht dar. Außerordentlich geeignete chemische Systeme für eine derartige Behandlung sind Mischoxide mit wenigstens 2 Komponenten, welche zusätzlich gute Eigenschaften als optische Medien aufweisen. Das erfindungsgemäße System kann allgemein mit der Formel

(A O) (B O) „

^v m 'χ η 1-

beschrieben werden, wobei m und η variable Indizes sind, welche von der Wertigkeit der Kationen A bzw. B abhängen, und wobei χ ein variabler Paktor oberhalb eines Mindestwertes von 0,001 ist. Pur die Wirksamkeit des selektiven Diffusionsverfahrens ist es notwendig,

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daß einer dieser Bestandteile bezüglich des anderen flüchtig ist. Dieser Bestandteil muß insbesondere sowohl einen höheren Dampfdruck als auch einen höheren Diffusionskoeffizienten in diesem speziellen System aufweisen. Es ist günstig, wenn die genannten Parameter um wenigstens 3 Größenordnungen voneinander differieren.

Die verfahrensmäßige Behandlung des genannten chemischen Systems zur Erzielung einer selektiven Ausdiffusion ist für den Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet der Thermodynamik von Festkörpern verhältnismäßig geradlinig. Das Verfahren besteht in einer einfachen Erhitzung des geometrischen Körpers, und zv;ar gewöhnlich in Vakuum, für eine Zeitdauer, welche ausreichend ist, um den verhältnismäßig flüchtigen Bestandteil von Oberflächenbereioh des Körpers zu entfernen. Die hierfür relevanten Parameter sind Zeit und Temperatur. Die Auswaal dieser Parameter ist abhängig von dem gewünschten Brechungsindexprofil innerhalb des Körpers.

Die BrechungsindexprcfiXe können durch die folgende Gleichung mit der komplementären Fehlerfunktion f beschrieben werden:

Δη_ρ = ct-f(s/ß) (1)

wobei α eine Konstante, s die Tiefe unterhalb der Oberfläche des Körpers, und ß = 2-/DF, mit der Zeit t und

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der Diffusionskonstanten D ist. Zur Erzielung einer Lichtleitung sollte Δη den Wert 10 übersteigen. Weiterhin sollte die tatsächliche Dicke der Lichtleitschicht größer als 1 Mikron sein.

Im allgemeinen ist die Bestimmung der vorstehend genannten Konstanten sowie eine Vorhersage über die Ausdiffusion infolge der fehlenden Kenntnis über den Diffusionsmechanismus in komplexen Oxidsystemen erschwert. Diffusions- und Verdampfungsvorgänge in diesen Festkörpern können entweder A, B und 0-Ionen für sich getrennt oder A 0 und B O-Molekulargruppen umfassen. In jedem dieser Fälle diffundiert und verdampft mehr als ein Ion bzw. eine molekulare Gruppe, wobei jedoch die Tendenz besteht ₃ daß ein Ion bzw. eine molekulare Gruppe vorherrschend ist. Schließlich ist keine Methode bekannt, um die Wirkung von geringen stüchiometrischen Änderungen in einem vorgegebenen chemischen System auf den Brechungsindex vorherzusagen. Diese Indexänderungen sind bezogen auf die Tensor-Folarisierbarkeiten der Bestandteile sowie auf die Änderung der physikalischen Dichte mit der Stöchiometrie.

Die Bestimmung des Ausdiffusionsverhaltens des chemischen Systems ist glücklicherweise jedoch geradlinig, so daß nachstehend Richtlinien für die Auswahl eines geeigneten System? mit vielen Bestandteilen sowie für die allgemeine Ausführung der Erfindung angegeben werden

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.In der folgenden Tabelle sind für verschiedene Oxide die geeigneten Diffusionstemperaturen für jeweils einen Dampfdruck von 10 Torr aufgeführt.

Tabelle

Verbindung	Temperatur (°C)
^P4°10	115
SeO₂	124
As₄O₆	136
CrO	195
GeO	451
Sb₂O₃	457
Tl₂O	463
Sc₂O	550
SnO	584
MoO	646
TeO₂	652
PbO	720
K₂O ..	727
CdO	809
Na₂O	827
IrO	990
ZnO	1057
SiO	1020
WO	II76
In₂O	I27O
Li₀O	I303

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Tabelle (Portsetzung)

Verbindung	Temperatur (⁰C)
Ga₉O	1450
^B2°3	145O
NiO	1485
BaO	1549
CoO	1551
PeO	1641
SrO	1727
NbO₂	1800
TaO₂	I8OO
TiO	1845
MgO	1855
VO	1966
CaO	2050
La₂O₃	2126
BeO	2217
Al₉O	2245
ZrO₂	2406
YzO^	2412
HfO	2678

Aus der vorstehenden Tabelle können Oxide unter Beachtung der vorstehend empfohlenen Bejnessungsregel ausgewählt werden, welche darin besteht, daß die Dampfdrucke eine Differenz von zumindest 3 Größenordnungen aufweisen sollen." Dies entspricht einem Temperaturgefälle der in der vorstehenden Tabelle angegebenen Temperaturen von

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annähernd 15O⁰C. Es ist ferner günstig, wenn das stärker flüchtige Oxid einen um zumindest 3 Größenordnungen schneller diffundierenden Kationenbestandteil aufweist. Die vorstehend genannten Werte sind in der technischen Literatur· erhältlich, wobei sich besonders die LiNbO- und LiTaO -Systeme hierfür eignen.

Nach Auswahl eines geeigneten Systems wird ein Kristallkörper der ausgewählten chemischen Zusammensetzung erhitzt , und zwar üblicherweise in e:inem Vakuum, um den flüchtigen Bestandteil von der Oberfläche des Körpers zu verdampfen. Die Verdampfungsgeschwindigkeit steigt annähernd exponentiell mit der Temperatur. Um das Verhalten des Systems zu bestimmen, ist es daher ratsam, die Temperatur in die Nähe des Schmelzpunktes zu erhöhen, oder - wenn möglich - unterhalb des Curie-Punktes zu fixieren, wenn es sich um einen gepolten ferroelektrischen oder ferromagnetischen Werkstoff handelt. Bei Systemen, welche sich für eine derartige Behandlung praktisch eignen, übersteigt der Verdampfungsflaß den

— 10?
Wert von 10 gms/cm~/sec. Die stöchiometrische Änderung beruht vermutlich auf dem beobachteten Gewichtsverlust. Es ist normalerweise wichtig, die stöchiometrische Änderung innerhalb der durch die Kristallstruktur gegebenen Grenzen der Zusammensetzung zu halten. Änderungen der Kristallphase führen zu Störungen der Kristallgrenzen und damit zu Streuverlusten und inneren Spannungen.

Es ist ferner wichtig, das System so zu wählen, daß der

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Verdampfungsfluß von der Oberfläche des betreffenden Kristallkörpers geringer ist als der Diffusionsfluß nach der Oberfläche, da sonst die Ätzung der Oberfläche schneller erfolgt als deren Verarmung an dem betreffenden flüchtigen Substituenten.

Wie vorstehend bereits ausgeführt ist, ist die erfindungsgemäße Ausdiffusionstechnik insbesondere bei Kristallen anwendbar, welche zumindest eine Struktur gemäß der vorstehend angegebenen Formel aufweisen, wobei die

Molekülgruppe A 0 Lithiumoxid (Li₀O) ist und B 0 aus der m 2 η

Tabelle unter Beachtung der angegebenen Bemessungsregeln gewählt wird. Das System kann ebenso gut zusätzliche Bestandteile enthalten. Lithiumoxid (Li 0) ist besonders als Bestandteil geeignet, da es verhältnismäßig flüchtig ist und sehr schnell diffundiert. Die Versuchswerte anhand von LiNbO. - und LiTaQ-Proben zeigen, daß diese Werkstoffe besonders geeignet im Zusammenhang mit der Erfindung sind. Diese Werkstoffe sind bekanntlich geeignet für elektro-optische und akusto-optische Bauelemente. Wie eingangs bereits erwähnt ist, ist es noch nicht möglich, hochqualitative Wellenleitschichten bei elektro-optischen und akusto-optischen Werkstoffen herzustellen. Ein optisches Kommunikationssystem erfordert zusätzlich zu dem optischen Glasfaserübertragungsmedium Signalverarbeitungs-Bauelemente sowohl bei den Anschlußeinrichtungen als auch bei den Einrichtungen zur Signalwiederholung. Die obengenannten Kristalle sind insbesondere für derartige Bauelemente-Anwendungen geeignet.

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Die beiden obengenannten Werkstoffe können In einer geringfügig nicht-stöohiometrischen Form (Li O) _r(M _O0 ) kristallisieren, wobei M = Nb oder Ta ist und χ ein Paktor zwischen 0,48 und 0,50 ist.

Bekanntlich ist bei LiNbO und wahrscheinlich bei LiTaO der gewöhnliche Brechungsindex η unabhängig von x; innerhalb des zugelassenen Bereichs steigt jedoch der außerordentliche Brechungsindex η annähernd umgekehrt proportional mit x. Für LiNbO beträgt der

Gradient dn /dx -1,63 und für LiTaO -0,85- Eine Vere j

ringerung von χ an der Oberfläche hat somit eine optische Leitschicht zur Folge. Die nachstehenden spezifischen Verfahrensschritte zeigen die Anwendbarkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens auf diese Kristall-Werkstoffe.

Ein polarisierter LiNbO^-Kristall (1-2) mit einer Abmessung von 15 x 2 χ 3 mm längs den Kristallachsen a, b bzw. c wurde in Vakuum erhitzt, wobei mit Hilfe eines geeigneten Meßinstrumentes (Thermographimeter von Mettier) fortlaufend das Gewicht der Probe während der Erhitzung in Vakuum gemessen wurde. Die Probe wurde bei einer Temperatur T von 1100⁰C in einem Vakuum von 6 χ 10 Torr für eine Dauer t von 21 Stunden gehalten, wobei ein Gewichtsverlust W von etwa 180 pg beobachtet wurde. Für eine praktikable Verfahrensdauer ist ein Vakuum von

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mehr als 1O~* Torr sowohl für LiNbO- und LiTaO -Kristalle empfehlenswert. Um jede "Verfärbung des Kristalls zu entfernen., wurde die Probe in Luft bei einer Temperatur von 1100⁰C für 2 Stunden gehalten. Ein anderer Kristall (1-3) wurde in ähnlicher Weise bei 1100⁰C für eine Dauer von 64 Stunden behandelt₃ wobei ein Gewichtsverlust von 480 yg beobachtet wurde, während eine dritte Probe (1-5) bei einer Temperatur von 1100⁰C für eine Dauer von 135 Stunden' behandelt wurde und bei der ein Gewichtsverlust von 620 yg beobachtet wurde. Die Proben waren klar, farblos und gut poliert vor und nach der Behandlung. Die angegebenen absoluten Gewichtsverluste liegen innerhalb einer'Toleranz von +100 und -0 pg aufgrund des anfänglichen instationären Zustandes des elektrischen Gleichgewichts während der Erhitzungsperiode. Bei der fortlaufenden Beobachtung im stationären Zustand wurde ein großer anfänglicher Gewichtsverlust festgestellt, welcher in grober Annäherung der für einen Diffusionsprozeß erwarteten Beziehung ¥~t folgt.

Die Brechungsindexprofile normal zu den Oberflächen wurden mit Hilfe eines Interferenzmikroskops von Leitz gemessen. Mit Hilfe dieses Instrumentes können in polarisiertem Licht Interferenzringe mit einer Auflösung von etwa 2 um beobachtet werden. Interferogramme durch die a-c-Ebene eines (1-2)-Kristalls sind in "Pig. IA dargestellt. Die optische Kante in Fig. IA ist normal zu der c-Achse und das Licht (Quecksilberlampe) ist eine gewöhnliche Welle.

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Es wurde nur eine geringe Änderung Δ η des gewöhnlichen Brechungsindex beobachtet. Die Brechungsindexänderung &i ist durch die Beziehung An = ρ λ/d gegeben, vrobei ρ die Anzahl derjenigen Ringe ist, um welche das Interferenzmuster des ansteigenden Bereichs gegenüber dem nicht gestörten Interferenzmuster verschoben ist, wobei λ die Wellenlänge (0,546 Pm) und d die Dicke der Probe (2000 pm) ist. Die erwähnte Verschiebing der Interferenzringe ist aus dem in Fig. IA dargestellten Brechungsindexprofil unmittelbar ersichtlich. Ein im wesentlichen positiver Anstieg des Brechungsindex kann bei Beleuchtung der Probe mit außerordentlichem Licht gemäß Fig. IB beobachtet werden₃wobei der Rand des dort dargestellten Brechungsindexprofils normal zu der c-Achse entsprechend der Ausdiffusion längs der c-Achse gerichtet ist. Die Änderung des außerordentlichen Brechungsindex ist bei dem in Fig. IC dargestellten Profil noch stärker, wo der Rand parallel zu der c-Achse entsprechend der Ausdiffusion normal zu der x-Achse gerichtet ist. Das in Fig. ID dargestellte Interferogramm zeigt eine noch größere Ausdiffusion, welche bei einem (I-3)-Kristall unter Peobachtungsbedingungen erzielt wurde, welche jenen gemäß Fig. IC für einen (1-2)-Kristall vergleichbar ist.

Experimentell erzielte Brechungsindexprofile für eine Diffusion normal zu der c-Achse sind in Fig. '- veranschaulicht. Die dort aargestellten Kurven entsprechen

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der komplementären Fehlerfunktion der Gleichung (1).

Die Konstanten für einen (1-3)-Kristall sind A = 4 χ 10~3_a B = 530 μΐη, D = 3 χ 10~9 cm²/sec für eine Diffusion normal zu der c-Achse und A = 2 χ 10~3, Β =

_Q ρ

530 μΐϋ, D = 3 χ 10 ^y_ cm"7sec für eine Diffusion längs der c-Achse. Unter der Annahme, daß nur eine Li„0-Verdampfung stattfindet, betragen die aus der Gleichung (1) und dem Differentialquotienten dn /dx berechneten Gewichtsverluste 25 yg für (1-2)-Kristalle, 70 yg für (1-3)-Kristalle und 120 yg für (I-5)-Kristalle. Da diese berechneten Werte beträchtlich geringer sind als die gemessenen Gewichtsverluste, müssen noch weitere Komponenten zu dem Gewichtsverlust W beitragen. Da der Diffusionkoeffizient von Sauerstoff in der Verbindung LiNbO bei HOO⁰C 10~¹⁰ cm²/sec beträgt, was mit den oben zizierten Werten für D vergleichbar ist, können diese Verluste eine Sauerstoffentwicklung bei fortschreitender Reduktion von Nb^⁺->-Nb einschliessen. Sowohl Lithiumoxid- als auch Sauerstoffverluste wurden früher für LiNO beschrieben, das in Vakuum erhitzt wurde. Gewichtsverluste, welche von dem NbO -Bestandteil herrühren, können bei der Temperatur von HOO⁰C als unbedeutend angesehen werden, da der Dampfdruck von reinem Nioboxid nur dem 10 -^fachen Wert von reinem Lithiumoxid entspricht.

Ein Brechungsindexgradient gemäß der Gleichung (1) ge-

L, 0 9 83 0 / Ü 8 A 5

stattet eine Lichtleitung längs der Oberfläche s = O, wenn _α positiv ist und die Ausbreitungsrichtung eine entsprechend große Komponente normal zu der c-Achse aufweist. Es kann gezeigt werden₃ daß die Anzahl q der in der Oberflächenschicht geleiteten Wellenarten näherungsweise durch die Beziehung

B l/
q - λ (2irn A) ² (2)

für große Werte von q beschrieben werden kann. Die bei einer Wellenlänge χ = 0,63 μπι gemessenen Brechungsindizes von LiNbO sind η = 2,214 und n_Q = 2,294. Die drei vorstehend beschriebenen Proben gestatten die Leitung einer Vielzahl von Wellenarten; beispielsweise können bei einem (1-3)-Kristall mit Diffusion normal zu der c-Achse etwa 198 Wellenarten geleitet werden.

Die Lichtleitung kann anhand des in Fig. 3 dargestellten Prismenkopplers erläutert werden, bei dem Kristalle mit ihren Achsen a, b, c längs den Koordinatenrichtungen z, χ bzw. y orientiert sind und bei der der einfallende Lichtstrahl wie eine außerordentliche TE-Welle polarisiert ist. Wenn der Einfallswinkel © auf einen Wert

Θ knapp unterhalb des kritischen Winkels eingestellt ο

wird, erscheint längs der Oberfläche ein heller Streifen, über eine Länge von 1 cm dieses Streifens kann keine Helligkeit sabnähme des Streulichtes beobachtet werden, so daß anzunehmen ist, daß der Verlust kleiner oder gleich 1 db/cm ist. Die Welle tritt am Ende der Lichtleit-

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schicht aus und erzeugt ein Weitfeldmuster, welches in y-Richtung eng und in x-Richtung weit auseinander gezogen ist. Messungen des Lichtstrahlwinkels α gestatten eine Schätzung für die Ausdehnung h des Feldes in x-Richtung der Lichtführung; und zwar ist h proportional λ/α· ^Pur einen (1-3)-Kristall beträgt h etwa 10 _ym, woraus hervorgeht, daß die gekoppelte/koptische

<—>

Energie für die/Wellenarten niedriger Ordnung im Bereich der maximalen Änderung Δη des außerordentlichen Brechungsindex in der Nähe von s = O begrenzt ist.

Ein Ausgangsprismenkoppler erzeugt einen genau definierten Lichtstrahl bei Θ¹ = Θ , wenn Θ = Θ ist.

ο ο

Eine schwache "m-Linie" verläuft durch den Lichtstrahl, woraus hervorgeht, daß nur eine kleinere Streuung in Nebenwellentypen erfolgt, welche in anderen Richtungen der Ebene verlaufen. Die anhand des ausgekoppelten Lichtstrahlenbündels veranschaulichte Wellenleitung besteht über einen Winkelbereich von ΔΘ₀· Eine Berechnung zeigt, daß der Bereich ΔΘ₀ für jede Probe einem Bereich von Wellenleitungs-Ausbreitungskonstanten Δβ entspricht, welche annähernd durch die Beziehung 2ιτ·Α/λ beschrieben werden können. Die Wellenleitung erfolgt daher für eine große Anzahl von ungedrehten Wellenarten. Um Wellenleiter für nur wenige Wellenarten niedriger Ordnung zu erzeugen, muß das Produkt A B durch Einstellen der Parameter t und T verringert werden.

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Die Schmelztemperatur T sowie die Curie-Temperatur

T von LiNbO., sind Funktionen von χ; Τ beträgt etwa c j5 m

1238^OC und T liegt in einem Bereich zwischen 1100 und 118O°C für einen Bereich für χ von 0,48 bis 0,50. Der lineare, elektro-optische Gleichstromkoeffizient r des Grundkörpers des Kristalls blieb bei der erfindungsgemäßen Behandlung unverändert, woraus hervorgeht, daß die Kristalle durch den Ausdiffusionsprozeß bei einer Temperatur unterhalb der Curie-Temperatur nicht depolarisiert werden. Es ist im Hinblick auf eine gute Ausdiffusionswirkung empfehlenswert, Temperaturen von mehr als 1000⁰C vorzusehen.

Wellenleitschichten von hervorragender'Qualität wurden ebenso bei LiTaO -Kristallen beobachtet. Obwohl LiTaQ, und LiNbO isomorph sind, beträgt die Schmelztemperatur T für die erstgenannte Verbindung etwa I65O C₃ m

während die Curie-Temperatur T für die erstgenannte Verbindung etwa 600⁰C beträgt. Eine Ausdiffusion bei 600°C ist jedoch zu gering, um von Interesse zu sein, so daß Proben bei höheren Temperaturen behandelt wurden; und zwar sind Temperaturen oberhalb 1100⁰C empfehlenswert. Es wurde festgestellt, daß die behandelten Proben depolarisiert waren und repolarisiert werden mußten, um für elektro-optische oder akusto-optische Anwendungen verwendbar zu sein.

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Die Brechungsindexprofile für eine Diffusion normal zu der c-Achse in zwei LiTaO,-Kristallen sind in Fig. dargestellt. Der eine Kristall (B-5) wurde bei II50 C für eine Dauer von 3-Stunden behandelt, während der andere Kristall (B-3) bei 1400 C für eine Dauer von 20 Minuten behandelt wurde·. Die Diffusionsparameter

für den (B-5)-Kristall sind A = 1,7 χ ίο"³, B = I30 pm,

_q ρ
D = 4 x 10 ^ cm /see sowie für den (B-3)-Kristall

A = 9 χ ΙΟ"³, B = 106 μια, D = 25 χ 10~⁹ ctn²/sec. Die Diffusionspararaeter A und D sinken daher sehr schnell

V₂

mit T. Da das Produkt AB für diese Proben kleiner ist als für die LiNbO,-Proben, ist q geringer. Tatsächlich können verschiedene diskrete Wellenarten bei den Ausgangs-Prismenkoppler beobachtet werden.

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Claims

-20- A 34 0 30 2Λ02041 I6 Pate ntansprüche

1. Verfahren zur Herstellung einer Lichtleitschicht in einem Wirts-Körper der chemischen Zusammensetzung (Li O) (B O) , wobei B 0 ein Oxid ist, dessen Dampf-

cL X Π -L~"X Ii

druck und dessen Diffusionskonstante um wenigstens drei Größenordnungen kleiner sind als die entsprechenden Parameter von LiO und wobei χ ein variabler Faktor oberhalb eines Mindestwertes von 0,001 ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Wirts-Körper unter einer derartigen Bemessung der Diffusionsdauer und der Diffusionstemperatur ausdiffundiert wird,

daß die dabei gebildete Oberflächenschicht eine Schichtdicke in der Größenordnung von etwa 1 Mikron oder mehr aufweist, und der Brechungsindex der Oberflächenschicht gegenüber dem Brechungsindex des Wirts-Körpers um mehr als 10"^ differiert.

2. Verfahren nach Anspruch I₉ dadurch gekennzeichnet, daß eine mit dem Wirts-Körper verbundene Einrichtung vorgesehen ist zur selektiven Führung von Licht durch die auf dem Wirts-Körper angeordnete Schicht mit dem höheren Brechungsindex.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wirts-Körper ein Wirts-Kristall ist und daß das durch den Wirts-Körper hindurchgeführte Licht eine

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merkliche vektorielle Komponente normal zu der c-Achse des Wirts-Kristalls aufweist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet ₃ daß bei der Ausdiffusion der Wirts-Körper auf eine Temperatur oberhalb 1000 C in einem Vakuum von weniger als

-4
10 Torr erhitzt wxrd.

5. Verfahren nach Anspruch I₃ dadurch gekennzeichnet, daß der Wirts-Körper ein Lithium-Nioba'-Kristall der chemischen Zusammensetzung LiNbO ist.

6. Verfahren nach Anspruch I₃ dadurch gekennzeichnet, daß der Wirts-Körper ein Lithium-Thantalat-Kristall der chemischen Zusammensetzung LiTaO, ist!

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