DE4212372A1 - Optischer Wellenleiter mit ferroelektrischer Mikrodomäneninversion und Herstellungsverfahren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Wellenleiter auf einem senkrecht zu einer der optischen Achsen geschnittenen Kristall aus Lithiumniobat mit einer periodischen Umkehr ferroelektrischer Mikrodomänen und somit deren nichtlinearen optischen Koeffizienten entlang dem Wellenleiter sowie dessen Herstellungsverfahren.

Ein derartiger Wellenleiter und sein Herstellverfahren ist aus Journ. of Lightwave Technology, Vol. 7, 1989, 1597-1599 bekannt. Dabei handelt es sich um einen Z-Schnitt-Lithium­ niobatkristall. Dieser wurde mit einer periodischen Struktur aus Titan belegt und bei Temperaturen zwischen 900°C und 1100°C, also nahe der Curie-Temperatur des Lithiumniobates, für mehrere Stunden getempert, wonach eine entsprechend periodische Mikrodomäneninversion nachweisbar war. In einen derartigen Wellenleiter wurde von 800 mW eingespeistem IR-Licht nur 360 µW grünes Licht doppelter Frequenz ausgekoppelt. Weitere Verfahrensschritte, nämlich ein Protonenaustausch mit einer Nachheilung, wurden zur Verbesserung des Wirkungsgrades der Lichtumwandlung angeregt.

Weiterhin ist in Electronic Letters Vol. 26, 1990, 188, 189 eine periodisch Mikrodomäneninversion eines Z-Schnittes eines Lithiumniobatkristalles beschrieben, wobei eine Nickelchromschicht und eine periodisch strukturierte Goldmaske auf den Z-Schnitt aufgebracht sind. Dieser wurde dann eine Stunde lang mit hochenergetischen Elektronenstrahlen beaufschlagt, wobei eine statische elektrische Spannung mit einem Pol an die beiden genannten Metallschichten und mit dem Gegenpol an eine Metallschicht auf der anderen Kristallseite angeschlossen war und eine Temperatur von 580°C herrschte. Eine Ausheilung der eingebrachten Störstellen über 5 Stunden bei 650°C war danach erforderlich. Hierdurch konnte eine periodische Mikrodomäneninversion erreicht werden. Die eingebrachten Störstellen verursachen aber hohe Streuverluste im Kristall.

Weiterhin ist in Proc. Phot. Instr. Eng. 1362, 1990, 370-376 die Erzeugung einer periodischen Umkehr der Mikro­ domänen auf einen Y-Schnitt eines Lithiumniobatkristalles beschrieben, wozu auf diesem voneinander beabstandet, längs des Wellenleiters meanderförmig strukturierte Elektroden aufgebracht sind, zwischen denen bei einer Temperaturänderung der Kristalles eine pyroelektrische Spannung mit einer elektrischen Feldverteilung nahe der Kristalloberfläche zwischen den Elektroden entsteht, die einen Gradienten in Richtung der Z-Achse der Kristallorientierung aufweist, wenn eine Aufheizung des Kristalles auf ca. 400°C über etwa 35 Minuten und danach eine relativ schnelle Abkühlung erfolgt. Die nachgewiesene Tiefe der periodischen Domänenstruktur betrug nur 0,25 µm, was für einen Frequenzverdoppler von Infrarotstrahlung praktisch nicht brauchbar ist, da für einen titandotierten Wellenleiter eine Domänentiefe von ca. 4,2 µm als ein Optimum anzustreben ist.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen optischen Wellenleiter der eingangs genannten Art mit einem höheren optischen Konversionsgrad von eingespeistem IR-Licht in Licht doppelter Frequenz zu offenbaren und ein vereinfachtes Herstellungsverfahren dafür aufzuzeigen.

Die Lösung besteht darin, daß der Wellenleiter auf einem Y-Schnitt oder einem X-Schnitt ausgebildet ist und die in der Längsrichtung des Wellenleiters materialmäßig homogenen, periodisch umgekehrten ferroelektrischen Mikrodomänenbereiche eine Tiefe von über 1 µm aufweisen, wobei zu deren Erzeugung insbesondere das Verfahren gemäß der Verfahrensansprüche dient.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Wellenleiters und des Herstellungsverfahren sind in den Unteransprüchen angegeben.

Das Verfahren zur Erzeugung von periodisch mikrodomäneninvertierten oberflächennahen Bereichen auf einem X-Schnitt oder einen Y-Schnitt eines Lithiumniobatkristalles geht davon aus, daß ein parallel zur optischen Achse an der Oberfläche des ferroelektrischen Lithiumniobates angelegtes elektrisches Feld, welches der spontanen Polarisation entgegengerichtet ist, eine gezielte Umkehr der kristallographischen Z-Achse, also eine sogenannte Mikrodomäneninversion, bewirken kann. Durch Aufdampfen einer passend geformten Elektrodenstruktur war es bei der vorbekannten Ausnutzung der bei einer Temperaturänderung im Kristall erzeugten pyroelektrischen Felder nur möglich, eine Mikrodomäneninversion bis zu einer Tiefe von 0,25 µm durchzuführen. Der Herstellungsprozeß wurde durch ein Anlegen einer externen, gepulsten Spannung ergänzt. Dadurch ist es überraschend möglich, gezielt größere Tiefen für die invertierten Mikrodomänen zu erreichen. Außerdem wird keine spezieller Temperaturzyklus mehr benötigt, da die an den Elektroden anliegende Spannung nicht mehr von der Temperatur abhängt. Vorteilhaft ist auch, daß die niedrigen Herstellungstemperaturen von um 300°C eine periodische Modulation der linearen Eigenschaften verhindern.

Das Herstellverfahren ermöglicht es, für eine optimale Umzusetzung des Lichtes bei einer SHG (Second Harmonic Generation) verschiedener Lichtquellen unterschiedlicher Wellenlängen jeweils eine Quasi-Phasenanpassung durch eine geeignete Wahl der Periodenlänge zu treffen. Bei der Bestimmung der Periodenlänge wird die Brechungsindexänderung, die bei der Wellenleiterherstellung auftritt, vorteilhaft mitberücksichtigt.

Die Anwendungsgebiete der Mikrodomäneninversion auf X- und Y-Schnittflächen sind einerseits die nichtlineare Optik, wobei der Phasenanpaßbereich für eine Frequenzverdopplung, eine Differenz- oder Summenfrequenzerzeugung oder für eine optische parametrische Oszillation geeignet verschoben wird, und andererseits die optische Nachrichtentechnik, z. B. für eine Modenkonversion.

Insbesondere ist eine vorteilhafte Kombination eines derartig periodisch strukturierten Wellenleiters mit anderen optischen Bauelementen, die integriert oder optisch gekoppelt in die gleiche Kristalloberfläche eingebracht sind, herzustellen, wobei die bevorzugt auf X- oder Y-Schnitten von Lithiumniobatkristallen hergestellten Modulatoren und akustischen Oberflächenwellenleiter (SAW) zur Anwendung kommen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Fig. 1 bis 5 dargestellt.

Fig. 1 zeigt perspektivisch, unmaßstäblich einen Wellenleiter auf einem Kristall mit periodisch veränderten Mikrodomänen;

Fig. 2 zeigt den Kristall präpariert zur Erzeugung der Mikrodomänen;

Fig. 3 zeigt den Prozeßparameterbereich der Domäneninversion;

Fig. 4 zeigt die Domänentiefen abhängig von der Prozeßtemperatur;

Fig. 5 zeigt einen Frequenzverdoppler mit einem Wellenleiter mit periodisch veränderten Mikrodomänen.

In Fig. 1 ist ein Wellenleiter (1) auf einem Lithiumniobatkristall (2) gezeigt, der in eine Y- oder X-Schnittfläche eingebracht ist. Er weist eine Weite (D) in Richtung der Z-Achse des Kristalles auf und hat in seiner Längsrichtung mit einer Periodizität von (L) jeweils etwa gleich lange Bereiche (L1, L2), von denen jeweils der eine durch eine Mikrodomäneninversion bis in eine Tiefe (T) verändert und der andere unverändert ist.

Fig. 2 zeigt einen Lithiumniobatkristall (2), der mit einem Elektrodenpaar (E1, E2), vorzugsweise aus aufgedampftem Aluminium, auf seiner X- oder Y-Schnittfläche belegt ist. Diese Elektroden weisen eine sich symmetrisch gegenüberliegende Fingerstruktur mit der Periodizität (L) auf, wobei die Fingerenden sich symmetrisch zum Wellenleiter (1) jeweils etwa über dem Rand des Wellenleiters (1) befinden und dort einen Abstand entsprechend einer Weite (W) aufweisen. Die beiden Elektroden (E1, E2) sind an einen Spannungsgenerator (UG) angeschlossen, der periodisch Spannungsimpulse einer Spitzenspannung (UP) abgibt, während der Kristall (2) auf eine Prozeßtemperatur (TP) über eine Inversionstemperatur aufgeheizt wird. Danach wird der Umschalter (US) betätigt, wodurch die Elektroden (E1, E2) kurzgeschlossen sind, und dann wird die Temperatur wieder auf die Umgebungstemperatur abgesenkt.

Die Spannungsimpulse werden nach praktischer Erfahrung zweckmäßig aus einem 700 Hz-Generator mit einer Halbwellengleichrichtung ohne Glättung gewonnen. Es genügt eine Dauer der Impulsspannungsbeaufschlagung von wenigen Sekunden. Fünf Sekunden haben sich als ausreichend erwiesen.

Fig. 3 zeigt für einen Y-Schnitt, der strukturiert ist mit Bereichslängen (LL1, LL2) der invertierten und nicht invertierten Bereiche (L1, L2) von 25 µm und der bei einem Elektrodenabstand (W) von 6 µm spannungsmäßig beaufschlagt wurde, ein Betriebsparamenterdiagramm für geeignete Kombinationen der Impulsspitzenspannung (UP) und der Prozeßtemperatur (TP) . Wie man sieht, ist bei Temperaturen ab 220°C zusammen mit einer Impulsspitzenspannung (UP) ab etwa 140 V eine Inversion der Mikrodomänen zu erreichen. Bei höheren Temperaturen (TP), empfohlen ist ein Temperaturbereich bis 340°C, kann die Impulsspannung (UP) etwa linear bis auf 70 V abgesenkt werden. Bei den höheren Temperaturen muß man darauf achten, daß jeweils eine Überschlagfeldstärke zwischen den Elektrodenfingern nicht überschritten wird. Die entsprechende Spannungsgrenze (UM) ist in der Figur für die einfachen Verhältnisse in Luft angegeben, wobei keine besonderen Isolationsmaßnahmen ergriffen wurden. Nur die Ecken der Elektrodenfinger sind leicht abgerundet um Feldstärkenspitzen dort zu vermeiden.

Fig. 4 zeigt ein Diagramm der Domänentiefe (T) in der Mitte des invertierten Domänenbereiches (L1) in Abhängigkeit von der Prozeßtemperatur (TP) bei einer Spitzenspannung (UP) von 100 V, wobei im übrigen die Struktur, wie unter Fig. 3 beschrieben, vorlag. Bei der Erzeugung von invertierten Domänenbereichen anderer Periodizität und Weite ist bei der Gestaltung der Elektroden und der Spannungs- und Temperaturwahl darauf zu achten, daß die elektrische Feldstärke, die die Impulsspannung in den Bereichen (L2), die zwischen den seitlichen Zwischenräumen der Elektrodenfinger liegen, jeweils unter der Inversionsfeldstärke liegt, weshalb der seitliche Fingerabstand (LL2) zweckmäßig möglichst groß im Verhältnis zur Spaltweite (W), d. h. dem Fingerspitzenabstand, gewählt wird.

Fig. 5 zeigt eine Frequenzverdopplervorrichtung bei der das Licht einer Laserdiode (10) durch einen optischen Isolator (11) in bekannter Weise auf das Ende des Wellenleiters (1) fokussiert wird, den es vermittels der periodisch angeordneten Mikrodomänenbereiche (L1) teilweise auf die doppelte Frequenz konvertiert durchläuft, wonach es andernends oder nach einer Reflektion eingangsseitig abzunehmen ist.

Die Periode (L) der invertierten Mikrodomänenbereiche (L1) ist dabei vorteilhaft der Wellenlänge des Lichtes des verwandten Lasers angepaßt gestaltet, um eine Quasi-Phasenanpassung zu erreichen. Für die Fundamentalwellenlänge ergibt sich beispielsweise:

Durch die Brechungsindexänderungen bei der Wellenleiterherstellung weichen die Perioden für optische Wellenleiter von obigem Tabellenwert ab, z. B. für die 1. Ordnung bei der Wellenlänge 833 nm ergibt sich eine Periodenlänge von nur ca. 2.5 in H_xLi_1-xNbO₃-Wel­ lenleitern; in Ti:LiNbO₃-Wellenleitern sind die Abweichungen zu den oben angegebenen Periodenlängen jedoch nur sehr gering.

Claims (12)

1. Wellenleiter (1) auf einem senkrecht zu einer der optischen Achsen geschnittenen Kristall (2) aus Lithiumniobat mit Bereichen (L1) einer periodischen Umkehr ferroelektrischer Mikrodomänen und somit deren Nichtlinearen optischen Koeffizienten entlang dem Wellenleiter (1) ,dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenleiter (1) auf einem Y-Schnitt oder einem X-Schnitt ausgebildet ist und die in der Längsrichtung des Wellenleiters (1) materialmäßig homogenen, periodisch umgekehrten ferroelektrischen Mikrodomänenbereiche (L1) eine tiefe (T) von über 1 µm aufweisen.

2. Wellenleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrodomänenbereiche (L1, L2) eine Periodizitätslänge (L) zwischen 1 µm und 30 µm, und die invertierten Mikrodomänenbereiche (L1) eine Weite (D) in Querrichtung der Wellenleitererstreckung und in Richtung der Z-Achse von 1-20 µm und eine Tiefe (T) von 1-10 µm aufweisen.

3. Wellenleiter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß er für die Verwendung als Frequenzverdoppler zu einer Quasi-Phasenanpassung für Licht eines Argonlasers mit einer Fundamentalwellenlänge von 1092 nm die Mikrodomänenbereiche (L1, L2) der Periodenlänge (L) von 7,4 µm aufweist oder für das Licht eines Neodym-YAG-Lasers min einer Fundamentalwellenlänge von 1064 nm die Periodenlänge (L) von 6,8 µm oder für das Licht einer Laserdiode einer Wellenlänge von etwa 833 nm für eine 1. Ordnung die Periodenlänge (L) von 3 µm oder für eine 3. Ordnung die Periodenlänge (L) von 9 µm aufweist, und zwar jeweils, wenn der Wellenleiter (1) eine Titandotierung enthält, oder jeweils um an eine Brechungsindexänderung bei Wellenleitern (1) mit einem Protonenaustausch angepaßte kürzere Periodenlänge (L) aufweist.

4. Wellenlänge nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß Licht der Argonlasers, des Neodym-YAG-Lasers oder der Laserdiode (10) über einen optischen Isolator (11) geleitet und auf eine Stirnseite des Wellenleiters (1) fokussiert ist, aus dem Licht der doppelten Frequenz ausgekoppelt wird.

5. Wellenlänge nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Lithiumniobatkristall (2) in die gleichen Schnittflächen wie der Wellenleiter (1) mindestens ein weiteres optisches Element, wie Modulator oder akustischer Wellenleiter, eingebracht ist und optisch mit dem Wellenleiter (1) verbunden ist.

6. Verfahren zur Herstellung eines Wellenleiters nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Lithiumniobatkristall (2) ein Elektrodenpaar (E1, E2) aufgebracht wird, das eine Fingerstruktur aufweist, deren Finger sich mit einer Weite (W) über einem Randbereich des Wellenleiters (1) symmetrisch zu diesem beabstandet gegenüberstehen und die mit der Periodenlänge (L) in der Wellenleiterlängsrichtung nebeneinander stehen, und daß der Lithiumniobatkristall (2) auf eine Prozeßtemperatur (TP), die über einer Inversionstemperatur liegt, aufgeheizt und die Elektroden (E1, E2) mit den Polen einer Spannungsquelle (UG) verbunden werden, die eine periodische Impulsspannung mit einer vorgegebenen Impulsspitzenspannung (UP) für mindestens mehrere Sekunden liefert, und daß danach bei kurzgeschlossenen Elektroden (E1, E2) der Kristall (2) auf eine Umgebungstemperatur abgekühlt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Prozeßtemperatur (TP) zwischen 220°C und 350°C liegt und die Impulsspitzenspannung (UP) dazu entsprechend zwischen 150 V und 60 V liegt, wobei eine Durchschlagsspannung (UM) abhängig von der Prozeßtemperatur (TP) nicht überschritten sein darf.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsspitzenspannung (UP) höchstens so hoch gewählt wird, daß jeweils in den Wellenleiterbereichen (L2), die zwischen den seitlichen Zwischenräumen der Elektrodenfinger liegen, eine Inversionsfeldstärke bei der gegebenen Prozeßtemperatur (TP) nicht überschritten wird.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Prozeßtemperatur (TP) und die zugehörige Impulsspitzenspannung (UP) derart gewählt werden, daß der invertiert Mikrodomänenbereich (L1) eine derartige Tiefe (T) aufweist, die etwa einer jeweiligen Wellenleitertiefe entspricht.

10. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsquelle (UG) aus einem Wechselspannungsgenerator mit einem nachgeschalteten Halbwellengleichrichter besteht.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselspannungsgenerator eine Frequenz zwischen 100 und 10000 Hz hat.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselspannungsgenerator eine Frequenz von 700 Hz hat.