DE69227102T2 - Method of manufacturing a wavelength converter element - Google Patents

Method of manufacturing a wavelength converter element

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Herstellungsverfahren für ein WellenlängenwandlerelementManufacturing method for a wavelength converter element Hintergrund der ErfindungBackground of the invention Gebiet der ErfindungField of the invention

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Wellenlängenwandlerelements, das eine kohärente Lichtquelle verwendet, und zwar zum Einsatz in dem industriellen Bereich der optischen Datenspeicherung, der optischen Informationsverarbeitung und der angewandten optischen Meßsteuerung.The present invention relates to a method for manufacturing a wavelength conversion element using a coherent light source for use in the industrial fields of optical data storage, optical information processing and applied optical measurement control.

Beschreibung des Standes der TechnikDescription of the state of the art

Eine Domäneninversion zum zwangsweisen Umkehren einer Domäne in einem ferroelektrischen Material wird bei optischen Frequenzmodulatoren eingesetzt, die akustische Oberflächenwellen verwenden, und bei Wellenlängenwandlerelementen, die die Inversion einer nichtlinearen Domäne verwenden, und zwar auf solche Weise, das periodische domäneninvertierte Strukturen in einem ferroelektrischen Material gebildet werden. Insbesondere kann durch periodisches Invertieren der nichtlinearen Domänen eines nichtlinearen optischen Materials ein die zweite Harmonische erzeugendes Element mit einer äußerst hohen Umwandlungseffizienz hergestellt werden. Durch Verwendung des so hergestellten Elements zur Erzeugung einer zweiten Harmonischen zum Umwandeln eines Strahls, etwa eines Halbleiterlasers, kann eine kleine Lichtquelle mit kurzer Wellenlänge realisiert werden, die im Gebiet der Strukturbelichtung (Printing) im Gebiet der optischen Informationsverarbeitung, bei der angewandten optischen Messung, bei Steuerung und Regelungen und dergleichen verwendet werden kann. Daher sind zur Domäneninversion viele Untersuchungen durchgeführt worden.Domain inversion for forcibly inverting a domain in a ferroelectric material is used in optical frequency modulators using surface acoustic waves and wavelength conversion elements using inversion of a nonlinear domain in such a way that periodic domain-inverted structures are formed in a ferroelectric material. In particular, by periodically inverting the nonlinear domains of a nonlinear optical material, a second harmonic generating element with extremely high conversion efficiency can be manufactured. By using the second harmonic generating element thus manufactured to convert a beam such as a semiconductor laser, a small light source with a short wavelength can be realized, which can be used in the field of pattern printing, in the field of optical information processing, in applied optical measurement, in control and regulation, and the like. Therefore, many studies have been conducted on domain inversion.

Fig. 21 ist eine Strukturansicht eines konventionellen Lichtwellenlängenwandlerelements. Es wird nun eine detaillierte Beschreibung der Erzeugung höherharmonischer Wellen (Wellenlängen von 0,41 um) bezüglich Grundwellenlängen mit einer Wellenlänge von 0,82 um gegeben (vergleiche E. J. Lim, M. M. Fejer, R. L. Byer und W. J. Kozlovsky "Blue light generation by frequency doubling in periodically poled lithum niobate channel waveguide", Electron. Lett., 25, 731-732, (1989)).Fig. 21 is a structural view of a conventional light wavelength conversion element. A detailed description will now be given of the generation of higher harmonic waves (wavelengths of 0.41 µm) with respect to fundamental wavelengths with a wavelength of 0.82 µm (see E. J. Lim, M. M. Fejer, R. L. Byer and W. J. Kozlovsky "Blue light generation by frequency doubling in periodically poled lithum niobate channel waveguide", Electron. Lett., 25, 731-732, (1989)).

Wie in Fig. 21 gezeigt, ist in einem LiNbO&sub3;-Substrat 41 ein optischer Wellenleiter 44 gebildet und in dem optischen Wellenleiter 44 eine Schicht (eine domäneninvertierte Struktur) 45 gebildet, wobei die Domäne der Schicht 45 periodisch invertiert ist. Durch Kompensieren von Fehlanpassungen im Ausbreitungscoeffizienten zwischen den Grundwellen und den höherharmonischen Wellen durch die periodische Struktur der domäneninvertierten Struktur 45 können effizient höherharmonische Wellen erzeugt werden. Wenn Grundwellen P1 (43) auftreffen auf die Eingangsoberfläche des optischen Wellenleiters 44, werden von dem optischen Wellenleiter 44 effizient höherharmonische Wellen P2 (42) erzeugt, so daß die oben beschriebene Struktur als optisches Wellenlängenwandlerelement wirken kann.As shown in Fig. 21, an optical waveguide 44 is formed in a LiNbO3 substrate 41, and a layer (a domain inverted structure) 45 is formed in the optical waveguide 44, the domain of the layer 45 being periodically inverted. By compensating for mismatches in propagation coefficients between the fundamental waves and the higher harmonic waves by the periodic structure of the domain inverted structure 45, higher harmonic waves can be efficiently generated. When fundamental waves P1 (43) are incident on the input surface of the optical waveguide 44, higher harmonic waves P2 (42) are efficiently generated by the optical waveguide 44, so that the above-described structure can function as an optical wavelength conversion element.

Ein optisches Wellenlängenwandlerelement des oben beschriebenen konventionellen Typs ist im wesentlichen in einer domäneninvertierten Struktur realisiert worden. Es wird nun ein Herstellungsverfahren für ein Element des oben beschriebenen Typs anhand der Fig. 22a-22c beschrieben. In Fig. 22a ist auf einem aus nichtlinearem optischen Kristall aufgebauten LiNbO&sub3;-Substrat 100 ein Ti-Muster 101 in breiten Intervallen von einigen Millimetern durch Aufdampfen und einen Abhebeprozeß (lift-off) gebildet. Dann wird bei etwa 1100ºC eine Wärmebehandlung durchgeführt in einem in Fig. 22b gezeigten Zustand, so daß eine domäneninvertierte Struktur 102 gebildet wird, bei der die Domänenrichtung des LiNbO&sub3;- Substrats 100 invertiert ist. Dann wird eine Wärmebehandlung in Benzoe-Säure bei 200ºC für 20 Minuten in einem in Fig. 22c gezeigten Zustand durchgeführt und dann bei 350ºC getempert, so daß ein optischer Wellenleiter 103 gebildet wird. Im Ergebnis kann das unter Verwendung der obigen Benzoe-Säurebehandlung hergestellte optische Wellenlängenwandlerelement höherharmonische Wellen P2 mit einer Leistung von 940 nW bezüglich der Grundwelle P1 mit der Wellenlänge 0,82 mm erzeugen, und zwar unter den Bedingungen einer Länge des optischen Wellenleiters von 1 mm und einer Leistung der Grundwelle P1 von 14,7 mW. Dabei wird eine Umwandlungseffizienz von 0,43%/W erzielt. Wenn 1 W an Grundwellen einfällt, können höherharmonische Wellen mit 370 mW in dem Fall geliefert werden, daß die Länge des Elements 10 mm beträgt. In diesem Fall zeigt damit ein Element mit einer Länge von 10 mm eine Umwandlungseffizienz von 37%/W cm² pro W.An optical wavelength conversion element of the conventional type described above has been realized substantially in a domain-inverted structure. A manufacturing process for an element of the type described above will now be described with reference to Figs. 22a-22c. In Fig. 22a, on a LiNbO₃ substrate 100 composed of nonlinear optical crystal, a Ti pattern 101 is formed at wide intervals of several millimeters by vapor deposition and a lift-off process. Then, a heat treatment is carried out at about 1100°C in a state shown in Fig. 22b so that a domain inverted structure 102 is formed in which the domain direction of the LiNbO₃ substrate 100 is inverted. Then, heat treatment is carried out in benzoic acid at 200°C for 20 minutes in a state shown in Fig. 22c and then annealed at 350°C so that an optical waveguide 103 is formed. As a result, the optical wavelength conversion element manufactured using the above benzoic acid treatment can generate higher harmonic waves P2 with a power of 940 nW with respect to the fundamental wave P1 with the wavelength of 0.82 mm under the conditions of an optical waveguide length of 1 mm and a power of the fundamental wave P1 of 14.7 mW. A conversion efficiency of 0.43%/W is achieved. If 1 W of fundamental waves is incident, higher harmonic waves of 370 mW can be delivered in the case that the length of the element is 10 mm. In this case, an element with a length of 10 mm thus shows a conversion efficiency of 37%/W cm² per W.

Veröffentlicht wurde ein Bericht in Appl. Phys. Lett. von Kiyoshi Nakamura, 1990, Band 56, Seite 1535, wobei berichtet wurde, daß in einem LiTaO&sub3;-Element eine domäneninvertierte Struktur hergestellt werden konnte. In den Fig. 23a-23b zeigt die Bezugsziffer 104 ein LiTaO&sub3;-Substrat, 105 eine Protonenaustauschschicht und 106 eine domäneninvertierte Struktur. Wie in Fig. 23a gezeigt, wird die domäneninvertierte Struktur in der Weise hergestellt, daß das LiTaO&sub3;-Substrat 104 bei 590ºC in Benzoe-Säure einer Wärmebehandlung unterworfen wird, so daß die Protonenaustauschschicht 105 gebildet wird. Dann wird das LiTaO&sub3;-Substrat 104, wie in Fig. 23c gezeigt, einer Wärmebehandlung bei 570ºC-590ºC in der Umgebung des Curiepunkts unterworfen. Im Ergebnis ist auf der -C-Oberfläche des LiTaO&sub3;-Substrats 104 die domäneninvertierte Struktur 106 gebildet. Es gab jedoch noch keinen Gedanken dahingehend, die oben beschriebene Struktur für ein Wellenlängenumwandlungselement zu verwenden.A report was published in Appl. Phys. Lett. by Kiyoshi Nakamura, 1990, volume 56, page 1535, reporting that a domain-inverted structure could be prepared in a LiTaO3 element. In Figs. 23a-23b, reference numeral 104 shows a LiTaO3 substrate, 105 a proton exchange layer, and 106 a domain-inverted structure. As shown in Fig. 23a, the domain-inverted structure is prepared by subjecting the LiTaO3 substrate 104 to heat treatment at 590°C in benzoic acid so that the proton exchange layer 105 is formed. Then, as shown in Fig. 23c, the LiTaO₃ substrate 104 is subjected to heat treatment at 570°C-590°C in the vicinity of the Curie point. As a result, the domain inverted structure 106 is formed on the -C surface of the LiTaO₃ substrate 104. However, there has been no thought of using the above-described structure for a wavelength conversion element.

Die LiNbO&sub3;-Kristalle bringen Probleme bezüglich optischer Schäden, sowie Schwankungen des Brechungsindex des Wellenleiters mit sich, weil ein Anstieg der Leistungsdichte des Lichts nicht vermieden werden kann, was eine Variation der Phasenanpassungsbedienungen verursacht. Daher entsteht das Problem, das Wellenlängenwandlerelemente mit stabilem Betrieb und sehr hoher Umwandlungseffizienz kaum hergestellt werden können. Daher sind Untersuchungen durchgeführt worden hinsichtlich der Herstellung eines Wellenlängenwandlerelements durch Herstellen einer domäneninvertierten Struktur in einem LiTaO&sub3;- Kristall mit Beständigkeit gegenüber den optischen Schäden. Ferner zeigt der LiTaO&sub3;-Kristall hervorragende optische Eigenschaften, und bei der Herstellung des Kristalls kann das Einmischen von Verunreinigungen gut vermieden werden. Da die Kristalleigenschaften von Li- TaO&sub3; besser als die von LiNbO&sub3; sind, können hervorragende Beständigkeit gegenüber optischen Schäden und Gleichstromdriftbeständigkeit erzielt werden, weswegen dieses vorteilhafte optische Material bei optischen IC-Elementen eingesetzt werden kann. Es besteht jedoch das Problem, daß in dem LiTaO&sub3;-Kristall eine gewünschte periodische domäneninvertierte Struktur nicht hergestellt werden kann, obwohl eine plattenförmige invertierte Struktur mit dem oben beschriebenen Verfahren gebildet werden kann.The LiNbO3 crystals involve problems of optical damage and fluctuations in the refractive index of the waveguide because an increase in the power density of the light cannot be avoided, causing a variation in the phase matching conditions. Therefore, there arises a problem that wavelength conversion elements with stable operation and very high conversion efficiency can hardly be manufactured. Therefore, studies have been carried out on manufacturing a wavelength conversion element by forming a domain-inverted structure in a LiTaO3 crystal with resistance to the optical damage. Furthermore, the LiTaO3 crystal exhibits excellent optical properties, and in the manufacture of the crystal, the mixing of impurities can be well avoided. Since the crystal properties of LiTaO3 are better than those of LiNbO3, excellent optical damage resistance and DC drift resistance can be achieved, and therefore this advantageous optical material can be used in optical IC elements. However, there is a problem that a desired periodic domain inverted structure cannot be formed in the LiTaO₃ crystal, although a plate-shaped inverted structure can be formed by the method described above.

Die EP-A-0485159 beschreibt ein weiteres Verfahren nach dem Stand der Technik zur Herstellung eines Wellenlängenwandlerelements unter Verwendung eines LiTaO&sub3;-Substrats.EP-A-0485159 describes another prior art method for manufacturing a wavelength converter element using a LiTaO₃ substrate.

Der Artikel "Blue-light generation by frequency doubling of a laser diode in a periodically domain-inverted LiTaO&sub3; waveguide" in IEEE Photonics Technology letters, Band 4, Nr. 5, Mai 1992, New York US, Seiten 435-437 berichtet über eine quasi phasenangepaßte Erzeugung der zweiten Harmonischen.The article "Blue-light generation by frequency doubling of a laser diode in a periodically domain-inverted LiTaO₃ waveguide" in IEEE Photonics Technology letters, Volume 4, No. 5, May 1992, New York US, pages 435-437 reports on a quasi phase-matched generation of the second harmonic.

Die Merkmale des Oberbegriffs von Anspruch 1 sind bekannt aus dem Artikel "Fabrication of first-order periodically domain-inverted structure in LiTaO&sub3;" in Applied Physics Letters, Band 59, Nr. 13, 23. September 1991, New York US, Seiten 1538-1540.The features of the preamble of claim 1 are known from the article "Fabrication of first-order periodically domain-inverted structure in LiTaO₃" in Applied Physics Letters, Volume 59, No. 13, 23 September 1991, New York US, pages 1538-1540.

Beschreibung der ErfindungDescription of the invention

Es ist dementsprechend Aufgabe dieser Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Wellenlängenwandlerelements anzugeben, das so ausgelegt ist, das in einem LiTaO&sub3;- Kristall eine kurzperiodische domäneninvertierte Struktur gebildet wird, so daß eine Umwandlung zu kurzen Wellenlängen sowie eine effiziente Umwandlung der Wellenlänge möglich werden.It is therefore an object of this invention to provide a method for producing a wavelength converter element which is designed such that a short-period domain-inverted structure is formed in a LiTaO₃ crystal, so that a conversion to short wavelengths and an efficient conversion of the wavelength become possible.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen ein Verfahren zur Herstellung einer Wellenlängenumwandlungsvorrichtung mit den Schritten:According to the invention, a method for producing a wavelength conversion device is provided with the steps:

Herstellen einer streifenartigen Maske auf einer Oberfläche eines LiTaO&sub3;-Substrats, das erhalten ist durch Schneiden einer Ebene senkrecht zu der C-Achse des LiTaO&sub3;-Kristalls; Herstellen einer Protonenaustauschschicht in unmaskierten Bereichen durch das LiTaO&sub3;- Substrat einem Protonenaustausch von Li- und H&spplus;-Ionen in dem LiTaO&sub3;-Substrat Aussetzen; undforming a stripe-like mask on a surface of a LiTaO3 substrate obtained by cutting a plane perpendicular to the C axis of the LiTaO3 crystal; forming a proton exchange layer in unmasked areas by subjecting the LiTaO3 substrate to proton exchange of Li and H+ ions in the LiTaO3 substrate; and

Herstellen einer domäneninvertierten Struktur durch das LiTaO&sub3;-Substrat einer Wärmebehandlung bis zu einer Temperatur unterhalb des Curiepunkts des LiTaO&sub3;-Substrats Aussetzen, bei der das LiTaO&sub3;-Substrat wärmebehandelt wird, wodurch eine in erster Ordnung periodische domäneninvertierte Struktur gebildet wird, gekennzeichnet durch das Verwenden einer Wärmebehandlungseinrichtung zum Erhöhen der Temperatur des LiTaO&sub3;-Substrats mit einer Temperaturanstiegsrate von zumindest 75ºC/Sek.Forming a domain inverted structure by subjecting the LiTaO3 substrate to a heat treatment to a temperature below the Curie point of the LiTaO3 substrate at which the LiTaO3 substrate is heat treated, thereby forming a first order periodic domain inverted structure, characterized by using a heat treatment device for increasing the temperature of the LiTaO3 substrate at a temperature rise rate of at least 75°C/sec.

Die Dicke D der Domänenaustauschschicht kann in einem Bereich liegen von 0,2 um < D < (&Lambda;-W) /2, wobei A eine vorbestimmte Periode von Streifen auf der Maske und W eine vorbestimmte Streifenbreite ist.The thickness D of the domain exchange layer may be in a range of 0.2 µm < D < (Λ-W) /2, where A is a predetermined period of stripes on the mask and W is a predetermined stripe width.

Als Resultat der oben beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren wird in dem LiTaO&sub3;- Substrat eine periodische Protonenaustauschschicht gebildet, und es erfolgt eine Wärmebehandlung mit hoher Geschwindigkeit, so daß die Wärmebehandlung in kurzer Zeit durchgeführt werden kann. Im Ergebnis können domäneninvertierte Strukturen mit kurzer Periode hergestellt werden, die mit konventionellen Strukturen nicht realisiert werden konnten. Damit kann ein Wellenlängenwandlerelement hergestellt werden, das kurze Wellenlängen umwandeln kann und eine hohe Effizienz zeigt. Der Grund dafür wird nun beschrieben.As a result of the above-described processes of the present invention, a periodic proton exchange layer is formed in the LiTaO3 substrate, and heat treatment is carried out at a high speed, so that the heat treatment can be carried out in a short time. As a result, domain-inverted structures with a short period can be produced, which could not be realized with conventional structures. Thus, a wavelength conversion element capable of converting short wavelengths and exhibiting high efficiency can be produced. The reason for this will now be described.

Die domäneninvertierte Struktur ist in dem LiTaO&sub3;-Kristall gebildet durch Herstellen der Protonenaustauschschicht und durch Wärmebehandlung. Bei Durchführung des Protonenaustauschs wird Protonenaustausch-LiTaO&sub3; gebildet, was eine Absenkung des Curiepunkts des Bereichs, in dem das Protonenaustausch-LiTaO&sub3; gebildet ist, bewirkt. Durch Wärmebehandlung des Protonenaustausch-LiTaO&sub3; bei einer Temperatur unter dem Curiepunkt des LiTaO&sub3;-Kristalls, jedoch dabei über dem Curiepunkt des Protonenaustausch-LiTaO&sub3;, erreicht nur das Protonenaustausch-LiTaO&sub3; den Curiepunkt. Im Ergebnis wird die Domäne des Protonenaustauschbereichs invertiert. Dann wird ein selektiver Protonenaustausch durchgeführt durch Verwendung einer Maske mit Protonenaustauschbeständigkeit zur Herstellung einer periodischen Protonenaustauschschicht und durch Wärmebehandlung, so daß die periodische domäneninvertierte Struktur gebildet wird.The domain-inverted structure is formed in the LiTaO3 crystal by preparing the proton exchange layer and by heat treatment. When the proton exchange is carried out, proton exchange LiTaO3 is formed, which causes a lowering of the Curie point of the region in which the proton exchange LiTaO3 is formed. By heat treating the proton exchange LiTaO3 at a temperature lower than the Curie point of the LiTaO3 crystal but higher than the Curie point of the proton exchange LiTaO3, only the proton exchange LiTaO3 reaches the Curie point. As a result, the domain of the proton exchange region is inverted. Then, selective proton exchange is performed by using a mask having proton exchange resistance to prepare a periodic proton exchange layer and by heat treatment so that the periodic domain-inverted structure is formed.

Wenn jedoch die domäneninvertierte Struktur mit kurzer Periode hergestellt wird, wird der Abstand zwischen den benachbarten domäneninvertierten Strukturen verkürzt. Da die Protonenaustauschschicht wegen der thermischen Diffusion diffundiert, wird bei dem Temperaturanstieg bei dem Wärmebehandlungsschritt und dem Heizschritt eine Diffusion der Protonenaustauschschicht hervorgerufen. Daher ist die in der Protonenaustauschschicht zu bildende domäneninvertierte Struktur ebenfalls vergrößert, so daß das Problem auftritt, daß die benachbarten domäneninvertierten Strukturen unerwünschterweise miteinander in der lateralen Richtung in Verbindung treten. Im Ergebnis tritt das in Fig. 24b dargestellte Problem auf, daß die erforderliche periodische Struktur nicht hergestellt werden kann. Daher wird die Temperaturanstiegsgeschwindigkeit bei der Wärmebehandlung erhöht, um die Wärmebe handlung in kurzer Zeit abzuschließen und damit die Diffusion der Protonenaustauschschicht, die während der Wärmebehandlung stattfinden kann, zu vermeiden. Dadurch kann die domäneninvertierte Struktur mit kurzer Periode hergestellt werden. Im Ergebnis kann ein Wellenlängenwandlerelement mit hoher Effizienz und großer Ausgangsleistung hergestellt werden, das eine Kurzwellenlängenumwandlung ausführen kann.However, when the domain inverted structure having a short period is formed, the distance between the adjacent domain inverted structures is shortened. Since the proton exchange layer diffuses due to thermal diffusion, diffusion of the proton exchange layer is caused by the temperature rise in the heat treatment step and the heating step. Therefore, the domain inverted structure to be formed in the proton exchange layer is also increased, so that the problem occurs that the adjacent domain inverted structures undesirably communicate with each other in the lateral direction. As a result, the problem shown in Fig. 24b occurs that the required periodic structure cannot be formed. Therefore, the temperature rise rate in the heat treatment is increased in order to increase the heat transfer coefficient. treatment in a short time, thus avoiding the diffusion of the proton exchange layer that may occur during the heat treatment. This makes it possible to manufacture the domain-inverted structure with a short period. As a result, a wavelength conversion element with high efficiency and large output power that can perform short wavelength conversion can be manufactured.

Mit dem oben beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren ergibt sich eine Einschränkung der Beziehung zwischen der Breite W und der Periode &Lambda; der Protonenaustauschschicht. Daher wird die Breite der Protonenaustauschschicht, die bei der Wärmebehandlung diffundieren wird, kontrolliert. Im Ergebnis kann eine domäneninvertierte Struktur mit kurzer Periode, die konventionell nicht herstellbar war, erzeugt werden. Damit kann ein Wellenlängenwandlerelement hergestellt werden, das eine Umwandlung kurzer Wellenlänge und eine hohe Effizienz ermöglicht. Die Protonenaustauschschicht zur Herstellung der domäneninvertierten Struktur ist sowohl in Tiefen- als auch in den Querrichtungen durch die Diffusion bei der Protonenaustauschbehandlung verbreitert. Daher wird die Tiefe der Protonenaustauschschicht bezüglich des Intervalls des Maskenmusters eingeschränkt, so daß die Lateralverbindung der benachbarten Protonenaustauschschichten vermieden werden kann. Wenn darüber hinaus die Protonenaustauschschicht zur Ausbildung der invertierten Schicht wärmebehandelt wird, diffundiert die Protonenaustauschschicht wegen der Wärmebehandlung. Jedoch ist eine ausreichend hohe Protonenaustauschdichte zur Herstellung der domäneninvertierten Struktur erforderlich. Daher ist eine bestimmte Protonenaustauschtiefe notwendig, um die Protonenaustauschdichte bei der Wärmebehandlung sicherzustellen. Daher wird die Tiefe der Protonenaustauschschicht tiefer als diejenige Tiefe ausgelegt, die zur Herstellung der Domäneninversion notwendig ist. Im Ergebnis kann in LiTaO&sub3; eine periodisch domäneninvertierte Struktur hergestellt werden. Im Ergebnis kann ein Wandlerelement mit hoher Effizienz und großer Ausgangsleistung hergestellt werden, das kurze Wellenlängen umwandeln kann.With the method of the invention described above, there is a restriction of the relationship between the width W and the period Λ of the proton exchange layer. Therefore, the width of the proton exchange layer which will diffuse in the heat treatment is controlled. As a result, a domain-inverted structure with a short period, which could not be produced conventionally, can be produced. Thus, a wavelength conversion element which enables short wavelength conversion and high efficiency can be produced. The proton exchange layer for forming the domain-inverted structure is widened in both the depth and transverse directions by the diffusion in the proton exchange treatment. Therefore, the depth of the proton exchange layer is restricted with respect to the interval of the mask pattern, so that the lateral connection of the adjacent proton exchange layers can be avoided. Moreover, when the proton exchange layer is heat-treated to form the inverted layer, the proton exchange layer diffuses due to the heat treatment. However, a sufficiently high proton exchange density is required to produce the domain-inverted structure. Therefore, a certain proton exchange depth is necessary to ensure the proton exchange density during heat treatment. Therefore, the depth of the proton exchange layer is designed to be deeper than the depth required to produce the domain inversion. As a result, a periodic domain-inverted structure can be produced in LiTaO3. As a result, a conversion element with high efficiency and large output power that can convert short wavelengths can be produced.

Bei dem oben beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren wird die Protonenaustauschbehandlung teilweise auf den LiTaO&sub3;-Kristall angewendet, der eine hervorragende Nichtlinearität und eine ausreichende Beständigkeit gegen optische Schäden zeigt. Dann wird er auf eine Temperatur unter dem Curiepunkt und in der Umgebung des Curiepunkts geheizt, so daß in dem LiTaO&sub3;-Kristall die periodisch domäneninvertierte Struktur gebildet werden kann. Darüber hinaus wird bei einer niedrigeren Temperatur als 550ºC eine Temperung durchgeführt, so daß die Protonenaustauschdichte in der domäneninvertierten Struktur abgesenkt werden kann, während die Form der domäneninvertierten Struktur aufrecht erhalten bleibt. Im Ergebnis kann der Reflexionsindex (richtig: Brechungsindex) der domäneninvertierten Struktur auf einen Wert nahe demjenigen des Substrats eingestellt werden, so daß ein Wellenleiter mit niedrigen Verlusten mit der domäneninvertierten Struktur gebildet werden kann. Als Ergebnis der oben beschriebenen Prozeßschritte kann die periodische Domäneninversion hergestellt werden und die Differenz zwischen den Reflexionsindizes (richtig: Brechungsindizes) zwischen der domäneninvertierten Struktur und dem Substrat verringert werden. Folglich kann ein Wellenlängenwandlerelement mit niedrigen Verlusten hergestellt &omega;erden, das eine hohe Umwandlungseffizienz zeigt.In the method of the present invention described above, the proton exchange treatment is partially applied to the LiTaO3 crystal which exhibits excellent nonlinearity and sufficient optical damage resistance. Then, it is heated to a temperature below and in the vicinity of the Curie point so that the periodic domain-inverted structure can be formed in the LiTaO3 crystal. In addition, annealing is carried out at a temperature lower than 550°C so that the proton exchange density in the domain-inverted structure can be lowered while the shape of the domain-inverted structure is maintained. As a result, the reflection index (properly: refractive index) of the domain-inverted structure can be adjusted to a value close to that of the substrate so that a low-loss waveguide having the domain-inverted structure can be formed. As a result of the process steps described above, the periodic domain inversion can be produced and the difference between the reflection indices (correctly: refractive indices) between the domain-inverted structure and the substrate can be reduced. Consequently, a wavelength conversion element with low losses can be produced, which exhibits high conversion efficiency.

Andere und weitere Hauptziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung deutlich.Other and further principal objects, features and advantages of the invention will become apparent from the following description.

Kurzbeschreibung der ZeichnungenShort description of the drawings

Fig. 1 ist eine Ansicht der Struktur eines Beispiels für ein erfindungsgemäßes Wellenlängenwandlerelement;Fig. 1 is a view showing the structure of an example of a wavelength converting element according to the present invention;

Fig. 2 ist ein Diagramm, das Ausgangssignale von zweiten harmonischen Wellen aus einem Element zeigt, bei dem die Domäne nicht invertiert ist, einem domäneninvertierten Element mit Periode erster Ordnung und einem domäneninvertierten Element mit Periode dritter Ordnung;Fig. 2 is a diagram showing output signals of second harmonic waves from an element in which the domain is not inverted, a domain-inverted element with a first-order period, and a domain-inverted element with a third-order period;

Fig. 3 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Phasenanpassungswellenlänge und der Phasenanpassungsperiode illustriert;Fig. 3 is a diagram illustrating the relationship between the phase matching wavelength and the phase matching period;

Fig. 4a-4e sind Ansichten des erfindungsgemäßen Wellenlängenwandlerelements;Fig. 4a-4e are views of the wavelength converter element according to the invention;

Fig. 5 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Wärmebehandlungstemperatur und der Tiefe der domäneninvertierten Struktur zeigt;Fig. 5 is a graph showing the relationship between the heat treatment temperature and the depth of the domain inverted structure;

Fig. 6a-6d sind Ansichten, die eine Veränderung der Wärmebehandlungszeit und der Querschnittsform der domäneninvertierten Struktur abhängig von der Wärmebehandlungszeit zeigen;Fig. 6a-6d are views showing a change in the heat treatment time and the cross-sectional shape of the domain-inverted structure depending on the heat treatment time;

Fig. 7 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Wärmebehandlungszeit und der Breite und der Tiefe der domäneninvertierten Struktur zeigt;Fig. 7 is a diagram showing the relationship between the heat treatment time and the width and depth of the domain inverted structure;

Fig. 8 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Temperaturanstiegsgeschwindigkeit während der Wärmebehandlung und der herstellbaren Domäneninversionsperiode zeigt;Fig. 8 is a graph showing the relationship between the temperature rise rate during heat treatment and the producible domain inversion period;

Fig. 9a und 9b sind Ansichten des Querschnitts durch das Wellenlängenwandlerelement;Figs. 9a and 9b are cross-sectional views of the wavelength converter element;

Fig. 10a und 10b sind Ansichten des Querschnitts durch das Wellenlängenwandlerelement;Figures 10a and 10b are cross-sectional views of the wavelength converter element;

Fig. 11 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Tiefe der domäneninvertierten Struktur und einem SHG-Ausgangssignal zeigt;Fig. 11 is a diagram showing the relationship between the depth of the domain inverted structure and an SHG output signal;

Fig. 12 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Wärmebehandlungstemperatur und der Tiefe und der Breite der domäneninvertierten Struktur zeigt;Fig. 12 is a diagram showing the relationship between the heat treatment temperature and the depth and width of the domain inverted structure;

Fig. 13a und 13b sind Diagramme, die die Beziehung zwischen der Breite und der Tiefe der domäneninvertierten Struktur zeigen;Fig. 13a and 13b are diagrams showing the relationship between the width and the depth of the domain-inverted structure;

Fig. 14a-14c sind Querschnittsansichten, die das Wellenlängenwandlerelement zeigen, bei dem eine Protonenaustauschschicht ausgedehnt wird;Figs. 14a-14c are cross-sectional views showing the wavelength conversion element in which a proton exchange layer is expanded;

Fig. 15 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Intervall der Protonenaustauschmasken und dem Bereich zeigt, in dem die domäneninvertierte Struktur gebildet werden kann;Fig. 15 is a diagram showing the relationship between the interval of the proton exchange masks and the region in which the domain-inverted structure can be formed;

Fig. 16 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Tiefe der domäneninvertierten Struktur und der Protonenaustauschschichttiefe D zeigt;Fig. 16 is a diagram showing the relationship between the depth of the domain-inverted structure and the proton exchange layer depth D;

Fig. 17a-17h sind perspektivische Ansichten zu einem Herstellungsverfahren eines erfindungsgemäßen optischen Wellenleiters;Fig. 17a-17h are perspective views of a manufacturing process of an optical waveguide according to the invention;

Fig. 18 ist ein Diagramm, das die SHG-Eigenschaften des erfindungsgemäßen Wellenleiterelements zeigt;Fig. 18 is a diagram showing the SHG characteristics of the waveguide element according to the present invention;

Fig. 19 ist ein Diagramm, das die SHG-Eigenschaften des erfindungsgemäßen Wellenleiterelements zeigt;Fig. 19 is a diagram showing the SHG characteristics of the waveguide element according to the present invention;

Fig. 20 ist eine Strukturquerschnittsansicht einer Kurzwellenlängen-Laserstrahlquelle nach dieser Erfindung;Fig. 20 is a structural cross-sectional view of a short wavelength laser beam source according to this invention;

Fig. 21 ist eine Strukturansicht eines konventionellen Wellenlängenwandlerelements;Fig. 21 is a structural view of a conventional wavelength conversion element;

Fig. 22a-22c sind Querschnittsansichten zu den Schritten eines Herstellungsverfahrens für das konventionelle Wellenlängenwandlerelement;Figs. 22a-22c are cross-sectional views showing the steps of a manufacturing method for the conventional wavelength conversion element;

Fig. 23a-23c sind Querschnittsansichten zu einem Herstellungsverfahren für eine konventionelle domäneninvertierte LiTaO&sub3;-Struktur;Figs. 23a-23c are cross-sectional views of a fabrication process for a conventional domain-inverted LiTaO3 structure;

Fig. 24a und 24b sind Querschnittsansichten zu der Querausdehnung der domäneninvertierten Struktur.Fig. 24a and 24b are cross-sectional views of the transverse extent of the domain-inverted structure.

Beschreibung des bevorzugten AusführungsbeispielsDescription of the preferred embodiment

Vor einer Beschreibung eines Beispiels für die Erfindung wird zunächst ein Wellenlängenwandlerelement beschrieben, in dem eine domäneninvertierte Struktur gebildet ist.Before describing an example of the invention, a wavelength converter element in which a domain-inverted structure is formed will first be described.

Fig. 1 ist eine perspektivische Strukturansicht, die das Wellenlängenwandlerelement darstellt. Die Bezugsziffer 1 bezeichnet ein -C-Platten-LiTaO&sub3;-Substrat, 4 eine domäneninvertierte Struktur, 5 einen Protonaustauschwellenleiter, 6 Grundwellen mit der Wellenlänge 860 nm und 7 eine Welle der zweiten höheren Harmonischen (im folgenden "SHG-Licht" bezeichnet) mit der Wellenlänge 430 nm. Wie in Fig. 1 gezeigt, ist die domäneninvertierte Struktur 4 mit einer Periodenlänge von &Lambda; und einer Breite von W gebildet.Fig. 1 is a perspective structural view showing the wavelength conversion element. Reference numeral 1 denotes a -C plate LiTaO3 substrate, 4 a domain inverted structure, 5 a proton exchange waveguide, 6 fundamental waves having the wavelength of 860 nm, and 7 a second higher harmonic wave (hereinafter referred to as "SHG light") having the wavelength of 430 nm. As shown in Fig. 1, the domain inverted structure 4 is formed with a period length of Λ and a width of W.

Wie in Fig. 1 zu sehen, ist die domäneninvertierte Struktur 4 ein Bereich, in dem die Richtung der Domäne bezüglich der Domäneninversion des Substrats invertiert ist. Im Fall des LiTaO&sub3;-Substrats 1 liegt die Richtung der Domäne in der Richtung +C, während die Richtung der Domäne in der domäneninvertierten Struktur -C ist. Die Periode &Lambda; der domäneninvertierten Struktur wirkt abhängig von der Wellenlänge der Grundwellen und dem Brechungsindex des Wellenleiters unterschiedlich. Im Fall einer Wellenlänge der Grundwelle von 860 nm beträgt die Periode erster Ordnung ungefähr 3,6 um, während die Periode dritter Ordnung 10,8 um beträgt, was dreimal soviel wie die Periode erster Ordnung ist (die Periode der Domäneninversion ist ein ungeradzahliges Vielfaches der Periode erster Ordnung). Bei der Domäneninversion ist ein Phasenanpassungszustand realisiert, und daher kann die Wellenlängenumwandlung nur durchgeführt werden, wenn die Periode mit dem ungeradzahligen Vielfachen der Periode zusammenfällt. Jedoch verringert sich die Umwandlungseffizienz mit einem Faktor des Quadrats der Ordnungsgröße bei einem Anstieg der Ordnungsgröße.As shown in Fig. 1, the domain inverted structure 4 is a region in which the direction of the domain is inverted with respect to the domain inversion of the substrate. In the case of the LiTaO3 substrate 1, the direction of the domain is in the +C direction, while the direction of the domain in the domain inverted structure is -C. The period Λ of the domain inverted structure acts differently depending on the wavelength of the fundamental waves and the refractive index of the waveguide. In the case of a fundamental wave wavelength of 860 nm, the first order period is about 3.6 µm, while the third order period is 10.8 µm, which is three times the first order period (the period of the domain inversion is an odd multiple of the first order period). In the domain inversion, a phase matching state is realized, and therefore the wavelength conversion can only be performed when the period coincides with the odd multiple of the period. However, the conversion efficiency decreases with a factor of the square of the order size with an increase in the order size.

Fig. 2 illustriert die Beziehung zwischen der Länge (I) eines Elements 31, dessen Domäne nicht invertiert ist, der des Elements 32 mit Domäneninversion mit Periode erster Ordnung und der des Elements 33 mit Domäneninversion der Periode dritter Ordnung und dem ausgehenden SHG-Licht. Wie in Fig. 2 gezeigt, steigen die SHG-Lichtausgangssignale 32a und 33a aus den domäneninvertierten Elementen erster Ordnung und dritter Ordnung proportional zum Quadrat der Länge (I) der Elemente. Das Ausgangssignal ist invers proportional zum Größenmaß der Periode, und die maximale Effizienz zeigt sich bei der Domäneninversionsperiode erster Ordnung, nämlich der niedrigsten Ordnung. &Lambda;1 erster Ordnung bei diesem Fall läßt sich wie folgt ausdrücken unter der Annahme, das der effektive Brechungsindex der Grundwelle (Wellenlänge &lambda;) N&omega; und der effektive Brechungsindex der höherharmonischen Wellen (Wellenlänge I/2) N2&omega; ist: &Lambda;1 = &lambda; / (2 (N2&omega; - N&omega;)), während die Periode &Lambda;3 dritter Ordnung dreimal so groß wie die Periode &Lambda;1 erster Ordnung ist, das heißt, &Lambda;3 = 3 * &Lambda;1. Dabei ist der effektive Brechungsindex derjenige, bei dem Licht tatsächlich erfaßt werden kann.Fig. 2 illustrates the relationship between the length (I) of an element 31 whose domain is not inverted, that of the element 32 with domain inversion of the first order period, and that of the element 33 with domain inversion of the third order period, and the outgoing SHG light. As shown in Fig. 2, the SHG light outputs 32a and 33a from the first order and third order domain inverted elements increase in proportion to the square of the length (I) of the elements. The output is inversely proportional to the magnitude of the period, and the maximum efficiency is exhibited at the first order domain inversion period, namely the lowest order. Λ1 of the first order in this case can be expressed as follows, assuming that the effective refractive index of the fundamental wave (wavelength λ) is Nω. and the effective refractive index of the higher harmonic waves (wavelength I/2) N2ω is: Λ1 = λ / (2 (N2ω - Nω)), while the third order period Λ3 is three times the first order period Λ1, that is, Λ3 = 3 * Λ1. The effective refractive index is the one at which light can actually be detected.

Andererseits ist blaues Licht mit einer Wellenfänge von 480 nm oder weniger, das für Compaktdiscs oder optische Speicher geeignet ist, erwünscht. Daher ist es besonders bedeutsam, daß ein Wellenlängenwandlerelement hergestellt wird, das blaues Licht erzeugen kann. Fig. 3 illustriert die Beziehung zwischen den Domäneninversionsperioden, etwa der Periode &Lambda;1 erster Ordnung (ausgedrückt als M = 1) und der Periode &Lambda;3 dritter Ordnung (ausgedrückt als M = 3) und der Phasenanpassungswellenlänge. Da die Wellenlänge des durchgelassenen SHG-Lichts die Hälfte der Phasenanpassungswellenlänge ist, muß die Grundwelle eine Wellenlänge von 960 nm oder weniger haben, wenn eine Wellenlänge von 480 nm oder weniger gewünscht wird.On the other hand, blue light with a wavelength of 480 nm or less suitable for compact discs or optical storage devices is desired. Therefore, it is particularly important that a wavelength conversion element capable of generating blue light is manufactured. Fig. 3 illustrates the relationship between the domain inversion periods, such as the first-order period Λ1 (expressed as M = 1) and the third-order period Λ3 (expressed as M = 3), and the phase matching wavelength. Since the wavelength of the transmitted SHG light is half the phase matching wavelength, the fundamental wave must have a wavelength of 960 nm or less if a wavelength of 480 nm or less is desired.

Um so kürzer die Phasenanpassungswellenlänge ist, umso kürzer wird die Periode der domäneninvertierten Struktur, und dementsprechend muß die domäneninvertierte Struktur eine Periode dritter Ordnung von 15 um oder weniger, und eine Periode erster Ordnung von 5 um haben, um blaues Licht mit einer Wellenlänge von 480 nm oder weniger zu erzielen.The shorter the phase matching wavelength is, the shorter the period of the domain-inverted structure becomes, and accordingly, the domain-inverted structure must have a third-order period of 15 µm or less and a first-order period of 5 µm to achieve blue light with a wavelength of 480 nm or less.

Es wird nun ein Beispiel für die Erfindung beschrieben. Zunächst wird ein Herstellungsverfahren für das erfindungsgemäße Wellenlängenwandlerelement schematisch beschrieben.An example of the invention will now be described. First, a manufacturing process for the wavelength converter element according to the invention will be described schematically.

Das Verfahren umfaßt die folgenden beiden Schritte:The procedure includes the following two steps:

1. Auf einem LiTaO&sub3;-Substrat werden periodisch Protonenaustauschschichten hergestellt.1. Proton exchange layers are periodically prepared on a LiTaO₃ substrate.

2. Die Protonenaustauschschichten werden umgewandelt, um eine domäneninvertierte Struktur anzunehmen, und zwar durch Wärmebehandlung.2. The proton exchange layers are transformed to adopt a domain-inverted structure by heat treatment.

Nun werden erfindungsgemäße Beispiele anhand der Zeichnungen beschrieben.Examples of the invention will now be described with reference to the drawings.

Beispiel 1example 1

Es wird nun ein Herstellungsverfahren für ein Wellenlängenwandlerelement mit der domäneninvertierten Struktur beschrieben.A manufacturing method for a wavelength conversion element with the domain-inverted structure is now described.

Die Erfinder haben die Ausbildung periodisch domäneninvertierter Strukturen in LiTaO&sub3; untersucht, was zur Herstellung eines Wellenlängenwandlerelements notwendig ist. Es steht bereits fest, daß wie bei dem in Fig. 23a-23c gezeigten konventionellen Beispiel dargestellt, eine schichtförmige (plattenartige) domäneninvertierte Struktur hergestellt werden kann durch einen Protonenaustausch bei LiTaO&sub3; unter Verwendung von Benzoe-Säure vor einer Wärmebehandlung in der Nähe des Curiepunkts von LiTaO&sub3;. Daher wurde die Herstellung der periodisch domäneninvertierten Struktur versucht mit einem Verfahren, bei dem die Oberfläche des LiTaO&sub3;-Substrats einem selektiven Protonenaustausch unterworfen wurde, um eine periodische Protonenaustauschschicht in dem LiTaO&sub3;-Substrat zu bilden, und danach wärmebehandelt wurde.The inventors have studied the formation of periodic domain-inverted structures in LiTaO3, which is necessary for manufacturing a wavelength conversion element. It is already established that, as shown in the conventional example shown in Figs. 23a-23c, a layered (plate-like) domain-inverted structure can be manufactured by proton-exchanging LiTaO3 using benzoic acid before heat-treating it near the Curie point of LiTaO3. Therefore, the manufacture of the periodic domain-inverted structure was attempted by a method in which the surface of the LiTaO3 substrate was subjected to selective proton exchange to form a periodic proton exchange layer in the LiTaO3 substrate and then heat-treated.

Da die Protonenaustauschdichte und die Gleichmäßigkeit der Protonenaustauschschicht die Form und Gleichmäßigkeit der herzustellenden domäneninvertierten Struktur beeinflussen, wurde für den Protonenaustausch Pyrophosphorsäure mit einer hohen Protonenaustauschrate und der Fähigkeit zur Ausbildung einer gleichmäßigen Protonenaustauschschicht verwendet.Since the proton exchange density and the uniformity of the proton exchange layer affect the shape and uniformity of the domain-inverted structure to be produced, pyrophosphoric acid with a high proton exchange rate and the ability to form a uniform proton exchange layer was used for the proton exchange.

Um den Protonenaustausch selektiv durchzuführen muß eine Maske verwendet werden, die das Proton in ausreichendem Umfang abhalten kann. Daher ist die Maske aus Ta, dessen Selektivitätsverhältnis praktisch unendlich gemacht werden kann, so daß eine selektive Protonenaustauschschicht hergestellt werden konnte.In order to carry out the proton exchange selectively, a mask must be used that can block the proton to a sufficient extent. Therefore, the mask is made of Ta, whose selectivity ratio can be made practically infinite, so that a selective proton exchange layer could be produced.

Die Fig. 4a-4e sind Querschnittsansichten, die den Herstellungsprozeß des Wellenlängenwandlerelements nach Beispiel 1 darstellen. In den Fig. 4a-4e bezeichnet die Bezugsziffer 1 ein aus einer C-Platte gebildetes LiTaO&sub3;-Substrat, 2 eine Ta-Maske, 3 eine Protonenaustauschschicht, 4 eine domäneninvertierte Struktur, 8 die Breite W der Maske und 9 die Periode &Lambda; der domäneninvertierten Struktur (insbesondere ist die Periode &Lambda; auf 1- 20 um und die Breite auf N2 eingestellt). Anhand Fig. 4 wird das Herstellungsverfahren nun beschrieben.Figs. 4a-4e are cross-sectional views showing the manufacturing process of the wavelength conversion element according to Example 1. In Figs. 4a-4e, reference numeral 1 denotes a LiTaO3 substrate formed of a C plate, 2 a Ta mask, 3 a proton exchange layer, 4 a domain inverted structure, 8 the width W of the mask, and 9 the period Λ of the domain inverted structure (specifically, the period Λ is set to 1-20 µm and the width to N2). The manufacturing process will now be described with reference to Fig. 4.

Wie in Fig. 4a gezeigt, wird die Ta-Maske 2 mit einer Dicke von 300Å auf dem C-Platten- LiTaO&sub3;-Substrat 1 mit dem Sputterverfahren gebildet. In Fig. 4b wird auf die Ta-Maske 2 ein Photolack aufgebracht, bevor Streifen mit Breite W durch das übliche Photolithographieverfahren mit einer Periode &Lambda; in der Y-Übertragungsrichtung des Substrats gebildet wurden (bei diesem Beispiel war die Periode &Lambda; 1-20 um und W 1-20 um und W war &Lambda;/2).As shown in Fig. 4a, the Ta mask 2 with a thickness of 300Å is formed on the C-plate LiTaO3 substrate 1 by the sputtering method. In Fig. 4b, a photoresist is applied on the Ta mask 2 before stripes with width W were formed by the usual photolithography method with a period Λ in the Y-transmission direction of the substrate (in this example, the period Λ was 1-20 µm and W was 1-20 µm and W was Λ/2).

In Fig. 4c wird das Lackmuster durch Trockenätzen in einer CF&sub4;-Atmosphäre auf die Ta- Maske 2 übertragen.In Fig. 4c, the resist pattern is transferred to the Ta mask 2 by dry etching in a CF4 atmosphere.

In Fig. 4d wird in Pyrophosphorsäure bei einer Temperatur von 260ºC die Protonenaustauschschicht 3 gebildet.In Fig. 4d, the proton exchange layer 3 is formed in pyrophosphoric acid at a temperature of 260°C.

In Fig. 4e wird das LiTaO&sub3;-Substrat 1 wärmebehandelt. Durch Verwendung eines Heizofens, der so ausgelegt war, daß er in einem Heizbetrieb wie ein übliches Heizelement arbeitete, betrug die Temperaturanstiegsgeschwindigkeit ungefähr 1ºC/Sekunde.In Fig. 4e, the LiTaO3 substrate 1 is heat treated. By using a heating furnace designed to operate in a heating mode like a conventional heater, the temperature rise rate was approximately 1°C/second.

Bei dem oben beschriebenen Verfahren wurde eine periodische domäneninvertierte Struktur 4 mit einer Periode von 8-20 um gebildet. Da die in den Fig. 4a-4c gezeigten Prozesse allgemein bekannt sind, werden nun die in den Fig. 4d und 4e gezeigten Prozesse im einzelnen beschrieben.In the process described above, a periodic domain-inverted structure 4 with a period of 8-20 µm was formed. Since the processes shown in Figs. 4a-4c are well known, the processes shown in Figs. 4d and 4e will now be described in detail.

Der in Fig. 4d gezeigte Prozeß zur Herstellung der Protonenaustauschschicht wird nun beschrieben.The process for preparing the proton exchange layer shown in Fig. 4d is now described.

Die Fig. 14d-14f sind Querschnittsansichten, die den Querschnitt der durch ein Verfahren zur Herstellung des Wellenlängenwandlerelements gebildeten Protonenaustauschschicht darstellen. In den Zeichnungen bezeichnet die Bezugsziffer 1 ein LiTaO&sub3;-Substrat, 2 eine Ta-Maske und 3 eine Protonenaustauschschicht. Durch Ausführen der Wärmebehandlung unter Verwendung von Pyrophosphorsäure werden in den nicht maskierten Bereichen Protonenaustauschschichten 3 gebildet.Figs. 14d-14f are cross-sectional views showing the cross section of the proton exchange layer formed by a method of manufacturing the wavelength conversion element. In the drawings, reference numeral 1 denotes a LiTaO3 substrate, 2 a Ta mask, and 3 a proton exchange layer. By performing the heat treatment using pyrophosphoric acid, proton exchange layers 3 are formed in the unmasked areas.

Die Fig. 14a-14c illustrieren Diffusionszustände der Protonenaustauschschicht, wenn die Protonenaustauschzeit bei einer Protonenaustauschtemperatur von 260ºC ausgedehnt wird auf 20 Minuten, 1 Stunde und 3 Stunden.Figures 14a-14c illustrate diffusion states of the proton exchange layer when the proton exchange time is extended to 20 minutes, 1 hour and 3 hours at a proton exchange temperature of 260 °C.

Wie in den Zeichnungen gezeigt, dehnt sich auch die Protonenaustauschschicht 3 aus in der Tiefenrichtung und in der Breitenrichtung, ähnlich wie bei der domäneninvertierten Struktur 4. Die Ausdehnung der Protonenaustauschschicht 3 schreitet sowohl in Tiefen- als auch in Querrichtung mit im wesentlichen der gleichen Geschwindigkeit voran. Um die periodische Protonenaustauschschicht 3 zur Herstellung der periodischen domäneninvertierten Struktur 4 zu bilden, ist es daher erforderlich, die Dicke D der Protonenaustauschschicht 3 auf die Hälfte oder weniger des Zwischenraumes zwischen der Protonenaustauschschicht 3 und der Maske 2 zur Herstellung der Protonenaustauschschicht 3 einzustellen (was der Differenz (&Lambda; - W) zwischen der Periode und der Breite W der domäneninvertierten Struktur entspricht). Wenn die Protonenaustauschschicht 3 so gebildet wird, daß ihre Dicke D größer als der oben beschriebene Wert ist, werden die benachbarten Protonenaustauschschichten 3 unerwünschterweise miteinander verbunden. Im Ergebnis kann die gewünschte periodi sche Protonenaustauschschicht 3 nicht hergestellt werden und damit auch nicht die periodisch domäneninvertierte Struktur 4.As shown in the drawings, the proton exchange layer 3 also expands in the depth direction and in the width direction, similarly to the domain inverted structure 4. The expansion of the proton exchange layer 3 proceeds at substantially the same speed in both the depth direction and the width direction. Therefore, in order to form the periodic proton exchange layer 3 for producing the periodic domain inverted structure 4, it is necessary to set the thickness D of the proton exchange layer 3 to half or less of the gap between the proton exchange layer 3 and the mask 2 for producing the proton exchange layer 3 (which corresponds to the difference (Λ - W) between the period and the width W of the domain inverted structure). If the proton exchange layer 3 is formed so that its thickness D is larger than the value described above, the adjacent proton exchange layers 3 are undesirably connected to each other. As a result, the desired periodic cal proton exchange layer 3 cannot be produced and thus also not the periodically domain-inverted structure 4.

Die Beziehung zwischen dem Abstand zwischen den Streifen der Protonenaustauschmaske 2 (was der Differenz (&Lambda; - W) zwischen der Periode &Lambda; und der Breite W der domäneninvertierten Struktur 4 entspricht) und dem Bereich, in dem die domäneninvertierte Struktur gebildet werden kann, ist in Fig. 15 gezeigt. Wie aus Fig. 15 zu erkennen ist, muß die Protonenaustauschtiefe D betragen (&Lambda; - W) /2 oder weniger.The relationship between the distance between the stripes of the proton exchange mask 2 (which corresponds to the difference (Λ - W) between the period Λ and the width W of the domain-inverted structure 4) and the range in which the domain-inverted structure can be formed is shown in Fig. 15. As can be seen from Fig. 15, the proton exchange depth D must be (Λ - W)/2 or less.

Fig. 16 illustriert die Beziehung zwischen der Tiefe der domäneninvertierten Struktur 4 und der der Protonenaustauschschicht 3. In Fig. 16 steht die Abszisse für die Dicke der Protonenaustauschschicht 3 und die Ordinate für die Dicke der domäneninvertierten Struktur 4 mit einer Breite von 10 um. Wie in Fig. 16 gezeigt, kann die domäneninvertierte Struktur 4 nicht hergestellt werden, wenn die Dicke der Protonenaustauschschicht 3 0,2 um oder weniger ist. Um die domäneninvertierte Struktur 4 herzustellen, muß der Curiepunkt des betreffenden Bereichs während des Protonenaustauschs abgesenkt werden, wobei die Absenkung des Curiepunkts im Verhältnis steht zu der Protonenaustauschdichte. Daher muß zur Herstellung der domäneninvertierten Struktur 4 die Protonenaustauschschicht auf einem bestimmten Wert oder darüber gehalten werden. Es wird angenommen, daß bei einer Dicke der Protonenaustauschschicht 4 von 0,2 um oder weniger die Protonenaustauschdichte in dem Fall nicht aufrecht erhalten werden kann, daß sich die Protonenaustauschschicht 3 während der Wärmebehandlung verbreitert. Daher kann die domäneninvertierte Struktur 4 nicht hergestellt werden.Fig. 16 illustrates the relationship between the depth of the domain inverted structure 4 and that of the proton exchange layer 3. In Fig. 16, the abscissa represents the thickness of the proton exchange layer 3 and the ordinate represents the thickness of the domain inverted structure 4 having a width of 10 µm. As shown in Fig. 16, the domain inverted structure 4 cannot be formed if the thickness of the proton exchange layer 3 is 0.2 µm or less. In order to form the domain inverted structure 4, the Curie point of the region in question must be lowered during proton exchange, the lowering of the Curie point being in proportion to the proton exchange density. Therefore, in order to form the domain inverted structure 4, the proton exchange layer must be kept at a certain value or more. It is considered that when the thickness of the proton exchange layer 4 is 0.2 µm or less, the proton exchange density cannot be maintained in the case that the proton exchange layer 3 widens during the heat treatment. Therefore, the domain-inverted structure 4 cannot be manufactured.

Im Ergebnis wurde festgestellt, daß die Dicke D der Protonenaustauschschicht 3 die Beziehung erfüllen muß 0,2 um < D < (&Lambda; - W) /2 um, um die domäneninvertierte Struktur 4 herzustellen, wobei &Lambda; die Periode der Protonenaustauschmaske und W die Breite der Protonenaustauschmaske ist.As a result, it was found that the thickness D of the proton exchange layer 3 must satisfy the relationship 0.2 µm < D < (Λ - W) /2 µm in order to manufacture the domain inverted structure 4, where Λ is the period of the proton exchange mask and W is the width of the proton exchange mask.

Durch Herstellen der Protonenaustauschschicht 3 unter den oben beschriebenen Umständen kann die domäneninvertierte Struktur 4 in dem LiTaO&sub3;-Kristall gebildet werden.By preparing the proton exchange layer 3 under the above-described circumstances, the domain inverted structure 4 can be formed in the LiTaO₃ crystal.

Fig. 5 illustriert die Beziehung zwischen der Wärmebehandlungstemperatur für die Protonenaustauschschicht 3 und der Tiefe der domäneninvertierten Struktur 4, deren Periode 20 um war und die durch den in Fig. 4e gezeigten Herstellungsprozeß für die domäneninvertierte Struktur 4 realisiert wurde.Fig. 5 illustrates the relationship between the heat treatment temperature for the proton exchange layer 3 and the depth of the domain-inverted structure 4, the period of which was 20 µm and which was realized by the manufacturing process for the domain-inverted structure 4 shown in Fig. 4e.

Die Tiefe der domäneninvertierten Struktur 4 steht im Verhältnis zu dem Temperaturanstieg. Wenn jedoch die Wärmebehandlungstemperatur 600ºC überschreitet, wird die periodisch domäneninvertierte Struktur 4 zerstört. Der Grund dafür liegt daran, daß die Domäne des gesamten Substrats invertiert wird, weil die Wärmebehandlungstemperatur den Curiepunkt des LiTaO&sub3;-Substrats überschritten hat (der Curiepunkt des verwendeten Substrats war 604º C). Obwohl die tiefste Temperatur, bei der die domäneninvertierte Struktur 4 hergestellt werden kann, abgesenkt wird, wenn der Protonenaustausch ansteigt, ergibt sich eine Sättigung bei etwa 450ºC.The depth of the domain-inverted structure 4 is proportional to the temperature rise. However, when the heat treatment temperature exceeds 600°C, the periodic domain-inverted structure 4 is destroyed. This is because the domain of the entire substrate is inverted because the heat treatment temperature exceeded the Curie point of the LiTaO3 substrate (the Curie point of the substrate used was 604°C). Although the lowest temperature at which the domain-inverted structure 4 can be formed is lowered as the proton exchange increases, it saturates at about 450°C.

Im Ergebnis ist deutlich, das die domäneninvertierte Struktur 4 durch die Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 450-600ºC hergestellt werden kann.The result clearly shows that the domain-inverted structure 4 can be produced by heat treatment at a temperature of 450-600ºC.

Mit dem so ausgelegten Herstellungsverfahren war, obwohl die domäneninvertierte Struktur 4 mit einer Periode von 8-15 um eine Domäneninversion dritter Ordnung bilden konnte, die Herstellung einer domäneninvertierten Struktur 4 mit einer Periode von 5 um oder darunter schwierig, die zur Realisierung der Domäneninversion erster Ordnung notwendig ist. Der Grund dafür liegt daran, daß trotz der Herstellung der domäneninvertierten Struktur 4 durch Wärmebehandlung der Protonenaustauschschicht 3 bei 450-600ºC die Protonenaustauschschicht 3 wegen der Wärmediffusion verbreitert wird, bevor die Wärmebehandlungstemperatur 450ºC oder mehr erreicht und dadurch die benachbarten domäneninvertierten Strukturen 4 in dem Fall der Herstellung einer kurzperiodischen domäneninvertierten Struktur 4 unerwünschterweise miteinander verbunden wurden. Daher konnte die kurzperiodische domäneninvertierte Struktur 4 nicht hergestellt werden.With the fabrication process thus designed, although the domain-inverted structure 4 with a period of 8-15 µm could form a third-order domain inversion, it was difficult to fabricate a domain-inverted structure 4 with a period of 5 µm or less, which is necessary for realizing the first-order domain inversion. The reason for this is that although the domain-inverted structure 4 was fabricated by Heat treatment of the proton exchange layer 3 at 450-600°C, the proton exchange layer 3 is widened due to heat diffusion before the heat treatment temperature reaches 450°C or more, and thereby the adjacent domain-inverted structures 4 were undesirably connected to each other in the case of manufacturing a short-period domain-inverted structure 4. Therefore, the short-period domain-inverted structure 4 could not be manufactured.

Beispiel 2Example 2

Dementsprechend ist das Herstellungsverfahren für das Wellenlängenwandlerelement bei diesem Beispiel so ausgelegt, daß eine die Temperatur sehr schnell erhöhende Vorrichtung für die zur Ausbildung der domäneninvertierten Struktur erforderliche Wärmebehandlung verwendet wird, um die zum Anstieg der Temperatur auf ein erforderliches Niveau für die Wärmebehandlung, bei der die Domäne invertiert wird, erforderliche Zeit zu verkürzen und dementsprechend die Wärmediffusion der Protonenaustauschschicht 3 zu verhindern, so daß die Querdiffusion der in der Protonenaustauschschicht 3 bei der Wärmebehandlung gebildeten domäneninvertierten Struktur 4 vermieden wird:Accordingly, the manufacturing method for the wavelength conversion element in this example is designed such that a very rapid temperature raising device is used for the heat treatment required to form the domain-inverted structure, in order to shorten the time required to raise the temperature to a required level for the heat treatment in which the domain is inverted and accordingly prevent the heat diffusion of the proton exchange layer 3, so that the transverse diffusion of the domain-inverted structure 4 formed in the proton exchange layer 3 during the heat treatment is avoided:

Im Ergebnis kann eine kurze Periode der domäneninvertierten Struktur 4 in dem LiTaO&sub3;- Substrat gebildet werden, so daß ein Wellenlängenwandlerelement hergestellt wird, das kurze Wellenlängen umwandeln kann und eine hervorragende Effizienz zeigt.As a result, a short period of the domain inverted structure 4 can be formed in the LiTaO3 substrate, so that a wavelength conversion element capable of converting short wavelengths and exhibiting excellent efficiency is manufactured.

Die Fig. 4a-4e sind Querschnittsansichten, die das Herstellungsverfahren für das Wellenlängenwandlerelement illustrieren.Figures 4a-4e are cross-sectional views illustrating the manufacturing process for the wavelength conversion element.

In Fig. 4a wird durch Sputtern die Ta-Maske 2 mit einer Dicke von 300 Å auf dem C-Platten- LiTaO&sub3;-Substrat 1 gebildet.In Fig. 4a, the Ta mask 2 with a thickness of 300 Å is formed on the C-plate LiTaO3 substrate 1 by sputtering.

In Fig. 4b wird auf die Oberfläche der Ta-Maske 2 ein Photolack aufgebracht, bevor Streifen mit der Breite W auf dem Substrat 1 mit einer Periode &Lambda; in eine Länge von 10 mm in der Y-Übertragungsrichtung mit einem üblichen Photolithographieverfahren gebildet werden (die Periode &Lambda; war 1-50 um und W war &Lambda; /2).In Fig. 4b, a photoresist is applied to the surface of the Ta mask 2 before stripes of width W are formed on the substrate 1 with a period Λ to a length of 10 mm in the Y-transfer direction by a conventional photolithography method (the period Λ was 1-50 μm and W was Λ/2).

In Fig. 4c wurde durch Trockenätzen in einer CF&sub4;-Atmosphäre das Lackmuster auf die Ta- Maske 2 übertragen.In Fig. 4c, the resist pattern was transferred to the Ta mask 2 by dry etching in a CF4 atmosphere.

In Fig. 4d wird die Protonenaustauschschicht 3 gebildet durch Wärmebehandlung in Pyrophosphorsäure bei 260ºC für 20 Minuten.In Fig. 4d, the proton exchange layer 3 is formed by heat treatment in pyrophosphoric acid at 260°C for 20 minutes.

In Fig. 4e wird das LiTaO&sub3;-Substrat 1 in einem Heizofen mit sehr schnellem Temperaturanstieg geheizt.In Fig. 4e, the LiTaO3 substrate 1 is heated in a heating furnace with a very rapid temperature rise.

Die in den Fig. 4a-4d für dieses Beispiel gezeigten Prozesse sind die gleichen wie beim Beispiel 1, außer das der in Fig. 4e gezeigte Wärmebehandlungsprozeß mit einem sehr schnellen Temperaturanstieg durchgeführt wird. Durch diesen sehr schnellen Temperaturanstieg bei der Wärmebehandlung kann die unerwünschte Querausdehnung der domäneninvertierten Struktur 4 vermieden werden.The processes shown in Fig. 4a-4d for this example are the same as in Example 1, except that the heat treatment process shown in Fig. 4e is carried out with a very rapid temperature rise. This very rapid temperature rise during the heat treatment can avoid the undesirable transverse expansion of the domain-inverted structure 4.

Vor dem Beschreiben des Resultats der Herstellung der domäneninvertierten Struktur 4 durch Wärmebehandlung der Protonenaustauschschicht 3 mit dem sehr schnellen Temperaturanstieg wird nun der Mechanismus der Ausbildung der domäneninvertierten Struktur 4 beschrieben.Before describing the result of the production of the domain-inverted structure 4 by heat treatment of the proton exchange layer 3 with the very rapid temperature increase, the mechanism of the formation of the domain-inverted structure 4 is now described.

Mechanismus der Ausbildung der domäneninvertierten Struktur 4Mechanism of formation of domain-inverted structure 4

Das Resultat einer Untersuchung der gebildeteten domäneninvertierten Struktur 4 ist gezeigt in den Fig. 6a-6d. Die Fig. 6a-6d sind Querschnittsansichten der domäneninvertierten Struktur 30, die der Wärmebehandlung bei 520ºC nach dem Protonenaustausch für 30 Sekunden, 1 Minute, 2 Minuten und 8 Minuten ausgesetzt war. Wie aus Fig. 6a zu verstehen, wurde die domäneninvertierte Struktur 4 gebildet an der Grenzfläche (zwischen dem Protonenaustauschbereich und dem Substrat) der Protonenaustauschschicht 3. Wenn die Wärmebehandlung fortgesetzt wird, verbreitert sich die domäneninvertierte Struktur 4 um die oben beschriebene Schicht herum, wie in den Fig. 6b und 6c gezeigt, so daß eine halbkreisförmige domäneninvertierte Struktur 4 gebildet wird. Das heißt, daß die domäneninvertierte Struktur 4 gebildet wird zwischen der Protonenaustauschschicht 3 und dem Substrat 1 an der Position der Grenze zwischen der Protonenaustauschschicht 3 und dem Substrat 1, an der das elektrische Feld am stärksten ist. Die oben beschriebene Erzeugung setzt die Ausdehnung der domäneninvertierten Struktur 4 in Gang, die mit ansteigender Wärmebehandlungszeit größer wird. Die Ausdehnung der domäneninvertierten Struktur 4 wird gestoppt, wenn die Wärmebehandlung fortgesetzt wird. Wenn die Wärmebehandlung weiter durchgeführt wird, wird in der domäneninvertierten Struktur 4 die Ausbildung von Mikrodomänen beobachtet. Die Mikrodomänen sind nadelartige, reinvertierte Strukturen, die durch Reinversion einer Schicht der Domäne erzeugt werden, die invertiert worden ist, wobei die Mikrodomänen die gleiche Domänenrichtung wie die des Substrats 1 haben. Die Mikrodomänen verursachen eine Ungleichmäßigkeit der Domäne der domäneninvertierten Struktur 4. Umso größer die Temperzeit bei üblichen Temperschritten ist, umso größer ist die Ungleichmäßigkeit der Schicht. Eine gleichmäßige domäneninvertierte Struktur 4 kann jedoch durch eine kurze Wärmebehandlung der domäneninvertierten Struktur 4 gebildet werden.The result of an examination of the formed domain-inverted structure 4 is shown in Figs. 6a-6d. Figs. 6a-6d are cross-sectional views of the domain-inverted structure 30 subjected to the heat treatment at 520°C after the proton exchange for 30 seconds, 1 minute, 2 minutes and 8 minutes. As understood from Fig. 6a, the domain-inverted structure 4 was formed at the interface (between the proton exchange region and the substrate) of the proton exchange layer 3. When the heat treatment is continued, the domain-inverted structure 4 widens around the above-described layer as shown in Figs. 6b and 6c, so that a semicircular domain-inverted structure 4 is formed. That is, the domain-inverted structure 4 is formed between the proton exchange layer 3 and the substrate 1 at the position of the boundary between the proton exchange layer 3 and the substrate 1 where the electric field is strongest. The above-described formation initiates the expansion of the domain-inverted structure 4, which becomes larger as the heat treatment time increases. The expansion of the domain-inverted structure 4 is stopped when the heat treatment is continued. When the heat treatment is further carried out, the formation of microdomains is observed in the domain-inverted structure 4. The microdomains are needle-like reinverted structures formed by reinverting a layer of the domain that has been inverted, the microdomains having the same domain direction as that of the substrate 1. The microdomains cause a non-uniformity of the domain of the domain-inverted structure 4. The longer the annealing time in conventional annealing steps, the greater the non-uniformity of the layer. However, a uniform domain-inverted structure 4 can be formed by a short heat treatment of the domain-inverted structure 4.

Kurzperiodische domäneninvertierte StrukturShort-period domain-inverted structure

Fig. 7 zeigt das Resultat der Messung der Beziehung zwischen der Wärmebehandlungszeit und der gemessenen Breite und Tiefe der domäneninvertierten Struktur 4. Die Breite der domäneninvertierten Struktur 4 diffundierte mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 1 um/Minute vor einer Sättigung bei etwa 2 Minuten. Ferner wurde festgestellt, daß, obwohl die Temperatur der Bildung der domäneninvertierten Struktur 4, wie anhand Fig. 5 beschrieben, etwa 450-600ºC beträgt und damit in der Nähe des Curiepunkts des LiTaO&sub3;-Substrats liegt, die Protonenaustauschschicht 3 wegen der Wärmediffusion vor Erreichen der oben beschriebenen Temperatur unerwünschterweise ausgedehnt wird, wenn die Temperaturanstiegsgeschwindigkeit zu gering ist, wodurch die kurzperiodische domäneninvertierte Struktur 4 kaum herzustellen ist.Fig. 7 shows the result of measuring the relationship between the heat treatment time and the measured width and depth of the domain inverted structure 4. The width of the domain inverted structure 4 diffused at a rate of about 1 µm/minute before saturation at about 2 minutes. Furthermore, it was found that although the temperature of formation of the domain inverted structure 4 as described with reference to Fig. 5 is about 450-600°C, which is close to the Curie point of the LiTaO3 substrate, the proton exchange layer 3 is undesirably expanded due to heat diffusion before reaching the above-described temperature if the temperature rise rate is too low, whereby the short-period domain inverted structure 4 is hardly formed.

Daher haben die Erfinder ein Verfahren geschaffen zur Herstellung der domäneninvertierten Struktur 4 durch Ausführen der Wärmebehandlung mit RTA (Rapid Thermal Annealing = Schnelles Tempern). RTA ist ein Verfahren zum Heizen einer Probe mit hoher Geschwindigkeit durch Infrarotstrahlen und kann von sehr geringen Geschwindigkeiten bis zu hohen Geschwindigkeiten von 50ºC/Sekunde oder darüber bei gleichzeitiger hervorragender Steuerbarkeit heizen. Daher wurde der Versuch unternommen, die periodisch domäneninvertierte Struktur 4 durch RTA herzustellen, wenn die Protonenaustauschschicht 3 bei dem Verfahren zur Herstellung der domäneninvertierten Struktur 4 wärmebehandelt wird.Therefore, the inventors have created a method for producing the domain-inverted structure 4 by carrying out the heat treatment by RTA (Rapid Thermal Annealing). RTA is a method for heating a sample at a high speed by infrared rays and can heat from very low speeds to high speeds of 50°C/second or more while having excellent controllability. Therefore, an attempt was made to produce the periodic domain-inverted structure 4 by RTA when the proton exchange layer 3 is heat-treated in the method for producing the domain-inverted structure 4.

Als Resultat der RTA-Wärmbehandlung ergaben sich ein sehr schneller Temperaturanstieg und eine kurze Wärmebehandlung. Fig. 8 illustriert die erhaltene Beziehung zwischen der Temperaturanstiegsgeschwindigkeit bei der Wärmebehandlung und der kürzesten herstellbaren Periode der domäneninvertierten Struktur 4.As a result of the RTA heat treatment, a very fast temperature rise and a short heat treatment time were obtained. Fig. 8 illustrates the obtained relationship between the temperature rise rate during the heat treatment and the shortest manufacturable period of the domain-inverted structure 4.

Die Temperaturanstiegsgeschwindigkeit bei der erforderlichen Wärmebehandlung wurde aus dieser in Fig. 8 gezeigten Beziehung zwischen der Temperaturanstiegsgeschwindigkeit und der minimal Domäneninversionsperiode erhalten. Im Ergebnis ergab sich, daß eine Ge schwindigkeit von 0,5ºC/Sekunde oder mehr für die domäneninvertierte Struktur dritter Ordnung und von 15ºC/Sekunde oder mehr für die domäneninvertierte Struktur erster Ordnung erforderlich war.The temperature rise rate in the required heat treatment was obtained from the relationship between the temperature rise rate and the minimum domain inversion period shown in Fig. 8. As a result, it was found that a Ge rate of 0.5ºC/second or more was required for the third-order domain-inverted structure and 15ºC/second or more for the first-order domain-inverted structure.

Im Ergebnis mußte zur Herstellung eines Wellenlängenwandlerelements mit hoher Ausgangsleistung und hoher Effizienz das Heizen mit einer Temperaturanstiegsgeschwindigkeit von 0,5ºC/Sekunde oder mehr durchgeführt werden. Um die Domäneninversion erster Ordnung zu realisieren, die eine noch effizientere Wellenlängenumwandlung ermöglicht, mußte das Heizen mit einer Temperaturanstiegsgeschwindigkeit von 15ºC/Sekunde oder mehr durchgeführt werden. Da jedoch die mit einem gewöhnlichen Ofen realisierbare Temperaturanstiegsgeschwindigkeit 1ºC/Sekunde oder weniger beträgt, kann die Domänenstruktur erster Ordnung nicht realisiert werden, jedoch die domäneninvertierte Struktur dritter Ordnung mit einer Periode von ungefähr 10 um. Ein schnelles Heizen von 50ºC/Sekunde oder mehr kann jedoch mit RTA durchgeführt werden. Dadurch konnte eine domäneninvertierte Struktur erster Ordnung mit einer Periode von 4 um oder weniger hergestellt werden. Der Grund dafür liegt daran, daß die Diffusion der Protonenschicht, die bei der Wärmebehandlung der Protonenaustauschschicht erzeugt werden kann, durch den schnellen Temperaturanstieg und die kurze Zeit der Wärmebehandlung eingeschränkt werden kann. Dadurch kann die Quervergrößerung der domäneninvertierten Struktur beschränkt und dadurch die Ausbildung der domäneninvertierten Struktur mit kurzer Periode ermöglicht werden. Im Ergebnis konnte ein Wellenlängenwandlerelement mit einer Domäneninversionsstruktur erster Ordnung mit hervorragender Effizienz hergestellt werden.As a result, in order to manufacture a wavelength conversion element with high output and high efficiency, heating had to be carried out at a temperature rise rate of 0.5ºC/second or more. In order to realize the first-order domain inversion, which enables even more efficient wavelength conversion, heating had to be carried out at a temperature rise rate of 15ºC/second or more. However, since the temperature rise rate that can be realized with an ordinary furnace is 1ºC/second or less, the first-order domain structure cannot be realized, but the third-order domain inverted structure with a period of about 10 µm can be realized. However, rapid heating of 50ºC/second or more can be carried out with RTA. As a result, a first-order domain inverted structure with a period of 4 µm or less could be manufactured. The reason for this is that the diffusion of the proton layer, which can be generated during the heat treatment of the proton exchange layer, can be restricted by the rapid temperature rise and the short time of the heat treatment. As a result, the transverse enlargement of the domain inverted structure can be restricted, thereby enabling the formation of the domain inverted structure with a short period. As a result, a wavelength conversion element with a first-order domain inversion structure with excellent efficiency could be manufactured.

Tiefe der domäneninvertierten StrukturDepth of the domain-inverted structure

Bei der Herstellung eines effizienten Wellenlängenwandlerelements ist es wichtig, die Periode der invertierten Struktur zu verkürzen und die domäneninvertierte Struktur mit der richtigen Tiefe herzustellen. Anhand der Fig. 9a, 9b, 10a und 10b wird der Grund dafür erklärt. Fig. 10a zeigt eine Querschnittsansicht entlang der Mittellinie des Wellenleiters des in Fig. 1 gezeigten Wellenlängenwandlerelements. Die Fig. 9b und 10b sind jeweils vergrößerte Ansichten, die eine Verteilung des elektrischen Feldes des sich durch den Wellenleiter ausbreitenden Lichts darstellen. Die Fig. 9a und 9b illustrieren den Fall, daß die Tiefe der domäneninvertierten Struktur bezüglich der Tiefe des Wellenleiters flach ist, während die Fig. 10a und 10b den Fall illustrieren, daß die Tiefe der domäneninvertierten Struktur bezüglich der Tiefe des Wellenleiters tief ist. In den Zeichnungen bezeichnet die Bezugsziffer 4 die domäneninvertierte Struktur, 5 einen Protonenaustauschwellenleiter, 6 das Grundwellenlicht, 7 SHG-Licht, 10 die elektrische Feldverteilung des Grundwellenlichts, 11 die elektrische Feldverteilung des SHG-Lichts und 13 den Überlapp der elektrischen Feldverteilung 10 des Grundwellenlichts, der elektrischen Feldverteilung 11 des SHG-Lichts und der domäneninvertierten Struktur 4. Die SHG-Effizienz steht im Verhältnis zu dem Überlapp 13 der elektrischen Felder. Wie aus den Fig. 9a, 9b, 10a und 10b deutlich wird, wird im Fall einer flachen Tiefe der domäneninvertierten Struktur 4 im Bezug zu der des Protonenaustauschwellenleiters 5 mit größerem Überlapp 13 der elektrischen Felder die Tiefe der domäneninvertierten Struktur 4 tiefer. Im Verhältnis dazu steigt die SHG-Ausgangsleistung an. Das Resultat von Berechnungen der oben beschriebenen Beziehung ist gezeigt in Fig. 11.In manufacturing an efficient wavelength conversion element, it is important to shorten the period of the inverted structure and to manufacture the domain inverted structure with the correct depth. The reason for this will be explained with reference to Figs. 9a, 9b, 10a and 10b. Fig. 10a shows a cross-sectional view along the center line of the waveguide of the wavelength conversion element shown in Fig. 1. Figs. 9b and 10b are each enlarged views showing an electric field distribution of the light propagating through the waveguide. Figs. 9a and 9b illustrate the case that the depth of the domain inverted structure is shallow with respect to the depth of the waveguide, while Figs. 10a and 10b illustrate the case that the depth of the domain inverted structure is deep with respect to the depth of the waveguide. In the drawings, reference numeral 4 denotes the domain inverted structure, 5 a proton exchange waveguide, 6 the fundamental wave light, 7 SHG light, 10 the electric field distribution of the fundamental wave light, 11 the electric field distribution of the SHG light, and 13 the overlap of the electric field distribution 10 of the fundamental wave light, the electric field distribution 11 of the SHG light, and the domain inverted structure 4. The SHG efficiency is related to the overlap 13 of the electric fields. As is clear from Figs. 9a, 9b, 10a, and 10b, in the case of a shallow depth of the domain inverted structure 4 relative to that of the proton exchange waveguide 5 with a larger overlap 13 of the electric fields, the depth of the domain inverted structure 4 becomes deeper. In proportion, the SHG output power increases. The result of calculations of the above-described relationship is shown in Fig. 11.

Die Beziehung zwischen der Tiefe der domäneninvertierten Struktur 4 und der SHG- Umwandlungseffizienz bei einem Protonaustauschwellenleiter 5 von 2,4 um wurde ermittelt. Deutlich wird, das die SHG-Umwandlungseffizienz erheblich von der Tiefe der domäneninvertierten Struktur 4 abhängt, bis die Tiefe der domäneninvertierten Struktur 4 2,4 um erreicht. Daher wurde eine Untersuchung angestellt bezüglich der Tiefe der domäneninvertierten Struktur 4, und die Beziehung zwischen der Wärmebehandlungstemperatur und der Form der domäneninvertierten Struktur 4 wurde gemessen. Die Protonenaustauschschicht 3 mit der Breite 10 um und der Tiefe 0,6 um wurde für 30 Sekunden mit einem Ofen wärmebehandelt, so daß die Beziehungen zwischen der Wärmebehandlungstemperatur und der Breite und der Tiefe der domäneninvertierten Struktur 4 ermittelt wurde. Die Resultate sind gezeigt in Fig. 12.The relationship between the depth of the domain inverted structure 4 and the SHG conversion efficiency in a proton exchange waveguide 5 of 2.4 µm was determined. It is clear that the SHG conversion efficiency depends significantly on the depth of the domain inverted structure 4 until the depth of the domain inverted structure 4 reaches 2.4 µm. Therefore, an investigation was made on the depth of the domain inverted structure 4, and the relationship between the heat treatment temperature and the shape of the domain inverted structure 4 was measured. The proton exchange layer 3 with the width 10 µm and the depth 0.6 µm was heat treated for 30 seconds with a furnace, so that the relationships between the heat treatment temperature and the width and depth of the domain-inverted structure 4. The results are shown in Fig. 12.

Wie in Fig. 12 gezeigt, vergrößert sich die domäneninvertierte Struktur 4 entsprechend einem Wärmebehandlungstemperaturanstieg und gleichfalls mit einer Veränderung des Verhältnisses der Breite der domäneninvertierten Struktur 4 und der Tiefe derselben. Das heißt, daß mit höherer Temperatur die Tiefe der gebildeten domäneninvertierten Struktur 4 zunimmt, wenn die Breite gleichbleibt. Im Ergebnis hat sich herausgestellt, daß die Hochtemperaturwärmebehandlung eine größere Tiefe der gebildeten domäneninvertierten Struktur 4 bei gleicher Breite zuläßt. Der Grund dafür ist wohl, daß die Vergrößerungsgeschwindigkeit der domäneninvertierten Struktur 4 in der Richtung der Tiefe und in der Breitenrichtung verschiedene Temperaturcharakteristiken hat und dadurch die Vergrößerungsgeschwindigkeiten der Tiefenrichtung im Verhältnis zur Temperatur steht.As shown in Fig. 12, the domain inverted structure 4 enlarges according to a heat treatment temperature increase and also with a change in the ratio of the width of the domain inverted structure 4 and the depth thereof. That is, the higher the temperature, the depth of the domain inverted structure 4 formed increases when the width remains the same. As a result, it has been found that the high-temperature heat treatment allows a greater depth of the domain inverted structure 4 formed with the same width. The reason for this is probably that the enlargement rate of the domain inverted structure 4 in the depth direction and in the width direction has different temperature characteristics and thus the enlargement rates in the depth direction are related to the temperature.

Ferner hat sich herausgestellt, daß die Tiefe der domäneninvertierten Struktur 4 auch von der Wärmeanstiegsgeschwindigkeit bei der Wärmebehandlung abhängt. Die Fig. 13a und 13b zeigen die Beziehung zwischen der Breite und der Tiefe der domäneninvertierten Struktur 4, und zwar gebildet durch erhöhende Temperatur mit einer Geschwindigkeit von 50ºC/Sekunde durch RTA und durch eine Wärmebehandlung bei 550ºC für 50 Sekunden, und denen der domäneninvertierten Struktur 4, die unter Verwendung des konventionellen Ofens mit einer Temperaturanstiegsgeschwindigkeit von 1ºC/Sekunde und mit einer Wärmebehandlung bei 550ºC für 30 Sekunden hergestellt wurde.Furthermore, it was found that the depth of the domain-inverted structure 4 also depends on the heat rise rate in the heat treatment. Figs. 13a and 13b show the relationship between the width and depth of the domain-inverted structure 4 formed by raising the temperature at a rate of 50°C/second by RTA and by heat treatment at 550°C for 50 seconds, and those of the domain-inverted structure 4 formed by using the conventional furnace at a temperature rise rate of 1°C/second and by heat treatment at 550°C for 30 seconds.

Als Ergebnis des Hochtemperaturanstiegs durch RTA konnte eine domäneninvertierte Struktur 4 mit einer Breite von 1-2 um hergestellt werden. Darüber hinaus konnte die Tiefe der domäneninvertierten Struktur 4 bei festgelegter Breite in einem Bereich zwischen 1 und 5 um noch tiefer werden. Der Grund dafür ist wohl, daß das elektrische Feld wegen des pyroelektrischen Effekts vergrößert wird, wenn die Wärmebehandlung in einer kurzen Zeit durchgeführt wird, wodurch ein sehr großes elektrisches Feld erzeugt wird, wenn die Temperatur mit hoher Geschwindigkeit ansteigt, und die Vergrößerung der domäneninvertierten Struktur in der Tiefenrichtung verstärkt wird. Zum Beispiel ist die erforderliche Tiefe der domäneninvertierten Struktur mit einer Breite von 2 um zur Realisierung einer Periode von 4 um ungefähr 1 um, wenn die Wärmebehandlung bei einer Temperaturanstiegsgeschwindigkeit von 1ºC/Sekunde durchgeführt wird. Es kann jedoch eine domäneninvertierte Struktur mit einer Tiefe von 1,5 um hergestellt werden, wenn die Temperatur mit einer Geschwindigkeit von 50ºC/Sekunde erhöht wird. Unter Verwendung des obigen Werts wurde die mit einem anhand Fig. 11 beschriebenen Verfahren beschriebene SHG-Umwandlungseffizienz berechnet. Im Ergebnis kann das bei einer Temperaturanstiegsgeschwindigkeit von 50º C/Sekunde hergestellte Wellenlängenwandlerelement eine 10x höhere Umwandlungseffizienz wie die des bei einer Temperaturanstiegsgeschwindigkeit von 1ºC/Sekunde gebildeten Wellenlängenwandlerelements zeigen.As a result of the high temperature rise by RTA, a domain inverted structure 4 with a width of 1-2 µm could be manufactured. Moreover, the depth of the domain inverted structure 4 could be made deeper with the width fixed in a range between 1 and 5 µm. The reason for this is probably that the electric field is increased due to the pyroelectric effect when the heat treatment is carried out in a short time, thereby generating a very large electric field when the temperature rises at a high rate and enhancing the enlargement of the domain inverted structure in the depth direction. For example, the required depth of the domain inverted structure with a width of 2 µm to realize a period of 4 µm is approximately 1 µm when the heat treatment is carried out at a temperature rise rate of 1ºC/second. However, a domain-inverted structure with a depth of 1.5 µm can be formed when the temperature is raised at a rate of 50ºC/second. Using the above value, the SHG conversion efficiency described by a method described with reference to Fig. 11 was calculated. As a result, the wavelength conversion element formed at a temperature rise rate of 50ºC/second can show a conversion efficiency 10 times higher than that of the wavelength conversion element formed at a temperature rise rate of 1ºC/second.

Der pyroelektrische Effekt wird durch eine Erscheinung verursacht, bei dem sich die Domäne des Kristalls wegen einer Veränderung der Temperatur des LiTaO&sub3;-Kristalls verändert und dadurch auf der Oberfläche des Substrats eine Ladung erzeugt wird, was ein elektrisches Feld verursacht. Da die Ladung aufgrund des pyroelektrischen Effekts im Verhältnis zu dem Wert der Temperaturveränderung steht, kann bei einem schnellen Anstieg der Temperatur ein großes elektrisches Feld erzeugt werden.The pyroelectric effect is caused by a phenomenon in which the domain of the crystal changes due to a change in the temperature of the LiTaO3 crystal, and thereby a charge is generated on the surface of the substrate, causing an electric field. Since the charge due to the pyroelectric effect is proportional to the value of the temperature change, a large electric field can be generated when the temperature increases rapidly.

Im Ergebnis konnte auf der LiTaO&sub3;-Oberfläche durch die RTA-Wärmebehandlung eine kurzperiodische domäneninvertierte Struktur 4 hergestellt werden. Da die domäneninvertierte Struktur tiefer war, konnte ihr Überlapp mit dem Wellenleitermodus vergrößert werden und dadurch ein Wellenlängenwandlerelement mit höherer Umwandlungseffizienz hergestellt werden.As a result, a short-period domain-inverted structure 4 could be formed on the LiTaO3 surface by the RTA heat treatment. Since the domain-inverted structure was deeper, its overlap with the waveguide mode could be increased, thereby fabricating a wavelength conversion element with higher conversion efficiency.

Die Wärmebehandlung, bei der die Domäne invertiert wurde, wurde mit einer auf der Außenoberfläche des Substrats gebildeten Ta-Maske 2 durchgeführt. Da die Ta-Maske 2 einen erheblich höheren Infrarotabsorptionskoeffizienten im Vergleich zu dem LiTaO&sub3;- Substrat hat, konnte die Temperaturanstiegsgeschwindigkeit auf der Oberfläche der Probe um ein Vielfaches gesteigert werden. Im Ergebnis konnte eine domäneninvertierte Struktur 4 mit noch kürzerer Periode und tieferer Domäneninversionstiefe hergestellt werden. Daher konnte ein effizientes Wellenlängenwandlerelement hergestellt werden, das kurze Wellenlängen umwandeln kann.The heat treatment in which the domain was inverted was carried out with a Ta mask 2 formed on the outer surface of the substrate. Since the Ta mask 2 has a significantly higher infrared absorption coefficient compared to the LiTaO3 substrate, the temperature rise rate on the surface of the sample could be increased several times. As a result, a domain-inverted structure 4 with an even shorter period and deeper domain inversion depth could be manufactured. Therefore, an efficient wavelength conversion element capable of converting short wavelengths could be manufactured.

Obwohl die Wachstumsrichtung in der domäneninvertierten Struktur 4 bei diesem Beispiel in der Übertragungsrichtung Y liegt, kann ein vergleichbares Element hergestellt werden, wenn sie in die Übertragungsrichtung X gelegt wird.Although the growth direction in the domain-inverted structure 4 in this example is in the transfer direction Y, a comparable element can be manufactured if it is placed in the transfer direction X.

Obwohl das Substrat auch bei diesem Beispiel aus LiTaO&sub3; bestand, kann zur Herstellung eines vergleichbaren Elements eine andere LiTaO&sub3;-Platte verwendet werden, in die MgO, Nb, Nd oder dergleichen dotiert ist.Although the substrate in this example was also made of LiTaO₃, another LiTaO₃ plate doped with MgO, Nb, Nd or the like can be used to produce a comparable element.

Obwohl bei diesem Beispiel als Heizvorrichtung die Infrarotheizvorrichtung verwendet wurde, können auch andere Heizvorrichtungen zur Herstellung eines vergleichbaren Elements verwendet werden, die eine hohe Temperaturanstiegsgeschwindigkeit zeigen, etwa Blitzlampenheizvorrichtungen, CO&sub2;-Laser-Heizvorrichtungen oder dergleichen.Although the infrared heater was used as the heater in this example, other heaters which exhibit a high temperature rise rate, such as flash lamp heaters, CO2 laser heaters or the like, can also be used to produce a similar element.

Obwohl zum Ionenaustausch bei diesem Beispiel Pyrophosphorsäure verwendet wurde, kann auch eine andere Säure verwendet werden, etwa Orthophosphorsäure, Benzoe-Säure, Schwefelsäure oder dergleichen.Although pyrophosphoric acid was used for ion exchange in this example, another acid may also be used, such as orthophosphoric acid, benzoic acid, sulfuric acid or the like.

Obwohl als Maske zur Verhinderung der Ionisierung bei diesem Beispiel der Ta-Film verwendet wurde, kann auch ein anderer Film verwendet werden, wenn er säurebeständig ist, etwa Ta&sub2;O&sub5;, Pt, Au und dergleichen.Although the Ta film was used as the mask for preventing ionization in this example, another film may be used if it is acid-resistant, such as Ta₂O₅, Pt, Au, and the like.

Obwohl als Wellenleiter bei diesem Beispiel der Protonenaustauschwellenleiter verwendet wurde, können auch andere Wellenleiter angewendet werden, etwa Ti-Diffusionswellenleiter, Nb-Diffusionswellenleiter, Ioneninjektionswellenleiter und dergleichen.Although the proton exchange waveguide was used as the waveguide in this example, other waveguides can also be applied, such as Ti diffusion waveguide, Nb diffusion waveguide, ion injection waveguide and the like.

Obwohl zur Herstellung der Maske Ta verwendet würde, sind auch andere Materialien verwendbar, etwa Au, Pt, Ti und Ag.Although Ta would be used to make the mask, other materials can also be used, such as Au, Pt, Ti and Ag.

Beispiel 3Example 3

Bei diesem Beispiel ist ein Herstellungsverfahren für einen Wellenleiter mit niedrigen Verlusten nach Herstellung der domäneninvertierten Struktur vorgesehen. Um ein effizientes Wellenlängenwandlerelement herzustellen, ist es erforderlich, auf der domäneninvertierten Struktur 4 einen Wellenleiter mit niedrigen Verlusten zu bilden. Das in Beispiel 1 beschriebene Verfahren zur Herstellung der domäneninvertierten Struktur 4 wird so ausgelegt, daß durch die Wärmebehandlung die Protonenaustauschschicht 3 zur Herstellung der domäneninvertierten Struktur 4 hergestellt wird. Wenn jedoch die periodisch domäneninvertierte Struktur 4 gebildet wird, wird zwischen der domäneninvertierten Struktur 4 und der nicht invertierten Struktur 4 ein Unterschied im Brechungsindex erzeugt, und zwar wegen einer Veränderung des Brechungsindex zwischen der Protonenaustauschschicht 3 und dem Substrat. Daher gibt es beim Führen von Wellen in dem in der domäneninvertierten Struktur 4 gebildeten Wellenleiter Verluste. Folglich wurde ein Verfahren zur Herstellung eines Wellenleiters mit niedrigen Verlusten an der domäneninvertierten Struktur 4 untersucht.In this example, a manufacturing method for a low-loss waveguide is provided after forming the domain-inverted structure. In order to manufacture an efficient wavelength conversion element, it is necessary to form a low-loss waveguide on the domain-inverted structure 4. The method for manufacturing the domain-inverted structure 4 described in Example 1 is designed so that the proton exchange layer 3 is formed by the heat treatment to form the domain-inverted structure 4. However, when the periodic domain-inverted structure 4 is formed, a difference in refractive index is generated between the domain-inverted structure 4 and the non-inverted structure 4 due to a change in refractive index between the proton exchange layer 3 and the substrate. Therefore, there is loss when guiding waves in the waveguide formed in the domain-inverted structure 4. Consequently, a method for fabricating a waveguide with low losses on the domain-inverted structure 4 was investigated.

In den Fig. 17a-17h zeigt die Bezugsziffer 1 ein LiTaO&sub3;-Substrat, 2 eine Ta-Maske aus ionisierungsbeständigem Maskenmaterial, 3 eine Protonenaustauschschicht, 4 eine domäneninvertierte Struktur, 5 eine Ta-Maske, 6 einen Inversionslichtwellenleiter und 13 eine Ta- Maske aus ionisationsbeständigem Maskenmaterial. Bei dem Prozeß nach diesem Beispiel wird der LiTaO&sub3;-Kristall bei einer Temperatur, bei der die Domäne nicht invertiert wird, zum Zweck des Temperns zur Diffusion von Inversionsbehandlungsionen in den LiTaO&sub3;-Kristall wärmebehandelt.In Fig. 17a-17h, reference numeral 1 shows a LiTaO₃ substrate, 2 a Ta mask made of ionization-resistant mask material, 3 a proton exchange layer, 4 a domain-inverted structure, 5 a Ta mask, 6 an inversion optical waveguide and 13 a Ta- Mask made of ionization resistant mask material. In the process of this example, the LiTaO₃ crystal is heat treated at a temperature at which the domain is not inverted for the purpose of annealing to diffuse inversion treatment ions into the LiTaO₃ crystal.

Hergestellt wurde die domäneninvertierte Struktur nach Beispiel 1 (vergleiche Fig. 17a- 17d), und dann wurde der Brechungsindex der hergestellten domäneninvertierten Struktur 4 mit einem Prismenkopplungsverfahren gemessen, wobei die Differenz des Brechungsindex gegenüber dem Substrat 1 ungefähr 0,02 betrug. Gemäß Fig. 17e wurde das so hergestellte Substrat bei 450ºC 4 Stunden getempert. Als Ergebnis betrug die Differenz des Brechungsindex zwischen der domäneninvertierten Struktur 4 und dem Substrat 1 0,005 oder weniger. Ferner wurde die Domäne bei Temperung bei 550ºC oder darüber nach ihrer Invertierung reinvertiert, so daß die domäneninvertierte Struktur 4 zerstört wurde.The domain-inverted structure of Example 1 was prepared (see Fig. 17a-17d), and then the refractive index of the prepared domain-inverted structure 4 was measured by a prism coupling method, whereby the difference in refractive index from the substrate 1 was about 0.02. As shown in Fig. 17e, the thus prepared substrate was annealed at 450°C for 4 hours. As a result, the difference in refractive index between the domain-inverted structure 4 and the substrate 1 was 0.005 or less. Further, when annealed at 550°C or more, the domain was reinverted after its inversion, so that the domain-inverted structure 4 was destroyed.

In Fig. 17f wird die Ta-Maske 2 durch Sputtern auf dem LiTaO&sub3;-Substrat 1 gebildet. Nach Aufbringen des Lacks auf die Oberfläche der Ta-Maske 2 werden auf dem Substrat in der Übertragungsrichtung X des Substrats durch einen photolithographischen Prozeß Wellenleiterstreifen mit einer Breite von 6 um gebildet. Dann wird in einer CF&sub4;-Atmosphäre zur Herstellung der Ta-Maske 13 trockengeäzt. In Fig. 17g wird das Substrat in Pyrophosphorsäure bei 230ºC für 20 Minuten wärmebehandelt, um die unmaskierten Bereiche des LiTaO&sub3;- Substrats der Protonenaustauschbehandlung zu unterwerfen. Im Ergebnis wird der Protonenaustauschwellenleiter 5 gebildet. Dann wird die Ta-Maske 13 in dem in Fig. 17h gezeigten Zustand entfernt, bevor die beiden Endoberflächen des LiTaO&sub3;-Substrats optisch poliert werden, so daß das Wellenlängenwandlerelement hergestellt wird.In Fig. 17f, the Ta mask 2 is formed on the LiTaO3 substrate 1 by sputtering. After applying the resist to the surface of the Ta mask 2, waveguide stripes having a width of 6 µm are formed on the substrate in the transmission direction X of the substrate by a photolithographic process. Then, dry etching is carried out in a CF4 atmosphere to prepare the Ta mask 13. In Fig. 17g, the substrate is heat-treated in pyrophosphoric acid at 230°C for 20 minutes to subject the unmasked areas of the LiTaO3 substrate to the proton exchange treatment. As a result, the proton exchange waveguide 5 is formed. Then, the Ta mask 13 is removed in the state shown in Fig. 17h before the both end surfaces of the LiTaO3 substrate are optically polished so that the wavelength conversion element is manufactured.

Die Eigenschaften der hergestellten Wellenlängenwandlerelemente wurden verglichen. Hergestellt wurden drei Probentypen, das heißt, eine Probe 1, die bei 450ºC für eine Stunde nach der Domänenumwandlung wärmebehandelt wurde, eine Probe 2, die nach der Domänenumwandlung nicht wärmebehandelt wurde, und ein Probe 3, die bei 550ºC für eine Stunde wärmebehandelt wurde. Dann wurden mit einem bündelnden optischen System Halbleiterlaserstrahlen mit einer Wellenlänge von 800 um und eine Ausgangsleistung von 40 mW gebündelt. Die emittierten Grundwellen und das SHG-Licht wurden von einer Linse gebündelt, um von einem Leistungsmeßgerät gemessen zu werden. Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle gezeigt: Tabelle 1 The characteristics of the manufactured wavelength conversion elements were compared. Three types of samples were prepared, that is, a sample 1 which was heat-treated at 450°C for one hour after domain conversion, a sample 2 which was not heat-treated after domain conversion, and a sample 3 which was heat-treated at 550°C for one hour. Then, semiconductor laser beams having a wavelength of 800 µm and an output power of 40 mW were condensed by a condensing optical system. The emitted fundamental waves and SHG light were condensed by a lens to be measured by a power meter. The results are shown in the following table: Table 1

Wie aus den in Tabelle 1 gezeigten Ergebnissen zu den Proben 1 und 2 klar wird, zeigte Probe 1 eine Verringerung der Differenz des Brechungsindex der domäneninvertierten Struktur 4 durch die nach der Domäneninversion durchgeführte Temperung. Daher wurde der Verlust in dem Wellenleiter des Wellenlängenwandlerelements verringert von 2 dB/cm (Probe 2) auf 0,4 dB/cm. Im Ergebnis wurde der Wellenleiterverlust der Probe 1 verringert und damit die Ausgangsleistung der Grundwelle erhöht.As is clear from the results of Samples 1 and 2 shown in Table 1, Sample 1 showed a reduction in the difference in the refractive index of the domain-inverted structure 4 by the annealing performed after the domain inversion. Therefore, the loss in the waveguide of the wavelength conversion element was reduced from 2 dB/cm (Sample 2) to 0.4 dB/cm. As a result, the waveguide loss of Sample 1 was reduced and thus the output power of the fundamental wave was increased.

Darüber hinaus wurde die Ausgangsleistung von SHG-Licht erhöht, weil der Wellenlängenverlust vermindert war. Im Ergebnis konnte ein Wellenlängenwandlerelement mit sehr guter Umwandlungseffizienz hergestellt werden. Obwohl die Grundwellen in der Probe 3 geführt wurden, wurde keine SHG-Licht erzeugt. Der Grund dafür ist vermutlich die Reinversion der domäneninvertierten Struktur 4 wegen der Wärmebehandlung bei 550ºC, so daß sie zerstört wurde.In addition, the output power of SHG light was increased because the wavelength loss was reduced. As a result, a wavelength conversion element with very good conversion efficiency. Although the fundamental waves were guided in sample 3, no SHG light was generated. The reason for this is probably that the domain-inverted structure 4 was reinverted due to the heat treatment at 550ºC, so that it was destroyed.

Wie oben beschrieben, wurde bei diesem Beispiel der Protonenaustausch teilweise ausgeführt, so daß die periodisch domäneninvertierte Schicht 4 gebildet wurde. Dann wurde bei 550ºC oder darunter getempert. Dadurch kann ein Wellenleiter mit niedrigen Verlusten mit dem Verfahren nach diesem Beispiel hergestellt werden, weil der Wellenleiterverlust verringert werden kann. Im Ergebnis kann ein Wellenleiterwandlerelement mit sehr guter Umwandlungseffizienz hergestellt werden.As described above, in this example, proton exchange was partially carried out so that the periodic domain inverted layer 4 was formed. Then, annealing was carried out at 550°C or below. Therefore, a low-loss waveguide can be manufactured by the method of this example because the waveguide loss can be reduced. As a result, a waveguide conversion element with very good conversion efficiency can be manufactured.

Obwohl bei diesem Beispiel zum Ausführen des Ionenaustauschs Pyrophosphorsäure verwendet wird, können auch andere Säuren verwendet werden, etwa Phosphorsäure, Stearinsäure, Benzoe-Säure, Salpetersäure, Salzsäure und Schwefelsäure.Although this example uses pyrophosphoric acid to perform ion exchange, other acids can also be used, such as phosphoric acid, stearic acid, benzoic acid, nitric acid, hydrochloric acid, and sulfuric acid.

Obwohl als ionisationsbeständige Maske bei diesem Beispiel der Ta-Film verwendet wurde, kann auch ein anderer säurebeständiger Film eingesetzt werden, etwa Ta&sub2;O&sub5; und Pt und dergleichen.Although the Ta film was used as the ionization resistant mask in this example, other acid resistant films such as Ta₂O₅ and Pt and the like may also be used.

Obwohl das Substrat bei diesem Beispiel aus LiTaO&sub3; besteht, kann auch eine andere Li- TaO&sub3;-Platte mit MgO-Dotierung verwendet werden.Although the substrate in this example is LiTaO3, another LiTaO3 plate with MgO doping may also be used.

Die Resultate der oben beschriebenen Beispiele sind wie folgt:The results of the examples described above are as follows:

Gemäß Beispiel 1 wurde eine periodische Protonenaustauschschicht gebildet, so daß durch Wärmebehandlung der Protonenaustauschschicht die domäneninvertierte Struktur gebildet wurde. Bei diesem Beispiel wurde ein Wellenlängenwandlerelement mit Periode dritter Ordnung hergestellt, jedoch keines mit Periode erster Ordnung.According to Example 1, a periodic proton exchange layer was formed so that the domain inverted structure was formed by heat-treating the proton exchange layer. In this example, a wavelength conversion element with a third-order period was fabricated, but not one with a first-order period.

Gemäß Beispiel 2 wurde auf dem LiTaO&sub3;-Substrat die periodische Protonenaustauschschicht gebildet und diese einer Wärmebehandlung unterworfen, bei der die Temperatur mit hoher Geschwindigkeit erhöht wurde, so daß ein Wellenlängenwandlerelement mit domäneninvertierter Struktur erster Ordnung hergestellt werden konnte.According to Example 2, the periodic proton exchange layer was formed on the LiTaO3 substrate and subjected to a heat treatment in which the temperature was increased at a high rate, so that a wavelength conversion element with a first-order domain-inverted structure could be manufactured.

Nach Beispiel 3 wurde die domäneninvertierte Struktur wärmebehandelt, so daß die Differenz im Brechungsindex gegenüber dem Substrat verringert wurde.According to Example 3, the domain-inverted structure was heat treated so that the difference in refractive index compared to the substrate was reduced.

Dann wurden die Eigenschaften eines mit dem Verfahren nach dem obigen Beispiel hergestellten Wellenlängenwandlerelements ausgewertet.Then, the characteristics of a wavelength conversion element manufactured by the method of the above example were evaluated.

Eigenschaften des WellenlängenwandlerelementsProperties of the wavelength converter element

Im folgenden werden die Eigenschaften des Wellenlängenwandlerelements beschrieben. Auf der domäneninvertierten Struktur 4 nach Beispiel 1 wurde der Wellenleiter 5 nach Beispiel 3 gebildet, so daß das Wellenlängenwandlerelement mit Periode dritter Ordnung her gestellt wurde. Das Wellenlängenwandlerelement wurde hergestellt durch Bilden des Protonenaustauschwellenleiters mit einer Breite von 5 um, einer Tiefe von 2,4 um und einer Länge von 9 um auf der domäneninvertierten Schicht 4 mit einer Periode von 10,5 um, einer Breite von 6,0 um und einer Tiefe von 2,7 um. Dann wurden die SHG-Eigenschaften des hergestellten Wellenlängenwandlerelements gemessen. Unter Verwendung eines Ti: Al&sub2;O&sub3; Saphirlasers mit variabler Wellenlänge zum Abrastern der Wellenlänge des einfallenden Lichts in einem Bereich zwischen 840 und 880 nm konnte eine phasenangepaßte Wellenlänge erhalten werden.The characteristics of the wavelength conversion element are described below. On the domain inverted structure 4 of Example 1, the waveguide 5 of Example 3 was formed so that the wavelength conversion element with third order period was manufactured. The wavelength conversion element was manufactured by forming the proton exchange waveguide with a width of 5 µm, a depth of 2.4 µm and a length of 9 µm on the domain inverted layer 4 with a period of 10.5 µm, a width of 6.0 µm and a depth of 2.7 µm. Then, the SHG characteristics of the manufactured wavelength conversion element were measured. By using a Ti:Al₂O₃ sapphire variable wavelength laser to scan the wavelength of the incident light in a range between 840 and 880 nm, a phase-matched wavelength could be obtained.

Fig. 18 illustriert die SHG-Eigenschaften eines konventionellen, unter Verwendung von LiNbO&sub3; hergestellten Wellenlängenwandlerelements und des unter Verwendung von LiTaO&sub3; hergestellten Wellenlängenwandlerelements mit Domäneninversionsperiode dritter Ordnung. Das mit LiNbO&sub3; hergestellte Wellenlängenwandlerelement hatte das Problem einer schweren Erreichbarkeit großer Ausgangsleistungen, weil die Ausgangsleistung bei 10 uW sättigte, und zwar wegen optischer Schäden. Andererseits ergab sich bei dem unter Verwendung von LiTaO&sub3; hergestellten Element keine Verschlechterung der Ausgangsleistung wegen optischer Schäden. Ferner zeigte das unter Verwendung von LiTaO&sub3; hergestellte Wellenlängenwandlerelement eine hervorragende Wellenlängenumwandlung von 27%/W im Vergleich zu einer Umwandlungseffizienz von 0,43%/W mit dem unter Verwendung von LiNbO&sub3; hergestellten konventionellen Wellenlängenwandlerelement.Fig. 18 illustrates the SHG characteristics of a conventional wavelength conversion element made using LiNbO3 and the wavelength conversion element with third-order domain inversion period made using LiTaO3. The wavelength conversion element made using LiNbO3 had a problem of difficulty in achieving large output powers because the output power saturated at 10 µW due to optical damage. On the other hand, the element made using LiTaO3 did not experience any deterioration in output power due to optical damage. Furthermore, the wavelength conversion element made using LiTaO3 showed an excellent wavelength conversion of 27%/W compared with a conversion efficiency of 0.43%/W with the conventional wavelength conversion element made using LiNbO3.

Um ein Wellenlängenwandlerelement mit noch besserer Effizienz herzustellen, wurde durch Herstellung des Wellenleiters 5 nach Beispiel 3 auf der nach Beispiel 2 hergestellten domäneninvertierten Struktur ein Wellenlängenwandlerelement mit Periode erster Ordnung hergestellt. Das hergestellte Wellenlängenwandlerelement erster Ordnung und das Wellenlängenwandlerelement dritter Ordnung wurden einem umfangreichen Ausgangscharakteristiktest unterworfen. Fig. 19 illustriert die Beziehung zwischen der einfallenden Lichtintensität und der SHG-Ausgangsleistung des Wellenlängenwandlerelements mit der Domäneninversionsperiode dritter Ordnung und desjenigen mit der Domäneninversionsperiode erster Ordnung. Auch mit dem Element mit Domäneninversionsperiode dritter Ordnung ergab sich bei einer Eingangsleistung von 150 mW eine Ausgangsleistung von 6 mW. Daher konnte ein Wellenlängenwandlerelement mit hervorragender Umwandlungseffizienz von 27%/W und ausreichend großer Ausgangsleistung erhalten werden.In order to manufacture a wavelength conversion element with even better efficiency, a first-order period wavelength conversion element was manufactured by manufacturing the waveguide 5 of Example 3 on the domain inverted structure manufactured in Example 2. The manufactured first-order wavelength conversion element and the third-order wavelength conversion element were subjected to an extensive output characteristic test. Fig. 19 illustrates the relationship between the incident light intensity and the SHG output of the wavelength conversion element with the third-order domain inversion period and that with the first-order domain inversion period. Even with the element with the third-order domain inversion period, an output of 6 mW was obtained at an input power of 150 mW. Therefore, a wavelength conversion element with an excellent conversion efficiency of 27%/W and a sufficiently large output power could be obtained.

Darüber hinaus konnte eine maximale Ausgangsleistung von 15 mW und eine Umwandlungseffizienz von 71%/W bei dem mit RTA hergestellten Wellenlängenwandlerelement mit Inversionsperiode erster Ordnung bei einer Eingangsleistung von 145 mW erzielt werden, wobei die so erzielten Werte eine hervorragende Effizienz vom 2,5fachen derjenigen des Wellenlängenwandlerelements mit der Domäneninversionsperiode dritter Ordnung waren. Der Grund dafür liegt darin, daß durch RTA die domäneninvertierte Struktur 4 mit Periode erster Ordnung gebildet werden konnte und die Tiefe der domäneninvertierten Struktur vergrößert war. Daher konnte eine tiefe domäneninvertierte Schicht trotz kurzer Periode hergestellt werden. Zusätzlich konnte durch den Wellenleiter 5 mit niedrigen Verlusten eine hocheffiziente Umwandlung erzielt werden.In addition, a maximum output power of 15 mW and a conversion efficiency of 71%/W could be achieved in the wavelength conversion element with the first-order inversion period fabricated by RTA at an input power of 145 mW, and the values thus obtained were an excellent efficiency of 2.5 times that of the wavelength conversion element with the third-order domain inversion period. The reason for this is that the domain inverted structure 4 with the first-order period could be formed by RTA and the depth of the domain inverted structure was increased. Therefore, a deep domain inverted layer could be formed despite the short period. In addition, high-efficiency conversion could be achieved by the waveguide 5 with low loss.

Beispiel 4Example 4

Schließlich wird ein Herstellungsverfahren für ein Modul unter Verwendung des erfindungsgemäßen Wellenlängenwandlerelements beschrieben.Finally, a manufacturing method for a module using the wavelength converter element according to the invention is described.

Fig. 20 illustriert eine Laserlichtquelle kurzer Wellenlänge, die durch Kombination eines Halbleiterlasers mit einer Wellenlänge in dem 0,8 um-Band und dem Wellenlängenwandlerelement nach Beispiel 1 aufgebaut ist. Aus einem Halbleiterlaser 31 emittierte Laserstrahlen werden von bündelnden optischen Systemen 34 und 35 gebündelt, um sie auf eine Wellenleiterendoberfläche 5 des Wellenlängenwandlerelements eintreffen zu lassen. Durch integrale Ausbildung zur Herstellung eines Moduls kann eine sehr kleine Wellenlängenlichtquelle hergestellt werden. Die so hergestellte Lichtquelle zeigt eine sehr große Ausgangsleistung von 2 mW und kann wegen ihrer kleinen Größe als Lichtquelle für eine optische Platte oder dergleichen angewendet werden. Als Folge der kurzen Wellenlänge der Lichtquelle kann die Speicherkapazität einer optischen Platte erheblich vergrößert werden, so daß ein sehr kleines Gerät hergestellt werden kann.Fig. 20 illustrates a short wavelength laser light source constructed by combining a semiconductor laser having a wavelength in the 0.8 µm band and the wavelength converting element of Example 1. Laser beams emitted from a semiconductor laser 31 are converged by converging optical systems 34 and 35 to make them incident on a waveguide end surface 5 of the wavelength converting element. By integrally forming to form a module, a very small wavelength light source can be manufactured. The light source thus manufactured exhibits a very large output of 2 mW and can be used as a light source for an optical disk or the like because of its small size. As a result of the short wavelength of the light source, the storage capacity of an optical disk can be greatly increased, so that a very small device can be manufactured.

Wie oben beschrieben, wird die periodische Protonenaustauschschicht 3 in dem LiTaO&sub3;- Kristall gebildet und wärmebehandelt, um die domäneninvertierte Struktur 4 zu bilden, und zwar auf solche Weise, daß die Temperaturanstiegsgeschwindigkeit erhöht ist. Im Ergebnis kann die unerwünschte Diffusion der Protonenaustauschschicht 3 während des Erreichens der Domäneninversionsprozeßtemperatur vermieden werden. Daher kann die Querausdehnung der Domäneninversion in der Protonenaustauschschicht 3 vermieden werden. Da im Ergebnis eine sehr kurze periodische domäneninvertierte Struktur 4 gebildet werden kann und mit hoher Effizienz eine Umwandlung kurzer Wellenlängen ausgeführt werden kann, kann unter Verwendung eines LiTaO&sub3;-Kristalls mit hervorragender Beständigkeit gegen optische Schäden ein Wellenlängenwandlerelement mit großer Ausgangsleistung hergestellt werden. Daher besteht ein hervorragender praktischer Nutzen.As described above, the periodic proton exchange layer 3 is formed in the LiTaO₃ crystal and heat-treated to form the domain-inverted structure 4 in such a manner that the temperature rise rate is increased. As a result, the undesirable diffusion of the proton exchange layer 3 during reaching the domain inversion process temperature can be avoided. Therefore, the transverse expansion of the domain inversion in the proton exchange layer 3 can be avoided. As a result, since a very short periodic domain inverted structure 4 can be formed and short wavelength conversion can be carried out with high efficiency, a wavelength conversion element with large output can be manufactured using a LiTaO₃ crystal having excellent optical damage resistance. Therefore, there is excellent practical utility.

Wenn die periodische Protonenaustauschschicht 3 in dem LiTaO&sub3;-Kristall gebildet wird, ist die Tiefe des Protonenaustauschs eingeschränkt, um eine unerwünschte Zwischenverbindung der benachbarten Protonenaustauschschichten 3 zu vermeiden. Ferner ist die minimale Dicke des Protonenaustauschs beschränkt, mit dem die domäneninvertierte Struktur 4 hergestellt werden kann. Obwohl die Dicke der domäneninvertierten Struktur 4 von der Dicke der Protonenaustauschschicht 3 abhängt, kann die domäneninvertierte Struktur auch in dem Zustand gebildet werden, daß die Protonenaustauschschicht 0,2 um oder mehr beträgt. Durch Einschränken der Dicke der Protonenaustauschschicht kann im Ergebnis unter Verwendung des LiTaO&sub3;-Kristalls mit großer nichtlinearer optischer Konstante und hervorragender Beständigkeit gegen optische Schäden die domäneninvertierte Struktur und das Wellenlängenwandlerelement hergestellt werden. Daher kann ein großer praktischer Nutzen erzielt werden dahingehend, daß ein effizientes und stabiles Wellenlängenwandlerelement mit großer Ausgangsleistung hergestellt werden kann.When the periodic proton exchange layer 3 is formed in the LiTaO₃ crystal, the depth of the proton exchange is limited to avoid undesirable interconnection of the adjacent proton exchange layers 3. Furthermore, the minimum thickness of the proton exchange with which the domain inverted structure 4 can be manufactured is limited. Although the thickness of the domain inverted structure 4 depends on the thickness of the proton exchange layer 3, the domain inverted structure can be formed even in the state that the proton exchange layer is 0.2 µm or more. As a result, by limiting the thickness of the proton exchange layer, using the LiTaO₃ crystal having a large nonlinear optical constant and excellent optical damage resistance, the domain inverted structure and the wavelength conversion element can be manufactured. Therefore, a great practical benefit can be achieved in that an efficient and stable wavelength conversion element with a large output power can be manufactured.

Ferner wird die Protonenaustauschbehandlung teilweise auf den LiTaO&sub3;-Kristall angewendet, bevor er auf eine Temperatur unter dem Curiepunkt, jedoch in der Nähe des Curiepunkts geheizt wird, so daß die periodisch domäneninvertierte Struktur 4 gebildet werden kann. Durch zusätzliches Ausführen der Wärmebehandlung bei einer niedrigen Temperatur unter 500ºC zur Verringerung der Protonenaustauschdichte der domäneninvertierten Struktur 4 bei Aufrechterhaltung der domäneninvertierten Struktur kann der Brechungsindex der domäneninvertierten Struktur 4 auf einen Wert in der Nähe des Brechungsindex-Substrats gebracht werden. Im Ergebnis kann eine Technologie realisiert werden, die konventionell nicht möglich war, bei der in dem LiTaO&sub3;-Kristall die periodische Domäneninversion gebildet werden kann. Durch Verringern der Differenz des Brechungsindex zwischen der domäneninvertierten Struktur 4 und dem Substrat kann darüber hinaus ein Wellenlängenwandlerelement mit niedrigen Verlusten und hervorragender Umwandlungseffizienz hergestellt werden. Folglich ist ein erheblicher praktischer Nutzen möglich.Further, the proton exchange treatment is partially applied to the LiTaO₃ crystal before it is heated to a temperature below the Curie point but close to the Curie point, so that the periodic domain inverted structure 4 can be formed. By additionally carrying out the heat treatment at a low temperature below 500°C to reduce the proton exchange density of the domain inverted structure 4 while maintaining the domain inverted structure, the refractive index of the domain inverted structure 4 can be brought to a value close to the refractive index substrate. As a result, a technology that was not possible conventionally can be realized in which the periodic domain inversion can be formed in the LiTaO₃ crystal. Furthermore, by reducing the difference in refractive index between the domain-inverted structure 4 and the substrate, a wavelength conversion element with low loss and excellent conversion efficiency can be manufactured. Consequently, significant practical benefits are possible.

Obwohl die Erfindung in ihrer bevorzugten Ausführungsform in gewissem Umfang speziell beschrieben worden ist, ist klar, das die vorliegende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform in Einzelheiten des Aufbaus und der Kombination und Anordnung von Teilen verändert werden kann, ohne den Bereich der im folgenden beanspruchten Erfindung zu verlassen.Although the invention has been particularly described to some extent in its preferred embodiment, it is to be understood that the present description of the preferred embodiment may be varied in details of construction and combination and arrangement of parts without departing from the scope of the invention as hereinafter claimed.

Claims (4)

1. Verfahren zur Herstellung einer Wellenlängenumwandlungsvorrichtung mit den Schritten:1. A method for manufacturing a wavelength conversion device comprising the steps: Herstellen einer streifenartigen Maske auf einer Oberfläche eines LiTaO&sub3;-Substrats, das erhalten ist durch Schneiden einer Ebene senkrecht zu der C-Achse des LiTaO&sub3;- Kristalls;forming a stripe-like mask on a surface of a LiTaO3 substrate obtained by cutting a plane perpendicular to the C-axis of the LiTaO3 crystal; Herstellen einer Protonenaustauschschicht in unmaskierten Bereichen durch das LiTaO&sub3;-Substrat einem Protonenaustausch von Li- und H&spplus;-Ionen in dem LiTaO&sub3;- Substrat Aussetzen; undForming a proton exchange layer in unmasked areas by subjecting the LiTaO₃ substrate to proton exchange of Li and H⁺ ions in the LiTaO₃ substrate; and Herstellen einer domäneninvertierten Struktur durch das LiTaO&sub3;-Substrat einer Wärmebehandlung bis zu einer Temperatur unterhalb des Curiepunkts des LiTaO&sub3;- Substrats Aussetzen, bei der das LiTaO&sub3;-Substrat wärmebehandelt wird, wodurch eine in erster Ordnung periodische domäneninvertierte Struktur gebildet wird,Forming a domain-inverted structure by subjecting the LiTaO₃ substrate to a heat treatment to a temperature below the Curie point of the LiTaO₃ substrate at which the LiTaO₃ substrate is heat treated, thereby forming a first order periodic domain-inverted structure, gekennzeichnet durch das Verwenden einer Wärmebehandlungseinrichtung zum Erhöhen der Temperatur des LiTaO&sub3;-Substrats mit einer Temperaturanstiegsrate von zumindest 15ºC/Sek.characterized by using a heat treatment device for increasing the temperature of the LiTaO₃ substrate at a temperature rise rate of at least 15ºC/sec. 2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Domänenaustauschschicht eine Dicke (D) in einem durch die folgende Formel gegebenen Bereich aufweist:2. The method according to claim 1, wherein the domain exchange layer has a thickness (D) in a range given by the following formula: 0,2um < D < (&Lambda; - W)/20.2um < D < (λ - W)/2 &omega;obei eine A vorbestimmte Periode von Streifen auf der Maske und W eine vorbestimmte Breite der Streifen ist.ωo where A is a predetermined period of stripes on the mask and W is a predetermined width of the stripes. 3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem eine Differenz des Brechungsindex zwischen der domäneninvertierten Struktur und dem LiTaO&sub3;-Substrat reduziert wird durch eine Wärmebehandlung des LiTaO&sub3;-Substrats bei 550ºC oder darunter.3. The method according to claim 2, wherein a difference in refractive index between the domain-inverted structure and the LiTaO₃ substrate is reduced by heat-treating the LiTaO₃ substrate at 550°C or below. 4. Verfahren zur Herstellung einer Wellenlängenumwandlungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Schritt der Herstellung der domäneninvertierten Struktur durch Verwendung der Heizeinrichtung beinhaltet einen Prozeß der Abdeckung der Oberfläche des LiTaO&sub3;-Substrats mit einem Hauptmetallfilm (main metal film) und die Heizeinrichtung eine Infrarotheizeinrichtung ist.4. A method of manufacturing a wavelength conversion device according to claim 1 or 2, wherein the step of manufacturing the domain inverted structure by using the heater includes a process of covering the surface of the LiTaO3 substrate with a main metal film and the heater is an infrared heater.
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