DE69131612T2

DE69131612T2 - Optische Vorrichtung mit strukturierten Domänen

Info

Publication number: DE69131612T2
Application number: DE69131612T
Authority: DE
Inventors: Koichiro Kishima; Ayumu Taguchi; Masahiro Yamada
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1990-07-12
Filing date: 1991-07-12
Publication date: 2000-03-02
Anticipated expiration: 2011-07-13
Also published as: JPH04212132A; DE69133503T2; EP0785459A3; EP0785459B1; US5249250A; EP0466191A2; DE69131612D1; EP0466191A3; EP0466191B1; JP3109109B2; DE69133503D1; EP0785459A2

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches Bauteil mit einem Substrat aus einem ferroelektrischen Kristall, das an seiner Oberfläche mit einer Struktur periodisch invertierter Domänen mit einer Vielzahl invertierter Domänenbereiche versehen ist (nachfolgend als "SHG-Bauteil" bezeichnet).
In jüngerer Zeit wurden Techniken zum Verbessern der optischen Ausgangseigenschaften optischer Bauteile einschließlich SHG-Bauteilen durch Ausbilden einer Struktur mit periodisch invertierten Domänen an der Oberfläche des ferroelektrischen Kristalls vorgeschlagen. Wenn z. B. ein SHG-Bauteil Licht mit einer Frequenz ausgesetzt wird, erzeugt das SHG-Bauteil die zweite Harmonische mit der Frequenz 2 . So erweitert ein SHG-Bauteil den Wellenlängenbereich von Licht mit einer einzelnen Wellenlänge. Dieser Effekt eines SHG-Bauteils erweitert das Anwendungsgebiet von Lasern und optimiert die Nutzung von Lasern auf verschiedenen technischen Gebieten. Zum Beispiel ermöglicht die Verkürzung der Wellenlänge eines Laserstrahls eine Erhöhung der Aufzeichnungsdichte beim optischen Aufzeichnen und Abspielen unter Verwendung eines Laserstrahls und beim magnetooptischen Aufzeichnen und Abspielen unter Verwendung eines Laserstrahls.
Es wurden ein Volumen-SHG-Bauteil unter Verwendung von NbO&sub3; sowie ein SHG- Bauteil vom Wellenleitertyp vorgeschlagen, das eine vergleichsweise große nichtlineare optische Konstante zur Phasenanpassung verwendet, wie ein SHG- Bauteil mit Cerenkovstrahlung unter Verwendung eines linearen Wellenleiters, der auf einem Einkristallsubstrat aus einem nichtlinearen optischen Material wie einem ferroelektrischen Einkristall aus LiNbO&sub3; (LN) hergestellt ist, und das mittels des Substrats in einem Strahlungsmodus bei Empfang einer Grundwelle, wie Strahlung im nahen Infrarot, die zweite Harmonische emittieren kann, wie grünes oder blaues Licht.
Jedoch zeigt das bekannte Volumen-SHG-Bauteil wegen seiner charakteristischen Eigenschaften einen vergleichsweise niedrigen SH-Wandlungswirkungsgrad, und es kann kein billiges, hochqualitatives LN verwenden. Das SHG- Bauteil mit Cerenkovstrahlung emittiert einen Strahl der zweiten Harmonischen in das Substrat, und der durch dieses SHG-Bauteil mit Cerenkovstrah lung emittierte Strahl der zweiten Harmonischen bildet einen Fleck mit unregelmäßiger Form, wie einen Halbmondfleck, was zu Problemen bei der praktischen Anwendung eines SHG-Bauteils mit Cerenkovstrahlung führt.
Damit ein SHG-Bauteil mit hohem Wandlungswirkungsgrad arbeiten kann, müssen die jeweiligen Phasenausbreitungsgeschwindigkeiten der Grundwelle und der zweiten Harmonischen übereinstimmen. Die jeweiligen Phasenausbreitungsgeschwindigkeiten der Grundwelle und der zweiten Harmonischen können durch ein Verfahren zur Übereinstimmung gebracht werden, das in der Veröffentlichung von J. A. Armstrong, N. Bloombergen et al. in Phys. Rev., 127, 1918 (1962) vorgeschlagen ist, gemäß dem die Varianten "+" und "-" der nichtlinearen optischen Konstanten periodisch angeordnet sind. Eine derartige Anordnung der linearen optischen Konstante kann durch periodisches Invertieren der Ausrichtung der kristallographischen Achse erzielt werden. Die Umkehrung der Ausrichtung der kristallographischen Achse kann durch ein Verfahren erzielt werden, bei dem eine Laminatstruktur von Kristallscheiben verwendet wird, wie von Okada, Takizawa und Ieiri, in NHK Gijutsu Kenkyu 29(1), 24 (1977) beschrieben, oder durch Verfahren unter Verwendung einer Struktur mit periodisch invertierten Domänen, die dadurch hergestellt wird, dass die Polarität des Strom gesteuert wird, wie er beim Herstellen eines Kristalls durch ein Ziehverfahren zugeführt wird, wie von D. Feng, N. B. Ming, J. F. Hong et al in Appl. Phys. Lett. 6,228 (1965) und von A. Foist, P. Koidl in Appl. Phys. Lett. 47,1125 (1985) beschrieben. Diese Verfahren versuchen, eine periodische Struktur ganz in einem Kristall auszubilden. Jedoch benötigen die vorstehenden Verfahren große Vorrichtungen, und es bestehen Schwierigkeiten beim Steuern der Ausbildung der Domänen.
Es wurde ein Verfahren zum Eindiffundieren von Ti in die Oberfläche eines Kristalls zum Erzeugen einer Struktur mit periodisch invertierten Domänen in der Oberfläche eines Kristalls vorgeschlagen, wie von H. Ito, E. Cho, F. Inaba in 49. Oyo Butsuri Gakkai Keon Yoko-shu, 919 (1988) beschrieben. Jedoch variiert der Brechungsindex der durch dieses Verfahr en erzeugten invertierten Domänen, und es ist möglich, dass die Struktur mit invertierten Domänen mehrere Lichtstrahlen emittiert und dass, in manchen Fällen, die Grundwelle fehlt.
Die Anmelderin der vorliegenden Patentanmeldung schlug in der japanischen Patentanmeldung Nr. 1-184 362 ein Domänenverfahren zum Einstellen der Domäne nichtlinearer optischer ferroelektrischer Kristalle vor. Bei diesem Verfahren werden Elektroden unmittelbar gegenüberstehend, oder indirekt über Isolatoren gegenüberstehend an den entgegengesetzten Hauptflächen eines ferroelektrischen Kristalls mit einzelner Domäne angeordnet, und es wird eine Gleichspannung zwischen die Elektroden gelegt, um örtlich invertierte Domänen auszubilden, um eine Struktur mit periodisch invertierten Domänen zu erhalten. Jedoch zeigt, wie es in den Fig. 18A und 18B dargestellt ist, eine durch dieses Verfahren hergestellte Struktur mit periodisch invertierten Domänen ein Verhältnis t/w = 1 oder darunter, wobei w die Breite des invertierten Domänenbereichs ist und t die Dicke desselben ist. Daher wird eine Struktur mit winzigen periodischen invertierten Domänen erzeugt, und der Wert der Dicke wird kleiner als die Dicke eines optischen Wellenleiters. Das heißt, dass dann, wenn die Breite w ungefähr 1,5 um beträgt, um invertierte Domänenbereiche mit kleiner Schrittweite herzustellen, die Dicke t den kleinen Wert von ungefähr 0,5 um erreicht. Daher ist es, wenn die Dicke des optischen Wellenleiters ungefähr 1,0 um beträgt, unmöglich, dafür zu sorgen, dass die jeweiligen Phasenausbreit ungsgeschwindigkeiten dadurch übereinstimmen, dass die Varianten "+" und "-" der nichtlinearen optischen Konstante periodisch angeordnet werden, da im Abschnitt des optischen Wellenleiters und im Evaneszenzbereich die Struktur mit periodisch invertierten Domänen nicht korrekt ausgebildet werden kann, was einer der Gründe ist, der eine Verbesserung des Wirkungsgrads eines SHG- Bauteils verhindert.
Ein weiteres Verfahren zum Herstellen einer Struktur mit periodisch invertierten Domänen mit einem gewünschten Muster durch Bestrahlen eines nichtlinearen optischen Materials mit einem Elektronenstrahl ist im Artikel von R. W. Keys, A. Loni, B. J. Luff, P. D. Townsend et al. in Electronics Letters, 1. Februar 1990, Vol. 26, No. 3 vorgeschlagen. Wie es in Fig. 19 dargestellt ist, werden bei diesem Verfahren 50 nm dicke NiCr-Schichten 62 auf den c-Flächen 61C eines LN-Substrats 61, d. h. eines Substrats aus einem nichtlinearen optischen Material, hergestellt, und 400 nm dicke Au-Schichten 63 werden über den NiCr-Schichten 62 hergestellt, und die Au-Schicht 63 wird mit einem vorbestimmten Muster strukturiert, und es wird die strukturierte Au-Schicht 63 mit einem Elektronenstrahl beleuchtet. Das Substrat 61 wird auf ungefähr 580ºC erwärmt und mit einem Elektronenstrahl mit einer Gesamtdosis von 101 pro 9 mm², d. h. 1016/mm² bestrahlt, während ein elektrisches Feld von 10 V/cm in der Richtung entlang der c-Achse angelegt wird. Jedoch besteht bei diesem Verfahren ein Nachteil dahingehend, dass es möglich ist, dass die Oberfläche des nichtlinearen optischen Materials durch die Wärmebehandlung bei hoher Temperatur und während des Anlegens der Spannung verschmutzt wird, während das Substrat nach dem Strukturieren der Elektrodenschicht auf hohe Temperatur erwärmt wird. Die Auswärtsdiffusion von Sauerstoffmolekülen aus dem LN-Substrat 61, wie die Auswärtsdiffusion von Ni, um die invertierten Domänenbereiche auszubilden, kann möglicherweise dazu führen, dass der Brechungsindex durch Zusammensetzungsschwankungen variiert. Die Eindringtiefe der Elektronen ist eine Funktion der Energie der einfallenden Elektronen. Das optische Bauteil umfasst ferner einen Wellenleiter mit einer Tiefe, die so gewählt ist, dass der Umwandlungswirkungsgrad für die Erzeugung der zweiten Harmonischen optimiert ist.
Das Dokument Electronic Letters, Vol. 25, No. 3, 2. Februar 1989, Seiten 174-175, E. J. Lim et al., "Second-harmonic.." offenbart ein optisches Bauteil zur Erzeugung der zweiten Harmonischen mit periodischer Domänenstruktur mit einer Anzahl invertierter Domänenbereiche, die durch Titandiffusion erhalten werden. Auf Grund des Titandiffusionsprozesses zeigen die invertierten Domänenbereiche dreieckige Form, was es erschwert, eine Struktur mit invertierten Domänen mit genauer Periodizität der invertierten Domänenbereiche zu erzielen. Ferner sind die invertierten Domänenbereiche im Fall einer genaueren Periodizität ziemlich flach.
Das durch die Erfindung zu überwindende Problem besteht darin, ein optisches Bauteil mit einer Struktur mit periodisch invertierten Domänen mit einer Anzahl invertierter Domänenbereiche zu schaffen, das bei der Erzeugung der beiden Harmonischen hohen Wandlungswirkungsgrad nahezu über einen bestimmten Tiefenbereich eines Wellenleiters zeigt, der im Substrat eines ferroelektrischen Kristalls herzustellen ist.
Gemäß der Erfindung ist diese Aufgabe durch ein optisches Bauteil der oben genannten Art gelöst, bei dem die Dicke t und die Breite w der invertierten Domänenbereiche der Bedingung t/w ≥ 1 genügen.
Wenn die Dicke t und die Breite w dergestalt gewählt werden, führt dies zu einer SBG-Bauteil, mit der optische Wellenleiter mit verschiedenen Tiefen hergestellt werden können, wobei sich ein insgesamt hoher Wandlungswirkungsgrad ergibt.
Fig. 1 zeigt ein optisches Bauteil mit einem Aufbau mit periodisch invertierten Domänen vom Typ mit optischem Wellenleiter mit einer Struktur mit periodisch invertierten Domänen mit einem Substrat aus einem ferroelektrischen Kristall und einem optischen Wellenleiter, der an der Oberfläche dieses Substrats aus einem ferroelektrischen Kristall hergestellt ist, wobei das Verhältnis t/w ≥ 1 gilt, wobei w die Breite der invertierten Domänenbereiche ist und t die Dicke derselben ist. Da die invertierten Domänenbereiche der Struktur mit periodisch invertierten Domänen so ausgebildet sind, dass sie der Ungleichung t/w ≥ 1 genügen, ist die Dicke t der invertierten Domänenbereiche im Wesentlichen dieselbe wie oder größer als die Dicke Twg des optischen Wellenleiters, und zwar selbst dann, wenn die Struktur mit periodisch invertierten Domänen mit winzigem Aufbau ausgebildet ist.
Fig. 2 zeigt ein optisches Bauteil einer Konstruktion mit periodisch invertierten Domänen vom Volumentyp mit einem Substrat aus einem ferroelektrischen Kristall und einer Struktur mit periodisch invertierten Domänen, wobei 0,1 < t/T ≤ 1 gilt, wobei t die Dicke der invertierten Domänenbereiche der Struktur mit periodisch invertierten Domänen ist und T die Dicke des ferroelektrischen Kristallsubstrats ist. Da die invertierten Domänenbereiche der Struktur mit periodisch invertierten Domänen so ausgebildet sind, dass die Ungleichung 0,1 < t/T ≤ 1 gilt, kann eine Struktur mit periodisch invertierten Domänen unter Verwendung eines aus LN bestehenden Substrats, das wegen der Phasenanpassungsbedingungen bei einem Volumen-SHG- Bauteil nicht verwendet werden konnte, mit einem Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 800 nm zufriedenstellend arbeiten.
Fig. 3 veranschaulicht ein Verfahren zum Herstellen eines optischen Bauteils mit polarisierten Inversionsbereichen einer Struktur mit periodisch invertierten Domänen dadurch, dass die gesamte Oberfläche eines ferroelektrischen Kristallsubstrat mit einzelner Domäne geladenen Teilchen ausgesetzt wird, die mit einer Beschleunigungsspannung von 10 kV oder mehr pro Dickeneinheit (mm) des ferroelektrischen Kristallsubstrats beschleunigt werden, in dem die Struktur mit periodisch invertierten Domänen auszubilden ist.
Fig. 3 veranschaulicht ferner ein Verfahren zum Herstellen eines optischen Bauteils, bei dem polarisierte Inversionsbereiche einer Struktur mit periodisch invertierten Domänen dadurch hergestellt werden, dass die gesamte Oberfläche eines ferroelektrischen Kristallsubstrats mit einzelner Domäne, oder ein solches nur örtlich geladenen Teilchen mit einer Stromdichte von 1 uA/mm² oder mehr ausgesetzt wird, wobei im Substrat die Struktur mit periodisch invertierten Domänen auszubilden ist.
Das Verfahren zum Herstellen eines optischen Bauteils mit einem Aufbau mit periodisch invertierten Domänen verwendet eine Beschleunigungsspannung von 10 kV pro Dickeneinheit in Millimetern oder eine Bestrahlungsstromstärke von 1 uA/mm² oder mehr beim Belichten der gesamten Oberfläche eines ferroelektrischen Kristallsubstrats mit einzelner Domäne oder beim örtlichen Bestrahlen eines solchen Substrats, in dem die Struktur mit periodisch invertierten Domänen auszubilden ist, um die invertierten Domänenbereiche auszubilden. Eine derartige Beschleunigungsspannung oder eine derartige Bestrahlungsstromstärke gewährleistet die Ausbildung der invertierten Domänenbereiche.
Fig. 4 ist ein Kurvenbild, das Variationen der Fläche invertierter Domänen mit einer Dicke von 1 mm, die in einem LN-Einkristallsubstrat, d. h. einem ferroelektrischen Kristallsubstrat ausgebildet sind, und Beschleunigungsspannungen zum Beschleunigen geladener Teilchen zeigt. Die +c-Fläche des LN-Einkristallsubstrats wurde mit einem Aluminiumfilm mit einer Dicke von ungefähr 500 Å beschichtet, und die -c-Fläche des LN-Einkristallsubstrats wurde mit einem Elektronenstrahl, d. h. einem Strahl geladener Teilchen, mit einer Abrastergeschwindigkeit von 50 um²/s bestrahlt. Die Bestrahlungsbreite betrug 4 um, der Bestrahlungsabstand betrug 140 um und die Gesamtbestrahlungsfläche betrug 560 um². In Fig. 4 gelten die Kurven A und B für Bestrahlungsstromstärken von 60 uA/mm² bzw. 40 ua/mm² auf der Oberfläche des ferroelektrischen Einkristallsubstrats. Die Fläche der invertierten Domänenbereiche ist die Fläche auf der +c-Seite. Wie es aus Fig. 4 ersichtlich ist, werden dann invertierte Domänenbereiche erzeugt, wenn die Beschleunigungsspannung ungefähr 10 kV oder mehr beträgt. Die Beschleunigungsspannung, die der Bestrahlungsenergie entspricht, die dazu erforderlich ist, die invertierten Domänenbereiche auszubilden, wächst proportional mit der Dicke des LN-Einkristallsubstrats, d. h. des ferroelektrischen Kristallsubstrats. Daher beträgt die Beschleunigungsspannung für ein ferroelektrisches Kristallsubstrat mit einer Dicke von 2 mm 20 kV, und sie beträgt 5 kV oder mehr für ein ferroelektrisches Kristallsubstrat mit einer Dicke von 0,5 mm.
Fig. 5 ist ein Kurvenbild, das Variationen der Fläche invertierter Domänenbereiche mit einer Dicke von 1 mm, die auf einem LN-Einkristallsubstrat, d. h. einem ferroelektrischen Kristallsubstrat, hergestellt wurden, und die Bestrahlungsstromstärke der geladenen Teilchen zeigt. Die Abrastergeschwindigkeit des Elektronenstrahls und die Gesamtbestrahlungsflächea sind dieselben wie für Fig. 4. In Fig. 5 gelten die Kurven C, D und E für Beschleunigungsspannungen von 30 kV, 25 kV bzw. 20 kV. Wie es aus Fig. 5 erkennbar ist, werden invertierte Domänenbereiche dann ausgebildet, wenn die Bestrahlungsstromstärke ungefähr 1 uA oder mehr beträgt.
Die durch Bestrahlung mit geladenen Teilchen bei diesen Bedingungen erzeugten invertierten Domänenbereiche erfüllen die Beziehung t/w ≥ 1. Es wird angenommen, dass die Herstellung derartig invertierter Domänenbereiche durch Bestrahlung auf der Erzeugung eines elektrischen Felds über die Oberfläche des ferroelektrischen Kristallsubstrats hinweg und dem Eindringen der geladenen Teilchen, z. B. Elektronen, in das ferroelektrische Kristallsubstrat beruht. Insbesondere dann, wenn geladene Teilchen mit hoher Bestrahlungsenergie verwendet werden, tritt ein Lawinenstromfluss auf, wenn sich eine bestimmte Menge an Elektronen angesammelt hat und durch das ferroelektrische Kristallsubstrat hindurch tiefe Polaritätsumkehr auftritt.
Da das Verfahren zum Herstellen des optischen Bauteils gemäß der Erfindung kein Anlegen einer Spannung an das ferroelektrische Kristallsubstrat und auch kein Erwärmen desselben erfordert, werden die Eigenschaften des optichen Bauteils nicht durch Oberflächenverunreinigung des ferroelektrischen Kristallsubstrats beeinträchtigt, wie dies bei bekannten Bauteilen der Fall war.
Ferner kann, da das Verfahren keine Auswärtsdiffusion von Li und Sauerstoffmolekülen erzwingt, eine Struktur mit periodisch invertierten Domänen ohne Änderungen der Zusammensetzung und des ferroelektrischen Kristallsubstrats hergestellt werden.
Noch ferner kann, da die Dicke der invertierten Domänenbereiche größer als diejenige invertierter Domänenbereiche ist, die durch das herkömmliche Verfahren hergestellt wurden, ein durch dieses Verfahren hergestelltes SHG- Bauteil mit optischem Wellenleiter mit hohem Lichtumsetzungwirkungsgrad arbeiten, und der Freiheitsgrad bei der Auswahl des optischen Materials für ein Volumen-SHG-Bauteil ist erhöht, und das Verfahren ist einfacher als das herkömmliche Verfahren, bei dem Kristallscheiben aufeinanderlaminiert werden.
Andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung bestimmter bevorzugter Ausführungsbeispiele derselben in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen leicht erkennbar, obwohl Variationen und Modifizierungen vorgenommen werden können, ohne vom Grundgedanken und Schutzumfang der neuartigen Konzepte der Offenbarung abzuweichen.
Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht eines optischen Bauteils mit einem Aufbau mit periodisch invertierten Domänen gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 2 ist eine schematische, perspektivische Ansicht eines optischen Bauteils mit einer Konstruktion mit periodisch invertierten Domänen gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 3 ist eine schematische, perspektivische Ansicht zur Verwendung beim Erläutern eines ersten Verfahrens zum Herstellen eines optischen Bauteils mit einem Aufbau mit periodisch invertierten Domänen, durch das die Erfindung verkörpert ist;
Fig. 4 ist ein Kurvenbild, das die Abhängigkeit der Fläche eines invertierten Domänenbereichs von der Beschleunigungsspannung zeigt;
Fig. 5 ist ein Kurvenbild, das die Abhängigkeit der Fläche eines invertierten Domänenbereichs von der Bestrahlungsstromstärke zeigt;
Fig. 6 ist eine schematische, perspektivische Ansicht zur Verwendung beim Erläutern eines dritten Verfahrens zum Herstellen eines optischen Bauteils mit einem Aufbau mit periodisch invertierten Domänen, durch das die Erfindung verkörpert ist;
Fig. 7 ist eine typische Schnittansicht zur Verwendung beim Erläutern der Polaritätsumkehr in einem ferroelektrischen Kristall durch Bestrahlen mit geladenen Teilchen;
Fig. 8 ist eine schematische, perspektivische Ansicht zur Verwendung beim Erläutern eines viertes Verfahrens zum Herstellen eines optischen Bauteils mit einem Aufbau mit periodisch invertierten Domänen, durch das die Erfindung verkörpert ist;
Fig. 9 ist eine schematische, perspektivische Ansicht zur Verwendung beim Erläutern eines fünften Verfahrens zum Herstellen eines optischen Bauteils mit einem Aufbau mit periodisch invertierten Domänen, durch dass die Erfindung verkörpert ist;
Fig. 10 ist eine schematische, perspektivische Ansicht zur Verwendung beim Erläutern eines sechsten Verfahrens zum Herstellen eines optischen Bauteils mit einem Aufbau mit periodisch invertierten Domänen, durch das die Erfindung verkörpert ist;
Fig. 11 ist eine typische Schnittansicht, die einen durch Bestrahlen mit geladenen Teilchen erzeugten Polarisationsmodus in einem ferroelektrischen Kristall zeigt;
Fig. 12 ist eine typische perspektivische Ansicht, die einen durch Bestrahlen mit geladenen Teilchen erzeugten Polarisationsmodus in einem ferroelektrischen Kristall zeigt;
Fig. 13 ist eine schematische, perspektivische Ansicht zur Verwendung beim Erläutern eines siebten Verfahrens zum Herstellen eines optischen Bauteils mit einem Aufbau mit periodisch invertierten Domänen, durch das die Erfindung verkörpert ist;
Fig. 14 ist eine typische Schnittansicht, die einen durch Bestrahlen mit geladenen Teilchen erzeugten Polarisationsmodus in einem ferroelektrischen Kristall zeigt;
Fig. 15 ist eine typische perspektivische Ansicht, die einen durch Bestrahlen mit geladenen Teilchen erzeugten Polarisationsmodus in einem ferroelektrischen Kristall zeigt;
Fig. 16 und 17 sind schematische perspektivische Ansichten, die jeweils einen durch Bestrahlung mit geladenen Teilchen erzeugten Polarisationsmodus in einem ferroelektrischen Kristall zeigen;
Fig. 18A und 18B sind schematische Schnittansichten herkömmlicher Strukturen mit periodisch invertierten Domänen; und
Fig. 19 ist eine schematische, perspektivische Ansicht zur Verwendung beim Erläutern eines herkömmlichen Verfahrens zum Herstellen einer Struktur mit periodisch invertierten Domänen.
Nun werden Herstellverfahren für ein optisches Bauteil mit einer Konstruktion mit periodisch invertierten Domänen, als Verkörperung der Erfindung, unter Bezugnahme auf die Fig. 3 sowie 6 bis 13 beschrieben.

Erstes Ausführungsbeispiel (Fig. 3)

Ein ferroelektrisches Kristallsubstrat 1 mit einer Dicke von 1 mm besteht aus einem Einkristall aus LN (Lithiumniobat), d. h. einem nichtlinearen optischen Material. Das ferroelektrische Kristallsubstrat 1 verfügt über seine c-Achse (Z-Achse) entlang der Dickenabmessung sowie eine -c-Fläche in der Hauptfläche 1C. Das ferroelektrische Kristallsubstrat 1 wird auf eine Temperatur geringfügig unter der Curietemperatur erwärmt und zwischen seine Hauptflächen wird eine externe Gleichspannung gelegt, um das ferroelektrische Kristallsubstrat 1 zu einer einzelnen Domäne mit der Ausrichtung der c-Achse zu polarisieren.
Die Hauptfläche 1C des ferroelektrischen Kristallsubstrats 1 wird mit einem Elektronenstrahl b, d. h. einem Strahl geladener Teilchen, mit einer Beschleunigungsspannung von ungefähr 15 kV und einer Energie von 15 keV und einer Stromdichte von ungefähr 1 uA in einem Muster regelmäßig angeordneter paralleler Streifen, wie in Fig. 3 dargestellt, bestrahlt, um eine Struktur 3 mit periodisch invertierten Domänen aus invertierten Domänenbereichen 3A herzustellen.

Zweites Ausführungsbeispiel (Fig. 6 und 7)

Gemäß Fig. 6 wird ein ferroelektrisches Kristallsubstrat 1 aus einem LN- Einkristall mit einer Dicke von 1 mm in seiner Dickenrichtung zu einer einzelnen Domäne polarisiert. Auf der hinteren oder Rückhauptfläche 1D, die die +c-Fläche ist, des ferroelektrischen Kristallsubstrats 1 wird ein Photoresistfilm mit einer Dicke von 1 mm oder ein Isolierfilm, wie ein Aluminiumoxidfilm, hergestellt, und dann wird der Isolierfilm einem Photolithographieprozess unterzogen, um regelmäßig angeordnete, parallele Isolierstreifen 6 auszubilden. Dann wird auf der Rückhauptfläche 1D ein leitender Film 7, wie ein ITO-Film, so hergestellt, dass er die Isolierstreifen 6 bedeckt. Dann wird die gesamte Fläche der Hauptfläche 1C des ferroelektrischen Kristallsubstrats 1 durch einen Elektronenstrahl B unter denselben Bedingungen wie den beim ersten Ausführungsbeispiel verwendeten bestrahlt.
Wie es in Fig. 7 dargestellt ist, die eine Schnittansicht entlang der Y- Achse des ferroelektrischen Kristallsubstrats 1 von Fig. 6 ist, verfügt eine Struktur 3 mit periodisch invertierten Domänen über invertierten Domänenbereiche 3A, die in einem Teil des ferroelektrischen Kristallsubstrats 1 nahe der Rückhauptfläche 1D ausgebildet sind, wobei angenommen wird, dass dies auf der Konzentration des Stroms und der Spannung in einem Teil des ferroelektrischen Kristallsubstrats 1 mit dem leitenden Film 7 beruht.

Drittes Ausführungsbeispiel (Fig. 8)

Gemäß Fig. 8 wird ein ferroelektrisches Kristallsubstrat 1 aus einem LN- Einkristall mit einer Dicke von 1 mm in seiner Dickenrichtung zu einer einzelnen Domäne polarisiert. Das ferroelektrische Kristallsubstrat 1 wird auf einem isolierenden Substrat 8, das mit regelmäßig angeordneten, paralellen, leitenden Streifen 5 versehen ist, so positioniert, dass die +c- Fläche in Kontakt mit den leitenden Streifen 5 steht. Dann wird die gesamte Fläche der Hauptfläche des ferroelektrischen Kristallsubstrats 1 durch einen Elektronenstrahl B unter denselben Bedingungen wie den beim ersten Ausführungsbeispiel verwendeten belichtet, um eine Struktur mit periodisch invertierten Domänen im ferroelektrischen Kristallsubstrat 1 auszubilden.
Obwohl bei den vorstehenden Ausführungsbeispielen die -c-Fläclne des ferroelektrischen Kristallsubstrats 1 aus einem LN-Einkristall mit einem Elektronenstrahl bestrahlt wurde, um die Struktur mit periodisch invertierten Domänen auszubilden, ist es auch möglich, die +c-Fläche mit Li&spplus;-Ionen zu bestrahlen und ein ferroelektrisches Kristallsubstrat aus einem anderen Material, wie KTP, zu verwenden.
Bei den Ausführungsbeispielen 4 bis 6 wird eine Oberfläche ein es ferroelektrischen Kristallsubstrats 1, die parallel zur Polarisationsrichtung verläuft und durch einen Pfeil d (Fig. 9) gekennzeichnet ist, der sich in der X-Fläche rechtwinklig zur -z-Fläche oder zur Y-Fläche befindet, durch einen Elektronenstrahl, der ein Strahl geladener Teilchen ist, bestrahlt. Die Ausführungsbeispiele 4 bis 6 verwenden ein ferroelektrisches Kristallsubstrat aus einem LN-Einkristall, der durch dasselbe Verfahren, wie es beim ersten Ausführungsbeispiel verwendet ist, mit der Ausrichtung der c-Achse polarisiert ist.

Viertes Ausführungsbeispiel (Fig. 9)

Die Hauptfläche 1C eines ferroelektrischen Kristallsubstrats 1 aus einem LN-Einkristall erstreckt sich in der Polarisationsrichtung. Nach dem Abscheiden eines leitenden Films 5, wie eines Au-Films, auf der Rückhauptfläche 1D des ferroelektrischen Kristallsubstrats 1 wird die Hauptfläche 1C mit einem Elektronenstrahl B, d. h. einem Strahl geladener Teilchen, mit einem Muster regelmäßig angeordneter paraleller Streifen, die sich in der Polarisationsrichtung erstrecken, unter denselben Bedingungen wie den beim ersten Ausführungsbeispiel verwendeten belichtet. Die Polarität der Bereiche in der Rückhauptfläche 1D, die den regelmäßig angeordneten parallelen Streifen des Bestrahlungsmusters in der Hauptfläche 1C entsprechen, die durch den Elektronenstrahl B bestrahlt wurde, sind invertiert, um eine Struktur mit periodisch invertierten Domänen zu bilden, die parallele, invertierte Domänen aufweist, die sich über die parallelen Streifen des Bestrahlungsmusters erstrecken.

Fünftes Ausführungsbeispiel (Fig. 10, 11 und 12)

Gemäß Fig. 10 erstreckt sich die Hauptfläche 1C eines ferroelektrischen Kristallsubstrats aus einem LN-Einkristall in der Polarisationsrichtung. Auf der gesamten Rückhauptfläche 1D wird durch Dampfniederschlagung ein leitender Film abgeschieden. Der leitende Film wird einem Photolithographieprozess unterzogen, um parallele, leitende Streifen 5 auszubilden, die sich in der durch einen Pfeil D gekennzeichneten Polarisationsrichtung erstrecken. Dann wird die Hauptfläche 1C mit einem Elektronenstrahl B, d. h. einem Strahl geladener Teilchen, mit einem Muster paralleler Streifen bestrahlt, die sich in einer Richtung erstrecken, die rechtwinklig zur durch den Pfeil D gekennzeichneten Polaristationsrichtung erstrecken, was unter denselben Bedingungen wie den beim ersten Ausführungsbeispiel verwendeten erfolgt. Die Polarität der Bereiche in der Hauptfläche 1C, entsprechend den parallelen, leitenden Streifen 5 in der Rückhauptfläche 1D, ist invertiert, um eine Struktur mit periodisch invertierten Domänen zu schaffen, die regelmäßig angeordnete, parallele, invertierte Domänen aufweist, die sich über die Erstreckungsrichtung der leitenden Streifen 5 erstrecken.
Der Inversionsmodus der Polarität ist dergestalt, wie er in Fig. 11 dargestellt ist, wenn die sich in der Polarisationsrichtung erstreckende Oberfläche des ferroelektrischen Kristallsubstrats 1 mit einem Elektronenstrahl B rechtwinklig zu dieser Oberfläche bestrahlt wird. Wie es in Fig. 11 dargestellt ist, sind Domänen 9 im ferroelektrischen Kristallsubstrat 1 so polarisiert, wie es durch Pfeile D gekennzeichnet ist. Wenn das ferroelektrische Kristallsubstrat 1 aus einem LN-Einkristall besteht, sind die Domänen mit der Ausrichtung der c-Achse (Z-Achse) polarisiert. Mit. 5 ist ein leitender Streifen, wie ein Au-Streifen, gekennzeichnet. Wenn die Hauptfläche 1C des ferroelektrischen Kristallsubstrats 1 mit einem Elektronenstrahl B bestrahlt wird, verbleiben einige Elektronen des Elektronenstrahls B in den bestrahlten Bereichen, um ein elektrisches Feld E über die Hauptfläche 1C zu erzeugen, während einige der Elektronen des Elektronenstrahls B in das ferroelektrische Kristallsubstrat 1 eindringen, um einen Strom zu erzeugen, wie er durch einen Pfeil i gekennzeichnet ist. Demgemäß werden Domänen in den bestrahlten Bereichen in der Richtung des elektrischen Felds E oder des durch den Pfeil i gekennzeichneten Stroms invertiert.

Sechstes Ausführungsbeispiel (Fig. 13, 14 und 15)

Die Hauptfläche 1C eines ferroelektrischen Kristallsubstrats 1 aus einem LN-Einkristall erstreckt sich in der durch einen Pfeil d gekennzeichneten Polarisationsrichtung. Eine Seitenfläche 1S des ferroelektrischen Kristallsubstrats 1, die rechtwinklig zur Polarisationsrichtung verläuft, wird durch Dampfniederschlagung mit einem leitenden Film, wie einem Au-Film, beschichtet. Dann wird der leitende Film einem Photolithographieprozess unterzogen, um leitende Streifen 5 auszubilden, die in Kammform angeordnet sind. Ein Ende eines derartigen leitenden Streifens schließt unmittelbar an eine Kante 1h an, an der die sich in der Polarisationsrichtung erstreckende Hauptfläche 1C und die Seitenfläche 1S aufeinandertreffen. Dann wird die gesamte Hauptfläche 1C einem Elektronenstrahl b, d. h. einem Strahl geladener Teilchen, unter denselben Bedingungen wie den beim ersten Ausführungsbeispiel verwendeten ausgesetzt, um eine Struktur mit periodisch invertierten Domänen zu erzeugen, die sich in den leitenden Streifen 5 entsprechenden Bereichen der Seitenflächen 1S über die auf der Seitenfläche 1S ausgebildeten leitenden Streifen 5 erstreckt.
In Fig. 14, die Fig. 11 entspricht und deren Beschreibung weggelassen wird, ist der Inversionsmodus der Polarität dargestellt, wie er dann vorliegt, wenn die leitenden Streifen 5 auf der Oberfläche des ferroelektrischen Substrats hergestellt werden, die rechtwinklig zur Polarisationsrichtung verläuft und die sich in der Polarisationsrichtung erstreckende Fläche mit dem Elektronenstrahl b bestrahlt wird. Wenn die Hauptfläche 10 des ferroelektrischen Kristallsubstrats 1 mit dem Elektronenstrahl b bestrahlt wird, verbleiben einige der Elektronen des Elektronenstrahls b in den bestrahlten Bereichen, um ein elektrisches Feld E zu erzeugen, während einige der Elektronen des Elektronenstrahls b in das ferroelektrische Kristallsubstrat eindringen, um einen Strom zu erzeugen, der, wie durch einen Pfeil i gekennzeichnet, zu den leitenden Streifen 5 fließt, wodurch die Domänen 9 entsprechend invertiert werden, um in der Nähe der leitenden Streifen 5 invertierte Domänenbereiche 3A auszubilden, wie es in Fig. 15 dargestellt ist.
Beim vierten, fünften und sechsten Ausführungsbeispiel kann die Form der invertierten Domänenbereiche 3A zufriedenstellender eingestellt werden, um die Struktur mit periodisch invertierten Domänen mit schärferem Muster zu erzeugen, wenn die leitenden Streifen 5 geerdet werden, wie es in den Fig. 9, 10 und 13 dargestellt ist, als dann, wenn die leitenden Streifen 5 elektrisch ungebunden sind.
Obwohl beim vierten, fünften und sechsten Ausführungsbeispiel ein Elektronenstrahl mit einer Beschleunigungsspannung von 15 kV und einer Stromdichte von 1 uA/mm² verwendet ist, beträgt die wünschenswerte Beschleunigungsspannung 10 kV oder mehr, wünschenswerter 15 kV oder mehr pro Dickeneinheit im Millimetern des ferroelektrischen Kristallsubstrats 1, und die wünschenswerte Bestrahlungsstromdichte beträgt 1 uA oder mehr. Die Beschleunigungsspannung muss 200 kV oder weniger pro Dickeneinheit im Millimetern des ferroelektrischen Kristallsubstrats 1 betragen, da in diesem Durchschläge auftreten können, wenn die Beschleunigungsspannung 200 kV oder mehr pro Dickeneinheit in Millimetern des ferroelektrischen Kristallsubstrats 1 beträgt. Die Bestrahlungsstromdichte muss weniger als 1 A/mm² betragen, da im ferroelektrischen Kristallsubstrat 1 Durchschläge oder thermische Beeinträchtigung auftreten können, wenn die Bestrahlungsstromdichte 1 A/mm² oder mehr beträgt.
Es wird davon ausgegangen, dass invertierte Domänenbereiche in einem ferroelektrischen Kristallsubstrat 1 aus einem LN-Einkristall, das in der Ausrichtung der c-Achse polarisiert ist, wobei es sich um ein ferroelektrisches Kristallsubstrat mit einer Polarisation von 180º handelt, leicht ausgebildet werden können.
Das Herstellverfahren für das optische Bauteil gemäß der Erfindung kann invertierte Domänenbereiche auch in einem ferroelektrischen Kristallsubstrat mit Polarisationsrichtungen in den zwei kristallographischen Achsen, wie einem ferroelektrischen Kristallsubstrat aus einem Kristall aus Bariumtitanat (BaTiO&sub3;), wobei es sich um ein ferroelektrisches Kristallsubstrat mit einer Polarisation von 90º handelt, ausbilden. Verfahren zum Ausbilden invertierter Domänenbereiche in einem derartigen ferroelektrischen Kristallsubstrat werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Fig. 16A, 16B, 16C, 17A, 17B und 17C beschrieben. Bei den folgenden Ausführungsbeispielen werden die ferroelektrischen Kristallsubstrate gemäß derselben Vorgehens Weise, wie sie beim ersten Ausführungsbeispiel verwendet wurde, in einer einzelnen Domäne polarisiert, wobei das ferroelektrische Kristallsubstrat 10 in der Richtung eines Pfeils d polarisiert wird.
Gemäß den Fig. 16A bis 16C verfügt ein ferroelektrisches Kristallsubstrat 101 über eine Hauptfläche 100, die mit einem Elektronenstrahl b bestrahlt wird, und eine Rückhauptfläche 10D, auf der leitende Streifen 55 ausgebildet sind. In der Nähe der Bereiche in der Rückhauptfläche 10D, entsprechend den bestrahlten Bereichen in der Hauptfläche 100, sind polaritätsinvertierte Bereiche ausgebildet, die in der Richtung eines Pfeils h polarisiert sind. Wenn das ferroelektrische Kristallsubstrat 101 als einzelne Domäne in einer Richtung parallel zur Hauptfläche 100 polarisiert ist, wie es in den Fig. 16A und 16C dargestellt ist, wechselt die Polarität der bestrahlten Bereiche um 90º. Wenn das ferroelektrische Substrat 101 als einzelne Domäne in einer Richtung rechtwinklig zur Hauptfläche 100 polarisiert ist, wie es in Fig. 16B dargestellt ist, wechselt die Polarität der bestrahlten Bereiche um 180º.
Gemäß den Fig. 17A bis 17C verfügt ein ferroelektrisches Kristallsubstrat 100 über eine Hauptfläche 100C, die mit einem Elektronenstrahl b bestrahlt wird, und eine Seitenfläche 100S rechtwinklig zur Hauptfläche 100C. Auf der Seitenfläche 100S ist ein leitender Film 65 ausgebildet. Wenn ein Bereich der Hauptfläche 100C nahe dem leitenden Film 65 durch den Elektronenstrahl b bestrahlt wird, wird in der Nähe des leitenden Films 65 in der Seitenfläche 100S ein invertierter Domänenbereich ausgebildet, der in der Richtung eines Pfeils h, d. h. einer Richtung zum Inneren des ferroelektrischen Kristallsubstrats 100, rechtwinklig zur Seitenfläche 100S, polarisiert ist. So tritt in den bestrahlten Bereichen in der Seitenfläche 100S des ferroelektrischen Kristallsubstrats 100 eine Polaritätsumkehr über einen Winkel von 180º auf, wenn das ferroelektrische Kristallsubstrat 100 als Einzeldomäne in einer Richtung entgegengesetzt zur Richtung der Polaritätsumkehr, wie in Fig. 17A dargestellt, polarisiert ist. Polarisationsumkehrung über einen Winkel von 90º tritt in den bestrahlten Bereichen in den Seitenflächen 100S des ferroelektrischen Kristallsubstrats 100 auf, wenn dieses ferroelektrische Kristallsubstrat 100 als Einzeldomäne in einer Richtung entlang der Seitenfläche 100S, wie in den Fig. 178 und 17C dargestellt, polarisiert ist.
Durch zweckdienliches Bestimmen der Polarisationsrichtung und der Laufrichtung des Elektronenstrahls b kann im ferroelektrischen Kristallsubstrat 100 mit 90º Polarisation eine Struktur mit periodisch invertierten Domänen hergestellt werden.
Obwohl der Strom und die Spannung in Bereichen entsprechend den leitenden oder isolierenden Streifen konzentriert sind, die durch Strukturieren eines leitenden oder isolierenden Film hergestellt wurden, können leitende oder isolierende Streifen an der Oberfläche angebracht werden, oder es können leitende oder isolierende Streifen an der Oberfläche abgeschieden werden, um beim zweiten, dritten, vierten und sechsten Ausführungsbeispiel die invertierten Domänenbereiche auszubilden oder es kann eine beliebige andere geeignete Einrichtung dazu verwendet werden, dieselben Ergebnisse zu erzielen.
Nachfolgend werden durch die vorstehenden Verfahren optische Bauteile beschrieben.

Siebtes Ausführungsbeispiel (Fig. 1)

Eine Struktur 3 mit periodisch invertierten Domänen, wie sie in Fig. 5 dargestellt ist, wird durch das Verfahren des ersten Ausführungsbeispiels hergestellt. Die invertierten Domänenbereiche 3A der Struktur 3 mit periodisch invertierten Domänen weisen eine Breite w von z. B. 1,5 um und eine Dicke t von z. B. 3,0 um auf, um das Kriterium t/w 1 zu erfüllen.
Ein optischer Wellenleiter 2 mit der Dicke Twg von 1,0 um wird durch einen Protonenaustauschprozess oder dergleichen über die Hauptfläche 1C einschließlich der Struktur 3 mit periodisch invertierten Domänen hergestellt, um das optische Bauteil 10 fertigzustellen.
Beim so hergestellten optischen Bauteil ist die Struktur 3 mit periodisch invertierten Domänen über die Dicke des optischen Wellenleiters 2 hinweg und im ferroelektrischen Kristallsubstrat 1 ausgebildet, und die Struktur 3 mit periodisch invertierten Domänen ist im optischen Wellenleiter 2 und dem zugehörigen Evaneszenzbereich ausgebildet. Daher kann dieses SHG-Bauteil vom Typ mit optischen Wellenleiter mit hohem Wandlungswirkungsgrad arbeiten.

Achtes Ausführungsbeispiel

Im zentralen Teil eines ferroelektrischen Volumenkristallsubstrats in Bezug auf die Dicke desselben wird durch ein Verfahren wie beim ersten Ausführungsbeispiel durch zweckdienliches Bestimmen der Bestrahlungsenergie des Elektronenstrahls eine Struktur 3 mit periodisch invertierten Domänen für ein optisches Bauteil 10, d. h. ein Volumen-SHG-Bauteil, hergestellt. Wie es in Fig. 2 dargestellt ist, sind die Dicke T des ferroelektrischen Kristallsubstrats 1 und die Dicke t der invertierten Domänenbereiche 3A der Struktur 3 mit periodisch invertierten Domänen so bestimmt, dass die Bedingung 0,1 < t/T ≤ 1 erfüllt ist. Zum Beispiel gelten T = 100 um und. T = 500 um.
Da die Struktur 3 mit periodisch invertierten Domänen in einem vorbestimmten Teil des ferroelektrischen Kristallsubstrats hergestellt werden kann, kann dieses ferroelektrische Kristallsubstrat 1 aus einem Material bestehen, das bisher für ein Volumen-SHG-Bauteil für einen Halbleiterlaser, der einen Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 900 nm oder weniger emittiert, nicht verwendet werden konnte, wie LN. So ist der Freiheitsgrad hinsichtlich der Auswahl der Materialien für das ferroelektrische Kristallsubstrat erhöht, und das Volumen-SHG-Bauteil arbeitet auf Grund der Erfindung mit hohem Wandlungswirkungsgrad.
Obwohl die Erfindung in Anwendung auf ein SHG-Bauteil und ein Verfahren zum Herstellen desselben beschrieben wurde, ist die Erfindung auch bei einem THG-Bauteil (Bauteil zum Erzeugen der dritten Harmonischen) oder einem optischen parametrischen Oszillator und einem Verfahren zum Herstellen desselben anwendbar.
Obwohl durch ein erfindungsgemäßes Verfahren eine Struktur mit periodisch invertierten Domänen bei Normaltemperatur hergestellt werden kann, ist es möglich, das Verfahren zum Herstellen der Struktur mit periodisch invertierten Domänen bei einem ferroelektrischen Kristallsubstrat auszuführen, das auf eine vergleichsweise niedrige Temperatur erwärmt wird.
Obwohl die Erfindung in ihren bevorzugten Formen mit einem bestimmten Spezialisierungsgrad beschrieben wurde, sind offensichtlich viele Änderungen und Variationen daran möglich. Daher ist zu beachten, dass die Erfindung auf andere Weise als es hier speziell beschrieben ist, ausgeübt werden kann, ohne vom Schutzumfang der beigefügten Ansprüche abzuweichen.

Claims

1. Optisches Bauteil (10) mit einem ferroelektrischen Kristallsubstrat (1), das an seiner Oberfläche mit einer Struktur (3) mit periodisch invertierten Domänen mit einer Vielzahl invertierter Domänenbereiche (3A) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke t und die Breite w der invertierten Domänenbereiche der folgenden Bedingung genügen: t/w ≥ 1.

2. Optisches Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das ferroelektrische Kristallsubstrat (1) ein ferroelektrisches Volumenkristallsubstrat ist und die Dicke T des ferroelektrischen Kristallsubstrats (1) und die Dicke t der invertierten Domänenbereiche (3A) der folgenden Bedingung genügen: 0,1 < t/T ≤ 1.

3. Optisches Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Struktur (3A) mit periodisch invertierten Domänen einen optischen Wellenleiter (2) aufweist, wobei die Dicke t der invertierten Bereiche (3A) im Wesentlichen dieselbe wie die Dicke Twg des optischen Wellenleiters (2) ist, oder größer als diese ist.