DE4131410C2 - Verfahren zur Herstellung eines Wellenlängenwandlerelements - Google Patents
Verfahren zur Herstellung eines WellenlängenwandlerelementsInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein
Verfahren zur
Herstellung des Wellenlängenwandlerelementes gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
Kürzlich wurde ein Faserzustandswandlerelement oder ein so
genanntes Wellenlängenwandlerelement der Faserart vorgeschla
gen, um eine höhere Ausgangsleistung der SHG (Erzeugung der
zweiten Harmonischen) zu erreichen. Dieses Element weist ei
nen zylindrischen Kernabschnitt mit einem Außendurchmesser
von 1 bis 2 µm auf und ein Mantelteil, das an dem Umfang die
ses Kernabschnittes befestigt ist und einen Außendurchmesser
von etwa 1 bis 2 mm aufweist. Als Material für den Kernab
schnitt wird ein organisches, nicht-lineares optisches Mate
rial verwendet, wogegen Glas für das Mantelteil verwendet
wird.
Konventionell wurde das Wellenlängenwandlerelement des Faser
typs, wie es voranstehend beschrieben wurde, dadurch herge
stellt, daß man ein geschmolzenes Kernmaterial in eine Glas
kapillare infundieren ließ, durch eine Kapillarwirkung, und
daß man dann das Material darin kristallieren ließ.
Allerdings weist das Wellenlängenwandlerelement des Fasertyps,
das unter Verwendung der Glaskapillare hergestellt wurde, ei
nige Schwierigkeiten auf, wie sie nachstehend angegeben sind.
Zunächst einmal muß, um den Wellenlängenwandlungsgrad zu opti
mieren, der Kerndurchmesser in einer Größenordnung von Mikro
metern eingestellt werden. Allerdings ist eine Kontrolle des
Kerndurchmessers bei der Herstellung des Wellenlängenwandler
elements extrem schwierig, da der Kerndurchmesser und der Man
teldurchmesser dadurch hergestellt werden, daß die Kapillare
erhitzt und ausgedehnt wird, die größer ist als die endgülti
gen Abmessungen des herzustellenden Wellenlängenwandlerelemen
tes.
Zweitens steht der Wellenlängenwandlungsgrad in, einer Bezie
hung zu der sogenannten Arbeitslänge, und zum Erhalt eines
hohen Wellenlängenwandlungsgrades muß die Faserlänge so lang
wie möglich gewählt werden, und darüber hinaus ist die Ver
wendung einer Faser mit einem großen Manteldurchmesser erfor
derlich, um eine Phasenstörung infolge einer Reflexion der
zweiten Harmonischen an einer Grenzfläche zwischen dem Mantel
und der Luft zu verhindern.
Allerdings wird das Verhältnis des Kerndurchmessers zu dem
Manteldurchmesser beinahe nur durch das Verhältnis des Kern
durchmessers zum Manteldurchmesser vor der Ausdehnung mittels
Erhitzung festgelegt, und dieses Verhältnis beträgt etwa 1 :
1000, so daß es sehr schwierig ist, einen Mantel mit einem
extrem großen Durchmesser zu erhalten.
Drittens ist an beiden Endstirnflächen des Wellenlängenwand
lerelementes ein organisches, nicht-lineares optisches Mate
rial in dem Kernabschnitt der Luft ausgesetzt, was zu einer
Beeinträchtigung des Materials führt, und es ist erforderlich,
eine Abdichtungsschicht auf den Endstirnflächen der Faser an
zubringen, um dieses Problem zu vermeiden.
Das mit dem gattungsgemäßen Verfahren aus der DE 38 09 182 A1 hergestellte Wandlerelement besteht aus einem Substrat, in dem
eine Nut ausgebildet ist zur Aufnahme des nichtlinearen optischen Materials. Auf der
Oberfläche des Substrats ist eine Glasplatte so aufgeklebt, daß sie das nichtlineare optische
Material abdeckt. Seitlich neben der Glasplatte befinden sich Elektroden, an die im Betrieb des
Wandlerelements eine Spannung angelegt werden kann, um im nichtlinearen optischen Material ein
elektrisches Feld zu erzeugen, wodurch sich der Brechungsindex des optischen nichtlinearen Materials
ändert, so daß eine Phasenmodulation des Lichts erfolgt, das durch das
nichtlineare optische Material hindurchtritt.
Aus der JP-A-1-265 235 ist ein Wellenlängenwandlerelement bekannt, mit einem
Substrat und einem darin eingebetteten Wellenleiter, dessen Material lediglich zu 30% aus einem optischen nichtlinearen Material besteht. Zur Modulation der Intensität wird
eine Spannung an ein Elektrodenpaar angelegt, welches das Substrat zwischen sich
einschließt. Durch das Anlegen einer Spannung wird die Orientierung der Kristalle eines
organischen, nicht-linearen optischen Materials beeinflußt.
Aus der EP 0 254 921 A2 ist ein Wandelelement bekannt mit mehreren Nutabschnitten,
welche parallel zueinander und in einem Winkel zur Ausziehrichtung des Substrats
verlaufen sollen, um eine gute Kristallisierung des organischen, nicht-linearen optischen
Materials zu erhalten.
Schließlich ist aus der JP-A-2-66524 ein Wandelelement mit einem optischen, nicht
linearen organischen Material bekannt, welches in einem Nutabschnitt zwischen zwei
Glassubstraten eingebettet ist.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes
Verfahren zur Herstellung eines Wellenlängenwandlerelements anzugeben,
welches zu einem Element mit verbessertem Wandlungswirkungsgrad führt.
Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren nach Anspruch 1 gelöst.
Die Erfindung wird nachstehend anhand zeichnerisch darge
stellter Ausführungsbeispiele näher erläutert, aus welchen
sich weitere Vorteile und Merkmale ergeben. Es zeigt:
Fig. 1(a) bis 1(c) Perspektivansichten mit einer Darstellung
eines Verfahren für die Herstellung eines Wellenlän
genwandlerelementes
in zeitlicher Abfolge.
Fig. 2(a) bis 2(c) Perspektivansichten mit einer Darstellung
eines Verfahrens für die Herstellung eines abgewandelten Wellenlän
genwandlerelementes.
Fig. 3(a) bis 3(c) Perspektivansichten mit einer Darstellung
eines Verfahrens für die Herstellung eines Wellenlän
genwandlerelementes als eine erste Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 4 eine teilweise ebene Aufsicht auf Fig. 3(a); und
Fig. 5(a) und 5(c) Perspektivansichten mit einer Darstellung
eines Verfahrens für die Herstellung eines Wellenlän
genwandlerelementes als eine zweite Ausführungsform der
Erfindung.
Die Fig.
1(a) bis 1(c) sind Perspektivansichten mit einer Darstellung
eines Verfahrens für die Herstellung eines Wellenlängenwandlerele
mentes.
Das Wellenlängenwandlerelement 1 wird da
durch hergestellt, daß ein erstes Mantelteil 10 und ein zwei
tes Mantelteil 20 über einen Kernabschnitt 30 verbunden wer
den.
Das Mantelteil 10 wird aus einem Glasmaterial hergestellt,
welches eine beinahe rechteckige Quaderform aufweist, und ein
Nutabschnitt 15 ist mit einer Verbindungsstirnfläche 10a mit
dem zweiten Mantelteil 20 angeordnet.
Als derartiges Glasmaterial sind optische Glaserzeugnisse wie
beispielsweise SF15, SF1, SF4, LaFO2, LaFO7 und LaO8 verfüg
bar.
Der Nutabschnitt 15 ist so angeordnet, daß er einen optischen
Wellenleiter ausbildet, indem das nachstehend beschriebene
Kernmaterial eingefüllt wird, und aus diesem Grund ist all
gemein der Nutabschnitt 15 in einem zentralen Abschnitt des
Mantelteils 10 entlang dessen Längsrichtung ausgebildet.
Vorzugsweise sollte ein Querschnitt dieses Nutabschnitts 15
eine rechteckige Form aufweisen, und das Querschnittsseiten
verhältnis (ein Verhältnis der Breite zur Höhe) sollte in
einem Bereich von 0,8 bis 1,2 liegen. Diese Spezifikationen
sind erforderlich, um den Querschnitt so kreisförmig wie mög
lich auszubilden, so daß eine Intensitätsverteilung einer
erzeugten zweiten Harmonischen eine homogene Ringform anneh
men kann. Vorzugsweise sollte der voranstehend beschriebene
Nutabschnitt dadurch hergestellt werden, daß ein photolito
graphisches Verfahren zur Erleichterung einer präzisen Bear
beitung eingesetzt wird. Das photolitographische Verfahren
weist im allgemeinen (1) ein Beschichtungsverfahren mit ei
nem Photolack auf, (2) einen Belichtungsschritt, (3) einen
Entwicklungsschritt, (4) einen Ätzvorgang, und (5) ein Ent
fernungsverfahren für den Photolack.
Bei dem Photolackbeschichtungsvorgang (1) wird der Photo
lack auf die Verbindungsstirnfläche des ersten Mantel
teils 10 aufgebracht, in welchem der Nutabschnitt angeordnet
ist. Der Photolack wird allgemein mit einem Spinner aufge
bracht. Der Photolackfilm, mit dem die Verbindungsstirnfläche
beschichtet wird, wird in einem Ofen erhitzt (dieser Vorgang
wird als späteres Ausheizen bezeichnet), und zwar unmittelbar
nach Aufbringen des Photolacks in dem Beschichtungsvorgang,
um vollständig das in dem Photolack enthaltene Lösungsmittel
zu verdampfen, und um die Haftung zwischen dein Photolackfilm
und dem Mantelteil 10 zu verbessern.
In dem Belichtungsvorgang (2) wird der Photolack über eine
Maske ultravioletten Strahlen ausgesetzt, um ein Nutmuster
zu bilden. Im allgemeinen erfolgt das Maskieren nach der Kon
taktmethode.
Bei dem Entwicklungsvorgang (3) erfolgt die Entwicklung ent
weder durch Eintauchen des Photolacks in eine Entwickler
lösung, oder durch Aufsprühen der Entwicklerlösung über den
Photolack. Falls der Photolack ein Negativtyp ist, werden
Teile des Photolacks, die nicht ultravioletten Strahlen aus
gesetzt sind, weggeschmolzen, wogegen Photolack in den expo
nierten Stellen verbleibt. Nach der Entwicklung wird ein an
schließender Ausheizvorgang durchgeführt, um die Eigenschaf
ten bezüglich der Ätzbeständigkeit zu verbessern.
Bei dem Ätzvorgang (4) erfolgt eine Nutbearbeitung bis zu der
festgelegten Tiefe infolge der Ätzung.
Bei dem Photolackentfernungsvorgang (5) wird der Photolack
unter Verwendung eines geeigneten organischen Lösungsmittels
entfernt.
In den auf diese Weise ausgebildeten Nutabschnitt 15 wird ein
sogenanntes nicht-lineares optisches Material eingefüllt, um
den Kernabschnitt 30 auszubilden.
Vorzugsweise wird ein organisches, nicht-lineares optisches
Material mit einem hohen Wellenlängenwirkungsgrad als das
nicht-lineare optische Material verwendet. Als organisches
nicht-lineares optisches Material sind folgende Materialien
verfügbar:
MNA (2-Methyl-4-nitroanilin),
DAN (4-(N,N-Dimethylamino)-3-acetamidonitrobenzol),
NPP (N-(4-Nitrophenyl)-(L)-prolinol),
PNP (2-(N-Prolinol)-5-nitropyridin),
DMNP (3,5-Dimethyl-1-(4-nitrophenyl)-pyrazol),
MMONS (3-Methyl-4-methoxy-4'-nitrostilben),
m-NA (Metanitroanilin),
MAP (3-Methyl-(2,4-dinitrophenyl-aminopropanoat)),
POM (3-Methyl-4-nitropyridin-1-oxid),
HEX (Hexamin), und
BZL (Benzyl).
MNA (2-Methyl-4-nitroanilin),
DAN (4-(N,N-Dimethylamino)-3-acetamidonitrobenzol),
NPP (N-(4-Nitrophenyl)-(L)-prolinol),
PNP (2-(N-Prolinol)-5-nitropyridin),
DMNP (3,5-Dimethyl-1-(4-nitrophenyl)-pyrazol),
MMONS (3-Methyl-4-methoxy-4'-nitrostilben),
m-NA (Metanitroanilin),
MAP (3-Methyl-(2,4-dinitrophenyl-aminopropanoat)),
POM (3-Methyl-4-nitropyridin-1-oxid),
HEX (Hexamin), und
BZL (Benzyl).
Das organische, nicht-lineare optische Material, wie es vor
anstehend beschrieben wurde, wird einmal geschmolzen, dann
in den Nutabschnitt 15 eingefüllt, abgekühlt und darin kri
stallisiert, um den Kernabschnitt 30 auszubilden.
Die Verbindungsstirnfläche 10a des ersten Mantelteils 10 mit
dem Nutabschnitt, der mit organischem, nicht-linearem opti
schen Material gefüllt ist, wird durch das zweite Mantelteil
20 abgedeckt, so daß der Kernabschnitt 30 versiegelt werden
kann. Im allgemeinen muß das zweite Mantelteil 20 nur eine
rechteckige, quaderförmige Form aufweisen, und vorzugsweise
sollte das Material dasselbe sein wie das des voranstehend
angegebenen ersten Mantelteils 10. Es wird darauf hingewie
sen, daß die Verbindungsstelle zwischen dem ersten Mantelteil
10 und dem zweiten Mantelteil 20 beispielsweise auf anhaften
de Weise hergestellt wird, unter Verwendung der optischen
Kontakttechnologie, oder auf anhaftende Weise unter Verwen
dung eines optischen Klebemittels wie beispielsweise Balsam,
Epoxyharz, Methacrylharz oder Polyesterharz.
Nachstehend wird ein abgewandeltes Wellenlän
genwandlerelement unter
Bezug auf die Fig. 2(a) bis 2(c) beschrieben.
Ein Wellenlängenwandlerelement
ist in der Hinsicht von dem zuerst beschriebenen Element
verschieden, daß Kantenstirnflächen eines Nut
abschnitts 55 eines ersten Mantelteils 50 nicht freigelegt
sind. Mit anderen Worten wird der Nutabschnitt 55 des ersten
Mantelteils 50 so ausgebildet, daß er beide Seitenflächen 50a
auf beiden Seiten des ersten Mantelteils 50
nicht durchdringt.
Mit diesem Aufbau wird das organische, nicht-lineare optische
Material, das in dem Nutabschnitt 55 eingefüllt ist, voll
ständig gegenüber der Außenatmosphäre abgedichtet, was
wirksam eine Beeinträchtigung des orga
nischen, nicht-linearen optischen Materials verhindert.
Nachstehend erfolgt eine Beschreibung einer ersten Ausfüh
rungsform des Wellenlängenwandlerelements gemäß der
vorliegenden Erfindung unter Bezug auf die Fig. 3(a) bis 3(c).
Ein Wellenlängenwandlerelement gemäß der ersten Ausführungs
form unterscheidet sich wiederum von den oben beschriebenen
Ausführungsformen darin, daß Elektroden 90 in den Flä
chen entlang beiden Seiten des Nutabschnitts 75 angeordnet
sind. An die Elektroden 90
wird Spannung angelegt, und wenn das geschmolzene organische,
nicht-lineare Material, das in den Nutabschnitt 75 eingefüllt
wird, kristallisiert, wird die Kristallorientierung des Ma
terials durch die Spannung kontrolliert. Daher kann durch
Steuern der Kristallorientierung der Wandlungswirkungsgrad
verbessert werden. Darüber hinaus kann durch Anlegen einer
Spannung nach dem Kristallisieren des organischen, nicht
linearen optischen Materials ein Brechungsindex des Materials
gesteuert werden, und dies trägt ebenfalls zu einer Verbesse
rung des Wandlerwirkungsgrades bei. Es wird darauf hingewie
sen, daß gemäß Fig. 4 die Elektroden 90 (die durch
Schräglinien in der Figur dargestellt sind) so angeordnet
sind, daß sie nicht den Kernabschnitt 80 berühren, sondern
in einer Entfernung P in einem Bereich von 2 bis 5 µm hier
von entfernt liegen. Darüber hinaus ist, wie in Fig. 3(b) und
Fig. 4 gezeigt, ein Paar Zuführungsdrähte 91 mit den Elektro
den 90 verbunden, und hieran wird eine geeignete Spannung
angelegt. Es wird darauf hingewiesen, daß die Elektroden 90
und die Zuführungsdrähte 91 aus einem Material wie beispiels
weise Kupfer, Aluminium, Silber, Gold oder Platin hergestellt
werden, auf eine Weise wie bei dem photolitographischen Ver
fahren.
Nachstehend erfolgt eine Beschreibung der Tatsache, warum es
erforderlich ist, die Kristallorientierung und den Brechungs
index zu steuern. Die Tatsache, daß es beispielsweise vorteil
haft ist, einen Brechungsindex n2 des organischen, nicht
linearen optischen Materials bei der zweiten Harmonischen
kleiner zu wählen als einen Brechungsindex n1 des organi
schen, nicht-linearen optischen Materials bei der Fundamen
talfrequenz, um eine höhere Ausgangsleistung der zweiten
Harmonischen zu erhalten, wurde bereits
in der japani
schen offengelegten Patentveröffentlichung Nr. 2-189205 vorgeschlagen.
Zusätzlich weisen im allgemeinen nicht-lineare optische Kri
stalle eine Anisotropie in ihren Brechungsindices auf, und
die voranstehend angegebene Bedingung, daß n1 ≧ n2 ist,
kann dadurch erzielt werden, daß die Kristallorientierung
eingestellt und/oder der Brechungsindex des Kristalls geän
dert wird, so daß eine höhere Ausgangsleistung der zweiten
Harmonischen erhalten werden kann.
Nachstehend erfolgt eine Beschreibung einer zweiten Ausfüh
rungsform des Wellenlängenwandlerelements gemäß der vorlie
genden Erfindung unter Bezug auf die Fig. 5(a) bis 5(c).
Merkmale des Wellenlängenwandlerelements bei der zweiten
Ausführungsform umfassen Merkmale der voranstehend angegebe
nen Ausführungsformen. Mit anderen Worten
weist ein Wellenlängenwandlerelement 4 Elektroden 190
auf, die benachbart beiden Seitenflächen entlang einem
Nutabschnitt 175 angeordnet sind, um eine Spannung anzulegen,
um die Kristallorientierung und den Brechungsindex zu steuern,
und gleichzeitig wird der Nutabschnitt 175 so ausgebildet,
daß die Seitenflächen 170a des voranstehend ange
gegebenen Mantelteils in der Längsrichtung des Nutabschnitts
175 nicht durchdrungen werden. Mit diesem Aufbau können nicht nur die Kristall
orientierung und der Brechungsindex des Kernabschnitts auf
geeignete Weise gesteuert werden, sondern es kann auch eine
Beeinträchtigung des organischen, nicht-linearen optischen
Materials verhindert werden, welches in dem Kern eingefüllt
ist.
Da das Wellenlängenwandlerelement dadurch aufgebaut wird, daß
ein erstes Mantelteil, welches einen Nutabschnitt aufweist,
der mit einem organischen, nicht-linearen optischen Material
gefüllt ist, und ein zweites Mantelteil miteinander verbun
den werden, und der Kerndurchmesser präzise gesteuert werden
kann, kann der Manteldurchmesser auf einfache Weise größer
gemacht werden. Darüber hinaus sind Elektroden in den Berei
chen entlang dem Nutabschnitt auf dessen beiden Seiten ange
ordnet, um eine Spannung anzulegen, so daß die Kristallorien
tierung und der Brechungsindex einfach gesteuert werden kön
nen.
Weiterhin ist der Nutabschnitt so ausgebildet, daß er Seiten
stirnflächen des voranstehend angegebenen ersten Mantelteils
in der Längsrichtung des Nutabschnitts verläßt, so daß eine
Beeinträchtigung des organischen, nicht-Iinearen optischen
Materials, das in dem Kern eingefüllt ist, ebenso vermieden
werden kann wie eine Beeinträchtigung von dessen Kupplungs
wirkungsgrad.
Es wird darauf hingewiesen, daß diese Erfindung nicht auf die
beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist, und daß sich
zahlreiche weitere Änderungen und Modifikationen vornehmen
lassen, ohne von dem Umfang der vorliegenden Erfindung abzu
weichen, der sich aus der Gesamtheit der vorliegenden Anmel
deunterlagen ergibt.
Claims (5)
1. Verfahren zur Herstellung eines Wellenlängenwandlerelements mittels Verbinden
eines ersten Mantelteils (70, 170) mit einem zweiten Mantelteil (20) über einen
Kernabschnitt (80, 180), wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt:
Anordnen eines Nutabschnitts (75, 175) in einer Verbindungsoberfläche des ersten Mantelteils (70, 170),
Ausbilden von eng benachbarten Elektroden (90, 190) auf beiden Seiten des Nutabschnitts (75, 175),
Ausbilden des Kernabschnitts (80, 180) durch Einfüllen eines geschmolzenen organischen, nicht-linearen optischen Materials in den Nutabschnitt (75, 175), und nachfolgendes Abkühlen des organischen, nicht-linearen optischen Materials, dadurch gekennzeichnet, daß während des Übergangs beim Abkühlen von der geschmolzenen in die kristalline Phasen eine elektrische Spannung an die Elektroden (90, 190) angelegt wird, um während der Kristallisierung des geschmolzenen organischen, nicht-linearen Materials, dessen Kristallorientierung zu beeinflussen.
Anordnen eines Nutabschnitts (75, 175) in einer Verbindungsoberfläche des ersten Mantelteils (70, 170),
Ausbilden von eng benachbarten Elektroden (90, 190) auf beiden Seiten des Nutabschnitts (75, 175),
Ausbilden des Kernabschnitts (80, 180) durch Einfüllen eines geschmolzenen organischen, nicht-linearen optischen Materials in den Nutabschnitt (75, 175), und nachfolgendes Abkühlen des organischen, nicht-linearen optischen Materials, dadurch gekennzeichnet, daß während des Übergangs beim Abkühlen von der geschmolzenen in die kristalline Phasen eine elektrische Spannung an die Elektroden (90, 190) angelegt wird, um während der Kristallisierung des geschmolzenen organischen, nicht-linearen Materials, dessen Kristallorientierung zu beeinflussen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Nutabschnitt (75,
175) des ersten Mantelteils (70, 170) durch ein photolitographisches Verfahren
ausgebildet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der
Abstand zwischen dem Nutabschnitt (75, 175) und den Elektroden (90, 190) im Bereich
zwischen 2 und 5 µm liegt.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß der Nutabschnitt (75, 175) so ausgebildet wird, daß dieser von Seitenflächen (170a) des ersten Mantelteils (70,
170) sowie des zweiten Mantelteils (20) allseitig umschlossen wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß der Nutabschnitt (75, 175) so ausgebildet wird, daß er einen im wesentlichen rechteckigen
Querschnitt aufweist, mit einem Verhältnis der Breite zur Höhe von 0,8
bis 1,2.
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|---|---|---|---|
| JP2402606A JPH04216530A (ja) | 1990-12-17 | 1990-12-17 | 波長変換素子 |
Publications (2)
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|---|---|
| DE4131410A1 DE4131410A1 (de) | 1992-06-25 |
| DE4131410C2 true DE4131410C2 (de) | 1998-07-16 |
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| GB2252174B (en) | 1995-01-04 |
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