DE69735462T2

DE69735462T2 - Verfahren zur Herstellung eines optischen Wellenleiters mit periodischer Domäneninversion

Info

Publication number: DE69735462T2
Application number: DE69735462T
Authority: DE
Inventors: Tatsuo Tenpaku-Ku Nagoya City Kawaguchi; Takashi Tenpaku-Ku Nagoya City Yoshino; Minoru Naka-ku Nagoya City Imaeda; Kiminori Neyagawa City Mizuuchi; Kazuhisa Takatsuki City Yamamoto
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1996-04-15
Filing date: 1997-04-14
Publication date: 2006-11-16
Anticipated expiration: 2017-04-15
Also published as: US5943465A; EP0802447B1; EP0802447A3; EP0802447A2; JPH103100A; DE69735462D1

Description

Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Lichtwellenleiterelements, das als Vorrichtung zur Erzeugung der zweiten Harmonischen (SHG) eines quasi-phasenangepassten (QPM) Systems verwendet werden kann.
Stand der Technik
Als Strahlenlichtquelle eines blauen Lasterstrahlenlichts für einen Lichtabnehmer usw. wird üblicherweise eine SHG-Vorrichtung eines QPM-Systems unter Einsatz eines Lichtwellenleiterelements mit periodischer domänenumgekehrter Struktur auf Lithiumniobat- oder Lithiumtantalat-Einkristall verwendet. Eine solche Vorrichtung kann einer Vielzahl an Anwendungsmöglichkeiten zugeführt werden; Beispiele dafür sind optische Speicherplatten, medizinische Anwendungen, photochemische Anwendungen und diverse optische Messungen. Beispielsweise beschreiben JP-A 4-104.233 und die ihr entsprechende EP 0486769 , auf der der Oberbegriff von Ansprüchen 1 und 7 beruht, dass ein Film auf einem ferroelektrischen optischen Einkristallsubstrat wachsen gelassen wird, das einer Behandlung zur Erzeugung einzelner Kristalldomänen (nachstehend als „Einzeldomänen" bezeichnet) durch Flüssigphasenepitaxiewachstums-Prozess unterzogen wurde, und dass der Film mit einer zu diesem Zeitpunkt höheren Curie-Temperatur als die Filmbildungstemperatur (Flüssigphasenepitaxie-Temperatur) verwendet wird, wodurch ein ferroelektrischer optischer Einkristallfilm mit Einzeldomäne gegenüber dem Substrat entsteht. Der Film wird zum Mehrdomänenfilm, wenn er eine Curie-Temperatur aufweist, die unter der Filmbildungstemperatur liegt.
Ein solches Verfahren könnte aber nur einen Film mit einer Zusammensetzung hervorbringen, deren Curie-Temperatur höher als die Flüssigphasenepitaxiewachstums- Temperatur ist, weshalb die Zusammensetzung des Films sehr starken Einschränkungen unterliegt und das Verfahren demnach nicht praktikabel ist.
Insbesondere wenn eine durch dieses Verfahren erzeugte domänenumgekehrte Struktur für eine SHG-Vorrichtung usw. verwendet würde, wäre davon auszugehen, dass der durch den Lichtstrahl bewirkte Schaden zunimmt, wodurch sich das Verhältnis zwischen SHG-Ein- und Ausgangssignal verringern würde; aus diesem Grund könnte keine praktikable Vorrichtung bereitgestellt werden.
Als Verfahren zur Herstellung einer vorstehende und vertiefte Abschnitte aufweisenden Struktur für QPM auf einer Oberfläche oder Hauptfläche des ferroelektrischen Substrats wurde bislang ein Trockenverfahren wie z.B. reaktives Ionenätzen angewendet. Allerdings führte dieses Verfahren zu umfangreicher Schädigung des Substrats, wodurch dessen kristalline Eigenschaft stark beeinträchtigt wurde. Bei der Anwendung des Verfahrens zur Herstellung einer SHG-Vorrichtung waren der Umwandlungswirkungsgrad und die Beständigkeit gegenüber optischen Schäden der SHG-Vorrichtung gering.
Da der Umwandlungswirkungsgrad der SHG-Vorrichtung im Verhältnis zur Leistungsdichte der ersten harmonischen Grundwelle verbessert wird, erzielt man mit einer Steigerung der Wellenleiterleistung der ersten harmonischen Grundwelle mittels eines Lichtwellenleiters gute Ergebnisse. Zu diesem Zweck muss der Lichtwellenleiter in eine dreidimensionale Kanalwellenleiterstruktur umgewandelt werden. Um allerdings diesen Kanalwellenleiter bereitzustellen, ist Ionenaustausch, Metalldiffusion oder Trockenätzen wie z.B. reaktives Ionenätzen erforderlich, und dies schädigt das Substrat beträchtlich und beeinträchtigt somit auch dessen kristalline Eigenschaft. Demzufolge nehmen die Beständigkeit gegenüber optischen Schäden und der Umwandlungswirkungsgrad des optischen Elements der SHG-Vorrichtung ab. Außerdem ist die Komplexität des Herstellungsverfahrens gestiegen, wodurch die Produktionseffizienz sank.
Zusammenfassung der Erfindung
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Verbesserung der Beständigkeit gegenüber optischen Schäden der domänenumgekehrten Struktur usw., wenn diese auf dem ferroelektrischen optischen Einkristallsubstrat angeordnet ist.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schadensminderung des ferroelektrischen optischen Einkristallsubstrats zu diesem Zeitpunkt und die Verbesserung der kristallinen Eigenschaft des Substrats nach der Behandlung, wodurch die Beständigkeit gegenüber optischen Schäden und der Wirkungsgrad der periodischen domänenumgekehrten Struktur verbessert werden können.
Die vorliegende Erfindung bietet ein Verfahren zur Herstellung eines Lichtwellenleiterelements nach Ansprüchen 1 und 7.
Die Erfinder untersuchten die Herstellung von Lichtwellenleitervorrichtungen und -elementen mit periodischer domänenumgekehrter Struktur, um die Beständigkeit gegenüber optischer Schädigung der Lichtwellenleitervorrichtungen und -elemente wie auch Ausgangssignal und den Umwandlungswirkungsgrad zu verbessern. Während dieser Untersuchungen stellten die Erfinder fest, dass ein ferroelektrischer optischer Einkristallfilm mit hervorragender kristalliner Eigenschaft erzeugt werden kann, indem eine Maske eines Musters (entspricht einer domänenumgekehrten Struktur) auf einer Oberfläche des ferroelektrischen optischen Einkristallsubstrats bereitgestellt wird, die nicht maskierten Abschnitte des Substrats selektiv protonenausgetauscht werden, die protonenausgetauschten Abschnitte selektiv geätzt werden, um vorstehende und vertiefte Abschnitte zu bilden, und der ferroelektrische optische Einkristallfilm auf den vorstehenden und vertieften Abschnitten durch einen Flüssigphasenepitaxiewachstums-Prozess wachsen gelassen wird. Die Anmelder stellten überdies fest, dass die kristalline Eigenschaft des ferroelektrischen optischen Einkristallsubstrats während des gesamten Produktionsverfahrens nicht wesentlich beeinträchtigt wird.
Die Erfinder versuchten, den ferroelektrischen optischen Einkristallfilm auf dem ferroelektrischen optischen Einkristallsubstrat mittels des Flüssigphasenepitaxiewachstums-Prozesses bei Filmbildungstemperatur oder Flüssigphasenepitaxie-Temperatur, die über der Curie-Temperatur des Einkristallfilms liegt, zu erzeugen. Patentschutz für eine solche Kombination wurde in der oben erwähnten JP-A-4-104.233 nicht gewährt, da sie zu einem Multidomänen-Zustand der Polarisierungsrichtung des Einkristallfilms führt, selbst wenn die Polarisierungsrichtung des Substrats im Einzeldomänenzustand gehalten wird.
Die Erfinder stellten allerdings auch fest, dass selbst beim Wachsenlassen des Einkristallfilms bei einer Filmbildungstemperatur über der Curie-Temperatur des Einkristallfilms mittels des Flüssigphasenepitaxiewachstums-Prozesses auf dem Substrat mit Einzeldomäne die Polarisierungsrichtung des Einkristallfilms in umgekehrter Richtung zur Polarisierungsrichtung des Substrats gehalten werden kann, wodurch der Einkristallfilm den Einzeldomänenzustand einnehmen kann. Aufgrund dieser Erkenntnis kann nun ein ferroelektrischer optischer Einkristallfilm mit einer Zusammensetzung, die bislang als unmöglich galt, erzeugt werden. Außerdem besitzt eine solche Vorrichtung hervorragende Beständigkeit gegenüber optischen Schäden, weshalb der Ausstoß des Strahlenlichts, insbesondere der Umwandlungswirkungsgrad im Falle einer SHG-Vorrichtung, ausgezeichnet ist.
Den Erfindern gelang es überdies, einen ersten ferroelektrischen optischen Einkristallfilm auf dem optischen Einkristallsubstrat mit ferroelektrischer Einzeldomäne mittels eines Flüssigphasenepitaxiewachstums-Prozesses zu erzeugen und ein erwünschtes Muster vorstehender und vertiefter Abschnitte auch auf dem ersten Einkristallfilm mittels des obigen Verfahrens auszubilden. Die Anmelder stellten fest, dass eine optische Vorrichtung mit hervorragender Beständigkeit gegenüber optischen Schäden erzeugt werden kann, indem ein zweiter ferroelektrischer optischer Einkristallfilm zumindest auf der Vertiefung der vorstehenden und vertieften Struktur hergestellt werden kann.
Kurze Beschreibung der Abbildungen
Um ein besseres Verständnis der vorliegenden Erfindung zu erlangen, wird auf die beiliegenden Abbildungen verwiesen, worin:
1a–1d schematische Querschnittsansichten des Herstellungsverfahrens des Lichtwellenleiterelements sind;
2a–2c schematische Querschnittsansichten des Verfahrens zur Herstellung protonenausgetauschter Abschnitte auf dem ersten ferroelektrischen optischen Einkristallfilms sind;
3a–3c schematische Querschnittsansichten des Verfahrens der selektiven Entfernung der protonenausgetauschten Abschnitte aus dem ersten ferroelektrischen optischen Einkristallfilms und des Ausbildens eines zweiten ferroelektrischen optischen Einkristallfilms auf dem ersten Einkristallfilm sind;
4 ein Phasendiagramm einer pseudo-binären Zusammensetzung von LiNb_1-xTa_xO₃-LiVO₃ ist;
5 ein Dreielement-Phasendiagramm einer pseudo-ternären Zusammensetzung von LiNbO₃-LiTaO₃-LiVO₃ ist (hergestellt durch Modifizieren des Phasendiagramms von 4);
6a–6c charakteristische Graphen sind, aus denen die Beziehungen zwischen dem Anteil von LiTaO₃, die Auflösungsrate von Lithiumniobat aus dem Substrat und die Fällungsrate eines Films einer festen Lösung auf dem Substrat in der obigen pseudo-ternären Zusammensetzung ersichtlich sind;
7 eine schematische perspektivische Ansicht einer SHG-Vorrichtung ist, die einer segmentartigen Lichtwellenleiterstruktur entspricht, die rechteckige Vertiefungen 18 auf einem optischen Einkristallsubstrat 21 mit ferroelektrischer Einzeldomäne und einen ferroelektrischen optischen Einkristallfilm 17 auf dem Substrat 21 (umfassend die rechteckigen Vertiefungen 18) aufweist;
8 eine schematische perspektivische Ansicht einer SHG-Vorrichtung ist, die einer segmentartigen und eingebetteten optischen Lichtwellenleiterstruktur entspricht, aus der eine streifenförmige Rille 15 auf dem optischen Einkristallsubstrat 21 mit ferroelektrischer Einzeldomäne und rechteckige Vertiefungen 18 in der streifenförmigen Rille 15 ersichtlich sind;
9 eine schematische Querschnittsansicht eines segmentartigen optischen Lichtwellenleiters unter Verwendung vorstehender Abschnitte mit hohem Brechungsindex ist, aus welcher Abbildung die vorstehenden Abschnitte 23 mit hohem Brechungsindex auf dem Substrat 21 und ein ferroelektrischer optischer Einkristall 24 auf den vorstehenden Abschnitten 23 ersichtlich sind;
10a–10e schematische Querschnittsansichten des Verfahrens zur Herstellung der Vorrichtung von 9 sind;
11 eine schematische Querschnittsansicht eines laminierten Körpers 45 mit periodischer domänenumgekehrter Struktur 15 ist;
12a eine schematische perspektivische Ansicht des laminierten Körpers 45 mit einer darauf befindlichen Maske 34 ist;
12b eine schematische Draufsicht des laminierten Körpers 45 von 12a ist;
13 eine schematische perspektivische Ansicht des laminierten Körpers 45 der 12a und 12b nach der Protonenaustauschbehandlung ist;
14a eine schematische perspektivische Ansicht eines optischen Elements 38 ist, in dessen Rippenstruktur 39 die periodische domänenumgekehrte Struktur 15 ausgebildet ist;
14b eine schematische Vorderansicht des optischen Elements 38 von 14a ist;
15 eine schematische perspektivische Ansicht eines laminierten Körpers 46 mit periodischer domänenumgekehrter Struktur 16 ist;
16a eine schematische perspektivische Ansicht eines optischen Elements 41 ist, in dessen Rippenstruktur 42 die periodische domänenumgekehrte Struktur 16 ausgebildet ist; und
16b eine schematische Vorderansicht des optischen Elements 41 von 16a ist.
Nummerierung in den Abbildungen

1: ferroelektrisches optisches Einkristallsubstrat
1a: Hauptoberfläche des Substrats 1
2, 9: protonenausgetauschte Abschnitte
3: vertiefte Abschnitte
4, 6: ferroelektrischer optischer Einkristallfilm
7, 8, 10: erster ferroelektrischer optischer Einkristallfilm (vorläufige Schicht)
11: zweiter ferroelektrischer optischer Einkristallfilm
15: streifenförmige Rille
17: ferroelektrischer optischer Einkristallfilm
18: rechteckige Vertiefung
21: ferroelektrisches optisches Einkristallsubstrat
23: vorstehender Abschnitt aus ferroelektrischem optischem Einkristall mit hohem Brechungsindex
24: ferroelektrischer optischer Einkristallfilm
34: Maske für Protonenaustausch
36A, 36B: protonenausgetauschte Schicht
38, 41: optisches Element
39, 42: Rippenstruktur
40A, 40B: vertiefter Abschnitt, gebildet durch Entfernung der protonenausgetauschten Schicht
45, 46: laminierter Körper
M, N, O, P, Q: Polarisierungsrichtung

Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung wird nun ausführlich unter Bezugnahme auf 1–3 beschrieben.
Bezug nehmend auf 1a besitzt ein optisches Einkristallsubstrat 1 mit ferroelektrischer Einzeldomäne eine durch den Pfeil M gekennzeichnete Polarisierungsrichtung. Die das Substrat 1 bildenden Einkristalle sind in vertikaler Richtung zur Hauptfläche 1a des Substrats 1 polarisiert. Das Verfahren zur Bereitstellung des Substrats mit Einzeldomäne ist allgemein bekannt. Anschließend wird auf der Hauptfläche 1a des Substrats 1 eine Maske mit erwünschtem Muster ausgebildet. Das Maskenmuster kann in herkömmlicher Weise ausgebildet werden. Als Material zur Ausbildung der Maske eignet sich z.B. Ta, W, Ti, Au, SiO₂, Ta₂O₃, Al, Cr und Pt. Als Verfahren zur Herstellung des Maskenmusters lässt sich als Beispiel Fotolithografie erwähnen. Danach wird das Substrat 1 einer Protonenaustauschbehandlung unterzogen, um protonenausgetauschte Abschnitte 2 zu erhalten.
Die Erfinder stellten auch fest, dass ein ferroelektrischer optischer Einkristallfilm mit hervorragender kristalliner Eigenschaft durch einen Flüssigphasenepitaxiewachstums-Prozess auf den Oberflächenabschnitten des Substrats 1 ausgebildet werden kann, aus dem die protonenausgetauschten Abschnitte 2 selektiv entfernt wurden. JP-A-63-158.506 berichtete, dass die Ätzrate von Trocken- oder Nassätzen durch Protonenaustausch von LiNbO₃ erhöht werden kann. Somit versuchten die Erfinder, vertiefte und vorstehende Abschnitte mittels dieses Verfahrens zu erzeugen. Zur Ausbildung vorstehender und vertiefter Abschnitte wurde ein Tantalfilm bis zu einer Dicke von 400 nm auf eine +C-Oberfläche eines Z-geschnittenen LiNbO₃-Substrats mittels Sputtern abgelagert; anschließend wurde der Tantalfilm durch ein Fotolithografieverfahren und Trockenätzen verarbeitet, um eine periodische streifenförmige Struktur zu bilden. Danach wurde das Substrat in Pyrophosphorsäure bei 230 °C 1 Stunde lang wärmebehandelt, um protonenausgetauschte Abschnitte mit einer Dicke von etwa 1 μm zu ergeben. Die Dicke der protonenausgetauschten Abschnitte wird durch eine Protonendiffusionskonstante von Proton bestimmt und variiert je nach verwendetem Substrat, Protonenaustauschtemperatur und Zeit. Anschließend wurde das Substrat 1 Stunde lang bei etwa 60 °C in eine gemischte HF/NNO₃-Lösung getaucht, um die protonenausgetauschten Abschnitte 2 zu entfernen.
Die Erfinder entdeckten, dass ein LiNbO₃-Kristallfilm mit hervorragender kristalliner Eigenschaft des gleichen Ausmaßes wie bei einem auf einer üblichen Kristalloberfläche wachsen gelassenen Film durch einen Flüssigphasenepitaxiewachstums-Prozess auf den somit ausgebildeten vorstehenden und vertieften Abschnitten wachsen gelassen werden kann. Auf diese Weise erkannten die Erfinder, dass ein hochselektives Ätzverfahren erfolgen kann, indem die selektiv protonenausgetauschten Abschnitte mittels Nassätzen entfernt werden, und dass eine verarbeitete Oberfläche mit geringer Schädigung und hervorragender kristalliner Eigenschaft, die zur Ausbildung eines Kristallfilms mit ausgeprägter kristalliner Eigenschaft erforderlich ist, durch einen Flüssigphasenepitaxiewachstums-Prozess bereitgestellt werden kann.
Der Grund, weshalb diese Vorteile erzielt werden können, ist nicht klar. Man nimmt allerdings an, dass die kristalline Eigenschaft der protonenausgetauschten Abschnitte 2 durch den Austausch von Metallatomen im Kristallgitter durch Wasserstoffatome beeinträchtigt wurde, um auf diese Weise einen für das Ätzen zufrieden stellenden Zustand zu erreichen, so dass die vorstehenden und vertieften Abschnitte ausgezeichneter kristalliner Eigenschaft ohne Beschädigung der Kristalloberfläche erzeugt werden konnten.
Das Protonenaustauschverfahren kann die Dicke der protonenausgetauschten Abschnitte präzise, d.h. in der Größenordnung einiger weniger 10 nm, steuern, so dass die Dicke genau eingestellt und eine optische Vorrichtung mit einheitlichen Eigenschaften gefertigt werden kann.
Die Erfinder untersuchten die die vorstehenden und vertieften Abschnitte bildende Kristalloberfläche und stellten fest, dass das Vorsehen der vorstehenden und vertieften Abschnitte auf der +C-Oberfläche (auf jener Oberfläche, in deren Richtung die Polarisierung in 1 verläuft) besonders wirkungsvoll ist, obwohl das Vorsehen der vorstehenden und vertieften Abschnitte auf der –C-Oberfläche ebenfalls möglich ist. Die Ätzraten durch eine HF enthaltende Säure werden in nachstehender Tabelle 1 verglichen.
Tabelle 1
Wie man anhand der obigen Tabelle 1 erkennt, sind die Ätzraten in den protonenausgetauschten Abschnitten und der +C-Oberfläche sehr unterschiedlich. In der Folge kann Ätzen mit hohem Selektionsverhältnis stattfinden, um die protonenausgetauschten Abschnitte im Wesentlichen vollständig und ohne Beschädigung der Kristalloberfläche zu entfernen.
Vorzugsweise erfüllt die Streifenbreite der Fensterabschnitte der Maske zur Durchführung des selektiven Protonenaustauschs einen Zustand von zumindest W < ∧/2a, wenn die Fensterbreite als W und der periodische Zyklus der Bildung des Fensters als ∧ definiert ist. Bei der selektiven Durchführung des Protonenaustauschs durch eine Maske werden die protonenausgetauschten Abschnitte um die seitliche Diffusion von Protonen größer als die Fensterabschnitte der Maske. Zur Erzeugung einer SHG-Vorrichtung mit hohem Wirkungsgrad muss die Nutzleistung (Breite der Domä nenumkehr/∧) der Domänenumkehr an 50 % herankommen, so dass die Breite der Fensterabschnitte der Maske für den Protonenaustausch W < ∧/2a entsprechen muss.
Wie oben beschrieben, können die vertieften Abschnitte 34 gleichzeitig – wie aus 1b ersichtlich – ausgebildet werden, um dadurch ein Muster vorstehender und vertiefter Abschnitte zu bilden. Als nächstes wird ein ferroelektrischer optischer Einkristallfilm 4 auf der Hauptfläche 1a des Substrats 1 durch einen Flüssigphasenepitaxiewachstums-Prozess ausgebildet, wie man dies in 1c erkennt. Danach wird ein Abschnitt 5 des Einkristallfilms 4 in der jeweiligen Vertiefung 3 ausgebildet. Die Polarisierungsrichtung N des Films 4 ist entgegengesetzt zur Polarisierungsrichtung M des Substrats 1. Auf diese Weise wird die periodische domänenumgekehrte Struktur gebildet. Durch Weiterbearbeitung der Oberfläche des Films 4 können die Filmabschnitte 6 anders als die Filmabschnitte 5 in den vertieften Abschnitten 3 dünn auf der Oberfläche ausgebildet werden, wie dies aus 1d ersichtlich ist. Die Filmabschnitte 6 auf dem Film 4 können bis auf die Filmabschnitte 5 in den vertieften Abschnitten 3 entfernt werden. Für eine solche Bearbeitung eignen sich mechanisches Schleifen mittels Oberflächenschleifen oder chemisch-mechanisches Polieren usw.
Bezug nehmend auf 2a wird ein erster ferroelektrischer optischer Einkristallfilm 7 auf der Hauptfläche 1a des Substrats 1 mit Einzeldomäne mittels des Flüssigphasenepitaxiewachstums-Prozesses ausgebildet. Der erste Einkristallfilm 7 besitzt eine Polarisierungsrichtung O, die der Polarisierungsrichtung M des Substrats 1 entgegengesetzt ist. Mittels Polen wird die Polarisierungsrichtung des ersten Films 7 in eine Richtung P umgekehrt, wie dies aus 2b ersichtlich ist. Ein solcher Polungsvorgang ist allgemein bekannt. Dann wird eine Maske mit erwünschtem Muster auf dem Film 7 ausgebildet; das Substrat 1 und der Film 7 werden einer Protonenaustauschbehandlung unterzogen, um protonenausgetauschte Abschnitte 9 im Film 8 vorzusehen, wie man dies in 2c erkennt.
Danach werden die protonenausgetauschten Abschnitte 9 selektiv entfernt, um im Film 10 gleichzeitig mehrere vertiefte Abschnitte 3 zu bilden, wodurch die in 3a gezeigte Struktur mit vertieften und vorstehenden Abschnitten entsteht. Als nächstes wird mittels Flüssigphasenepitaxiewachstums-Prozess ein zweiter ferroelektrischer optischer Einkristall 11 auf dem Film 10 ausgebildet, wie dies aus 3b ersichtlich ist. Somit ist ein Abschnitt 12 des Films 11 in der jeweiligen Vertiefung 3 ausgebildet. Die Polarisierungsrichtung Q des Films 11 ist entgegengesetzt zur Polarisierungsrichtung P(M) des Films 10. Auf diese Weise wurde eine periodische domänenumgekehrte Struktur 16 gebildet. Durch Weiterbearbeitung der Oberfläche des zweiten Films 11 können die Filmabschnitte 13 anders als die Filmabschnitte 12 in den vertieften Abschnitten 3 dünn auf der Oberfläche ausgebildet werden, wie man dies in 1d erkennt. Die Filmabschnitte 13 auf dem Film 11 können bis auf die Filmabschnitte 12 des Films 11 entfernt werden.
Bei der Ausbildung des ferroelektrischen optischen Einkristallfilms auf dem ferroelektrischen optischen Einkristallsubstrat liegt die Flüssigphasenepitaxiewachstums-Temperatur des Films über seiner Curie-Temperatur, wobei vorzugsweise der Temperaturunterschied im Bereich von 20 °C–100 °C liegt, um dadurch die Beständigkeit gegenüber optischer Beschädigung zu steigern.
Als hierin geeignetes Substratmaterial seien als Beispiele LiNbO₃, LiTaO₃, LNT, KLN, KLNT und diese Verbindungen mit Neodynium, Europium oder ähnliche Seltenerdelemente, Magnesium, Zink usw. erwähnt, wobei zu beachten ist, dass sie die oben erwähnten Bedingungen der Erfindung erfüllen müssen.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Lithiumniobat-Einkristallsubstrat als Substrat und ein Film einer festen Lösung von Lithiumniobat-Lithiumtantalat als ferroelektrischer optischer Einkristallfilm verwendet. Es handelt sich hierbei um eine Kombination, die bislang vom Standpunkt der Löslichkeit als problematisch galt. Die Erfinder stellten allerdings fest, dass der Film einer festen Lösung von Lithiumniobat-Lithiumtantalat, wenn die Zusammensetzung als LiNb_1-xTa_xO₃ ausgedrückt ist, in einem Bereich von x von 0 ≤ x ≤ 0,8 erzeugt werden kann.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird ein Einkristallsubstrat, bestehend aus dem Film einer festen Lösung von Lithiumniobat-Lithiumtantalat, als Substrat verwendet, und es entsteht ein aus Lithiumniobat und Lithiumtantalat gebildeter Film. Die Zusammensetzung des aus Lithiumniobat und Lithiumtantalat bestehenden Einkristallfilms kann als LiNb_1-zTa_zO₃, wobei z 0 < z ≤ 0,8 ist, ausgedrückt sein, wobei x und z einer Beziehung von z < x entsprechen, so dass 0 < z < 0,8. Der Film einer festen Lösung besitzt einen höheren Substitutionsanteil als das Substrat.
In der obigen Ausführungsform besteht eine Schmelze zum In-Kontakt-Bringen des Substrats hauptsächlich aus Li₂O, Nb₂O₅, Ta₂O₅ und einem Flussmittel. Li₂O ist in einer Menge enthalten, die im Wesentlichen der Summe (Mol) der enthaltenen Mengen von Nb₂O₅, Ta₂O₅ und dem Flussmittel entspricht. Die Schmelze kann als Pseudo-Dreielement-Zusammensetzung von LiNbO₃ – LiTaO₃ – Schmelzmedium angesehen werden, bestehend aus LiNbO₃ und LiTaO₃, die schmelzlösliche Komponenten sind, und einer Schmelzmediumkomponente, die ein Flussmittel ist. Alternativ dazu kann die Schmelze als Pseudo-Zweielement-Zusammensetzung von LiNb_1-xTa_xO₃ – Schmelzmedium angesehen werden, bestehend aus LiNb₁-x Tax O₃, einer schmelzlöslichen Komponente, und einer Schmelzmediumkomponente, einem Flussmittel. Als Flussmittel sind V₂O₅, B₂O₃, MoO₃ oder Wo₃ vorzuziehen.
Bezug nehmend auf 4 sieht man ein Phasendiagramm einer Pseudo-Zweielement-Zusammensetzung von LiNb₁-x Tax O₃-LiVO₃. Die Abszisse stellt den Anteil von LiNb_1-xTa_xO₃-LiVO₃ in Mol-% dar, die Koordinate die Temperatur. 5 ist ein Dreielement-Phasendiagramm einer Pseudo-Dreielement-Zusammensetzung von LiNbO₃ – LiTaO₃ – LiVO₃, erhalten durch Modifizieren des Phasendiagramms von 4. Die numerischen Werte „900" und „1.300" stellen jeweils die Sättigungstemperatur in der jeweiligen Zusammensetzung dar.
Die Zusammensetzung der Flüssigphase bei Sättigungstemperatur muss sich zunächst auf jene Abschnitte einer Sättigungstemperatur von höchstens 1.200 °C im Dreielement-Phasendiagramm beziehen. Der Grund besteht darin, dass die Curie-Temperatur des Lithiumniobat-Einkristallsubstrats etwa 1.200 °C beträgt und der Kontakt des Substrats mit dem Flüssigphasenabschnitt des Films über 1.200 °C ein Mehrdomänensubstrat bewirkt, wodurch dessen kristalline Eigenschaft beeinträchtigt und die Erzeugung von hochqualitativem Film erschwert wird. Ein solcher Zusammensetzungsbereich ist durch die Linie I im Dreielement-Phasendiagramm von 5 definiert.
Um demnach hochqualitativen Film herstellen zu können, liegt die Temperatur des Flüssigphasenabschnitts des Films im supergekühlten Zustand vorzugsweise bei höchstens 1.150 °C. Durch Einstellen einer Filmbildungstemperatur auf höchstens 1.150 °C wird die kristalline Eigenschaft des Films weiter verbessert, und die Beschädigung des Lichtwellenleiters infolge des einstrahlenden Lichts nimmt deutlich ab, wenn der Lichtwellenleiter im Film erzeugt wurde. Die Filmbildungstemperatur beträgt vorzugsweise zumindest 750 °C. Wenn die Filmbildungstemperatur unter 750 °C liegt, ist das Vorsehen des Films aus fester Lösung schwierig.
Die Zusammensetzung der Schmelze liegt im Bereich der im Dreielement-Phasendiagramm von 5 definierten pseudo-ternären Zusammensetzung. In 5 entsprechend die angegebenen Bezugszeichen den Mol-% von LiVO₃, LiNbO₃ und LiTaO₃.
Die Erfinder stellten fest, dass der Mol-Anteil von LiNbO₃ im Verhältnis zum Mol-Anteil von LiTaO₃ zumindest 40 %, aber nicht mehr als 60 % betragen muss. Es ist zwar nicht klar, warum ein solches Verhältnis notwendig ist, doch geht man hierin von dieser Notwendigkeit aus, wobei die Erklärung dafür in Zusammenhang mit den schematischen Graphen der 6a–6c gegeben wird. In den Graphen der 6a–6c stellt die Ordinate die Auflösungsrate oder die Fällungsrate dar, während die Abszisse den Mol-Anteil von LiTaO₃ im Verhältnis zum Mol-Anteil von LiNbO₃ darstellt.
Um den Film aus fester Lösung auf dem Lithiumniobat-Einkristallsubstrat zu fällen, muss die Fällungsrate des Feststoffs aus der Flüssigphase schneller als die Auflösungsrate von Lithiumniobat in der Flüssigphase im supergekühlten Zustand sein.
Wenn der Mol-Anteil von LiNbO₃ kleiner ist, d.h. wenn die charakteristische Kurve im Graph immer mehr nach rechts abweicht, steigt die Löslichkeit von Lithiumniobat in der Schmelze, weshalb die Auflösungsrate von Lithiumniobat in der Schmelze ebenfalls steigt. Wenn der Mol-Anteil von LiNbO₃ hingegen sinkt, wird auch die Fällungsrate von LiNbO₃ kleiner. In der Folge entspricht an einem Punkt F die Auflösungsrate von Lithiumniobat der Fällungsrate des Films aus fester Lösung, und die Auflösungsrate von Lithiumniobat ist im rechten Bereich über einer vertikal den Punkt F passierenden Linie höher als die Fällungsrate des Films fester Lösung, so dass die Filmbildung unmöglich gemacht wird.
Das Ausmaß der Superkühlung der Flüssigphase gilt auch als wichtig. 6a ist ein Graph, der einen Zustand mit hohem Ausmaß an Superkühlung veranschaulicht, während 6b einen Graphen mit geringerem Ausmaß an Superkühlung als 6a zeigt; 6c ist ein Graph, in dem der supergekühlte Zustand geringer als in 6b ist. Wenn das Ausmaß an Superkühlung der Flüssigphase kleiner ist, sinkt die Fällungsrate des Films fester Lösung, und die Temperatur der Flüssigphase nimmt zu, so dass die Auflösungsrate von Lithiumniobat steigt. In der Folge nimmt der Mol-Anteil des zur Filmbildung fähigen LiTaO₃ ab.
Wenn nur die Graphen der 6a–6c berücksichtigt werden, reicht die Erhöhung des Ausmaßes an Superkühlung aus, um den Mol-Anteil von LiTaO₃ zu steigern. Wenn allerdings das Ausmaß an Superkühlung zu groß ist, kann der supergekühlte Zustand nicht stabil gehalten werden. Wenn in der Praxis das Ausmaß an Superkühlung über 500 °C ansteigt, könnte der supergekühlte Zustand nicht gehalten werden.
Aus den oben beschriebenen Gründen ist der Anteil an zur Filmbildung fähigen LiTaO₃ in der Flüssigphase beschränkt. Konkreter gesagt bedeutet dies: Wenn der Mol-Anteil von LiNbO₃ unter 40 % fällt, ist die Filmbildung unmöglich, selbst wenn das Ausmaß an Superkühlung präzise reguliert wird, um bei etwa 50 °C zu liegen. Ein solcher Zusammensetzungsbereich ist durch die Linie J definiert, die den Punkt B (95, 2, 3) und den Punkt E (0, 40, 60) im Dreielement-Phasendiagramm von 5 miteinander verbindet.
Es gibt auch in Bezug auf das Lösungsmittel und den gelösten Stoff einen zur Filmbildung fähigen Bereich. Wenn der Anteil an LiVO₃ höchstens 60 % beträgt, kann kein hochqualitativer Film erzeugt werden. Obwohl der Grund dafür nicht evident ist, geht man davon aus, dass der kleinere Anteil des Lösungsmittels und der größere Anteil des gelösten Stoffs zur höheren Konzentration des gelösten Stoffs in der Flüssigphase führten, wodurch die Viskosität des Flüssigphasenabschnitts steigt, der Film nicht glatt ausgebildet werden kann und demnach seine kristalline Eigenschaft beeinträchtigt wird. Ein solcher Zusammensetzungsbereich ist durch eine lineare Linie H definiert, die im Dreielement-Phasendiagramm von 5 den Punkt C (60, 40, 0) und den Punkt D (60, 0, 40) miteinander verbindet.
Wenn der Anteil des gelösten Stoffs nicht mehr als 5 % beträgt, ist die Konzentration des gelösten Stoffs so dünn, dass sie sich beim Schmelzen während des Wachsenlassens des Films wahrscheinlich deutlich verändert, wodurch die Filmbildung unmöglich gemacht wird. Ein solcher Zusammensetzungsbereich ist durch eine lineare Linie K definiert, die den Punkt A (95, 5, 0) und den Punkt B (95, 2, 3) im Dreielement-Phasendiagramm von 5 miteinander verbindet. Der Zusammensetzungsbereich ist durch eine lineare Linie G natürlich definiert, die den Punkt A (95, 5, 0) und den Punkt c (60, 40, 0) miteinander verbindet.
Obwohl die obigen Erklärungen auf das Lithiumniobat-Einkristallsubstrat anwendbar sind, stellten die Erfinder fest, dass die oben angeführten Verhältnisse auch auf Einkristall anwendbar sind, das aus einer festen Lösung von Lithiumniobat und Lithiumtantalat besteht.
Obwohl die obigen Erklärungen auf V₂O₅ als Flussmittel Bezug nehmen, erkannten die Anmelder, dass im Wesentlichen ähnliche Ergebnisse erzielbar sind, wenn man als Flussmittel B₂O₃, MoO₃ oder WO₃ verwendet.
Bezug nehmend auf das Lichtwellenleiterelement der 1a–1d wird ein Film 4, 6 einer Zusammensetzung von LiNb_1-xTa_xO₃ auf dem obigen Substrat 1 mit einer Zusammensetzung von LiNb_1-zTa_zO₃ (0 < z ≤ 0,8) oder LiNbO₃ mittels des Flüssigphasenepitaxiewachstums-Prozesses ausgebildet. Das Suffix ist maximal 0,8, vorzugsweise zumindest 0,02.
Bezug nehmend auf das in 3a–3c dargestellte Lichtwellenleiterelement wird ein erster ferroelektrischer optischer Einkristallfilm 10 einer Zusammensetzung von LiNb_1-xTa_xO₃ auf dem obigen Substrat 1 einer Zusammensetzung von LiNb₁-z Taz 0₃ (0 < z ≤ 0,8) oder LiNbO₃ mittels des Flüssigphasenepitaxiewachstums-Prozesses ausgebildet. Danach wird ein Film aus fester Lösung von Lithiumniobat und Lithiumtantalat auf dem ersten Film 10 mittels des Flüssigphasenepitaxiewachstums-Prozesses ausgebildet. Der zweite Film 11, 13 besitzt eine Zusammensetzung von LiNb_1-yTa_yO₃ (0 ≤ y ≤ 0,8), worin x und y die Beziehung y < x erfüllen.
Die obigen Zusammensetzungsformeln LiNb_1-zTa_zO₃, LiNb_1-xTa_xO₃ und LiNb_1-yTa_yO₃ sind so angeführt, wie dies den Gepflogenheiten auf dem Gebiet der Erfindung entspricht; wie üblich wurde das Verhältnis zwischen den die A-Stelle bildenden Atomen (Li) zu den die B-Stelle bildenden Atomen (Nb und Ta) in der jeweiligen Zusammensetzungsformel nicht beschrieben.
Bei der Verwendung des Lichtwellenleiterelements in der Praxis ist oft ein starker einfallender Lichtstrahl vorgesehen. Dabei stellte sich das Phänomen der optischen Beschädigung bzw. der sich verändernden charakteristischen Eigenschaften wie z.B. des Brechungsindex als großes Problem heraus. Beispielsweise beschreibt Appl. Phy. Lett. 30, 1977, S. 238–239, dass ein Lithiumtantalat-Einkristall bessere Beständigkeit gegenüber optischer Beschädigung aufweist als ein Lithiumniobat-Einkristall. Ein Lithiumniobat-Einkristall und ein Lithiumtantalat-Einkristall werden üblicherweise gemäß dem Czochralski-Verfahren hergestellt. Allerdings besitzt Lithiumtantalat einen höheren Schmelzpunkt als Lithiumniobat, so dass Lithiumtantalat schwierig zu züchten ist und es mit Problemen verbunden ist, einen Einkristall in optischer Qualität zu erhalten.
Ein Lithiumniobat-Einkristall und ein Lithiumtantalat-Einkristall, die durch ein herkömmliches Czochralski-Verfahren gezüchtet wurden, besitzen eine jeweils kongruente Zusammensetzung, z.B. Li/Nb = 0,946 für einen Lithiumniobat-Einkristall, wie dies in J. Chem. Phys. 56, 1972, S. 4848–4851 beschrieben ist. Betreffend den Lithiumtantalat-Einkristall ist die Zusammensetzung z.B. Li/Ta = 0,951, wie dies aus J. Crystal Growth 10, 1971, S. 276–278 ersichtlich ist. J. Crystal Growth 116, 1992, S. 327–332 beschreibt ein Beispiel für die Herstellung eines Lithiumniobat-Einkristalls mit stöchiometrischer Zusammensetzung mittels eines Hochziehverfahrens unter Verwendung zweier Schmelztiegel. Die kristalline Eigenschaft und die Beständigkeit gegenüber optischer Beschädigung des durch dieses Verfahren erzeugten Lithiumniobat-Einkristalls sind jedoch im Vergleich zum Lithiumniobat-Einkristall mit kongruenter Zusammensetzung, der mittels der Czochralski-Technik gebildet wird, schlechter. Bezüglich des Lithiumtantalat-Einkristalls gibt es kein Beispiel für die Herstellung eines Lithiumtantalat-Einkristalls mit stöchiometrischer Zusammensetzung mittels des Hochziehverfahrens, und es wurde bislang auch keine Untersuchung seiner charakteristischen Eigenschaften vorgenommen.
Die Erfinder stellten fest, dass die Beständigkeit gegenüber optischer Beschädigung des Films aus fester Lösung von Lithiumniobat und Lithiumtantalat deutlich verbessert werden kann, wenn die feste Lösung die Zusammensetzung LiNb_1-xTa_xO₃ im Einkristall-Substratprodukt aufweist und das Verhältnis zwischen Lithiumgehalt (Gehalt an Metallen an der A-Stelle) und der Summe von Tantalgehalt + Niobiumgehalt (Anteil an Metallen an der B-Stelle) im Bereich von 0,98–1,02 liegt. Betreffend den zweiten Film kann die Beständigkeit gegenüber optischer Beschädigung ebenso deutlich verbessert werden, wenn er die Zusammensetzung LiNb_1-yTa_yO₃ aufweist und das Verhältnis zwischen Lithiumgehalt und der Summe von Tantalgehalt + Niobiumgehalt im Bereich von 0,98–1,02 liegt.
Die Erfinder erkannten, dass die Beständigkeit gegenüber optischer Beschädigung zu diesem Zeitpunkt deutlich verbessert werden kann, wenn der Substitutionsanteil von x oder y durch Tantal zumindest 0,05 beträgt. Dies ist auf die Funktion und die Wirkung der Zugabe von Tantal zurückzuführen, wobei hierin x oder y von zumindest 0,1 vorzuziehen sind. Die Erfinder erkannten ferner, dass der Schwellenwert der Beständigkeit gegenüber optischer Beschädigung deutlich abnimmt, wenn x oder y 0,7 übersteigt. Dies ist vermutlich einer größeren Differenz (fehlende Gitterübereinstimmung) zwischen den Gitterkonstanten des Films und des Substrats zuzuschreiben (dies hat die Verschlechterung der kristallinen Eigenschaft zur Folge), wenn der Tantalgehalt über 0,70 liegt. Dementsprechend ist ein Wert von x oder y von höchstens 0,6 vorzuziehen.
Der Grund, weshalb die Beständigkeit gegenüber optischer Beschädigung deutlich gesteigert werden konnte, wenn das Verhältnis zwischen Lithiumgehalt (Anteil an Metallen an der A-Stelle) und der Summe von Tantalgehalt + Niobiumgehalt (Anteil an Metallen an der B-Stelle) im Bereich von 0,98–1,02 liegt, ist nicht klar. Man kann allerdings davon ausgehen, dass im Falle einer fast stöchiometrischen Zusammensetzung die Kristallfehler abnahmen und ein vollständigerer Kristall erzeugt wurde.
Es folgt eine ausführliche Beschreibung der vorliegenden Erfindung mittels Beispielen.
Beispiel 1
Ein Tantalfilm wurde mit einer Dicke von 60 nm auf der a + Z-Oberfläche eines Lithiumniobat-Einkristallsubstrats optischer Qualität mittels Sputtern abgelagert. Dann wurde ein Muster unter Einsatz von Fotolithografie ausgebildet und das Substrat einem Trockenätzvorgang in einer CF₄-Atmosphäre unterzogen, um eine Maske eines Musters zu erhalten, das einer Struktur mit periodischen vertieften und vorstehenden Abschnitten in einem periodischen Zyklus von 3,4 μm entspricht. Das Substrat wurde 60 min lang bei 260 °C in eine Pyrophosphorsäure eingetaucht, um protonenausge tauschte Abschnitte mit einer Tiefe von 2 μm in den nicht maskierten Abschnitten zu erhalten.
Anschließend wurde das Substrat 1 h lang bei 60 °C in eine Ätzlösung von HF HNO₃ = 2 : 1 getaucht, um selektiv nur die protonenausgetauschten Abschnitte zu entfernen und dadurch eine Struktur mit periodischen vertieften und vorstehenden Abschnitten mit einer Tiefe von 2 μm und einem periodischen Zyklus von 3,4 μm zu bilden.
Die Erfinder untersuchten den Einfluss des Verfahrens zur Ausbildung der Struktur mit periodischen vertieften und vorstehenden Abschnitten auf die kristalline Eigenschaft des Substrats. Genauer gesagt wurden das verarbeitete Substrat und ein nicht verarbeitetes Substrat jeweils auf einer Röntgen-„Rocking-Kurve" gemessen, um die Halbbreite der „Rocking-Kurve" zu ermitteln. Es zeigte sich, dass das nicht verarbeitete Substrat eine Halbbreite von 6,8 s und das verarbeitete Substrat eine Halbbreite von ebenfalls 6,8 s aufwies. Man konnte daher festhalten, dass die kristalline Eigenschaft des Substrats durch das Ausbildungsverfahren nicht wesentlich beeinträchtigt wurde.
Beispiel 2
Das Verfahren von Beispiel 1 wurde wiederholt, um ein Lithiumniobat-Einkristallsubstrat mit einer Struktur mit vorstehenden und vertieften Abschnitten zu bilden. Als nächstes wurde ein Lithiumniobat-Lithiumtantalat-Einkristallfilm auf der +Z-Oberfläche des Substrats mittels des Flüssigphasenepitaxiewachstums-Prozesses ausgebildet.
Es wurde eine Schmelze mit pseudo-ternärer Zusammensetzung von LiNbO₃-LiTaO₃-LiVO₃ gebildet. Die Schmelze wurde bei ausreichend hoher Temperatur (1.100 °C–1.300 °C) zumindest 3 h lang gerührt, um eine Flüssigphase mit ausreichend einheitlichem Zustand zu ergeben. Anschließend wurde die Schmelze auf 1.010 °C abgekühlt und zumindest 12 h lang auf diesem Wert gehalten. In der Folge entstanden in der Schmelze Kerne eines ausgeprägt gesättigten Abschnitts der festen Lösung, und eine feste Lösung wurde auf der Wandfläche des Schmelztiegels gefällt. Der Flüssigphasenabschnitt der Schmelze befand sich zu diesem Zeitpunkt in einem bei 1.010 °C gesättigten Zustand, und die Schmelze wies sowohl den Flüssigphasenabschnitt als auch den Festphasenabschnitt auf.
Danach wurde die Schmelze von einer Temperatur von 1.010 °C auf die Filmbildungstemperatur von 980 °C abgekühlt. Dann wurde das Lithiumniobat-Einkristallsubstrat sofort mit dem Flüssigphasenabschnitt der Schmelze in Kontakt gebracht, um die Filmbildung durchzuführen. Der somit erhaltene Film einer festen Lösung besaß die Zusammensetzung Ta/(Nb + Ta) = 0,4. Das Lithiumniobat-Einkristallsubstrat besaß eine Curie-Temperatur von 1.175 °C, und der solcherart gewonnene Film einer festen Lösung besaß eine Curie-Temperatur von 950 °C.
Anschließend wurde auf dem solcherart erhaltenen Film einer festen Lösung mittels des Protonenaustauschverfahrens ein zum periodischen Muster vertikaler Lichtwellenleiter ausgebildet. Genauer gesagt wurde ein Tantalfilm mit einer Dicke von 400 nm mittels Sputtern auf dem Film aus fester Lösung abgelagert, und anschließend fand Fotolithografie statt, um Fenster einer Linienbreite von etwa 4 nm vertikal zum periodischen Muster auszubilden. Als nächstes wurde das Substrat 10 min lang bei 230 °C in Pyrophosphorsäure getaucht, um den Ta-Film zu entfernen, und danach 15 min lang einer Glühbehandlung unterzogen, um einen Lichtwellenleiter bereitzustellen.
Auf diese Weise entstand das Lichtwellenleiterelement mit periodischer domänenumgekehrter Struktur. Bei dessen Bestrahlung mit Laserlicht einer Wellenlänge von 860 nm und einer Leistung von 100 mW wurde ein Lichtstrahl einer Wellenlänge von 430 nm und einer Leistung von 4 mW ausgestrahlt.
Zusatzbeispiel
In diesem Beispiel wird die Struktur einer SHG-Vorrichtung erläutert, die auf der Erkenntnis beruht, dass ein ferroelektrischer optischer Einkristallfilm umgekehrter Polarisierungsrichtung auf dem ferroelektrischen optischen Einkristallsubstrat ausgebildet sein kann. Zur Verbesserung des Wirkungsgrads der SHG-Vorrichtung wird die Leistungsdichte der Ersten Harmonischen Grundwelle erhöht und ein System zur Verwendung eines dreidimensionalen Lichtwellenleiters gewählt. Unter Bezugnahme auf das System zur Ausbildung von Lichtwellenleitern werden die folgenden drei Vorrichtungsstrukturen erklärt: segmentartige optische Lichtwellenleiterstrukturen; segmentartige Lichtwellenleiterstrukturen + eingebettete Lichtwellenleiterstrukturen (hierin nachstehend als „segmentartige + eingebettete Lichtwellenleiterstruktur" bezeichnet); und segmentartige Lichtwellenleiterstrukturen mit vorstehenden Abschnitten mit hohem Brechungsindex.
Beispiel 3 (segmentartige Lichtwellenleiterstruktur)
Es wurden im optischen Einkristallsubstrat 21 mit ferroelektrischer Einzeldomäne rechteckige vertiefte Abschnitte 18 und ein ferroelektrischer optischer Einkristallfilm 17 auf dem Einkristallsubstrat 21 ausgebildet (siehe 7). Die Polarisierungsrichtung des Einkristallfilms 17 war entgegengesetzt zur Polarisierungsrichtung des Substrats 21; der Brechungsindex des Einkristallfilms 17 war höher als der Brechungsindex des Einkristallsubstrats 21. Eine Erste Harmonische Grundwelle 19 wird zwischen den Filmen 22 in den Vertiefungen 18 mit hohem Brechungsindex und den Vertiefungen 18 übertragen und mit der SHG in den domänenumgekehrten Vertiefungen 18 quasi-phasenangepasst, um ein SHG-Ausgangssignal 20 auszustrahlen.
Die obige Vorrichtung kann in gleicher Weise wie in Beispiel 1 erzeugt werden. Durch Veränderung des Musters der Maske zur Ausbildung der protonenausgetauschten Abschnitte kann eine periodische domänenumgekehrte Struktur entstehen. Die rechteckigen vertieften Abschnitte 18 können z.B. die folgenden Dimensionen aufweisen: Breite × Länge × Tiefe 5 × 1,7 × 2 μm, wobei der Übertragungsverlust der Ersten Harmonischen Grundwelle einer Wellenlänge von 860 nm in diesem Fall 3–4 dB/cm betrug. Bei Übertragung einer Ersten Harmonischen Grundwelle mit einem Eingang von 100 mW wurde eine SHG mit einem Ausgang von etwa 100 mW erhalten. Da die Erste Harmonische Grundwelle in einem dreidimensionalen Zustand eingeschlossen war, nahm die Leistungsdichte zu, und die sehr wirkungsvolle Umwandlung der Wellenlänge wurde möglich.
Überdies wurde die Beständigkeit der Vorrichtung gegenüber optischer Beschädigung gemessen. Bei einer SHG-Ausgangsleistung einer Wellenlänge eines 400 nm-Bands mit einer Ausgangseistung von mehreren mW zeigte die Vorrichtung keinerlei Schwankungen der Ausgangsleistung und somit hervorragende Beständigkeit gegenüber optischer Beschädigung. Der Grund dafür ist darauf zurückzuführen, dass der Lichtwellenleiter ohne Ätzvorgang oder Diffusionsverfahren zur Herstellung des dreidimensionalen Lichtwellenleiters gemäß dieser Struktur erzeugt werden kann, so dass die Beschädigung des ferroelektrischen optischen Einkristallfilms gering war und ein Lichtwellenleiter mit ausgezeichneter kristalliner Eigenschaft erzeugt werden konnte.
Beispiel 4: Segmentartige + eingebettete optische Wellenleiterstruktur
Wie aus 8 ersichtlich, wurden eine streifenförmige Rille 15 im optischen Einkristallsubstrat 21 mit ferroelektrischer Einzeldomäne, die rechteckigen vertieften Abschnitte 18 in der Rille 15 sowie ein ferroelektrischer optischer Einkristallfilm 17 auf dem Einkristallsubstrat 21 ausgebildet. Die Polarisierungsrichtung des Einkristallfilms 17 war entgegengesetzt zur Polarisierungsrichtung des Substrats 21, und der Film 17 besaß einen höheren Brechungsindex als das Substrat 21. In der oben beschriebenen segmentartigen Lichtwellenleiterstruktur wird der Lichtstrahl durch die rechteckigen bzw. vertieften Abschnitte 18 mit hohem Brechungsindex übertragen, doch es besteht insofern ein Problem, als der Verlust des übertragenen Lichtstrahls infolge von Streuung an den Grenzen der Segmente steigt, wodurch der Umwandlungswirkungsgrad der SHG sinkt. Aus diesem Grund führten die Erfinder zahlreiche Studien über die Wellenleiterstruktur durch und stellten fest, dass der Übertragungs verlust des Lichtstrahls im Lichtwellenleiter deutlich reduziert werden kann, indem die eingebettete Lichtwellenleiterstruktur auf der segmentartigen Lichtwellenleiterstruktur ausgebildet wird.
Die segmentartige + eingebettete Lichtwellenleiterstruktur wurde in gleicher Weise wie in Beispiel 3 erzeugt und der Übertragungsverlust der Ersten Harmonischen Grundwelle einer Wellenlänge von 860 nm gemessen, wodurch ein Wert von 1–2 dB/cm ermittelt wurde – die Hälfte der segmentartigen Lichtwellenleiterstruktur. Man konnte daher festhalten, dass der Umwandlungswirkungsgrad der SHG gegenüber der segmentartigen Lichtwellenleiterstruktur um das 1,5fache verbessert werden konnte.
Beispiel 5: Segmentartige Lichtwellenleiterstruktur unter Einsatz von vorstehenden Abschnitten mit hohem Brechungsindex
In diesem Beispiel wird ein anderes Verfahren zur Herstellung der segmentartigen Lichtwellenleiterstruktur vorgestellt. In der oben beschriebenen segmentartigen Lichtwellenleiterstruktur wurde der ferroelektrische optische Einkristallfilm 17 mit höherem Brechungsindex als das Substrat 21 verwendet. Allerdings konnte die gleiche segmentartige Lichtwellenleiterstruktur wie oben durch Ausbildung vorstehender Einkristallabschnitte 23 mit hohem Brechungsindex auf der Oberfläche des Substrats 21 und Ausbildung eines ferroelektrischen optischen Einkristallfilms 24 auf den vorstehenden Abschnitten 23 hergestellt werden, wie dies aus 9 ersichtlich ist.
Gemäß dieser Struktur unterliegt der Brechungsindex des abgelagerten ferroelektrischen optischen Einkristallfilms 24 keinen Einschränkungen, so dass diese Struktur insofern vorteilhaft ist, als die Bandbreite bei der Auswahl des kristallinen Materials zur Bildung des Einkristallfilms 24 größer ist.
Es folgt eine kurze Beschreibung eines Verfahrens zur Erzeugung der Wellenleiterstruktur. Beispielsweise wurde ein ferroelektrischer optischer Einkristallfilm 26 auf dem Substrat 21 mit Einzeldomäne 21 ausgebildet, wie dies aus 10a ersichtlich ist. Die Polarisierungsrichtung des Substrats 21 und die Polarisierungsrichtung des Films 26 waren entgegengesetzt. Eine Maske 27 mit erwünschtem Muster wurde auf dem Film 26 ausgebildet. Als nächstes wurde das Substrat 21 Protonenaustauschbehandlung unterzogen, um – wie in 10b zu sehen – protonenausgetauschte Abschnitte 28 vorzusehen.
Dann wurden die protonenausgetauschten Abschnitte 28 selektiv mittels Ätzen entfernt, um vertiefte Abschnitte 30 zwischen den vorstehenden Abschnitten 23 zu bilden. Danach wurde ein ferroelektrischer optischer Einkristallfilm 24 mittels des Flüssigphasenepitaxiewachstums-Prozesses ausgebildet, um einen Abschnitt 24a des Films 24 zwischen den vorstehenden Abschnitten 23 auszufüllen und dadurch eine periodische domänenumgekehrte Struktur zu schaffen.
11–14 sind Graphen zur Veranschaulichung einer Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung eines optischen Elements mit periodischer domänenumgekehrter Struktur gemäß der Erfindung. Im in 11 gezeigten laminierten Körper 45 ist das ferroelektrische optische Einkristallsubstrat 1 mit Einzeldomäne versehen. Die Polarisierungsrichtung des Substrats 1 ist durch den Pfeil M gekennzeichnet. Eine Oberfläche des Substrats 1 besitzt periodisch ausgebildete vertiefte Abschnitte 3. Das Substrat 1 weist einen ferroelektrischen optischen Einkristrallfilm 4 auf, der vorzugsweise mittels des Flüssigphasenepitaxiewachstums-Prozesses darauf ausgebildet wird. Ein Abschnitt 5 des Einkristallfilms 4 ist in der jeweiligen Vertiefung 3 ausgebildet. Die Polarisierungsrichtung des Films 4 ist die Richtung N und verläuft entgegengesetzt zur Polarisierungsrichtung M des Substrats 1, wodurch eine periodische domänenumgekehrte Struktur 15 entsteht. Ein derartiger laminierter Körper kann durch das in Zusammenhang mit 1a–1d beschriebene Verfahren erhalten werden. Die Bezugszeichen 31 und 32 beziehen sich auf Seitenflächen des Substrats 1, das Bezugszeichen 33 auf eine Oberfläche des Films 4.
In einem nächsten Schritt wurde eine Maske, deren Form der ebenen Ausgestaltung der Rippenstruktur entsprach, auf der Oberfläche des Films 4 ausgebildet, wie man dies in 12a und 12b erkennt. In der vorliegenden Ausführungsform erstreckt sich die Maske 34 linear zwischen einem Paar gegenüberliegender Seitenflächen 32 des Substrats 1. Das Herstellungsverfahren und das Material der Maske 34 wurden bereits weiter oben beschrieben. Die Oberfläche des Films 4 ist durch die Maske 34 in die Abschnitte 35A und 35B unterteilt. Vorzugsweise verläuft die Maske 34 in vertikaler Richtung zur Verlaufsrichtung des Films 5 in den vertieften Abschnitten 3 und dem jeweiligen vertieften Abschnitt 3.
Als nächstes wurde der laminierte Körper der Protonenaustauschbehandlung unterzogen, um die in 13 gezeigten protonenausgetauschten Abschnitte 36A, 36B zu bilden. Das Protonenaustauschverfahren ist ebenfalls oben erläutert.
Danach wurden die protonenausgetauschten Abschnitte 36A, 36B der Ätzbehandlung unterzogen, um sie zu entfernen und dadurch das in 14a und 14b gezeigte optische Element 38 zu erhalten, wobei 14a eine schematische perspektivische Ansicht des optischen Elements 38 ist und 14b eine schematische Vorderansicht des optischen Elements 38 ist.
Durch Entfernung der protonenausgetauschten Abschnitte 36A, 36B entstanden an der Stelle der jeweiligen protonenausgetauschten Abschnitte 36A, 36B die vertieften Abschnitte 40A, 40B sowie eine sich linear zwischen den vertieften Abschnitten 40A, 40B erstreckende Rippenstruktur 39. Diese wies den ferroelektrischen optischen Einkristallfilm 4 und die darin ausgebildete periodische domänenumgekehrte Struktur 15 auf.
Gemäß einem Verfahren, das in Zusammenhang mit den 15 und 16 erklärt wird, kann ein optisches Element erzeugt werden, dessen periodische domänenumgekehrte Struktur in der Rippenstruktur ausgebildet ist. Gemäß dem Verfahren der 2 und 3 kann der in 15 gezeigte laminierte Körper erhalten werden.
Im laminierten Körper von 15 war das optische Einkristallsubstrat 1 mit ferroelektrischer Einzeldomäne in durch den Pfeil M gekennzeichneter Richtung versehen. Auf dem Einkristallsubstrat 1 wurde eine vorläufige ferroelektrische optische Einkristallschicht 10 ausgebildet, und es entstanden auch mehrere periodisch angeordnete vertiefte Abschnitte 3 auf der vorläufigen Schicht 10. Auf dieser wurde ein ferroelektrischer optischer Einkristallfilm 13 ausgebildet, was vorzugsweise mittels des Flüssigphasenepitaxiewachstums-Prozesses erfolgte. Dann wurde ein Filmabschnitt 12 des Films 13 im jeweiligen vertieften Abschnitt 3 ausgebildet. Die Palarisierungsrichtung der vorläufigen Schicht 10 ist die gleiche Richtung (dargestellt durch den Pfeil P) wie die Polarisierungsrichtung des Substrats1; die Polarisierungsrichtung Q des Films 13 verläuft entgegengesetzt zur Polarisierungsrichtung P der vorläufigen Schicht. Auf diese Weise wurde eine periodische domänenumgekehrte Struktur 16 geschaffen.
Danach wurde in gleicher Weise wie oben in Zusammenhang mit 12a und 12b beschrieben die Maske 34, deren Form der ebenen Ausgestaltung der Rippenstruktur entsprach, auf der Oberfläche des Films 13 ausgebildet. Vorzugsweise erstreckte sich die Maske 34 in vertikaler Richtung zur Verlaufsrichtung des Films 12 in den vertieften Abschnitten 3 und dem jeweiligen vertieften Abschnitt 3. Danach wurde der laminierte Körper der Protonenaustauschbehandlung unterzogen, um ähnlich wie in 13 die protonenausgetauschten Abschnitte 36A, 36B auszubilden.
Als nächstes wurden die protonenausgetauschten Abschnitte 36A, 36B dem Ätzvorgang unterzogen, um sie zu entfernen und dadurch das in 16a und 16b gezeigte optische Element 41 zu erhalten.
Durch Entfernung der protonenausgetauschten Abschnitte 36A, 36B entstanden an ihrer Stelle die vertieften Abschnitte 40A, 40B und auch eine linear zwischen den vertieften Abschnitten 40A, 40B verlaufende Rippenstruktur 42. In ihr waren der ferroelektrische optische Einkristallfilm 13, die vorläufige Schicht 10 und die periodische domänenumgekehrte Struktur 16 ausgebildet.
Das in Ansprüchen 6 und 9 dargelegte Verfahren zur Bereitstellung der periodischen domänenumgekehrten Struktur unterliegt keinen Einschränkungen, wobei die in Zu sammenhang mit 7–10 erklärten Verfahren geeignet sind, um die periodische domänenumgekehrte Struktur in der Rippenstruktur zu schaffen.
Es folgt eine Erklärung der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf konkrete Versuchsergebnisse.
Es wurde mittels Sputtern ein Tantalfilm mit einer Dicke von 60 nm auf der +Z-Oberfläche 1a eines mit MgO dotierten Lithiumniobat-Einkristallsubstrats 1 ausgebildet. Danach erfolgte die Ausbildung des Musters mittels Fotolithografie Als nächstes wurde das Substrat einem Trockenätzvorgang unter Einsatz von CF₄-Gas unterzogen, um eine Maske eines Musters zu bilden, das der Struktur mit periodischen vertieften und vorstehenden Abschnitten mit einem periodischen Zyklus von 3,4 μm entsprach. Das Substrat wurde 60 min lang bei 260 °C in Pyrophosphorsäure eingetaucht, um Protonenaustausch durchzuführen und dadurch die protonenausgetauschten Abschnitte 2 mit einer Tiefe von 2 μm im nicht maskierten Abschnitt auszubilden.
Anschließend wurde das Substrat 1 h lang bei 60 °C in eine Ätzlösung von HF HNO₃ = 2 : 1 getaucht, um selektiv nur die protonenausgetauschten Abschnitte zu entfernen und dadurch eine vorstehende und vertiefte Struktur mit vertieften Abschnitten 3 einer Tiefe von 2 μm und einem periodischen Zyklus von 3,4 μm zu schaffen.
Anschließend wurde der Lithiumniobat-Einkristallfilm 4 mit einer Dicke von etwa 1 μm ausgehend von der oberen Fläche der vorstehenden Abschnitte auf dem Substrat 1 mit der vorstehenden und vertieften Struktur mittels des Flüssigphasenepitaxiewachstums-Prozesses ausgebildet. Der jeweilige vertiefte Abschnitt wurde vollständig durch den Filmabschnitt 5 des Einkristallfilms 4 ausgefüllt. Der Stufenunterschied zwischen den gebildeten vorstehenden Abschnitten und den vertieften Abschnitten wurde durch den Lithiumniobatfilm 4 geglättet, wodurch eine flache Oberfläche des Films 4 entstand. Der Lithiumniobatfilm 4 besaß eine dem Substrat 1 entgegenge setzte Polarisierungsrichtung. Auf diese Weise wurde der in 11 gezeigte laminierte Körper 45 erhalten.
Als nächstes wurde ein Tantalfilm mit einer Dicke von 60 nm mittels Sputtern auf dem Lithiumniobatfilm 4 abgelagert. Dann erfolgte die Musterausbildung mittels Fotolithografie. Als nächstes wurde der laminierte Körper 45 einem Trockenätzvorgang unter Einsatz von CF₄-Gas unterzogen, um eine Tantalmaske 34 einer Breite von 6 μm zu bilden, die in vertikaler Richtung zum vorstehenden und vertieften Muster der Oberfläche des Substrats 1 verlief.
Anschließend wurde der laminierte Körper 45 bei 260 °C 60 min lang in Pyrophosphorsäure getaucht, um den Protonenaustausch durchzuführen, um dadurch die protonenausgetauschten Abschnitte 36A, 36B mit einer Tiefe von 2 μm im nicht maskierten Abschnitt auszubilden.
Dann wurde der laminierte Körper 45 1 h lang bei 60 °C in eine Ätzlösung von HF HNO₃ = 2 : 1 eingetaucht, um selektiv ausschließlich die protonenausgetauschten Abschnitte 36A, 36B und nicht die protonenausgetauschten Abschnitte unter der Maske 34 durch Ätzen zu entfernen, wodurch die vorstehende Rippenstruktur 39 mit einer Höhe von etwa 2 μm und einer Breite von etwa 3 μm entstand. Auf diese Weise konnte eine SHG-Vorrichtung mit dreidimensionalem Lichtwellenleiter und rippenartiger, periodischer, domänenumgekehrter Struktur erzeugt werden.
Bei Bestrahlung der somit gebildeten SHG-Vorrichtung mit einer Ersten Harmonischen Grundwelle einer Wellenlänge von 860 nm und einer Eingangsleistung von 100 mW wurde eine SHG-Ausgangsleistung von etwa 1,5 mW ausgestrahlt. Die SHG-Vorrichtung wurde auch hinsichtlich der Beständigkeit gegenüber optischer Beschädigung gemessen. Man stellte keine Schwankungen der Ausgangsleistung bei der Erzeugung einer SHG-Ausgangsleistung von mehreren mW und einer Wellenlänge eines 400 nm-Bands fest, so dass die Beständigkeit gegenüber optischer Beschädigung als hervorragend eingestuft wurde.
Der Grund dafür ist vermutlich, dass Trockenätzen, das RIE-Kristalle u.dgl. beschädigt, bei der Bereitstellung der rippenartigen dreidimensionalen Lichtwellenleiterstruktur nicht durchgeführt wurde, so dass die dreidimensionale Lichtwellenleiterstruktur mit hervorragender kristalliner Eigenschaft erzeugt werden konnte.
Wie bereits oben ausführlich dargelegt, kann gemäß der Erfindung die Beständigkeit der periodischen domänenumgekehrten Struktur gegenüber optischer Beschädigung deutlich verbessert werden, wenn eine derartige Struktur auf dem ferroelektrischen optischen Einkristallsubstrat ausgebildet ist. Die Beschädigung des Materials des Substrats u.dgl. kann ebenfalls verringert und die kristalline Eigenschaft des Substrats nach der Verarbeitung verbessert werden, wodurch die Beständigkeit gegenüber optischer Beschädigung und die Ausgangsleistung der periodischen domänenumgekehrten Struktur sowie ähnlicher Lichtwellenleiterstrukturen verbessert wird.
Obwohl die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf konkrete Beispiele und Zahlenwerte erläutert wurde, ist es für Fachleute auf dem Gebiet der Erfindung offenkundig, dass zahlreiche Veränderungen bzw. Modifikationen der Erfindung möglich sind.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Lichtwellenleiterelements, umfassend die Schritte der Bereitstellung eines optischen Einkristallsubstrats (1, 21) mit einer ferromagnetischen Einzeldomäne, das vorstehende und vertiefte Abschnitte aufweist, des Wachsenlassens eines ferroelektrischen optischen Einkristallfilms (4, 6, 17, 24) auf zumindest den entsprechenden vertieften Abschnitten (3, 18) der vorstehenden und vertieften Abschnitte des Substrats durch einen Flüssigphasenepitaxiewachstums-Prozess, wobei die Curie-Temperatur des Substrats höher als die Temperatur des Flüssigphasenepitaxiewachstums des Einkristallfilms ist, und des Polarisierens des Einkristallfilms in eine zum Substrat entgegengesetzte Richtung, dadurch gekennzeichnet, dass der Einkristallfilm eine Curie-Temperatur aufweist, die niedriger als die Temperatur des Flüssigphasenepitaxiewachstums des Einkristallfilms ist.
Verfahren nach Anspruch 1, worin die vorstehenden und vertieften Abschnitte ausgebildet werden, indem eine Maske mit periodischem Muster auf dem Substrat bereitgestellt wird, protonenausgetauschte Abschnitte (2) in den nicht maskierten Abschnitten des Substrats durch einen Protonenaustausch-Prozess betreitgestellt werden und die protonenausgetauschten Abschnitte selektiv entfernt werden, um im Substrat das gewünschte Muster aus vorstehenden und vertieften Abschnitten bereitzustellen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, worin der Einkristallfilm einen größeren Brechungsindex als der des Substrats aufweist.
Verfahren nach Anspruch 3, worin eine streifenförmige Rille (15) im Substrat ausgebildet wird, die periodischen vorstehenden und vertieften Abschnitte in der streifenförmigen Rille ausgebildet werden und der Einkristallfilm (17) zumindest auf der streifenförmigen Rille, einschließlich der vorstehenden und vertieften Abschnitten, wachsen gelassen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, worin die entsprechenden vorstehenden Abschnitte (23) einen größeren Brechungsindex als der des Substrats aufweisen.
Verfahren zur Herstellung eines Lichtwellenleiterelements nach einem der vorangegangenen Ansprüche, weiters umfassend die Bereitstellung einer Maske (34) mit einer Form, die einer Rippenstruktur auf dem aus dem Substrat und dem Einkristallfilm gebildeten laminierten Körper (45) entspricht, das Ausbilden von protonenausgetauschten Abschnitten (36A, 36B) an den nicht maskierten Abschnitten des laminierten Körpers durch einen Protonenaustausch-Prozess und das selektive Entfernen der protonenausgetauschten Abschnitte, um eine vom Substrat vorstehende Rippenstruktur (39) mit einer darin ausgebildeten periodischen domänenumgekehrten Struktur bereitzustellen.
Verfahren zur Herstellung eines Lichtwellenleiterelements, umfassend die Schritte der Bereitstellung eines optischen Einkristallsubstrats (1) mit einer ferromagnetischen Einzeldomäne, des Wachsenlassens eines ersten ferroelektrischen optischen Einkristallfilms (7, 8, 10) auf einer Hauptoberfläche des Einkristallsubstrats durch einen Flüssigphasenepitaxiewachstums-Prozess, wobei die Curie-Temperatur des Substrats höher als die Temperatur des Flüssigphasenepitaxiewachstums des ersten Einkristallfilms ist, des Polarisierens des Einkristallfilms in die gleiche Richtung wie das Substrat, des Ausbildens von vorstehenden und vertieften Abschnitten auf dem ersten Einkristallfilm, des Wachsenlassens eines zweiten ferroelektrischen optischen Einkristallfilms (11) auf zumindest den entsprechenden vertieften Abschnitten (3) der vorstehenden und vertieften Abschnitte durch einen Flüssigphasenepitaxiewachstums-Prozess, wobei die Curie-Temperatur des Substrats höher als die Temperatur des Flüssigphasenepitaxiewachstums des zweiten Einkristallfilms ist, und des Polarisierens des zweiten Einkristallfilms in eine zum Substrat entgegengesetzte Richtung, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Einkristallfilm eine niedrigere Curie-Temperatur als die Temperatur des Flüssigphasenepitaxiewachstums des ersten Einkristallfilms aufweist, und dass der zweite Einkristallfilm eine niedrigere Curie-Temperatur als die Temperatur des Flüssigphasenepitaxiewachstums des zweiten Einkristallfilms aufweist.
Verfahren nach Anspruch 7, worin die vorstehenden und vertieften Abschnitte ausgebildet werden, indem eine Maske mit periodischem Muster auf dem ersten Einkristallfilm bereitgestellt wird, protonenausgetauschte Abschnitte (9) in den nicht maskierten Abschnitten des ersten Einkristallfilms durch einen Protonenaustausch-Prozess betreitgestellt werden und die protonenausgetauschten Abschnitte selektiv entfernt werden, um im ersten Einkristallfilm das gewünschte Muster aus vorstehenden und vertieften Abschnitten bereitzustellen.
Verfahren zur Herstellung eines Lichtwellenleiterelements nach Anspruch 7 oder 8, weiters umfassend die Bereitstellung einer Maske (34) mit einer Form, die einer Rippenstruktur auf dem aus dem Substrat und dem ersten und zweiten Einkristallfilm gebildeten laminierten Körper (46) entspricht, das Ausbilden von protonenausgetauschten Abschnitten an den nicht maskierten Abschnitten des laminierten Körpers durch einen Protonenaustausch-Prozess und das selektive Entfernen der protonenausgetauschten Abschnitte, um eine vom Substrat vorstehende Rippenstruktur (42) mit einer darin ausgebildeten periodischen domänenumgekehrten Struktur bereitzustellen.