DE69633585T2

DE69633585T2 - Element zur optischen Wellenlängenumwandlung und Konverter Modul für optische Wellenlängen

Info

Publication number: DE69633585T2
Application number: DE69633585T
Authority: DE
Inventors: Shinichiro Ashigarakami-gun Sonoda; Isao Ashigarakami-gun Tsuruma; Masami Hatori; Kenji Matsumoto
Original assignee: Fuji Photo Film Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 1995-12-08
Filing date: 1996-12-06
Publication date: 2005-10-13
Anticipated expiration: 2016-12-07
Also published as: EP0778488B1; DE69633551D1; EP1302809B1; DE69633585D1; JP3199305B2; EP0778488A1; DE69633551T2; EP1302809A1; US5838486A; JPH09218431A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein optisches Wellenlängenwandlerelement mit einem optischen Wellenleiter, welches eine Grundwelle in eine zweite Harmonische umwandelt, insbesondere betrifft die Erfindung ein optisches Wellenleiterwandlerelement, in welchem ein optischer Wellenleiter in einem ferroelektrischen Kristallsubstrat ausgebildet sind und innerhalb des optischen Wellenleiters periodische Domänenumkehrungen ausgebildet sind. Die Erfindung bezieht sich außerdem auf ein Verfahren zum Herstellen eines solchen optischen Wellenleiterwandlerelements sowie eines optischen Wellenwandlermoduls, das von einem solchen optischen Wellenleiterwandlerelement Gebrauch macht.
Beschreibung des Standes der Technik
Von Bleombergen et al. wurde ein Verfahren zum Umwandeln einer Grundwelle in eine zweite Harmonische durch Verwendung eines optischen Wellenlängenwandlerelements beschrieben, welches in einer Zone ausgebildet ist, in der die spontane Polarisation (Domäne) eines ferroelektrischen Werkstoffs mit nicht-linearem optischen Effekt periodisch umgekehrt wird (vergleiche Phys. Rev., Vol. 127, Nr. 6, 1918 (1962)). Bei diesem Verfahren läßt sich eine Phasenanpassung (eine künstliche Phasenanpassung) zwischen der Grundwelle und der zweiten Harmonischen erreichen durch Einstellen der Mittenabstände Λ der Domänenumkehrungen auf ein ganzzahliges Vielfaches der Kohärenzlänge Λc, gegeben durch die Formel Λc = 2π/{β(2ω) – 2β(ω)}, wobei β(2ω) die Ausbreitungskonstante der zweiten Harmonischen und β(ω) die Ausbreitungskonstante der Grundwelle sind.
Weiterhin wurden Versuche unternommen, in effizienter Weise eine Phasenanpassung in einem optischen Wellenlängenwandlerelement zu erreichen, welches einen optischen Wellenleiter aufweist, gebildet durch ein nicht-lineares optisches Material, wobei das Element die Wellenlänge einer Grundwelle umwandelt, die entlang dem optischen Wellenleiter geführt wird, indem die oben angesprochenen Domänenumkehrungen ausgebildet werden. Vergleiche beispielsweise die japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung Nr. 5 (1993)-29207.
Derartige herkömmliche optische Wellenlängenwandlerelemente mit periodischen Domänenumkehrungen lassen sich grob unterteilen in zwei Typen, abhängig von der Orientierung der spontanen Polarisation des Substrats. Bei dem einen Typ verläuft gemäß 3 die Orientierung der spontanen Polarisation (entsprechend dem Pfeil P) des Substrats 2 rechtwinklig zu der Substratoberfläche 2a, entlang der sich der optische Wellenleiter 1 erstreckt, bei dem anderen Typ verläuft gemäß 4 die Orientierung der spontanen Polarisation (gemäß Pfeil P) des Substrats 2 parallel zur Substratoberfläche 2a, entlang der sich der optische Wellenleiter 1 erstreckt.
Das optische Wellenlängenwandlerelement des erstgenannten Typs ist zum Beispiel in der japanischen ungeprüften Patentveröffentlichung Nr. 5 (1993)-29207 offenbart, es hat den Vorteil, daß die Domänenumkehrungen ausreichend tief in das Substrat hineingreifend ausgebildet werden können. Allerdings hat das optische Wellenlängenwandlerelement des erstgenannten Typs den Nachteil, daß, wenn es in Verbindung mit einem Halbleiterlaser verwendet wird, die Eingabeoptik für die Grundwelle kompliziert wird. Dies soll im folgenden im einzelnen ausgeführt werden.
Bei der in 3 dargestellten Anordnung ist das Strahlmuster des geführten Lichts derart ausgebildet, daß der Strahldurchmesser in der Richtung parallel zur Orientierung des Vektors der Polarisation gemäß Pfeil R im Bereich A in 3 klein und in einer Richtung rechtwinklig dazu groß ist. Außerdem entspricht die Orientierung des Polarisationsvektors der Richtung spontaner Polarisation des Substrats 2 (in ferroelektrischem Material wie beispielsweise LiNbO₃, wobei die Richtung spontaner Polarisation allgemein parallel zur Z-Achse verläuft), wobei der Wellenleitermodus ein TM-Modus ist. Andererseits ist das Strahlmuster eines Laserstrahls 4, der von einem Halbleiterlaser 3 emittiert wird, so orientiert, daß der Strahldurchmesser in der Richtung parallel zur Orientierung des Polarisationsvektors groß ist, entsprechend dem Pfeil Q im Teil B der 1, hingegen klein ist in einer dazu rechtwinkligen Richtung.
Wenn folglich die Polarisationsrichtungen aufeinander angepaßt werden, um den aus dem Halbleiterlaser 3 austretenden Laserstrahl in den optischen Wellenleiter 1 einzubringen, sind die Strahldurchmesser fehlangepaßt, und der Laserstrahl 4 kann nicht effizient in den optischen Wellenleiter 1 eingespeist werden, was dazu führt, daß nur geringe Leistung für die zweite Harmonische erreicht wird.
Um die Polarisationsrichtung des Laserstrahls 4 um 90° zu drehen, während das Strahlmuster des Laserstrahls 4 unverändert bleibt, wird eine komplizierte Grundwellen-Eingabeoptik mit einer λ/2-Platte 7 zwischen einer Kollimatorlinse 5 und einer Kondensorlinse 6 notwendig.
Bei dem optischen Wellenlängenwandlerelement nach 4 hingegen kann die Richtung der linearen Polarisation des Laserstrahls 4 angepaßt werden an die Richtung der Z-Achse des Substrats 2, ohne dazu eine λ/2-Platte zu verwenden, und folglich läßt sich die Grundwellen-Eingabeoptik strukturell einfach ausgestalten, so daß der Halbleiterlaser 3 direkt an eine Stirnfläche des optischen Wellenleiters 1 angekoppelt werden kann. Der Wellenleitermodus ist in diesem Fall der TE-Modus.
Allerdings hat das optische Wellenlängenwandlerelement nach 4 den Nachteil, daß die Domänenumkehrungen 8 nicht ausreichend tief gegenüber der Substratoberfläche 2a ausgebildet werden können. Dies soll im folgenden anhand der 19 erläutert werden.
In 19 bezeichnet D eine Elektrode zur Ausbildung der Domänenumkehrungen 8. Die Domänenumkehrungen 8 sind in Richtung der X-Achse angeordnet, wobei die Dicke des Substrats parallel zur Y-Achse verläuft. Wenn die aktuelle Wellenlänge der Grundwelle für die Wellenlängenumwandlung berücksichtigt wird, liegt der Mittenabstand der Domänenumkehrungen 8, in 19 mit a bezeichnet, in der Größenordnung von einigen μm. Angenommen, der Mittenabstand a der Domänenumkehrungen 8 betrage 5 μm, um ein einfaches Beispiel zu verwenden, so sollte die Breite b der Domänenumkehrung 8 dann 2,5 μm betragen, damit das Verhältnis der Breite der Domänenumkehrung 8 zu derjenigen der nicht umgekehrten Bereiche 1 : 1 beträgt und folglich ein maximaler Wellenlängenwandlungswirkungsgrad erreicht wird. Derzeit ist es schwierig, eine Elektrode D auszubilden, die eine geringere Breite c als 0,5 μm aufweist, so daß unter der Annahme, daß die Elektrode D eine Breite c von 0,5 μm hat, die Domänenumkehrungen 8 eine Breite b von 2,5 μm haben, wenn man die Domänenumkehrung 8 dazu bringt, in Anordnungsrichtung der Domänenumkehrungen 8 von jeder Kante der Elektrode D aus um eine Distanz d (= 1 μm) zu wachsen.
Die Wachstumsrate der Domänenumkehrzone ist groß in einer Richtung parallel zur Orientierung der spontanen Polarisation und ist klein in Richtungen rechtwinklig zur Orientierung der spontanen Polarisation (das heißt in Richtung der X-Achse und Y-Achse). Die Wachstumsrate in Richtung der X-Achse und die in Richtung der Y-Achse sind gleich groß. Wenn folglich Domänenumkehrungen 8 mit einer Breite von 2,5 μm in der oben beschriebenen Weise gefertigt werden, erhält man eine Tiefe (die Abmessung in Richtung der Y-Achse) für die Domänenumkehrungen 8 von etwa 1 μm.
Damit ist in dem in 4 gezeigten Typ von optischem Wellenlängenwandlerelement die Tiefe der Domänenumkehrungen 8 auf etwa 1 μm beschränkt, was kleiner ist als die Feldverteilung des geführten Lichts. Im Ergebnis kommt es zu einer kleinen Überlappung der Domänenumkehrungen 8 des geführten Lichts und zu einem geringen Wellenlängen-Wandlungswirkungsgrad.
In der EP 0 592 226 A1 ist beschrieben, daß relativ tiefe Domänenumkehrungen entlang der Substratoberfläche dann erhalten werden können, wenn die Domänenumkehrungen unter Verwendung des sogenannten Protonenaustauschverfahrens gebildet werden (anstatt unter Verwendung von Elektroden), gefolgt von einem thermischen Diffusionsprozeß, wobei die Richtung der spontanen Polarisation des Substrats gegenüber der Substratoberfläche geneigt ist. Der Grund hierfür besteht darin, daß ein internes elektrisches Feld mit einer Komponente in einer Richtung entgegen der Richtung der spontanen Polarisation in den Grenzbereichen zwischen Substrat und den Protonenaustauschschichten induziert wird, wobei letztere Schichten in dem Substrat nach dem Protonenaustauschverfahren erzeugt wurden. Aufgrund dieser internen elektrischen Feldkomponente wird ein umgekehrter Polarisationskern in den Grenzbereichen gebildet, welcher Kern dazu bringt, durch thermische Ionendiffusion zu wachsen.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Angesichts der obigen Betrachtungen und Erläuterungen ist es Hauptziel der Erfindung, ein optisches Wellenlängenwandlerelement anzugeben, bei dem Domänenumkehrungen ausreichend tief gebildet sind und gleichzeitig ein hoher Wellenlängenumwandlungswirkungsgrad erzielt werden kann ohne die Notwendigkeit einer komplizierten Grundwellen-Eingabeoptik, wenn als Quelle für die Grundwelle ein Halbleiterlaser verwendet wird.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines optischen Wellenlängenwandlermoduls, welches Gebrauch von einem oben beschriebenen optischen Wellenlängenwandlerelement macht und eine in der Wellenlänge umgewandelte Welle hoher Leistung bei hohem Wellenlängenwandlungswirkungsgrad erzeugen kann.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein optisches Wellenlängenwandlerelement geschaffen, welches aufweist: einen optischen Wellenleiter, gebildet in einem ferroelektrischen Kristallsubstrat mit nicht-linearem optischen Effekt, wobei der Wellenleiter sich entlang einer Oberfläche des Substrats erstreckt, und Domänenumkehrungen, die periodisch in dem optischen Wellenleiter ausgebildet und in einer Richtung angeordnet sind, wobei die Orientierung der spontanen Polarisation des Substrats in den Domänenumkehrungen umgekehrt wird, und das optische Wellenlängenwandlerelement dazu dient, die Wellenlänge einer in Richtung der Anordnung der unter der Führung des optischen Wellenleiters laufende Grundwelle umzuwandeln, wobei
die Orientierung der spontanen Polarisation des Substrats einen Winkel θ von mehr als 0° und weniger als 90° gegenüber der einen Substratoberfläche in einer Ebene rechtwinklig zu der Richtung aufweist, in der die Grundwelle geführt wird, wobei jede Domäne umgekehrter Polarisation sich in Richtung der Orientierung der spontanen Polarisation erstreckt.
Wenn der optische Wellenleiter durch Protonenaustausch ausgebildet ist, wird bevorzugt, daß der Winkel θ kleiner als 70° ist, und wenn der optische Wellenleiter durch Protonenaustausch und Wärmebehandlung ausgebildet ist, wird bevorzugt, wenn der Winkel θ kleiner als 20° ist.
Vorzugsweise sollte der Winkel θ größer als 0,2° und noch mehr bevorzugt größer als 0,5° sein.
Als ferroelektrisches Kristallsubstrat sind ein Substrat aus LiNb_xTa_1–xO₃ (0 ≤ × ≤ 1) ohne Dotierung, LiNbO₃ mit einer Dotierung aus MgO oder dergleichen bevorzugt, ferner ein Substrat aus LiNb_xTa_1–xO₃ mit einer Zn-Dotierung, LiNb_xTa_1–xO₃ mit einer Dotierung aus Sc und MgO, KTiOP₄, KNbO₃ oder dergleichen. Ein Substrat aus mit MgO dotiertem LiNbO₃ ist gegenüber optischer Beschädigung widerstandsfähig, und es wird ein Substrat aus LiNb_xTa_1–xO₃ ohne Dotierung bevorzugt.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird das optische Wellenlängenwandlerelement erhalten durch ein Verfahren mit folgenden Schritten:
Ausbilden eines Substrats durch Schneiden eines ferroelektrsichen Einzeldomänen-Kristalls mit einem nicht-linearen optischen Effekt entlang einer Ebene unter einem Winkel θ von mehr als 0° und weniger als 90° gegenüber der Orientierung spontaner Polarisation des ferroelektrischen Kristalls,
Ausbilden von periodischen Domänenumkehrungen in dem Substrat durch Anlegen eines elektrischen Felds in einem vorbestimmten Muster an das Substrat von außerhalb des Substrats, wobei die so erhaltenen Domänen umgekehrter Polarisation sich entlang einer Richtung parallel zur Orientierung der spontanen Polarisation in dem Substrat erstrecken, und
Ausbilden eines optischen Wellenleiters auf dem Substrat, welcher die Domänenumkehrungen enthält und sich entlang einer Oberfläche des Substrats parallel zur Schnittfläche erstreckt.
Bevorzugt wird, wenn das elektrische Feld über Elektroden angelegt wird, die in einem vorbestimmten Muster auf dem Substrat angeordnet sind.
Weiterhin bevorzugt wird, wenn eine elektrische Spannung direkt über die Elektroden an das Substrat angelegt wird.
Das elektrische Feld kann auch mit Hilfe eines Corona-Aufladeverfahrens oder mit Hilfe eines Elektronenbestrahlungsverfahrens aufgebracht werden.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird ein optisches Wellenlängenwandlermodul mit einem optischen Wellenlängenwandlerelement der oben beschriebenen Art und einem Halbleiterlaser zum Eingeben eines Laserstrahls als Grundwelle in den optischen Wellenleiter des optischen Wellenlängenwandlerelements geschaffen, so daß der Laserstrahl in einem TE-Modus durch den optischen Wellenleiter des optischen Wellenlängenwandlerelements geführt wird.
In dem erfindungsgemäßen optischen Wellenlängenwandlerelement ist die Orientierung der spontanen Polarisation des Substrats 2, das ist die Richtung der Z-Achse, nicht normal, das heißt lotrecht zu der Substratoberfläche 2a, wie in 1 gezeigt ist, und selbst wenn also der Laserstrahl 4 aus dem Halbleiterlaser 3 so in den optischen Wellenleiter 1 gelangt, daß seine Richtung linearer Polarisation (Pfeilrichtung Q) parallel zur Substratoberfläche 2a verläuft, eine Wellenlängenumwandlung durch Einsatz der nicht-linearen optischen Konstanten d₃₃ realisiert werden. Die Orientierung des elektrischen Feldvektors des Laserstrahls 4 verläuft parallel zur Substratoberfläche 2a, und der Laserstrahl 4 wird im TE-Modus durch den optischen Wellenleiter 1 geleitet. Dabei ist die effektive nichtlineare optische Konstante d₃₃cosθ. In 1 haben die Elemente, die jenen entsprechen, die oben in Verbindung mit den 3 und 4 erläutert wurden, gleiche Bezugszeichen.
Wenn der Laserstrahl 4 in den optischen Wellenleiter eintritt und dabei seine Richtung linearer Polarisation parallel zur Substratoberfläche 2a verläuft, wird die oben angesprochene λ/2-Platte zum Drehen der linearen Polarisationsrichtung überflüssig, und die Optik zum Eingeben der Grundwelle kann einen einfachen Aufbau haben, was die Möglichkeit bietet, den Halbleiterlaser 3 direkt mit der Stirnfläche des optischen Wellenleiters 1 zu koppeln. Wenn außerdem der Laserstrahl 4 auf diese Weise in den optischen Wellenleiter 1 gelangt, wird der Wirkungsgrad des Einbringens des Laserstrahls 4 in den optischen Wellenleiter 1 groß.
Wenn außerdem die Orientierung der spontanen Polarisation des Substrats 2, das ist die Richtung der Z-Achse, einen Winkel θ zur Substratoberfläche 2a bildet, ist die Tiefe d der Domänenumkehrungen 8 im wesentlichen gleich Ltanθ, wie in 2 gezeigt ist. Wenn allerdings die oben in Verbindung mit 19 beschriebene Ausdehnung der Domänenumkehrungen von 1 μm berücksichtigt wird, so beträgt die Tiefe d der Domänenumkehrungen 8 gemäß folgender Formel (1): d = Ltanθ + 1 μm (1).
Der Wert von L wird nicht nur abhängig von der Größe der Einrichtung zum Anlegen eines elektrischen Felds zum Umkehren der Domäne bestimmt (in 2 sind beispielhaft eine Kammelektrode 10 und eine planare Elektrode dargestellt), sondern der Wert neigt auch zum Größer-Werden mit Anstieg des Winkels θ. Bei dem in 4 gezeigten herkömmlichen Element werden die Domänenumkehrungen 8 mit dem Winkel θ von 0° gebildet, und folglich ist L minimiert. Bei dem herkömmlichen Element nach 3 sind die Domänenumkehrungen 8 mit einem Winkel θ von 90° gebildet, und folglich wird L maximiert, das heißt, die Domäne wird über den gesamten Bereich umgekehrt, der den Elektroden zum Anlegen des elektrischen Felds gegenüberliegt.
Indem man also den Winkel θ bis zu einem gewissen Ausmaß vergrößert, läßt sich die Tiefe d der Domänenumkehrungen 8 ausreichend groß halten. Wenn die Tiefe d der Domänenumkehrungen 8 ausreichend groß ist, läßt sich das Überlappungsintegral der Domänenumkehrungen 8 und des geführten Lichts steigern, was zu einem höheren Wellenlängen-Umwandlungswirkungsgrad führt.
In dem erfindungsgemäßen Wellenlängenwandlermodul ist ein Halbleiterlaser mit dem optischen Wellenlängenwandlerelement gekoppelt, so daß der Laserstrahl im TE-Modus durch den optischen Wellenleiter des Wandlerelements geleitet wird. Folglich erzielt man einen hohen Wirkungsgrad beim Einleiten des Laserstrahls in den optischen Wellenleiter, die Optik zum Einleiten der Grundwelle kann einfach ausgebildet sein, und man kann in der oben erläuterten Weise einen hohen Wellenlängenwandlungswirkungsgrad erzielen.
Es wurde angesprochen, daß ein Lichtstrahl in einem TE-Einzelmodus durch einen Protonenaustausch-Wellenleiter geleitet wird, wenn der Winkel ϕ zwischen der Z-Achse und der Substratoberfläche zwischen 0° und 70° liegt (0° < ϕ < 70°). Hierzu sei verwiesen auf das „Journal of Optical Communications", 5 (1984) 1, Seiten 16 bis 19. Erfindungsgemäß entspricht der Winkel θ dem Winkel ϕ, und wenn folglich der optische Wellenleiter durch Protonenaustausch gebildet wird, ist es bevorzugt, wenn der Winkel θ kleiner als 70° ist, um den Wellenlängenwandlungswirkungsgrad zu verbessern. Außerdem ist es bekannt, daß ein Lichtstrahl in einem TE-Einzelmodus durch einen durch Protonenaustausch und anschließende Wärmebehandlung gebildeten optischen Wellenleiter geleitet wird, wenn der Winkel θ zwischen der Z-Achse und der Substratoberfläche zwischen 0° und 20° liegt (0° < ϕ < 20°). Wenn also der optische Wellenleiter durch Protonenaustausch und anschließende Wärmebehandlung gebildet wird, ist es bevorzugt, wenn der Winkel θ kleiner als 20° ist, falls der Wellenlängenwandlungswirkungsgrad verbessert werden soll.
Außerdem wurde herausgefunden, daß, wenn eine Domänenumkehrstruktur mit einem optimalen Größenverhältnis zur Maximierung des Wellenlängenwandlungswirkungsgrads (wobei das Verhältnis der Breite der Domänenumkehrungen zu jenem der nicht-umgekehrten Bereiche 1 : 1 beträgt) ausgebildet wird, die Abmessung L nach 2 etwa 50 μm wird, solange der Winkel θ sich im Bereich von einigen Grad bewegt. Allgemein gilt: die Feldverteilung des Wellenleitermodus kann bis hinunter zu 1,2 μm betragen. Wenn folglich der Winkel θ auf 0,2° eingestellt wird, wird die Tiefe d der Domänenumkehrungen 1,2 μm, wie sich aus der Formel (1) ablesen läßt, das heißt, der Wert wird im wesentlichen so groß wie die Feldverteilung des Wellenleitermodus. Das heißt: wenn θ > 0,2, können die Domänenumkehrungen nicht kleiner sein als die Feldverteilung des Wellenleitermodus, und man erzielt einen hohen Wellenlängenumwandlungswirkungsgrad.
Obschon die Feldverteilung des Wellenleitermoden bis hinunter zu 1,5 μm reichen kann, kann externes Licht stabiler in den optischen Wellenleiter eintreten, wenn die Feldverteilung stärker wird. Tatsächlich kann externes Licht dann stabil in den optischen Wellenleiter eintreten, wenn die Feldverteilung des Wellenleitermoden größer als 1,4 μm ist. Nach der Formel (1) wird die Tiefe d der Domänenumkehrungen 1,4 μm, wenn der Winkel θ einen Wert von 0,5° hat. Wenn daher θ > 0,5, kann die Grundwelle stabil in den optischen Wellenleiter gelangen, und gleichzeitig überlappen die Domänenumkehrungen in ausreichender Weise die Feldverteilung des Wellenleitermoden, wodurch die Wellenlängenumwandlung effizient erfolgen kann.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Ansicht eines optischen Wellenlängenwandlerelements gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
2 ist eine Ansicht zum Veranschaulichen der Orientierung der Polarisation des Substrats in dem optischen Wellenleiterwandlerelement gemäß der vorliegenden Erfindung,
3 ist eine schematische Ansicht eines Beispiels des herkömmlichen optischen Wellenlängenwandlerelements,
4 ist eine schematische Ansicht eines weiteren Beispiels des herkömmlichen optischen Wellenlängenwandlerelements,
5 ist eine schematische perspektivische Ansicht zum Veranschaulichen der Art und Weise der Ausbildung des optischen Wellenlängenwandlerelements gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung,
6 ist eine schematische Ansicht, die die Art des Schneidens des Substrats zeigt, welches in dem in 5 gezeigten optischen Wellenlängenwandlerelement verwendet wird,
7 ist eine schematische perspektivische Ansicht, die die Domänenumkehrungen veranschaulicht, welche in dem in 5 gezeigten optischen Wellenlängenwandlerelement ausgebildet sind,
8 ist eine schematische perspektivische Ansicht zum Veranschaulichen der Art und Weise, in der das optische Wellenlängenwandlerelement gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung ausgebildet ist,
9 ist eine schematische perspektivische Ansicht zum Veranschaulichen der Art und Weise, in der das optische Wellenlängenwandlerelement gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung ausgebildet ist,
10 ist eine schematische perspektivische Ansicht zum Veranschaulichen der Art und Weise, in der das optische Wellenlängenwandlerelement gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung ausgebildet ist,
11 ist eine schematische perspektivische Ansicht zum Veranschaulichen der Art und Weise, in der das optische Wellenlängenwandlerelement gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung ausgebildet ist,
12 ist eine schematische perspektivische Ansicht zum Veranschaulichen der Art und Weise, in der das optische Wellenlängenwandlerelement gemäß einer sechsten Ausführungsform der Erfindung ausgebildet ist,
13 ist eine schematische perspektivische Ansicht zum Veranschaulichen der Art und Weise, in der das optische Wellenlängenwandlerelement gemäß einer siebten Ausführungsform der Erfindung ausgebildet ist,
14 ist eine schematische perspektivische Ansicht zum Veranschaulichen der Art und Weise, in der das optische Wellenlängenwandlerelement gemäß einer achten Ausführungsform der Erfindung ausgebildet ist,
15 ist eine schematische Seitenansicht eines Beispiels für ein optisches Wellenlängenwandlermodul gemäß der Erfindung,
16 ist eine schematische Seitenansicht eines weiteren Beispiels für ein optisches Wellenlängenwandlermodul gemäß der Erfindung,
17 ist eine Mikrophotographie des Musters von Domänenumkehrungen, die auf dem Substrat in dem optischen Wellenlängenwandlerelement gemäß der Erfindung ausgebildet sind,
18 ist eine Mikrophotographie des Musters von Domänenumkehrungen, die auf dem Substrat eines herkömmlichen optischen Wellenlängenwandlerelements ausgebildet sind, und
19 ist eine Ansicht zum Veranschaulichen des Problems bei dem herkömmlichen optischen Wellenlängenwandlerelement.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Es wurde ein erfindungsgemäßes optisches Wellenlängenwandlerelement gemäß einer Ausführungsform hergestellt. In 5 bezeichnet Bezugszeichen 2 ein Substrat aus mit 5 mol-% MgO dotiertem LiNbO₃, bei dem es sich um ein ferroelektrisches Material mit nicht-linearem optischen Effekt handelt. Dieses ferroelektrische Material wird im folgenden als „MgO-LN" bezeichnet. Das MgO-LN-Substrat 2 wurde hergestellt durch Schneiden eines MgO-LN-Blocks 2' entlang Ebenen unter einem Winkel von 3° (θ = 3°) zur Z-Achse gemäß 6 und Polieren des erhaltenen Teils. Die Genauigkeit des Polierwinkels θ (= 3°) lag innerhalb von ±0,1°. Das MgO-LN-Substrat war ein ferroelektrischer Einzeldomänenkristall mit einer Dicke von zum Beispiel 0,3 mm.
Die Richtung parallel zu den Oberflächen 2a und 2b des so erhaltenen MgO-LN-Substrats 2 rechtwinklig zur X-Achse bildet den Winkel θ (= 3°) zur Z-Achse, und die Richtung senkrecht zu den Substratoberflächen 2a und 2b verläuft unter einem Winkel θ (= 3°) zu der Y-Achse. Diese Richtungen werden im folgenden als „Z'-Richtung" bzw. „Y'-Richtung" aus Gründen der Vereinfachung bezeichnet.
Die kammförmige Elektrode 10 und eine planare Elektrode 11 wurden auf der oberen bzw. der unteren Substratoberfläche 2a und 2b angebracht, und an die Elektroden 10 und 11 wurden impulsförmige Spannungen angelegt, so daß die kammförmige Elektrode 10 auf der +Z-Seite positives und die planare Elektrode 10 auf der –Z-Seite negatives Potential hatte.
Dies bewirkt, daß die Orientierung spontaner Polarisation des Substrats 2, die in +Z-Richtung orientiert war, in dem Bereich, an den die Spannung angelegt war, umgekehrt wurde, wie aus 7 hervorgeht, so daß die Domänenumkehrungen 8 ausgebildet wurden. Da die Orientierung spontaner Polarisation unter θ (= 3°) gegenüber der Substratoberfläche 2a geneigt ist, ist auch die Orientierung der Polarisation der Domänenumkehrungen 8 unter θ (= 3°) gegenüber der Substratoberfläche 2a geneigt.
Obschon bei dieser Ausführungsform die Elektroden 10 und 11 aus Cr gebildet waren, können sie aus irgendeinem Werkstoff gebildet sein, solange dieser Werkstoff einen ausreichend geringeren elektrischen Widerstand besitzt als das MgO-LN-Substrat 2. Die Elektroden 10 und 11 können mittels bekannter Photolithographie gebildet werden. Sie können beispielsweise mit einer Dicke von 20 bis 100 μm und einer Länge L1 von 6 mm gebildet werden. Die Lücke G zwischen den Elektroden 10 und 11 kann beispielsweise 100 bis 500 μm betragen. Der Mittenabstand A der Finger der kammförmigen Elektrode 10 betrug 4,75 μm, und die Finger hatten eine Länge von 1000 μm und eine Breite von 0,5 μm. Die Breite der planaren Elektrode 11, das heißt die Abmessung in Z'-Richtung, betrug 100 μm.
Das Anlegen der elektrischen Spannung erfolgte unter Vakuum, beispielsweise nicht über 5 × 10^–5 Torr, um einen elektrischen Leckstrom zu vermeiden. Ansonsten läßt sich das Anlegen der elektrischen Spannung in einem elektrischen Isolieröl vornehmen. Die Impulsbreite der elektrischen Spannung liegt zwischen 1 und 10 Sekunden.
Jede der Domänenumkehrungen 8 spreizt sich in der Richtung normal zur Z-Achse bei Anlegen einer erhöhten elektrischen Spannung breiter auf. Wie bekannt ist, wird der Wirkungsgrad der Wellenlängenumwandlung dann maximiert, wenn das Verhältnis der Länge (gemessen in der Richtung, in welcher das Licht durch den Wellenleiter geleitet wird) der Domänenumkehrungen 8 zu der Länge der nicht-umgekehrten Bereiche 1 : 1 beträgt. Dieses Verhältnis wird dann 1 : 1, wenn die angelegte Spannung etwa 4000 Volt beträgt, falls die Lücke G 200 μm beträgt, und wenn die angelegte elektrische Spannung bei einer Lücke G von 400 μm einen Wert von etwa 3500 Volt hat. Die Werte der Spannungen gelten für das Substrat bei Zimmertemperatur. Wenn die Temperatur des Substrats zum Beispiel 200°C beträgt, können die elektrischen Spannungen etwa ein Drittel des oben angegebenen Werts ausmachen.
Das so mit den Domänenumkehrungen 8 ausgebildete MgO-LN-Substrat 2 wurde entlang einer Ebene normal zu der Z'-Richtung geschnitten, und die Schnittfläche wurde 20 Minuten lang unter Einsatz einer Ätzflüssigkeit aus einem 1 : 2-Gemisch aus HF und HNO₃ nach optischem Polieren selektiv geätzt. Durch dieses selektive Ätzen werden die Domänenumkehrungen 8 sowie die nicht-umgekehrten Bereiche in unterschiedlichem Ausmaß geätzt, bedingt durch die Abweichung in den chemischen Eigenschaften, und man kann mit einem Mikroskop den Zustand der Domänenumkehrungen 8 betrachten.
17 ist eine Mikrophotographie der Schnittfläche, 18 ist eine Mikrophotographie einer ähnlichen Schnittfläche bei einem herkömmlichen optischen Wellenlängenwandlerelement, wie es in 4 gezeigt ist (mit einem MgO-LN-Substrat). Die Mikrophotographien weisen eine Vergrößerung von 2000 auf. Wie man aus dem Vergleich der Mikrophotographien ersehen kann, sind die Domänenumkehrungen in dem MgO-LN-Substrat 2 mit den Domänenumkehrungen 8, die in der oben beschriebenen Weise ausgebildet sind, tiefer.
Das heißt: die Tiefe der Domänenumkehrungen 8, die in der oben beschriebenen Weise gebildet werden, beträgt 2 bis 3 μm, was 2- bis 3-mal so tief ist wie bei dem in 4 gezeigten herkömmlichen optischen Wellenlängenwandlerelement (dort beträgt die Tiefe 1 μm).
Dann wurde ein optischer Kanalwellenleiter in folgender Weise innerhalb des MgO-LN-Substrats 2 ausgebildet. Durch bekannte Photolithographie wurde in der Nähe des vorde ren Endes der kammförmigen Elektrode 10, wo die Domänenumkehrung am tiefsten ist, eine Metallmaske 5 (bei dieser Ausführungsform aus Ta) mit einer Breite von 9 μm in Z'-Richtung gebildet. Dann wurde das Substrat 2 in Pyrophosphorsäure 64 Minuten bei 160°C einem Protonenaustausch unterzogen. Mit Hilfe einer Ätzlösung wurde die Ta-Maske entfernt, und das Substrat 2 wurde in der Atmosphäre eine Stunde lang bei 350°C geglüht. Auf diese Weise wurde ein optischer Kanalwellenleiter 1 ausgebildet, der sich in der Anordnungsrichtung der Domänenumkehrungen 8 erstreckte.
Anschließend wurden die –X-Seite und die +X-Seite des MgO-LN-Substrats 2 einschließlich der Stirnflächen des optischen Kanalwellenleiters 1 optisch poliert, wodurch ein optisches Wellenleiterwandlerelement 20 erhalten wurde, welches anschließend zusammen mit einem Halbleiterlaser 3 als Grundwellenquelle und einem optischen Einspeisungssystem für die Grundwelle, bestehend aus einer Kollimatorlinse 5 und einer Kondensorlinse 6, zu einem in 1 gezeigten optischen Wellenlängenwandlermodul zusammengebaut wurde. Als Halbleiterlaser 3 wurde ein Halbleiterlaser verwendet, der eine Wellenlänge von etwa 950 nm emittierte, und der Laserstrahl 4 aus dem Halbleiterlaser 3 wurde dazu gebracht, in das optische Wellenlängenwandlerelement 20 einzutreten, um dadurch eine zweite Harmonische zu erzeugen, deren Wellenlänge der halben Wellenlänge des Laserstrahls 4 entsprach.
Aufgrund der Domänenumkehrungsstruktur, in der die Domänenumkehrungen 8 in Laufrichtung der Grundwelle (des Laserstrahls 4) periodisch angeordnet waren, erfuhren der Laserstrahl 4 und die zweite Harmonische eine gegenseitige Phasenanpassung (eine sogenannte künstliche Phasenanpassung). Bei dieser speziellen Ausführungsform befand sich zwischen der Kollimatorlinse 5 und der Kondensorlinse 6 ein Bandpaßfilter 9, um die Longitudinalmode des Halbleiterlasers 3 zu sperren.
In dem optischen Wellenlängenwandlermodul läßt sich, weil die Orientierung der spontanen Polarisation des Substrats 2, das ist die Richtung der Z-Achse, nicht normal auf der Substratoberfläche 2a steht, selbst dann, wenn der Laserstrahl 4 aus dem Halbleiterlaser 3 in den optischen Wellenleiter 1 eintritt, wobei seine Richtung linearer Polarisation (die Pfeilrichtung Q) parallel zur Substratoberfläche 2a verläuft, eine Wellenlängenumwandlung mit Hilfe der nicht-linearen optischen Konstanten d₃₃ realisieren. Da in diesem Fall das Strahlmuster des aus dem Halbleiterlaser 3 kommenden Laserstrahls mit demjenigen des durch den optischen Wellenleiter 1 laufenden Laserstrahls übereinstimmt, kann der aus dem Halbleiterlaser 3 kommende Laserstrahl mit hohem Wirkungsgrad in den optischen Wellenleiter 1 eingespeist werden, so daß die Intensität der erzeugten zweiten Harmonischen einen hohen Wert haben kann. Der Laserstrahl 4 wird in einem TE-Mode durch den optischen Wellenleiter 1 geleitet, und dabei beträgt die effektive nicht-lineare optische Konstante d₃₃cosθ.
Der Umwandlungswirkungsgrad bei der Wellenlängenumwandlung beträgt in diesem Fall 180%/Wcm², was beträchtlich höher ist als der Wert von 55%/Wcm², der mit einem herkömmlichen optischen Wellenlängenwandlerelement erreicht wird, welches erzeugt wird durch Ausbilden eines optischen Wellenleiters und einer periodischen Domänenumkehrstruktur auf einem X- oder Y-Schnitt-LiTaO₃-Substrat, wie es zum Beispiel beschrieben ist in „Technical Digest Of The Fourth Microoptics Conference And The Eleventh Topical Meeting On Gradient-index Optical Systems" (Seite 154).
Im folgenden wird anhand der 8 eine zweite Ausführungsform der Erfindung beschrieben. In 8 sind Elemente analog zu jenen in 5 mit gleichen Bezugszeichen versehen und werden hier nicht noch einmal beschrieben.
Die zweite Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform nur dadurch, daß sowohl die kammförmige Elektrode 10 als auch die planare Elektrode 11 auf derselben Elektrodenoberfläche 2a ausgebildet sind. Zwischen die Elektroden 10 und 11 werden ebenso wie bei der ersten Ausführungsform Impulsspannungen gelegt. Die Formen der Elektroden 10 und 11, die Lücke G zwischen ihnen und weitere Größen sind die gleichen wie bei der ersten Ausführungsform.
Allerdings beträgt bei dieser Ausführungsform das Verhältnis der Domänenumkehrungen 8 zu den nicht-umgekehrten Bereichen 1 : 1, wenn die angelegte elektrische Spannung etwa 1500 Volt bei einer Größe der Lücke G 200 μm beträgt, und wenn die elektrische angelegte Spannung bei einer Größe der Lücke G von 400 μm einen Wert von 3000 Volt hat. Die Werte der Spannung gelten für das Substrat bei Raumtemperatur, beträgt die Temperatur des Substrats beispielsweise 200°C, so können die elektrischen Spannungen etwa ein Drittel des genannten Werts betragen.
Auch bei dieser Ausführungsform betrug die Tiefe der Domänenumkehrungen 8 2 bis 3 μm, was dem Zwei- bis Dreifachen der Tiefe (von etwa 1 μm) des in 4 gezeigten herkömmlichen optischen Wellenlängenwandlerelements entspricht.
Anschließend wurde ein optischer Kanalwellenleiter in der gleichen Weise wie bei der ersten Ausführungsform in dem MgO-LN-Substrat 2 ausgebildet, und die –X-Fläche und die +X-Fläche des MgO-LN-Substrats 2 einschließlich der Stirnfläche des optischen Kanalwellenleiters 1 wurden optisch poliert, um ein optisches Wellenlängenwandlerelement 20 zu erhalten. Als das so ausgebildete optische Wellenlängenwandlerelement 20 dazu benutzt wurde, eine zweite Harmonische in der oben in Verbindung mit 1 beschriebenen Weise zu bilden, ergab sich ein Umwandlungswirkungsgrad für die Wellenlängenumwandlung von 180%/Wcm², was ausreichend hoch ist.
Im folgenden wird anhand der 9 eine dritte Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Die dritte Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform nur dadurch, daß die planare Elektrode 11 an einer Stirnfläche zwischen den Elektrodenflächen 2a und 2b angebracht ist. Zwischen die Elektroden 10 und 11 wurden in der gleichen Weise wie bei der ersten Ausführungsform Impulsspannungen gelegt. Die Formen der Elektroden 10 und 11, die Lücke G zwischen ihnen und ähnliche Parameter waren die gleichen wie bei der ersten Ausführungsform.
Bei dieser Ausführungsform wird das Verhältnis der Domänenumkehrungen 8 zu dem der nicht-umgekehrten Bereiche dann 1 : 1, wenn die bei einer Lücke G von 200 μm angelegte elektrische Spannung etwa 1500 Volt beträgt und die bei einer Lücke G von 400 μm angelegte elektrische Spannung etwa 3000 Volt beträgt. Die Werte für die Spannung gelten für das Substrat bei Zimmertemperatur, liegt die Temperatur der Substrats bei beispielsweise 200°C, betragen die elektrischen Spannungen etwa ein Drittel des oben genannten Werts.
Auch bei dieser Ausführungsform betrug die Tiefe der ausgebildeten Domänenumkehrungen 8 2 bis 3 μm, was zwei- bis dreimal so tief ist wie bei dem einen Wert von etwa 1 μm aufweisenden herkömmlichen optischen Wellenlängenwandlerelement nach 4.
Anschließend wurde ein optischer Kanalwellenleiter in dem MgO-LN-Substrat in der gleichen Weise wie bei der ersten Ausführungsform ausgebildet, und die –X-Fläche und die +X-Fläche des MgO-LN-Substrats 2 einschließlich der Stirnflächen des optischen Kanalwellenleiters 1 wurden optisch poliert, wodurch ein optisches Wellenlängenwandlerelement 20 erhalten wurde. Als dieses dazu eingesetzt wurde, eine zweite Harmonische in der oben in Verbindung mit 1 erläuterten Weise zu erzeugen, ergab sich ein Umwandlungswirkungsgrad für die Wellenlängenumwandlung von 180%/Wcm², was ausreichend hoch ist.
Im folgenden wird eine vierte Ausführungsform der Erfindung anhand der 10 erläutert.
Die vierte Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform in der Art und Weise des Anlegens eines elektrischen Felds an das MgO-LN-Substrat 2. Bei dieser Ausführungsform wird das elektrische Feld mittels Corona-Aufladung angelegt. Zu diesem Zweck wurde eine kammförmige Elektrode 10 wie bei der ersten Ausführungsform an der Substratoberfläche 2a angebracht und mit Masse verbunden. Außerdem wurde gegenüber der anderen Substratoberfläche 2b ein Coronakopf 30 angebracht, und zwischen die Elektrode 10 und den Coronakopf 3 wurde eine elektrische Spannung gelegt, demzufolge die Kammelektrode 10 positives und der Coronakopf 30 negatives Potential hatte, wodurch mittels Corona-Aufladung ein elektrisches Feld angelegt wurde.
Dies führt zu der Orientierung spontaner Polarisation des Substrats 2, die in +Z-Richtung orientiert war, die in dem Bereich umgekehrt ist, in welchem die Spannung angelegt wird, so daß die Domänenumkehrungen 8 genauso ausgebildet wurden, wie dies in 7 gezeigt ist. Da die Orientierung der spontanen Polarisation um θ (= 3°) auch in diesem Fall gegenüber der Substratoberfläche 2a geneigt ist, ist auch die Orientierung der Polarisation der Domänenumkehrungen 8 unter dem Winkel θ (= 3°) gegenüber der Substratoberfläche 2a geneigt.
Das Anlegen des elektrischen Felds durch Corona-Aufladung erfolgte durch Anordnen der Kammelektrode 10 in Vakuum, wobei der Coronakopf 30 in der Atmosphäre angeordnet war, um elektrischen Leckstrom zu vermeiden. Ansonsten kann die Kammelektrode in elektrischem Isolieröl angeordnet sein. Es ist bevorzugt, wenn das elektrische Feld impulsweise mit einer Impulsbreite von 1 bis 10 Sekunden angelegt wird.
Die auf diese Weise ausgebildeten Domänenumkehrungen 8 wurden durch ein Mikroskop betrachtet. Auch bei dieser Ausführungsform war die Tiefe der Domänenumkehrungen 8 zwei- bis dreimal so tief wie bei dem in 4 gezeigten herkömmlichen optischen Wellenlängenwandlerelement, dort hatte die Tiefe einen Wert von 1 μm.
Anschließend wurde ein optischer Kanalwellenleiter in dem MgO-LN-Substrat 2 in der gleichen Weise wie bei der ersten Ausführungsform ausgebildet, und die –X-Seite sowie die +X-Seite des MgO-LN-Substrats 2 einschließlich der Stirnflächen des optischen Kanalwellenleiters 1 wurden optisch poliert, um ein optisches Wellenlängenwandlerelement 20 zu erhalten. Als das so erhaltene optische Wellenlängenwandlerelement 20 dazu benutzt wurde, eine zweite Harmonische in der oben in Verbindung mit 1 beschriebenen Weise zu erzeugen, ergab sich ein Umwandlungswirkungsgrad für die Wellenlängenumwandlung von 180%/Wcm², was ein ausreichend großer Wert ist.
Im folgenden wird eine fünfte Ausführungsform der Erfindung anhand der 11 erläutert.
Die fünfte Ausführungsform unterscheidet sich von den vorhergehenden Ausführungsformen in der Art des Anlegens eines elektrischen Felds an das MgO-LN-Substrat 2. Bei dieser Ausführungsform wurden an den Substratoberflächen 2a und 2b eine Kammelektrode 10 und eine Planarelektrode 11, wie sie in 5 gezeigt sind, angebracht. Die Kammelektrode 10 wurde auf Masse gelegt, und auf die Planarelektrode 11 wurden impulsweise Elektronenstrahlen 40 aufgestrahlt, wodurch ein elektrisches Feld angelegt wurde, demzufolge die Kammelektrode 10 auf der +Z-Seite positives und die Planarelektrode 11 auf der –Z-Seite negatives Potential hatte.
Dies bewirkt, daß die Orientierung spontaner Polarisation des Substrats 2, die in +Z-Richtung verlief, in dem Bereich umgekehrt wurde, an den die Spannung angelegt wurde, so daß die Domänenumkehrungen 8 gemäß 7 ausgebildet wurden. Da die Orientierung der spontanen Polarisation auch in diesem Fall gegenüber der Substratoberfläche 2a um θ (= 3°) geneigt ist, ist auch die Orientierung der Polarisation der Domänenumkehrungen 8 unter θ (= 3°) gegenüber der Substratoberfläche 2a geneigt.
Die Bestrahlung mit Elektronenstrahlen 40 erfolgte unter Vakuum, beispielsweise von nicht mehr als 5 × 10^–5 Torr, um elektrischen Leckstrom zu vermeiden. Die Impulsbreite der Elektronenstrahlen kann 1 bis 10 Sekunden betragen.
Wenn die Domänenumkehrungen 8 auf diese Weise ausgebildet werden, beträgt das Verhältnis der Domänenumkehrungen zu dem der nicht-umgekehrten Bereiche dann 1 : 1, wenn im Fall einer Lücke G zwischen den Elektroden 10 und 11 von 200 μm die angelegte elektrische Spannung etwa 4000 Volt beträgt, und bei einer Lücke G von 400 μm etwa 3500 Volt beträgt. Die Spannungswerte gelten für das Substrat bei Zimmertemperatur, liegt die Temperatur des Substrats zum Beispiel bei 200°C, können die elektrischen Spannungen etwa ein Drittel von dem genannten Wert betragen.
Die so ausgebildeten Domänenumkehrungen 8 wurden durch ein Mikroskop betrachtet. Auch bei dieser Ausführungsform war die Tiefe der Domänenumkehrungen 8 zwei- bis dreimal so groß wie die (etwa 1 μm) des in 4 gezeigten herkömmlichen optischen Wellenlängenwandlerelements.
Dann wurde in dem MgO-LN-Substrat 2 in der gleichen Weise wie bei der ersten Ausführungsform ein optischer Kanalwellenleiter gebildet, und die –X-Fläche sowie die +X-Fläche des MgO-LN-Substrats 2 einschließlich der Stirnflächen des optischen Kanalwellenleiters 1 wurden optisch poliert, um ein optisches Wellenlängenwandlerelement 20 zu bilden. Als das so erhaltene Wandlerelement 20 dazu eingesetzt wurde, eine zweite Harmonische in der oben in Verbindung mit 1 erläuterten Weise zu erzeugen, ergab sich ein ausreichend hoher Wandlungswirkungsgrad für die Wellenlängenwandlung von 180%/Wcm².
Im folgenden wird anhand der 12 eine sechste Ausführungsform der Erfindung erläutert.
Die sechste Ausführungsformn unterscheidet sich von der fünften Ausführungsformn in der Lage der Planarelektrode 11. Bei dieser Ausführungsform ist die Planarelektrode 11 an der Oberfläche 2a des MgO-LN-Substrats 2 zusammen mit der Kammelektrode 10 angebracht, und zur Bildung der Domänenumkehrungen 8 werden Elektronenstrahlen 40 auf die Planarelektrode 11 aufgestrahlt.
Im folgenden wird anhand der 13 eine siebte Ausführungsform der Erfindung erläutert.
Die siebte Ausführungsform unterscheidet sich von der fünften Ausführungsform in der Lage der Planarelektrode 11. Bei dieser Ausführungsform ist die Planarelektrode 11 an der Stirnfläche des MgO-LN-Substrats 2 zwischen den Oberflächen 2a und 2b angebracht, und Elektronenstrahlen 40 werden zur Bildung der Domänenumkehrungen 8 auf die Planarelektrode 11 aufgestrahlt.
Im folgenden wird anhand der 14 eine achte Ausführungsform der Erfindung erläutert.
Die achte Ausführungsform unterscheidet sich von der fünften bis siebten Ausführungsform dadurch, daß die Planarelektrode 11 nicht vorhanden ist und die Elektronenstrahlen 40 auf die Oberfläche 2b des MgO-LN-Substrats 2 aufgestrahlt werden, um zur Ausbildung der Domänenumkehrungen 8 die Oberfläche 2b zweidimensional abzutasten.
Obschon der Longitudinalmode des Halbleiterlasers 3 durch das Bandpaßfilter 9 in dem in 1 gezeigten Wellenlängenwandlermodul gesperrt wird, besteht die Möglichkeit, den Longitudinalmoden mit anderen Verfahren zu sperren. Beispielsweise werden bei dem in 15 gezeigten Wellenlängenwandlermodul der Laserstrahl 4 und dessen zweite Harmonische 4', die aus dem optischen Wellenleiterwandlerelement 20 austreten, von einer Kollimatorlinse 50 kollimiert, anschließend wird die zweite Harmonische 4' an einem dichroitischen Spiegel 51 reflektiert, während der Laserstrahl 4 den dichroitischen Spiegel 51 durchläuft und an einem Gitter 52 reflektiert wird, um zu dem Halbleiterlaser 30 zurückzukehren. Das heißt: der Longitudinalmode des Halbleiterlasers 3 wird aufgrund des wellenlängenselektiven Effekts des Gitters 52 gesperrt.
Bei dem in 16 gezeigten Wellenlängenwandlermodul ist der Halbleiterlaser 3 direkt an die Stirnfläche des optischen Wellenlängenwandlerelements 20 gekoppelt, und der Longitudinalmode des Halbleiterlasers 3 wird von einem DBR-(distributed Bragg reflection)Gitter (nicht dargestellt) gesperrt, welches in dem aktiven Medium des Halbleiterlasers 3 ausgebildet ist.
Ferner braucht das Verfahren zum Anbringen eines elektrischen Felds an das MgO-LN-Substrat 2 nicht beschränkt zu sein auf die obigen Angaben, nämlich das direkte Anlegen einer elektrischen Spannung über Elektroden, einer Corona-Aufladung und das Aufstrahlen von Elektronenstrahlen. Beispielsweise kann ein elektrisches Feld auch durch Aufstrahlen eines fokussierenden Ionenstrahls geschehen.
Obschon bei dem oben beschriebenen MgO-LN-Substrat 2 die Z-Achse und die Y-Achse gegenüber Richtungen parallel und senkrecht zur Substratoberfläche 2a versetzt sind, können ähnliche Ergebnisse dann erzielt werden, wenn zumindest die Z-Achse gegenüber der Richtung parallel zur Substratoberfläche 2a versetzt ist.
Anstelle des durch Protonenaustausch und Glühen gebildeten optischen Wellenleiters kann ein optischer Wellenleiter verwendet werden, der durch Diffundieren von Ti gebildet wird.

Claims

Optisches Wellenlängenwandlerelement, umfassend einen optischen Wellenleiter, der in einem ferroelektrischen Kristallsubstrat mit nicht-linearem optischen Effekt ausgebildet ist und sich entlang einer Oberfläche des Substrats erstreckt, und Domänenumkehrungen, die in dem optischen Wellenleiter periodisch ausgebildet und in einer Richtung angeordnet sind, wobei die Orientierung der spontanen Polarisation des Substrats in den Domänenumkehrungen umgekehrt ist und das optische Wellenlängenwandlerelement dazu dient, die Wellenlänge einer sich in Anordnungsrichtung der Domänenumkehrungen unter Führung des optischen Wellenleiters ausbreitenden Grundwelle umzuwandeln, wobei die Orientierung der spontanten Polarisation des Substrats einen Winkel θ von mehr als 0° und weniger als 90° zu der einen Oberfläche des Substrats in einer Ebene bildet, die lotrecht zu der Richtung verläuft, in der die Grundwelle geführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß jede Domäne umgekehrter Polarisation ("Domänenumkehrung") sich in der Richtung der Orientierung spontaner Polarisation erstreckt.
Optisches Wellenlängenwandlerelement nach Anspruch 1, bei dem der optische Wellenleiter durch Protonenaustausch gebildet ist und der Winkel θ kleiner als 70° ist.
Optisches Wellenlängenwandlerelement nach Anspruch 2, bei dem der Winkel θ 3° beträgt.
Optisches Wellenlängenwandlerelement nach Anspruch 2, bei dem der optische Wellenleiter durch Protonenaustausch und Wärmebehandlung gebildet ist und der Winkel θ kleiner als 20° ist.
Optisches Wellenlängenwandlerelement nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 4, bei dem der Winkel θ größer als 0,2° ist.
Optisches Wellenlängenwandlerelement nach Anspruch 5, bei dem der optische Wellenleiter durch Protonenaustausch und Wärmebehandlung gebildet ist und der Winkel θ größer als 0,5° ist.
Optisches Wellenlängenwandlerelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem das ferroelektrische Kristallsubstrat aus LiNb_XTa_1–xO₃(0 ≤ X ≤ 1) gebildet ist.
Optisches Wellenlängenwandlerelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem das ferroelektrische Kristallsubstrat aus LiNbO₃, dotiert mit MgO, gebildet ist.
Optisches Wellenlängenwandlermodul, umfassend ein optisches Wellenlängenwandlerelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8 und einen Halbleiterlaser zum Einleiten eines Laserstrahls als Grundwelle in den optischen Wellenleiter des optischen Wellenlängenwandlerelements derart, daß der Laserstrahl in einem TE-Modus durch den optischen Wellenleiter des optischen Wellenlängenwandlerelements geführt wird.
Verfahren zum Herstellen eines optischen Wellenlängenwandlerelements gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, umfassend folgende Schritte: Ausbilden eines Substrats durch Schneiden eines ferroelektrischen Einzeldomänenkristalls mit nicht-linearem optischen Effekt entlang einer Ebene unter einem Winkel θ, der größer als 0° und kleiner als 90° ist, gegenüber der Orientierung der spontanen Polarisation des ferroelektrischen Kristalls; Ausbilden von periodischen Domänenumkehrungen innerhalb des Substrats durch Anlegen eines elektrischen Felds in einem vorbestimmten Muster an das Substrat von außerhalb des Substrats, wobei sich die so erhaltenen Domänen umgekehrter Polarisation ("Domänenumkehrungen") entlang einer Richtung parallel zur Orientierung der spontanen Polarisation in dem Substrat erstrecken; und Ausbilden eines optischen Wellenleiters innerhalb des Substrats, welcher die Domänenumkehrungen beinhaltet und sich entlang einer Oberfläche des Substrats parallel zu der Schnittfläche erstreckt.