DE3546239A1 - Nichtlinearer lichtleiterkanal, insbes. zur frequenzverdoppelung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines nichtlinearen Lichtleiterkanals, bei dem in ein doppelbrechendes Material in einem ersten Verfahrensschritt ein erster Dotierungsstoff, der die Brechungsindices ändert, in einer Kanalbreite von 10 bis 100 Wellenlängen einer in dem Lichtleirterkanal umzusetzenden Lichtwelle bis in eine Kanaltiefe, die annähernd der Breite entspricht, eingebracht, vorzugsweise eindiffundiert, wird und in das Material in einem zweiten Schritt ein zweiter Dotierungsstoff, der die Brechungsindices unterschiedlich und vorzugsweise in umgekehrter Weise ändert, eingebracht, vorzugsweise eindiffundiert, wird.

Es ist aus W. Sohler et al, Integrated Optical Parametric Devices, Technical Digest of the 5 th International Conference on Integrated Optics and Optical Fiber Communication, IOOC-ECOC 85, Venecia, Italy, Oct. 85, Vol. II, p. 29-37, bekannt, in einen Lithiumniobatat- Kristall durch eine Titandotierung eines y-Schnittes einen nichtlinearen Lichtleiterkanal einzubringen und zur optischen Frequenzverdopplung sowie zur parametrischen Frequenzkonversion in optisch parametrischen Oszillatoren zu verwenden. Der Kanal hatte Querabmessungen von einigen Wellenlängen des verwandten Lichtes und mehrere Zentimeter Länge. Durch Erwärmung des doppelbrechenden Kristalls auf eine Temperatur, bei der die an dem einen Ende eingebrachte Grundwelle und die entstehende Oberwelle doppelter Frequenz angepaßte Phasenlagen hatten, wurde am anderen Ende des Lichtleiterkanals die Oberwelle mit einem Signaldetektor festgestellt. Deren Amplitude ist durch die Überlappung der Feldverteilungen für die Grund- und Oberwelle, die sich in verschieden polarisierten Moden im Kanal ausbreiten, bestimmt. Es wurde gezeigt, daß die Feldverteilung der Oberwelle eine wesentlich geringere Ausdehnung als die Grundwelle und gegen diese einen Tiefenversatz hatte, somit eine geringe Überlappung bestand.

Versuche mit einer Optimierung einer Dotierung erbringen grundsätzlich nur eine geringfügige Verbesserung der Überlappung und somit der Umsetzungsverhältnisse.

Es ist aus J. Noda et al., Effect of Mg diffusion on Ti-diffused LiNbO₃ waveguides, J. Appl. Phys., 4 (6) 1978, S. 3150-3153, bekannt, jeweils benachbart zu dem Titanstreifen Magnesiumoxidbeschichtungen vor dem Diffusionsprozeß auf einen y-geschnittenen Lithiumniobatkristall aufzubringen und beide Materialien nebeneinander liegend durch eine zehnstündige Diffusion bei 1323 gradK in den Kristall einzubringen. Hierdurch wurde eine Erhöhung des außerordentlichen Brechungsindex infolge eines oberflächlicher Lithiumverlusts durch Ausdiffusion teilweise kompensiert und der optisch wirksame Kanal in seiner seitlichen Ausdehnung eingeengt. Außerdem ist eine erste Dotierung der gesamten Oberfläche bei 1437 gradK mit Magnesium und nach Entfernung des unverbrauchten Magnesiumoxids eine weitere Dotierung mit einem Streifen von Titan an einer anderen Probe vorgenommen worden. Auch dies führte zu einem Kanal mit schmalerer Querabmessung. Hinsichtlich des Konversionswirkungsgrades bringt dies jedoch praktisch keine Verbesserung.

In W. Sohler und H. Suche, Frequency Conversion in Ti:LiNbO₃ Optical Waveguides, SPIE proc. 408, 163 (1983) sind Vorrichtungen zum Betrieb von nichtlinearen Lichtleiterkanälen als Frequenzverdoppler, resonanter Frequenzverdoppler, als parametrischer Verstärker, als parametrischer Oszillator oder Differenzfrequenzgenerator und deren Anwendungen beschrieben.

Weitere Vorrichtungen, insbes. zur Erzeugung von langwelligem Infrarotlicht durch Differenzfrequenzbildung in nichtlinearem optischem Material, und eine mathematische Analyse der Vorteile der bekannten integrierten optischen Kanäle gegenüber Vorrichtungen mit herkömmlicher Optik sind in W. Sohler, Nonlinear Integrated Optics, IOOC 85 a. a. O. paper No. 7 angegeben. Die bekannten nichtlinearen Materialien und ihre Herstellmethoden sind zusammengestellt. Diese erbringen alle geringe Wirkungsgrade der Umsetzungen der zugeführten Lichtwellen in die erwünschten, durch die Nichtlinearität entstehenden, Lichtwellen höherer oder niedrigerer, insbes. doppelter oder halber, Wellenlänge entsprechend der geringen Überlappung der Feldverteilungen der verschiedenen Moden.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen nichtlinearen Lichtleiterkanal und dessen Herstellungsverfahren zu offenbaren, das relativ einfach ist und der ein Vielfaches des Umsetzungswirkungsgrades nichtlinearer Wechselwirkungen zweiter Ordnung, z. B. von der Grund- zur Oberwelle oder einer Pump- zur Signal- und Idlerwelle, im Vergleich zu bekannten Lichtleiterkanälen erbringt.

Die Lösung der Aufgabe besteht darin, daß die zweite Dotierung in etwa deckungsgleich zur ersten ausgeführt wird und die Dotierungsstoffe in einem solchen Verhältnis zueinander eingebracht werden, daß deren kombiniert bewirkten Änderungen des ordentlichen und des außerordentlichen Brechungsindex jeweils zugeordnet zu zwei vorgegebenen Wellenlängen, z. B. einer Grund- und einer Oberwelle oder einer Signal- und Idlerwelle und einer Pumpwelle für deren Feldverteilungen eine weitgehende Überlappung erbringt.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens, danach hergestellte Produkte und deren Anwendungen sind in den Unteransprüchen dargestellt.

Das hier aufgezeigte Verfahren ermöglicht es, mit den danach hergestellten Lichtleiterkanälen Ausbeuten der nichtlinearen Wechselwirkung, zu erreichen, die etwa eine Größenordnung über denen der besten bekannten Kanäle liegen.

Das Verfahren kan auch für solche Anwendungen, in denen nicht eine Grundwelle und eine Oberwelle sich effektiv überlappend in dem Kanal ausbreiten sollen, sondern eine Mode mit der Summen- oder Differenzfrequenz und zwei Eingangswellen sich in dem Kanal weitgehend überlappend ausbreiten sollen, durch den Fachmann eingesetzt werden, wenn die zwei Dotierungen jeweils an die zwei Wellenlängenbereiche angepaßt werden. Ebenso ist es dem Fachmann möglich, von dem beschriebenen Beispiel auf andere bekannte Materialien und Anwendungsformen des Kanals überzugehen.

Eine besonders vorteilhafte Überlagerung der beiden Dotierungen ist jeweils dadurch zu erreichen, daß die Diffusionstemperaturen und Diffusionszeiten derart gewählt werden, daß einer bestimmten Verteilung des langsam diffundierenden Materials die Verteilung des schnell diffundierenden Materials angepaßt wird. Die Konzentrationen bzw. Materialmengen werden dabei jeweils so vorgegeben, daß durch die Überlagerung der beiden Dotierungen solche Brechungsindexänderungen entstehen, daß für die beiden Moden bei den zugehörigen Wellenlängen annähernd die gleichen Feldverteilungen entstehen oder ein günstiger Kompromiß bei den drei Wellenlängen gegeben ist. Durch die Anbringung von Verspiegelungen an den Endflächen des Kanals für die eine und/oder andere der beiden Wellenlängen, die im Kanal auftreten, kann dieser vorteilhaft als resonanter Frequenzverdoppler oder parametrischer Oszillator betrieben werden.

Der Lichtleiterkanal kann als integriertes Element mit weiteren optischen Bauelementen in einem Kristall angeordnet sein oder auch als isoliertes Bauelement ausgeführt sein. Es wird vorteilhaft mit einer Einspeisungs- und Auskopplungsoptik, Filtern oder Teilern für unerwünschte Nebenprodukte der Wellenumsetzung oder austretende Grundwellenanteile, einer Regelvorrichtung zum Angleichen dr Phasengeschwindigkeiten der verschiedenen Wellenlängen, die zusammen agieren sollen, einer Modulationsvorrichtung und evtl. einem Laser oder mehreren Lasern zu einer Vorrichtung, z. B. einem Frequenzverdoppler oder Differenzfrequenzerzeuger, zusammengebaut. Dabei werden bevorzugt Festkörperlaser eingesetzt.

Das Ausgangslicht einer Frequenzverdoppler-Vorrichtung ist, nachdem es von der Grundfrequenz gereinigt ist und in einem Fokus mit einem Durchmesser, der annähernd der Wellenlänge des erzeugten kürzerwelligen Lichtes entspricht, konzentriert ist, vorteilhaft für die gesteuerte Aufzeichnung von Information auf optisch sensitive Schichten und auch für die Lichtabtastung von mit lichtmodulierenden Schichten versehenen Aufzeichnungsträgern geeignet. Das durch die Frequenzverdopplung erzeugte kürzerwellige Licht gestattet es, bei Verwendung der einfach zu handhabenden, relativ kleinen Festkörperlaser, die vierfache Informationsdichte auf einem optischen Datenträger aufzubringen oder von diesem abzulesen. Auch die gesteuerte Belichtung von Photoresistschichten, bei der Herstellung integrierter Schaltkreise oder das gesteuerte Bearbeiten von Mikroschaltkreisen mit dieser Vorrichtung, erbringt ähnliche Vorteile durch die erhöhte Auflösung.

In den Fig. 1 bis 5 sind Eigenschaften von Kanälen und das optische Bauelement, sowie eine Frequenzverdoppler- Vorrichtung dargestellt.

Fig. 1 zeigt die Feldverteilungen bei einer reinen Titandotierung optimiert für nichtlineare Wechselwirkung, vorbekannt;

Fig. 2 zeigt die Feldverteilungen bei Titandotierung und Magnesiumdotierung;

Fig. 3 zeigt Diffusionsprofile von Magnesiumionen bei verschiedenen Temperaturen;

Fig. 4 zeigt perspektivisch, schematisch das optische Bauelement;

Fig. 5 zeigt eine Frequenzverdopplervorrichtung, schematisch.

In Fig. 1 sind gerechnete Feldverteilungen (FG 1, FO 1) einer Grund- und Oberwelle über einen titandotierten Kanalquerschnitt in einem Lithiumniobatkristall nebeneinander und vergrößert dargestellt. Die strichpunktierten Mittelachsen liegen in der Kanalmitte. Die Linien stellen Orte gleicher Intensitäten dar, die durch Angaben 1 bis 90 jeweils in beliebigen Einheiten relativ bewertet sind. Die links dargestellte größere Feldverteilung (FG 1) ist auf eine Vakuumwellenlänge von 1,15 Mikrometer, der in den Kanal eingespeisten Grundwelle bezogen. Diese breitet sich abhängig von der Verteilung der Änderung des ordentlichen Brechungsindex aus, die an der Oberfläche (OB) im Zentrum der Dotierung 3,3 Promille betrug. Die rechts gezeigte Feldverteilung (FO 1) entspricht der Oberwelle mit einer Vakuumwellenlänge von 576 mm, die sich abhängig von der Verteilung der Änderung des außerordentlichen Brechungsindex, die an der Oberfläche im Zentrum 4,5 Promille betrug, ausbreitet. Der Tiefenversatz der Zentren der Feldverteilungen und deren unterschiedlichen Ausdehnungen sind Stand der Technik.

Durch eine flächenhafte, und weit über den Kanal hinaus in die Tiefe des Kristalls reichende, Magnesiumdotierung nach dem Stand der Technik wird eine negative Brechungsindexänderung in einem Lithiumniobatkristall erzeugt, wobei der außerordentliche Brechungsindex etwa doppelt so stark erniedrigt wird wie der ordentliche, so daß bei einer sehr hohen Dotierungsmenge Brechungsindexänderungen etwa in gleicher Größe wie bei einer Titandotierung, die zu den Feldverteilungen in Fig. 1 führt, jedoch in umgekehrter Richtung, erreicht werden. In einer solchen Maßnahme läge allenfalls der Vorteil einer gewissen Kompensation der Wirkung der Lithiumausdiffision, wie Noda a. a. O. angibt und wozu er relativ hohe Diffusionstemperaturen von 1373 gradK, lange Diffusionszeiten von mindestens 10 h und Magnesiumschichten von mindestens 50 nm empfiehlt. Hierbei ergibt sich eine Konzentrationsverteilung gem. Fig. 3. Dort sind weitere Magnesiumkonzentrationsprofile in der Tiefe (D) eines Lithiumniobatkristalles gezeigt, die bei jeweils einer gleichen anfänglichen Magnesiumschichtdicke von 50 nm in der gleichen Diffusionszeit von 10 h und bei den an den Kurven angegebenen Diffusionstemperaturen erreicht werden. Wird mit einer kleineren anfänglichen Magnesium- oder Magnesiumoxid-Schichtdicke diffundiert, so bleiben die Verhältnisse weitgehend ähnlich.

In Fig. 2 sind die beiden Feldverteilungen (FG 2, FO 2) eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren mit Magnesium nachträglich zu Titan in geeigneter Verteilung dotiertem Lithiumniobat-Kristalls im gleichen Vergrößerungsmaßstab wie Fig. 1 gezeigt. Durch das Magnesium ist der außerordentliche Brechungsindex im Bereich des Wellenleiterkanals wesentlich stärker als der ordentliche Brechungsindex verringert, so daß die Oberwelle sich über dem Querschnitt stärker ausbreitet, und ihr Feldzentrum in einer größeren Tiefe (D) liegt, die etwa der Tiefe des Grundwellenfeldzentrums entspricht, so daß eine fast vollständige Überlappung gegeben ist und ein hoher Umsetzungswirkungsgrad erreicht wird. Auch die Grundwellenfeldverteilung (FG 2) breitet sich durch die Überlagerung der Dotierungseffekte bei der zweiten Dotierun noch etwas weiter aus, was entsprechend bei beiden Dotierung zu berücksichtigen ist.

Zur weiteren Erhöhung des Wirkungsgrades ist es vorteilhaft, die Kanalabmessungen noch schmaler und flacher, als sie im Stand der Technik üblich waren, auszuführen, so daß etwa der Querschnitt der Oberwellenfeldverteilung nach Fig. 1 sich für beide Feldverteilungen ergibt. Dabei erhöhen sich die Dämpfungsverluste etwas; jedoch findet die nichtlineare Umsetzung in weit höherem Maße verstärkt statt. Unter Berücksichtigung beider entgegengesetzter aber unterschiedlich von den Kanalabmessungen abhängigen Effekte wird somit eine Optimierung durchgeführt. Demgemäß werden schmalere Metallstreifen des Titans und Magnesiums zu den Diffusionen aufgebracht und kürzere Diffusionszeiten benutzt, als bisher üblich war, die für beide Moden etwa zu Feldverteilungen (FO 1) gem. Fig. 1 führen.

Ein Kanal nach Fig. 1 kann erzeugt werden, indem ein Titanstreifen von 50 nm Dicke und 10 000 nm Breite auf dem Kristall aufgebracht und bei 1330 gradK über 10 h diffundiert wird. Für den Übergang dieses Kanals zu Verteilungen nach Fig. 2 wird ein Magnesiumstreifen von etwa 5 nm Dicke und 10 000 nm Breite bei 1230 gradK über 10 h nachträglich in den Kanal diffundiert.

Für eine optimierte engere Feldverteilung wird jeweils eine engere Geometrie der Streifen gewählt und die Diffusionstemperatur oder -zeit gemäß dem Diffusionsgesetz zur Erreichung einer kleineren Diffusionstiefe reduziert. Günstige Dotierungskonzentrationen im Zentrum (OZ) der Dotierung and der Oberfläche betragen 10²¹ Atome/Kubikzentimeter für Titan und ein Drittel bis ein Zehntel davon für das Magnesium.

Für andere Wellenlängenverhältnisse bei anderen Anwendungen und bei anderen Kristallschnitten oder Ausbreitungsrichtungen und auf andere Materialien läßt sich das Prinzip vom Fachmann nach diesen allgemeinen Dimensionierungs-Vorschriften übertragen. Dabei wird jeweils für die Wellenlängen, deren Feldverteilung zur Überlappung gebracht werden sollen, das entsprechende Brechungsindexprofil bestimmt und durch Überlagerung der durch die Diffusionen der beiden Dotierungsstoffe sich ergebenden Kombination der Brechungsindexänderungen das günstigste Konzentrationsverhältnis ausgewählt, wobei ein stark unterschiedliches Verhältnis der Beeinflussung der beiden Brechungsindices durch die beiden Dotierungsstoffe eine Vorausbestimmung der überlagerten Wirkungen erleichtert. Dies ist für die Stoffe Titan und Magnesium der Fall.

Die Vorteile eines integrierten, nichtlinearen Kanals, nämlich relativ einfache Herstellbarkeit und hohe Lichtkonzentration in einem kleinen Querschnitt, die das Arbeiten mit kleinen Eingangsleistungen ermöglicht, kommen bei dem neuartigen Kanal voll zum Tragen, und es ergeben sich wegen der relativ großen Ausbeute der Oberwelle oder der niedrigen Schwellpumpleistung eines optisch parametrischen Oszillators neuartige, vorteilhafte Einsatzmöglichkeiten dieses optischen Bauelements über die wissenschaftliche Erforschung der Eigenschaften hinaus zu praktischen Anwendungen, z. b. in der optischen Datenaufzeichnung und der Infrarotspektoskopie.

In Fig. 4 ist ein einzelnes Bauelement schematisch, perspektivisch dargestellt, wie es nach der üblichen integrierten parallelen Herstellung vieler Kanäle auf einem großen Kristall nach dem Schneiden und Trennen vorliegt. In dem Kristallstreifen (KR) von z. B. 40 mm Kanallänge (KL) ist der Kanal (K), ausgehend von der ursprünglichen Metallstreifenbreite (B) von etwa 10 000 nm, auf eine wirksame seitliche Kanalausdehnung (KS) von etwa 10 000 nm und eine wirksame Kanaltiefe (KT) von etwa 5 000 nm diffundiert, wie dies Fig. 1 zeigt. Die Endflächen (S 1, S 2) sind zum möglichst reflexionsfreien Ein- bzw. Austritt des Lichtes poliert und vergütet.

Teilweise abgenommen dargestellt, sind beidseitig des Kanals (K) aufgebrachte elektrisch leitende, voneinander isolierte Beläge (E 1, E 2). Wird durch diese durch Anlegen einer Spannung ein elektrisches Feld in den Kanal (K) gebracht, so verändert dies in bekannter Weise die Brechungsindices in etwas unterschiedlicher Stärke, wodurch eine Abstimmung der Phasengeschwindigkeit zwischen den beiden optischen Moden ermöglicht wird oder auch eine Modulation des austretenden Lichtes über eine Variation der Phasenanpassung vorteilhaft möglich ist.

Die Herstellung des Kanals erfolgt vorteilhaft nach der bekannten Photomaskenmethode, mittels der die Metall- bzw. Metalloxidstreifen in der gewünschten Breite und Genauigkeit aufgetragen werden. Die Orientierung der zweiten Maske für den zweiten Metallstreifen erfolgt vorteilhaft an dem durch die erste Dotierung erhaben aus der Kristalloberfläche hervortretenden Kanal.

Ebenso wird die Maske zur Herstellung des Spaltes zwischen den Belägen (E 1, E 2) zweckmäßig an dem erhabenen Kanal orientiert. Die Breite der Beläge (E 1, E 2) wird zweckmäßig so gewählt, daß sie einen Wellenleiter mit einer Impedanz von 50 Ohm bilden, die den Wellenwiderständen üblicher Koaxialkabel entspricht, falls eine Modulation mit Signalen steiler Flanken beabsichtigt ist.

Für ein zeitlich sehr exaktes Modulieren mit hohen Frequenzen, wird die elektrische Spannung zweckmäßig am Lichteintritt eingespeist und am anderen Ende ein angepaßter Anschlußwiderstand angebracht.

Die Länge des Bauelementes wird, entsprechend den jeweiligen technischen Möglichkeiten in der Erreichung enger Toleranzen der Kanalstruktur und niedriger Dämpfung, möglichst groß, d. h. nach heutigem Stand der Technik mehrere Zentimeter lang, gewählt, da der Wirkungsgrad der nichtlinearen Umsetzung quadratisch mit der Länge zunimmt.

Ein weiterer Weg zur Erhöhung des Wirkungsgrades ist der Betrieb im Resonanzbereich, der dadurch ermöglcht wird, daß die Endflächen des Kanals (S 1, S 2) mit dielektrischen Reflektorschichten für die eine Welle oder beide Wellen beschichtet werden. So werden bei dem Kanal für Frequenzverdopplung zweckmäßig die Endflächen für die Grundwelle verspiegelt und die Oberwelle auf der Lichteintrittsseite durch einen Reflektor am Austritt gehindert. Dadurch wird bei Resonanz eine Feldstärke- Erhöhung der Grundwelle erreicht, die zu einer verstärkten nichtlinearen Wechselwirkung führt. Zur Erreichung eines hohen Wirkungsgrades unter Ausnutzung der Resonanz muß dann die wirksame Kanallänge für beide Wellenlängen ein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge sein. Dies wird unter Ausnutzung der unterschiedlichen Abhängigkeiten den beiden Brechungsindizes von der Temperatur oder der elektrischen Feldstärke im Kanal jeweils durch geeignete Regelung der Umgebungsbedingungen erreicht.

Das optische Bauelement nach Fig. 4 wird vorteilhaft zu einer Frequenzverdoppler-Vorrichtung komplettiert, in die auch ein Laser zur Grundwellenerzeugung zweckmäßig einbezogen ist. Hierzu eignet sich ein Neodym-Laser (NL) oder Halbleiterlaser, dessen Licht über eine Verkleinerungsoptik (M 1), mit einer Verkleinerung von z. B. einem Faktor 20, auf die eine Endfläche (S 1) des Kanals (K) gerichtet wird. Von der anderen Endfläche (S 2) wird mit einer weiteren Optik (M 2) das kürzerwellige Licht abgenommen. Sofern nur die Oberwelle des austretenden Lichts verwendet werden soll, ist ein Filter (FG) bekannter Art, das nur die Oberwelle durchläßt, in dem Strahlengang angeordnet oder ein entsprechender Reflektor auf der Endfläche (S 2) aufgebracht. Die beiden Optiken (M 1, M 2) haben jeweils auf die Endflächen (S 1, S 2) gerichtet Aperturen, die dem Öffnungswinkel des Kanals (K) entsprechen. Die ausgangsseitige Optik (M 2) wird günstig derart verkleinernd ausgestaltet, daß das austretende Licht der doppelten Frequenz auf einen Fokus (F) mit etwa einem Durchmesser, der der Wellenlänge der Oberwelle, d. i. für den Neodym-Laser 530 nm, konzentriert wird.

Der innere Teil der Vorrichtung, zumindest das Kanalbauelement, ist in einem Thermostaten (TH), guter Wärmeisolation angeordnet. In dem Thermostaten-Innenraum befindet sich die elektrische Thermostatheizung (HT). Sie könnte mittels eines Temperatursensors in einer Regelschaltung betrieben werden, jedoch ist es vorteilhaft, eine Regelung mittels der Lichtverhältnisse zwischen dem Treiber- und umgesetzten Ausgangslicht des Kanals vorzunehmen. Hierzu sind die optisch-elektrischen Wandler (W 1, W 2) so vor dem Kanal bzw. hinter dem Filter (FG) angeordnet, daß sie einen Teil des Streulichtes aufnehmen. Ihre Signale werden im Verhältnis zueinander so verstärkt, daß sie bei annähernd höchstem Umsetzungswirkungsgrad, ggf. nahe der Resonanz der Wellen, gleichen Pegel haben. Danach werden sie einem Vergleicher (V 1) zugeführt, dessen verstärktes Ausgangssignal, evtl. in Kombination mit einem Temperaturreglersignal, zur Speisung der Thermostatheizung (HT) dient.

Die Verstärker können als einfache Wechselstromverstärker ausgebildet werden, falls dem Laserlicht eine Modulationsfrequenz aufgeprägt ist; dadurch entfallen störende Drifteffekte der Wandler (W 1, W 2) beim Regelvorgang. Unabhängig von einer Lasermodulation kann eine Modulation über die Beläge erfolgen, denen ein Modulationssignal (MS) über ein koaxiales Kabel zuführbar ist. Das andere Ende der Beläge ist mit einem Widerstand (R) dem Wellenwiderstand entsprechend abgeschlossen.

Die gesamte Frequenzverdoppler-Vorrichtung kann vielfältige Verwendung finden. Insbesondere wird sie vorteilhaft in einer Informationsaufzeichnungs- oder -abtastvorrichtung angeordnet. Der gesamte Frequenzverdoppler, der einen sehr engen Lichtstrahl liefert, ist in einer bekannten Vorschubeinrichtung (VE) angeordnet, die den Aufzeichnungsträger, z. B. einen Film, eine Maske, eine lichtmodulierende Aufzeichnungen tragende Scheibe oder einen photosensitiv beschichteten Mikroschaltkreis relativ zum Lichtstrahl transportiert. Die Positionier- und Laufgenauigkeit der Vorschubvorrichtung (VE) ist zweckmäßig der kleinen Wellenlänge und dem dadurch gegebenen hohen Auflösungsvermögen angepaßt. In anderen Anwendungen kann das Bauelement mit ähnlichen, dem jeweiligen Zweck angepaßten, Ein- und Auskoppeloptiken und entsprechender Thermostat- und Modulationsvorrichtung, z. B. als parametrischer Verstärker oder Oszillator, zu einer Vorrichtung zusammengebaut sein. Die Kombination der gezeigten Baugruppen für weitere Anwendungen liegt im Rahmen des fachmännischen Könnens.

Claims (13)

1. Verfahren zur Herstellung eines nichtlinearen Lichtleiterkanals (K), bei dem in ein doppelbrechendes Material (KR) in einem ersten Verfahrensschritt ein erster Dotierungsstoff, der die Brechungsindices ändert, in einer Kanalbreite (KS) von 10 bis 100 Wellenlängen einer in dem Lichtleiterkanal (K) umzusetzenden Lichtwelle bis in eine Kanaltiefe (KT), die annähernd der Breite (KS) entspricht, eingebracht, vorzugsweise eindiffundiert, wird und in das Material (KR) in einem zweiten Schritt ein zweiter Dotierungsstoff, der die Brechungsindices unterschiedlich und vorzugsweise in umgekehrter Weise als der erste ändert, eingebracht, vorzugsweise eindiffundiert, wird, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Dotierung in etwa deckungsgleich zur ersten ausgeführt wird und die Dotierungsstoffe in einem solchen Verhältnis zueinander eingebracht werden, daß deren kombiniert bewirkten Änderungen des ordentlichen und des außerordentlichen Brechungsindex jeweils zugeordnet zu zwei vorgegebenen Wellenlängen, z. B. einer Grund- und einer Oberwelle oder einer Signal- und Idlerwelle und einer Pumpwelle für deren Feldverteilungen (FG 2, FO 2) eine weitgehende Überlappung erbringt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als zweiter Dotierungsstoff derjenige eingebracht wird, der die größere Diffusionskonstante von beiden hat, und die zweite Diffusion dem Diffusionsgesetz gemäß mit einer niedrigeren zweiten Diffusionszeit oder vorzugsweise niedrigeren zweiten Diffusionstemperatur ausgeführt wird als die erste, so daß beide Dotierungen etwa gleiche Diffusionstiefen erreichen.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das doppelbrechende Material ein Lithiumniobatkristall, der erste Dotierungsstoff Titan und der zweite Dotierungsstoff Magnesium ist und dessen Menge ein Bruchteil, vorzugsweise ein Drittel bis ein Zehntel, der ersten Titanmenge ist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Lithiumniobatkristall eine y-Schnittfläche hat, auf der in x-Richtung das Titan als ein Titanstreifen von einer Streifenbreite (B) von 4000 bis 20 000 nm und mit einer Streifendicke von etwa 30 bis 80 nm aufgebracht wird und bei der ersten Diffusionstemperatur von ca. 1.330 gradK über die erste Diffusionszeit von ca. 10 h eindiffundiert wird und danach auf den titandotierten Streifen das Magnesium als ein Magnesium- oder Magnesiumoxidstreifen mit etwa der gleichen Streifenbreite (B) und zur Bestimmung der Menge in einer Dicke von etwa 3 bis 15 nm aufgebracht wird und danach bei der zweiten Diffusionstemperatur, die etwa 100 gradK unter der ersten liegt, und über die zweite Diffusionszeit, die der ersten etwa entspricht, eindiffundiert wird.

5. Optisches Bauelement mit einem nichtlinearen Lichtleiterkanal (K) in einem doppelbrechenden Material (KR), in das zwei Dotierungsstoffe, die die Brechungsindices entgegengesetzt und unterschiedlich verändern eingebracht sind, dessen Kanalbreite (KS) wenige Vakuumwellenlängen einer ersten Wellenlänge, z. B. Grundwellenlänge, beträgt und dessen Kanaltiefe (KT) annähernd der Kanalbreite (KS) entspricht und der durch die eine Dotierung gegeben ist, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Dotierung eine etwa gleichartige Verteilung wie die erste hat und ihre Konzentration in einem solchen Verhältnis zur ersten steht, daß durch die Brechungsindexänderungen der beiden Brechungsindices für zwei vorgegebene Wellenlängen, z. B. die Grundwelle und eine Oberwelle, eine weitgehende Feldüberlappung vorliegt.

6. Optisches Bauelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das doppelbrechende Material ein Lithiumniobatkristall (KR), vorzugsweise im y-Schnitt, ist, die erste Dotierung des Kanals (K) aus Titan mit einer Konzentration im Zentrum an der Oberfläche (OZ) von z. B. 10²¹ Atomen/Kubikzentimeter ist und die zweite Dotierung aus Magnesium mit einer Konzentration (OZ) von etwa 1 bis 3 mal 10²⁰ Atomen/Kubikzentimeter ist und die seitliche Ausdehnung (KS) des wirksamen Kanals etwa 10 000 nm und seine wirksame Tiefenausdehnung (KT) etwa 5 000 nm betragen und seine Länge (KL) mindestens ein Zentimeter, vorzugsweise 4 bis 5 Zentimeter, ist.

7. Optisches Bauelement nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß beidseitig des Randes des Kanals (K) elektrisch leitende Beläge (E 1, E 2) auf den Kristall (KR) aufgebracht sind.

8. Optisches Bauelement nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine seiner Endflächen (S 1, S 2) eine dielektrische Reflexionsschicht trägt, die für eine oder mehrere der Moden im Kanal (K) reflektiv ist, wobei z. B. für die Frequenzverdopplung die Eintrittsfläche (S 1) für beide Wellenlängen reflektiv und die Ausgangsseite (S 2) für die durch nichtlineare Umsetzung erzeugte Welle durchlässig und die andere Welle reflektiv ist oder für die parametrische Oszillation die Reflexschichten einen Resonator für die Signal- und Idlerwelle bilden.

9. Optische Vorrichtung, z. B. Frequenzverdopplervorrichtung, mit einem optischen Bauelement (BE) nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Laser, vorzugsweise ein Neodym-Laser (NL), ausgangsseitig durch eine Verkleinerungsoptik (M 1) auf eine der Endflächen (S 1) die vorzugsweise eine dielektrische Verspiegelung trägt, des Bauelements (BE) gekoppelt ist, auf dessen andere Endfläche (S 2) eine zweite Optik (M 2) gerichtet ist, wobei die auf den Kanal gerichteten Aperturen der Optiken (M 1, M 2) den Lichtein- bzw. -austrittswinkeln des optischen Kanals (K) entsprechen, daß in dem ausgangsseitigen Strahlengang ein Filter (FB), das nur eine der Wellen, z. B. die Oberwelle, passieren läßt, vorzugsweise als dielektrischer Reflektor auf der Endfläche (S 2) angeordnet ist, und daß das Bauelement (BE) in einem Thermostaten (TH) angeordnet ist, der die Temperatur konstant auf dem Wert hält, bei dem die Geschwindigkeit der Laserlichtwelle und der durch die Nichtlinearität entstehenden zweiten Welle in dem Kanal (K) gleich sind und vorzugsweise ganzzahlige Vielfache der Wellenlängen der beiden Wellen der Kanallänge (KL) entsprechen.

10. Optische Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß in dem eingangs- und ausgangsseitigen Strahlengang des Kanals (K), einen geringen Teil- oder Streulichtstrom erfassend, optisch-elektrische Wandler (W 1, W 2) angeordnet sind, deren Ausgangssignale in einem Verhältnis, das bei einem annähernd besten Umsetzungsverhältnis gleiche Signalhöhen ergibt, verstärkt einem Vergleicher (V 1) zugeführt sind, mit dessen verstärktem Ausgangssignal die Thermostat-Heizung (HT) und/oder einer der Beläge (E 1) beaufschlagt ist, wobei der andere Belag (E 2) an einer Bezugsspannung liegt.

11. Vorrichtung unter Verwendung des optischen Frequenzverdopplers nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die ausgangsseitige Optik (M 2) derart verkleinert, daß der Kanalquerschnitt (S 2) auf einen Fokus (F), dessen Durchmesser auf ein Maß in der Größenordnung einer Wellenlänge der Oberwelle, d. i. bei dem Neodym-Laser (NL) 530 nm, reduziert wird, und daß der Fokus zur gesteuerten Aufzeichnung oder Abtastung von Informationen oder zur punktgenauen Energiebeaufschlagung auf einen relativ zum Strahl gesteuert positionierbaren photosensitiven Aufzeichnungsträger (DT), auf einen Informationsträger, der zur Lichtmodulation geeignete Aufzeichnungen trägt, bzw. auf ein zu bearbeitendes Objekt, z. B. eine Maske oder einen Mikroschaltkreis, gerichtet wird.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Beläge (E 1, E 2) durch eine elektrische Modulationsspannung zur Steuerung der Aufzeichnung beaufschlagbar ist, wozu vorzugsweise die Modulationsspannung (MS) an der Lichteintrittsseite eingespeist wird und die Beläge (E 1, E 2) beidseitig mit ihrem Wellenwiderstand abgeschlossen sind.

13. Optische Vorrichtung, z. B. optisch parametrischer Verstärker, mit einem Bauelement (BE) nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Laser ausgangsseitig durch eine Verkleinerungsoptik (M 1) auf eine der Endflächen (S 1) des Bauelements (BE) gekoppelt ist und auf dessen andere Endfläche (S 2) eine zweite Optik (M 2) gerichtet ist und die Endflächen (S 1, S 2) eine dielektrische Verspiegelung tragen und es in einem Thermostaten (TH) angeordnet ist, dessen Temperatur so vorgebbar ist, daß durch eine Phasenanpassung der wechselwirkenden Modwen ein vorgebbares Verhältnis der Wellenlängen der Signal- und Idlerwelle entsteht.