DE69327352T3

DE69327352T3 - Optische Wellenlängenwandlervorrichtung zur Erzeugung der zweiten Harmonischen

Info

Publication number: DE69327352T3
Application number: DE69327352T
Authority: DE
Inventors: Kiminori Neyagawa-shi Mizuuchi; Kazuhisa Settsu-shi Yamamoto
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1992-10-07
Filing date: 1993-10-07
Publication date: 2007-06-06
Anticipated expiration: 2013-10-08
Also published as: EP0844511A3; US5506722A; EP0592226A1; DE69322585T2; EP0844511B1; DE69322585D1; EP0844511B2; DE69327352D1; US5836073A; DE69327352T2; EP0844511A2; EP0592226B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf eine optische Wellenlängenkonversionseinrichtung zur Schaffung einer kohärenten Lichtquelle, die auf einem Gebiet der Fotoinformations-Bearbeitung und auf einem Gebiet der angewandten Foto-Meßsteuerung erforderlich ist, und ein Herstellungsverfahren der Vorrichtung, und insbesondere auf eine Einrichtung zur Umwandlung erster harmonischer Schwingungen in zweite harmonische Schwingungen, um Licht kürzerer Wellenlänge zu erzeugen, und ein Herstellungsverfahren der Einrichtung. Außerdem bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Vorrichtung zur Erzeugung kohärenten Lichts kürzerer Wellenlänge mit der Einrichtung.
Eine ferroelektrische Substanz, die eine Vielzahl von periodisch angeordneten Umkehrpolarisationsschichten hat, wird mittels zwangsweiser Umkehrung der spontanen Polarisation der ferroelektrischen Substanz ausgebildet. Die ferroelektrische Substanz mit den Umkehrpolarisationsschichten ist als ein optischer Frequenzmodulator, bei welchem Oberflächenwellen genutzt werden, und eine optische Wellenlängenkonversionseinrichtung angewandt worden, bei welcher die nichtlineare Polarisationsumkehrung einer nichtlinearen optischen Substanz genutzt wird. Insbesondere in den Fällen, in welchen die nichtlineare Polarisation der nichtlinearen optischen Substanz periodisch bzw. regelmäßig wiederkehrend geändert wird, um abwechselnde Reihen von nichtlinearen Polarisationsschichten und nichtlinearen Umkehrpolarisationsschichten zu erzeugen, können die ersten Harmonischen durch Übertragung der ersten Harmonischen durch die abwechselnden Reihen hindurch auf effiziente Weise in zweite Harmonische umgewandelt werden. Somit kann durch Kombination eines Halbleiterlasers und der nichtlinearen optischen Substanz, um von dem Halbleiterlaser abgestrahltes kohärentes Licht durch die abwechselnden Reihen der nichtlinearen optischen Substanz zu übertragen, eine kleine Vorrichtung zur Erzeugung von kohärentem Licht kürzerer Wellenlänge hergestellt werden. Da die kleine Vorrichtung zur Erzeugung von kohärentem Licht kürzerer Wellenlänge auf dem Gebiet des Drukkens, dem Gebiet der optischen Informationsverarbeitung und einem Gebiet der in der Optik angewandten Meßsteuerung nutzbar ist, ist die Entwicklung der Polarisationsumkehrung in der nichtlinearen optischen Substanz mit Begeisterung vorangetrieben worden.
Ein herkömmliches Entwicklungsverfahren für regelmäßig wiederkehrend in einem LiTaO₃-Substrat angeordnete Umkehrpolarisationsschichten ist in der japanischen Patentanmeldung Nr. 301667 von 1991 vorgeschlagen worden, welche am 5. Februar 1993 unter der vorläufigen Veröffentlichungs-Nr. 27288/93(H5-27288) zur öffentlichen Einsichtnahme offengelegt wurde. In J.P.A. 301667 sind gemäß einem selektiven Protonenaustauschverfahren eine Vielzahl von Protonen(H⁺)-Austauschschichten regelmäßig wiederkehrend in einer -C-Gitterebene eines LiTaO₃-Substrats angeordnet. Danach werden die Protonenaustauschschichten gemäß einem Infrarot-Erwärmungsverfahren schnell erwärmt und werden in Umkehrpolarisationsschichten umgewandelt. Das herkömmliche Herstellungsverfahren wird mit Bezug auf 1A bis 1E im Detail beschrieben.
1A bis 1E sind Schnittansichten, die ein herkömmliches Herstellungsverfahren einer herkömmlichen optischen Wellenlängenkonversionseinrichtung zeigen, bei welcher die Umkehrpolarisationsschichten und die nicht umgekehrten Polarisationsschichten auf einer oberen Seite eines LiTaO₃-Substrats regelmäßig wiederkehrend angeordnet sind, und 1F bis 1H sind Schrägansichten, welche das herkömmliche Herstellungsverfahren zeigen.
Wie weithin bekannt ist, hat der LiTaO₃-Kristall eine X-, Y- und C-Kristallachse, und eine spontane Kristallisation des LiTaO₃-Kristalls ist in eine +C-Kristallachsenrichtung der C-Kristallachse gerichtet.
Wie in 1A gezeigt ist, wird ein LiTaO₃-Substrat 11 hergestellt, das an seiner Oberfläche eine -C-Gitterfläche aufweist. Das LiTaO₃-Substrat 11 wird durch Schneiden des LiTaO₃-Kristalls in eine Richtung senkrecht zu der C-Kristallachse ausgebildet, die als eine Kristallorientierung [001] definiert ist, und die obere Fläche des LiTaO₃-Substrats 11 wird in Richtung auf eine -C-Kristallachsenrichtung gerichtet. Deshalb wird die -C-Gitterebene in Millerschen Indizes als (001)-Ebene definiert. Außerdem ist eine spontane Polarisation Ps des LiTaO₃-Substrats 11 in eine untere Richtung (oder +C-Kristallachsenrichtung) gerichtet. Danach werden Ta-Atome mit Hilfe eines Sputterverfahrens auf den unteren Oberflächenbereich des LiTaO₃-Substrats aufgebracht, um eine Ta-Maske 12 mit einer Dicke von 30 nm zu erzeugen.
Danach wird mit Hilfe eines Litografieprozesses ein regelmäßig wiederkehrendes Muster auf die Ta-Maske 12 gezeichnet, wie in 1B gezeigt ist, und die Ta-Maske 12 wird mit Hilfe eines Trockenätzprozesses in dem regelmäßig wiederkehrenden Muster geätzt, wie in 1C gezeigt ist. Somit werden die als Muster ausgebildeten Ta-Masken 12P in regelmäßigen Abständen regelmäßig wiederkehrend auf dem LiTaO₃-Substrat 11 angeordnet. Wie in 1D gezeigt ist, wird das LiTaO₃-Substrat 11 danach in eine Pyrophosphorsäure (H₄P₂O₇)-Lösung getaucht, um gemäß einem ersten Protonenaustauschprozeß auf regelmäßig wiederkehrende Weise eine Vielzahl von Protonenaustausch schichten 13 auf den Teilen des LiTaO₃-Substrats 11 auszubilden, die nicht mit den Ta-Masken 12P bedeckt sind. Genau genommen, wird ein Teil der Li⁺-Ionen des LiTaO₃-Substrats 11 gegen H⁺-Ionen der Pyrophosphorsäurelösung ausgetauscht, so daß die aus H_(1-x)Li_xTaO₃ bestehenden Protonenaustauschschichten 13 regelmäßig wiederkehrend ausgebildet werden.
Danach wird das LiTaO₃-Substrat 11 mit den Protonenaustauschschichten 13 mit Hilfe eines Infraroterwärmungsverfahrens bei einer Anstiegsgeschwindigkeit von ungefähr 10°C/Sekunde erwärmt. Danach wird die thermische Bearbeitung der Protonenaustauschschichten 13 bei einer Temperatur von 450°C fortgesetzt. Wie in 1E gezeigt ist, werden deshalb die H⁺-Ionen in den Protonenaustauschschichten auf thermische Weise mit einer vorgeschriebenen Thermodiffusionsgeschwindigkeit in dem LiTaO₃-Substrat 11 verteilt, und die nach unten gerichtete spontane Polarisation Ps wird in einem Bereich, in welchem die H⁺-Ionen thermisch verteilt sind, nach oben umgewandelt, um Umkehrpolarisationsschichten 14 auszubilden. Danach werden die Ta-Masken 12P heruntergenommen, wie in 1F gezeigt ist.
Danach wird auf dem LiTaO₃-Substrat 11 mit den Umkehrpolarisationsschichten 14 Ta-Material abgelagert, und wird mit einem Muster versehen, um eine Ta-Schicht 15 mit einem. Schlitz 15A auszubilden, wie in 1G gezeigt ist. Danach wird das LiTaO₃-Substrat 11 mit den Umkehrpolarisationsschichten 14 gemäß einem zweiten Protonenaustauschprozeß in die Pyrophosphorsäurelösung getaucht, um das LiTaO₃-Substrat 11 und die nicht mit der Ta-Schicht 15 abgedeckten Umkehrpolarisationsschichten 14 in eine Schicht mit hohem Brechungsindex umzuwandeln. Danach wird die Ta-Schicht 15 heruntergenommen und die Schicht mit hohem Brechungsindex wird getempert. Wie in 1H gezeigt ist, wird die Schicht mit hohem Brechungsindex im Ergebnis in einem Lichtwellenleiter 16 umgewandelt, welcher, welcher aus abwechselnden Reihen der Umkehrpolarisationsschichten 14 und der Nicht-Umkehrpolarisationsschichten 17 aufgebaut ist, die gemäß einem zweiten Protonenaustauschprozeß bearbeitet sind, und die Herstellung der herkömmlichen optischen Wellenlängenkonversionseinrichtung 18 ist beendet.
Als nächstes wird ein Herstellungsmechanismus für die Umkehrpolarisationsschicht 14 in dem LiTaO₃-Substrat 11, das die -C-Gitterebene aufweist, beschrieben, um den Begriff der vorliegenden Erfindung zu vereinfachen. Der Herstellungsmechanismus wird von den Erfindern der vorliegenden Erfindung verdeutlicht und wird in zwei Schritte unterteilt. Ein erster Schritt des Herstellungsmechanismus besteht darin, daß ein als ein Keimkristall der Umkehrpolarisationsschicht 14 dienender Umkehrpolarisationskern ausgebildet wird, da in einem Oberflächenbereich des LiTaO₃-Substrats 11 ein inneres elektrisches Feld induziert wird. Ein zweiter Schritt des Herstellungsmechanismus besteht darin, daß der Umkehrpolarisationskern anwächst, um die Umkehrpolarisationsschicht 14 auszubilden.
Der Herstellungsmechanismus hinsichtlich der Induzierung des inneren elektrischen Felds wird mit Bezug auf 2 im Detail beschrieben.
Wenn das LiTaO₃-Substrat 11 in die Pyrophosphorsäure(H₄P₂O₇) Lösung getaucht wird, werden die in den +C- und -C-Bereichen des LiTaO₃-Substrats 11 vorhandenen Li⁺-Ionen gegen H⁺-Ionen der Pyrophosphorsäurelösung ausgetauscht. Wie in 2 gezeigt ist, wird somit in dem -C-Oberflächenbereich des LiTaO₃-Substrats 11 eine aus H_(1-x)Li_xTaO₃ bestehende obere Protonenaustauschschicht 13A ausgebildet, und wird in dem +C-Oberflächenbereich des LiTaO₃-Substrats 11 eine aus H_(1-x)Li_xTaO₃ bestehende untere Protonenaustauschschicht 13B ausgebildet. Wenn das LiTaO₃-Substrat 11 danach auf eine hohe Temperatur erwärmt wird, werden die in den Protonenaustauschschichten 13A, 13B verdichteten H⁺-Ionen auf thermische Weise in einem inneren Abschnitt des LiTaO₃- Substrats 11 verteilt. Außerdem werden die in dem innerem Abschnitt des LiTaO₃-Substrats 11 verdichteten Li⁺-Ionen auf thermische Weise in den Protonenaustauschschichten 13A, 13B verteilt. Da jedoch die Thermodiffusionsgeschwindigkeit der H⁺-Ionen schneller als die der Li⁺-Ionen ist, werden die Protonenaustauschschichten 13A, 13B mit negativer Elektrizität aufgeladen, und der innere Abschnitt des LiTaO₃-Substrats 11 wird mit positiver Elektrizität aufgeladen. Somit wird in einem ersten Grenzbereich zwischen der ersten Protonenaustauschschicht 13A und dem inneren Abschnitt des LiTaO₃-Substrats 11 ein in -C-Kristallachsenrichtung gerichtetes erstes inneres elektrisches Feld E₁ induziert, und in einem zweiten Grenzbereich zwischen der Protonenaustauschschicht 13B und dem inneren Abschnitt des LiTaO₃-Substrats 11 wird ein in +C-Kristallachsenrichtung gerichtetes zweites inneres elektrisches Feld E₂ induziert.
Da in diesem Fall die Richtung des zweiten inneren elektrischen Felds E2 der Richtung der spontanen Polarisation Ps des LiTaO₃-Substrats 11 gleicht, bleibt die Polarisation des zweiten Grenzbereichs in die Richtung der spontanen Polarisation Ps gerichtet. Im Gegensatz dazu wird die Polarisationsrichtung im ersten Grenzbereich umgekehrt, da die Richtung des ersten inneren elektrischen Felds E₁ der Richtung der spontanen Polarisation Ps des LiTaO₃-Substrats 11 entgegengesetzt ist, so daß in dem ersten Grenzbereich ein Umkehrpolarisationskern 19 erzeugt wird. Die Richtung der Polarisation des Umkehrpolarisationskerns ist entgegengesetzt der Richtung der spontanen Polarisation Ps des LiTaO₃-Substrats 11. Danach wächst der Umkehrpolarisationskern 19 an, während das LiTaO₃-Substrat 11 auf eine hohe Temperatur erwärmt wird. Demgemäß wird die Umkehrpolarisationsschicht 14 im Oberflächenbereich des LiTaO₃-Substrats 11 erzeugt.
Als nächstes wird eine Vorrichtung zur Erzeugung kohärenten Lichts kürzerer Wellenlänge beschrieben.
Um eine mit einer Ausgangsleistung von über 1 mW abstrahlende kleine Blaulichtquelle zu erzielen, werden eine optische Wellenlängenkonversionseinrichtung mit Quasi-Phasenanpassung und ein Halbleiterlaser einstückig ausgebildet, um eine Vorrichtung zur Erzeugung kohärenten Lichts kürzerer Wellenlänge als die kleine Blaulichtquelle auszubilden (Yamamoto u.a. Optics Letters, Bd. 16, Nr. 15, 1156 (1991)).
3(a) ist eine Zustandsansicht, die auf schematische Weise die von Yamamoto vorgeschlagene herkömmliche Vorrichtung zur Erzeugung kohärenten Lichts kürzerer Wellenlänge zeigt.
Wie in 3(a) gezeigt ist, ist die Vorrichtung 21 zur Erzeugung kohärenten Lichts kürzerer Wellenlänge mit einem Halbleiterlaser 22 zur Abstrahlung kohärenten Lichts, das aus ersten Harmonischen mit 870 nm Wellenlänge besteht, einer Kollimatorlinse 23 zur Parallelrichtung des kohärenten Lichts, einem λ/2-Polarisator 24 zur Drehung der Polarisationsrichtung des kohärenten Lichts, einer Fokussierungslinse 25, die eine numerische Apertur von n=0,6 zum Sammeln des kohärenten Lichts hat, und der optischen Wellenlängenkonversionseinrichtung 18 zur Umwandlung der ersten Harmonischen des kohärenten Lichts, das an ihrer Einfallsendfacette 18A fokussiert wird, in zweite Harmonische mit 435 nm Wellenlänge versehen.
Gemäß der vorhergehend genannten Bauform wird das von dem Halbleiterlaser 22 abgestrahlte kohärente Licht mittels der Kollimatorlinse 23 parallel gerichtet und die Polarisationsrichtung des parallel gerichteten kohärenten Lichts wird mit Hilfe des λ/2-Polarisators 24 gedreht. Wie in 3(b) gezeigt ist, wird mit Hilfe des λ/2-Polarisators 24 ein transversal-elektrischer Modus (TE-Modus) des von dem Halbleiterlaser 22 abgestrahlten kohärenten Lichts in einen transversal-magnetischen Modus (TM-Modus) des kohärenten Lichts umgewandelt.
Im Detail betrachtet, wird das von dem Halbleiterlaser 22 im TE-Modus abgestrahlte kohärente Licht in einer elliptischen Form derart verteilt, daß eine Hauptachse der elliptischen Verteilung parallel zur Y-Kristallachse ist, und das elektrische Feld ist in eine Richtung der Hauptachse ausgerichtet. Außerdem ist das durch das kohärente Licht im TM-Modus, welches an der Einfallsendfacette 18A des Lichtwellenleiters 16 gesammelt wird, induzierte elektrische Feld in einer elliptischen Form verteilt, so daß eine Hauptachse der elliptischen Verteilung parallel zu einer Hauptseite der Einfallsendfacette 18A ist, die in einer rechtwinkligen Form ausgebildet ist. Somit wird die Intensität des im Lichtwellenleiter 16 empfangenen kohärenten Lichts maximal. Außerdem ist das elektrische Feld in eine Richtung einer Nebenachse der elliptischen Verteilung ausgerichtet, um das elektrische Feld parallel zur C-Kristallachse auszurichten.
Die Ausführung der Modusänderung im h/2-Polarisator 24 hat den folgenden Grund.
Das vom Halbleiterlaser 22 abgestrahlte kohärente Licht ist im allgemeinen im TE-Modus polarisiert, um einen Schwingungswirkungsgrad des kohärenten Lichts in dem Halbleiterlaser 22 zu steigern. Da im Gegensatz dazu ein Brechungsindex der Umkehrpolarisationsschichten 14 in ±C-Kristallachsenrichtung (oder in die Richtung nach oben und unten) durch den ersten und zweiten Protonenaustauschprozeß erhöht wird, ist es erforderlich, daß das elektrische Feld, welches durch das durch den Lichtwellenleiter 16 übertragene kohärente Licht induziert wird, parallel zur C-Kristallachse gerichtet ist, und es ist erforderlich, daß eine Hauptachse der elliptischen Verteilung des elektrischen Felds parallel zur Y-Kristallachse ist. Das kohärente Licht kann zum Beispiel in Fällen, in welchen das elektrische Feld nicht parallel zur C-Kristallachse ausgerichtet ist, nicht mit dem Lichtwellenleiter 16 gekoppelt werden. Außerdem wird die Intensität des durch den Lichtwellenleiter 16 übertragenen kohärenten Lichts in den Fällen beträchtlich reduziert, in welchen die Hauptachse der elliptischen Verteilung nicht parallel zur Y-Kristallachse ist. Somit wird ein TM-Modus des kohärenten Lichts auf selektive Weise durch den Lichtwellenleiter 16 übertragen und die anderen Modi des kohärenten Lichts können nicht durch den Lichtwellenleiter 16 übertragen werden. Deshalb ist die Änderung des TE-Modus in den TM-Modus des kohärenten Lichts unter Nutzung des λ/2-Polarisators 24 erforderlich, um die Intensität des kohärenten Lichts im Lichtwellenleiter 16 zu maximieren.
Danach wird der TM-Modus des kohärenten Lichts auf die Einfallsendfacette 18a der Einrichtung 18 fokussiert. In der Einrichtung 18 wird der TM-Modus der ersten Harmonischen unter der Bedingung, daß eine mittels einer Gleichung Λ = λ_f/{2×(N2ω-Nω)} formulierte Quasi-Phasenanpassungsbedingung erfüllt ist, in zweite Harmonische umgewandelt. Hier bezeichnet das Symbol Λ regelmäßige Abstände der Umkehrpolarisationsschichten 14, das Symbol λ_f bezeichnet eine Wellenlänge der ersten Harmonischen, das Symbol N2ω bezeichnet einen effektiven Brechungsindex des Lichtwellenleiters 16 für die zweiten Harmonischen und das Symbol Nω bezeichnet einen effektiven Brechungsindex des Lichtwellenleiters 16 für die ersten Harmonischen.
Im Ergebnis werden 48% der von dem Halbleiterlaser 22 abgestrahlten ersten Harmonischen durch den Lichtwellenleiter 29 der Einrichtung 18 übertragen, und die zweiten Harmonischen werden mit einer Ausgangsleistung von 1,3 mW von der Einrichtung 18 abgestrahlt.
Zuerst werden bei dem herkömmlichen Herstellungsverfahren der herkömmlichen optischen Wellenlängenkonversionseinrichtung 18 zu lösende Probleme beschrieben.
Da bei dem herkömmlichen Herstellungsverfahren die Polarisation des LiTaO₃-Substrats 11 in die +C-Kristallachsenrichtung gerichtet ist, wird die obere Fläche des LiTaO₃-Substrats 11 als die -C-Gitterebene nach Millerschen Indizes festgelegt, um die Umkehrpolarisationsschichten 14 gemäß dem ersten und zweiten Protonenaustauschprozeß auszubilden. Deshalb ist das herkömmliche Herstellungsverfahren auf die Anwendung des LiTaO₃-Substrats 11 beschränkt, das die -C-Gitterebene aufweist. In diesem Fall beträgt die Thermodiffusionsgeschwindigkeit der Protonenaustauschschichten 13 in eine Richtung senkrecht zur C-Kristallachsenrichtung mehr als 1,5 mal soviel wie die Geschwindigkeit der Protonenaustauschschichten 13 in ±C-Kristallachsenrichtung. Wenn die Protonenaustauschschichten 13 somit zur Ausbildung der Umkehrpolarisationsschichten 14 erwärmt werden, erfolgt das Anwachsen der Umkehrpolarisationsschichten 14 in Richtung der Breite (oder einer X-Kristallachsenrichtung) schneller als das Anwachsender Umkehrpolarisationsschichten 24 in Richtung der Tiefe (oder der +C-Kristallachsenrichtung). Im Ergebnis sind die aneinander angrenzenden Umkehrpolarisationsschichten 14 miteinander verbunden.
Demgemäß ist die Tiefe der auf dem LiTaO₃-Substrat 11, das die -C-Gitterebene aufweist, ausgebildeten Umkehrpolarisationsschichten 14 in den Fällen begrenzt, in welchen die Umkehrpolarisationsschichten 14 in kurzen Abständen angeordnet sind, um die Quasi-Phasenanpassungsbedingung zu erfüllen.
Deshalb verschlechtert sich in Fällen, in welchen die gemäß dem herkömmlichen Herstellungsverfahren hergestellte optische Wellenlängenkonversionseinrichtung 18 angewandt wird, um blaues Licht zu erzielen, dessen Wellenlänge im Bereich von 400 nm bis 500 nm liegt, ein Konversions-Wirkungsgrad der ersten Harmonischen in die zweiten Harmonischen, deren Wellenlänge im Bereich von 400 nm bis 500 nm liegt, da die regelmäßigen Abstände Λ der Umkehrpolarisationsschichten 14 in einem Bereich von 3 μm bis 5 μm liegen, um die Quasi-Phasenanpassungsbedingung zu erfüllen.
Als nächstes werden Probleme beschrieben, die bei der Vorrichtung 21 zur Erzeugung kohärenten Lichts kürzerer Wellenlänge zu lösen sind.
Bei der herkömmlichen Vorrichtung 21 fällt das vom Halbleiterlaser 22 abgestrahlte kohärente Licht auf die optische Wellenlängenkonversionseinrichtung 18, die unter Anwendung des LiTaO₃-Substrats 11 hergestellt wird, das die -C-Gitterebene aufweist. In diesem Fall wird das kohärente Licht im TE-Modus von dem Halbleiterlaser 22 abgestrahlt, und das durch den Lichtwellenleiter 16 der Einrichtung 18 durchgelassene Licht ist auf das im TM-Modus polarisierte Licht beschränkt, da die Einrichtung 18 unter Anwendung des LiTaO₃-Substrats 11 hergestellt wird, das die -C-Gitterebene aufweist. Deshalb ist ein Element zur Umänderung des optischen Modus, das durch den λ/2-Polarisator 24 oder ein optisches Strahlenumformungssystem wie zum Beispiel ein Prisma repräsentiert wird, erforderlich, um das von dem Halbleiterlaser 22 abgestrahlte kohärente Licht auf effiziente Weise mit der optischen Wellenlängenkonversionseinrichtung 18 zu verbinden. Somit ist die Bauform der herkömmlichen Vorrichtung 21 kompliziert.
Außerdem ist es in Fällen, in welchen eine kleinere Vorrichtung zur Erzeugung kohärenten Lichts kürzerer Wellenlänge hergestellt wird, erforderlich, daß der Halbleiterlaser 22 und die optische Wellenlängenkonversionseinrichtung 18 einstückig, ohne Anordnung eines optischen Lichtkonversionssystems, ausgebildet sind. Somit wird die Intensität des durch den Lichtwellenleiter 16 der Einrichtung 18 übertragenen kohärenten Lichts wegen der Fehlanpassung des TE- und TM-Modus beträchtlich reduziert. Im Ergebnis verschlechtert sich die Intensität der von der Einrichtung 18 abgestrahlten zweiten Harmonischen beträchtlich.
Eine erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in Anbetracht der Nachteile eines solchen herkömmlichen Herstellungsverfahrens einer herkömmlichen optischen Wellenlängenkonversionseinrichtung in der Schaffung eines Herstellungsverfahrens einer optischen Wellenlängenkonversionseinrichtung, bei welcher eine Vielzahl von Umkehrpolarisationsschichten regelmäßig wiederkehrend in kurzen Abständen in einer nichtlinearen optischen Substanz wie zum Beispiel einem LiTa_(1-x)Nb_xO₃-Kristall unter der Bedingung angeordnet sind, daß erste Harmonische mit einem hohem Wirkungsgrad in der optischen Wellenlängenkonversionseinrichtung in zweite Harmonische umgewandelt werden. Die erste Aufgabe besteht in der Schaffung einer optischen Wellenlängenkonversionseinrichtung, die gemäß dem vorhergehend genannten Herstellungsverfahren hergestellt wird.
Eine zweite Aufgabe besteht darin, eine kleine Vorrichtung zur Erzeugung kohärenten Lichts kürzerer Wellenlänge zu schaffen, bei welcher die ersten Harmonischen mit hoher Effizienz ohne jedes optische Modusänderungs-Element in zweite Harmonische umgewandelt werden.
Die vorliegende Erfindung schafft deshalb eine optische Wellenlängenkonversionseinrichtung, die aufweist, ein ferroelektrisches Substrat, das eine obere Fläche hat, wobei die spontane Polarisation des ferroelektrischen Substrats in Richtung auf eine +C-Kristallachsenrichtung der C-Kristallachse senkrecht zu einer X-Y-Kristallebene gerichtet ist, die durch eine X-Kristallachse und eine Y-Kristallachse als (001)-Kristallebene in Millerschen Indizes definiert ist,
eine Vielzahl von Umkehrpolarisationsschichten, die in regelmäßigen Abständen in einem Oberflächenbereich des ferroelektrischen Substrats angeordnet sind, wobei die Polarisation der Umkehrpolarisationsschichten in Richtung auf eine -C-Kristallachsenrichtung der C-Kristallachse gerichtet ist und die Umkehrpolarisationsschichten durch den Austausch von positiven Ionen in dem ferroelektrischen Substrat für H⁺-Ionen ausgebildet sind, und einen Lichtwellenleiter, der abwechselnde Reihen der Umkehrpolarisationsschichten und des zwischen den Umkehrpolarisationsschichten positionierten ferroelektrischen Substrats kreuzt, wobei ein Teil der durch den Lichtwellenleiter übertragenen ersten Harmonischen in zweite Harmonische umgewandelt werden, und ein Brechungsindex des Lichtwellenleiters höher als der des ferroelektrischen Substrat ist, um die ersten Harmonischen und zweiten Harmonischen in dem Lichtwellenleiter zu begrenzen,
wobei das ferroelektrische Substrat aus einer ferroelektrischen Substanz gefertigt ist, die aus einer Gruppe ausgewählt ist, die den im wesentlichen reinen LiTaO₃-Kristall und den im wesentlichen reinen LiNbO₃-Kristall enthält, dadurch gekennzeichnet, dass die Gruppe ferner den mit MgO, Nb oder Nd dotierten LiTaO₃-Kristall und den mit MgO, Ta oder Nd dotierten LiNbO₃-Kristall enthält,
der Lichtwellenleiter sich entlang der Y-Kristallachse erstreckt, und die -C-Kristallachsenrichtung in einem Winkel geneigt ist, der mit Bezug auf die Senkrechte der Oberfläche des ferroelektrischen Substrats in Richtung auf die X-Kristallachse im Bereich von 60 bis 85 Grad liegt.
Bei der vorhergehend genannten Bauform werden die Umkehrpolarisationsschichten durch den Austausch von positiven Ionen, die in dem ferroelektrischen Substrat enthalten sind, gegen H⁺-Ionen ausgebildet. Wenn das mit der mit Mustern versehenen Maske bedeckte ferroelektrische Substrat in eine Säurelösung wie zum Beispiel Phosphorsäure getaucht wird, werden die nicht mit der mit Mustern versehenen Maske bedeckten Abschnitte des Oberflächenbereichs des ferroelektrischen Substrats in Protonenaustauschschichten umgewandelt, da die in dem ferroelektrischen Substrat enthaltenen positiven Ionen gegen in der Säurelösung enthaltene H⁺-Ionen ausgetauscht werden. Danach werden die dicht in den Protonenaustauschschichten vorhandenen H⁺-Ionen in das die Protonenaustauschschichten umgebende ferroelektrische Substrat verteilt, und in dem ferroelektrischen Substrat vorhandene positive Ionen werden in den Protonenaustauschschichten verteilt. Da eine Diffusionsgeschwindigkeit der H⁺-Ionen höher als die der positiven Ionen ist, werden in diesem Fall die Protonenaustauschschichten mit negativer Elektrizität aufgeladen und wird das die Protonenaustauschschichten umgebende ferroelektrische Substrat mit positiver Elektrizität aufgeladen. Deshalb wird das von dem ferroelektrischen Substrat im rechten Winkel zu den Protonenaustauschschichten ausgerichtete elektrische Feld in Grenzbereichen zwischen dem ferroelektrischen Substrat und den Protonenaustauschschichten induziert. Da in diesem Fall die Normale der Oberfläche des ferroelektrischen Substrats von der C-Kristallachse zu der X-Y-Kristallebene geneigt ist, ist die Richtung des elektrischen Felds nicht senkrecht zur Richtung der spontanen Polarisation, die in +C-Kristallachsenrichtung gerichtet ist. Somit hat das elektrische Feld eine in eine -C-Kristallachsenrichtung gerichtete Komponente und mit Hilfe der Komponente wird ein Umkehrpolarisationskern ausgebildet. Die Polarisation des Umkehrpolarisationskerns ist in -C-Kristallachsenrichtung gerichtet, welche entgegengesetzt der Richtung der spontanen Polarisation ist. Danach wird der Austausch der Li⁺-Ionen und der H⁺-Ionen fortgesetzt, so dass der Umkehrpolarisationskern anwächst, während die spontane Polarisation der Protonenaustauschschichten in die umgekehrte Polarisation umgewandelt wird, die in -C-Kristallachsenrichtung gerichtet ist. Da in diesem Fall die Normale der Oberfläche des ferroelektrischen Substrats gegenüber der C-Kristallachse geneigt ist, wird die Diffusionsgeschwindigkeit der Li⁺- und H⁺-Ionen in Richtung der Tiefe der Protonenaustauschschichten, verglichen mit der in ±C-Kristallachsenrichtung, erhöht. Somit werden die Umkehrpolarisationsschichten schließlich durch das Anwachsen des Umkehrpolarisationskerns mit einer großen Tiefe ausgebildet.
Danach wird der Lichtwellenleiter derart ausgebildet, dass er abwechselnde Reihen der Umkehrpolarisationsschichten und des ferroelektrischen Substrats schneidet. Die abwechselnden Reihen werden thermisch bearbeitet, um einen Brechungsindex der abwechselnden Reihen zu erhöhen. Somit wird ein Lichtwellenleiter ausgebildet, der einen hohen Brechungsindex hat.
Wenn demgemäß aus ersten Harmonischen bestehendes kohärentes Licht den Lichtwellenleiter durchquert, können die ersten Harmonischen mit einem hohen Konversionswirkungsgrad in zweite Harmonische umgewandelt werden, da die Umkehrpolarisationsschichten tief ausgebildet sind.
Selbst wenn die regelmäßigen Abstände der Umkehrpolarisationsschichten verkürzt werden, um zweite Harmonische mit einer kürzeren Wellenlänge zu erhalten, können außerdem die nicht miteinander verbundenen Umkehrpolarisationsschichten in dem ferroelektrischen Substrat angeordnet werden, da die Umkehrpolarisationsschichten tief ausgebildet sind.
Die vorliegende Erfindung sieht außerdem ein Verfahren zur Herstellung einer optischen Wellenlängenkonversionseinrichtung vor, das die Schritte aufweist, Herstellen eines ferroelektrischen Substrats, das eine obere Fläche hat, wobei die spontane Polarisation des ferroelektrischen Substrats in Richtung auf eine +C-Kristallachsenrichtung einer C-Kristallachse senkrecht zu einer X-Y-Kristallebene gerichtet ist, die durch eine X-Kristallachse und eine Y-Kristallachse als (001)-Kristallebene in Millerschen Indizes definiert ist, Anordnen erster Masken auf der oberen Fläche des ferroelektrischen Substrats in regelmäßigen Abständen, Tauchen des ferroelektrischen Substrats mit den ersten Masken in eine Phosphorsäurelösung, um positive Ionen des ferroelektrischen Substrats, das nicht mit den ersten Masken abgedeckt ist, gegen H⁺-Ionen der Phosphorsäurelösung auszutauschen, wobei eine Vielzahl von in den regelmäßigen Abständen angeordneten Protonenaustauschbereichen in einem oberen Bereich des ferroelektrischen Substrats ausgebildet werden, der nicht mit den ersten Masken bedeckt ist, thermische Bearbeitung des ferroelektrischen Substrats und der Protonenaustauschbereiche, um die in den Protonenaustauschbereichen verdichteten H⁺-Ionen mit einer ersten Diffusionsgeschwindigkeit in dem ferroelektrischen Substrat zu verteilen und die schweren Ionen des ferroelektrischen Substrats mit einer zweiten Diffusionsgeschwindigkeit, die niedriger als die erste Diffusionsgeschwindigkeit ist, in die Protonenaustauschbereiche zu verteilen, wobei die Protonenaustauschbereiche mit negativer Elektrizität aufgeladen werden, das die Protonenaustauschbereiche umgebende ferroelektrische Substrat mit positiver Elektrizität aufgeladen wird, und ein elektrisches Feld, das eine in eine -C-Kristallachsenrichtung gerichtete Komponente hat, aufgrund einer Differenz in der Elektrizität zwischen den Protonenaustauschbereichen und dem ferroelektrischen Substrat induziert wird, um Umkehrpolarisationskerne auszubilden, die in Grenzbereichen zwischen den Protonenaustauschbereichen und dem ferroelektrischen Substrat eine in -C-Kristallachsenrichtung gerichtete Umkehrpolarisation haben, Fortsetzen der thermischen Bearbeitung des ferroelektrischen Substrats und der Protonenaustauschbereiche, um die Umkehrpolarisationskerne zu züchten, wobei die Protonenaustauschbereiche und das unter den Protonenaustauschbereichen positionierte ferroelektrische Substrat in eine Vielzahl von in den regelmäßigen Abständen angeordneten Umkehrpolarisationsbereichen umgeändert werden, deren Umkehrpolarisation in die -C-Kristallachsenrichtung entgegengesetzt der +C-Kristallachsenrichtung ist, und Ausbilden eines Lichtwellenleiters, welcher abwechselnde Reihen der Umkehrpolarisationsschichten und des zwischen den Umkehrpolarisationsschichten positionierten ferroelektrischen Substrats kreuzt, wobei die durch die abwechselnden Reihen des Lichtwellenleiters übertragenen ersten Harmonischen in zweite Harmonische umgewandelt werden, und ein Brechungsindex des Lichtwellenleiters höher als der des ferroelektrischen Substrat ist, um die ersten Harmonischen und zweiten Harmonischen im Lichtwellenleiter zu begrenzen, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt der Herstellung eines ferroelektrischen Substrats die Schritte aufweist, Auswählen einer ferroelektrischen Substanz als ein Material des ferroelektrischen Substrats aus der Gruppe, die aus dem reinen LiTaO₃-Kristall, dem mit MgO, Nb oder Nd dotierten LiTaO₃-Kristall, dem reinen LiNbO₃-Kristall und dem mit MgO, Ta oder Nd dotierten LiNbO₃-Kristall besteht, und Ausbilden der ferroelektrischen Substanz aus der ferroelektrischen Substanz, um die -C-Kristallachsenrichtung in einem Winkel zu neigen, der mit Bezug auf die Senkrechte der Oberfläche des ferroelektrischen Substrats in Richtung auf die X-Kristallachse im Bereich von 60 bis 85 Grad liegt, und der Schritt der Ausbildung eines optischen Lichtwellenleiters den Schritt der Ausdehnung des Lichtwellenleiters entlang der Y-Kristallachse enthält.
Wenn das ferroelektrische Substrat und die Protonenaustauschbereiche gemäß den vorhergehend genannten Schritten bearbeitet werden, wird ein von dem ferroelektrischen Substrat auf jeden der Protonenaustauschbereiche gerichtetes elektrisches Feld induziert. Da in diesem Fall die Normale der Oberfläche des ferroelektrischen Substrats von der C-Kristallachse zur X-Y-Kristallebene geneigt ist, ist die Richtung des elektrischen Felds nicht senkrecht zu der Richtung der spontanen Polarisation, die in +C-Kristallachsenrichtung ausgerichtet ist. Somit hat das elektrische Feld eine in eine -C-Kristallachsenrichtung gerichtete Komponente und mittels der Komponente wird ein Umkehrpolarisationskern ausgebildet. Die Polarisation des Umkehrpolarisationskerns ist in -C-Kristallachsenrichtung gerichtet, welche entgegengesetzt der Richtung der spontanen Polarisation ist.
Wenn danach die thermische Bearbeitung des ferroelektrischen Substrats und der Protonenaustauschbereiche fortgesetzt wird, wächst der Umkehrpolarisationskern an, so dass die Protonenaustauschbereiche und das unter den Protonenaustauschbereichen positionierte ferroelektrische Substrat in eine Vielzahl von Umkehrpolarisationsbereichen umgewandelt werden, die in regelmäßigen Abständen angeordnet sind.
Die Umkehrpolarisation der Umkehrpolarisationsbereiche ist in die -C-Kristallachsenrichtung entgegengesetzt der C-Kristallachsenrichtung gerichtet.
Da in diesem Fall die Normale der Oberfläche des ferroelektrischen Substrats gegenüber der C-Kristallachse geneigt ist, wird die Diffusionsgeschwindigkeit der Li⁺- und H⁺-Ionen in Richtung der Tiefe der Protonenaustauschschichten, verglichen mit der in ±C-Kristallachsenrichtung, erhöht.
Somit werden die Umkehrpolarisationsschichten mit einer großen Tiefe ausgebildet.
Danach wird der Lichtwellenleiter ausgebildet, der abwechselnde Reihen der Umkehrpolarisationsschichten und des ferroelektrischen Substrats kreuzt, das zwischen den Umkehrpolarisationsschichten positioniert ist. Der Brechungsindex des Lichtwellenleiters ist höher als der des ferroelektrischen Substrats, so dass das durch den Lichtwellenleiter übertragene kohärente Licht begrenzt wird.
Wenn demgemäß das aus ersten Harmonischen bestehende kohärente Licht durch den Lichtwellenleiter übertragen wird, können die ersten Harmonischen mit einem hohen Konversionswirkungsgrad in zweite Harmonische umgewandelt werden, da die Umkehrpolarisationsschichten mit einer hohen Tiefe ausgebildet werden.
Die zweite Aufgabe wird durch die Schaffung einer Erzeugungsvorrichtung für kohärentes Licht kürzerer Wellenlänge gelöst, die aufweist,
einen Halbleiterlaser zur Abstrahlung von kohärentem Licht, das aus ersten Harmonischen besteht, und
eine vorstehend beschriebene optische Wellenlängenkonversionseinrichtung, um die von dem Halbleiterlaser abgestrahlten ersten Harmonischen in zweite Harmonische umzuwandeln, deren Wellenlänge der Hälfte der Wellenlänge der ersten Harmonischen entspricht, die aufweist.
Bei der vorhergehend genannten Bauform wird das in einem TE-Modus polarisierte kohärente Licht von dem Halbleiterlaser auf eine Einfallsendfacette des Lichtwellenleiters abgestrahlt. Da in diesem Fall eine Senkrechte des ferroelektrischen Substrats zu einer C-Kristallachse in Richtung auf eine X-Y-Kristallebene geneigt ist, kann das im TE-Modus polarisierte kohärente Licht mit hohem Kopplungs-Wirkungsgrad zum Lichtwellenleiter gekoppelt werden. Danach werden erste Harmonische des kohärenten Lichts in zweite Harmonische umgewandelt, und die zweiten Harmonischen werden von einer Ausgabeendfacette des Lichtwellenleiters ausgegeben.
Demgemäß kann die Erzeugungsvorrichtung für kohärentes Licht kürzerer Wellenlänge ohne Anwendung irgendeines Polarisators hergestellt werden. Folglich kann die Bauform der Vorrichtung vereinfacht werden, und die Vorrichtung kann in kleiner Größe hergestellt werden.
Die Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen deutlich.
1A bis 1E sind Schnittansichten eines LiTaO₃-Substrats, die ein herkömmliches Herstellungsverfahren einer herkömmlichen optischen Wellenlängenkonversionseinrichtung zeigen, bei welchem Umkehrpolarisationsschichten und Nicht-Umkehrpolarisationsschichten regelmäßig wiederkehrend auf einer oberen Seite eines LiTaO₃-Substrats angeordnet werden,
1F bis 1H sind Schrägansichten des LiTaO₃-Substrats, welche das herkömmliche Herstellungsverfahren zeigen,
2 ist eine Schnittansicht des LiTaO₃-Substrats, die einen Ausbildungsmechanismus einer Umkehrpolarisationsschicht zeigt,
3(a) ist eine Zustandsansicht des LiTaO₃-Substrats, die auf schematische Weise eine Vorrichtung zur Erzeugung kohärenten Lichts kürzerer Wellenlänge zeigt,
3(b) zeigt eine Verteilung und eine Richtung des elektrischen Felds gemäß einem TE-Modus und eine andere Verteilung und eine andere Richtung des elektrischen Felds gemäß einem TM-Modus,
4 ist eine Schnittansicht, die miteinander verbundene Umkehrpolarisationsschichten gemäß dem in 1A bis 1H gezeigten herkömmlichen Herstellungsverfahren zeigt,
5 ist eine Schrägansicht eines Beispiels einer optischen Wellenlängenkonversionseinrichtung, die zu Referenzzwecken beschrieben ist,
6A bis 6E sind Diagonalansichten des in 5 gezeigten LiTaO₃-Substrats, die ein Herstellungsverfahren der regelmäßig wiederkehrend angeordneten Umkehrpolarisationsschichten zeigen,
7A ist eine vergrößerte Schrägansicht einer in 6D gezeigten Protonenaustauschschicht, welche die Ausbildung eines Umkehrpolarisationskerns bei einer ersten Probe zeigt,
7B ist eine vergrößerte Schrägansicht einer in 6D gezeigten Protonenaustauschschicht, welche die Ausbildung eines Umkehrpolarisationskerns bei einer zweiten Probe zeigt,
8 ist eine vergrößerte Schrägansicht einer in 6D gezeigten Protonenaustauschschicht, die auf schematische Weise das durch einen Protonenaustauschprozeß induzierte innere elektrische Feld zur Erzeugung eines Umkehrpolarisationskerns zeigt,
9 ist eine vergrößerte Schrägansicht einer auf einer dritten Probe ausgebildeten Protonenaustauschschicht, die auf schematische Weise eine Erscheinung zeigt, gemäß welchem kein Umkehrpolarisationskern im Inneren ausgebildet wird, selbst wenn durch einen Protonenaustauschprozeß ein inneres elektrisches Feld induziert wird,
10A, 10B sind Schnittansichten von Umkehrpolarisationsschichten, welche in 10A die regelmäßig wiederkehrend ausgebildeten Umkehrpolarisationsschichten zeigen und in 10B die miteinander verbundenen Umkehrpolarisationsschichten zeigen.
11A und 11B sind Schrägansichten des LiTaO₃-Substrats mit den in 5 gezeigten Umkehrpolarisationsschichten, welche das Herstellungsverfahren eines in 5 gezeigten Lichtwellenleiters zeigen,
12 zeigt Meßergebnisse einer Ausgangsspannung, um den Einfluß eines Temperprozesses und einer Temper-Temperatur auf die optischen Charakteristiken der in 5 gezeigten optischen Wellenlängenkonversionseinrichtung aufzuzeigen, 13 ist eine Schrägansicht der optischen Wellenlängenkonversionseinrichtung, die eine bestimmte Größe hat, um optische Charakteristiken einzuschätzen,
14 ist eine Schrägansicht einer optischen Wellenlängenkonversionseinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
15 zeigt auf schematische Weise die Neigung einer Oberfläche der optischen Wellenlängenkonversionseinrichtung zu einer C-Kristallachse.
16A, 16B sind Schnittansichten eines in 14 gezeigten LiTaO₃-Substrats, die ein Herstellungsverfahren von Umkehrpolarisationsschichten zeigen,
17 ist eine vergrößerte Schrägansicht einer in 16A gezeigten Protonenaustauschschicht, die auf schematische Weise ein inneres elektrisches Feld zeigt, das durch einen Protonenaustauschprozeß induziert wird, um einen Umkehrpolarisationskern auszubilden,
18 zeigt auf grafische Weise eine Beziehung zwischen einem in 15 gezeigten Neigungswinkel θ und einer Tiefe der Umkehrpolarisationsschicht 43,
19A, 19B sind Schnittansichten von Umkehrpolarisationsschichten, welche die gemäß 19A regelmäßig wiederkehrend ausgebildeten Umkehrpolarisationsschichten zeigen und die gemäß 19B miteinander verbundenen Umkehrpolarisationsschichten zeigen,
20 zeigt auf schematische Weise eine Ausdehnungsrichtung D_E einer Umkehrpolarisationsschicht gemäß einer Modifizierung des Ausführungsbeispiels gemäß 14,
21A zeigt eine Verteilung und eine Richtung des elektrischen Felds, das durch kohärentes Licht induziert wird, welches gemäß einem TE-Modus von einem Halbleiterlaser abgestrahlt wird,
21B zeigt eine Verteilung und eine Richtung des elektrischen Felds, das durch kohärentes Licht induziert wird, welches gemäß einem TM-Modus von einem Lichtwellenleiter abgegeben wird,
22 ist eine Zustandsansicht einer Vorrichtung zur Erzeugung kohärenten Lichts kürzerer Wellenlänge gemäß einem dritten Beispiel,
23 ist eine Zustandsansicht einer Vorrichtung zur Erzeugung kohärenten Lichts kürzerer Wellenlänge gemäß einem vierten Beispiel,
24 ist eine Zustandsansicht einer Vorrichtung zur Erzeugung kohärenten Lichts kürzerer Wellenlänge gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel,
25 zeigt auf grafische Weise eine Beziehung zwischen einem Neigungswinkel θ und einem Konversions-Wirkungsgrad,
26 ist eine perspektivische Schrägansicht einer Vorrichtung zur Erzeugung kohärenten Lichts kürzerer Wellenlänge gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
27A bis 27C sind Schrägansichten, die ein Herstellungsverfahren der in 26 gezeigten optischen Wellenlängenkonversionseinrichtung zeigen,
28 ist eine Schnittansicht der in 26 gezeigten optischen Wellenlängenkonversionseinrichtung, die eine Intensitätsverteilung des durch den Lichtwellenleiter übertragenen kohärenten Lichts veranschaulicht,
29 zeigt auf grafische Weise eine Relation zwischen der Intensität der zweiten Harmonischen und einer Temperatur des Halbleiterlasers,
30 ist eine perspektivische Schrägansicht einer Vorrichtung zur Erzeugung kohärenten Lichts kürzerer Wellen länge gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
31 ist eine Schrägansicht einer Vorrichtung zur Erzeugung kohärenten Lichts kürzerer Wellenlänge gemäß einem achten Beispiel der vorliegenden Erfindung,
32A ist eine vergrößerte Schnittansicht entlang der Linie A-A' gemäß 31, die ein elektrisches Feld zeigt, das einen Lichtwellenleiter in der Richtung durchdringt, welche der Richtung der Umkehrpolarisation entspricht,
32B ist eine vergrößerte Schnittansicht entlang der Linie B-B' gemäß 31, die ein elektrisches Feld zeigt, das einen Lichtwellenleiter in der Richtung durchdringt, welche der Richtung der spontanen Polarisation Ps entgegengesetzt ist,
33 zeigt auf grafische Weise abwechselnde Änderungen eines Brechungsindexes eines in 31 gezeigten Lichtwellenleiters,
34 zeigt auf grafische Weise eine Beziehung zwischen einer den Elektroden angelegten elektrischen Potentialdifferenz und einem Brechungs-Wirkungsgrad eines Beugungsgitters, das in einem in 31 gezeigten Lichtwellenleiter ausgebildet ist,
35 ist eine Schrägansicht einer Vorrichtung zur Erzeugung kohärenten Lichts kürzerer Wellenlänge gemäß einem neunten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
36A ist eine vergrößerte Schnittansicht entlang der Linie A-A' gemäß 35, die ein elektrisches Feld zeigt, das einen Lichtwellenleiter in der Richtung durchdringt, welche der Richtung der Umkehrpolarisation entspricht,
36B ist eine vergrößerte Schnittansicht entlang der Linie B-B' gemäß 35, die ein elektrisches Feld zeigt, das einen Lichtwellenleiter in der Richtung durchdringt, welche der Richtung der spontanen Polarisation Ps entgegengesetzt ist, und
37 ist eine Schrägansicht einer Vorrichtung zur Erzeugung kohärenten Lichts kürzerer Wellenlänge gemäß einem zehnten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Zuerst werden bevorzugte Ausführungsbeispiele eines Herstellungsverfahrens einer optischen Wellenlängenkonversionseinrichtung und der optischen Wellenlängenkonversionseinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
5 ist eine Zustands-Schrägansicht eines Beispiels einer optischen Wellenlängenkonversionseinrichtung, die zu Referenzzwecken beschrieben ist.
Wie in 5 gezeigt ist, weist eine optische Wellenlängenkonversionseinrichtung 31 ein LiTaO₃-Substrat 32 mit einer -X-Gitterebene auf dessen oberen Fläche, eine Vielzahl von in einem Oberflächenbereich des LiTaO₃-Substrats 32 in regelmäßigen Abständen Λ (1 ≤ Λ ≤ 20 μm) regelmäßig wiederkehrend angeordneten Umkehrpolarisationsschichten 33 und einen Lichtwellenleiter 34 auf, der in einem mittleren Oberflächenbereich des LiTaO₃-Substrats 32 derart angeordnet ist, daß er abwechselnde Reihen der Umkehrpolarisationsschichten 33 und der Nicht-Umkehrpolarisationsschichten 35 kreuzt.
Das LiTaO₃-Substrat 32 wird durch Schneiden eines LiTaO₃-Kristalls entlang einer bestimmten Ebene senkrecht zur X-Kristallachse ausgebildet, die als eine Kristallorientierung [100] definiert ist, und die obere Fläche des LiTaO₃-Substrats 32 ist in Richtung auf eine -X-Kristallachsenrichtung ausgerichtet. Somit ist die -X-Gitterebene als (100)-Kristallebene in Millerschen Indizes definiert. Außerdem ist die spontane Polarisation Ps des LiTaO₃-Substrats 31 in eine +C-Kristallachsenrichtung gerichtet.
Eine Ausdehnungsrichtung D_E jeder Umkehrpolarisationsschicht 33 ist in einem Winkel von θ Grad (6 ≤ θ ≤ 174 Grad oder –174 ≤ θ ≤ –6 Grad) zur +C-Kristallachsenrichtung in Richtung auf eine -Y-Kristallachsenrichtung geneigt. Die negative Neigung θ (–174 ≤ θ ≤ –6 Grad) bezeichnet die in Richtung auf eine +Y-Kristallachsenrichtung geneigte Ausdehnungsrichtung D_E. Eine Breite W jeder Umkehrpolarisationsschicht 33 beträgt W=Λ/2. Außerdem ist die umgekehrte Polarisation der Umkehrpolarisationsschichten 33 in eine -C-Kristallachsenrichtung entgegengesetzt der Richtung der spontanen Polarisation Ps gerichtet.
Der Lichtwellenleiter 34 erstreckt sich parallel zur Y-Kristallachse, und ein Brechungsindex des Lichtwellenleiters 34 ist höher als der des LiTaO₃-Substrats 32, um das kohärente licht einzugrenzen. Da der Lichtwellenleiter 34 durch den Austausch von Li⁺-Ionen des LiTaO₃-Substrats 32 und der Umkehrpolarisationsschichten 33 gegen H⁺-Ionen ausgebildet wird, wird der Brechungsindex des Lichtwellenleiters 34 in den ±C-Kristallachsenrichtung größer als der des Lichtwellenleiters 34 in anderen Richtungen. Somit ist es erforderlich, daß Verstärkungsrichtungen des elektrischen Felds, das mittels des durch den Lichtwellenleiter 34 übertragenen kohärenten Lichts induziert wird, parallel zur C-Kristallachse gerichtet sind. Um die parallel zur C-Kristallachse gerichteten Verstärkungsrichtungen zu erhalten, ist es erforderlich, daß das kohärente Licht in eine Richtung senkrecht zur C-Kristallachse übertragen wird. Somit erstreckt sich der Lichtwellenleiter 34 parallel zur Y-Kristallachse, welche senkrecht zur C-Kristallachse ist.
Bei der vorhergehend beschriebenen Bauform wird das aus ersten Harmonischen bestehende kohärente Licht in eine Einfallsendfacette 34a des Lichtwellenleiters 34 gestrahlt, und das kohärente Licht wird durch abwechselnde Reihen übertragen, die aus den Umkehrpolarisationsschichten 33 und den Nicht-Umkehrpolarisationsschichten 35 bestehen. Die ersten Harmonischen werden in der Umkehrpolarisationsschicht 33 in zweite Harmonische umgewandelt, deren Wellenlänge λ_h halb so grob wie die Wellenlänge λ_f der ersten Harmonischen ist. Die Phase der umgewandelten zweiten Harmonischen wird umgekehrt, während sie durch die Umkehrpolarisationsschicht 33 übertragen wird. Danach werden die zweiten Harmonischen durch die Nicht-Umkehrpolarisationsschicht 35 übertragen. Da in diesem Fall die Polarisationsrichtung der Nicht-Umkehrpolarisationsschicht 35 entgegengesetzt der Polarisationsrichtung der Umkehrpolarisationsschicht 33 ist, werden die durch die Nicht-Umkehrpolarisationsschicht 35 übertragenen zweiten Harmonischen verstärkt. Somit wird eine Fehlanpassung zwischen einer Übertragungskonstante der ersten Harmonischen und einer anderen Übertragungskonstante der zweiten Harmonischen mit Hilfe der regelmäßig wiederkehrenden Struktur der abwechselnden Reihen kompensiert. Im Ergebnis werden die ersten Harmonischen in zweite Harmonische umgewandelt und die umgewandelten zweiten Harmonischen werden verstärkt. Danach werden die verstärkten zweiten Harmonischen aus einer Ausgangsendfacette 34b des Lichtwellenleiters 34 abgestrahlt.
Als nächstes wird eine Herstellungsverfahren der Umkehrpolarisationsschichten 33 beschrieben.
6A bis 6E sind Schrägansichten des LiTaO₃-Substrats 32, die ein Herstellungsverfahren der Umkehrpolarisationsschichten 33 zeigen.
Wie in 6A gezeigt ist, wird auf dem LiTaO₃-Substrat 32 mit Hilfe eines Sputterverfahrens eine Ta-Schicht 36 mit einer Dicke von 30 nm aufgetragen. Wie in 6B gezeigt ist, wird danach ein Fotoresist auf die Ta-Schicht 36 geschichtet und wird mit Hilfe eines fotolithografischen Verfahrens derart mit einem Muster versehen, daß eine Vielzahl von Fotoresiststreifen 37 ausgebildet werden, die in regelmäßigen Abständen Λ regelmäßig wiederkehrend angeordnet sind. Ein Abstand zwischen den Streifen 37 ist im wesentlichen gleich der Breite W der Umkehrpolarisationsschicht 33 und die Fotoresiststreifen 37 sind reihenweise in einer Richtung angeordnet, die in einem Winkel von θ Grad zur +C-Kristallachsenrichtung in Richtung auf die -Y-Kristallachsenrichtung geneigt ist. Drei Typen von Proben werden vorbereitet. Ein erster Neigungswinkel θ₁ einer ersten Probe ist auf θ₁= –22 Grad festgelegt, und ein zweiter Neigungswinkel θ₂ einer zweiten Probe ist auf θ₂=22 Grad festgelegt. Außerdem ist ein dritter Winkel θ₃ einer dritten Probe auf θ₃=0 Grad festgelegt. Wie in 6C gezeigt ist, wird gemäß dem Trockenätzen das Muster der Fotoresiststreifen 37 in einer CF₄-Atmosphäre auf die Ta-Schicht 36 übertragen und die Fotoresiststreifen 37 werden abgenommen.
Wie in 6D gezeigt ist, wird das LiTaO₃-Substrat 32 bei einer Temperatur von 260°C für vierzig Minuten in eine verdünnte Pyrophosphorsäurelösung getaucht, um in dem nicht mit der in einem Muster ausgebildeten Ta-Schicht 36 abgedeckten LiTaO₃-Substrat 32 eine Vielzahl von Protonenaustauschschichten 38 auszubilden. Die verdünnte Pyrophosphorsäurelösung wird durch Mischen von Pyrophosphorsäure (H₄P₂O₇) mit Lithiumphosphat (Li₃PO₄) bei einem Masseverhältnis von 20/80 von Li₃PO₄/H₄P₂O₇ erzielt. Beim herkömmlichen Herstellungsverfahren wird das LiTaO₃- Substrat 11 in die reine Pyrophosphorsäurelösung getaucht, um die Protonenaustauschschichten 13 auf einheitliche Weise auszubilden. Außerdem können die Li⁺-Ionen des LiTaO₃-Substrats 11 auf wirksame Weise gegen die H⁺-Ionen der reinen Pyrophosphorsäurelösung ausgetauscht werden. Die als die -X-Gitterebene definierte Oberfläche des LiTaO₃-Substrats 32 wird jedoch aufgrund der Erosion des LiTaO₃-Substrats 32 rauh, wenn das LiTaO₃-Substrat 32 bei einer Temperatur von 260°C für mehr als zwanzig Minuten in die reine Pyrophosphorsäure getaucht wird. Deshalb wird in der vorliegenden Erfindung die verdünnte Pyrophosphorsäurelösung angewandt, um das LiTaO₃-Substrat 32 vor Erosion zu schützen. Außerdem werden die Li⁺-Ionen des LiTaO₃-Substrats 32 auf die gleiche Weise wie bei dem herkömmlichen Herstellungsverfahren wirksam gegen die H⁺-Ionen der verdünnten Pyrophosphorsäurelösung ausgetauscht. Zusätzlich hat das Ta-Material hervorragende Eigenschaften, wodurch die mit der in einem Muster ausgebildeten Ta-Schicht 36 abgedeckte Oberfläche des LiTaO₃-Substrats 32 völlig vor dem H⁺-Ionen-Austausch geschützt ist. Deshalb werden die Protonenaustauschschichten 38 in hoher Genauigkeit gemäß dem auf die Ta-Schicht 36 übertragenen Muster als Muster ausgebildet.
Danach wird das LiTaO₃-Substrat 32 mit den Protonenaustauschschichten 38 durch Abstrahlen von Infrarotstrahlen auf, das LiTaO₃-Substrat mittels einer Infrarotstrahlungs-Heizvorrichtung mit einer Anstiegsrate von über 10°C/Sekunde gemäß einem Schnellerwärmungs-Temperverfahren erwärmt. Da das Schnellerwärmungs-Temperverfahren angewandt wird, kann die Anstiegsrate in einem Bereich von einem sehr geringen Grad bis zu einem hohen Grad geregelt werden. Somit kann die Anstiegsrate bis auf über 50°C/Sekunde gesteigert werden. Danach werden die Protonenaustauschschichten 38 bei einer Temperatur von 500°C bis 600°C für zehn Sekunden thermisch bearbeitet, um die dicht in den Protonenaustauschschichten 38 enthaltenen H⁺-Ionen in das LiTaO₃-Substrat 32 zu verteilen. Wie in 7A, 7B gezeigt ist, wird somit im Oberflächenbereich des LiTaO₃-Substrats 32 in der ersten und zweiten Probe (θ₁=22°, θ₂=22°) auf zuverlässige Weise ein Umkehrpolarisationskern 39 ausgebildet, wenn die Protonenaustauschschichten 38 bei einer Temperatur von 530°C thermisch bearbeitet werden.
7A ist eine vergrößerte Schrägansicht der Protonenaustauschschicht 38, welche die Erzeugung eines Umkehrpolarisationskerns bei der ersten Probe zeigt. 7B ist eine vergrößerte Schrägansicht der Protonenaustauschschicht 38, welche die Erzeugung eines Umkehrpolarisationskerns bei der zweiten Probe zeigt.
Wie in 7A gezeigt ist, wird der Umkehrpolarisationskern 39 in Fällen, in welchen die Ausdehnungsrichtung D_E der Protonenaustauschschicht 38 in einem Winkel von θ₁=–22 Grad zur +C-Kristallachsenrichtung in Richtung auf die +Y-Kristallachsenrichtung geneigt ist, auf der linken Seite der Protonenaustauschschicht 38 ausgebildet.
Außerdem wird, wie in 7B gezeigt ist, der Umkehrpolarisationskern 39 in Fällen, in welchen die Ausdehnungsrichtung D_E der Protonenaustauschschicht 38 in einem Winkel von θ₁=+22 Grad zur +C-Kristallachsenrichtung in Richtung auf die -Y-Kristallachsenrichtung geneigt ist, auf der rechten Seite der Protonenaustauschschicht 38 ausgebildet.
Der Grund, warum der Umkehrpolarisationskern 39 bei der ersten und zweiten Probe ausgebildet wird, wird mit Bezug auf 8 beschrieben.
Wie in 8 gezeigt ist, werden die Li⁺-Ionen des LiTaO₃-Substrats 32 in einer Protonenaustauschschicht 38 verteilt und die H⁺-Ionen der Protonenaustauschschicht 38 in dem LiTaO₃-Substrat 32 verteilt, wenn das LiTaO₃-Substrat 32 thermisch erwärmt wird. Zu diesem Zeitpunkt werden die inneren elektrischen Felder E₃, E₄ in den Grenzbereichen zwischen dem LiTaO₃-Substrat 32 und der Protonenaustauschschicht 38 induziert, da die Diffusionsgeschwindigkeit der H⁺-Ionen schneller als die der Li⁺-Ionen ist. Die inneren elektrischen Felder E₃, E₄ sind im rechten Winkel von dem LiTaO₃-Substrat 32 zu der Protonenaustauschschicht 38 gerichtet. Da in diesem Fall die Ausdehnungsrichtung D_E der Protonenaustauschschicht 38 in einem Winkel von θ Grad zur +C-Kristallachsenrichtung geneigt ist, sind die Richtungen der inneren elektrischen Felder E₃, E₄ in einem Winkel von θ Grad zur +Y-Kristallachsenrichtung oder -Y-Kristallachsenrichtung geneigt. Deshalb wird eine Intensität einer in – C-Kristallachsenrichtung gerichteten elektrischen Feldkomponente des inneren elektrischen Felds E₃ mit E×sinθ bezeichnet, wobei das Symbol E eine Intensität des inneren elektrischen Felds E₃ bezeichnet. Außerdem ist die spontane Polarisation Ps des LiTaO₃-Substrats 32 in +C-Kristallachsenrichtung gerichtet. Im Ergebnis dessen wird im wesentlichen ein elektrisches Feld E_c induziert, das in eine Richtung entgegengesetzt der Richtung der spontanen Polarisation Ps gerichtet ist, und die Intensität des elektrischen Felds E_c ist E×sinθ. Deshalb wird in einem Seitenflächenbereich der Protonenaustauschschicht 38 ein Umkehrpolarisationskern 39 ausgebildet. Demgemäß kann bei der ersten und zweiten Probe auf zuverlässige Weise der Umkehrpolarisationskern 39 ausgebildet werden.
Im Gegensatz dazu wird bei der dritten Probe (θ₃=0) kein Umkehrpolarisationskern ausgebildet. Der Grund, warum bei der dritten Probe kein Umkehrpolarisationskern ausgebildet wird, wird unter Bezugnahme auf 9 beschrieben.
Wenn das LiTaO₃-Substrat 32 thermisch erwärmt wird, werden, wie in 9 gezeigt ist, in den Grenzbereichen zwischen dem LiTaO₃-Substrat 32 und einer Protonenaustauschschicht 38 innere elektrische Felder E₅, E₆ induziert, da die Diffusionsgeschwindigkeit der H⁺-Ionen schneller als die der Li⁺-Ionen ist. Die inneren elektrischen Felder E₅, E₆ sind im rechten Winkel von dem LiTaO₃-Substrat 32 zur Protonenaustauschschicht 38 gerichtet. Deshalb sind in Fällen, in welchen die Ausdehnungsrichtung D_E der Protonenaustauschschicht 38 genau in C-Kristallachsenrichtung gerichtet ist, die inneren elektrischen Felder E₅, E₆ in +Y-Kristallachsenrichtung oder -Y-Kristallachsenrichtung gerichtet, welche senkrecht zur Richtung der spontanen Polarisation Ps des LiTaO₃-Substrats 32 ist. Da in diesem Fall die Intensität der elektrischen Feldkomponenten der in die -C-Kristallachsenrichtung gerichteten inneren elektrischen Felder E₁, E₂ Null ist, wird kein elektrisches Feld induziert, das in eine Richtung entgegengesetzt der Richtung der spontanen Polarisation Ps gerichtet ist. Deshalb wird bei der dritten Probe in den Grenzbereichen kein Umkehrpolarisationskern ausgebildet.
In der Praxis sind der Neigungswinkel θ von gleich oder mehr als 6 Grad und der Neigungswinkel θ von gleich oder weniger als –6 Grad verfügbar. Da es außerdem erforderlich ist, daß die Ausdehnungsrichtung D_E der Umkehrpolarisationsschicht 33 auf die gleiche Weise zur -C-Kristallachsenrichtung geneigt ist, um den Umkehrpolarisationskern 39 auszubilden, beträgt der für den Neigungswinkel θ erforderliche Bereich 6 ≤ θ ≤ 174 Grad oder –174 ≤ θ ≤ –6 Grad. Hier bezeichnet der mit Minus bezeichnete Wert von θ, daß die Ausdehnungsrichtung D_E in Richtung auf die +Y-Kristallachsenrichtung geneigt ist.
Danach wird die thermische Bearbeitung der Protonenaustauschschicht 38 in einem Temperaturbereich von 500°C bis 600°C fortgesetzt, um die Umkehrpolarisationsschichten 33 in dem Oberflächenbereich des LiTaO₃-Substrats 32 auszubilden. Danach wird das LiTaO₃-Substrat 32 in eine aus HF und HNF₃ gemischte Lösung (HF:HNF₃ = 1:1) getaucht, um die als Muster ausgebildete Ta-Schicht 36 abzunehmen.
10A, 10B sind Schnittansichten der Umkehrpolarisationsschichten 33, welche die gemäß 10A regelmäßig wiederkehrend ausgebildeten Umkehrpolarisationsschichten 33 zeigen und gemäß 10B die miteinander verbundenen Umkehrpolarisationsschichten 33 zeigen.
Die Ausbildung der Umkehrpolarisationsschichten 33 wird durch Fortsetzung der thermischen Bearbeitung unter der Bedingung ausgeführt, daß der Neigungswinkel θ=+22 Grad beträgt, und die regelmäßigen Abstände der als Muster ausgebildeten Ta-Schichten betragen Λ=10 μm. Wie in 10A gezeigt ist, werden die Umkehrpolarisationsschichten 33 in Fällen, in welchen die thermische Bearbeitung der Protonenaustauschschicht 38 für zehn Sekunden bei einer Temperatur von 580°C fortgesetzt wird, regelmäßig wiederkehrend angeordnet ausgebildet. In Fällen, in welchen die thermische Bearbeitung der Protonenaustauschschicht 38 für sechzig Sekunden bei einer Temperatur von 580°C fortgesetzt wird, werden jedoch, wie in 10B gezeigt ist, die ausgebildeten Umkehrpolarisationsschichten 33 miteinander verbunden, da sich die Umkehrpolarisationsschichten 33 in eine horizontale Richtung verlängern, wenn die thermische Bearbeitung fortgesetzt wird.
Außerdem werden die ausgebildeten Umkehrpolarisationsschichten 33 in Fällen miteinander verbunden, in welchen das LiTaO₃-Substrat 32 mit der Protonenaustauschschicht 38 auf die gleiche Weise wie bei dem herkömmlichen Herstellungsverfahren mit einer Anstiegsrate von ungefähr 1°C/Sekunde in einem Ofen erwärmt wird, da es eine lange Zeit dauert, die Protonenaustauschschicht 38 zu erwärmen.
Im Ergebnis werden die regelmäßig wiederkehrenden Umkehrpolarisationsschichten 33 unter der Bedingung ausgebildet, daß die Anstiegsrate des LiTaO₃-Substrats 32 mit der Protonenaustauschschicht 38 gleich oder mehr als 10°C/Sekunde beträgt und die thermische Bearbeitung der Protonenaustauschschicht 38 innerhalb von sechzig Sekunden abgeschlossen ist, wie in 6E gezeigt ist.
Außerdem wird die Protonenaustauschschicht 38 in die Umkehrpolarisationsschicht 33 umgewandelt, während der Umkehrpolarisationskern 39 anwächst. Der Umkehrpolarisationskern 39 kann jedoch in den Fällen nicht anwachsen, in welchen die Breite W der Protonenaustauschschicht 38 über 10 μm beträgt. Somit ist die Breite W der Protonenaustauschschicht 38 auf 10 μm oder weniger begrenzt, um die Umkehrpolarisationsschichten 33 auf einheitliche Weise auszubilden. Anders ausgedrückt, ein Abstand zwischen den Ta-Schichten 36 ist auf 10 μm oder weniger begrenzt.
So erreicht die Tiefe der Umkehrpolarisationsschichten 33 zum Beispiel in den Fällen 3 μm, in welchen die regelmäßigen Abstände der Umkehrpolarisationsschichten 33 Λ=4 μm betragen. Da die Tiefe der gemäß dem herkömmlichen Herstellungsverfahren ausgebildeten Umkehrpolarisationsschichten 14 nicht mehr als 2 μm beträgt, wenn die regelmäßigen Abstände der Umkehrpolarisationsschichten 14 4 μm betragen, entspricht die Tiefe der regelmäßig wiederkehrend angeordneten Umkehrpolarisationsschichten 33 1,5mal der Tiefe gemäß dem herkömmlichen Herstellungsverfahren.
Da eine Tiefenrichtung der Umkehrpolarisationsschichten 33 mit der als die Kristallorientierung [100] definierten +X-Kristallachsenrichtung übereinstimmt, kann demgemäß das Anwachsen der Umkehrpolarisationsschichten 33 in Tiefenrichtung verstärkt werden. Somit können die Umkehrpolarisationsschichten 33 vertieft werden, ohne die Umkehrpolarisationsschichten 33 miteinander zu verbinden, selbst wenn die regelmäßigen Abstände Λ der Umkehrpolarisationsschichten 33 verkürzt werden, um blaues Licht zu erzeugen. Im Ergebnis dessen kann das aus ersten Harmonischen bestehende kohärente Licht auf wirksame Weise in zweite Harmonische umgewandelt werden, da ein Verhältnis der nicht durch die Umkehrpolarisationsschichten 33 übertragenen ersten Harmonischen verringert wird.
Da außerdem die Protonenaustauschschichten 38 schnell erwärmt und mit Hilfe der Infraroterwärmung thermisch bearbeitet werden, können die regelmäßig wiederkehrend angeordneten Umkehrpolarisationsschichten 33 mit einer hohen Geschwindigkeit angeordnet werden, ohne daß die Umkehrpolarisationsschichten 33 miteinander verbunden werden.
Als nächstes wird ein Herstellungsverfahren des Lichtwellenleiters 34 beschrieben, das ausgeführt wird, nachdem die Umkehrpolarisationsschichten 33 ausgebildet sind.
Es ist erforderlich, daß ein durch regelmäßig wiederkehrende Änderungen eines Brechungsindex des Lichtwellenleiters 34 verursachter Transmissionsverlust reduziert wird, um die ersten Harmonischen in zweite Harmonische umzuwandeln. Deshalb ist es erforderlich, daß ein Brechungsindex der Umkehrpolarisationsschichten 33 in dem Lichtwellenleiter 34 im wesentlichen gleich dem der Nicht-Umkehrpolarisationsschichten 35 in dem Lichtwellenleiter 34 ist.
Da die Protonenaustauschschichten 38 durch Austausch der Li⁺-Ionen gegen die H⁺-Ionen ausgebildet werden, unterscheidet sich ein Brechungsindex der Protonenaustauschschicht 38 auf unerwünschte Weise von dem des LiTaO₃-Substrats 32.
Deshalb unterscheidet sich der Brechungsindex der durch thermische Bearbeitung der Protonenaustauschschicht 38 ausgebildeten Umkehrpolarisationsschichten 38 notwendigerweise von dem des LiTaO₃-Substrats 32. Wenn zum Beispiel die Brechungsindizes der Umkehrpolarisationsschichten 33 und des LiTaO₃-Substrats 32 mit Hilfe eines Prisma-Kopplungsverfahrens gemessen werden, beträgt ein Unterschied im Brechungs index zwischen den Umkehrpolarisationsschichten 33 und dem LiTaO₃-Substrat 32 ungefähr 0,02. In Fällen, in welchen die Umkehrpolarisationsschichten 33 und das zwischen den Umkehrpolarisationsschichten 33 positionierte LiTaO₃-Substrat 32 gemäß dem herkömmlichen Herstellungsverfahren in den Lichtwellenleiter 34 umgewandelt werden, unterscheidet sich deshalb der Brechungsindex der Umkehrpolarisationsschichten 33 notwendigerweise von dem der Nicht-Umkehrpolarisationsschichten 35, die durch Umwandlung des LiTaO₃-Substrats 32 erzielt werden. Im Ergebnis werden in dem Lichtwellenleiter 34 regelmäßig wiederkehrende Änderungen eines Brechungsindex ausgebildet, so daß der Übertragungsverlust in dem Lichtwellenleiter 34 ziemlich groß wird.
Bei dieser Anordnung wird ein Brechungsindex-Unterschied zwischen den Umkehrpolarisationsschichten 33 und den Nicht-Umkehrpolarisationsschichten 35 reduziert.
11A und 11B sind Schrägansichten des LiTaO₃-Substrats 32 mit den Umkehrpolarisationsschichten 35, die das Herstellungsverfahren des Lichtwellenleiters 34 zeigen.
Das LiTaO₃-Substrat 32 mit den Umkehrpolarisationsschichten 33 wird zu Beginn gemäß einer Temperbearbeitung für vier Stunden bei einer Temper-Temperatur von 450°C getempert, um ausgetauschte Ionen wie zum Beispiel H⁺-Ionen und Li⁺-Ionen zu verteilen, die in dem LiTaO₃-Substrat vorhanden sind. Deshalb wird der Unterschied im Brechungsindex zwischen den Umkehrpolarisationsschichten 33 und dem LiTaO₃-Substrat 32 auf 0,005 oder weniger reduziert. Die Temper-Temperatur wird im Temperprozeß auf weniger als 550°C reduziert, und es ist erforderlich, daß die Temperzeit eine Stunde oder mehr beträgt. In Fällen, in welchen die Umkehrpolarisationsschichten 33 bei einer Temper-Temperatur von 550°C oder mehr getempert werden, wird eine Polarisationsrichtung der Umkehrpolarisationsschichten 33 erneut invertiert, so daß die Umkehrpolarisationsschichten 33 verschwinden.
Wie in 11A gezeigt ist, wird danach das Ta-Material gemäß einem Sputterverfahren auf dem LiTaO₃-Substrat 32 mit den Umkehrpolarisationsschichten 33 abgelagert und es wird mit Hilfe eines fotolithografischen Verfahrens und eines Trockenätzverfahrens mit einem Muster versehen, um eine Ta-Maske 40 auszubilden, die einen Schlitz 40A aufweist. Der Schlitz 40A erstreckt sich parallel zur Y-Kristallachse und die Breite des Schlitzes 40A beträgt 4 μm. Danach wird das LiTaO₃-Substrat 32 mit den Umkehrpolarisationsschichten 33 für zwanzig Minuten in die Pyrophosphorsäurelösung getaucht, um eine thermische Bearbeitung bei einer Temperatur von 230°C auszuführen. Deshalb wird, wie in 11B gezeigt ist, ein Teil der Li⁺-Ionen des nicht mit der Ta-Maske 40 abgedeckten LiTaO₃-Substrats 32 gegen H⁺-Ionen ausgetauscht, und das LiTaO₃-Substrat 32 und die Umkehrpolarisationsschichten 33, die nicht mit der Ta-Maske 40 abgedeckt sind, werden in den Lichtwellenleiter 34 umgewandelt, der einen besonders hohen Brechungsindex hat. Danach wird die Ta-Maske 40 abgenommen, und die Endfacetten 34a, 34b des Lichtwellenleiters 34 werden optisch poliert. Im Ergebnis wird die optische Wellenlängenkonversionseinrichtung 31 hergestellt, wie in 5 gezeigt ist.
Als nächstes wird der Einfluß der Temper-Temperatur im Temperprozeß auf die optischen Eigenschaften der optischen Wellenlängenkonversionseinrichtung 31 beschrieben.
Die durch Tempern für eine Stunde bei der Temper-Temperatur von 450°C gemäß dem Temperprozeß hergestellte optische Wellenlängenkonversionseinrichtung 31 wird als eine Probe A vorbereitet. Die ohne Ausführung des Temperprozesses hergestellte optische Wellenlängenkonversionseinrichtung wird als eine Probe B vorbereitet. Die durch Tempern für eine Stunde bei der Temper-Temperatur von 550°C gemäß dem Temperprozeß hergestellte optische Wellenlängenkonversionseinrichtung 31 wird als eine Probe C vorbereitet. Danach wird von einem Halbleiterlaser abgestrahltes kohärentes Licht der Wellenlänge 800 μm mit einer Ausgangsleistung von 40 mW auf die Einfallsendfacette 34a des Lichtwellenleiters 34 fokussiert. Danach werden die aus der Ausgabeendfacette 34a des Lichtwellenleiters 34 ausgegebenen ersten Harmonischen und zweiten Harmonischen parallel gerichtet und eine Ausgangsleistung der parallel gerichteten ersten Harmonischen und eine andere Ausgangsleistung der parallel gerichteten zweiten Harmonischen werden mit Hilfe eines Leistungsmeßgeräts gemessen.
12 zeigt Meßergebnisse der Ausgangsleistungen, um den Einfluß des Temperprozesses und der Temper-Temperatur auf optische Charakteristiken der optischen Wellenlängenkonversionseinrichtung 31 zu zeigen.
Im Vergleich der Proben A und B wird festgestellt, daß der Brechungsindex-Unterschied zwischen den Umkehrpolarisationsschichten 33 und dem LiTaO₃-Substrat 32 durch Ausführung des Temperprozesses reduziert wird. Somit wird der Übertragungsverlust der Schwingungen in dem Lichtwellenleiter 34 von 2 dB/cm (Probe B) auf 0,4 dB/cm (Probe A) herabgesetzt. Insbesondere wird die Ausgangsleistung der ersten Harmonischen von 10 mW (Probe B) auf 20 mW (Probe A) erhöht, und die Ausgangsleistung der zweiten Harmonischen wird von 0,5 mW (Probe B) auf 1,0 mW (Probe A) erhöht. Demgemäß kann der Konversions-Wirkungsgrad der ersten Harmonischen in die zweiten Harmonischen durch die Ausführung des Temperprozesses außergewöhnlich verbessert werden.
Beim Vergleich der Proben A und C wird festgestellt, daß die Umkehrpolarisationsschichten 33 bei der Probe C verschwinden, da die Temper-Temperatur zu hoch ist. Obgleich die Ausgangsleistung der ersten Harmonischen bei der Probe C gleich der bei der Probe A ist, werden die ersten Harmonischen bei der Probe C nicht in die zweiten Harmonischen umgewandelt. Demgemäß kann der Konversions-Wirkungsgrad durch Ausführung des Temper-Prozesses im Bereich von 450°C bis 550°C außergewöhnlich verbessert werden.
Als nächstes werden Auswertungsergebnisse der optischen Charakteristiken der optischen Wellenlängenkonversionseinrichtung 31 beschrieben.
Zur Bewertung der optischen Charakteristiken der Einrichtung 31, wie sie in 13 gezeigt ist, dient die Einrichtung 31, welche die Umkehrpolarisationsschichten 33, deren Ausdehnungsrichtung D_E in einem Neigungswinkel von 20 Grad zur +C-Kristallachsenrichtung in Richtung auf die +Y-Kristallachsenrichtung gedreht ist, deren regelmäßiger Abstand Λ=4 μm ist, deren Breite W=2 μm beträgt und deren Tiefe 2μm beträgt, und den Lichtwellenleiter 34 aufweist, dessen Breite 4 μm beträgt, dessen Tiefe 1,9 μm beträgt und dessen Länge 10 mm beträgt. In diesem Fall erfüllen die ersten Harmonischen mit der Wellenlänge λ_f=860 nm unter der Bedingung m=1 die Quasi-Phasenanpassungsbedingung Λ = m×λ_f/{2×(N2ω-Nω)} (m ist eine ganze Zahl). Die ganze Zahl m bezeichnet die Ordnung der Quasi-Phasenanpassung.
Wenn kohärentes Licht der Wellenlänge λ_F=860 nm mit einer Ausgangsleistung von 115 mW auf die Einfallsendfacette des Lichtwellenleiters 34 gestrahlt wird, werden aus der Ausgangsendfacette 34b des Lichtwellenleiters 34 zweite Harmonische der Wellenlänge λ_h=430 nm abgegeben. Eine Ausgangsleistung der zweiten Harmonischen beträgt 23 mW, so daß der Konversions-Wirkungsgrad 1,5mal höher als bei der herkömmlichen optischen Wellenlängenkonversionseinrichtung ist.
Bei dieser Anordnung ist die Oberfläche des LiTaO₃-Substrats 32 als eine -X-Gitterebene in Millerschen Indizes definiert. Da jedoch das Anwachsen der Umkehrpolarisationsschichten 33 in den Fällen, in welchen die Tiefenrichtung senkrecht zur C-Kristallachse ist, in der Tiefenrichtung gesteigert wird, ist bei dieser Anordnung bei dem LiTaO₃- Substrat, das eine als +X-Gitterebene definierte Oberfläche hat, eine -Y-Gitterebene oder eine +Y-Gitterebene verfügbar. Wenn der LiTaO₃-Kristall parallel zu der C-Kristallachse geschnitten wird, um ein LiTaO₃-Substrat auszubilden, das eine Oberflächenebene parallel zur C-Kristallachse aufweist, ist bei dieser Anordnung das LiTaO₃-Substrat anwendbar, das eine Oberflächenebene parallel zur C-Kristallachse hat.
Außerdem werden die regelmäßigen Abstände Λ der Umkehrpolarisationsschichten 33 in Abhängigkeit von der Wellenlänge der ersten Harmonischen λ_f festgelegt, um die Quasi-Phasenanpassungsbedingung Λ = m×λ_f/{2×(N2ω-Nω)} zu erfüllen. Da der Konversions-Wirkungsgrad der ersten Harmonischen in die zweiten Harmonischen maximal wird, wenn m=1 erfüllt ist, ist es zu bevorzugen, daß die regelmäßigen Abstände Λ im Bereich von 3 μm bis 5 μm liegen, um blaues Licht zu erzielen, das eine Wellenlänge hat, die als die zweiten Harmonischen fast im Bereich von 400 bis 500 nm liegen.
Außerdem wird bei dieser Anordnung der reine LiTaO₃-Kristall als eine ferroelektrische Substanz angewandt. Es ist jedoch auch ein mit MgO, Nb oder Nd dotierter LiTaO₃-Kristall anwendbar. Zusätzlich ist ein reiner LiNbO₃-Kristall oder ein mit MgO, Ta oder Nd dotierter LiNbO₃-Kristall anwendbar. Ein mit Nb dotierter LiTaO₃-Kristall hat zum Beispiel eine hohe nichtlineare optische Konstante und hervorragende Foto-Widerstandseigenschaften. Außerdem haben ein mit MgO dotierter LiTaO₃-Kristall bzw. ein mit MgO dotierter LiNbO₃-Kristall hervorragende Foto-Widerstandseigenschaften.
Überdies wird die Infrarotstrahlungs-Heizvorrichtung angewandt, um die Protonenaustauschschicht 38 thermisch zu bearbeiten. Eine Heizvorrichtung zur schnellen Erwärmung der Protonenaustauschschicht 38 gemäß dem schnellen Thermo-Temperverfahren ist jedoch nicht auf die Infrarot strahlungs-Heizvorrichtung beschränkt. Zur schnellen Erwärmung der Protonenaustauschschicht 38 ist zum Beispiel eine Blitzlampen-Heizeinrichtung oder eine CO₂-Laser-Heizeinrichtung nutzbar.
Außerdem wird bei dieser Anordnung die verdünnte Pyrophosphorsäurelösung angewandt, um die Protonenaustauschschicht 38 auszubilden. Anstelle der verdünnten Pyrophosphorsäurelösung ist jedoch auch eine verdünnte Phosphorsäurelösung anwendbar, die durch Mischen von Phosphorsäure wie zum Beispiel Orthophosphorsäure (H₂PO₄) mit dem Lithiumphosphat hergestellt wird.
Überdies wird die Pyrophosphorsäurelösung bei dieser Anordnung mittels Lithiumphosphat verdünnt, um die verdünnte Pyrophosphorsäurelösung auszubilden. Das Verdünnungsmittel ist jedoch nicht auf das Lithiumphosphat beschränkt. Das heißt, es ist jede Base, die Lithium enthält, wie zum Beispiel Benzoelithium (LiCH₃COOH), als Verdünnungsmittel nutzbar.
Außerdem wird bei dieser Anordnung die Ta-Schicht 36 angewandt, um die Li⁺-Ionen des LiTaO₃-Substrats 32 vor dem Austausch gegen die H⁺-Ionen zu schützen. Anstelle der Ta-Schicht 36 ist jedoch auch eine Schicht wie zum Beispiel eine Ta₂O₅-Schicht, eine Pt-Schicht, eine Au-Schicht, eine W-Schicht, eine Ti-Schicht oder eine Ag-Schicht anwendbar, welche die Eigenschaft der Säurebeständigkeit aufweist.
Überdies wird der Protonenaustausch-Lichtwellenleiter 34 durch den Austausch von Li⁺-Ionen der Umkehrpolarisations- und Nicht-Umkehrpolarisationsschichten 33, 35 gegen H⁺-Ionen ausgebildet. Anstelle des Lichtwellenleiters 34 ist jedoch auch ein Lichtwellenleiter mit verteiltem Ti, ein Lichtwellenleiter mit verteiltem Nb oder ein Ioneninjektions-Lichtwellenleiter anwendbar.
Außerdem wird bei dieser Anordnung die Ta-Maske 40 genutzt, um die Li⁺-Ionen des LiTaO₃-Substrats 32 vor dem Austausch gegen H⁺-Ionen zu schützen. Anstelle der Ta-Maske 40 ist jedoch auch eine Schicht wie zum Beispiel eine Ta₂O₅-Schicht, eine Pt-Schicht, eine Au-Schicht oder eine W-Schicht anwendbar, welche die Eigenschaft der Säurebeständigkeit aufweist.
Überdies wird bei dieser Anordnung die Pyrophosphorsäurelösung angewandt, um den Lichtwellenleiter 34 auszubilden. Die Säurelösung ist jedoch nicht auf die Pyrophosphorsäurelösung beschränkt. Anstelle der Pyrophosphorsäurelösung ist die Orthophosphorsäurelösung (H₂PO₄) anwendbar.
Außerdem wird das Herstellungsverfahren der Umkehrpolarisationsschichten 33 bei dem Herstellungsverfahren der optischen Wellenlängenkonversionseinrichtung 31 angewandt. Das Herstellungsverfahren der Umkehrpolarisationsschichten 33 kann jedoch auch bei einem Lichtschalter oder einem Gitter ausgenutzt werden, bei welchem ein elektro-optischer Effekt genutzt wird. Außerdem kann das Herstellungsverfahren der Umkehrpolarisationsschichten 33 auch bei einer Oberflächenwellen-Einrichtung angewandt werden, bei welcher ein piezoelektrischer Effekt ausgenutzt wird.
Im folgenden wird eine optische Wellenlängenkonversionseinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben, bei welcher eine Oberflächenebene nicht parallel zur -C-Kristallachsenrichtung ist. Dieses Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird hierin als das zweite Ausführungsbeispiel beschrieben, obgleich es kein erstes Ausführungsbeispiel gibt.
14 ist eine Schrägansicht einer optischen Wellenlängenkonversionseinrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Wie in 14 gezeigt ist, weist eine optische Wellenlängenkonversionseinrichtung 41 ein LiTaO₃-Substrat 42 mit einer Oberflächenebene, die nicht parallel zu der C-Kristallachsenrichtung ist, eine Vielzahl von Umkehrpolarisationsschichten 43, die regelmäßig wiederkehrend in einem Oberflächenbereich des LiTaO₃-Substrats 42 in regelmäßigen Abständen Λ (1 ≤ Λ ≤ 20 μm) angeordnet sind, und einen Lichtwellenleiter 44 auf, der in einem mittleren Oberflächenbereich des LiTaO₃-Substrats 42 derart angeordnet ist, daß er abwechselnde Reihen der Umkehrpolarisationsschichten 43 und der Nicht-Umkehrpolarisationsschichten 45 im rechten Winkel kreuzt.
Wie in 15 gezeigt ist, wird das LiTaO₃-Substrat 42 durch Schneiden des LiTaO₃-Kristalls entlang einer besonderen Ebene ausgebildet, die in einem Winkel von 90-θ (60 ≤ θ ≤ 85 Grad) Grad zu der C-Kristallachse in Richtung auf die X-Kristallachse geneigt ist, und eine Richtung einer Linie L_N senkrecht zur Oberfläche des LiTaO₃-Substrats 42 ist in Richtung auf eine mittlere Richtung zwischen der -X-Kristallachsenrichtung und der -C-Kristallachsenrichtung gerichtet. Außerdem ist die spontane Polarisation Ps des LiTaO₃-Substrats 41 in +C-Kristallachsenrichtung gerichtet.
Eine Ausdehnungsrichtung D_E jeder Umkehrpolarisationsschicht 43 ist im Winkel von 90-θ Grad zur -C-Kristallachsenrichtung in Richtung auf die +X-Kristallachsenrichtung geneigt, und die Umkehrpolarisationsschichten 43 sind hintereinander entlang der Y-Kristallachse angeordnet. Eine Breite W jeder Umkehrpolarisationsschicht 43 beträgt W=Λ/2. Außerdem ist die Umkehrpolarisation der Umkehrpolarisationsschichten 43 in -C-Kristallachsenrichtung entgegengesetzt der Richtung der spontanen Polarisation Ps gerichtet.
Ein Brechungsindex des Lichtwellenleiters 44 ist höher als der des LiTaO₃-Substrats 42, um das kohärente Licht einzugrenzen.
Bei der vorhergehend genannten Bauform wird das aus ersten Harmonischen bestehende kohärente Licht auf eine Einfallsendfacette 44a des Lichtwellenleiters 44 gestrahlt, und das kohärente Licht wird durch abwechselnde Reihen der Umkehrpolarisationsschichten 43 und der Nicht-Umkehrpolarisationsschichten 45 übertragen. Danach werden die ersten Harmonischen in dem Lichtwellenleiter 44 in zweite Harmonische umgewandelt, und die umgewandelten zweiten Harmonischen werden aus einer Ausgabeendfacette 44b des Lichtwellenleiters abgestrahlt.
Als nächstes wird ein Herstellungsverfahren der optischen Wellenlängenkonversionseinrichtung 41 beschrieben.
16A, 16B sind Schnittansichten des LiTaO₃-Substrats 42, die ein Herstellungsverfahren der Umkehrpolarisationsschichten 43 zeigen.
Die auf dem LiTaO₃-Substrat 42 abgelagerte Ta-Schicht wird mit Hilfe von Lithografie und Trockenätzen auf die gleiche Weise wie beim ersten Ausführungsbeispiel mit einem Muster versehen. Danach wird das LiTaO₃-Substrat 42 bei einer Temperatur von 260°C für zwanzig Minuten in die verdünnte Pyrophosphorsäurelösung getaucht, um auf dem nicht mit der in einem Muster ausgebildeten Ta-Schicht abgedeckten LiTaO₃-Substrat 42 eine Vielzahl von regelmäßig wiederkehrenden Protonenaustauschschichten 46 auszubilden, wie in 16A gezeigt ist.
Danach wird das LiTaO₃-Substrat 42 mit den Protonenaustauschschichten 46 gemäß dem Schnell-Thermotemperverfahren mit einer Anstiegsgeschwindigkeit von 50 °C/Sekunde mittels Abstrahlung infraroter Strahlung auf das LiTaO₃-Substrat 42 mit Hilfe der Infrarotstrahlungs-Heizeinrichtung erwärmt. Danach werden die Protonenaustauschschichten 46 bei einer Temperatur im Bereich von 500°C bis 600°C für dreißig Sekunden thermisch bearbeitet, um die in den Protonenaustauschschichten 46 vorhandenen H⁺-Ionen in dem LiTaO₃-Substrat 42 zu verteilen. Somit werden die Umkehrpolarisationsschichten 43 in dem Oberflächenbereich des LiTaO₃-Substrats 42 ausgebildet, wie in 16B gezeigt ist.
Der Grund, warum die Umkehrpolarisationsschichten 43 ausgebildet werden, wird mit Bezug auf 17 beschrieben.
Wie in 17 gezeigt ist, werden die Li⁺-Ionen des LiTaO₃-Substrats 42 in einer Protonenaustauschschicht 36 verteilt und die H⁺-Ionen der Protonenaustauschschicht 36 werden in dem LiTaO₃-Substrat 42 verteilt, wenn das LiTaO₃-Substrat 42 thermisch erwärmt wird. Zu diesem Zeitpunkt wird in einem Grenzbereich zwischen dem LiTaO₃-Substrat 42 und der Protonenaustauschschicht 36 ein inneres elektrisches Feld E₇ induziert, da die Diffusionsgeschwindigkeit der H⁺-Ionen schneller als die der Li⁺-Ionen ist. Das innere elektrische Feld E₇ ist parallel zu der senkrechten Linie L_N von dem LiTaO₃-Substrat 42 zu der Protonenaustauschschicht 36 gerichtet. Da in diesem Fall die Richtung der senkrechten Linie L_N in einem Winkel von θ Grad zur -C-Kristallachsenrichtung geneigt ist, wird eine Intensität einer in -C-Kristallachsenrichtung gerichteten elektrischen Feldkomponente des inneren elektrischen Felds E₇ mit E×cosθ bezeichnet, wobei das Symbol E eine Intensität des inneren elektrischen Felds E₇ bezeichnet. Außerdem ist die spontane Polarisation Ps des LiTaO₃-Substrats 42 in +C-Kristallachsenrichtung gerichtet. Im Ergebnis dessen wird im wesentlichen ein elektrisches Feld E_c induziert, das in eine Richtung umgekehrt zur Richtung der spontanen Polarisation Ps gerichtet ist, und die Intensität des elektrischen Felds E_c ist E×cosθ. Deshalb wird in dem Grenzbereich zwischen dem LiTaO₃-Substrat 42 und der Protonenaustauschschicht 46 ein Umkehrpolarisationskern 47 ausgebildet. Danach wächst der Umkehrpolarisationskern 47 in Richtung auf das LiTaO₃-Substrat 42, wenn die thermische Bearbeitung der Protonenaustauschschicht 46 fortgesetzt wird, und die Umkehrpolarisationsschichten 43 werden ausgebildet.
18 zeigt auf grafische Weise eine Beziehung zwischen dem Neigungswinkel θ und der Tiefe der Umkehrpolarisationsschicht 43.
Wie in 18 gezeigt ist, werden in Fällen, in welchen die regelmäßigen Abstände der Umkehrpolarisationsschichten 43 Λ=10 μm betragen, die Umkehrpolarisationsschichten 43 ausgebildet, wenn der Neigungswinkel θ im Bereich von 0 Grad bis 89 Grad liegt, und die Beziehung zwischen dem Neigungswinkel θ und der Tiefe der Umkehrpolarisationsschicht 43 wird gemessen. Die Tiefe der Umkehrpolarisationsschichten beim Neigungswinkel θ=0 ist äquivalent der bei der herkömmlichen optischen Wellenlängenkonversionseinrichtung 18. In Fällen, in welchen der Neigungswinkel θ geringer als 30 Grad ist, wird die Tiefe der Umkehrpolarisationsschichten 43 geringer, wenn der Neigungswinkel θ geringer ist. Der Grund besteht darin, daß die Diffusionsgeschwindigkeit der H⁺-Ionen in der C-Kristallachse in einem Verhältnis 1/1,5 geringer als die der H⁺-Ionen in anderen Kristallachsen ist. Außerdem werden die Umkehrpolarisationsschichten 43 in den Fällen einheitlich ausgebildet, in welchen der Neigungswinkel θ auf einen Bereich von 60 Grad bis 85 Grad eingestellt ist.
19A, 19B sind Schnittansichten der Umkehrpolarisationsschichten 43, welche in 19A die regelmäßig wiederkehrenden Umkehrpolarisationsschichten 43 zeigen und in 19B die miteinander verbundenen Umkehrpolarisationsschichten 43 zeigen.
Die Ausbildung der Umkehrpolarisationsschichten 43 wird durch Fortsetzung der thermischen Bearbeitung unter der Bedingung ausgeführt, daß die regelmäßigen Abstände der in einem Muster ausgebildeten Ta-Schichten 47 Λ=10 μm betragen. Wie in 19A gezeigt ist, werden die Umkehrpolarisationsschichten 43 in den Fällen regelmäßig wiederkehrend angeordnet ausgebildet, wenn die thermische Bearbeitung der Protonenaustauschschicht 46 für zehn Sekunden bei einer Temperatur von 540°C fortgesetzt wird. In den Fällen, in welchen die thermische Bearbeitung der Protonenaustauschschicht 46 für sechzig Sekunden bei einer Temperatur von 540°C fortgesetzt wird, werden die ausgebildeten Umkehrpolarisationsschichten 43 jedoch miteinander verbunden, wie in 19B gezeigt ist, da sich die Umkehrpolarisationsschichten 43 in horizontaler Richtung ausbreiten, wenn die thermische Bearbeitung fortgesetzt wird.
Außerdem werden die Umkehrpolarisationsschichten 43 auch in Fällen ausgebildet, in welchen das LiTaO₃-Substrat 42 mit der Protonenaustauschschicht 46 auf die selbe Weise wie bei dem herkömmlichen Herstellungsverfahren bei einer Anstiegsgeschwindigkeit von ungefähr 1°C/Sekunde in einem Ofen erwärmt wird, bevor die thermische Bearbeitung der Protonenaustauschschicht 46 in einem Temperaturbereich von 450°C bis zur einer Curie-Temperatur von 604°C des LiTaO₃-Substrats 42 fortgesetzt wird. Die Einheitlichkeit der Umkehrpolarisationsschichten 43 wird jedoch beträchtlich verschlechtert. Außerdem betragen verschiedene Tiefen der Umkehrpolarisationsschichten 43 weniger als 1 μm. Der Grund, warum die Tiefen der Umkehrpolarisationsschichten 43 so flach sind, besteht in folgender Tatsache. Da das LiTaO₃-Substrat 42 mit der Protonenaustauschschicht 46 bei einer Anstiegsgeschwindigkeit von 1°C/Sekunde allmählich erwärmt wird, vergrößert sich die Protonenaustauschschicht 46 zu sehr, bis die Protonenaustauschschicht 46 auf die Temperatur von 450°C erwärmt ist. Deshalb wird die Dichte der verteilten H⁺-Ionen verringert, und die Intensität des induzierten elektrischen Felds wird herabgesetzt. Demgemäß werden die Tiefen der Umkehrpolarisationsschichten 43 flach.
Im Ergebnis verschiedener Experimente können die regelmäßig wiederkehrend angeordneten Umkehrpolarisationsschichten 43 unter der Bedingung ausgebildet werden, daß die Anstiegsrate des LiTaO₃-Substrats 42 mit der Protonenaustauschschicht 46 gleich 10 °C/Sekunde ist oder mehr als 10 °C/Sekunde beträgt und die thermische Bearbeitung der Protonenaustauschschicht innerhalb von sechzig Sekunden beendet wird.
Da sich die Umkehrpolarisationsschichten 43 in horizontaler Richtung ausbreiten, wenn die thermische Bearbeitung fortgesetzt wird, wird die Breite W der Umkehrpolarisationsschichten 43 auf 10 μm oder weniger begrenzt, um die Umkehrpolarisationsschichten 43 einheitlich auszubilden.
Zum Beispiel befindet sich der Neigungswinkel θ in einem Bereich von 60 Grad bis 85 Grad, die regelmäßigen Abstände der Umkehrpolarisationsschichten 43 sind auf Λ=4 μm eingestellt, das LiTaO₃-Substrat 42 wird bei einer Temperatur von 260°C für zehn Minuten in die verdünnte Pyrophosphorsäurelösung getaucht, um die Protonenaustauschschicht 46 auszubilden, und die thermische Bearbeitung der Protonenaustauschschicht 46 wird bei einer Temperatur von 540°C für zehn Sekunden fortgesetzt. In diesem Fall erreicht die Tiefe der regelmäßig wiederkehrend angeordneten Umkehrpolarisationsschichten 43 2,8 μm. Die gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel erzielte Tiefe von 2,8-μm ist ungefähr 1,4mal größer als die beim herkömmlichen Herstellungsverfahren.
Danach wird der Lichtwellenleiter 44 auf dieselbe Weise wie bei dem Referenzbeispiel in dem LiTaO₃-Substrat 42 mit den Umkehrpolarisationsschichten 43 ausgebildet.
Da demgemäß eine Tiefenrichtung der Umkehrpolarisationsschichten 43 in Richtung der Mitte zwischen der +X-Kristallachsenrichtung und der C-Kristallachsenrichtung gerichtet ist, kann das Wachsen der Umkehrpolarisationsschichten 43 in Tiefenrichtung gesteigert werden. Selbst wenn die regelmäßigen Abstände Λ der Umkehrpolarisationsschichten 43 verkürzt werden, können somit die Umkehrpolarisationsschichten 43 vertieft werden, ohne die Umkehrpolarisationsschichten 43 miteinander zu verbinden. Im Ergebnis kann das aus ersten Harmonischen bestehende kohärente Licht auf effektive Weise in zweite Harmonische umgewandelt werden, da ein Verhältnis der nicht durch die Umkehrpolarisationsschichten 43 übertragenen ersten Harmonischen verringert wird.
Da außerdem die Protonenaustauschschichten 46 schnell erwärmt werden und mit Hilfe der Infraroterwärmung thermisch bearbeitet werden, können die regelmäßig wiederkehrend angeordneten Umkehrpolarisationsschichten 43 mit hoher Geschwindigkeit ausgebildet werden, ohne die Umkehrpolarisationsschichten 43 miteinander zu verbinden.
Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel ist die Senkrechte L_N der Oberfläche des LiTaO₃-Substrats 42 senkrecht zur Y-Kristallachse. Das zweite Ausführungsbeispiel ist jedoch nicht auf die zur Y-Kristallachse senkrechte Normale L_N eingeschränkt. Es ist möglich, daß die Oberfläche des LiTaO₃-Substrats 42 eine beliebige Normale hat, deren Ausdehnungsrichtung in einem Winkel von 9 Grad zur -C-Kristallachsenrichtung in Richtung auf die X-Y-Kristallebene geneigt ist, die als (001)-Kristallebene in Millerschen Indizes definiert ist.
Außerdem ist die Ausdehnungsrichtung D_E der Umkehrpolarisationsschicht 43 parallel zur X-C-Kristallebene, die als (010)-Kristallebene in Millerschen Indizes definiert ist. Wie in 20 gezeigt ist, ist es jedoch möglich, daß die Ausdehnungsrichtung D_E der Umkehrpolarisationsschicht 43 ferner in einem Winkel von α Grad (6 ≤ α ≤ 174 Grad) zur X-C-Kristallebene in Richtung auf die +Y-Kristallachsenrichtung oder die -Y-Kristallachsenrichtung gemäß dem im ersten Ausführungsbeispiel beschriebenen Konzept der vorliegenden Erfindung.
Überdies wird bei dem zweiten Ausführungsbeispiel der reine LiTaO₃-Kristall als eine ferroelektrische Substanz angewandt. Es ist jedoch auch ein mit MgO, Nb oder Nd dotierter LiTaO₃-Kristall nutzbar. Zusätzlich ist ein reiner LiNbO₃-Kristall oder ein mit MgO, Ta oder Nd dotierter LiNbO₃-Kristall anwendbar.
Zur thermischen Bearbeitung der Protonenaustauschschicht 46 wird die Infrarotstrahlungs-Heizeinrichtung benutzt. Eine Heizeinrichtung zur schnellen Erwärmung der Protonenaustauschschicht 46 gemäß dem Schnell-Thermotemperverfahren ist jedoch nicht auf die Infrarotstrahlungs-Heizeinrichtung beschränkt. So sind beispielsweise eine Blitzlampen-Heizeinrichtung oder eine CO₂-Laser-Heizeinrichtung anwendbar, um die Protonenaustauschschicht 46 schnell zu erwärmen.
Außerdem wird bei dem zweiten Ausführungsbeispiel die verdünnte Pyrophosphorsäurelösung angewandt, um die Protonenaustauschschicht 46 auszubilden. Anstelle der verdünnten Pyrophosphorsäurelösung ist jedoch auch eine verdünnte Phosphorsäurelösung anwendbar, die durch Mischen von Phosphorsäure wie zum Beispiel Orthophosphorsäure (H₂PO₄) mit dem Lithiumphosphat hergestellt wird.
Überdies wird die Pyrophosphorsäurelösung bei dem zweiten Ausführungsbeispiel mittels Lithiumphosphat verdünnt, um die verdünnte Pyrophosphorsäurelösung auszubilden. Das Ver dünnungsmittel ist jedoch nicht auf das Lithiumphosphat beschränkt. Das heißt, es ist jede Base, die Lithium enthält, wie zum Beispiel Benzoelithium (LiCH₃COOH), als Verdünnungsmittel nutzbar.
Außerdem wird bei dem zweiten Ausführungsbeispiel die Ta-Schicht 47 angewandt, um die Li⁺-Ionen des LiTaO₃-Substrats 42 vor dem Austausch gegen die H⁺-Ionen zu schützen. Anstelle der Ta-Schicht 47 ist jedoch auch eine Schicht wie zum Beispiel eine Ta₂O₅-Schicht, eine Pt-Schicht, eine Au-Schicht oder eine W-Schicht anwendbar, welche die Eigenschaft der Säurebeständigkeit hat.
Überdies wird der Protonenaustausch-Lichtwellenleiter 44 durch den Austausch von Li⁺-Ionen der Umkehrpolarisations- und Nicht-Umkehrpolarisationsschichten 43, 45 gegen H⁺-Ionen ausgebildet. Anstelle des Lichtwellenleiters 44 ist jedoch auch ein Lichtwellenleiter mit verteiltem Ti, ein Lichtwellenleiter mit verteiltem Nb oder ein Ioneninjektions-Lichtwellenleiter anwendbar.
(Drittes Ausführungsbeispiel)
Zu Beginn wird der Grund beschrieben, warum sich ein Lichtwellenleiter entlang der Y-Kristallachse erstreckt, um in einer optischen Wellenlängenkonversionseinrichtung mit einem hohen Wirkungsgrad erste Harmonische in zweite Harmonische umzuwandeln.
1. Polarisationsrichtung von durch einen Lichtwellenleiter übertragenem kohärenten Licht
Ein hoch-nichtlinearer Kristall wie zum Beispiel LiTaO₃ hat im allgemeinen eine hohe nichtlineare optische Konstante C₃₃ in einer d₃₃-Richtung, welche die +C-Kristallachsenrichtung des Kristalls bezeichnet. Die optische Konstante C₃₃ bezeichnet eine nichtlineare Inversionskonstante, mit welcher ein Konversions-Wirkungsgrad der ersten Harmonischen, deren elektrisches Feld in die C-Kristallachsenrichtung gerichtet ist, in zweite Harmonische bestimmt wird, deren elektrisches Feld in die gleiche Richtung gerichtet ist. Somit wird der Konversions-Wirkungsgrad in den Fällen maximiert, in welchen die ersten Harmonischen des durch den Lichtwellenleiter übertragenen kohärenten Lichts ein elektrisches Feld haben, das in C-Kristallachsenrichtung gerichtet ist. Demgemäß ist es erforderlich, daß das durch den Lichtwellenleiter übertragene kohärente Licht ein in C-Kristallachsenrichtung des Kristalls gerichtetes elektrisches Feld hat.
2. Begrenzung des kohärenten Lichts in einem Lichtwellenleiter
Bin Brechungsindex eines Lichtwellenleiters mit ausgetauschten Protonen ändert sich relativ zu einem nichtlinearen optischen Kristallsubstrat in anisotroper Weise. Deshalb wird das kohärente Licht, dessen elektrisches Feld in die C-Kristallachsenrichtung des Substrats gerichtet ist, streng in dem Lichtwellenleiter eingegrenzt. Zur strengen Eingrenzung des kohärenten Lichts in dem Lichtwellenleiter ist es demgemäß erforderlich, daß das durch den Lichtwellenleiter übertragene kohärente Licht ein elektrisches Feld hat, das in C-Kristallachsenrichtung des Substrats gerichtet ist.
3. Kopplung eines Halbleiterlasers mit der optischen Wellenlängenkonversionseinrichtung 31 oder 41 mit einem hohen Wirkungsgrad
Da das von einem Halbleiterlaser abgestrahlte kohärente Licht im transversal-elektrischen Modus (TE-Modus) polarisiert ist, um einen Schwingungs-Wirkungsgrad des kohärenten Lichts zu steigern, ist ein durch das kohärente Licht induziertes elektrisches Feld in eine Seitenrichtung des Halbleiterlasers gerichtet, wie in 21A gezeigt ist. Außerdem wird das elektrische Feld in einer elliptischen Form verteilt. Eine Hauptachse der Verteilung des elektrischen Felds ist in seitliche Richtung gerichtet und eine Nebenachse der Verteilung des elektrischen Felds ist in vertikale Richtung gerichtet. Um den Halbleiterlaser mit einem hohen Wirkungsgrad mit einer optischen Wellenlängenkonversionseinrichtung zu koppeln, ist es nicht nur erforderlich, daß das elektrische Feld in die C-Kristallachsenrichtung des Substrats gerichtet ist, sondern auch, daß die Hauptachse der Verteilung des elektrischen Felds parallel zu einer Hauptseite einer Einfallsendfacette ist, die in rechtwinkliger Form ausgebildet ist. Wenn zum Beispiel die Hauptachse der Verteilung des elektrischen Felds nicht parallel zur Hauptseite der Einfallsendfacette gerichtet ist, wird die Intensität des durch einen Lichtwellenleiter der Einrichtung übertragenen kohärenten Lichts beträchtlich reduziert, so daß die Intensität der in dem Lichtwellenleiter umgewandelten zweiten Harmonischen beträchtlich reduziert wird, selbst das elektrische Feld in Richtung der C-Kristallachse des Substrats gerichtet ist.
Somit ist es in Fällen, in welchen keine Polarisationseinrichtung zur Änderung der Polarisationsrichtung des im TE-Modus polarisierten elektrischen Felds angewandt wird, erforderlich, daß das im TE-Modus polarisierte kohärente Licht durch einen Lichtwellenleiter der Einrichtung übertragen wird, wie in 21B gezeigt ist.
Demgemäß erstreckt sich der Lichtwellenleiter 34 (oder 44) entlang der Y-Kristallachse, wie in 5, 14 gezeigt ist, um die abwechselnden Reihen der Umkehrpolarisationsschichten 33 (oder 43) und die Nicht-Umkehrpolarisationsschichten 35 (oder 45) in einer Richtung senkrecht zur C-Kristallachse anzuordnen, so daß das kohärente Licht im TE-Modus durch die abwechselnden Reihen des Lichtwellenleiters 34 (oder 44) übertragen werden kann.
Als nächstes werden bevorzugte Ausführungsbeispiele einer Vorrichtung zur Erzeugung kohärenten Lichts kürzerer Wellenlänge mit der optischen Wellenlängenkonversionseinrichtung 31 oder 41 gemäß der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
22 ist eine Aufbauansicht einer Vorrichtung zur Erzeugung kohärenten Lichts kürzerer Wellenlänge gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel.
Wie in 22 gezeigt ist, weist eine Vorrichtung 51 zur Erzeugung kohärenten Lichts kürzerer Wellenlänge einen Halbleiterlaser 52 zur Abstrahlung kohärenten Lichts, das aus ersten Harmonischen von 870 nm Wellenlänge besteht, ein Kohärentlicht-Sammelsystem 53 zum Sammeln des kohärenten Lichts ohne Anwendung einer Polarisationseinrichtung, und die optische Wellenlängenkonversionseinrichtung 31 zur Umwandlung der ersten Harmonischen des kohärenten Lichts in zweite Harmonische von 435 nm Wellenlänge auf.
Bei der vorhergehend genannten Bauform wird das aus dem Halbleiterlaser 52 abgestrahlte kohärente Licht mittels des Kohärentlicht-Sammelsystems 53 an der Einfallsendfacette 34a des Lichtwellenleiters 34 gesammelt. In diesem Fall trifft das im TE-Modus polarisierte Licht ohne Änderung in einen anderen Modus auf den Lichtwellenleiter 34. Da das im TE-Modus polarisierte Licht durch den Lichtwellenleiter 34 übertragen werden kann, wird der Halbleiterlaser 52 mit einem hohen Kopplungs-Wirkungsgrad mit der Einrichtung gekoppelt, so daß das im TE-Modus polarisierte kohärente Licht in dem Lichtwellenleiter 34 mit einem hohen Umwandlungs-Wirkungsgrad in zweite Harmonische umgewandelt werden kann. Das heißt, das durch das kohärente Licht induzierte elektrische Feld ist in C-Kristallachsenrichtung gerichtet, während das kohärente Licht durch den Lichtwellenleiter 34 übertragen wird. Wenn von dem Halbleiterlaser 52 das kohärente Licht mit einer Ausgangsleistung von 70 mW abgestrahlt wird, weist das durch den Lichtwellenleiter 34 übertragene kohärente Licht eine Ausgangsleistung von 42 mW auf. Somit beträgt der Kopplungs-Wirkungsgrad 60%. Bei der in 4 gezeigten herkömmlichen Einrichtung 18 beträgt der Kopplungs-Wirkungsgrad nicht mehr als 45%, da es erforderlich ist, daß das im TE-Modus polarisierte kohärente Licht im Polarisator 24 in dem TM-Modus umgewandelt wird. Die aus der Ausgabeendfacette 34b des Lichtwellenleiters 34 ausgegebene Ausgangsleistung beträgt 3 mW.
Da bei dem Kohärentlicht-Sammelsystem 53 kein Polarisator erforderlich ist, kann der Aufbau der Vorrichtung 51 zur Erzeugung kohärenten Lichts kürzerer Wellenlänge vereinfacht werden. Außerdem kann die Ausgangsleistung der zweiten Harmonischen erhöht werden, da der Kopplungs-Wirkungsgrad gesteigert wird.
23 ist eine Zustandsansicht einer Vorrichtung zur Erzeugung kohärenten Lichts kürzerer Wellenlänge gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel.
Wie in 23 gezeigt ist, weist die Vorrichtung 61 zur Erzeugung kohärenten Lichts kürzerer Wellenlänge die optische Wellenlängenkonversionseinrichtung 31 und einen Halbleiterlaser 62 auf, der direkt an der Eingangsendfacette 34a des Lichtwellenleiters 34 angebracht ist, um aus ersten Harmonischen von 860 nm Wellenlänge bestehendes kohärentes Licht abzustrahlen.
Da sich das vom Halbleiterlaser 62 abgestrahlte kohärente Licht bei der vorhergehend genannten Bauform im TE-Modus befindet, ist die Richtung des durch das kohärente Licht induzierten elektrischen Felds parallel zur C-Kristallachse. Außerdem ist eine Hauptachse einer Verteilung des elektrischen Felds in eine Hauptseite der Einfallsendfacette 34a gerichtet.
Somit beträgt in Fällen, in welchen das kohärente Licht, das eine Wellenlänge von 860 nm hat, von dem Halbleiterlaser 62 mit einer Ausgangsleistung von 70 mW abgestrahlt wird, eine Ausgangsleistung des durch den Lichtwellenleiter 34 übertragenen kohärenten Licht 35 mW. Somit beträgt ein Kopplungs-Wirkungsgrad 50%. Bei der herkömmlichen Einrichtung 21 beträgt der Kopplungs-Wirkungsgrad 10% oder weniger. Somit wird der Kopplungs-Wirkungsgrad stark verbessert. Außerdem beträgt eine Ausgangsleistung der zweiten Harmonischen 2 mW.
Demgemäß kann das kohärente Licht mit einem hohen Kopplungs-Wirkungsgrad durch den Lichtwellenleiter 34 übertragen werden. Da zwischen dem Halbleiterlaser 62 und der Einrichtung 31 kein optisches System angeordnet ist, kann das von dem Halbleiterlaser 62 abgestrahlte Licht auf effiziente Weise in die Einfallsendfacette 34a eingestrahlt werden. Außerdem kann der Aufbau der Vorrichtung 61 zur Erzeugung kohärenten Lichts kürzerer Wellenlänge vereinfacht werden, da kein optisches System zwischengeordnet ist.
Deshalb kann in Fällen, in welchen die Vorrichtung 61 als eine Lichtquelle kürzerer Wellenlänge für eine optische Speicherplatte oder einen Laserdrucker angewandt wird, die Speicherkapazität für auf die optische Platte geschriebene Information stark vergrößert werden. Überdies kann der Laserdrucker in kleiner Größe hergestellt werden.
24 ist eine Zustandsansicht einer Vorrichtung zur Erzeugung kohärenten Lichts kürzerer Wellenlänge gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel.
Wie in 24 gezeigt ist, weist eine Vorrichtung 71 zur Erzeugung kohärenten Lichts kürzerer Wellenlänge die optische Wellenlängenkonversionseinrichtung 41 und einen Halbleiterlaser 72 auf, der an der Eingangsendfacette 44a des Lichtwellenleiters 44 angebracht ist, um aus ersten Harmonischen bestehendes kohärentes Licht abzustrahlen.
Der LiTaO₃-Kristall hat eine nichtlineare optische Konstante C₃₃ in der d₃₃-Richtung. Da jedoch die Normale L_N der Einrichtung 41 in einem Winkel von θ Grad zur -C-Kristallachsenrichtung geneigt ist, ist eine nichtlineare optische Konstante C_EFF gleich C₃₃×sin(θ), die auf effektive Weise der Übertragung des kohärenten Lichts durch den Lichtwellenleiter 44 dient. Obgleich eine Differenz im Brechungsindex zwischen dem Lichtwellenleiter 44 und dem LiTaO₃-Substrat 42 Δn beträgt, ist auch eine Brechungsindex-Differenz gleich Δn×sin(θ), die in effektiver Weise zur Übertragung des kohärenten Lichts durch den Lichtwellenleiter 44 dient. Wenn der Neigungswinkel θ 90 Grad beträgt, werden deshalb die effektive nichtlineare optische Konstante C_EFF×C₃₃×sin(θ) und die effektive Brechungsindex-Differenz Δn×sin(θ) gemeinsam maximiert.
Im Ergebnis ändert sich der Konversions-Wirkungsgrad der ersten Harmonischen in die zweiten Harmonischen proportional zu sin²(θ), wie in 25 gezeigt ist. In Fällen, in welchen es erforderlich ist, daß der Konversions-Wirkungsgrad 75% des maximalen Konversions-Wirkungsgrads (θ=90 Grad) oder mehr beträgt, ist es erforderlich, daß der Neigungswinkel θ auf 60 Grad oder mehr eingestellt ist. Außerdem können in Fällen, in welchen der Neigungswinkel θ mehr als 85 Grad beträgt, keine Umkehrpolarisationsschichten 43 ausgebildet werden. Somit ist der Neigungswinkel θ auf einen Bereich von 60 Grad ≤ θ ≤ 85 Grad eingegrenzt.
Bei der vorhergehend genannten Bauform wird das vom Halbleiterlaser 72 abgestrahlte kohärente Licht durch den Lichtwellenleiter 44 übertragen, während die Polarisation des kohärenten Lichts im TE-Modus verbleibt. Deshalb wird das mittels des kohärenten Lichts induzierte elektrische Feld in C-Kristallachsenrichtung des Lichtwellenleiters 44 gerichtet. Danach werden die ersten Harmonischen des kohärenten Lichts mit einem Konversions-Wirkungsgrad von 75% oder mehr in zweite Harmonische umgewandelt, und die zweiten Harmonischen werden aus der Ausgangsendfacette 44b des Lichtwellenleiters 44 ausgegeben.
Da demgemäß kein optisches System zur Änderung des Modus des kohärenten Lichts und zur Sammlung des kohärenten Lichts erforderlich ist, kann die Vorrichtung 71 zur Erzeugung kohärenten Lichts kürzerer Wellenlänge vereinfacht werden. Da außerdem der Neigungswinkel θ auf den Bereich 60 Grad ≤ θ ≤ 85 Grad beschränkt ist, können die ersten Harmonischen mit einem hohen Konversions-Wirkungsgrad in zweite Harmonische umgewandelt werden.
Es wird eine Vorrichtung zur Erzeugung kohärenten Lichts kürzerer Wellenlänge beschrieben, in welcher erste Harmonische auf stabile Weise umgewandelt werden und eine Ausgangsleistung der umgewandelten zweiten Harmonischen stabilisiert wird.
Eine schwankende Wellenlänge des von einem Halbleiterlaser abgestrahlten kohärenten Lichts schwankt, da sich ein dem Halbleiterlaser zugeführter Injektionsstrom oder die Umgebungstemperatur ändert. Der Einfluß der Umgebungstemperatur auf die schwankende Wellenlänge beträgt zum Beispiel 0,2 bis 0,3 nm/°C. Da die Schwankung der schwankenden Wellenlänge innerhalb einer Änderung eines Schwingmodus in dem Halbleiterlaser auftritt, tritt außerdem die Schwankung der schwankenden Wellenlänge nicht kontinuierlich sondern diskret auf. Die schwankende Wellenlänge ändert sich aufgrund der Änderung des Schwingmodus um 0,2 bis 0,3 nm. Außerdem tritt aus dem gleichen Grund die durch die Änderung des Injektionsstroms verursachte Schwankung der schwankenden Wellenlänge diskret auf. Überdies wird die Änderung des Schwingmodus durch den Empfang eines zurückkehrenden Licht verursacht, das von einer optischen Wellenlängen konversionseinrichtung zudem Halbleiterlaser reflektiert wird. Im Gegensatz dazu bewegt sich eine zulässige Abweichung der schwankenden Wellenlänge, die erforderlich ist, um die ersten Harmonischen in der optischen Wellenlängenkonversionseinrichtung in die zweiten Harmonischen umzuwandeln, in einem Bereich von 0,1 nm oder 0,2 nm. Somit wird, wenn sich der Schwingmodus ändert, die Quasi-Phasenanpassungsbedingung nicht erfüllt, so daß eine Ausgangsleistung der zweiten Harmonischen beträchtlich reduziert wird. Um die Reduzierung der Ausgangsleistung der zweiten Harmonischen zu vermeiden, ist es erforderlich, daß die Schwankung der Wellenlänge innerhalb der zulässigen Abweichung herabgesetzt wird.
Bei einem sechsten Ausführungsbeispiel ist in einer optischen Wellenlängenkonversionseinrichtung eine Reihe von Gittern angeordnet, um die schwankende Wellenlänge dadurch festzulegen, daß das kohärente Licht mit einer bestimmten Wellenlänge auf selektive Weise reflektiert wird.
26 ist eine perspektivische Ansicht einer Vorrichtung zur Erzeugung kohärenten Lichts kürzerer Wellenlänge gemäß dem sechsten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Wie in 26 gezeigt ist, weist eine Vorrichtung 80 zur Erzeugung kohärenten Lichts kürzerer Wellenlänge den Halbleiterlaser 52, das Kohärentlicht-Sammelsystem 53 und eine optische Wellenlängenkonversionseinrichtung 81 auf, um von dem Halbleiterlaser 52 abgestrahltes kohärentes Licht zu reflektieren, um eine Wellenlänge λ_f des kohärenten Lichts festzulegen, und um erste Harmonische des kohärenten Lichts in zweite Harmonische umzuwandeln. Die optische Wellenlängenkonversionseinrichtung 81 weist das LiTaO₃-Substrat 42, die Umkehrpolarisationsschichten 43, den Lichtwellenleiter 44, eine Reihe von regelmäßig wiederkehrend auf dem LiTaO₃-Substrat 42 angeordneten Gittern 82 und die Umkehr polarisationsschichten 43 in zweiten regelmäßigen Abständen Λ2 zur Reflexion des durch den Lichtwellenleiter 44 übertragenen kohärenten Lichts und eine Abdeckschicht 83 auf, die zum Schutz der Gitter 82 auf den Gittern 82 angeordnet ist.
Die regelmäßigen Abstände λ der UmkehrPolarisationsschichten 43 betragen 3,9 μm und die zweiten regelmäßigen Abstände Λ2 der Gitter 82 betragen 0,4 μm. Außerdem hat jedes der Gitter 82 eine Höhe von 0,2 μm, eine Länge von 1 mm und eine Breite von 0,1 μm (bzw. ein Leistungsverhältnis von 3:1). Außerdem sind die Gitter 82 aus einem Fotoresist-Material (hergestellt von Shiply Ltd. und Produkt Nr. AZ1400-17) gefertigt, welches eine strahlungsempfindliche Verbindung und ein weiches Material ist, das eine hohe Bearbeitbarkeit hat. Ein Brechungsindex der Gitter 82 beträgt 1,5.
Die Abdeckschicht 83 ist aus Ta₂O₅ gefertigt, dessen effektiver Brechungsindex gleich 2,0 ist. Da die Abdeckschicht 83 zwischen den Gittern 82 angeordnet ist, wird die Änderung des effektiven Brechungsindex in einer regelmäßig wiederkehrenden Struktur erzeugt, die aus den Gittern 82 und der Abdeckschicht 83 besteht. Somit ist die regelmäßig wiederkehrende Struktur äquivalent einem Beugungsgitter, und die regelmäßig wiederkehrende Struktur dient unter der Bedingung, daß eine mittels einer Gleichung Λ2=m×λ_f/(2N) formulierte Bragg-Reflexionsbedingung erfüllt ist, als ein Verteilungs-Bragg-Reflektor. Während das Symbol m die Ordnung des Beugungsgitters bezeichnet, bezeichnet das Symbol N einen durchschnittlichen Brechungsindex der Gitter 82 und der Abdeckschicht 83.
Da eine Brechungsdifferenz im effektiven Brechungsindex der Gitter 82 und der Abdeckschicht 83 groß ist, wird ein Reflexions-Wirkungsgrad der regelmäßig wiederkehrenden Struktur für das kohärente Licht groß. Deshalb dient die Kombination der aus dem Fotoresist bestehenden Gitter 82 und der aus Ta₂O₅ bestehenden Abdeckschicht auf effektive Weise als das Beugungsgitter.
Ein Reflexions-Wirkungsgrad der regelmäßig wiederkehrenden Struktur steigt im allgemeinen proportional zur Höhe der Gitter 82 und der Brechungsdifferenz im effektiven Brechungsindex. Da außerdem die Gitterordnung der Gitter 82 proportional zu den zweiten regelmäßigen Abständen Λ2 der Gitter 82 ist, ist der Reflexions-Wirkungsgrad umgekehrt proportional zu den zweiten regelmäßigen Abständen Λ2.
Als nächstes wird ein Herstellungsverfahren der optischen Wellenlängenkonversionseinrichtung 81 beschrieben.
27A bis 27C sind Ansichten, die ein Herstellungsverfahren der in 26 gezeigten Wellenlängenkonversionseinrichtung zeigen.
Wie in 27A gezeigt ist, wird der Lichtwellenleiter 53, nachdem die Umkehrpolarisationsschichten 43 und der Lichtwellenleiter 44 auf dem LiTaO₃-Substrat 42 ausgebildet sind, mit einem verdünnten Fotoresist 84 (AZ1400-17) beschichtet. Die Dicke des aufgeschichteten Fotoresists 84 beträgt 0,2 μm. Danach werden Gittermusterbereiche des Fotoresists 84 gemäß einem Interferenz-Belichtungsprozeß mit von einem He-Cd-Laser abgestrahlten Licht der Wellenlänge 0,4416 nm belichtet, um ein Gittermuster auf das Fotoresist 84 zu übertragen. Deshalb wird das belichtete Fotoresist 84 in einer Entwicklerlösung löslich. Danach wird das Fotoresist 84 in die Entwicklerlösung getaucht, um das Fotoresist 84 zu entwickeln. Somit werden die mit einem Gittermuster versehenen belichteten Bereiche des Fotoresists 84 entfernt. Deshalb werden die mittels des Gittermusters ausgebildeten Fotoresist-Abschnitte auf dem Lichtwellenleiter 53 angeordnet. Danach werden die Fotoresist-Abschnitte ausgehärtet, so daß die den Lichtwellenleiter 53 kreuzenden Gitter 82 ausgebildet werden, wie in 27B gezeigt ist. Die zweiten regelmäßigen Abstände Λ2 der regelmäßig wiederkehrend angeordneten Gitter 82 sind auf 0,4 μm festgelegt, eine Gitterhöhe ist auf 0,2 μm festgelegt, ein Verhältnis der Gitterbreite W1 zu den regelmäßigen Zwischenräumen Λ1 ist auf 0,25 festgelegt, eine Länge jedes der Gitter 82 in der Ausdehnungsrichtung D_E beträgt 1 mm und eine Gesamtlänge der Gitter 82 in Y-Kristallachsenrichtung beträgt 0,5 mm.
Wie in 27C gezeigt ist, wird mit Hilfe eines Sputterverfahrens Ta₂O₅ auf die Gitter 82 geschichtet, um die Abdeckschicht 83 auszubilden. Die Höhe der auf den Gittern 82 abgelagerten Abdeckschicht 83 beträgt 0,3 μm in der Dicke. Somit schützt die Abdeckschicht 83 die Gitter 82 vor der Atmosphäre.
28 ist eine Schnittansicht der in 26 gezeigten optischen Wellenlängenkonversionseinrichtung 81, welche die Intensitätsverteilung des durch den Lichtwellenleiter 44 übertragenen kohärenten Lichts veranschaulicht.
Bei der vorhergehend genannten Bauform der Vorrichtung 80 zur Erzeugung kohärenten Lichts kürzerer Wellenlänge, wie sie in 28 gezeigt ist, wird das vom Halbleiterlaser 52 abgestrahlte kohärente Licht durch den Lichtwellenleiter 44 übertragen und wird mit Hilfe der regelmäßig wiederkehrenden Struktur der Gitter 82 und der Abdeckschicht 83 unter der Bedingung reflektiert, daß die Bragg-Reflexionsbedingung Λ2=m×λ_f/(2N) erfüllt ist. In Fällen, in welchen die Wellenlänge λ_f des kohärenten Lichts 860nm beträgt, ist die Bragg-Reflexionsbedingung in der zweiten Ordnung (m=2) des Beugungsgitters erfüllt. Danach wird das reflektierte kohärente Licht zum Halbleiterlaser 52 zurückgeführt und die schwankende Wellenlänge des kohärenten Lichts wird auf 860 nm festgelegt. Danach wird das kohärente Licht, dessen Wellenlänge auf 860 nm festgelegt ist, vom Halbleiterlaser 52 zum Lichtwellenleiter 44 abgestrahlt, und die ersten Harmonischen des kohärenten Lichts werden in zweite Harmonische umgewandelt, die eine kürzere Wellenlänge λ_h von 430 nm haben.
Als nächstes werden optische Eigenschaften der Vorrichtung 80 zur Erzeugung kohärenten Lichts kürzerer Wellenlänge beschrieben.
Wenn das kohärente Licht mit einer Ausgangsleistung von 70 mW zu dem Lichtwellenleiter 44 abgestrahlt wird, beträgt eine Übertragungsleistung des kohärenten Lichts 42 mW. Somit beträgt ein Kopplungs-Wirkungsgrad 60%. Außerdem werden 30% des durch den Lichtwellenleiter 44 übertragenen kohärenten Lichts mittels der regelmäßig wiederkehrenden Struktur der Gitter 82 und der Abdeckschicht 83 reflektiert, und eine Ausgangsleistung der zweiten Harmonischen beträgt 3 mW.
Da demgemäß die Normale L_N der optischen Wellenlängenkonversionseinrichtung 81 zur C-Kristallachse geneigt ist, ist kein Polarisator erforderlich, so daß die Vorrichtung 80 zur Erzeugung kohärenten Lichts kürzerer Wellenlänge in kleiner Größe hergestellt werden kann. Außerdem werden der Kopplungs-Wirkungsgrad und der Konversions-Wirkungsgrad verbessert und es kann eine große Leistung der zweiten Harmonischen erzielt werden.
Die Stabilisierung der Intensität der zweiten Harmonischen wird mit Bezug auf 29 beschrieben.
29 zeigt grafisch eine Beziehung zwischen der Intensität der zweiten Harmonischen und einer Temperatur des Halbleiterlasers 52.
Wie in 29 gezeigt ist, wird die Schwankung der Intensität der zweiten Harmonischen bei einer Temperatur von 20°C innerhalb von 5% einer maximalen Intensität gehalten, selbst wenn eine Temperatur des Halbleiterlasers 52 in einem Bereich von 10 bis 30°C geändert wird.
Demgemäß können bei der Vorrichtung 80 zur Erzeugung kohärenten Lichts kürzerer Wellenlänge die zweiten Harmonischen unabhängig von der Schwankung der Umgebungstemperatur oder des Injektionsstroms zu dem Halbleiterlaser 52 auf stabile Weise erzeugt werden.
Bei dem sechsten Ausführungsbeispiel sind die Gitter 82 in der Umgebung der Ausgangsendfacette 44b des Lichtwellenleiters 44 angeordnet. Die Position der Gitter 82 ist jedoch nicht auf die Umgebung der Ausgangsendfacette 44b begrenzt. Es ist zum Beispiel möglich, daß die Gitter 82 in der Umgebung der Einfallsendfacette 44a des Lichtwellenleiters 44 angeordnet sind.
Außerdem wird die Vorrichtung 80 zur Erzeugung kohärenten Lichts kürzerer Wellenlänge unter Nutzung der optischen Wellenlängenkonversionseinrichtung 41 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel hergestellt. Der im sechsten Ausführungsbeispiel beschriebene Erfindungsgedanke ist jedoch nicht auf das zweite Ausführungsbeispiel beschränkt. Es ist möglich, daß die Vorrichtung 80 zur Erzeugung kohärenten Lichts kürzerer Wellenlänge unter Anwendung der optischen Wellenlängenkonversionseinrichtung 31 gemäß dem Bezugsbeispiel hergestellt wird.
30 ist eine perspektivische Schrägansicht einer Vorrichtung zur Erzeugung kohärenten Lichts kürzerer Wellenlänge gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Wie in 30 gezeigt ist, weist eine Vorrichtung 85 zur Erzeugung kohärenten Lichts kürzerer Wellenlänge die optische Wellenlängenkonversionseinrichtung 81 und den Halbleiterlaser 72 auf, der direkt an der Einfallsendfacette 44a der optischen Wellenlängenkonversionseinrichtung 81 angebracht ist. Auf die Eingangsendfacette 44a ist ein Antireflexbelag geschichtet, um zu verhindern, daß von dem Halbleiterlaser 72 abgestrahltes kohärentes Licht an der Eingangsendfacette 44a reflektiert wird.
Bei der vorhergehend genannten Bauform wird ein Kopplungs- Wirkungsgrad, der ein Verhältnis der Intensität das von dem Halbleiterlaser 72 abgestrahlten kohärenten Lichts zu der Intensität des durch den Lichtwellenleiter 44 übertragenen kohärenten Lichts bezeichnet, auf 80% gesteigert, da der Halbleiterlaser 72 direkt an der Eingangsendfacette 44a der Einrichtung 81 angebracht ist. Außerdem beträgt die Intensität des an der Eingangsendfacette 44a reflektierten kohärenten Lichts nur 0,01% der Intensität des von dem Halbleiterlaser 72 abgestrahlten kohärenten Lichts, da der Antireflexbelag auf die Eingangsendfacette 44a geschichtet ist.
Wenn das kohärente Licht mit einer Ausgangsleistung von 70 mW auf den Lichtwellenleiter 44 gestrahlt wird, wird eine Ausgangsleistung der zweiten Harmonischen im Vergleich zum sechsten Ausführungsbeispiel auf 10 mW erhöht.
Demgemäß können die zweiten Harmonischen mit einem hohen Kopplungs-Wirkungsgrad erzielt werden.
Außerdem wird die Vorrichtung 85 zur Erzeugung kohärenten Lichts kürzerer Wellenlänge im siebten Ausführungsbeispiel unter Nutzung der optischen Wellenlängenkonversionseinrichtung 41 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel hergestellt. Der im siebten Ausführungsbeispiel beschriebene Erfindungsgedanke ist jedoch nicht auf das zweite Ausführungsbeispiel beschränkt. Das heißt, es ist möglich, daß die Vorrichtung 85 zur Erzeugung kohärenten Lichts kürzerer Wellenlänge unter Anwendung der optischen Wellenlängenkonversionseinrichtung 31 gemäß dem Bezugsbeispiel hergestellt wird.
Bei einem achten Ausführungsbeispiel wird eine Wellenlänge des von einem Halbleiterlaser abgestrahlten kohärenten Lichts mittels eines Beugungsgitters festgelegt, welches gemäß einem elektro-optischen Effekt durch Induzieren eines elektrischen Felds im Lichtwellenleiter 34 in dem Lichtwellenleiter 34 ausgebildet wird.
31 ist eine Schrägansicht einer Vorrichtung zur Erzeugung kohärenten Lichts kürzerer Wellenlänge gemäß einem achten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. 32A ist eine vergrößerte Schnittansicht längs der Linien A-A' gemäß 31, die ein elektrisches Feld zeigt, das den Lichtwellenleiter 34 in der Richtung der umgekehrten Polarisation durchtritt. 32B ist eine vergrößerte Schnittansicht längs der Linie B-B' gemäß 31, die ein elektrisches Feld zeigt, das den Lichtwellenleiter 34 in einer Richtung entgegengesetzt zur Richtung der spontanen Polarisation Ps durchtritt.
Wie in 31 gezeigt ist, weist eine Vorrichtung 91 zur Erzeugung kohärenten Lichts kürzerer Wellenlänge den Halbleiterlaser 72 und eine optische Wellenlängenkonversionseinrichtung 92 zur Reflexion des von dem Halbleiterlaser 72 abgestrahlten kohärenten Lichts auf, um eine Wellenlänge λ_f des kohärenten Lichts festzulegen und die ersten Harmonischen des kohärenten Lichts in zweite Harmonische umzuwandeln. Die optische Wellenlängenkonversionseinrichtung 92 weist das LiTaO₃-Substrat 32, die Umkehrpolarisationsschichten 33, den Lichtwellenleiter 34, eine erste Elektrode 93a, welche auf dem LiTaO₃-Substrat 32 und den in +C-Kristallachsenrichtung zu dem Lichtwellenleiter 34 positionierten Umkehrpolarisationsschichten 33 angeordnet ist und mit positiver Elektrizität geladen ist, eine zweite Elektrode 93b, welche auf dem LiTaO₃-Substrat 32 und den in -C-Kristallachsenrichtung zu dem Lichtwellenleiter 34 positionierten Umkehrpolarisationsschichten 33 angeordnet ist und mit negativer Elektrizität geladen ist, und eine Spannungs quelle 94 zum Anlegen eines positiven elektrischen Potentials an die erste Elektrode 93a und zum Anlegen eines negativen elektrischen Potentials an die zweite Elektrode 93b auf. Die regelmäßigen Abstände Λ der Umkehrpolarisationsschnichten 33 betragen 2 μm. Der Lichtwellenleiter 34 hat eine Breite von 4 μm und eine Tiefe von 1,9 μm.
Wenn bei der vorhergehend beschriebenen Bauform die erste Elektrode 93a mit positiver Elektrizität geladen wird und die zweite Elektrode 93b mit negativer Elektrizität geladen wird, wird, wie in 32A, 32B gezeigt ist, in dem aus den Umkehrpolarisationsschichten 33 und den Nicht-Umkehrpolarisationsschichten 35 bestehenden Lichtwellenleiter 34 ein elektrisches Feld induziert, das in -C-Kristallachsenrichtung gerichtet ist. Im Ergebnis wird der Brechungsindex der Umkehrpolarisationsschichten 33 gemäß einem elektrooptischen Effekt um einen Wert Δn (Δn>0) erhöht, und der Brechungsindex der Nicht-Umkehrpolarisationsschichten 35 wird um den Wert Δn vermindert.
Der elektro-optische Effekt ist als ein Phänomen definiert, bei welchem ein Brechungsindex eines kristallinen Materials mittels eines elektrischen Felds in Abhängigkeit von einer elektro-optischen Konstante geändert wird. Beispielsweise wird der Brechungsindex des Kristallmaterials in den Fällen erhöht, in welchen die Richtung des elektrischen Felds gleich der Polarisationsrichtung des Kristallmaterials ist. Im Gegensatz dazu wird der Brechungsindex des Kristallmaterials in den Fällen verringert, in welchen die Richtung des elektrischen Felds entgegengesetzt der Polarisationsrichtung des Kristallmaterials ist. Außerdem ist der Grad der Änderung des Brechungsindex proportional zu der Intensität des elektrischen Felds und zu dem Wert der elektro-optischen Konstante. Die elektro-optische Konstante in C-Kristallachsenrichtung ist groß. Somit ist der Anstieg oder die Verminderung des Brechungsindex in den Umkehrpolarisationsschichten 33 umgekehrt zu dem/der in den Nicht-Umkehr polarisationsschichten 35, da die Polarisationsrichtungen der Schichten 33, 35 einander entgegengesetzt sind. Wie in 33 gezeigt ist, ändert sich der Brechungsindex des Lichtwellenleiters auf regelmäßig wiederkehrende Weise, da der Brechungsindex der Umkehrpolarisationsschichten 33 um den Wert Δn variiert und der Brechungsindex der Nicht-Umkehrpolarisationsschichten 35 um den Wert -Δn variiert. Anders ausgedrückt, in dem Lichtwellenleiter 34 wird ein Beugungsgitter ausgebildet.
Die optischen Eigenschaften des in dem Lichtwellenleiter 34 ausgebildeten Beugungsgitters werden mit Bezug auf 34 beschrieben.
Wenn kohärentes Licht mit einer Wellenlänge von 860 nm von dem Halbleiterlaser 72 zu dem Lichtwellenleiter 34 abgestrahlt wird, wird das kohärente Licht mittels des Beugungsgitters mit einem gewissen Beugungs-Wirkungsgrad reflektiert, da die Bragg-Reflexionsbedingung Λ=10×λ_f/(2N) erfüllt ist. Das Symbol N bezeichnet einen durchschnittlichen Brechungsindex des Lichtwellenleiters 34. Der Beugungs-Wirkungsgrad ist als ein Verhältnis der Intensität des durch den Lichtwellenleiter 34 übertragenen kohärenten Lichts zu der Intensität des mittels des Beugungsgitters reflektierten kohärenten Lichts definiert. Wie in 34 gezeigt ist, beträgt der Beugungs-Wirkungsgrad 80%, wenn eine elektrische Potentialdifferenz zwischen der ersten und der zweiten Elektrode 93a, 93b auf 10V eingestellt ist. Wenn die elektrische Potentialdifferenz auf 20V eingestellt ist, wird der Beugungs-Wirkungsgrad im Gegensatz dazu auf beinahe 0% reduziert, da der durchschnittliche Brechungsindex des Lichtwellenleiters 34 geändert wird.
Demgemäß können in der Vorrichtung 91 zur Erzeugung kohärenten Lichts kürzerer Wellenlänge die zweiten Harmonischen ungeachtet der Schwankung der Umgebungstemperatur oder des Injektionsstroms zu dem Halbleiterlaser 72 erzielt werden.
Bei einem neunten Ausführungsbeispiel wird eine Wellenlänge des von einem Halbleiterlaser abgestrahlten kohärenten Lichts mittels eines Beugungsgitters festgelegt, welches gemäß dem elektro-optischen Effekt durch Induzieren eines elektrischen Felds im Lichtwellenleiter 44 in dem Lichtwellenleiter 44 ausgebildet wird.
35 ist eine Schrägansicht einer Vorrichtung zur Erzeugung kohärenten Lichts kürzerer Wellenlänge gemäß einem neunten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. 36A ist eine vergrößerte Schnittansicht längs der Linien A-A' gemäß 35, die ein elektrisches Feld zeigt, das den Lichtwellenleiter 44 in der Richtung der umgekehrten Polarisation durchtritt. 36B ist eine vergrößerte Schnittansicht längs der Linie B-B' gemäß 35, die ein elektrisches Feld zeigt, das den Lichtwellenleiter 44 in einer Richtung entgegengesetzt zur Richtung der spontanen Polarisation Ps durchtritt.
Wie in 35 gezeigt ist, weist eine Vorrichtung 95 zur Erzeugung kohärenten Lichts kürzerer Wellenlänge den Halbleiterlaser 72 und eine optische Wellenlängenkonversionseinrichtung 96 zur Reflexion des von dem Halbleiterlaser 72 abgestrahlten kohärenten Lichts auf, um eine Wellenlänge λ_f des kohärenten Lichts festzulegen und die ersten Harmonischen des kohärenten Lichts in zweite Harmonische umzuwandeln. Die optische Wellenlängenkonversionseinrichtung 96 weist das LiTaO₃-Substrat 42, die Umkehrpolarisationsschichten 43, den Lichtwellenleiter 44, die erste Elektrode 93a, welche auf dem LiTaO₃-Substrat 42 und den in +C-Kristallachsenrichtung zu dem Lichtwellenleiter 44 positionierten Umkehrpolarisationsschichten 43 angeordnet ist und mit positiver Elektrizität geladen ist, die zweite Elektrode 93b, welche auf dem LiTaO₃-Substrat 42 und den in -C-Kristallachsenrichtung zu dem Lichtwellenleiter 44 positionierten Umkehrpolarisationsschichten 43 angeordnet ist und mit negativer Elektrizität geladen ist, und die Spannungs quelle 94 auf. Die regelmäßigen Abstände Λ der Umkehrpolarisationsschichten 43 betragen 2 μm. Der Lichtwellenleiter 44 hat eine Breite von 4 μm und eine Tiefe von 1,9 μm.
Wenn bei der vorhergehend beschriebenen Bauform die erste Elektrode 93a mit positiver Elektrizität geladen wird und die zweite Elektrode 93b mit negativer Elektrizität geladen wird, wird, wie in 36A, 36B gezeigt ist, in dem aus den Umkehrpolarisationsschichten 43 und den Nicht-Umkehrpolarisationsschichten 35 bestehenden Lichtwellenleiter 44 ein elektrisches Feld induziert, das in -C-Kristallachsenrichtung gerichtet ist. Im Ergebnis wird der Brechungsindex der Umkehrpolarisationsschichten 43 gemäß dem elektrooptischen Effekt um einen Wert Δn (Δn>0) erhöht, und der Brechungsindex der Nicht-Umkehrpolarisationsschichten 45 wird um den Wert Δn vermindert.
Demgemäß können in der Vorrichtung 95 zur Erzeugung kohärenten Lichts kürzerer Wellenlänge die zweiten Harmonischen ungeachtet der Schwankung der Umgebungstemperatur oder des Injektionsstroms zu dem Halbleiterlaser 72 auf die gleiche Weise wie im achten Ausführungsbeispiel erzielt werden.
37 ist eine Schrägansicht einer Vorrichtung zur Erzeugung kohärenten Lichts kürzerer Wellenlänge gemäß einem zehnten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Wie in 35 gezeigt ist, weist eine Vorrichtung 97 zur Erzeugung kohärenten Lichts kürzerer Wellenlänge den Halbleiterlaser 52 und eine optische Wellenlängenkonversionseinrichtung 98 zur Reflexion des von dem Halbleiterlaser 52 abgestrahlten kohärenten Lichts auf, um eine Wellenlänge λ_f des kohärenten Lichts festzulegen und die ersten Harmonischen des kohärenten Lichts in zweite Harmonische umzuwandeln. Die optische Wellenlängenkonversionseinrichtung 98 weist das LiTaO₃-Substrat 32, die Umkehrpolarisationsschichten 33, den Lichtwellenleiter 34, eine Reihe von zweiten Umkehrpolarisationsschichten 99, die in der Nähe der Ausgangsendfacette 34b parallel zu den Umkehrpolarisationsschichten 33 angeordnet sind, eine erste Elektrode 100a, welche auf dem LiTaO₃-Substrat 32 und den in +C-Kristallachsenrichtung zu dem Lichtwellenleiter 34 positionierten Umkehrpolarisationsschichten 99 angeordnet ist und mit positiver Elektrizität geladen ist, eine zweite Elektrode 100b, welche auf dem LiTaO₃-Substrat 32 und den in -C-Kristallachsenrichtung zu dem Lichtwellenleiter 34 positionierten Umkehrpolarisationsschichten 99 angeordnet ist und mit negativer Elektrizität geladen ist, und die Spannungsquelle 94 zum Anlegen eines positiven elektrischen Potentials an die erste Elektrode 100a und zum Anlegen eines negativen elektrischen Potentials an die zweite Elektrode 100b auf.
Die regelmäßigen Abstände Λ der Umkehrpolarisationsschichten 33 betragen 4 μm. Deshalb ist die Quasi-Phasenanpassungsbedingung erfüllt, wenn das kohärente Licht mit einer Wellenlänge von 870 nm durch den Lichtwellenleiter 34 übertragen wird. Die zweiten regelmäßigen Abstände Λ2 der Umkehrpolarisationsschichten 99 betragen 2 μm. Der Lichtwellenleiter 34 hat eine Breite von 4 μm, eine Tiefe von 1,9 μm und eine Länge von 15 mm. Eine Länge der Elektroden 100a, 100b in Y-Kristallachserichtung beträgt 5 mm.
Bei der vorhergehend erläuterten Bauform wird das kohärente Licht mit einer schwankenden Wellenlänge λ_f von dem Halbleiterlaser 52 abgestrahlt und trifft durch das Sammelsystem 53 auf der Einfallsendfacette 34a des Lichtwellenleiters 34 auf. In der optischen Wellenlängenkonversionseinrichtung 98 werden die erste und die zweite Elektrode 100a, 100b aufgeladen, um zwischen den Elektroden 100a, 100b eine elektrische Potentialdifferenz herzustellen. Somit wird in dem in der Umgebung der Ausgangsendfacette 34b positionierten Lichtwellenleiter 34 ein in -C-Kristallachsenrichtung ausgerichtetes elektrisches Feld induziert. Im Ergebnis wird der Brechungsindex der Umkehrpolarisationsschichten 99 gemäß dem elektro-optischen Effekt um einen Wert Δn (Δn>0) erhöht, und der Brechungsindex der zwischen den Umkehrpolarisationsschichten 99 angeordneten zweiten Nicht-Umkehrpolarisationsschichten 101 wird um den Wert Δn vermindert. Somit wird das durch den Lichtwellenleiter 34 übertragene kohärente Licht mittels eines Beugungsgitters reflektiert, welches in dem Lichtwellenleiter 34 ausgebildet wird, der in der Umgebung der Ausgangsendfacette 34b positioniert. Danach wird das reflektierte kohärente Licht zu dem Halbleiterlaser 52 zurückgeführt, um die schwankende Wellenlänge λ_f festzulegen.
Wenn die zwischen den Elektroden 100a, 100b eingestellte elektrische Potentialdifferenz zum Beispiel 5 V beträgt, ist für das kohärente Licht mit der Wellenlänge λ_f von 870 nm die Bragg-Reflexionsbedingung Λ=10×λ_f/(2N) erfüllt. In diesem Fall beträgt ein Reflexions-Wirkungsgrad des Beugungsgitters 30%, und 10% des von dem Halbleiterlaser 52 abgestrahlten kohärenten Lichts werden zu dem Halbleiterlaser 52 zurückgeführt. Da eine schwankende Wellenlänge des von dem Halbleiterlaser 52 abgestrahlten kohärenten Lichts 858 nm beträgt, wenn eine Ausgangsleistung des kohärenten Lichts bei Raumtemperatur 100mW beträgt, ändert sich die schwankende Wellenlänge mittels der Funktion des Beugungsgitters auf 870 nm, um die Quasi-Phasenanpassungsbedingung und die Bragg-Reflexionsbedingung zu erfüllen.
Danach wird das kohärente Licht, dessen Wellenlänge eingestellt ist, von dem Halbleiterlaser 52 zu dem Lichtwellenleiter 34 abgestrahlt und erste Harmonische des kohärenten Lichts werden in zweite Harmonische umgewandelt. Die zweiten Harmonischen werden mit einer Ausgangsleistung von 10 mal aus der Ausgangsendfacette 34b abgegeben. In diesem Fall beträgt ein Konversions-Wirkungsgrad 15%.
Als nächstes wird die Stabilisierung der Intensität der zweiten Harmonischen beschrieben.
Wenn die Temperatur des Halbleiterlasers in einem Bereich von 10°C bis 50°C geändert wird, wird die Schwankung der Intensität der zweiten Harmonischen auf 5% beschränkt. Wenn außerdem der dem Halbleiterlaser 52 zugeführte Injektionsstrom geändert wird, bleibt die schwankende Wellenlänge des kohärenten Lichts auf 870 nm festgelegt.
Da demgemäß die Wellenlänge des mittels des Beugungsgitters reflektierten kohärenten Lichts durch die Änderung der elektrischen Potentialdifferenz zwischen den Elektroden 100a, 100b eingestellt werden kann, können die Quasi-Phasenanpassungsbedingung und die Bragg-Reflexionsbedingung leichter gleichzeitig erfüllt sein. Somit können die zweiten Harmonischen auf stabile Weise mit hohem Wirkungsgrad ausgegeben werden.
Als nächstes wird die Modulation der zweiten Harmonischen beschrieben.
In Fällen, in welchen die elektrische Potentialdifferenz auf Null eingestellt ist, wird keine erste Harmonische reflektiert. Wenn das kohärente Licht mit einer schwankenden Wellenlänge von 868 nm als Grundschwingung zu dem Lichtwellenleiter 34 abgestrahlt wird, wird die Ausgangsleistung der zweiten Harmonischen auf beträchtliche Weise auf 0,01 mW herabgesetzt, da keine Quasi-Phasenanpassungsbedingung erfüllt ist. In Fällen, in welchen die elektrische Potentialdifferenz auf 5V festgesetzt ist, wird das selten zu dem Lichtwellenleiter 34 abgestrahlte kohärente Licht mit einer schwankenden Wellenlänge λ_f=870 nm, mittels des Beugungsgitters auf selektive Weise reflektiert. Deshalb wird eine schwankende Wellenlänge des von dem Halbleiterlaser 52 abgestrahlten kohärenten Lichts auf 870 nm festgelegt. In diesem Fall werden die zweiten Harmonischen mit einer Ausgangsleistung von 10 mW abgegeben.
Demgemäß kann die Ausgangsleistung der zweiten Harmonischen durch die regelmäßig wiederkehrende Änderung der elektrischen Potentialdifferenz in einem Bereich von 0 V bis 5 V moduliert werden. Die Ausgangsleistung der zweiten Harmonischen kann zum Beispiel bei einer Frequenz von 200 MHz moduliert werden, und ein Signal-Rausch-Verhältnis beträgt 25 dB. Die modulierten zweiten Harmonischen werden genutzt, um Information auf eine optische Scheibe zu schreiben.
Bei dem zehnten Ausführungsbeispiel wird die Vorrichtung 97 zur Erzeugung kohärenten Lichts kürzerer Wellenlänge unter Nutzung der optischen Wellenlängenkonversionseinrichtung 31 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel hergestellt. Der im zehnten Ausführungsbeispiel beschriebene Erfindungsgedanke ist jedoch nicht auf das Referenzbeispiel eingeschränkt. Es ist möglich, daß die Vorrichtung 97 zur Erzeugung kohärenten Lichts kürzerer Wellenlänge unter Anwendung der optischen Wellenlängenkonversionseinrichtung 41 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel hergestellt wird.
Durch die Veranschaulichung und die Beschreibung der Prinzipien der Erfindung in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sollte für Fachleute deutlich geworden sein, daß die Erfindung im Aufbau und in Details modifiziert werden kann, ohne von diesen Prinzipien abzuweichen. Es werden alle Modifikationen beansprucht, die innerhalb des Geltungsbereichs der beiliegenden Ansprüche liegen.

Claims

Optische Wellenlängenkonversionseinrichtung, die aufweist, ein ferroelektrisches Substrat (42), das eine obere Fläche hat, wobei die spontane Polarisation des ferroelektrischen Substrats in Richtung auf eine +C-Kristallachsenrichtung der C-Kristallachse senkrecht zu einer X-Y-Kristallebene gerichtet ist, die durch eine X-Kristallachse und eine Y-Kristallachse als (001)-Kristallebene in Millerschen Indizes definiert ist, eine Vielzahl von Umkehrpolarisationsschichten (43), die in regelmäßigen Abständen in einem Oberflächenbereich des ferroelektrischen Substrats angeordnet sind, wobei die Polarisation der Umkehrpolarisationsschichten in Richtung auf eine -C-Kristallachsenrichtung der C-Kristallachse gerichtet ist, und die Umkehrpolarisationsschichten durch ein Austauschen von in dem ferroelektrischen Substrat enthaltenen Position Ionen gegen H⁺-Ionen ausgebildet ist, und einen Lichtwellenleiter (34) der abwechselnde Reihen der Umkehrpolarisationsschichten und des zwischen den Umkehrpolarisationsschichten positionierten ferroelektrischen Substrats kreuzt, wobei ein Teil der durch den Lichtwellenleiter übertragenen ersten Harmonischen in zweite Harmonische umgewandelt werden, und ein Brechungsindex des Lichtwellenleiters höher als der des ferroelektrischen Substrat ist, um die ersten Harmonischen und zweiten Harmonischen in dem Lichtwellenleiter zu begrenzen, wobei das ferroelektrische Substrat aus einer ferroelektrischen Substanz gefertigt ist, die aus einer Gruppe ausgewählt ist, die den im wesentlichen reinen LiTaO₃-Kristall und den im wesentlichen reinen LiNbO₃-Kristall enthält, dadurch gekennzeichnet, dass die Gruppe ferner den mit MgO, Nb oder Nd dotierten LiTaO₃-Kristall und den mit MgO, Ta oder Nd dotierten LiNbO₃-Kristall enthält, der Lichtwellenleiter sich entlang der Y-Kristallachse erstreckt, und die -C-Kristallachsenrichtung in einem Winkel geneigt ist, der mit Bezug auf die Senkrechte der Oberfläche des ferroelektrischen Substrats in Richtung auf die X-Kristallachse im Bereich von 60 bis 85 Grad liegt.
Einrichtung gemäß Anspruch 1, bei welcher der Unterschied in einem Brechungsindex zwischen den Umkehrpolarisationsschichten und dem in dem Lichtwellenleiter positionierten ferroelektrischen Substrat 0,005 oder weniger beträgt, um zu verhindern, dass ein Übertragungsverlust der ersten Harmonischen und zweiten Harmonischen erhöht wird, die den Lichtwellenleiter passieren.
Einrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, bei welcher eine Breite jeder der Umkehrpolarisationsschichten in einem Bereich von 1 μm bis 10 μm liegt.
Einrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welcher die regelmäßigen Abstände der Umkehrpolarisationsschichten in einem Bereich von 3 μm bis 5 μm liegen, um blaues Licht zu erzielen, das aus den zweiten Harmonischen besteht, unter Bedingung, dass eine Quasi-Phasenanpassungs-Bedingung Λ = λ_f/{2·(N2ω-Nω} erfüllt ist, wobei das Symbol Λ die regelmäßigen Abstände bezeichnet, das Symbol λ_f eine Wellenlänge der ersten Harmonischen bezeichnet, das Symbol N2ω einen effektiven Brechungsindex des Lichtwellenleiters für die zweiten Harmonischen bezeichnet und das Symbol Nω einen effektiven Brechungsindex des Lichtwellenleiters für die ersten Harmonischen bezeichnet.
Einrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welcher jede der Umkehrpolarisationsschichten in Streifenform ausgebildet ist.
Einrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, die zusätzlich enthält, eine Vielzahl von Gittern (82), die parallel zu den Umkehrpolarisationsschichten in Beugungsgitterabständen regelmäßig wiederkehrend auf dem Lichtwellenleiter angeordnet sind, wobei ein erster Brechungsindex der Gitter gleich N1 ist, und eine Abdeckschicht (83), die zwischen den Gittern angeordnet ist, um eine regelmäßig wiederkehrende Struktur zu erzeugen, wobei ein zweiter Brechungsindex der Abdeckschicht gleich N2 ist, welcher sich von dem ersten Brechungsindex N1 der Gitter unterscheidet, um ein Beugungsgitter in der regelmäßig wiederkehrenden Struktur auszubilden, und wobei die ersten Harmonischen, welche nicht in die zweiten Harmonischen umgewandelt werden, mittels des Beugungsgitters reflektiert werden.
Einrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, die zusätzlich enthält, eine erste Elektrode (93a), die auf dem ferroelektrischen Substrat und den in +C-Kristallachsenrichtung zu dem Lichtwellenleiter positionierten Umkehrpolarisationsschichten angeordnet ist, eine zweite Elektrode (93b), die auf dem ferroelektrischen Substrat und den in -C-Kristallachsenrichtung zu dem Lichtwellenleiter positionierten Umkehrpolarisationsschichten angeordnet ist, und eine elektrische Quelle (94) um Anlegen einer elektrischen Potentialdifferenz zwischen der ersten und zweiten Elektrode, wobei das elektrische Feld zwischen der ersten und zweiten Elektrode, an welche mittels der elektrischen Quelle die elektrische Potentialdifferenz angelegt wird, durch den Lichtwellenleiter hindurch induziert wird, um einen ersten Brechungsindex der Umkehrpolarisationsschichten in dem Lichtwellenleiter und einen zweiten Brechungsindex des ferroelektrischen Substrats in dem Lichtwellenleiter zu ändern, wobei der Anstieg oder die Verringerung des ersten Brechungsindexes dem/der des zweiten Brechungsindexes entgegengesetzt ist, um ein Beugungsgitter zu erzeugen, das aus der regelmäßig wiederkehrenden Änderung des ersten und zweiten Brechungsindexes in dem Lichtwellenleiter ausgebildet ist, und die ersten Harmonischen, welche nicht in zweite Harmonische umgewandelt werden, mittels des Beugungsgitters reflektiert werden.
Einrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, die zusätzlich enthält, eine Vielzahl von zweiten Umkehrpolarisationsschichten (99), die in zweiten regelmäßigen Abständen parallel zu den Umkehrpolarisationsschichten derart angeordnet sind, dass sieden Lichtwelleleiter kreuzen, wobei die Polarisation der Umkehrpolarisationsschichten in Richtung auf die -C-Kristallachsenrichtung gerichtet ist, und die zweiten Umkehrpolarisationsschichten durch den Austausch von in dem ferroelektrischen Substrat enthaltenen positiven Ionen durch H⁺-Ionen ausgebildet werden, und eine erste Elektrode (100a), die auf dem ferroelektrischen Substrat und den in +C-Kristallachsenrichtung zu dem Lichtwellenleiter positionierten zweiten Umkehrpolarisationsschichten angeordnet ist, eine zweite Elektrode (100b), die auf dem ferroelektrischen Substrat und den in -C-Kristallachsenrichtung zu dem Lichtwellenleiter positionierten zweiten Umkehrpolarisationsschichten angeordnet ist, und eine elektrische Quelle (94) zum Anlegen einer elektrischen Potentialdifferenz zwischen der ersten und zweiten Elektrode, wobei das elektrische Feld zwischen der ersten und zweiten Elektrode, an welche mittels der elektrischen Quelle die elektrische Potentialdifferenz angelegt wird, durch den Lichtwellenleiter hindurch induziert wird, um einen ersten Brechungsindex der zweiten Umkehrpolarisationsschichten in dem Lichtwellenleiter und einen zweiten Brechungsindex des ferroelektrischen Substrats in dem Lichtwellenleiter zu ändern, wobei der Anstieg oder die Verringerung des ersten Brechungsindexes dem/der des zweiten Brechungsindexes entgegengesetzt ist, um ein Beugungsgitter zu erzeugen, das aus der regelmäßig wiederkehrenden Änderung des ersten und zweiten Brechungsindexes in dem Lichtwellenleiter ausgebildet ist, und die ersten Harmonischen, welche nicht in zweite Harmonische umgewandelt werden, mittels das Beugungsgitters reflektiert werden.
Verfahren zur Herstellung einer optischen Wellenlängenkonversionseinrichtung, das die Schritte aufweist, Herstellen eines ferroelektrischen Substrats (42), das eine obere Fläche hat, wobei die spontane Polarisation des ferroelektrische Substrats in Richtung auf eine +C-Kristallachsenrichtung einer C-Kristallachse senkrecht zu einer X-Y-Kristallebene gerichtet ist, die durch eine X-Kristallachse und eine Y-Kristallachse als (001)-Kristallebene in Millerschen Indizes definiert ist, Anordnen erster Masken (47) auf der oberen Fläche des ferroelektrischen Substrats in regelmäßigen Abständen, Tauchen des ferroelektrischen Substrats mit den ersten Masken in eine Phosphorsäurelösung, um positive Ionen des ferroelektrischen Substrats, das nicht mit den ersten Masken abgedeckt ist, gegen H⁺-Ionen der Phosphorsäurelösung auszutauschen, wobei eine Vielzahl von in den regelmäßigen Abständen angeordneten Protonenaustauschbereichen (43) in einem oberen Bereich des ferroelektrischen Substrats ausgebildet werden, der nicht mit den ersten Masken bedeckt ist, thermische Bearbeitung des ferroelektrischen Substrats und der Protonenaustauschbereiche, um die in den Protonenaustauschbereichen verdichteten H⁺-Ionen mit einer ersten Diffusionsgeschwindigkeit in dem ferroelektrischen Substrat zu verteilen und die schweren Ionen des ferroelektrischen Substrats mit einer zweiten Diffusionsgeschwindigkeit, die niedriger als die erste Diffusionsgeschwindigkeit ist, in die Protonenaustauschbereiche zu verteilen, wobei die Protonenaustauschbereiche mit negativer Elektrizität aufgeladen werden, das die Protonenaustauschbereiche umgebende ferroelektrische Substrat mit positiver Elektrizität aufgeladen wird, und ein elektrisches Feld, das eine in eine -C-Kristallachsenrichtung gerichtete Komponente hat, aufgrund einer Differenz in der Elektrizität zwischen den Protonenaustauschbereichen und dem ferroelektrischen Substrat induziert wird, um Umkehrpolarisationskerne auszubilden, die in Grenzbereichen zwischen den Protonenaustauschbereichen und dem ferroelektrischen Substrat eine in -C-Kristallachsenrichtung gerichtete Umkehrpolarisation haben, Fortsetzen der thermischen Bearbeitung des ferroelektrischen Substrats und der Protonenaustauschbereiche, um die Umkehrpolarisationskerne zu züchten, wobei die Protonenaustauschbereiche und das unter den Protonenaustauschbereichen positionierte ferroelektrische Substrat in eine Vielzahl von in den regelmäßigen Abständen angeordneten Umkehrpolarisationsbereichen (43) umgeändert werden, deren Umkehrpolarisation in die -C-Kristallachsenrichtung entgegengesetzt der +C-Kristallachsenrichtung ist, und Ausbilden eines Lichtwellenleiters (44), welcher abwechselnde Reihen der Umkehrpolarisationsschichten und des zwischen den Umkehrpolarisationsschichten positionierten ferroelektrischen Substrats kreuzt, wobei die durch die abwechselnden Reihen des Lichtwellenreiters übertragenen ersten Harmonischen in zweite Harmonische umgewandelt werden, und ein Brechungsindex des Lichtwellenleiters höher als der des ferroelektrischen Substrat ist, um die ersten Harmonischen und zweiten Harmonischen im Lichtwellenleiter zu begrenzen, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt der Herstellung eines ferroelektrischen Substrats die Schritte aufweist, Auswählen einer ferroelektrischen Substanz als ein Material des ferroelektrischen Substrats aus der Gruppe, die aus dem reinen LiTao₃-Kristall, dem mit MgO, Nb oder Nd dotierten LiTao₃-Kristall, dem reinen LiNbo₃-Kristall und dem mit MgO, Ta oder Nd dotierten LiNbo₃-Kristall besteht, und Ausbilden der ferroelektrischen Substanz aus der ferroelektrischen Substanz, um die -C-Kristallachsenrichtung in einem Winkel zu neigen, der mit Bezug auf die Senkrechte der Oberfläche des ferroelektrischen Substrats in Richtung auf die X-Kristallachse im Bereich von 60 bis 85 Grad liegt, und der Schritt der Ausbildung eines optischen Lichtwellenleiters den Schritt der Ausdehnung des Lichtwellenleiters entlang der Y-Kristallachse enthält.
Verfahren gemäß Anspruch 9, bei welchem die im Schritt des Tauchens des ferroelektrischen Substrats angewandte Phosphorsäurelösung eine verdünnte Phosphorsäurelösung mit Lithiumbase in einem Massenverhältnis 20/80 von Lithiumbase/Phosphorsäure ist.
Verfahren gemäß Anspruch 9 oder 10, bei welchem die Phosphorsäure aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Pyrophosphorsäure (H₄P₂O₇) und Orthophosphorsäure (H₄PO₄) besteht, und die Lithiumbase aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Lithiumhphosphat (Li₃PO₄) und Benzoelithium (LiCH₃COOH) besteht.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 9 bis 11, bei welchem der Schritt der thermischen Bearbeitung des ferroelektrischen Substrats das Aufheizen des ferroelektrischen Substrats und der Protonenaustauschbereiche mit einer Anstiegsrate von 10°C oder mehr pro Sekunde enthält, bis das ferroelektrische Substrat und die Protonenaustauschbereiche eine Temperatur der thermischen Bearbeitung erreichen, die im Bereich von 500°C bis 600°C liegt, und der Schritt der Fortsetzung der thermischen Bearbeitung die Aufrechterhaltung der Temperatur der thermischen Bearbeitung des ferroelektrischen Substrats und der Protonenaustauschbereiche für eine Zeit der thermischen Bearbeitung enthält, die auf weniger als sechzig Sekunden begrenzt ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 9 bis 12, bei welchem der Schritt der Ausbildung eines Lichtwellenleiters aufweist, thermisches Bearbeiten des ferroelektrischen Substrats und der Umkehrpolarisationsschichten bei einer Temperatur im Bereich von 450°C bis 550°C für eine Stunde oder mehr, um eine Differenz in einem Brechungsindex zwischen den Umkehrpolarisationsschichten und dem ferroelektrischen Substrat auf 0,005 oder weniger zu reduzieren, Anordnen einer zweiten Maske, die eine Öffnung auf der Oberfläche des ferroelektrischen Substrats und der Umkehrpolarisationsschichten hat, wobei die Öffnung derart positioniert ist, dass sie abwechselnde Reihen des ferroelektrischen Substrats und der Umkehrpolarisationsschichten kreuzt, und Tauchen des ferroelektrischen Substrats mit der zweiten Maske in eine andere Phosphorsäurelösung, um positive Ionen des ferroelektrischen Substrats und der Umkehrpolarisationsschichten, die gerade unter der Öffnung der ersten Maske positioniert sind, gegen H⁺-Ionen der Phosphorsäurelösung auszutauschen, wobei die gerade unter der Öffnung der ersten Maske positionierten abwechselnden Reihen des ferroelektrischen Substrats und er Umkehrpolarisationsschichten in den Lichtwellenleiter umgewandelt werden.
Verfahren gemäß Anspruch 13, bei welchem die im Schritt des Tauchens des ferroelektrischen Substrats angewandte Phosphorsäurelösung aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Pyrophosphorsäure (H₄P₂O₇) und Orthophosphorsäure (H₂PO₄) besteht.
Verfahren gemäß Anspruch 13 oder 14, bei welchem sich die Öffnung der zweiten Maske in eine Übertragungsrichtung für kohärentes Licht senkrecht zur C-Kristallachse erstreckt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 9 bis 15, bei welchem die im Schritt der Anordnung erster Masken benutzten ersten Masken aus einem Metallmaterial gefertigt sind, da aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Ta, Au, Pt, Ti, Ag, W und Ti₂O₅ besteht.
Verfahren gemäß Anspruch 13, 14 oder 15, bei welchem die im Schritt der Anordnung einer zweiten Maske benutzte zweite Maske aus einem Metallmaterial gefertigt ist, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Ta, Au, Pt, W und Ti₂O₅ besteht.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 9 bis 17, bei welchem die regelmäßigen Abstände, in welchen die ersten Masken im Schritt der Anordnung erster Masken angeordnet sind, auf 10 μm oder weniger begrenzt sind.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 9 bis 18, bei welchem jede der im Schritt der Anordnung der ersten Masken angeordneten ersten Masken in einer Streifenform ausgebildet ist, um jede der Umkehrpolarisationsschichten in Streifenform auszubilden.
Erzeugungsvorrichtung für kohärentes Licht kürzerer Wellenlänge, die aufweist, einen Halbleiterlaser zur Abstrahlung von kohärentem Licht, das aus ersten Harmonischen besteht, und eine optische Wellenlängenkonversionseinrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, um die von dem Halbleiterlaser abgestrahlten ersten Harmonischen in zweite Harmonische umzuwandeln, deren Wellenlänge der Hälfte der Wellenlänge der ersten Harmonischen entspricht.
Vorrichtung gemäß Anspruch 20, wobei die optische Wellenlängenkonversionsrichtung zusätzlich enthält, eine Vielzahl von Gittern (82), die in regelmäßig wiederkehrenden Gitterabständen parallel zu den Umkehrpolarisationsschichten auf dem Lichtwellenleiter angeordnet sind, wobei ein erster Brechungsindex des Gitters gleich N1 ist, und eine Abdeckschicht (83), die zwischen den Gittern angeordnet ist, um eine regelmäßig wiederkehrende Struktur zu erzeugen, wobei ein zweiter Brechungsindex der Abdeckschicht gleich N2 ist, welcher sich von dem ersten Brechungsindex N1 der Gitter unterscheidet, um ein Beugungsgitter in regelmäßig wiederkehrender Struktur auszubilden, wobei das kohärente Licht einer speziellen Wellenlänge mittels des Beugungsgitters auf selektive Weise reflektiert wird, und das reflektierte kohärente Licht zu dem Halbleiterlaser zurückgeführt wird, um die Wellenlänge des von dem Halbleiterlaser abgestrahlten kohärenten Lichts auf die spezielle Wellenlänge festzulegen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 20, wobei die optische Wellenlängenkonversionseinrichtung zusätzlich enthält, eine erste Elektrode (93a), die auf dem ferroelektrischen Substrat und den in +C-Kristallachsenrichtung zu dem Lichtwellenleiter positionierten Umkehrpolarisationsschichten angeordnet ist, eine zweite Elektrode (93b), die auf dem ferroelektrischen Substrat und den in -C-Kristallachsenrichtung zu dem Lichtwellenleiter positionierten Umkehrpolarisationsschichten angeordnet ist, und eine elektrische Quelle (94) zum Anlegen einer elektrischen Potentialdifferenz zwischen der ersten und zweiten Elektrode, um zwischen der ersten und zweiten Elektrode durch den Lichtwellenleiter hindurch ein elektrisches Feld zu induzieren, wobei ein erster Brechungsindex der Umkehrpolarisationsschichten in dem Lichtwellenleiter und ein zweiter Brechungsindex des ferroelektrischen Substrats in dem Lichtwellenleiter gemäß einer Intensität des elektrischen Felds unter der Bedingung geändert werden, dass der Anstieg oder die Verringerung des ersten Brechungsindexes entgegengesetzt dem/des zweiten Brechungsindexes ist, um ein Beugungsgitter zu erzeugen, das aus abwechselnden Änderungen des ersten und zweiten Brechungsindexes in dem Lichtwellenleiter ausgebildet ist, wobei das kohärente Licht einer speziellen Wellenlänge mittels des Beugungsgitters selektiv reflektiert wird, und das reflektierte kohärente Licht zu dem Halbleiterlaser zurückgeführt wird, um die Wellenlänge des von dem Halbleiterlaser abgestrahlten kohärenten Lichts auf die spezielle Wellenlänge festzulegen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 20, 21 oder 22, bei welcher der Halbleiterlaser direkt an einer Einfalls-Endfacette des Lichtwellenleiters angebracht ist, um das in einem TE-Modus polarisierte kohärente Licht durch den Lichtwellenleiter zu übertragen.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 20 bis 23, die zusätzlich ein optisches System (53) enthält, um das kohärente Licht zu konvergieren, das an einer Einfalls-Endfacette des Lichtwellenleiters von dem Halbleiterlaser abgestrahlt wird, während das kohärente Licht in einem TE-Modus polarisiert bleibt.
Vorrichtung gemäß Anspruch 20, wobei die optische Wellenlängenkonversionseinrichtung zusätzlich enthält, eine erste Elektrode (93a), die auf dem ferroelektrischen Substrat und den in +C-Kristallachseneinrichtung zu dem Lichtwellenleiter positionierten Umkehrpolarisationsschichten angeordnet ist, eine zweite Elektrode (93b), die auf dem ferroelektrischen Substrat und den in -C-Kristallachsenrichtung zu dem Lichtwellenleiter positionierten Umkehrpolarisationsschichten angeordnet ist, und eine elektrische Quelle (94) zum Anlegen einer elektrischen Potentialdifferenz zwischen der ersten und zweiten Elektrode, um zwischen der ersten und zweiten Elektrode durch den Lichtwellenleiter hindurch regelmäßig wiederkehrend ein elektrisches Feld zu induzieren, wobei ein erster Brechungsindex der Umkehrpolarisationsschichten in dem Lichtwellenleiter und ein zweiter Brechungsindex des ferroelektrischen Substrats in dem Lichtwellenleiter regelmäßig wiederkehrend gemäß einer Intensität des elektrischen Felds geändert werden, das unter der Bedingung regelmäßig wiederkehrend geändert wird, dass der Anstieg oder die Verringerung des ersten Brechungsindexes entgegengesetzt dem/der des zweiten Brechungsindexes ist, um ein Beugungsgitter zu erzeugen, das aus abwechselnden Änderungen des ersten und zweiten Brechungsindexes in dem Lichtwellenleiter ausgebildet ist, wobei das kohärente Licht einer speziellen Wellenlänge mittels des Beugungsgitters selektiv und regelmäßig wiederkehrend reflektiert wird, wobei das reflektierte kohärente Licht zu dem Halbleiterlaser zurückgeführt wird, um die Wellenlänge des von dem Halbleiterlaser abgestrahlten kohärenten Lichts auf die spezielle Wellenlänge festzulegen, und die zweiten Harmonischen mit einer zweiten speziellen Wellenlänge regelmäßig wiederkehrend von einer Ausgabe-Endfacette des Lichtwellenleiter ausgegeben werden.
Vorrichtung gemäß Anspruch 20, wobei die optische Wellenlängenkonversionseinrichtung zusätzlich enthält, eine Vielzahl von zweiten Umkehrpolarisationsschichten (99), die in zweiten regelmäßigen Abständen parallel zu den Umkehrpolarisationsschichten derart angeordnet sind, dass sie den Lichtwellenleiter kreuzen, wobei die Polarisation der Umkehrpolarisationsschichten in Richtung auf die -C-Kristallachsenrichtung gerichtet ist, und die zweiten Umkehrpolarisationsschichten durch den Austausch von in dem ferroelektrischen Substrat enthaltenen positiven Ionen durch H⁺-Ionen ausgebildet werden, und eine erste Elektrode (100a), die auf dem ferroelektrischen Substrat und den in +C-Kristallachsenrichtung zu dem Lichtwellenleiter positionierten zweiten Umkehrpolarisationsschichten angeordnet ist, eine zweite Elektrode (100b), die auf dem ferroelektrischen Substrat und den in -C-Kristallachsenrichtung zu dem Lichtwellenleiter positionierten zweiten Umkehrpolarisationsschichten angeordnet ist, und eine elektrische Quelle (94) zum Anlegen einer elektrischen Potentialdifferenz zwischen der ersten und zweiten Elektrode, um zwischen der ersten und zweiten Elektrode durch den Lichtwellenleiter hindurch ein elektrisches Feld zu induzieren, wobei ein erster Brechungsindex der zweiten Umkehrpolarisationsschichten in dem Lichtwellenleiter und ein zweiter Brechungsindex des ferroelektrischen Substrats in dem Lichtwellenleiter gemäß einer Intensität des elektrischen Felds unter der Bedingung geändert werden, dass der Anstieg oder die Verringerung des ersten Brechungsindexes entgegengesetzt dem/der des zweiten Brechungsindexes ist, um ein Beugungsgitter zu erzeugen, das aus abwechselnden Änderungen des ersten und zweiten Brechungsindexes in dem Lichtwellenleiter ausgebildet ist, wobei das kohärente Licht einer speziellen Wellenlänge mittels des Beugungsgitters selektiv reflektiert wird, und das reflektierte kohärente Licht zu dem Halbleiterlaser zurückgeführt wird, um die Wellenlänge des von dem Halbleiterlaser abgestrahlten kohärenten Lichts auf die spezielle Wellenlänge festzulegen.