DE69924423T2

DE69924423T2 - Vorrichtung zur Erzeugung der zweiten harmonischen Welle

Info

Publication number: DE69924423T2
Application number: DE69924423T
Authority: DE
Inventors: Takashi Oharu-Cho Yoshino; Minoru Naka-Ku Imaeda; Makoto Kasugai City Iwai
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1998-05-27
Filing date: 1999-05-27
Publication date: 2006-03-09
Anticipated expiration: 2019-05-28
Also published as: EP0961160B1; EP0961160A3; DE69924423D1; US6181462B1; EP0961160A2

Description

Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Erzeugung einer zweiten Harmonischen (SHG-Vorrichtung), die vorzugsweise für eine Blue-Laser-Quellenvorrichtung oder dergleichen verwendet werden kann.
Beschreibung der verwandten Technik
Es wird eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Blue-Lasers vorgeschlagen, der dadurch erzeugt wird, dass ein Lichtwellenleiter mit einer Struktur aus einer periodischen Inversion der Polarität gebildet wird, und worin ein Infrarotwellen-Halbleiter-Laser in den Lichtwellenleiter eingebracht wird (USP 4.740.265, JP-A-5-289131 und JP-A-5-173213). So offenbart z.B. JP-A-6-51359 eine SHG-Vorrichtung, in welcher eine Polarisationsinversionsschicht, ein Lichtwellenleiter, ein dielektrischer Film sowie eine Reflexionsgitterschicht ausgebildet sind und die Dicke des dielektrischen Films auf einen bestimmten Wert begrenzt ist.
Obwohl diese Techniken Domänen erforderlich machen, die mit hoher Präzision geregelt werden, ist die Steuerung solcher Domänen mit hoher Präzision sehr schwierig. Eine zulässige Temperatur für die Phasenanpassung muss innerhalb eines Bereichs von ±0,5°C geregelt werden. Darüber hinaus kann ein Lichtschaden des Lichtwellenleiters mit einer Lichtenergie von 3 mW oder mehr erkannt werden. Unter Berücksichtigung dieser Phänomene ist herauszustreichen, dass diese Vorrichtungen in der praktischen Verwendung Probleme zeigen.
Andererseits schlug NGK Insulators, Ltd., in JP-A-8-339002 eine SHG-Vorrichtung mit einem verringerten Lichtschaden ohne Erfordernis einer Quasi-Phasenanpassung oder Steuerung der Domänen mit hoher Präzision vor. In dieser Literatur wird ein sogenanntes Einkristall-Substrat aus Lithiumkaliumniobat oder ein Tantariumsubstituiertes Lithiumkaliumniobat durch einen Mikro-Pull-Down-Vorgang hergestellt, und ein Lichtwellenleiter aus demselben Material wie das Substrat wird darauf ausgebildet.
Diese Vorrichtung zur Erzeugung einer zweiten Harmonischen war insofern aufsehenerregend, als der Lichtwellenleiter für die Wellenlängenkonversion erfolgreich einen Lichtverlust in großem Ausmaß verringerte und zum ersten Mal eine Möglichkeit schuf, um eine praktische Vorrichtung dieser Art bereitzustellen.
Es wurde aber klar, dass die Vorrichtung zur Erzeugung einer zweiten Harmonischen in folgender Hinsicht zu verbessern ist: Die Grundwelle und die zweite Harmonische. werden durch den Lichtwellenleiter aus dem zuvor erwähnten bestimmten Einkristall in der Vorrichtung dieser Art zur Erzeugung der zweiten Harmonischen übertragen. Somit ist, da sich die Grundwelle von der zweiten Harmonischen hinsichtlich der Wellenlänge stark unterscheidet, die zweite Harmonische eine Multi-Moden-Welle, wenn der Ausbreitungsmodus der Grundwelle monomodal ist. Weiters stellte sich heraus, dass ein Design nicht praktisch war, das sowohl die Grundwelle als auch die zweite Harmonische zur Monomode machte. War die zweite Harmonische eine Multi-Mode, so trat mit Bezug auf eine Wellenlänge eine Phasenanpassung auf, die nicht beabsichtigt war. Weiters schwingt, wenn die Grundwelle schwingt, auch die zweite Harmonische, so dass die Schwingung nicht stabil erfolgen konnte.
EP-A-737 884 beschreibt die Merkmale nicht, die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 aufscheinen, aber es offenbart eine SHG-Vorrichtung nach dem bekannten Stand der Technik, die alle anderen Merkmale von Anspruch 1 und 2 umfasst.
EP-A-957 358 und EP-A-957 395 sind frühere Anmeldungen, die nach dem 10. Mai 1999 veröffentlicht wurden und ebenfalls keine Information über die Merkmale enthalten, die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 aufscheinen.
Zusammenfassung der Erfindung
Somit ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Erzeugung einer zweiten Harmonischen bereitzustellen, die zweite Harmonische erzeugt, die aus ordentlichen Strahlen bestehenden außerordentlichen Strahlen von Grundwellen gebildet sind, wobei verhindert werden kann, dass die zweiten Harmonischen nachteilig durch den Zustand, die Eigenschaften und/oder die Schwingung der Grundwelle beeinflusst werden.
Ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Erzeugung einer zweiten Harmonischen, wie sie in Anspruch 1 dargelegt ist.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Erzeugung einer zweiten Harmonischen, wie sie in Anspruch 3 dargelegt ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Zum besseren Verständnis der Erfindung wird ein Bezug auf die angefügten Zeichnungen hergestellt, worin
1(a) ein Querschnitt ist, der schematisch einen Teil einer Vorrichtung 1 zur Erzeugung einer zweiten Harmonischen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt; 1(b) eine vertikale Schnittansicht eines Teils der Vorrichtung 1 ist; und die 1(c) und 1(d) Darstellungen der Verteilungen der Brechungsindici der Grundwelle und der zweiten Harmonischen sind;
2 ein Querschnitt ist, der schematisch einen Teil einer Vorrichtung 11 zur Erzeugung einer zweiten Harmonischen gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
3(a) eine vertikale Schnittansicht einer Vorrichtung 21 zur Erzeugung einer zweiten Harmonischen gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Er findung ist; 3(b) Darstellungen von Verteilungen der Brechungsindici der Grundwelle und der zweiten Harmonischen zeigt; und
4 ein Querschnitt der Vorrichtung 21 gemäß der weiteren Ausführungsform der vorliegenden Ausführungsform ist.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung schenkten der Tatsache Beachtung, dass ein Einkristall aus einem Mischkristall aus Lithiumkaliumniobat und Lithiumkaliumtantalat (hierin nachfolgend oftmals als "KLNT-Kristall" bezeichnet) und ein Einkristall aus Lithiumkaliumniobat (oftmals als "KLN-Kristall" bezeichnet) die Eigenschaft zeigen, dass sie Grundwellen, die aus gewöhnlichen Strahlen bestehen, in einem Lichtwellenleiter in zweite Harmonische umwandeln, die aus außerordentlichen Strahlen bestehen. Weiters haben die Erfinder festgestellt, dass in solchen Kristallsystemen der Brechungsindex der gewöhnlichen Strahlen getrennt von der Regulierung jenes der außerordentlichen Strahlen reguliert werden kann. Somit gelangten sie zur technischen Idee, dass eine Zone, durch die sich hauptsächlich die außerordentlichen Strahlen ausbreiten, von einer Zone umgeben ist, durch die sich hauptsächlichen ordentliche Strahlen ausbreiten.
Als Resultat dessen waren die Erfinder zuerst darin erfolgreich, die Vorrichtung zur Erzeugung der zweiten Harmonischen bereitzustellen, in welcher die zweiten Harmonischen nicht nachteilig durch den Zustand und die Eigenschaften der Grundwellen als ordentliche Strahlen beeinflusst werden.
Insbesondere kann, wenn z.B. das Element zur Erzeugung der zweiten Harmonischen so konstruiert ist, dass die Ausbreitung der Grundwellen im Monomode verläuft, der erste Kernabschnitt, durch welchen sich die Grundwellen verteilen, größer als der zweite Kernabschnitt ausgeführt werden, durch welchen sich die zweiten Harmonischen ausbreiten. Somit kann die Verteilung der zweiten Harmonischen monomodal sein, indem die Größe des zweiten Kernabschnitts passend festgelegt wird.
Weiters ist es, selbst wenn die Grundwellen fluktuieren, eher unwahrscheinlich, dass die Schwingung der Grundwellen auf die zweiten Harmonischen übertragen wird, da der Lichtstrom der zweiten Harmonischen kleiner als jener der Grundwellen ist.
Ist die Vorrichtung zur Erzeugung der zweiten Harmonischen mit einem Reflexionsgitterabschnitt zum Festlegen der Wellenlänge der Grundwellen bereitgestellt, wird die Wellenlänge der Grundwellen festgelegt, indem ein Teil der Grundwellen zum Reflexionsgitterabschnitt geleitet und dort reflektiert wird und die reflektierten Wellen zur Laserquelle zurückgeleitet werden, wenn die Grundwellen sich durch den ersten Kernabschnitt ausbreiten. Zu diesem Zeitpunkt kann der Reflexionsgitterabschnitt an einer Außenseite des zweiten Kernabschnitts bereitgestellt werden, so dass verhindert werden kann, dass die Reflexion der Grundwellen durch die zweiten Harmonischen beeinflusst wird.
Das Merkmal, dass in der Vorrichtung zur Erzeugung von zweiten Harmonischen der Modenfelddurchmesser der Grundwellen größer als jener der zweiten Harmonischen ist, bedeutet, dass die Modenfelddurchmesser beider durch eine gewöhnliche Modenfelddurchmesser-Messtechnik voneinander unterschieden werden können. Vorzugsweise unterscheidet sich der erste Modenfelddurchmesser vom letzteren um vorzugsweise nicht weniger als 0,5 μm und noch mehr bevorzugt um nicht weniger als 2,0 μm.
Der Modenfelddurchmesser der Grundwellen ist zwar nicht begrenzt, beträgt aber vorzugsweise 4,0 bis 7,0 μm. Der Modenfelddurchmesser der zweiten Harmonischen ist zwar nicht begrenzt, beträgt aber vorzugsweise 2,5 bis 5,0 μm.
In der vorliegenden Erfindung ist der zweite Kernabschnitt, dessen Brechungsindex der zweiten Harmonischen größer ist, vom ersten Kernabschnitt umgeben, dessen Brechungsindex der ordentlichen Strahlen höher ist. Dies bedeutet, dass der erste Kernabschnitt vom zweiten Kernabschnitt durch eine herkömmliche Technik zur Erzeugung von Lichtwellenleitern unterschieden werden kann. Der Außenumfang des ersten Kernabschnitts ist aber vom zweiten Kernabschnitt vorzugsweise um nicht weniger als 0,2 μm und insbesondere um nicht weniger als 1,0 μm getrennt.
In der vorliegenden Erfindung ist vorzugsweise ein Hüllabschnitt außerhalb des ersten Kernabschnitts bereitgestellt, wobei der Brechungsindex der Grundwellen im ersten Kernabschnitt höher als jener im Hüllabschnitt ist. Dies bedeutet, dass der Brechungsindex der Grundwellen zwischen dem ersten Kernabschnitt und dem Hüllabschnitt so unterschiedlich ist, dass die Grundwellen im ersten Kernabschnitt begrenzt werden können. Insbesondere unterscheidet sich der Brechungsindex des ersteren von jenem des letzteren vorzugsweise um nicht weniger als 0,005.
In der vorliegenden Erfindung umfasst der erste Kernabschnitt einen Brechungsindex-Anpassungsabschnitt an einer Außenseite des zweiten Kernabschnitts, und der Brechungsindex der zweiten Harmonischen im zweiten Kernabschnitt ist höher als jener im Brechungsindex-Anpassungsabschnitt, d.h. der Brechungsindex-Anpassungsabschnitt fungiert für die außerordentlichen Strahlen als Hüllabschnitt.
In der vorliegenden Erfindung ist der Brechungsindex der Grundwelle im zweiten Kernabschnitt höher als jener im Brechungsindex-Anpassungsabschnitt, d.h. der Brechungsindex der Grundwellen variiert im ersten Kernabschnitt um zumindest zwei Stufen. In diesem Fall kann die Effizienz der Erzeugung von zweiten Harmonischen weiter verbessert werden. Insbesondere wenn der Reflexionsgitterabschnitt bereitgestellt ist, kann die Menge an Grundwellen, die zum Reflexionsgitterabschnitt hin geleitet wird, dadurch geregelt werden, dass der Brechungsindex des Brechungsindex-Anpassungsabschnitts angepasst wird.
Die Vorrichtung zur Erzeugung einer zweiten Harmonischen gemäß der vorliegenden Erfindung kann z.B. Ultraviolettstrahlen in einem Bereich von 390 nm bis 470 nm erzeugen. Somit kann die Vorrichtung zur Erzeugung einer zweiten Harmonischen breit gefächert auf Audio-CD-Speicher, medizinische Vorrichtungen, die Optochemie und verschiedene optische Messungen, die ein solches Kurzwellenlicht verwenden, angewendet werden.
Der Brechungsindex jedes der Bestandteile der Vorrichtung zur Erzeugung einer zweiten Harmonischen wird geregelt, wie dies bereits zuvor erklärt wurde, indem die Bestandteile, insbesondere jede des ersten Kernabschnitts, des zweiten Kernabschnitts und bei Bedarf des Hüllabschnitts, mit einem KLNT-Kristall oder KLN-Kristall gebildet und die Zusammensetzungen dieser geändert werden. Zu dem Zeitpunkt, zu welchem das Verhältnis der subsituierten Menge an Niobium zu jener von Tantalum in der KLN- oder KLNT-Zusammensetzung erhöht wird, steigt auch der Brechungsindex des ordentlichen Strahls im Einkristall an. Nimmt das Verhältnis von Lithium zur insgesamt substituierten Menge an Niobium und Tantalum ab, so steigt der Brechungsindex des außerordentlichen Strahls im Einkristall an.
Somit kann, wenn das Verhältnis von Nb/Ta im ersten Kernabschnitt, insbesondere im Brechungsindex-Anpassungsabschnitt, größer als jenes im Hüllabschnitt gemacht wird, der Brechungsindex des ordentlichen Strahls im ersten Kernabschnitt größer. gemacht werden als jener im Hüllabschnitt. Weiters kann, wenn das Verhältnis Li/(Ta + Nb) im zweiten Kernabschnitt kleiner als jenes im Brechungsindex-Anpassungsabschnitt ist, der Brechungsindex des außerordentlichen Strahls im zweiten Kernabschnitt größer als jener im Brechungsindex-Anpassungsabschnitt gemacht werden.
In der vorliegenden Erfindung ist die Zusammensetzung jedes der Bestandteile der Vorrichtung nicht besonders beschränkt, wenngleich sie vorzugsweise die folgenden Zusammensetzungen aufweisen:
(1) Zweiter Kernabschnitt

K₃Li_2-Xx(Nb_1-YTa_Y)_5+XO_15+Z worin X = 0,005–0,1, insbesondere vorzugsweise 0,02–0,1, und Y = 0,00 bis 0,1, insbesondere vorzugsweise 0,00–0,05.

(2) Erster Kernabschnitt

K₃Li_2-X+A(Nb_1-Y-BTa_Y+B)_5+X-AO_15+Z worin A = 0,005–0,1, insbesondere vorzugsweise 0,01–0,05, und B = 0,00 bis 0,1, insbesondere vorzugsweise 0,00–0,05.

(3) Hüllabschnitt

K₃Li_2-X+A+C(Nb_1-Y-B-DTa_Y+B+D)_5+X-A-CO_15+Z worin C = 0,005–0,1, insbesondere vorzugsweise 0,01–0,05, D = 0,005 bis 0,1, insbesondere vorzugsweise 0,01–0,05, A + C = 0,01–0,2, insbesondere vorzugsweise 0,02–0,1, und B + D = 0,01–0,2, vorzugsweise 0,03–0,05. X, Y, Z, A bzw. B bezeichnen dieselben Bedeutungen wie zuvor.

In der vorliegenden Erfindung wird, wie dies nachfolgend erwähnt wird, insbesondere bevorzugt, dass der zweite Kernabschnitt zwischen den Brechungsindex-Anpassungsabschnitten von den gegenüberliegenden Seiten in einer Sandwich-Anordnung angeordnet ist. Es wurde herausgefunden, dass in einer solchen Anwendung ein integrierter Wert eines überlappten Modenabschnitts zwischen der Grundwelle und der zweiten Harmonischen ansteigt, um dadurch deutlich die Erzeugungseffizienz der zweiten Harmonischen zu verbessern.
Die Zusammensetzung jedes des zweiten Kernabschnitts, des Kernabschnitts und des Hüllabschnitts wurde zuvor erwähnt, und es wurde die aus K, Li, Nb, Ta und O bestehende Wolfram-Bronze-Struktur dabei berücksichtigt. Die Zusammensetzung kann aber durch ein anderes Element oder andere Elemente als K, Li, Nb, Ta und O in einer solchen Menge ersetzt werden, so dass dabei die Struktur gleich bleibt. So können z.B. K und Li durch Na, Rb oder dergleichen ersetzt werden. Ein Laserschwingendes Dotiermittel wie Cr und ein Seltenerdelement, das Er und Nd umfasst, kann in der Zusammensetzung aufgenommen sein.
Die Vorrichtung zur Erzeugung einer zweiten Harmonischen weist vorzugsweise eine ebene Form auf, kann aber auch eine fasernartige Form zeigen. Hat die Vorrichtung eine fasernartige Form, so muss ein zweiter Kernabschnitt in einem Mittelabschnitt der fasernartigen Vorrichtung angeordnet werden, und der erste Kernabschnitt und ein Hüllabschnitt können nacheinander bereitgestellt sein, um den Umfang des zweiten Kernabschnitts zu bedecken.
Wird ein Einkristall-Substrat als Hüllabschnitt der Vorrichtung zur Erzeugung einer zweiten Harmonischen verwendet, so wird ein Einkristall-Substrat, wie es durch das im JP-A-8-259375 und JP-A-8-319191 vorgeschlagene Mikro-Pull-Down-Verfahren erhalten wird, bevorzugt.
Der Hüllabschnitt, der Brechungsindex-Anpassungsabschnitt und der zweite Kernabschnitt können durch das metallorganische, chemische Dampfablagerungsverfahren oder das Flüssigphasen-Epitaxialverfahren gebildet werden.
In der in den 1(a) bis 1(d) dargestellten Vorrichtung 1 ist ein erster Kernabschnitt 30 auf einer Hauptebene eines Unterhüllabschnitts aus einem Substrat aus einem KLNT-Kristall bereitgestellt, und ein Überhüllabschnitt 6 ist auf dem ersten Kernabschnitt 30 ausgebildet. Der erste Kernabschnitt 30 umfasst einen oberen Brechungsindex-Anpassungsabschnitt 5 und einen unteren Brechungsindex-Anpassungsabschnitt 3. Ein zweiter Kernabschnitt 4, der einen dreidimensionalen Lichtwellenleiter bildet, ist zwischen dem Brechungsindex-Anpassungsabschnitt 3 und dem Brechungsindex-Anpassungsabschnitt 5 angeordnet. Der obere Brechungsindex-Anpassungsabschnitt 5 umfasst einen flachen Abschnitt 5a, der auf dem Brechungsindex-Anpassungsabschnitt 3 ausgebildet ist, sowie einen Deckabschnitt 5b, der den zweiten Kernabschnitt 4 bedeckt. Der Überhüllabschnitt 6 umfasst einen flachen Abschnitt 6a, der auf dem oberen Brechungsindex-Anpassungsabschnitt 5 bereitgestellt ist, und einen Deckabschnitt 6b, der den zweiten Kernabschnitt 5 bedeckt.
Wie in 1(b) dargestellt ist, breitet sich ein ordentlicher Strahl 10A innerhalb des ersten Kernabschnitts 30 aus, während sich ein außerordentlicher Strahl 10B innerhalb des zweiten Kernabschnitts 4 ausbreitet. Zu diesem Zeitpunkt kann, wie dies in 1(c) dargestellt ist, z.B. der Brechungsindex des ordentlichen Strahls im ersten Kernabschnitt 30 konstant gemacht werden. Insbesondere ist, wie in 1(d) dargestellt, der Brechungsindex des ordentlichen Strahls im zweiten Kernabschnitt 4 vorzugsweise größer als jener in den Brechungsindex-Anpassungsabschnitten 3 und 5.
In der in 2 schematisch dargestellten Vorrichtung 11 zur Erzeugung einer zweiten Harmonischen ist eine stegförmige Struktur 33 auf einer Hauptebene eines Unterhüllabschnitts 12 aus einem Substrat aus einem KLNT-Kristall ausgebildet. Die stegförmige Struktur 33 umfasst einen ersten Kernabschnitt 30, der einen zweiten Kernabschnitt 14, einen oberen Brechungsindex-Anpassungsabschnitt 15 und einen unteren Brechungsindex-Anpassungsabschnitt 13 umfasst. Die Hauptebene des Hüllabschnitts 12 ist mit einem flachen Abschnitt 16a des Überhüllabschnitts 16 bedeckt, und die stegförmige Struktur 33 ist mit Überhüllabschnitten 16b, 16c bedeckt.
Ein schräger Winkel θ einer Seitenfläche der stegförmigen Struktur zur Oberfläche des Unterhüllabschnitts 12 kann kleiner als 90° ausgeführt werden. Insbesondere kann der schräge Winkel mit 60 bis 120° festgelegt werden. Dieser schräge Winkel beeinflusst den Ausbreitungsverlust.
Die 3(a) und 3(b) sowie die 4 zeigen schematisch eine zweite Vorrichtung zur Erzeugung einer zweiten Harmonischen gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Wie in 4 dargestellt, ist ein unterer Brechungsindex-Anpassungsabschnitt 23 auf einer Hauptebene eines Unterhüllabschnitts 22 aus einem KLNT-Kristallsubstrat bereitgestellt. Ein zweiter Kernabschnitt 24 ist auf dem Brechungsindex-Anpassungsabschnitt 23 bereitgestellt, und ein Überhüllabschnitt 25 ist auf dem zweiten Kernabschnitt 24 bereitgestellt. Ein erster Kernabschnitt 31 besteht aus 23, 24, 25. Der unterer Brechungsindex-Anpassungsabschnitt 23 ist von einem flachen Abschnitt 26a des Überhüllabschnitts 26 bedeckt, und die Oberfläche der stegförmigen Struktur 34 ist mit Überhüllabschnitten 26b und 26c bedeckt.
Wie in den 3(a) und 3(b) dargestellt, ist ein Reflexionsgitterabschnitt 27 an einer Grenzfläche zwischen dem oberen Brechungsindex-Anpassungsabschnitt 25 und dem Überhüllabschnitt 26 bereitgestellt. Der obere Brechungsindex-Anpassungsabschnitt 25 umfasst einen flachen Abschnitt 25a und eine Reihe von Vorsprüngen 25b, die abwechselnd mit den Vorsprüngen 26d des Überhüllabschnitts 26 bereitge stellt sind. Ein Grundwelle 10A breitet sich innerhalb des ersten Kernabschnitts 41 aus und geht durch den Reflexionsgitterabschnitt hindurch. Das Licht, das vom Reflexionsgitterabschnitt zurückkommt, legt die Wellenlänge der Grundwelle fest.
(Beispiele)
(Versuch A)
Es wurde eine Vorrichtung 11, wie sie in 2 dargestellt ist, hergestellt.
Zuerst wurde eine Einkristallplatte 12 aus KLNT im Mikro-Pull-Down-Verfahren hergestellt. Insbesondere wurden Kaliumkarbonat, Lithiumkarbonat, Niobiumchlorid und Tantalumoxid in einem Zusammensetzungsverhältnis von 30,0 : 24,0 : 45,08 : 0,92 formuliert, wodurch ein Ausgangsmaterialpulver erzeugt wurde. In einem Schmelztiegel aus Platin wurden etwa 50 g des Ausgangsmaterialspulvers eingefüllt, woraufhin dieser auf 1.150°C erhitzt wurde, um das Ausgangsmaterial zu schmelzen. Das Ausgangsmaterial wurde innerhalb des Schmelztiegels in dem Zustand geschmolzen, dass die Temperatur eines Raums innerhalb eines Ofens in einem Bereich von 1.100 bis 1.200°C eingestellt wurde. Während die Temperatur eines Einkristalle erzeugenden Abschnitts mit 1.050°C bis 1.150°C festgelegt wurde, wurde eine C-Flächen-Platte entlang einer "a"-Achsen-Richtung eines Kristalls mit einer Geschwindigkeit von 10 mm/h durch eine am Boden des Schmelztiegels bereitgestellte Düse hinabgezogen. Daraus ergab sich ein Einkristall-Substrat mit 1 mm Dicke, 30 mm Breite und 30 mm Länge. Dieses Substrat wurde als Unterhüllabschnitt verwendet. Das Substrat wies die folgende Zusammensetzung auf: K₃Li₂(Nb_0,97Ta_0,03)₅O₁₅.
Danach wurden die Epitaxialfilme 13, 14 mittels des metallorganischen chemischen Dampfabscheidungsverfahren gebildet. Konkret wurden als Ausgangsmaterial jeweils Dipipaloylmethanatokalium [K(C₁₁H₁₉O₂) (das hierin nachfolgend als "K(DPM)" bezeichnet wird)], Dipipaloylmethanatolithium [Li(C₁₁N₁₉O₂) (das hierin nachfolgend als "Li(DPM)" bezeichnet wird)] oder Pentaethoxyniobium [Nb(OC₂H₅)₅ (das hierin nachfolgend als "Nb(PE)" bezeichnet wird)] verwendet. Sie wurden in die jeweiligen Ausgangsmaterialbehältnisse eingefüllt und danach auf die jeweiligen Gasumwandlungstemperaturen erhitzt, um sie in den gasförmigen Zustand überzuführen. Jedes Gas wurde in eine Reaktorkammer eingebracht, wobei ein Ar-Trägergas verwendet wurde, dessen Durchflussrate geregelt wurde.
Unter der Bedingung, dass der Druck in der Reaktorkammer 20 Torr und die Temperatur des Substrats 650°C betrug, wurden die Filme 13, 14, 15 3 Stunden lang gebildet. Die Zusammensetzung des auf diese Weise erhaltenen Films 13 war K₃Li_2,00Nb_5.00O₁₅, jene des Films 14 war K₃Li_1,95Nb_5,05O₁₅ und jene des Films 15 war K₃Li_2,00Nb_5,00O₁₅.
Ein streifenähnliches Filmmuster aus Ti wurde in einer Teilung von 2 mm in einer Dicke von 1 μm, einer Breite von 5 μm und einer Länge von 25 mm mittels normaler Lithographie ausgebildet. Die auf diese Weise erhaltene Probe wurde mittels eines reaktiven Ionenätzverfahrens verarbeitet. In diesem Fall wurde die Probe mit einer elektrischen HF-Energie von 250 W 100 Minuten lang mit C₂F₆- und O₂-Gasen unter einem Druck von 0,02 Torr verarbeitet, um eine stegförmige Struktur 33 zu bilden, wie sie in 2 dargestellt ist. Der schräge Winkel θ betrug 63°.
Ein Überhüllabschnitt 16 wurde auf dieser Probe mittels des zuvor beschriebenen metallorganischen, chemischen Dampfablagerungsverfahrens ausgebildet. Die Durchflussraten der Gase betrugen 200 ml/min für K(DPM), 600 ml/min für Li(DPM), 150 ml/min für Nb(PE) bzw. 20 ml/min für Pentaethoxytantulum [Ta(OC₂H₅)₅]. Unter der Bedingung, dass der Druck in einer Reaktorkammer 20 Torr und die Temperatur des Substrats 650°C betrug, wurde ein KLNT-Einkristallfilm 16 in einer Dicke von 2,2 μm in 2 Stunden ausgebildet. Die Zusammensetzung des auf diese Weise erhaltenen Films war K₃Li_2,00(Nb_0,97Ta_0,03)_5,00O₁₅.
Die auf diese Weise erhaltene Probe wurde ausgeschnitten, um Chip-Elemente in einer Länge von 10 mm und einer Breite von 2 mm, aus einer Richtung des Lichtwellenleiters betrachtet, zu bilden. Ein Eingangsende und ein Ausgangsende des Elements wurden optisch poliert und mit einem Antireflexionsfilm mit einem Brechungs index von 0,5% bei einer Wellenlänge von 860 nm bzw. einem Antireflexionsfilm mit einem Brechungsindex von 0,5% bei einer Wellenlänge von 430 nm beschichtet. Ein Titansaphir-Laser wurde in das Element eingeleitet. Daraus ergab sich, dass der Laser bei einer Wellenlänge von 852 nm phasenangepasst wurde, um eine zweite Harmonische mit einer Ausgangsleistung von etwa 2,2 mW bei 426 nm zu erhalten, wenn die Eingangsleistung vom Laser 80 mW betrug. In jedem Fall gab es eine Monomoden-Ausbreitung.
(Versuch B)
Es wurde eine in den 3 und 4 dargestellte Vorrichtung erzeugt.
Auf dieselbe Weise wie im Versuch A wurde ein Substrat 22 mit einer Zusammensetzung von K₃Li_2,00(Nb_0,97Ta_0,03)_5,00O₁₅ hergestellt.
Zuerst wurde ein unterer Brechungsindex-Anpassungsabschnitt 23 mit einer Zusammensetzung von K₃Li_1,95(Nb_0,98Ta_0,02)_5,05O₁₅ auf dem Substrat 22 ausgebildet, und es wurde ein zweiter Kernabschnitt 24 mit einer Zusammensetzung von K₃Li_1,95Nb_5,05O₁₅ darauf ausgebildet. Es wurde ein Steg gebildet, indem der Rest mit einem KrF-Excimer-Laserstrahl bestrahlt wurde. Danach wurde ein oberer Brechungsindex-Anpassungsabschnitt 25 mit einer Zusammensetzung von K₃Li_1,95(Nb_0,98Ta_0,02)_5,05O₁₅ auf dem Steg im metallorganischen, chemischen Dampfablagerungsverfahren ausgebildet.
Es wurde ein Maskenmuster aus Ti in einer Höhe von 0,4 μm in einer Dicke von 100 nm auf dem Brechungsindex-Anpassungsabschnitt 25 ausgebildet, und es wurde ein Reflexionsgitterabschnitt 27 in einer Tiefe von 0,1 μm und einer Länge von 1,8 mm durch reaktive Ätzung unter Verwendung eines CF₄ + O₂-Gases ausgebildet. Die Ausbreitung des Lichts erfolgte in die "a"-Achsenrichtung.
Danach wurde ein Überhüllabschnitt 26 mit einer Zusammensetzung von K₃Li_2,00(Nb_0,97Ta_0,03)_5,05O₁₅ auf der Oberfläche des Brechungsindex-Anpassungsab schnitts 25 durch das metallorganische, chemische Dampfablagerungsverfahren ausgebildet.
Es wurde herausgefunden, dass ein Monomoden-Lichtwellenleiter bei einem Wellenlängenbereich von 811 bis 878 nm erhalten wurde, wenn ein lateral polarisierter Strahl in die Vorrichtung eingeleitet wurde.
Die auf diese Weise erhaltene Probe wurde ausgeschnitten, um Chip-Elemente in einer Länge von 10 mm und einer Breite von 2 mm, aus einer Richtung des Lichtwellenleiters betrachtet, zu bilden. Ein Eingangsende und ein Ausgangsende des Elements wurden optisch poliert und mit einem Antireflexionsfilm mit einem Reflexionsindex von 0,5% bei einer Wellenlänge von 860 nm ± 2 nm bzw. einem Antireflexionsfilm mit einem Reflexionsindex von 0,5% bei einer Wellenlänge von 430 nm ± 1 nm beschichtet.
Eine Laserdiode mit einer Schwingungswellenlänge von 860 nm ± 15 nm wurde direkt mit dieser Vorrichtung gekoppelt, so dass die Wellenlänge mit 863,4 nm durch den Reflexionsgitterabschnitt der Vorrichtung festgelegt wurde. Wurden die Vorrichtung und die Laserdiode durch ein Peltier-Element erhitzt, so wurde der Laser bei einer Wellenlänge von 864,1 nm bei 36,3°C phasenangepasst, um eine zweite Harmonische mit einer Ausgangsleistung von 12 mW zu erhalten, wenn die Eingangsleistung vom Laser 102 mW betrug.
Wie bereits zuvor erwähnt wurde, kann gemäß der vorliegenden Erfindung verhindert werden, dass die zweiten Harmonischen negativ durch den Zustand, die Eigenschaften und die Schwingungen der Grundwellen in der Vorrichtung zur Erzeugung einer zweiten Harmonischen beeinflusst werden, wobei die zweiten Harmonischen, die aus außerordentlichen Wellen bestehen, aus den aus ordentlichen Strahlen bestehenden Grundwellen erzeugt werden.

Claims

Vorrichtung (1) zur Erzeugung einer zweiten Harmonischen, umfassend einen Lichtwellenleiter, der aus einem Mischkristall (2) aus Lithiumkaliumniobat und Lithiumkaliumtantalat oder einem aus Lithiumkaliumniobat hergestellten Einkristall hergestellt ist, zur Erzeugung einer zweiten Harmonischen, die aus einem außerordentlichen Strahl (10B) einer Grundwelle gebildet ist, welche aus einem ordentlichen Strahl (10A) gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtwellenleiter so angeordnet ist, dass der Modenfelddurchmesser der Grundwelle im Inneren der Vorrichtung zur Erzeugung einer zweiten Harmonischen größer ist als der der zweiten Harmonischen.
Vorrichtung zur Erzeugung einer zweiten Harmonischen nach Anspruch 1, worin der Mittelpunkt der Grundwelle im Wesentlichen mit dem der zweiten Harmonischen übereinstimmt ist.
Vorrichtung zur Erzeugung einer zweiten Harmonischen nach Anspruch 2, worin die Vorrichtung zur Erzeugung einer zweiten Harmonischen einen ersten und einen zweiten Kernabschnitt umfasst, wenn sie in einer vertikal zur Ausbreitungsrichtung der Grundwelle stehenden Ebene betrachtet wird, wobei der Brechungsindex (n_o) der Grundwelle im ersten Kernabschnitt (30) höher als im Rest der Vorrichtung zur Erzeugung einer zweiten Harmonischen ist, während der Brechungsindex (n_e) der zweiten Harmonischen im zweiten Kernabschnitt (4) höher als im Rest ist und der erste Kernabschnitt den zweiten umgibt.
Vorrichtung zur Erzeugung einer zweiten Harmonischen nach Anspruch 3, worin ein Hüllabschnitt (16) außerhalb des ersten Kernabschnitts bereitgestellt ist und der Brechungsindex (n_o) der Grundwelle im ersten Kernabschnitt höher ist als der im Hüllabschnitt.
Vorrichtung zur Erzeugung einer zweiten Harmonischen nach Anspruch 3 oder 4, worin der erste Kernabschnitt einen Brechungsindex-Anpassungsabschnitt (3, 5) an einer Außenseite des zweiten Kernabschnitts umfasst und der Brechungsindex der zweiten Harmonischen im zweiten Kernabschnitt höher ist als der im Brechungsindex-Anpassungsabschnitt.
Vorrichtung zur Erzeugung einer zweiten Harmonischen nach Anspruch 5, worin der Brechungsindex (n_o) der Grundwelle im zweiten Kernabschnitt höher ist als der im Brechungsindex-Anpassungsabschnitt.
Vorrichtung zur Erzeugung einer zweiten Harmonischen nach einem der Ansprüche 3 bis 6, worin der erste Kernabschnitt einen Reflexionsgitterabschnitt (23) zum Festlegen der Wellenlänge der in den ersten Kernabschnitt eintretenden Grundwelle umfasst.