EP1706523A1 - Treatment of crystals in order to avoid light-induced modifications of the refraction index - Google Patents

Treatment of crystals in order to avoid light-induced modifications of the refraction index

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Publication number
EP1706523A1
EP1706523A1 EP04786888A EP04786888A EP1706523A1 EP 1706523 A1 EP1706523 A1 EP 1706523A1 EP 04786888 A EP04786888 A EP 04786888A EP 04786888 A EP04786888 A EP 04786888A EP 1706523 A1 EP1706523 A1 EP 1706523A1
Authority
EP
European Patent Office
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crystal
oxidation
electrodes
crystals
foreign atoms
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP04786888A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Karsten Buse
Matthias Falk
Konrad Peithmann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Deutsche Telekom AG
Original Assignee
Deutsche Telekom AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Deutsche Telekom AG filed Critical Deutsche Telekom AG
Publication of EP1706523A1 publication Critical patent/EP1706523A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C30CRYSTAL GROWTH
    • C30BSINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B33/00After-treatment of single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure
    • C30B33/005Oxydation
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C30CRYSTAL GROWTH
    • C30BSINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B29/00Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/10Inorganic compounds or compositions
    • C30B29/16Oxides
    • C30B29/22Complex oxides
    • C30B29/30Niobates; Vanadates; Tantalates
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C30CRYSTAL GROWTH
    • C30BSINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B33/00After-treatment of single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure

Definitions

  • the present invention relates to a method for treating a crystal with non-linear optical properties, in particular a lithium niobate or a lithium tantalate crystal, the crystal having foreign atoms which bring about a specific absorption of incident light, the foreign atoms being converted into a lower valence state by oxidation , so that they subsequently assume a larger, in particular the largest possible, positively charged state.
  • a crystal with non-linear optical properties in particular a lithium niobate or a lithium tantalate crystal
  • the crystal having foreign atoms which bring about a specific absorption of incident light, the foreign atoms being converted into a lower valence state by oxidation , so that they subsequently assume a larger, in particular the largest possible, positively charged state.
  • electro-optic crystals such as the LiNb0 3 - and LiTaCV crystals mentioned, change their refractive index in the case of externally applied or internally constructed electric fields.
  • these crystals are ferroelectric; They therefore have a preferred axis ("spontaneous polarization"), the direction of which can be changed (“Poland”).
  • Such oxidic crystals are required for a large number of applications in communications technology, for light generation, as data storage and for integrated optics.
  • Bragg gratings can be stored holographically in the crystals. These are then used as narrow-band wavelength filters or as reflectors for lasers.
  • Frequency conversion in periodically poled material is of particular interest for new, powerful light sources.
  • the light is often focused in the material in order to improve the efficiency of the conversion with high light intensities.
  • high output powers of the light sources which can be built on the basis of frequency conversion, are desirable.
  • they in order to guarantee the reliable functioning of the components, they must be optimized for use with high light intensities.
  • Impurities in the crystal are of central importance, which serve as donors or catchers for the required charge carriers, which are known to be provided by doping
  • Doping with copper, chromium or manganese is particularly widespread doping with iron, which has proven to be very efficient for the photorefractive effect, which is useful on the one hand for recording volume-phase holograms in the crystals o Refractive index changes can be achieved in a more controlled manner and holograms, such as Bragg gratings, can be saved the more effectively the material reacts to light.
  • optical damage leads to a deterioration in the optical crystal properties.
  • "Optical damage” does not go hand in hand with mechanical damage, but only causes optical inhomogeneities that influence the propagation of light. As a result, the light can no longer be guided as a result of the damage. It is defocused and losses, especially in waveguides, and one As a result, the light intensity profiles used deteriorate, making the corresponding components inefficient.
  • Remedial measures can be taken, among other things, by increasing the dark conductivity. This ensures that no electric fields can build up in the crystal and thus no more photorefractive effect takes place. In this
  • the iron occurs in at least the two charge states 2+ and 3+. While iron 3+ as an electron scavenger does not cause absorption in the visible spectral range, iron 2+ as an electron donor leads to a broad absorption band for green to blue light.
  • iron 3+ as an electron scavenger does not cause absorption in the visible spectral range
  • iron 2+ as an electron donor leads to a broad absorption band for green to blue light.
  • tempering in order to change the valence state of the built-in doping centers, it is known to subject the oxidic crystals to thermal treatment at temperatures around 1000 ° C. (“tempering”). For example, tempering in an oxygen atmosphere leads to an oxidation of the crystals which transfers the iron from the valence state 2+ to the state 3+. However, this process cannot take place to any great extent, so that with the known treatment method part of the iron always remains in the state 2+ P03152F. 4th
  • the object of the invention is to provide a method which can be implemented inexpensively with simple means and with which the crystals are almost completely oxidized and the residual absorption in the crystals in question here, in particular in lithium niobate or lithium tantalate Can be reduced to a minimum.
  • An essential aspect of the invention is to enable the Fermi level in the crystals to be lowered significantly by "assisted" oxidation.
  • the invention ultimately lies in the annealing of the highly doped crystals, which is carried out in connection with an electric field during the temp, an additional high voltage of up to 1200 V is applied to the crystal, which sometimes generates currents of more than 10 mA, with which the electrons released during the oxidation are actively removed from the crystal Residual absorption and enriches valence states with little, advantageously none, absorption in the visible spectral range.
  • the particular advantage of the invention is thus that the absorption is suppressed while at the same time having a high dark conductivity.
  • the advantages of the invention occur particularly with lithium niobate and lithium tantalate crystals appearance.
  • the method according to the invention can be used to achieve, for example, Fe 2+ concentrations of less than 1 ⁇ 10 23 m "3.
  • concentration of Fe 2+ in particular in the case of high total iron doping, cannot be reduced below values of 4 x 10 24 m "3 .
  • the method according to the invention can be used particularly advantageously in connection with the method described in DE 10 300080 A1. Then the foreign atoms are first introduced into the crystal by doping before the supported oxidation process is carried out. The foreign atoms are thus doping elements. It is also advantageous if the doping elements are not converted into any valence state by the supported oxidation according to the invention, but rather into the lowest possible valence state that can be achieved with the means used. Even if this is only possible in a few cases, it is important that the oxidation state achieved has no absorption.
  • Ions especially iron ions in a concentration of more than 1 x 10 25 m "3 , are.
  • the crystal is arranged between two electrodes, in particular between two metal electrodes, which are connected to a voltage source.
  • One of the electrodes can be designed as a corona electrode which is not in contact with the crystal, the corona electrode in particular being connected to the negative pole of the voltage source. In this way, particularly high fields can be generated without contact within the crystal.
  • the crystal can simply be clamped between two electrodes.
  • a sufficient voltage should be applied between the electrodes. In the case of contacting electrodes, this is in the range of a few volts, in particular approximately 10 V, with corona electrodes
  • Voltages of several 100 V, in particular between 800 V and 1200 V, in particular approximately 1000 V, are operated.
  • the choice of the voltage is to be made in such a way that the application of the electric field within the crystal leads to currents between 0.01 mA and 15 mA, in particular about 10 mA.
  • the application of thermal energy according to the invention within the crystal leads to temperatures between 300 ° C. and 1200 ° C., in particular between 800 ° C. and 900 ° C.
  • the time of treatment should be chosen so that the desired effect is achieved.
  • the method according to the invention makes it possible to largely completely transfer the iron contained in the crystals to the 3+ charge state. As stated, this valence state does not cause absorption in the visible spectral range. This effectively suppresses absorption while maintaining high dark conductivity. The achieved residual absorption is below 0.4 mm "1 in the described choice of parameters. It is an advantage of the invention that P03152F - 7 -
  • FIG. 1 a schematic representation of a device for the thermal and electrical oxidation of a crystal by means of a corona electrode
  • FIG. 2 shows a schematic representation of the device for the thermal and electrical oxidation of a crystal by means of metallic electrodes sitting on the crystal surface
  • FIG. 3 shows an absorption spectrum of a largely oxidized, highly iron-doped crystal
  • Figure 4 an absorption spectrum of a highly iron-doped crystal oxidized by conventional methods.
  • a thermal treatment with simultaneously applied voltage in iron-doped LiNb0 3 or LiTa0 3 crystals is used for an almost complete oxidation.
  • a voltage is applied to the crystal 1 to be treated.
  • the application of the voltage can be accomplished either by a single electrode 2 which is applied to the crystal 1 and by a further corona electrode 3 which is not in contact with the crystal 1. In this case, a voltage of approximately 1000 V is applied.
  • electrodes 7, for example made of metal are applied directly to crystal 1. In this example, a voltage of approximately 10 V is sufficient.
  • the voltage is made available by a voltage supply 4 which can be switched or regulated.
  • a current measuring device 5 enables the currents that occur to be monitored.
  • the crystal 1 is then heated to temperatures between 300 and 1250 ° C. while the voltage is applied and is kept at this temperature for a few hours, here 900 minutes. This treatment leads to strong oxidation of the crystal.
  • FIG. 3 An example of a corresponding treatment is shown in FIG. 3.
  • the absorption coefficient is plotted against the wavelength in the diagram.
  • the absorption lies in the wavelength range from 500 nm to 1100 nm below 0.2 mm "1.
  • An exception is the absorption band at 482 nm, which results from a forbidden crystal field transition. However, this is much narrower than that usually caused by Fe 2+ Absorption shoulder, as clearly shown in Figure 4.
  • Figure 4 shows the absorption spectrum of a comparable crystal with an identical doping amount, which has been subjected to a conventional oxidation treatment. the values for the absorption are below 4 mm "1 .
  • the method according to the invention achieves absorption values which are at least one order of magnitude below the values to be provided to date. This results in a significantly reduced optical absorption in the visible spectral range with a very high dark conductivity.

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Abstract

The invention relates to a method for the treatment of a crystal, in particular a lithium niobate crystal or lithium tantalate crystal, having nonlinear optical properties. The crystal comprises foreign atoms which bring about specific absorption of radiated light. The foreign atoms are transformed into a lower valent state by means of oxidation. Electrons, which are released during oxidation, are discharged from the crystal with the aid of an external power source.

Description

P03152FP03152F
Behandlung von Kristallen zur Vermeidung lichtinduzierter Änderungen des BrechungsindexTreatment of crystals to avoid light-induced changes in the refractive index
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung eines Kristalls mit nichtlinearen optischen Eigenschaften, insbesondere eines Lithiumniobat- oder eines Lithiumtantalat-Kristalls, wobei der Kristall Fremdatome aufweist, die eine spezifische Absorption eingestrahlten Lichtes bewirken, wobei die Fremdatome durch Oxidation in einen niedrigeren Valenzzustand überführt werden, so dass sie nachfolgend einen größeren, insbesondere den größtmöglichen, positiv geladenen Zustand einnehmen.The present invention relates to a method for treating a crystal with non-linear optical properties, in particular a lithium niobate or a lithium tantalate crystal, the crystal having foreign atoms which bring about a specific absorption of incident light, the foreign atoms being converted into a lower valence state by oxidation , so that they subsequently assume a larger, in particular the largest possible, positively charged state.
Bekanntermaßen ändern elektrooptisch Kristalle, wie die genannten LiNb03- und LiTaCV Kristalle, bei extern angelegten oder intern aufgebauten elektrischen Feldern ihren Brechungsindex. Zudem sind diese Kristalle ferroelektrisch; sie haben also eine Vorzugsachse („Spontanpolarisierung"), deren Richtung geändert werden kann („polen"). Derartige oxidische Kristalle werden für eine Vielzahl von Anwendungen in der Nachrichtentechnik, zur Lichterzeugung, als Datenspeicher sowie für die integrierte Optik benötigt. Beispielsweise können in den Kristallen Bragg-Gitter holographisch gespeichert werden. Diese werden dann als schmalbandige Wellenlängenfilter oder als Reflektoren für Laser eingesetzt. Außerdem eignet sich so genanntes „periodisch gepoltes" Material („periodically poled lithium niobate/tantalate", PPLN/PPLT), in dem sich die Richtung der Spontanpolarisierung regelmäßig ändert und es somit zur Ausbildung periodisch angeordneter ferroelektrischer Domänen kommt, zum Bau von Frequenz- P03152F - 2 - verdopplem für Laserlicht (SHG, „second harmonic generation") oder von optisch- parametrischen Oszillatoren (OPOs). Weiterhin werden LiNb03- und LiTa03- Kristalle als Subtratmaterial für Wellenleiter eingesetzt. Insbesondere ist es mit diesen Kristallen möglich, integriert-optische Komponenten zusammen mit den oben genannten Anwendungen monolithisch zu realisieren. Der elektrooptische Effekt bietet dabei die Möglichkeit, schnelle Modulatoren herzustellen, indem Felder an die wellenleitende Struktur angelegt werden. Bekanntermaßen dienen Dotierungen dazu, die optischen Eigenschaften der verwendeten Kristalle gezielt zu beeinflussen.It is known that electro-optic crystals, such as the LiNb0 3 - and LiTaCV crystals mentioned, change their refractive index in the case of externally applied or internally constructed electric fields. In addition, these crystals are ferroelectric; They therefore have a preferred axis ("spontaneous polarization"), the direction of which can be changed ("Poland"). Such oxidic crystals are required for a large number of applications in communications technology, for light generation, as data storage and for integrated optics. For example, Bragg gratings can be stored holographically in the crystals. These are then used as narrow-band wavelength filters or as reflectors for lasers. In addition, so-called "periodically poled lithium niobate / tantalate" (PPLN / PPLT), in which the direction of spontaneous polarization changes regularly and thus the formation of periodically arranged ferroelectric domains, is suitable for the construction of frequency P03152F - 2 - doubled for laser light (SHG, "second harmonic generation") or of optical parametric oscillators (OPOs). Furthermore, LiNb0 3 and LiTa0 3 crystals are used as substrate material for waveguides. In particular, it is possible with these crystals to realize integrated optical components together with the above-mentioned applications monolithically. The electro-optical effect offers the possibility of producing fast modulators by applying fields to the wave-guiding structure. As is known, doping serves to specifically influence the optical properties of the crystals used.
Für neue, leistungsstarke Lichtquellen ist insbesondere die Frequenzkonversion in periodisch gepoltem Material von großem Interesse. Dabei wird das Licht oftmals im Material fokussiert, um mit hohen Lichtintensitäten die Effizienz der Konversion zu verbessern. Zudem sind hohe Ausgangsleistungen der Lichtquellen, die sich auf der Basis der Frequenzkonversion bauen lassen, wünschenswert. Um jedoch eine zuverlässige Funktion der Bauteile garantieren zu können, müssen diese für den Einsatz bei hohen Lichtintensitäten optimiert sein.Frequency conversion in periodically poled material is of particular interest for new, powerful light sources. The light is often focused in the material in order to improve the efficiency of the conversion with high light intensities. In addition, high output powers of the light sources, which can be built on the basis of frequency conversion, are desirable. However, in order to guarantee the reliable functioning of the components, they must be optimized for use with high light intensities.
Dabei ist es von Nachteil, dass hohe Lichtintensitäten den Brechungsindex und damit die optischen Eigenschaften des Kristalls verändern (photorefraktiver Effekt oder „optical damage"). Gerade eine inhomogene Beleuchtung macht im Material Ladungsträger beweglich, die sich durch Drift, durch Diffusion und/oder durch den volumenphotovoltaischen Effekt umverteilen, elektrische Raumladungsfelder im Kristall aufbauen und so den Brechungsindex über den elektrooptischen Effekt verändern. Von zentraler Bedeutung sind dabei Verunreinigungen im Kristall, die für die benötigten Ladungsträger als Spender oder Fänger dienen, wobei diese bekanntermaßen durch Dotierung bereitgestellt werden. Neben der Dotierung mit Kupfer, Chrom oder Mangan ist insbesondere die Dotierung mit Eisen verbreitet, die sich als sehr effizient für den photorefraktiven Effekt herausgestellt hat. Dieser photorefraktive Effekt ist einerseits nützlich, um Volumen-Phasen-Hologramme in den Kristallen aufzuzeichnen. So lassen sich Brechungsindex-Änderungen umso kontrollierter erreichen und damit Hologramme, etwa als Bragg-Gitter, speichern, je effektiver das Material auf Licht reagiert. P03152F - 3 -It is disadvantageous here that high light intensities change the refractive index and thus the optical properties of the crystal (photorefractive effect or "optical damage"). Inhomogeneous lighting in particular makes charge carriers movable in the material, which are subject to drift, diffusion and / or Redistribute the volume photovoltaic effect, build up electrical space charge fields in the crystal and thus change the refractive index via the electro-optical effect. Impurities in the crystal are of central importance, which serve as donors or catchers for the required charge carriers, which are known to be provided by doping Doping with copper, chromium or manganese is particularly widespread doping with iron, which has proven to be very efficient for the photorefractive effect, which is useful on the one hand for recording volume-phase holograms in the crystals o Refractive index changes can be achieved in a more controlled manner and holograms, such as Bragg gratings, can be saved the more effectively the material reacts to light. P03152F - 3 -
Andererseits führt der optische Schaden zu einer Verschlechterung der optischen Kristalleigenschaften. Dabei geht „optical damage" nicht mit einer mechanischen Beschädigung einher, sondern bedingt lediglich optische Inhomogenitäten, welche die Lichtausbreitung beeinflussen. So kann in Folge des Schadens das Licht nicht mehr kontrolliert geführt werden. Es wird defokussiert und Verluste, gerade in Wellenleitern, sowie eine Verschlechterung der verwendeten Lichtintensitätsprofile sind die Folge. Die entsprechenden Bauteile werden somit ineffizient.On the other hand, the optical damage leads to a deterioration in the optical crystal properties. "Optical damage" does not go hand in hand with mechanical damage, but only causes optical inhomogeneities that influence the propagation of light. As a result, the light can no longer be guided as a result of the damage. It is defocused and losses, especially in waveguides, and one As a result, the light intensity profiles used deteriorate, making the corresponding components inefficient.
Abhilfe kann u.a durch eine Erhöhung der Dunkelleitfähigkeit geschaffen werden. Damit wird erreicht, dass sich im Kristall keine elektrischen Felder aufbauen können und somit kein photorefraktiver Effekt mehr stattfindet. In diesemRemedial measures can be taken, among other things, by increasing the dark conductivity. This ensures that no electric fields can build up in the crystal and thus no more photorefractive effect takes place. In this
Zusammenhang sei auf die DE 10 300 080 A1 verwiesen, auf deren Inhalt hier vollinhaltlich Bezug genommen wird.Context, reference is made to DE 10 300 080 A1, the contents of which are referred to here in full.
Allerdings verstärkt eine besonders hohe Dotierung der Kristalle von größer als 1 x 1025 m"3, insbesondere mit Eisen oder vergleichbar wirksamen Elementen, die Dunkelleitfähigkeit derart, dass diese wiederum die Raumladungsfelder begrenzt. Gerade die mit viel Eisen dotierten Kristalle weisen dabei eine hohe Absorption für sichtbares Licht auf. Diese führt bei hohen Lichtintensitäten zur Erwärmung und damit zur thermischen Ausdehnung und außerdem zu thermisch bedingten Brechungsindexänderungen, die wiederum das Strahlprofil zerstören. Auch ist der Lichtverlust durch Absorption für die Anwendungen störend.However, a particularly high doping of the crystals of greater than 1 x 10 25 m "3 , in particular with iron or comparable effective elements, increases the dark conductivity in such a way that this in turn limits the space charge fields. The crystals doped with a lot of iron have a high absorption For visible light, this leads to heating and thus to thermal expansion at high light intensities, as well as thermally induced changes in the refractive index, which in turn destroy the beam profile.
Dabei kommt das Eisen in mindestens den zwei Ladungszuständen 2+ und 3+ vor. Während Eisen 3+ als Elektronenfänger keine Absorption im sichtbaren Spektralbereich verursacht, führt Eisen 2+ als Elektronenspender zu einer breiten Absorptionsbande für grünes bis blaues Licht. Um den Valenzzustand der eingebauten Dotierungszentren zu verändern, ist es bekannt, die oxidischen Kristalle einer thermischen Behandlung bei Temperaturen um die 1000 °C („Tempern") zu unterziehen. So führt beispielsweise das Tempern in Sauerstoff- Atmosphäre zu einer Oxidation der Kristalle, bei der das Eisen vom Valenzzustand 2+ in den Zustand 3+ umgeladen wird. Allerdings kann dieser Vorgang nicht in beliebig großem Maße ablaufen, so dass bei der bekannten Behandlungsmethode immer ein Teil des Eisens im Zustand 2+ verbleibt. Das führt jedoch, vor allem bei P03152F . 4 .The iron occurs in at least the two charge states 2+ and 3+. While iron 3+ as an electron scavenger does not cause absorption in the visible spectral range, iron 2+ as an electron donor leads to a broad absorption band for green to blue light. In order to change the valence state of the built-in doping centers, it is known to subject the oxidic crystals to thermal treatment at temperatures around 1000 ° C. (“tempering”). For example, tempering in an oxygen atmosphere leads to an oxidation of the crystals which transfers the iron from the valence state 2+ to the state 3+. However, this process cannot take place to any great extent, so that with the known treatment method part of the iron always remains in the state 2+ P03152F. 4th
besondere hoch dotierten Kristallen, zu einer nicht unerheblichen Restabsorption. So lässt sich die Absorption mit konventionellen Methoden nicht unter einen Absorptionskoeffizienten von 2 mm"1 verringern.special highly doped crystals, for a not inconsiderable residual absorption. For example, absorption cannot be reduced to below 2 mm "1 by conventional methods.
Für andere oxidische Materialien, wie Kaliumniobat, ist es bekannt, dass eine thermische Behandlung in einem elektrischen Feld statt zu einer Oxidation zu einer Reduktion führt. Die Umladung der eingebauten Zentren resultiert somit in einem negativen Valenzzustand.For other oxidic materials, such as potassium niobate, it is known that thermal treatment in an electric field instead of oxidation leads to a reduction. The reloading of the built-in centers results in a negative valence state.
Aufgabe der Erfindung ist es nunmehr, ein Verfahren zu schaffen, das sich mit einfachen Mitteln kostengünstig umsetzen lässt und mit dem die Kristalle nahezu vollständig oxidiert werden und sich die Restabsorption in den hier zur Debatte stehenden Kristallen, insbesondere in Lithiumniobat- oder Lithiumtantalat, auf ein Minimum reduzieren lässt.The object of the invention is to provide a method which can be implemented inexpensively with simple means and with which the crystals are almost completely oxidized and the residual absorption in the crystals in question here, in particular in lithium niobate or lithium tantalate Can be reduced to a minimum.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den Unteransprüchen genannt.This object is achieved by a method having the characterizing features of claim 1. Advantageous embodiments of the method are mentioned in the subclaims.
Ein wesentlicher Gesichtspunkt der Erfindung ist es, durch „unterstützte" Oxidation ein starkes Absenken des Fermi-Niveaus in den Kristallen zu ermöglichen. Die Erfindung liegt letztendlich in der Temperung der hoch dotierten Kristalle, die in Verbindung mit einem elektrischen Feld durchgeführt wird. So wird während des Tempems zusätzlich eine hohe Spannung von bis zu 1200 V an den Kristall angelegt, die Ströme von mitunter mehr als 10 mA erzeugt. Mit diesen Strömen werden die bei der Oxidation frei werdenden Elektronen aktiv aus dem Kristall abgeführt. Diese unterstützte Oxidation minimiert damit die Restabsorption und reichert Valenzzustände mit geringer, vorteilhafterweise keiner, Absorption im sichtbaren Spektralbereich an. Der besondere Vorteil der Erfindung liegt somit darin, dass die Absorption bei gleichzeitig hoher Dunkelleitfähigkeit unterdrückt wird. Die Vorteile der Erfindung treten vor allem bei Lithiumniobat- und Lithiumtantalat-Kristallen in Erscheinung. P03152FAn essential aspect of the invention is to enable the Fermi level in the crystals to be lowered significantly by "assisted" oxidation. The invention ultimately lies in the annealing of the highly doped crystals, which is carried out in connection with an electric field during the temp, an additional high voltage of up to 1200 V is applied to the crystal, which sometimes generates currents of more than 10 mA, with which the electrons released during the oxidation are actively removed from the crystal Residual absorption and enriches valence states with little, advantageously none, absorption in the visible spectral range. The particular advantage of the invention is thus that the absorption is suppressed while at the same time having a high dark conductivity. The advantages of the invention occur particularly with lithium niobate and lithium tantalate crystals appearance. P03152F
Bei entsprechender Wahl der Parameter können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren z.B. Fe2+-Konzentrationen von kleiner als 1 x 1023 m"3 erreicht werden. Zwar ist es, wie dargelegt, bekannt, dass thermische Behandlung in Sauerstoff- Atmosphäre bei Normaldruck zu einer Oxidation führt. Jedoch lässt sich damit die Konzentration an Fe2+, insbesondere bei hoher Eisen-Gesamtdotierung, nicht unter Werte um 4 x 1024 m"3 herabsetzen.If the parameters are chosen accordingly, the method according to the invention can be used to achieve, for example, Fe 2+ concentrations of less than 1 × 10 23 m "3. As stated, it is known that thermal treatment in an oxygen atmosphere at normal pressure leads to oxidation However, the concentration of Fe 2+ , in particular in the case of high total iron doping, cannot be reduced below values of 4 x 10 24 m "3 .
Wie schon erwähnt ist es bekannt, an Kaliumniobat-Kristallen eine thermische Behandlungen unter gleichzeitig angelegter elektrischer Spannung durchzuführen. Allerdings führte eine solche Behandlung in allen bislang bekannten Fällen zu einer Reduktion, bei der die vorhandenen Ladungsträgerspender und -fänger verstärkt mit Elektronen besetzt werden und das Fermi-Niveau angehoben wird. Dieser als „Elektroreduktion" bekannte Effekt geht damit in die falsche Richtung.As already mentioned, it is known to carry out thermal treatments on potassium niobate crystals under the simultaneous application of electrical voltage. However, in all cases known to date, such a treatment led to a reduction in which the charge carrier donors and charge traps present are increasingly occupied by electrons and the Fermi level is increased. This effect, known as "electroreduction", therefore goes in the wrong direction.
Auch wenn es denkbar ist, die bei der Oxidation frei werdenden Elektronen mit anderen Mitteln aus dem Kristall abzuführen, so ist es doch besonders einfach praktikabel und damit vorteilhaft, sich der schon beschriebenen Methode zu bedienen, die Oxidation durch die Beaufschlagung des Kristalls mit thermischer Energie und mit einem elektrischen Feld zu unterstützen.Even though it is conceivable to remove the electrons released during the oxidation from the crystal by other means, it is particularly simple and therefore advantageous to use the method already described, the oxidation by applying thermal energy to the crystal and support with an electric field.
Zudem lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren besonders vorteilhaft in Verbindung mit dem in der DE 10 300080 A1 beschriebenen Verfahren einsetzen. Danach werden die Fremdatome zunächst durch Dotierung gezielt in den Kristall eingebracht, bevor das Verfahren der unterstützten Oxidation durchgeführt wird. Die Fremdatome sind somit Dotierungselemente. Dabei ist weiterhin von Vorteil, wenn die Dotierungselemente durch die erfindungsgemäße unterstützte Oxidation nicht in irgend einen, sondern in den möglichst niedrigen Valenzzustand überführt werden, der mit den eingesetzten Mitteln zu erreichen ist. Auch wenn das nur in wenigen Fällen gelingt, so ist es wichtig, dass der erreichte Oxidationszustand keine Absorption aufweist.In addition, the method according to the invention can be used particularly advantageously in connection with the method described in DE 10 300080 A1. Then the foreign atoms are first introduced into the crystal by doping before the supported oxidation process is carried out. The foreign atoms are thus doping elements. It is also advantageous if the doping elements are not converted into any valence state by the supported oxidation according to the invention, but rather into the lowest possible valence state that can be achieved with the means used. Even if this is only possible in a few cases, it is important that the oxidation state achieved has no absorption.
Wie auch in der DE 10 300 080 A1 beschrieben, ist es vorteilhaft, wenn die zur Erhöhung der Dunkelleitfähigkeit eingesetzten Dotierungselemente extrinsische P03152FAs also described in DE 10 300 080 A1, it is advantageous if the doping elements used to increase the dark conductivity are extrinsic P03152F
Ionen, insbesondere Eisen-Ionen in einer Konzentration von mehr als 1 x 1025 m"3 , sind.Ions, especially iron ions in a concentration of more than 1 x 10 25 m "3 , are.
Um das Verfahren möglichst effektiv und einfach durchführen zu können, ist es vorteilhaft, wenn der Kristall zwischen zwei Elektroden, insbesondere zwischen zwei Metallelektroden, angeordnet wird, die mit einer Spannungsquelle verbunden werden. Dabei kann eine der Elektroden als Koronaelektrode ausgebildet sein, die mit dem Kristall nicht in Berührung steht, wobei insbesondere die Koronaelektrode mit dem negativen Pol der Spannungsquelle verbunden wird. So können berührungslos besonders hohe Felder innerhalb des Kristalls erzeugt werden. In einer anderen einfach zu realisierenden Form kann der Kristall einfach zwischen zwei Elektroden eingeklemmt werden.In order to be able to carry out the method as effectively and simply as possible, it is advantageous if the crystal is arranged between two electrodes, in particular between two metal electrodes, which are connected to a voltage source. One of the electrodes can be designed as a corona electrode which is not in contact with the crystal, the corona electrode in particular being connected to the negative pole of the voltage source. In this way, particularly high fields can be generated without contact within the crystal. In another easy to implement form, the crystal can simply be clamped between two electrodes.
Um ein möglichst vollständiges „Auswaschen" der freien Elektronen zu gewährleisten, sollte zwischen den Elektroden eine ausreichende Spannung angelegt werden. Diese liegt im Falle kontaktierender Elektroden im Bereich einiger Volt, insbesondere bei etwa 10 V, wobei Koronaelektroden mitIn order to ensure that the free electrons are “washed out” as completely as possible, a sufficient voltage should be applied between the electrodes. In the case of contacting electrodes, this is in the range of a few volts, in particular approximately 10 V, with corona electrodes
Spannungen von mehreren 100 V, insbesondere zwischen 800 V und 1200 V, insbesondere etwa 1000 V, betrieben werden. Die Wahl der Spannung ist insbesondere so zu treffen, dass die Beaufschlagung mit dem Elektrischen Feld innerhalb des Kristalls zu Strömen zwischen 0,01 mA und 15 mA, insbesondere etwa 10 mA, führt. Dabei ist es weiterhin vorteilhaft, wenn die erfindungsgemäße Beaufschlagung mit thermischer Energie innerhalb des Kristalls zu Temperaturen zwischen 300°C und 1200°C, insbesondere zwischen 800°C und 900°C, führt. Zudem ist die Zeit der Behandlung so zu wählen, dass der gewünschte Effekt erzielt wird.Voltages of several 100 V, in particular between 800 V and 1200 V, in particular approximately 1000 V, are operated. The choice of the voltage is to be made in such a way that the application of the electric field within the crystal leads to currents between 0.01 mA and 15 mA, in particular about 10 mA. It is also advantageous if the application of thermal energy according to the invention within the crystal leads to temperatures between 300 ° C. and 1200 ° C., in particular between 800 ° C. and 900 ° C. In addition, the time of treatment should be chosen so that the desired effect is achieved.
Die erfindungsgemäße Methode ermöglicht es, das in den Kristallen enthaltene Eisen weitgehend komplett in den Ladungszustand 3+ umzuladen. Wie dargelegt, verursacht dieser Valenzzustand keine Absorption im sichtbaren Spektralbereich. Damit kann die Absorption bei gleichzeitig hoher Dunkelleitfähigkeit effektiv unterdrückt werden. Die erreichte Restabsorption liegt bei der beschriebenen Wahl der Parameter unterhalb von 0,4 mm"1. Dabei ist es ein Vorteil der Erfindung, P03152F - 7 -The method according to the invention makes it possible to largely completely transfer the iron contained in the crystals to the 3+ charge state. As stated, this valence state does not cause absorption in the visible spectral range. This effectively suppresses absorption while maintaining high dark conductivity. The achieved residual absorption is below 0.4 mm "1 in the described choice of parameters. It is an advantage of the invention that P03152F - 7 -
dass die niedrige optische Absorption thermische Effekte minimiert sowie Verluste begrenzt.that the low optical absorption minimizes thermal effects and limits losses.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren 1 bis 4 erläutert. Die Figuren zeigen: Figur 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum thermischen und elektrischen Oxidieren eines Kristalls mittels Koronaelektrode,The invention is explained below with reference to FIGS. 1 to 4. The figures show: FIG. 1 a schematic representation of a device for the thermal and electrical oxidation of a crystal by means of a corona electrode,
Figur 2 eine schematische Darstellung der Vorrichtung zum thermischen und elektrischen Oxidieren eines Kristalls mittels metallischer, auf der Kristalloberfläche sitzender Elektroden, Figur 3 ein Absorptionsspektrum eines weitgehend oxidierten, hoch eisendotierten Kristalls und2 shows a schematic representation of the device for the thermal and electrical oxidation of a crystal by means of metallic electrodes sitting on the crystal surface, FIG. 3 shows an absorption spectrum of a largely oxidized, highly iron-doped crystal and
Figur 4: ein Absorptionsspektrum eines mit herkömmlichen Methoden oxidierten, hoch eisendotierten Kristalls.Figure 4: an absorption spectrum of a highly iron-doped crystal oxidized by conventional methods.
Im Rahmen der Erfindung wurde insbesondere die Eignung von LiNb03-Kristallen bei Beleuchtung mit fokussiertem Dauerstrich-Laserlicht untersucht. Dabei wurden mit verhältnismäßig viel Eisen (1 gew.% Fe203 in der Schmelze) dotierte Kristalle systematisch optimiert. Zum Einsatz kam die erfindungsgemäße Methode der thermischen Behandlung bei Temperaturen zwischen 300 °C und 1200 °C, denen die Kristalle unterzogen wurden.In the context of the invention, the suitability of LiNb0 3 crystals when examined with focused continuous wave laser light was examined in particular. Crystals doped with relatively much iron (1 wt.% Fe 2 0 3 in the melt) were systematically optimized. The thermal treatment method according to the invention was used at temperatures between 300 ° C. and 1200 ° C. to which the crystals were subjected.
Erfindungsgemäß wird eine thermische Behandlung mit gleichzeitig angelegter Spannung in mit Eisen dotierten LiNb03- oder LiTa03-Kristallen für eine nahezu vollständige Oxidation genutzt. Dabei wird eine Spannung an den zu behandelnden Kristall 1 angelegt. Das Anlegen der Spannung kann dabei entsprechend Figur 1 entweder durch eine einzelne Elektrode 2, die auf dem Kristall 1 aufgebracht ist, sowie eine weitere Koronaelektrode 3, die nicht mit dem Kristall 1 in Berührung steht, bewerkstelligt werden. In diesem Fall wird eine Spannung von etwa 1000 V angelegt. In dem Beispiel nach Figur 2 werden Elektroden 7, beispielsweise aus Metall, unmittelbar auf den Kristall 1 aufgebracht. In diesem Beispiel ist eine Spannung von etwa 10 V ausreichend. P03152F - 8 -According to the invention, a thermal treatment with simultaneously applied voltage in iron-doped LiNb0 3 or LiTa0 3 crystals is used for an almost complete oxidation. A voltage is applied to the crystal 1 to be treated. According to FIG. 1, the application of the voltage can be accomplished either by a single electrode 2 which is applied to the crystal 1 and by a further corona electrode 3 which is not in contact with the crystal 1. In this case, a voltage of approximately 1000 V is applied. In the example according to FIG. 2, electrodes 7, for example made of metal, are applied directly to crystal 1. In this example, a voltage of approximately 10 V is sufficient. P03152F - 8 -
Die Spannung wird durch eine Spannungsversorgung 4 zur Verfügung gestellt, die schalt- oder regelbar ist. Ein Strommessgerät 5 ermöglicht die Überwachung der auftretenden Ströme. Der Kristall 1 wird dann bei anliegender Spannung auf Temperaturen zwischen 300 und 1250 °C erwärmt und für einige Stunden, hier 900 Minuten, auf dieser Temperatur gehalten. Diese Behandlung führt zu einer starken Oxidation des Kristalls.The voltage is made available by a voltage supply 4 which can be switched or regulated. A current measuring device 5 enables the currents that occur to be monitored. The crystal 1 is then heated to temperatures between 300 and 1250 ° C. while the voltage is applied and is kept at this temperature for a few hours, here 900 minutes. This treatment leads to strong oxidation of the crystal.
Ein Beispiel für eine entsprechende Behandlung zeigt Figur 3. In dem Diagramm aufgetragen ist der Absorptionskoeffizient über der Wellenlänge. Die Absorption liegt im Wellenlängenbereich von 500 nm bis 1100 nm unter O,2 mm"1. Eine Ausnahme stellt die Absorptionsbande bei 482 nm dar, die von einem verbotenen Kristallfeldübergang herrührt. Diese ist jedoch wesentlich schmalbandiger als die üblicherweise durch das Fe2+ verursachte Absorptionsschulter, wie aus der Figur 4 deutlich hervorgeht. In Figur 4 ist das Absorptionsspektrum eines vergleichbaren Kristalls mit identischer Dotierungsmenge gezeigt, welcher einer herkömmlichen Oxidationsbehandlung unterzogen wurde. Zwischen der Bande bei 482 nm und der Fundamentalabsorption, im Wellenlängenbereich von 44O nm bis 470 nm, liegen die Werte für die Absorption unterhalb von 4 mm"1.An example of a corresponding treatment is shown in FIG. 3. The absorption coefficient is plotted against the wavelength in the diagram. The absorption lies in the wavelength range from 500 nm to 1100 nm below 0.2 mm "1. An exception is the absorption band at 482 nm, which results from a forbidden crystal field transition. However, this is much narrower than that usually caused by Fe 2+ Absorption shoulder, as clearly shown in Figure 4. Figure 4 shows the absorption spectrum of a comparable crystal with an identical doping amount, which has been subjected to a conventional oxidation treatment. the values for the absorption are below 4 mm "1 .
Mit der erfindungsgemäßen Methode werden im Vergleich zu der herkömmlichen Behandlung Absorptionswerte erreicht, die um mindestens eine Größenordnung unter den bisher bereitzustellenden Werten liegen. Daraus ergibt sich eine deutlich reduzierte optische Absorption im sichtbaren Spektralbereich bei gleichzeitig sehr hoher Dunkelleitfähigkeit. In comparison with the conventional treatment, the method according to the invention achieves absorption values which are at least one order of magnitude below the values to be provided to date. This results in a significantly reduced optical absorption in the visible spectral range with a very high dark conductivity.

Claims

P03152F - 9 -Ansprüche P03152F - 9 claims
1. Verfahren zur Behandlung eines Kristalls mit nichtlinearen optischen Eigenschaften, insbesondere eines Lithiumniobat- oder Lithiumtantalat- Kristalls, wobei der Kristall Fremdatome aufweist, die eine spezifische Absorption eingestrahlten Lichtes bewirken, wobei die Fremdatome durch Oxidation in einen niedrigeren Valenzzustand überführt werden, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Oxidation frei werdende Elektronen mit Hilfe einer externen Stromquelle aus dem Kristall abgeführt werden.1. A process for the treatment of a crystal with nonlinear optical properties, in particular a lithium niobate or lithium tantalate crystal, the crystal having foreign atoms which cause specific absorption of incident light, the foreign atoms being converted to a lower valence state by oxidation, characterized in that that electrons released during the oxidation are removed from the crystal with the help of an external power source.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Oxidation unterstützt wird durch die Beaufschlagung des Kristalls mit thermischer Energie und mit einem elektrischen Feld.2. The method according to claim 1, characterized in that the oxidation is supported by the application of thermal energy to the crystal and with an electric field.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fremdatome Dotierungselemente sind, die dem Kristall vor der unterstützten Oxidation durch Dotierung zugeführt worden sind.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the foreign atoms are doping elements which have been supplied to the crystal before the supported oxidation by doping.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dotierungselemente durch die unterstützte Oxidation in den niedrigstmöglichen Valenzzustand überführt werden.4. The method according to claim 3, characterized in that the doping elements are converted into the lowest possible valence state by the supported oxidation.
5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dotierungselemente extrinsische Ionen, insbesondere Eisen, Kupfer und/oder Mangan - Ionen einer Konzentration von mehr als 1 x 1025 m"3 sind, welche die Dunkelleitfähigkeit des Kristalls erhöhen. P03152F - 10 -5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the doping elements are extrinsic ions, in particular iron, copper and / or manganese ions of a concentration of more than 1 x 10 25 m "3 , which increase the dark conductivity of the crystal. P03152F - 10 -
6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kristall zwischen zwei Elektroden, insbesondere zwei Metallelektroden, angeordnet wird, die mit einer Spannungsquelle verbunden werden. 6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the crystal is arranged between two electrodes, in particular two metal electrodes, which are connected to a voltage source.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Elektroden eine Koronaelektrode ist, die nicht mit dem Kristall in Berührung steht, wobei insbesondere die Koronaelektrode mit dem negativen Pol der Spannungsquelle verbunden wird. 7. The method according to claim 6, characterized in that one of the electrodes is a corona electrode which is not in contact with the crystal, in particular the corona electrode being connected to the negative pole of the voltage source.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Elektroden eine Spannung zwischen 1 V und 1200 V angelegt wird, wobei im Fall einer Koronaelektrode insbesondere etwa 1000 V und im Fall zweier kontaktierender Elektroden insbesondere etwa 10 V angelegt werden. 8. The method according to any one of claims 6 and 7, characterized in that a voltage between 1 V and 1200 V is applied between the electrodes, wherein in the case of a corona electrode in particular about 1000 V and in the case of two contacting electrodes in particular about 10 V are applied ,
9. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Beaufschlagung mit dem Elektrischen Feld im Kristall Ströme zwischen 0,01 mA und 15 mA, insbesondere zwischen 1 mA und etwa 10 mA, erzeugt werden. 9. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that currents between 0.01 mA and 15 mA, in particular between 1 mA and about 10 mA, are generated in the crystal by the application of the electric field.
10. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beaufschlagung mit thermischer Energie zu Temperaturen zwischen 300°C und 1200°C, insbesondere zwischen 800°C und 900°C, führt.10. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the application of thermal energy leads to temperatures between 300 ° C and 1200 ° C, in particular between 800 ° C and 900 ° C.
11. Optisches insbesondere nichtlinear optisches Bauteil au fweisend einen Kristalls mit nichtlinearen optischen Eigenschaften, wobei der Kristall Fremdatome aufweist, die eine spezifische Absorption eingestrahlten Lichtes bewirken, wobei die Fremdatome durch die unterstützte Oxidation nach einem der vorherigen Ansprüche in einen niedrigeren Valenzzustand überführt sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Kristall eine die Restabsorption von weniger als 0,4 mm"1 aufweist. 11. Optical, in particular nonlinear optical component having a crystal with nonlinear optical properties, the crystal having foreign atoms which bring about a specific absorption of incident light, the foreign atoms being converted into a lower valence state by the assisted oxidation according to one of the preceding claims, thereby characterized in that the crystal has a residual absorption of less than 0.4 mm "1 .
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