DE3440390C2

DE3440390C2 -

Info

Publication number: DE3440390C2
Application number: DE3440390A
Authority: DE
Inventors: Mamoru Tokio/Tokyo Jp Miyawaki
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1983-11-04
Filing date: 1984-11-05
Publication date: 1992-09-03
Also published as: DE3440390A1; US4799750A

Description

Die Erfindung betrifft optische Funktionselemente gemäß den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 bis 3. Ein optisches Funktionselement gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 2 ist für die Alternative "akusto- optischer Effekt" aus der DE 31 02 972 A1 bekannt. Ein optisches Funktionselement gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 3 ist aus der US 40 27 946 bekannt.

Bisher sind viele Untersuchungen durchgeführt worden, um ein optisches Dünnschicht-Element unter Anwendung eines Licht wellenleiters für verschiedene Vorrichtungen, etwa als Lichtablenkvorrichtung, Lichtmodulator, Spektralanalysator, Korrelator, optische Schaltungen usw. einzusetzen. Ein sol ches optisches Dünnfilm-Element hat die Funktion, den Bre chungsindex des Lichtwellenleiters durch äußere Einwirkung, etwa durch den akustisch-optischen Effekt, elektro-optischen Effekt usw. zu verändern, wodurch das sich in und durch den Lichtwellenleiter ausbreitende Licht moduliert oder abgelenkt wird. Für die Bildung des vorstehenden optischen Elementes geeignete Substrate sind bisher z. B. Lithiumniobatkristall (LiNbO₃) und Lithiumtantalatkristall (LiTaO₃) ver wendet worden, welche im Hinblick auf die piezoelektrischen Eigenschaften, den akustisch-optischen Effekt und dem elek tro-optischen Effekt ausgezeichnet sind und einen geringen Lichtausbreitungsverlust haben.

Als repräsentatives Verfahren zur Herstellung des Dünnschicht- Lichtwellenleiters unter Verwendung des vorstehend erwähn ten Kristallsubstrats ist ein Verfahren bekanntgeworden, bei dem Titan (Ti) bei hoher Temperatur an der Oberfläche des vorstehend erwähnten kristallinen Substrats thermisch diffundiert wird, wodurch an der Oberfläche dieses kri stallinen Substrats eine Lichtwellenleiterschicht mit einem Brechungsindex ausgebildet wird, welcher leicht größer als derjenige des Substrats ist. Der Dünnfilm-Lichtwellenleiter, der durch dieses Verfahren hergestellt wird, hat jedoch verschiedene Nachteile. So unterliegt er leicht einer opti schen Schädigung, und man kann in den Wellenleiterweg nur eine sehr kleine Lichtleistung einführen. Unter dem Aus druck "optische Schädigung bzw. Fehler", wie er in der Be schreibung verwendet wird, ist eine Erscheinung zu verste hen, bei dem die Lichtstärke, die sich in und durch den Lichtwellenleiter ausbreitet und dann nach außen abgegeben wird, wegen ihrer Streuung proportional zur Eingangslicht stärke nicht weiter erhöht wird, wenn die in den Lichtwel lenleiter einzuführende Lichtstärke allmählich erhöht wird.

Ein Verfahren zur Herstellung eines verbesserten Wellenlei ters, welcher einer optischen Schädigung weniger leicht unterliegt, ist bekanntgeworden, bei dem das Kristallsub strat aus LiNbO₃ oder LiTaO₃ bei hoher Temperatur wärme behandelt wird, um Lithiumoxid (Li₂O) außerhalb des kri stallinen Substrats einzudiffundieren, wodurch in der Nach barschaft der Oberfläche des Substrats eine von Lithium (Li) freie Zwischenraumschicht mit einem Brechungsindex gebildet wird, der etwas größer als derjenige des Substrats ist.

R. L. Holman und P. J. Cressman haben in "IOOC 81, 28. April 1981" beschrieben, daß durch die vorstehend beschriebene äußere Diffusionsbehandlung von Li₂O der Schwellenwert der optischen Schädigung höher wird als derjenige, der durch eine innere Diffusionsbehandlung mit Ti erreicht wird. Wenn zufällig das Lichtablenkgerät und der Lichtmodulator unter Ausnutzung des akustisch-optischen Effektes oder des elektro-optischen Effektes realisiert werden sollen, stellt die Erhöhung des Wirkungsgrades eines jeden der vorstehend erwähnten Effekte einen wichtigen Faktor bei der Bildung des Elementes dar. Als repräsentatives Beispiel zur Aus nutzung des akustisch-optischen Effektes gibt es ein Ver fahren, bei dem ein elektrisches Hochfrequenzfeld an kamm förmige Elektroden angelegt wird, die durch Fotolithogra fietechnik auf dem Lichtwellenleiter gebildet werden, damit elastische Oberflächenwellen auf dem Lichtwellenleiter an geregt werden. Es ist in diesem Falle bekannt, daß die Wechselwirkung zwischen den auf dem Lichtwellenleiter an geregten Oberflächenwellen und dem geleiteten Licht, das sich in und durch den Lichtwellenleiter ausbreitet, erhöht wird, sobald die Energieverteilung des geleiteten Lichts in der Nähe der Substratoberfläche konzentriert wird. (Vgl. C. S. Tsai, "IEEE Transaction on Circuits and Systems", Vol. CAS-26, 12, 1979/S. 1072-1098).

Unter dem Gesichtspunkt der maximalen Ausnutzung der vor stehend erwähnten Wechselwirkung bewirkt die Dicke der Lichtwellenleiterschicht (eine von Lithium freie Zwischen raumschicht), die durch das vorstehend erwähnte äußere Li₂O- Diffusionsverfahren gebildet werden soll, kleine Änderungen im Brechungsindex, so daß die Schicht mit einer Dicke von 10 bis 100 µm hergestellt werden muß. Dies ist ungünstig weil die Energieverteilung des geleiteten Lichts sich in Richtung der Stärke der Schicht ausbreitet. Daher war es schwierig in der sich ergebenden Vorrichtung einen hohen Wirkungsgrad zu realisieren, bei der ein Dünnfilm-Wellen leiter ausgenutzt wird, wie er durch das vorstehend be schriebene äußere Diffusionsverfahren mit Li₂O für die Herstellung des Lichtablenkgeräts usw. ausgenutzt wird.

Andererseits ist ein anderes Verfahren zur Herstellung ei nes verbesserten Dünnfilm-Wellenleiters mit geringer opti scher Schädigung durch ein Ionenaustauschverfahren bekannt geworden. Bei diesem Verfahren wird das Kristallsubstrat aus LiNbO₃ oder LiTaO₃ bei einer niedrigen Temperatur einer Wärmebehandlung in einem gelösten Salz von Talliumnitrat (TlNO₃), Silbernitrat (AgNO₃), Kaliumnitrat (KNO₃) und der gleichen oder in einer schwachen Säure, wie Benzoesäure (C₆H₅COOH) wärmebehandelt wird, um Lithiumionen (Li⁺) in dem kristallinen Substrat durch eine Ionenspezies in der schwachen Säure, etwa Protonen (H⁺) auszutauschen. Auf diese Weise wird eine Lichtwellenleiterschicht mit einem großen Unterschied im Brechungsindex (Δh∼0,12) ausge bildet.

Während der Dünnfilm-Wellenleiter, der durch das vorstehend beschriebene Ionenaustauschverfahren hergestellt worden ist, eine verbesserte Eigenschaft im Hinblick auf den Schwellen wert der optischen Schädigung aufweist, welcher einige zehnmal höher ist als der durch Titandiffusion erhaltene Dünnfilm-Lichtwellenleiter, besteht jedoch ein Problem da rin, daß die Piezoelektrizität und die elektro-optischen Eigenschaften, die den Kristallen von LiNbO₃ und LiTaO₃ eigen sind, durch das Ionenaustauschverfahren schlechter werden, mit der Folge, daß beispielsweise bei der Verwen dung als Lichtablenkgerät die Brechungswirksamkeit des ge leiteten Lichtes unvermeidlich herabgesetzt wird.

Aus der DE 33 46 058 A1, einer älteren Anmeldung, ist ein optisches Funktionselement mit einem Substrat aus z. B. LiNbO₃ bekannt, auf dem mindestens zwei Wellenleiter angeordnet sind, die durch Eindiffundieren von Titan in das Substrat oder durch Protonenaustausch erhalten wer den können. Es handelt sich hierbei um ein Element mit einem Wellenleiter vom Kanaltyp, bei dem mindestens zwei, in dem Substrat vorgesehene Lichtleiterzonen in bestimmtem Abstand und bestimmter Länge zueinander parallel verlaufen, damit die Strahlung der ankommenden Welle von einem Wellenleiter zum an deren überführbar ist. Die Kopplung des geleiteten Lichts fin det hierbei mit einer akustischen Oberflächenwelle kollinear statt.

Aus der US-A-40 27 946 ist ein optisches Funktionselement, nämlich ein akusto-optischer Reflektor bekannt, in dessen LiNbO₃-Kristallsubstrat eine Lichtwellen-lei tende Schicht integriert ist, die durch "Ausdiffundieren" ge bildet wird. Lichtwellenleiter dieses Typs weisen zwar einen hohen Schwellenwert der optischen Schädigung auf, zeigen jedoch nur kleine Differenzen der Brechungsindices, wodurch die Schicht dicke des Lichtwellenleiters entsprechend größer gestaltet werden muß.

Aus der DE-OS 24 43 038 ist ein optisches Funktionselement, nämlich ein elektro-optischer Schalter und Modulator für sich kreuzende oder verzweigte optische Wellenleiter aus elektro-optischem Material bekannt. Es werden kammförmige Elektroden verwendet.

Aus SPIE, Vol. 317 Integrated Optics and Millimeter and Microwave Integrated Circuits (1981), S. 45-57, sind Verfahren zur Herstellung von Lichtwellenleitern in Lithiumniobat, z. B. durch Ionenaustausch, bekannt.

Aus Optical Communications 42, 15. Juni 1982, S. 101-103, ist bekannt, in Lithiumnio bat Lichtwellenleiter durch Protonenaus tausch oder durch Titandiffusion mit anschließendem Protonenaustausch herzustellen.

In der DE 31 02 972 ist ein optisches Funktionselement, nämlich eine Einrichtung zum kontinuierli chen Abtasten mittels eines Strahlenpunktes bekannt, die einen Wellenleiter für die Ausbreitung eines Lichtstrahles, eine erste Einrichtung zur kontinuierlichen Ablenkung des Lichtstrahls im Wellenleiter und eine zweite Einrichtung zum Sammeln des Lichtstrahls aufweist. Hierbei wird der Wel lenleiter durch Titandiffusion in dem Material mit piezo- elektrischem Ansprechvermögen (LiNbO₃) gebildet.

Aus der DE-OS 28 04 105 ist ein optisches Funktionselement, nämlich eine elektrisch steuerbare opti sche Übertragungsvorrichtung bekannt, die an der Oberfläche eines Substrats aus LiNbO₃ einen Lichtwellenleiter vom Kanaltyp auf weist. Ein derartiger Lichtleiter wird durch Titandiffusion erhalten und zeichnet sich durch eine Struktur mit mindestens einem Lichtleiter-Eingangszweig und wenigstens zwei Lichtlei ter-Ausgangszweigen aus. Es werden Elektroden aufgebracht, die den Lichtleiter nicht, vollständig oder teilweise bedecken.

Aus der DE-OS 28 04 105 ist auch eine Verfahren zur Herstellung der o. g. Funktionselemente bekannt.

Ausgehend von den optischen Funktionselementen gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1-3 liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, diese optischen Funktionselemente derart weiterzubilden, daß der Schwellenwert der opti schen Schädigung erhöht wird, ohne daß die piezoelektrischen und elektro-optischen Eigenschaften des Substratmaterials ver schlechtert werden, so daß ein hoher Brechungswirkungsgrad und damit eine hohe Modulation des geleiteten Lichtes gewährlei stet ist.

Diese Aufgabe ist gelöst worden mit den optischen Funktions elementen gemäß den Patentansprüchen 1 bis 3.

Die Erfindung ist bei dem optischen Funktionselement gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 also dadurch gekennzeichnet, daß die Licht-Wellenleiter-Dünnschicht durch Protonenaustausch auf der ganzen Oberfläche des Substrates außerhalb des Elektrodenbereiches gebildet ist.

Die Erfindung ist bei dem optischen Funktionselement gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 also dadurch gekennzeichnet, daß die Titandiffusion gebildete Licht-Wellenleiter-Dünnschicht einem Protonenaustausch auf der ganzen Oberfläche des Substrates außerhalb des Elektrodenbereiches unterzogen ist.

Die Erfindung ist bei dem optischen Funktionselement gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 3 also dadurch gekennzeichnet, daß die durch Ausdiffundieren gebildete Dünnschicht einem Protonenaustausch auf der ganzen Oberfläche des Substrates außerhalb des Elektrodenbereiches unterzogen ist.

Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 bis 4 zeigen perspektivische Ansichten von bevorzug ten Ausführungsformen des opti schen Funktionselements nach der Erfindung.

Fig. 5A und 5B sind schematische Schnittansichten, die ein Beispiel zur Herstellung des optischen Funktions elements gemäß der in Fig. 4 gezeigten Ausführungs form erläutern.

Fig. 6 bis 9 stellen perspektivische Ansichten anderer Aus führungsformen des optischen Funk tionselements nach der Erfindung dar.

Fig. 10A bis 10D sind schematische Schnittansichten die ein Herstellungsbeispiel des optischen Funktionselements gemäß der in Fig. 9 gezeigten Ausführungsform er läutern.

Fig. 11 ist eine perspektivische Ansicht eines weiteren Beispiels des optischen Funktions elements nach der Erfindung.

Fig. 12A bis 12C sind schematische Schnittansichten die ein Herstellungsbeispiel des optischen Funktions elements gemäß der in Fig. 11 gezeigten Ausführungs formen verdeutlichen.

Fig. 1 verdeutlicht eine Lichtablenkvorrichtung gemäß ei ner ersten Ausführungsform des optischen Funktionselements. In der Zeichnung bedeuten die Bezugs ziffern folgendes: 1 ein Substrat aus Lithiumniobatkristall oder Lithiumtantalatkristall, 2 einen durch Protonenaustausch behandelten Bereich zur Bildung des Licht wellenleiters, 3 einen Abschnitt, der nicht durch Protonen austausch behandelt worden ist, 4 eine kammförmige Elektro de an der Abgabeseite, 5 eine kammförmige Elektrode an der Empfangsseite, 6 ein optisches Kupplungs-Eingangsprisma und 7 ein optisches Kupplungs-Ausgangsprisma. Wie in Fig. 1 ge zeigt ist, ist der Dünnfilm-Lichtwellenleiter in Form der Ablenkvorrichtung gemäß dieser Ausführungsform dadurch aus gezeichnet, daß er an dem nicht durch Protonenaustausch be handelten Abschnitt kammförmige Elektroden aufweist, die die Funktion haben, elastische Oberflächenwellen zu erzeu gen oder zu empfangen.

Nachfolgend wird das Verfahren zur Herstellung des Lichtab lenkgerätes dieser besonderen Ausführungsform näher erläu tert.

Eine Oberfläche (beispielsweise x⁺-Oberfläche) eines LiNbO₃- Kristalles einer X-Platte (mit einer Dicke von 1 mm in Rich tung der x-Achse und einer Länge von 2,54 cm in Richtungen der z- und y-Achsen) wurde auf einen Ebenheitsgrad von we nigen Newtonringen oder weniger poliert, nachdem eine ge wöhnliche Ultraschallreinigung mit Methanol, Aceton und reinem Wasser durchgeführt worden war, worauf die Oberflä che durch ein Gebläse mit Stickstoffgas getrocknet wurde.

Anschließend wurde eine 1 mm starke Aluminiumplatte in Gestalt des Bereichs 2 des durch ein Protonenaustauschverfahren be handelten Substrats auf dem LiNbO₃-Substrat angeordnet, worauf Chrom (Cr) und Aluminium (Al) durch Aufdampfung mit einer Dicke von 5,0 nm bzw. 145 nm darauf abge schieden wurde. Als Substrat kann auch LiTaO₃ verwendet werden, wodurch Dünnfilme aus Chrom und Aluminium als Maske für das Protonenaustauschverfahren auf demjenigen Bereich ausge bildet werden, wo die kammförmigen Elektroden gebildet wer den sollen.

In der nächsten Stufe wurde das Kristallsubstrat einem Protonen austauschverfahren mit der vorstehend erwähnten, darauf aus gebildeten Maske unterzogen. Das Protonenaustauschverfahren wurde durchgeführt, indem man 80 g Benzoesäure (C₆H₅COOH) in einem 100-ml-Quarzbecher einbringt, das kristalline Substrat mit der Maske in dem Becher in der Weise anordnet, daß die Oberfläche mit der Maske nach oben zeigt, an schließend das Becherglas mit einer Aluminiumfolie voll ständig abschließt und danach den Becher mit seinem Inhalt in einen Heizofen 15 min lang bei einer Temperatur von 250°C einbringt. Anstelle von Benzoesäure können schwache Säuren wie Palmitinsäure (CH₃(CH₂)₁₄COOH), Stearinsäure (CH₃(CH₂)₁₆COOH), usw. und gelöste Salze wie AgNO₃, TlNO₃, TlSO₄, KNO₃ und andere verwendet werden.

Nach der vorstehend erwähnten Hitzebehandlung wird das Substrat unter Verwendung eines Quarzwerkzeuges zum Halten des Substrats herausgenommen und mit Ethanol und dann mit Aceton gewaschen. Mit diesen Lösungsmitteln können die auf der Oberfläche des Substrats anhaftenden Benzoesäurekristalle leicht aufgelöst werden. Nach dem Waschvorgang wurde die für das Protonenaustauschverfahren vorgesehene Schutzmaske aus Chrom und Aluminium unter Verwendung einer Ätzlösung ent fernt.

Um die Eigenschaft des auf diese Weise hergestellten Licht wellenleiters zu untersuchen, wurde ein He-Ne-Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 632,8 nm durch ein Rutilprisma in die Wellenleiteroberfläche in Richtung der y-Achse ein geführt, um den Lichtausbreitungsverlust zu bestimmen. Als Ergebnis wurde ein Wert von 1,5 dB/cm erhalten. Auch der erhaltene Schwellenwert der optischen Schädigung war sehr hoch und lag bei 10 mW/mm bei Anwendung des He-Ne-Lichtes.

Nach der Messung wurde der Lichtwellenleiter gewaschen und wieder getrocknet, worauf ein positiver Fotolack durch eine Schleuderbeschichtung mit einer Dicke von 1 bis 1,5 µm darauf aufgebracht wurde. Danach wurde eine Kontaktbelichtung unter Verwendung der negativen Maske für die kammförmigen Elek troden durchgeführt, und anschließend wurde der Fotolack in der Weise entwickelt, daß darin nicht nur der Bereich für die kammförmige Elektrode belassen wurde. Nach dem Waschen wurde der Lichtwellenleiter getrocknet und in eine Vakuumabscheidungsvorrichtung eingebracht, welche auf einen Vakuumdruck von 1,33×10⁶ mbar evakuiert war. Da nach wurde Aluminium durch Elektronenstrahlabscheidung mit einer Dicke von 1500 λ abgeschieden. Nach der Aufdampfung wurde der Wellenleiter in Aceton einige Minuten lang ein getaucht, wodurch der Aluminiumfilm auf dem Fotolack durch Abheben entfernt und der Bereich für die kammförmige Elek trode auf dem Lichtwellenleiter ausgebildet wurde. In die sem Fall ist die kammförmige Elektrode so ausgestaltet, daß die Hauptwellenlänge der elastischen Oberflächenwellen bei 600 Hz liegt. Aus diesem Grund ist die Breite der kamm förmigen Elektroden und der Zwischenraum zwischen den Elek troden jeweils bei 1,45 µm festgelegt. Auf diese Weise wurden kammförmige Elektroden an dem nicht durch Protonen austausch behandelten Bereich vorgesehen und somit wurde ein Dünnfilm-Lichtwellenleiter in Form einer Licht ablenkvorrichtung hergestellt.

Andererseits wurden die gleichen kammförmigen Elektroden, wie vorstehend erwähnt, auf dem Lichtwellenleiter gebildet, der in der Weise erhalten wurde, daß man die gesamte Ober fläche des Substrats dem vorstehend erwähnten Protonenaustausch verfahren unterzieht, ohne daß jedoch die Schutzmaske für das Protonenaustauschverfahren vorgesehen wurde. Unter Verwen dung dieses Lichtwellenleiters und des erfindungsgemäßen Lichtwellenleiters wurde der Brechungswirkungsgrad des ge leiteten Lichts für Vergleichszwecke bestimmt. Wie in Fig. 1 gezeigt ist, wurden beide Lichtwellenleiter mit dem ein fallenden Licht 9 behandelt, wobei ein He-Ne-Laser mit ei ner Wellenlänge von 632,8 nm verwendet wurde und eine Hoch frequenzleistung von 0,6 W an die kammförmige Elek trode 4 an der Abgabeseite angelegt wurde. Das einfallende Licht 9 wurde durch das Lichtkupplung-Eingangsprisma 6 in geleitetes Licht umgewandelt und durch die elastischen Oberflächen wellen 8 gebeugt, die durch die kammförmige Elektrode 4 an der Abgabeseite angeregt wurden. Das gebeugte Licht wird von dem Lichtkopplung-Ausgangsprisma 7 abgegeben. Anderer seits wurden die elastischen Oberflächenwellen in der kamm förmigen Elektrode 5 an der Empfangsseite aufgenommen, die gegenüber der kammförmigen Elektrode an der Abgabeseite angeordnet ist, wodurch der Einfügungsverlust der elasti schen Oberflächenwellen gemessen werden kann. Der Brechungs wirkungsgrad beträgt 60%, wenn die kammförmigen Elektroden auf dem nicht durch Protonenaustausch behandelten Bereich des Substrats gemäß der Erfindung vorgesehen sind, während der Brechungswirkungsgrad 0,5% beträgt, wenn die kammförmigen Elektroden auf dem durch Protonenaustausch behandelten Bereich vorgesehen sind. Wenn die kammförmigen Elektroden auf dem nicht durch Protonenaustausch behandelten Bereich des Substrats im Rahmen der Erfindung vorgesehen sind, beträgt der Wert des Einfügungsverlustes der elastischen Oberflächenwellen 17 dB, während der Wert 40 dB beträgt, wenn die Elektroden auf dem durch Protonenaustausch behandelten Bereich gebildet sind. Aus dem vorstehenden Ergebnis ergibt sich, daß bei Anordnung der kammförmigen Elektroden auf dem durch Protonen austausch behandelten Bereich, das Umsetzungsverhältnis zu den elastischen Oberflächenwellen durch verminderte Piezo elektrizität des Kristalles infolge des Protonenaustauschver fahrens vermindert wird, wodurch der Beugungswirkungsgrad des geführten Lichtes abnimmt.

Wie vorstehend erläutert, hat das Lichtablenkgerät in die ser besonderen Ausführungsform einen hohen Schwellenwert der optischen Schädigung und einen hohen Brechungswirkungs grad des geleiteten Lichtes.

Bei der Herstellung der Lichtablenkvorrichtung in der vor stehend beschriebenen Ausführungsform wird die Schutzmaske für das Protonenaustauschverfahren nach dem Protonenaustauschverfahren einmal abgeschält, und dann wer den die kammförmigen Elektroden wieder auf diesen durch Protonenaustausch behandelten Bereich ausgebildet. Um jedoch die Zahl der Verfahrensschritte zu vermindern, werden sol che kammförmigen Elektroden hergestellt, indem das Schutz maskenmaterial für das vorstehend erwähnte Protonenaustausch verfahren verwendet wird.

Im folgenden wird die zweite Ausführungsform des optischen Funktionselements unter Bezugnahme auf die Fig. 2 erläutert. In dieser Figur, sind diejenigen Teile, die mit denjenigen in Fig. 1 identisch sind, mit der glei chen Bezugsziffer bezeichnet. In Fig. 2 bedeuten die Be zugsziffern: 1 ein Substrat aus Lithiumniobatkristalle oder Lithiumtantalatkristall, 2 ein durch Protonenaus tausch behandelter Bereich, 4 eine kammförmige Elektrode an der Abgabeseite, 5 eine kammförmige Elektrode an der Empfangsseite, 10 ein Lichtkopplungs-Eingangsbrechungsgit ter, 11 ein Lichtkopplungs-Ausgangsbrechungsgitter und 12 eine äußere Diffusionsschicht aus Li₂O (Lithiumoxid).

Ein Unterschied zwischen der zweiten und der ersten Aus führungsform besteht darin, daß eine äußere Diffusions schicht 12 aus Li₂O zwischen der durch Protonenaustausch be handelten Schicht 2 und dem Substrat 1 eingefügt ist und die kammförmigen Elektroden auf dieser äußeren Diffusions schicht aus Li₂O ausgebildet sind.

Wie vorstehend erwähnt, ist das Verfahren zur Bildung des Lichtwellenleiters mit Hilfe der Außendiffusion von Li₂O und durch Protonenaustausch im Detail in der japanischen Pa tentanmeldung JP-A-59-91 403 beschrieben. Diese zweite Ausführungsform ist gegenüber der ersten Ausführungsform insofern vorteilhafter, als ein Lichtwel lenleiter mit einem niedrigen Ausbreitungsverlust erhalten werden kann. Bei der Herstellung der Lichtablenkvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform werden die folgenden Verfahrensstufen nach der Reinigung des Substrats durch geführt:
Das vorstehend erwähnte gereinigte und getrocknete Substrat wird auf einen Halter aus geschmolzenem Quarz aufgerichtet und in einen thermischen Diffusionsofen bei 1000°C einge bracht. Getrockneter Sauerstoff (O₂) wurde als Gasatmosphäre in den Diffusionsofen bei einer Strömungsgeschwindigkeit von 2 l/min eingeführt. Die Ofentemperatur wurde von Raumtempe ratur auf 1000°C mit einer Geschwindigkeit von 16°C/min heraufgesetzt. Wenn die Temperatur in dem Ofen eine Stunde nach der Temperaturerhöhung konstant wurde, wurde der Ofen bei einer Temperatur von 1000°C 8 Stunden lang gehalten, und danach wurde das Substrat in den zweiten Diffusionsofen, der bei 600°C gehalten wurde, stufenweise überführt. Danach wurde die Stromzufuhr zu dem zweiten Diffusionsofen beendet und der Ofen von 600°C auf Raumtemperatur abkühlen gelassen. Nach einer äußeren Diffusionsbehandlung mit Li₂O wurden die Verfahrensstufen gemäß der ersten Ausführungsform in der gleichen Abfolge wiederholt, d. h. die Herstellung der Schutz maske für das Protonenaustauschverfahren, Protonenaustauschvor gang, Reinigung, Wegätzung der Maske und Bildung der kamm förmigen Elektroden.

Der so hergestellte Lichtwellenleiter wurde im Hinblick auf seine Eigenschaften untersucht, indem ein He-Ne-Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 632,8 nm in die Wellenleiterober fläche bezüglich seiner y-Richtung mit Hilfe eines Rutil prismas eingeführt und sein Lichtausbreitungsverlust ge messen wurde. Es wurde ein Wert von 1,0 dB/cm erhalten. Der gemessene Wert des Brechungswirkungsgrades betrug 60%, welcher damit der gleiche wie in der ersten Ausführungsform war.

Im nachstehenden wird die dritte Ausführungsform des optischen Funktionselements unter Bezug nahme auf die Fig. 3 erläutert.

In Fig. 3 bedeutet die Bezugsziffer 13 eine Diffusions schicht aus Titan (Ti). Die anderen Teile sind genau die selben wie in der zweiten Ausführungsform, und sie werden daher mit den gleichen Bezugsziffern wie in der vorherigen Ausführungsform bezeichnet.

Das Verfahren zur Herstellung des Lichtwellenleiters durch nacheinander ausgeführte Titandiffusion und Protonenaustausch in Lithiumniobat ist in "Optics Communications 42, 15. Juni 1982, S. 101-103" von M. DeMicheli, J. Botineau P. Sibillot, D. B. Ostrowsky und M. Papuchon beschrieben. In diesem Artikel ist auch die Herstellung von Lichtwellenleitern in Lithiumniobat m. H. von Protonenaustausch beschrieben.

Diese dritte Ausführungsform hat den Vorteil, daß ein Lichtwellenleiter erhalten werden kann, dessen Ausbreitungsverlust niedriger ist als derjenige in den ersten und zweiten Ausführungsformen. Bei der Herstellung der Lichtablenkvorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform wurden die folgenden Verfahrensschritte nach der Reinigung des Substrats durchgeführt:
Ein Dünnfilm aus Titan mit einer Filmdicke von 20 nm wurde auf der getrockneten Oberfläche des Substrats durch Elek tronenstrahlabscheidung gebildet. Anschließend wurde das Substrat auf einen Halter aus geschmolzenem Quarz aufge richtet und dann in einen thermischen Diffusionofen bei 965°C eingebracht. Getrocknetes Sauerstoffgas (O₂) wurde in den Diffusionsofen als Gasatmosphäre bei einer Geschwin digkeit von 1 l/min eingeführt. Die Temperatur im Ofen wurde von Raumtemperatur auf 965°C mit einer Geschwindigkeit von 16°C/min erhöht. Wenn die Ofentemperatur eine Stunde nach der Temperaturerhöhung konstant wurde, wurde der Halter bei 965°C 2,5 Stunden lang gehalten. Danach wurde der Hal ter zu einem zweiten Wärmediffusionsofen, der bei 600°C gehalten wurde, überführt. Dann wurde die Stromzufuhr zum zweiten Diffusionsofen beendet und der Ofen wurde von 600°C auf Raumtemperatur abkühlen gelassen. Nach der thermischen Diffusionsbehandlung von Titan wurden die Verfahrensweisen gemäß der ersten Ausführungsform in der gleichen Reihen folge wiederholt, d. h. die Herstellung der Schutzmaske für das Protonenaustauschverfahren, Protonenaustauschvorgang, Reini gung, Wegätzen des Maskenmaterials und Ausbildung der kamm förmigen Elektroden. Zur Prüfung der Eigenschaften des so hergestellten Lichtwellenleiters wurde ein He-Ne-Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 632,8 nm durch ein Rutilprisma in die Wellenleiteroberfläche in seiner y-Richtung einge führt, um den Lichtausbreitungsverlust zu bestimmen. Es wurde ein Wert von 0,2 dB/cm erhalten. Der Schwellenwert der optischen Schädigung lag so hoch wie 15 mW/mm, obwohl der Lichtwellenleiter eine Titandiffusionsschicht aufwies. Andererseits wurde der Brechungswirkungsgrad mit 70% be stimmt, welcher höher liegt als derjenige in dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel.

Die Fig. 4 verdeutlicht eine Lichtablenkungsvorrichtung ge mäß der vierten Ausführungsform des op tischen Funktionselements, bei dem die mit Fig. 1 identi schen Teile durch die gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind. Auf die detaillierten Erläuterungen wird Bezug ge nommen. In Fig. 4 zeigt der nicht durch Protonenaustausch be handelte Bereich 3 zur Vereinfachung einen vorbestimmten Bereich, der Nachbarbereiche der kammförmigen Elektroden 4 und 5 mit einschließt. In Wirklichkeit sind jedoch sol che nicht durch Protonenaustausch behandelten Bereiche nur in der Nähe dieser Elektroden vorhanden. Diese vierte Ausfüh rungsform liefert kammförmige Elektroden an einen Bereich, mit dem kein Protonenaustauschverfahren durchgeführt worden ist. Der Unterschied zur ersten Ausführungsform liegt darin, daß der nicht durch Protonenaustausch behandelte Bereich nur der jenige Bereich ist, der durch die Elektroden bedeckt ist.

Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Fig. 5A und 5B das Verfahren zur Herstellung der Lichtablenk-Vorrichtung gemäß dieser vierten Ausführungsform näher erläutert.

Eine Oberfläche (beispielsweise die x⁺-Oberfläche) eines LiNbO₃-Kristall einer X-Platte (mit einer Dicke von 1 mm in x-Richtung und einer Länge von 2,54 cm in den entspre chenden z- und y-Richtungen) wurde auf einen Ebenheits grad von wenigen Newtonringen oder weniger poliert, worauf eine gewöhnliche Ultraschallreinigung unter Verwendung von Methanol, Aceton und gereinigtes Wasser durchgeführt wurde. An schließend wurde die Oberfläche durch ein Gebläse mit Stickstoffgas getrocknet.

Anschließend wurde ein positiver Fotolack durch eine Schleu derauftragsvorrichtung mit einer Dicke von 1 bis 1,5 µm aufgebracht und dann wurde eine Kontaktbelichtung darauf unter Verwendung einer negativen Maske für die kammförmigen Elektroden durchgeführt und anschließend der belichtete Fotolack in der Weise entwickelt, daß nicht nur der für die kammförmige Elektrode vorgesehene Bereich zurückblieb. Nach dem Waschvorgang wurde der so behandelte Kristall ge trocknet und in eine Vakuumabscheidungsvorrichtung einge bracht, die auf einen Vakuumdruck von 1,33×10^-6 mbar evakuiert war, und anschließend wurde Aluminium durch Elek tronenstrahlabscheidung mit einer Filmdicke von 1500 λ abgeschieden. Nach der Dampfabscheidung wurde der Alumini umfilm auf dem Fotolack durch mehrere Minuten langes Ein tauchen in Aceton durch Abheben entfernt und kammförmige Elektroden 4 und 5 wurden auf dem Kristallsubstrat 1, wie in Fig. 5A gezeigt ist ausgebildet. Als Elektrodenmaterial können Au, Ti, Cr usw. anstelle von Al verwendet werden. In diesem Falle ist die kammförmige Elektrode so ausge staltet, daß die Hauptwellenlänge der elastischen Oberflä chenwellen 600 Hz werden kann. Aus diesem Grunde ist die Breite der kammförmigen Elektrode und der Zwischenraum zwischen den Elektroden jeweils auf 1,45 µm festgelegt. Danach wird das Protonenaustauschverfahren an dem Kristall substrat mit der vorstehend erwähnten Maske durchgeführt. Das Protonenaustauschverfahren wurde durchgeführt, indem man 80 g Benzoesäure (C₆H₅COOH) in einen 100-ml-Quarzbecher einbringt, das Kristallsubstrat mit der Maske in dem Be cher so anordnet, daß seine Oberfläche mit der Maske nach oben zeigt, anschließend den Becher mit einer Aluminium folie dicht abschließt und dann den Becher mit seinem In halt in einen Heizofen einbringt, worin der Becher 15 Minu ten lang bei einer Temperatur von 250°C gehalten wird. In diesem Falle können anstelle von Benzoesäure schwache Säuren und gelöste Salze, wie sie bei der vorstehenden ersten Aus führungsform aufgeführt sind, verwendet werden.

Im Anschluß an die vorstehende Wärmebehandlung wird das Substrat unter Verwendung eines Quarzwerkzeuges zum Halten des Substrates herausgenommen und mit Ethanol und dann mit Aceton gereinigt. Mit diesen Lösungsmitteln können die Ben zoesäurekristalle, die auf dem Substrat anhaften, leicht aufgelöst werden. Auf diese Weise wird der durch Protonenaus tausch gebildete Bereich 2 zur Erzeugung des Lichtwellen leiters auf dem Kristallsubstrat 1 ausgebildet, während der nicht durch Protonenaustausch behandelte Bereich nur in der Nähe der kammförmigen Elektroden 4 und 5 gelegen ist.

Der so hergestellte Lichtwellenleiter wurde im Hinblick auf seine Eigenschaften untersucht, indem ein He-Ne-Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 632,8 nm auf die Wellen leiter-Oberfläche in y-Richtung mit Hilfe eines Rutil-Pris mas eingeführt und sein Lichtausbreitungsverlust be stimmt wurde. Es wurde ein Wert von 1,5 dB/cm erhalten. Der Schwellenwert der optischen Schädigung lag so hoch wie 10 mW/mm mit dem He-Ne-Laserstrahl. Ferner wurde unter den gleichen Bedingungen wie bei der ersten Ausführungsform der Brechungswirkungsgrad bestimmt. Es wurde ein Wert von so hoch wie 60% erhalten. Der Einfügungsverlust der elasti schen Oberflächenwellen zeigte einen Wert von 17 dB/cm.

Fig. 6 verdeutlicht die fünfte Ausfüh rungsform, welche eine weitere Verbesserung der vorstehend beschriebenen vierten Ausführungsform darstellt. Es ist zu bemerken, daß in dieser Figur die mit der Fig. 4 iden tischen Teile durch gleiche Bezugsziffern bezeichnet sind.

In der Zeichnung bedeutet: 1 ein Kristallsubstrat aus LiNbO₃, 2 ein durch Protonenaustausch behandelter Bereich, 4 eine kammförmige Elektrode an der Abgabeseite, 5 eine kammförmige Elektrode an der Empfangsseite, 10 ein Licht kupplung-Eingangsbrechungsgitter, 11 ein Lichtkupplung- Ausgangsbrechungsgitter und 12 eine äußere Diffusions schicht aus Lithiumoxid (Li₂O).

Der Unterschied dieser fünften Ausführungsform mit der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform liegt darin, daß die außere Diffusionsschicht aus Li₂O zwischen der durch Protonen austauschbehandlung gebildeten Schicht und dem Substrat eingefügt ist, und daß die kammförmigen Elektroden auf der äußeren Diffusionsschicht aus Li₂O ausgebildet sind.

Wegen dieser Struktur hat das optische Funktionselement gemäß dieser besonderen Ausführungsform einen vorteilhaften niedrigen Ausbreitungsverlust.

Bei der Herstellung dieses Lichtablenkgerätes werden die folgenden Verfahrensstufen nach der Reinigung des Substrats durchgeführt. Nachdem das Substrat gereinigt und getrocknet worden war, wurde es auf einen Halter aus geschmolzenem Glas aufgerichtet und dann in einen Wärmediffusionsofen eingebracht, der bei 1000°C gehalten wurde. Getrockneter Sauerstoff (O₂) wurde als Gasatmosphäre in den Diffusions ofen bei einer Strömungsgeschwindigkeit von 2 l/min einge führt. Die Ofentemperatur wurde von Raumtemperatur auf 1000°C mit einer Geschwindigkeit von 16°C/min erhöht. Wenn die Temperatur im Ofen eine Stunde nach der Tempera turerhöhung konstant wurde, wurde der Ofen bei der Tempe ratur von 1000°C acht Stunden lang gehalten und danach wurde das Substrat in einen zweiten Wärmediffusionsofen stufenweise überführt, der bei 600°C gehalten wurde. Da nach wurde die Stromzufuhr zum zweiten Diffusionsofen un terbrochen, und der Ofen wurde von 600°C auf Raumtempera tur abkühlen gelassen. Nach dem äußeren Diffusionsprozeß von Li₂O wurden die Verfahrensstufen in der gleichen Reihen folge wie in der ersten Ausführungsform durchgeführt, d. h. Bildung der kammförmigen Elektroden und Protonenaustausch.

Der so hergestellte Lichtwellenleiter wurde im Hinblick auf seine Eigenschaften unter den gleichen Bedingungen wie in der ersten Ausführungsform getestet, und es wurde gefun den, daß der Lichtausbreitungsverlust 1,0 dB/cm und der Brechungswirkungsgrad 60% betrug.

Fig. 7 verdeutlicht die sechste Ausführungsform, welche eine weitere Verbesserung der vorstehend beschriebenen vierten Ausführungsform darstellt. In der Zeichnung bedeutet die Bezugsziffer 13 eine mit Titan do tierte Schicht und die Bezugsziffer 2′′ bedeutet einen durch Protonenaustausch behandelten Abschnitt, worin Protonen in die mit Titan dotierte Schicht injiziert worden sind. Die restlichen Teile sind identisch mit dem optischen Funktionselement, wie es in Fig. 6 gezeigt ist, so daß sie mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind. Das optische Funktionselement dieser sechsten Ausführungsform hat seinen Vorteil darin, daß ein niedrigerer Lichtausbrei tungsverlust als in der fünften Ausführungsform erreicht werden kann.

Bei der Herstellung des optischen Funktionselementes gemäß dieser sechsten, Ausführungsform wurden folgende Verfahrensstufen nach der Reinigung des Substrats durchgeführt. Ein Dünnfilm aus Titan mit einer Dicke von 20 Manometer wurde auf die getrocknete Oberfläche des Sub strates durch Elektronenstrahlabscheidung ausgebildet. An schließend wurde das Substrat auf einen Halter aus geschmol zenem Quarz aufgerichtet und dann in einen Wärmediffusions ofen angeordnet, der bei 965°C gehalten wurde. Getrockne tes Sauerstoffgas (O₂) wurde in den Diffusionsofen als Gasatmosphäre bei einer Geschwindigkeit von 1 l/min einge führt. Die Temperatur in dem Ofen wurde von Raumtemperatur auf 965°C mit einer Geschwindigkeit von 16°C/min erhöht. Wenn die Ofentemperatur eine Stunde nach der Temperatur erhöhung konstant wurde, wurde der Halter bei 965°C 2,5 Stunden lang gehalten. Danach wurde der Halter zu einem zweiten Wärmediffusionsofen stufenweise bewegt, der bei 600°C gehalten wurde. Danach wurde die Stromzufuhr zu dem zweiten Diffusionsofen beendet und der Ofen wurde von 600°C auf Raumtemperatur abkühlen gelassen. Nach der Wärmediffu sionsbehandlung von Titan wurden die Verfahrensweisen wie in der vierten Ausführungsform in Fig. 4 mit folgender Reihenfolge durchgeführt: Ausbildung der kammförmigen Elektroden und Protonenaustausch. Im Hinblick auf die Prü fung der Eigenschaften des so hergestellten Lichtwellen leiters wurde ein He-Ne-Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 632,8 nm durch ein Rutilprisma in die Wellenleiter oberfläche bezüglich seiner y-Richtung eingeführt, um den Lichtausbreitungsverlust zu bestimmen. Es wurde ein Wert von 0,2 dB/cm erhalten. Der Schwellenwert der optischen Schädigung lag so hoch wie 15 mW/mm trotz des Vorhanden seins der Titandiffusionsschicht. Andererseits wurde der Brechungswirkungsgrad mit einem Wert von 70% bestimmt, der höher liegt als derjenige in den vierten und fünften Ausführungsformen.

Fig. 8 zeigt eine schematische Schnittansicht eines opti schen Funktionselementes gemäß der siebten Ausführungsform, in dem der elektro-optische Effekt verwendet wird. In der Zeichnung bedeuten die Bezugsziffern: 1 ein Kristallsubstrat aus LiNbO₃, 2′′ einen durch Protonen austausch behandelten Bereich, in dem Protonen in eine mit Titan dotierte Schicht injiziert worden sind, 13 die mit Titan dotierte Schicht, in der Titan wärmediffundiert worden ist, 10 und 11 ein Lichtkopplung-Beugungsgitter für Eingang bzw. Ausgang und 9 einen Laserstrahl. In dieser siebten Ausführungsform wird der Laserstrahl 9 in den Licht wellenleiter von dem Lichtkopplung-Beugungsgitter 10 ein geführt. Der geleitete Strahl wird durch das Phasengitter, das durch den elektrooptischen Effekt erzeugt wird, bei Anlegung einer Spannung an die kammförmige Elektrode 24 er zeugt, und von dem Lichtkopplung-Ausgangsgitter 11 nach außen abgegeben. Das in Fig. 8 gezeigte Element wird durch folgende Verfahrensstufen hergestellt.

Ein Oberflächenteil (beispielsweise x⁺-Fläche) eines LiNbO³- Kristalles einer X-Platte (mit einer Dicke von 1 mm in x- Richtung und einer Länge von 2,54 cm in den z- und y-Richtungen) wurde auf einen Ebenheitsgrad von wenigen Newtonringen oder darunter poliert, worauf das Substrat durch gewöhnliche Ultraschallreinigung unter Verwendung von Methanol, Aceton und gereinigtes Wasser gereinigt wurde; anschließend wurde die Ober fläche durch ein Gebläse mit Stickstoffgas getrocknet.

Danach wurde ein Dünnfilm aus Titan mit einer Dicke von 20 nm auf der gewaschenen und getrockneten Oberfläche des Substrates durch Elektronenstrahlabscheidung ausgebildet. Anschließend wurde das Substrat auf einer Haltevorrichtung aus geschmolzenem Quarz aufgerichtet und dann in einen thermischen Diffusionsofen eingebracht, der bei 965°C ge halten wurde. Getrocknetes Sauerstoffgas (O₂) wurde in den Diffusionsofen als Gasatmosphäre bei einer Strömungsge schwindigkeit von 1 l/min eingeführt. Die Temperatur in dem Ofen wurde von Raumtemperatur auf 965°C mit einer Geschwindigkeit von 16°C/min erhöht. Wenn die Ofentempera tur eine Stunde nach der Temperaturerhöhung konstant wur de, wurde die Haltevorrichtung bei 965°C 2,5 Stunden lang gehalten. Danach wurde die Haltevorrichtung zu dem zweiten Ofen stufenweise bewegt, der bei 600°C gehalten wurde. Dann wurde die Stromzufuhr zum zweiten Diffusionsofen unterbro chen, und der Ofen wurde von 600°C auf Zimmertemperatur ab kühlen gelassen, wodurch die Titandiffusionsschicht 13 auf dem Kristallsubstrat 1 gebildet wurde. Als wärmedif fundierbare Metalle können V, Ni, Au, Ag, Co, Nb, Ge usw. verwendet werden.

Nach der Titandiffusion wurde das Substrat gereinigt und getrocknet. Danach wurde ein positiver Fotolack auf dem Substrat mit Hilfe einer Schleuderbeschichtungsvorrichtung mit einer Dicke von 1 bis 1,5 µm aufgebracht. Dann wurde darauf eine Kontaktbelichtung unter Verwendung einer nega tiven Maske für die kammförmige Elektrode durchgeführt, worauf der belichtete Fotolack in der Weise entwickelt wur de, daß der Bereich der kammförmigen Elektrode nicht alleine zurückblieb. Nach dem Waschvorgang wurde das Sub strat getrocknet und in eine Vakuumabscheidungsvorrichtung eingebracht, die auf einen Vakuumdruck von 1,33×10^-6 mbar evakuiert worden war und anschließend wurde Aluminium durch Elektronenstrahlabscheidung mit einer Filmdicke von 1500 λ abgeschieden. Nach der Dampf-Abscheidung wurde das Substrat in Aceton einige Minuten lang eingetaucht, um den Aluminium film auf dem Fotolack durch Abheben zu entfernen und um den Bereich allein für die kammförmige Elektrode auf dem Substrat zu bilden. In diesem Falle ist die kammförmige Elektrode so gestaltet, daß die Elektrodenbreite und der Zwischenraum zwischen den Elektroden mit 2,2 µm und die Querbreite mit 3,8 mm beträgt und 350 Elektrodenpaare ver wendet werden Das Kristallsubstrat, auf dem die kammför mige Elektrode 24 gebildet worden war, wurde einem Protonen austauschverfahren unterzogen. 98,85 g Benzoesäure (C₆H₅COOH) und 1,05 g Lithiumbenzoat (C₆H₅COOLi) wurden gleichför mig vermischt und in einen Aluminiumoxidtiegel eingebracht.

In diesen Tiegel wurde das vorstehend erwähnte Kristall substrat mit Elektroden angeordnet und dann wurde der Tie gel und das Substrat in einem heißen Ofen bei 250°C eine Stunde lang gehalten. Durch dieses Verfahren wurden Proto nen in den Bereich des Kristallsubstrats 1 injiziert, in dem keine kammförmige Elektrode 24 gebildet worden war und der Protonenaustausch-Bereich 2′′ wurde gebildet.

Bei der Bildung dieses Protonenaustausch-Bereiches 2′′ ist es erwünscht, eine Mischung von Carbonsäure mit einem Dissoziationsgrad im Bereich von 10^-6 bis 10^-3 und eine Substanz zu verwenden, bei der in der Carbonsäuregruppe das Wasserstoffatom durch Lithium ersetzt worden ist (beispielsweise ein Lithiumsalz einer Carbonsäure), etwa eine Mischung von Benzoesäure und Lithiumbenzoat. Geeigne te Beispiele sind Mischungen von Palmitinsäure CH₃(CH₂)₁₄ COOH und Lithiumpalmitat CH₃(CH₂)₁₄COOLi; und eine Mischung von Stearinsäure CH₃(CH₂)₁₆COOH und Lithiumstea rat CH₃(CH₂)₁₆COOLi. In diesem Falle sollte das Lithium salz der Carbonsäure in gewünschter Weise in einem Molanteil von 0,1% bis 3%, bezogen auf die Gesamtmischung zuge mischt sein. Nach dem Protonenaustauschverfahren wird das Substrat unter Verwendung eines Quarzwerkzeuges zum Halten des Substrates herausgenommen, mit Ethanol und anschließend mit Aceton gereinigt. Mit diesen Lösungsmitteln werden die auf dem Substrat anhaftenden Kristalle von Benzoesäure und Lithiumbenzoat leicht aufgelöst.

Wenn ein elektrisches Potential von 6V an die kammförmige Elektrode 24 des elektro-optischen Elementes, das gemäß den vorstehend erwähnten Verfahrensstufen hergestellt wurde, zur Beugung des geleiteten Lichtstrahls angelegt wurde, konnte ein Beugungsanteil von 90% erhalten werden. Selbst wenn in dem optischen Funktionselement der elektro-optische (EO)-Effekt ausgenutzt wird, würde die Ausbildung der Elek troden an einem Bereich, in dem kein Protonenaustauschverfah ren durchgeführt worden ist, eine Erniedrigung des elek tro-optischen Effektes des Kristalles verhindern und das Element kann daher mit hohem Wirkungsgrad arbeiten. Ein solches elektro-optisches Element kann nicht nur durch das vorstehend beschriebene Verfahren gebildet werden, sondern auch durch die gleichen Verfahrensstufen, wie diejenigen des in den Fig. 4 und 5 gezeigten Elementes.

Bei der vorstehend beschriebenen siebten Ausführungsform wurde ein Lichtwellenleiter durch Protonenaus tauschverfahren hergestellt. Ferner kann durch Wärmedif fusion von Protonen, die in das Substrat durch das Wärme austauschverfahren injiziert worden sind, ein optisches Funktionselement erhalten werden, das einen höheren Schwel lenwert für die optische Schädigung aufweist. Dies wird im folgenden erläutert.

Fig. 9 verdeutlicht die achte Ausführungsform des optischen Funktionselementes, bei dem das Element ein akusto-optisches (AO) Dünnfilmelement ist. In der Zeichnung bedeuten die Bezugsziffern: 1 ein Kristall substrat aus LiNbO₃, 22 einen mit Protonen dotierten Be reich, der durch Wärmediffusion von Titan und Protonen ge bildet wurde, 23 einen nicht mit Protonen dotierten Bereich, in dem Titan allein durch Wärme eindiffundiert ist, 4 eine kammförmige Elektrode an der Abgabeseite, 5 eine kammför mige Elektrode an der Empfangsseite, 6 ein Lichtkupplung- Eingangsprisma, 7 ein Lichtkupplung-Ausgangsprisma, 8 ela stische Oberflächenwellen, 9 ein Laserstrahl, 30 eine optische Wellenleiterschicht, die an der Oberfläche des Kristallsubstrats 1 gebildet ist. Das Laserlicht 9 wird in die Lichtleiterschicht 10 von dem Lichtkupplung-Prisma 6 eingeführt und durch die elastischen Oberflächenwellen 8 gebeugt, die bei Anlegung einer Hochfrequenzleistung (RF) an die kammförmige Elektrode erzeugt werden. Das gebeugte Licht wird durch das Lichtkupplung-Prisma 7 nach außen ab gegeben. In dieser achten, erfindungsgemäßen Ausführungs form ist der Wirkungsgrad bei der Erzeugung der elastischen Oberflächenwellen 8 hoch, da die kammförmigen Elektroden 4 und 5 auf dem Bereich 23 angeordnet sind, in dem keine Protonen diffundiert sind. Da die Lichtwellenleiterschicht durch Wärmediffusion von Titan und Protonen gebildet wird, liegt der Schwellenwert der optischen Schädigung in charak teristischer Weise hoch, so daß das Element ein ausgezeichnetes optisches Funktionselement ist.

Im folgenden wird ein Beispiel zur Herstellung des opti schen Funktionselementes gemäß der ach ten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Fig. 10A bis 10D näher erläutert.

Ein Oberflächenteil (beispielsweise X⁺-Oberfläche) eines LiNbO₃-Kristallsubstrates 1 einer X-Platte (mit einer Dicke von 1 mm in der x-Richtung und einer Länge von 2,54 cm in den z- und y-Richtungen) wurde auf einen Ebenheitsgrad von wenigen Newtonringenzahlen oder darunter poliert, worauf das Substrat durch übliche Ultraschallreinigung unter Ver wendung von Methanol, Aceton und gereinigtes Wasser gereinigt wur de. Danach wurde die Oberfläche durch ein Gebläse mit Stickstoffgas getrocknet.

Danach wurde ein Titandünnfilm mit einer Dicke von 20 nm auf der so gereinigten und getrockneten Oberfläche des Substrates durch Elektronenstrahlabscheidung ausgebildet. Anschließend wurde das Substrat auf einen Halter aus ge schmolzenem Quarz aufgerichtet und danach in einen Wärme diffusionsofen angeordnet, der bei 965°C gehalten wurde. Getrocknetes Sauerstoffgas (O₂) wurde in den Diffusions ofen als Gasatmosphäre bei einer Strömungsgeschwindigkeit von 1 l/min eingeführt. Danach wurde die Temperatur in dem Ofen von Raumtemperatur auf 965°C mit einer Geschwindigkeit von 16°C/min erhöht. Wenn die Ofentemperatur eine Stunde nach der Temperaturerhöhung konstant wurde, wurde der Halter bei 965°C 2,5 Stunden lang gehalten. Danach wurde der Halter zu einem zweiten Wärmediffusionsofen stufenweise überführt, der bei 600°C gehalten wurde. Dann wurde die Stromzufuhr zu dem zweiten Diffusionsofen unterbrochen, und der Ofen wurde von 600°C auf Raumtemperatur abkühlen gelas sen, wodurch eine mit Titan dotierte Schicht 31 auf dem Kristallsubstrat 1 gebildet wurde, wie in Fig. 10A gezeigt ist. Als wärmediffundierbares Metall können V, Ni, Au, Ag, Co, Nb, Ge usw. verwendet werden.

Danach wurde eine 1 mm starke Aluminiumplatte in einer Form, die demjenigen Bereich entspricht, der einer Protonenaus tauschbehandlung unterzogen werden soll, auf dem vorstehend erwähnten Kristallsubstrat angeordnet, auf dem Chrom und anschließend Aluminium durch Elektronenstrahlabscheidung mit Dicken von 5,0 nm bzw. 145 nm abgeschieden wurden. Mit diesen Dünnfilmen aus Chrom-Aluminium wurde eine Maskierung 33 auf dem Kristallsubstrat 1 gebildet, wie es in Fig. 10B gezeigt ist. Dann wurde das Protonenaustauschverfahren mit diesem Kristallsubstrat durchgeführt, auf dem die Maskie rung 33 ausgebildet worden war. Hierzu wurden 98,85 g Ben zoesäure (C₆H₅COOH) und 1,05 g Lithiumbenzoat (C₆H₅COOLi) gleichförmig vermischt und in einen Aluminiumoxidtiegel ein gebracht. In diesen Tiegel wurde das vorstehend erwähnte Kristallsubstrat mit der Maskierung angeordnet und an schließend wurde der Tiegel und das Substrat in einem heißen Ofen bei 250°C eine Stunde lang gehalten. Durch dieses Ver fahren wurden Protonen in den Bereich des Kristallsubstrates injiziert, wo keine Maskierung 33 erfolgt war, und auf diese Weise wurde der mit Protonen ausgetauschte Bereich 32 gebildet. Bei der Ausbildung dieses mit Protonenausgetausch ten Bereiches 32 ist es bevorzugt, eine Mischung von Car bonsäure mit einem Dissoziationsgrad von 10^-6 bis 10^-3 und einem Material zu verwenden, bei dem das Wasserstoffatom in der Carbonsäure durch Lithium substituiert worden ist (bei spielsweise ein Lithiumsalz der Carbonsäure) etwa eine Mi schung von Benzoesäure und Lithiumbenzoat. Beispiele für eine solche Mischung sind in der vorstehend beschriebenen siebten Ausführungsform aufgeführt. Nach dem Protonenaustausch verfahren wurde das Substrat unter Verwendung eines Quarz werkzeuges zum Halten des Substrates herausgenommen und mit Ethanol und anschließend mit Aceton gereinigt. Mit diesen Lösungsmitteln können die auf dem Substrat anhaften den Kristalle von Benzoesäure und Lithiumbenzoat leicht auf gelöst werden. Nach dem Waschvorgang wurde die Maskierung 33, die aus den Schutz-Dünnfilmen von Chrom und Aluminium für das Protonenaustauschverfahren aufgebaut wurden, mit einer Ätzlösung entfernt.

Anschließend wurde das vorstehend erwähnte Substrat in einen heißen Ofen angeordnet und einer Glühbehandlung bei 350°C 2 Stunden lang in einer Wasserdampf-enthaltenden, feuchten Sauerstoffatmosphäre unterzogen, die erzeugt wurde, indem man Sauerstoff bei einer Strömungsgeschwindigkeit von 0,5 l/min durch erhitztes Wasser zuführt, das in den heißen Ofen geleitet wurde. Als Ergebnis wurden Protonen durch das Protonenaustauschverfahren in das Substrat durch Wärme diffusion injiziert, wodurch auf dem Kristallsubstrat 1 ein mit Protonen dotierter Bereich, in dem Titan und Protonen durch Wärme diffundiert worden sind und der nicht mit Pro tonen dotierte Bereich 23 gebildet wurden, in denen Titan alleine durch Wärme eindiffundiert worden ist.

Nach dem Glühvorgang wurde das Infrarot-Absorptionsspek trum des Substrates gemessen. Das Ergebnis ergab, daß der Lichtabsorptionsgrad in der Nähe von 3500 cm^-1 wegen der OH-Gruppe 0,4 betrug, was nicht sehr viel verschieden von dem Wert von 0,38 vor der Glühbehandlung war. Andererseits betrug der Unterschied zwischen der Ausbreitungskonstante bei der TE-Schwingungsart (im Falle der X-Kristallplatte war die Ausbreitungsrichtung in y-Richtung, während im Falle der Y-Kristallplatte die Ausbreitungsrichtung in x-Richtung lag) und dem Brechungsindex des Substrats 0,11 vor der Glühbehandlung, welcher auf 0,06 nach der Glühbehandlung herabgesetzt wurde. Die Kombination der Er gebnisse der Lichtabsorption durch die OH-Gruppe und der Ausbreitungskonstanten, wie sie vorstehend beschrieben ist, wurde dadurch bestätigt, daß die Gesamtmenge an Protonen in dem Kristall sich durch den Glühvorgang nicht sehr viel änderte und Protonen in das Innere des Kristalls eindif fundiert wurden.

Nach der Glühstufe wurde die kammförmige Elektrode 4 mit einer Hauptfrequenz von 400 MHz auf den nicht mit Protonen dotierten Bereich 23 des Substrates mit Hilfe eines übli chen Fotolithografieverfahrens gebildet, wie es in Fig. 10D gezeigt ist.

Wenn eine Hochfrequenzleistung von 400 MHz an die kammför mige Elektrode 4 des so hergestellten optischen Dünnfilm- Elementes gemäß der Erfindung angelegt wurde und Licht mit einer Wellenlänge von 632,8 nm in das Element geleitet wurde, um den Beugungswirkungsgrad dieses eingeleiteten Lichtes zu testen, lag der Beugungswirkungsgrad bei 80%, wenn die Hochfrequenzleistung 600 mW betrug.

Andererseits war der Einfügungsverlust der elastischen Oberflächenwellen, der durch die kammförmige Elektrode 5 an der Empfangsseite gemessen wurde, 15 dB im Falle der vor liegenden achten Ausführungsform. Dieser Wert liegt be trächtlich niedriger als der Wert von 40 dB im Falle der kammförmigen Elektrode, die an dem Bereich gebildet ist, in den Protonen eindiffundiert sind.

Ferner erfolgte eine Messung des Schwellenwertes der optischen Schädigung an beiden optischen Funktionselementen gemäß dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform und der bekannten Ausführungsform, die einen Titan-dotierte LiNbO₃-Lichtwel lenleiter aufwies. Der für die Messung verwendete Laser strahl war ein He-Ne-Laser mit einer Wellenlänge von 632,8 nm. Im Falle des herkömmlichen optischen Funktionselementes erfolgte eine optische Schädigung, wenn die Leistung des eingegebenen Lichtes einen Wert von 0,1 mW/mm und darüber erreichte. Im Gegensatz hierzu zeigte das erfindungsgemäße optische Funktionselement keine optische Schädigung, bis die Leistung des abgegebenen Lichtes einen Wert von 1,7 mW/ mm erreichte.

Fig. 11 ist eine perspektivische Ansicht eines erfindungs gemäßen optischen Funktionselementes gemäß der neunten Ausführungsform, wobei der in Fig. 9 gezeigte Aufbau für ein Lichtablenkgerät unter Ausnutzung des elektro-optischen Effektes angewandt wird. In der Zeichnung bedeuten die Be zugsziffern: 1 ein Kristallsubstrat aus LiNbO₃, 22 ein mit Protonen diffundierter Bereich, in dem Titan und Protonen durch Wärme eindiffundiert sind, 23 ein Bereich, in dem keine Protonen eindiffundiert sind, in dem also Titan al leine durch Wärme eindiffundiert ist, 24 eine kammförmige Elektrode für den elektro-optischen Effekt, 10 und 11 ein Lichtkopplung-Beugungsgitter für Eingang bzw. Ausgang, 9 ein Laserstrahl und 30 eine Lichtwellenleiterschicht, die auf dem Kristallsubstrat 1 gebildet ist. In dieser neunten erfindungsgemäßen Ausführungsform wird der Abschnitt 23, in dem keine Protonen eindiffundiert sind, nur in der Nähe der kammförmigen Elektrode ausgebildet. Der Laserstrahl 9 wird in die Lichtleiterschicht 30 von dem Lichtkopplung- Beugungsgitter 10 geleitet. Dieser geleitete Strahl wird durch ein Phasengitter, das durch den elektro-optischen Effekt bei Anlegung einer Spannung an die kammförmige Elektrode 24 erzeugt wird, gebeugt und dann von dem Licht kopplung-Beugungsgitter 11 nach außen abgegeben.

Im folgenden ist ein beispielhaftes Herstellungsverfahren des optischen Funktionselementes dieser neunten Ausführungs form unter Bezugnahme auf die Fig. 12A bis 12C näher beschrieben.

Zunächst wurde eine mit Titan diffundierte Schicht 31 auf dem Kristallsubstrat 1 aus LiNbO₃ ausgebildet, wie es in Fig. 12A in der gleichen Weise wie in der achten Ausfüh rungsform gezeigt ist.

Nach der Titandiffusion wurde das Substrat anschließend ge reinigt und getrocknet, und dann wurde ein positiver Foto lack mit einer Dicke von 1 bis 1,5 µm mit Hilfe einer Schleuderauftragsvorrichtung darauf aufgebracht. Dann wur de eine Kontaktbelichtung unter Verwendung einer negativen Maske für die kammförmige Elektrode durchgeführt und der so erhaltene Photolack in der Weise entwickelt, daß nicht nur die kammförmige Elektrode darin zurückblieb. Nach dem Waschen wurde das Substrat getrocknet und in eine Vakuum abscheidungsvorrichtung eingebracht, die auf einen Vakuum druck von 1,33×10^-6 mbar evakuiert war. Anschließend wur de Aluminium durch Elektronenstrahlabscheidung mit einer Filmdicke von 150 nm abgeschieden. Nach der Vakuumabschei dung wurde das Substrat einige Minuten lang in Aceton ein getaucht, um den Aluminiumfilm auf dem Fotolack durch Ab heben zu entfernen und um alleine den Bereich 24 für die kammförmige Elektrode auf dem Substrat auszubilden. In diesem Falle ist die kammförmige Elektrode so gestal tet, daß die Elektrodenbreite und der Zwischenraum zwischen den Elektroden bei 2,2 µm liegt, sie einen Querabstand von 3,8 mm hat und eine Anzahl von 350 Elektrodenpaare umfaßt.

Das Kristallsubstrat, auf dem die kammförmige Elektrode 24 gebildet worden war, wurde einem Protonenaustauschverfah ren unterzogen. In diesem Falle wurde das Substrat in einer Mischung von Benzoesäure und Lithiumbenzoat durch die glei chen Verfahrensstufen wie in der achten Ausführungsform wärmebehandelt, wodurch Protonen in den Bereich injiziert wurden, auf dem keine Elektrode gebildet worden war, wie in Fig. 12B gezeigt ist und auf diese Weise wurde eine durch Protonenaustausch gebildete Schicht 32 erhalten. Auch in dieser Ausführungsform können verschiedene Materialien selektiv für das Protonenaustauschverfahren wie in der achten Ausführungsform verwendet werden.

Anschließend wurde das vorstehend erwähnte Substrat in einen heißen Ofen angeordnet und einer zweistündigen Glühbehand lung bei 350°C in einer feuchte, Wasserdampf-enthaltenden Sauerstoffatmosphäre unterzogen, die dadurch erzeugt wurde, daß man Sauerstoff bei einer Strömungsgeschwindigkeit von 0,5 l/min durch erhitztes Wasser zuführt, das in den heißen Ofen eingeleitet wurde. Als Ergebnis wurden Protonen in einen Bereich des Substrates durch Wärme eindiffundiert, auf dem keine kammförmige Elektrode gebildet worden war, wodurch auf dem Kristallsubstrat 1 der mit Protonen dotier te Bereich 22, in dem Titan und Protonen eindiffundiert worden waren und der nicht mit Protonen dotierte Bereich 23 gebildet wurde, in dem Titan alleine durch Wärme ein diffundiert worden war. Im Verlaufe dieser Glühbehandlung erfolgte kein Oxidationsproblem, da die kammförmige Elek trode 24 aus Gold hergestellt wurde. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist das Herstellungsverfahren vereinfacht, da die Elektrode als Maske für die Protoneninjektion dient.

Nach der Glühbehandlung wurde eine Spannung von 6 V an die kammförmige Elektrode des so hergestellten elektro-opti schen Elementes angelegt, um die eingeleitete Welle zu beugen. Es wurde ein Brechungswirkungsgrad von 90% er halten.

Es ist möglich, daß ein Lichtmodula- tionsgerät in der gleichen Weise wie in den vorstehenden Ausführungsformen aufgebaut sein kann. Ferner können die Lichtmodulation und die Lichtablenkung auch nicht nur durch den vorstehend erwähnten akustisch-optischen Effekt oder elektro-optischen Effekt sondern auch durch Beugung von magnetostatischen Oberflächenwellen bewirkt werden, die durch den magneto-optischen Effekt oder durch den thermo optischen Effekt erzeugt werden. Ferner ist das Herstellungsverfahren mit verschiedenen Variationen möglich. Falls beispielsweise das Material ein solches ist, das während des Erhitzungsvorgangs bei den Herstellungs stufen der vorstehend erwähnten achten Ausführungsform sich selbst nicht verändert, kann die kammförmige Elektrode vor dem Erhitzungsverfahren gebildet werden. Das optische Funktionselement kann zweckmäßigerweise für verschiedene Geräte und Anwendungen, etwa als Fotoabtast gerät, als Spektralanalysator, Korrelator usw. eingesetzt werden.

Claims

1. Optisches Funktionselement mit einem Licht-Wellenlei ter in Form einer Dünnschicht, die auf der Oberfläche eines Substrates aus Lithiumniobatkristall oder Lithiumtantalat kristall ausgebildet ist und einer Einrichtung mit minde stens einem Paar kammförmiger Elektroden, die auf dem Sub strat angeordnet sind, um den Brechungsindex des Lichtwel lenleiters unter Ausnutzung eines akustisch-optischen Effek tes oder eines elektro-optischen Effektes zu verändern, so daß das in dem Lichtwellenleiter geleitete Licht moduliert oder abgelenkt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Licht- Wellenleiter-Dünnschicht durch Protonenaustausch auf der ganzen Oberfläche des Substrates außerhalb des Elektroden bereiches gebildet ist.

2. Optisches Funktionselement mit einem Licht-Wellenlei ter in Form einer Dünnschicht, die auf der ganzen Oberfläche eines Substrates aus Lithiumniobatkristall oder Lithiumtan talatkristall durch Titandiffusion gebildet ist und einer Einrichtung mit mindestens einem Paar kammförmiger Elektro den, die auf der durch Titandiffusion gebildeten Dünnschicht angeordnet sind, um den Brechungsindex des Lichtwellenlei ters unter Ausnutzung eines akustisch-optischen Effektes oder eines elektro-optischen Effektes zu verändern, so daß das in dem Lichtwellenleiter geleitete Licht moduliert oder abgelenkt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die durch Titan diffusion gebildete Licht-Wellenleiter-Dünnschicht einem Protonenaustausch auf der ganzen Oberfläche des Substrates außerhalb des Elektrodenbereiches unterzogen ist.

3. Optisches Funktionselement mit einem Licht-Wellenlei ter in Form einer Dünnschicht, die auf der ganzen Oberfläche eines Substrates aus Lithiumniobatkristall oder Lithiumtan talatkristall durch Ausdiffundieren unter Bildung von Lithiumoxid gebildet ist und einer Einrichtung mit minde stens einem Paar kammförmiger Elektroden, die auf der durch Ausdiffundieren gebildeten Dünnschicht angeordnet sind, um den Brechungsindex des Lichtwellenleiters unter Ausnutzung eines akustisch-optischen Effektes oder eines elektro-opti schen Effektes zu verändern, so daß das in dem Lichtwellen leiter geleitete Licht moduliert oder abgelenkt wird, da durch gekennzeichnet, daß die durch Ausdiffundieren gebil dete Dünnschicht einem Protonenaustausch auf der ganzen Oberfläche des Substrates außerhalb des Elektrodenbereiches unterzogen ist.