DE69223569T2

DE69223569T2 - Verfahren zur Herstellung einer optischen Vorrichtung für die Erzeugung eines frequenzverdoppelten optischen Strahls

Info

Publication number: DE69223569T2
Application number: DE69223569T
Authority: DE
Inventors: Sunao Kurimura; Michio Miura; Ippei Sawaki
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1991-09-18
Filing date: 1992-08-31
Publication date: 1998-04-16
Anticipated expiration: 2012-09-01
Also published as: US5380410A; EP0532969B1; DE69223569D1; EP0532969A3; EP0532969A2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen die Herstellung von optischen Vorrichtungen und im besonderen einen Herstellungsprozeß einer optischen Vorrichtung, der ein optischer Ausgangsstrahl von einer Laserdiode zugeführt wird, um daraus einen zweiten harmonischen optischen Strahl zu erzeugen.
Bei der weitverbreiteten Verwendung von Laserdioden auf verschiedenen Gebieten, wie z. B. in Laserdruckern, Laserscannern, optischen Plattenvorrichtungen, etc., besteht ein zunehmender Bedarf an einem optischen Strahl mit reduzierter Wellenlänge. So werden intensive Anstrengungen zum Reduzieren der oszillationswellenlänge von Laserdioden von dem herkömmlichen Infrarotbereich auf den sichtbaren Bereich für eine erhöhte Speicherkapazität sowie für die Einfachheit der Handhabung der Vorrichtung unternommen. Andererseits besteht eine Begrenzung bei der Reduzierung der Oszillationswellenlänge bei dem gegenwärtig verfügbaren Verfahren, und es werden Versuche unternommen, um Harmonische höherer Ordnung der Laseroszillation zur Bildung eines Ausgangsstrahls mit gewünschter kurzer Wellenlänge zu verwenden.
Herkömmlicherweise ist die Kristallmasse von Materialien, die ein nichtlineares optisches Vermögen haben, zum Konvertieren des optischen Strahls des Grundtyps in den zweiten harmonischen Strahl verwendet worden. Solch eine Vorrichtung ist bekannt als SHG-Vorrichtung (Vorrichtung zur Erzeugung der Harmonischen zweiter Ordnung). Leider ist die optische Nichtlinearität, die diese Kristallmassen aufweisen, im allgemeinen begrenzt, und die Konvertierungseffektivität ist klein. Im Zusammenhang damit besteht das Problem, daß man eine große optische Ausgangsleistung für die Laserdiode benötigt, die die SHG-Vorrichtung steuert, um die gewünschte Leistung für den zweiten harmonischen optischen Strahl zu erhalten. Indessen wird vorgeschlagen, ein ferroelektrisches Material zum Erreichen der gewünschten Konver tierung der Wellenlänge des optischen Strahls mit einer verbesserten Konvertierungseffektivität zu verwenden. Im allgemeinen haben ferroelektrische Materialien sehr große nichtlineare optische Konstanten.
FIG. 1(A) zeigt eine herkömmliche SHG-Vorrichtung 111A des sogenannten Cherenkov-Strahlungstyps, bei der ein Substrat 112 aus einem ferroelektrischen Kristall wie LiNbO&sub3;, LiTaO&sub3;, etc., verwendet wird, und ein optischer Wellenleiter 113, der auf der Oberfläche des Substrats 112 vorgesehen ist. Der optische Wellenleiter 113 wird zum Beispiel durch eine Abwandlung der Zusammensetzung des Substrats gebildet und hat einen erh4hten Brechungsindex, um den optischen Strahl auf sich zu begrenzen. Solch ein Wellenleiter 113 kann durch Bearbeiten der Substratoberfläche mit Benzoesäure oder Pyrophosphorsäure zum Ersetzen der Kationen des ferroelektrischen Materials durch Protonen gebildet sein. Dabei wird ein optischer Eingangsstrahl an einem Ende des optischen Wellenleiters 113 injiziert, so daß sich der optische Strahl längs des optischen Wellenleiters 113 bewegt, und der zweite harmonische optische Strahl wird außerhalb des optischen Wellenleiters gebildet. In solch einer Vorrichtung existiert ein Problem, insofern als der Strahl zweiter Ordnung einen bogenförmigen Querschnitt hat, wie in der Zeichnung gezeigt, und der optische Strahl mit solch einem bogenförmigen Querschnitt läßt sich schlecht zu einem kleinen Strahlenpunkt fokussieren. Somit ist die Vorrichtung nach diesem Stand der Technik für Anwendungen, bei denen ein kleiner, scharfer optischer Strahl erforderlich ist, wie bei Informationsverarbeitungsvorrichtungen, nicht geeignet.
FIG. 1(B) zeigt eine andere herkömmliche Vorrichtung 111B, die als QPM-(Quasiphasenanpassungs-)-Typ bezeichnet wird, bei der auch ein ferroelektrisches Substrat 112 verwendet wird, das mit einem optischen Wellenleiter 113 gebildet ist, ähnlich wie bei der vorhergehenden Vorrichtung 111A, wobei das Substrat 112 in einer vorbestimmten Richtung polarisiert ist. Es sei erwähnt, daß in der Vorrichtung 111B eine Anzahl von Zonen 115 mit einer Polarisation, die zu der Polarisation des Substrats 112 entgegengesetzt ist, längs der Richtung des optischen Wellenleiters 113 gebildet ist, und solch eine Inversionszone 115 wird mit einer vorbestimmten Teilung wiederholt, so daß eine Nichtinversionszone 114, die eine Polarisation hat, die mit dem Substrat identisch ist, zwischen den benachbarten Zonen 115 liegt. Dabei ist die Teilung der Zone 114 und damit die Teilung der Zone 115 so festgelegt, daß das Abklingen des zweiten harmonischen optischen Strahls auf Grund der Brechungsindexdifferenz zwischen dem Grundtyp und dem Typ der zweitenharmonischen in dem optischen Wellenleiter 113 besonders bei der Wellenlänge kompensiert wird, die dem Typ der zweiten Harmonischen entspricht. Durch Injizieren eines optischen Eingangsstrahls mit der Grundwellenlänge an einem Ende des optischen Wellenleiters 113 nimmt die Intensität des zweiten harmonischen Strahls zu, wenn sich der optische Strahl längs des Wellenleiters 113 bewegt. Die Vorrichtung 111B hat ein Vorzugsmerkmal, das mit der Tatsache zusammenhängt, daß der gewünschte zweite harmonische optische Strahl in dem optischen Wellenleiter 113 begrenzt ist, insofern als die Verzerrung der Strahlenform minimal ist. Dadurch kann man durch Fokussieren des zweiten harmonischen Strahls durch ein geeignetes optisches Mittel einen sehr scharfen optischen Strahl erhalten.
Zum Entwickeln des Prozesses zum Induzieren der Inversion der Polarisation in dem ferroelektrischen Substrat, so daß die Inversionszone 115 mit einer gesteuerten Teilung gebildet wird, werden verschiedene Anstrengungen unternommen. Zum Beispiel kann die Zone 115 gebildet werden durch: (a) selektives Diffundieren von Titan in das LiNbO&sub3;-Substrat in Entsprechung zu der Zone, wo die gewünschte Inversion der Polarisation zu induzieren ist; (b) selektives Entfernen der Li-Komponente von der Oberfläche des LiNbO&sub3;-Substrats in Entsprechung zu der Zone, wo die Inversion der Polarisation zu induzieren ist; (c) Austauschen der Li&spplus;-Ionen in dem LiTaO&sub3;-Substrat durch Protonen in Entsprechung zu der Zone, wo die gewünschte Inversion der Polarisation zu induzieren ist, und Erhitzen des so bearbeiteten Substrats; und (d) Bestrahlen des Substrats durch einen Elektronenstrahl in Entsprechung zu der Zone, wo die gewünschte Inversion der Polarisation zu induzieren ist.
FIG. 2(A) und 2(B) zeigen den herkömmlichen Prozeß zum Bewirken der Inversion der Polarisation gemäß dem obigen Prozeß (a), bei dem eine Titanschicht 121 auf der Oberfläche eines Substrats 112a aus LiNbO&sub3; durch einen Vakuumabscheidungsprozeß abgeschieden wird und die so abgeschiedene Titanschicht 121 gemustert wird, wie in FIG. 2(A) gezeigt, so daß die Titanschicht nur in Entsprechung zu dem Teil verbleibt, auf dem die Zone 115 zu bilden ist. Als nächstes wird die Struktur von FIG. 2(A) einem Wärmebehandlungsprozeß bei einer Temperatur unmittelbar unter der Curie-Temperatur des Substrats (1210 ºC) unterzogen, zum Bewirken einer Diffusion von Titan in das Substrat wie in FIG. 2(B) gezeigt. Als Resultat der Diffusion wird die Inversionszone 115 mit einem dreieckigen Querschnitt gebildet.
FIG. 3(A) und 3(B) zeigen einen anderen herkömmlichen Prozeß zum Bilden der Polarisationsinversion gemäß dem Prozeß (b), bei dem ein Siliciumoxidfilm 122 auf der Oberfläche des LiNbO&sub3;-Substrats 112a durch Zerstäubung vorgesehen wird und anschließend gemustert wird, um die Struktur von FIG. 3(A) zu bilden. Weiterhin wird die Struktur von FIG. 3(A) bei einer Temperatur unmittelbar unter der Curie- Temperatur des Substrats gehalten, zum Bewirken einer Diffusion von Li in den Siliziumoxidfilm 122. Dadurch wird die Zusammensetzung des Substrats 112a in Entsprechung zu dem Teil, wo die Diffusion aufgetreten ist, selektiv modifiziert, und die gewünschte Inversion der Polarisation tritt in Entsprechung zu der Zone auf, die so mit der Inversion der Polarisation gebildet ist.
Bei jedem dieser herk-mmlichen Prozesse ergibt sich ein Problem, das mit der relativ niedrigen Schwelle der optischen Beschädigung des LiNbO&sub3;-Substrats zusammenhängt, insofern als das Substrat sowie der optische Wellenleiter durch die optische Strahlung beschädigt werden können. Ferner ist die Tiefe der Zone 115, die durch die obigen Prozesse gebildet wird, zu klein, um das gewünschte Zusammenwirken mit dem optischen Eingangsstrahl zu bewirken, der sich durch den optischen Wellenleiter ausbreitet. Hinsichtlich des Problems der optischen Beschädigung ist das LiTaO&sub3;-Substrat auf Grund der hohen Schwelle der optischen Beschädigung, die LiTaO&sub3; eigen ist, vorteilhaft. Zusätzlich ist das LiTaO&sub3;-Substrat von dem Gesichtspunkt des Bildens der Zone 115 mit einer relativ großen Tiefe vorteilhaft, die ein Viertel von der Teilung erreichen kann, die durch die Zone 115 gebildet wird.
Andererseits hat der optische Wellenleiter 113, der in dem LiTaO&sub3;-Substrat gebildet ist, im allgemeinen eine Dicke oder Tiefe von mehr als 2 µm, rechtwinklig zu der oberen Hauptoberfläche des Substrats gemessen. Die Bildung des optischen Wellenleiters 113 mit einer Tiefe, die kleiner als 2 µm ist, ist schwierig oder aus verschiedenen Gründen nicht wünschenswert. Um die Konvertierung des optischen Grundstrahls in den zweiten harmonischen Strahl durch das Zusammenwirken mit der Zone 115 effektiv zu erreichen, ist es deshalb notwendig, daß sich die Inversionszone 115 mit einer ausreichenden Tiefe, die größer als etwa 2 µm, vorzugsweise größer als 10 ijm ist, vertikal von der Oberfläche aus erstreckt.
FIG. 4(A) - 4(C) zeigen den herkömmlichen Prozeß zum Bilden der Polarisationsinversion 115 auf der Oberfläche eines LiTaO&sub3;-Substrats 112c gemäß dem obigen Prozeß (c), bei dem die Oberfläche des Substrats, die mit +C bezeichnet ist, die Oberfläche darstellt, auf die der Polarisationsvektor gerichtet ist, während die Oberfläche, die mit -C bezeichnet ist, die Oberfläche darstellt, die der Oberfläche +C gegenüberliegt.
Unter Bezugnahme auf FIG. 4(A) wird ein Z-Schnitt-Kristall aus LiTaO&sub3; als Substrat 112c mit einer Polarisation verwendet, die so gebildet ist, daß der Polarisationsvektor auf die untere Hauptoberfläche des Substrats 112c weist. Mit anderen Worten, die untere Hauptoberfläche des Substrats 112c sieht bei dem gezeigten Beispiel die Oberfläche +C vor, während die obere Hauptoberfläche des Substrats die Oberfläche -C vorsieht. Ferner ist die obere Hauptoberfläche oder die Oberfläche -C auf den optischen Grad poliert, und eine Maskenschicht 123 aus Ta ist auf der Oberfläche -C abgeschieden. Die Maskenschicht 123 ist so gemustert, daß in Entsprechung zu der Inversionszone 115, die zu bilden ist, Öffnungen 123a gebildet sind, um die obere Hauptoberfläche des Substrats 112c zu exponieren. Die Öffnung 123a hat, wie in FIG. 4(A) gezeigt, eine längliche Form, die sich in der Y-Richtung oder der Querrichtung des Substrats 112c erstreckt. Ferner wiederholt sich die Öffnung 123a viele Male in der X-Richtung in Entsprechung zu der periodischen Wiederholung der Inversionszone 115.
Als nächstes wird bei dem Schritt von FIG. 4(B) das Substrat von FIG. 4(A), das so mit der Ta-Maske 123 maskiert ist, einem Protonenaustauschprozeß unterzogen. Genauer gesagt, die Struktur von FIG. 4(A) wird 30 Minuten lang in eine Lösung aus Pyrophosphorsäure getaucht, die auf 250 ºC gehalten wird. Als Resultat des Protonenaustauschprozesses werden die Li&spplus;-Ionen in dem Substrat gegen H+-Protonen durch die Öffnung 123a ausgetauscht.
Nach dem Schritt von FIG. 4(B) wird die Struktur von FIG. 4(B) einem Wärmebehandlungsprozeß bei einer Temperatur unmittelbar unter der Curie-Temperatur des Substrats 112c (etwa 590 ºC) unterzogen, zum Bewirken einer Inversion der Polarisation in Entsprechung zu der Zone, bei der der Protonenaustausch aufgetreten ist, und die Inversionszone 115 wird in Bereichen, die durch die Nichtinversionszone 114 voneinander getrennt sind, periodisch gebildet, wie in FIG. 4(C) gezeigt. Nachdem die Inversionszone 115 gebildet ist, wird das Substrat 112c auch durch den Protonenaustauschprozeß mit einem optischen Wellenleiter 113 gebildet (in FIG. 4(A) - 4(C) nicht gezeigt), so daß sich der optische Wellenleiter 113 in der x-Richtung oder Längsrichtung des Substrats 112c erstreckt.
Bei dem oben erläuterten Prozeß (c) kann man die Inversionszone 115 mit einer Breite bilden, die mit der Breite der Nichtinversionszone 114 im wesentlichen identisch ist, und ferner mit einem halbrunden Querschnitt, in der Y-Richtung des Substrats 112c gesehen.
Wenn solch eine Struktur auf die Konvertierung des Laserstrahls angewendet wird, der eine Wellenlänge von etwa 1 µm hat, ist es erforderlich, die Inversionszonen 115 mit einer Teilung von etwa 6 µm vorzusehen. Dies bedeutet, daß jede Inversionszone 115 eine Breite von etwa 3 µm haben sollte. Wenn die Breite etwa 3 µm beträgt, beläuft sich die Tiefe der Zone 115, die gemäß dem Prozeß von FIG. 4(A) - 4(C) gebildet wird, in Entsprechung zu einem Viertel der Teilung auf 1,5 µm. Hinsichtlich der Tiefe von 2 µm des optischen Wellenleiters 113 erreicht die Inversionszone 115 nicht den Boden des optischen Wellenleiters 113, und die SHG-Vorrichtung, die gemäß dem Prozeß von FIG. 4(A) - 4(C) hergestellt wird, kann der Forderung nach effektiver Konvertierung des optischen Grundstrahls nicht gerecht werden. Dieses Problem der unzulänglichen Tiefe der Zone 115 wird besonders akut, wenn die SHG-Vorrichtung in Kombination mit einer Laserdiode verwendet wird, die einen optischen Ausgangsstrahl mit einer reduzierten Wellenlänge z. B. von 0,85 µm erzeugt. In solch einem Fall beträgt die gewünschte Teilung der Inversionszone 115 für die Wellenlängenkonvertierung etwa 3 - 4 µm. Dies bedeutet, daß man die Inversionszone 115 nur mit einer Tiefe von kleiner als 1 µm bilden kann. Dadurch ist die SHG-Vorrichtung bei der Konvertierung des optischen Grundstrahls in den optischen Strahl zweiter Ordnung nicht mehr effektiv.
Beim vierten Prozeß (d) zum Bilden der Inversionszone 115 durch den Elektronenstrahl kann man eine ausreichende Tiefe für die Zone 115 erreichen. Andererseits erfordert solch ein Prozeß zum Schreiben des Musters in Entsprechung zu der Inversionszone 115 durch den fokussierten Elektronenstrahl eine lange Bearbeitungszeit und ist von dem Gesichtspunkt der Massenproduktion der SHG-Vorrichtung nachteilig.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren vorgesehen, zum Bilden einer Inversionszone mit einer ersten Polarisation in einem ferroelektrischen Substrat, das eine zweite, entgegengesetzte Polarisation hat, mit den Schritten: Vorsehen von oberen und unteren Elektroden jeweilig auf oberen und unteren Hauptoberflächen eines ferroelektrischen Substrats; derartiges Mustern der oberen Elektrode, daß eine Vielzahl von Elektrodenfingern auf der oberen Hauptoberfläche des Substrats in Entsprechung zu einer Zone gebildet wird, in der die Inversionszone zu bilden ist; und Bewirken einer Inversion der Polarisation in dem ferroelektrischen Substrat in Entsprechung zu der Zone, wo die Elektrodenfinger vorgesehen sind, durch Anwenden einer Spannung auf die Elektrodenfinger auf der oberen Hauptoberfläche des Substrats;
dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren ferner einen Schritt zum Modifizieren der Elektrodenfinger auf der oberen Hauptoberfläche des Substrats umfaßt, um eine Pufferstruktur zu bilden, zum Eliminieren einer elektrischen Entladung, die an den Elektrodenfingern auftritt, welcher Schritt zum Bilden der Pufferstruktur den Schritt zum Bilden einer Nut in der oberen Hauptoberfläche des ferroelektrischen Substrats umfaßt, so daß die Nut beide Randteile, die an beiden Längsenden von jedem Elektrodenfinger angeordnet sind, von einem zentralen Teil von ihnen trennt.
Gemäß diesem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann man das Problem erfolgreich eliminieren, daß die Elektrodenfinger durch die elektrische Entladung beschädigt werden, die an dem Randteil des Elektrodenmusters auftritt, indem der Randteil der Elektrodenmuster von deren wesentlichem Teil isoliert oder eliminiert wird.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren vorgesehen, zum Bilden einer Inversionszone mit einer ersten Polarisation in einem ferroelektrischen Substrat, das eine zweite, entgegengesetzte Polarisation hat, mit den Schritten: Vorsehen von oberen und unteren Elektroden jeweihg auf oberen und unteren Hauptoberflächen eines ferroelektrischen Substrats; derartiges Mustern der oberen Elektrode, daß eine Vielzahl von Fingermustern auf der oberen Hauptoberfläche des Substrats gebildet wird, um sich in Entsprechung zu einer Zone, in der die Inversionszone zu bilden ist, parallel zueinander zu erstrecken, und Bewirken einer Inversion der Polarisation in dem ferroelektrischen Substrat in Entsprechung zu der Zone, wo die Fingermuster vorgesehen sind, durch Anwenden einer vorbestimmten Spannung quer über die Elektrode, die auf der oberen Hauptoberfläche des Substrats vorgesehen ist, und die Elektrode auf der unteren Hauptoberfläche des Substrats;
dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt zum Mustern so erfolgt, daß die Fingermuster eine längliche rechteckige Form haben, die sich mit einer Größe von kleiner als 50 µm in einer Längsrichtung von ihnen erstreckt.
Gemäß diesem Aspekt der Erfindung kann man einen geraden Rand in der rechteckigen Inversionszone erhalten, die in Entsprechung zu dem rechteckigen Elektrodenmuster gebildet ist, indem die Größe des Elektrodenmusters festgelegt wird, um kleiner als 50 µm in der Längsrichtung zu sein. Dadurch kann man die Effektivität der Konvertierung maximieren, wenn das ferroelektrische Substrat für eine SHG-Vorrichtung verwendet wird, das mit solch einer Inversionszone gebildet ist.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Bilden einer Inversionszone mit einer ersten Polarisation in einem ferroelektrischen Substrat, das eine zweite, entgegengesetzte Polarisation hat, mit den Schritten: Vorsehen von oberen und unteren Elektroden jeweilig auf oberen und unteren Hauptoberflächen eines ferroelektrischen Substrats; derartiges Mustern der oberen Elektrode, daß eine Vielzahl von Fingermustern auf der oberen Hauptoberfläche des Substrats gebildet wird, um sich in Entsprechung zu einer Zone, in der die Inversionszone zu bilden ist, parallel zueinander zu erstrecken; und Bewirken einer Inversion der Polarisation in dem ferroelektrischen Substrat in Entsprechung zu der Zone, wo die Fingermuster vorgesehen sind, durch Anwenden einer vorbestimmten Spannung quer über die Elektrode, die auf der oberen Hauptoberfläche des Substrats vorgesehen ist, und die Elektrode auf der unteren Hauptoberfläche des Substrats;
dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt zum Mustern so erfolgt, daß die Fingermuster eine längliche rechteckige Form haben, die sich mit einer Größe von kleiner als 50 µm in einer Längsrichtung erstreckt; welcher Schritt zum Bilden der Fingermuster die Schritte umfaßt: Bilden einer Vielzahl von fingerförmigen Öffnungen in der oberen Elektrode als die Fingermuster derart, daß sich jede der fingerförmigen Öffnungen in einer Richtung erstreckt, die mit der Längsrichtung der Fingermuster komzidiert, und daß die Vielzahl von fingerförmigen Öffnungen angeordnet ist, um eine Reihe zu bilden, die sich in einer Richtung erstreckt, die sich von der Längsrichtung der Fingermuster unterscheidet; und Bilden eines Paares von Längsöffnungen in der oberen Elektrode, um sich in einer Richtung, die mit der Richtung der Reihe komzidiert, auf deren beiden Seiten parallel zueinander zu erstrecken; welcher Schritt zum Mustern ferner einen Schritt zum Bilden einer Struktur zum Vermeiden von elektrischer Entladung zwischen den oberen und unteren Elektroden umfaßt; welcher Schritt zum Anwenden der vorbestimmten Spannung zum Vermeiden des Auftretens von elektrischer Entladung zwischen den oberen und unteren Elektroden in einer Umgebung mit reduziertem Druck erfolgt.
Als Beispiel wird Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen genommen, in denen:
FIG. 1(A) und 1(B) eine herkömmliche SHG-Vorrichtung zum Konvertieren eines optischen Eingangsstrahls des Grundtyps in einen optischen Strahl des zweiten harmonischen Typs zeigen;
FIG. 2(A) und 2(B) Diagramme sind, die einen herkömmlichen Prozeß zum Herstellen einer SHG-Vorrichtung zeigen;
FIG. 3(A) und 3(B) Diagramme sind, die einen anderen herkömmlichen Prozeß zum Herstellen einer SHG-Vorrichtung zeigen;
FIG. 4(A) - 4(B) Diagramme sind, die noch einen anderen herkömmlichen Prozeß zum Herstellen einer SHG-Vorrichtung zeigen;
FIG. 5(A) und 5(B) Diagramme sind, die den Prozeß zum Herstellen einer SHG-Vorrichtung zeigen, der zum Verstehen der vorliegenden Erfindung nützlich ist;
FIG. 6(A) - 6(E) Diagramme sind, die den Prozeß zum Herstellen einer SHG-Vorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen;
FIG. 7(A) - 7(E) Diagramme sind, die eine Abwandlung der ersten Ausführungsform zeigen;
FIG. 8(A) - 8(D) Diagramme sind, die den Prozeß zum Herstellen einer SHG-Vorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen;
FIG. 9 ein Diagramm ist, das den Prozeß zum Herstellen einer SHG-Vorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
FIG. 10 ein Diagramm ist, das den Effekt zeigt, der durch die dritte Ausführungsform erreicht wird;
FIG. 11 ein Diagramm ist, das eine Abwandlung der dritten Ausführungsform zeigt; und
FIG. 12 ein Diagramm ist, das eine andere Abwandlung der dritten Ausführungsform zeigt.
In den Zeichnungen stellt die Oberfläche, die mit +C bezeichnet ist, die Oberfläche des Substrats dar, auf die der Polarisationsvektor des Substrats gerichtet ist, während die Oberfläche, die mit -C bezeichnet ist, die Oberfläche darstellt, die der Oberfläche +C gegenüberliegt Bevor die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben werden, erfolgt eine Erläuterung eines Prozesses zum Herstellen einer SHG-Vorrichtung, die nicht gemäß der Erfindung aber nützlich zum Verstehen derselben ist.
Unter Bezugnahme auf FIG. 5(A) wird eine Ti-Schicht auf der Oberfläche +C eines LiTaO&sub3;-Substrats 1 mit einer Dicke von etwa 1000 Å abgeschieden, und die so abgeschiedene Ti- Schicht wird anschließend gemustert, um eine Anzahl von länglichen Elektrodenmustern 21 zu bilden, die jeweils eine Breite von 1 µm haben und sich in der Transversalrichtung oder Y-Richtung des Substrats 1 erstrecken, so daß sich die Elektrodenmuster in der Längsrichtung oder X-Richtung des Substrats 1 mit einer Teilung von 3,4 µm wiederholen. Ferner wird die Rückseitenelektrode 6 vorgesehen, um die Oberfläche -C zu bedecken.
Weiterhin wird das so gebildete LiTaO&sub3;-Substrat 1 in einer Evakuierungskammer angeordnet, und eine positive Spannung wird quer über das Elektrodenmuster 21 durch eine Gleichstromspannungsquelle 7 für eine Dauer von etwa 1 Minute mit solch einer Größe angewendet, daß in dem Substrat 1 ein elektrisches Feld mit der Feldstärke von 210 kV/cm aufgebaut wird. Da die Vorrichtung in einer Vakuumumgebung gehalten wird, wird die Migration von elektrischen Ladungen durch Verunreinigungen auf der Substratoberfläche effektiv eliminiert. Dadurch wird die Inversionszone 4 in Entsprechung zu den Elektrodenmustern 21 mit einer Tiefe von zig Mikrometern gebildet. Bei dem Prozeß zum Anwenden des elektrischen Feldes können die Größe und die Dauer der Spannung so eingestellt werden, daß die Inversionszone 4 und die Nichtinversionszone 3 mit derselben Breite oder Größe wiederholt werden, gemessen in der X-Richtung des Substrats 1. Ferner kann man zum Vermeiden des Problems der elektrischen Entladung das elektrische Feld in der Form eines Spannungsimpulses mit einer Spitzenfeldstärke von etwa 400 kV/cm und einer Impulsbreite von 10 ms anwenden. In diesem Fall kann der Spannungsimpuls etwa 10 Sekunden lang mit einer Frequenz von 1 Hz wiederholt werden.
Nachdem die Inversionszone 4 als solche gebildet ist, werden die Elektroden von der Struktur von FIG. 5(A) ent femt und wird eine Ta-Maskenschicht auf der Oberfläche +C des Substrats 1 abgeschieden, um eine Maske 22 zu bilden. Siehe FIG. 5(B). Ferner wird die Maske 22 gemustert, um eine Öffnung 22a zu bilden, die sich in der X-Richtung mit einer Breite von etwa 2 µm erstreckt, so daß die Öffnung 22a die Oberfläche +C exponiert. Des weiteren wird das so mit der Maske 22 bedeckte Substrat 1 etwa 30 Minuten lang in eine Lösung aus Pyrophosphorsäure 23 getaucht, die auf 250 ºC gehalten wird, wie in FIG. 5(B) gezeigt, zum Bilden des optischen Wellenleiters 22 in Entsprechung zu dem exponierten Teil als Resultat des Protonenaustauschs.
Als nächstes wird die Maske 22 entfernt, und das Substrat wird zum Reduzieren des Verlustes in dem optischen Wellenleiter und zum Wiederherstellen des nichtlinearen optischen Vermögens annealt. Die so mit der Länge von 10 nm in der X-Richtung gebildete SHG-Vorrichtung erzeugte einen blauen optischen Strahl mit einer Wellenlänge von 420 nm als Reaktion auf die Injektion eines optischen Strahls mit einer Wellenlänge von 840 nm. Bei dem obigen Prozeß ist es natürlich möglich, den optischen Wellenleiter 2 zu bilden, bevor die Zonen 4 gebildet werden.
Als nächstes wird unter Bezugnahme auf FIG. 6(A) - 6(E) eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben, bei der bei dem Schritt von FIG. 6(A) eine Ti- Elektrode 51 auf der Oberfläche +C des Substrats 1 aus LiTaO&sub3; oder LiNbO&sub3; abgeschieden wird. Ferner wird eine Elektrode 6 auf der Oberfläche -C des Substrats 1 abgeschieden. Als nächstes wird die Elektrode 51 zu einer Anzahl von streifenartigen Elektrodenmustern 51a gemustert, so daß sich die Elektrodenmuster 51a in der X-Richtung mit einer Teilung von 3,4 µm wiederholen, wie in FIG. 6(B) gezeigt. Weiterhin wird, wie in FIG. 6(C) gezeigt, jedes streifenartige Elektrodenmuster 51a in einen zentralen Teil 51a&sub1; und seitliche Teile 51a&sub2;, 51a&sub3; segmentiert, indem eine Nut 52 vorgesehen wird, die sich in der x-Richtung erstreckt, so daß die Nut 52 den zentralen Teil 51a&sub1; von den seitlichen Teilen 51a&sub2;, 51a&sub3; trennt. Dabei wird die Nut 52 gebildet, um die Oberfläche +C des Substrats 1 zu zerschneiden, und sie isoliert die seitlichen Teile 51a&sub2; und 51a&sub3; elektrisch von dem zentralen Teil 51a&sub1; des Elektrodenmusters 51a.
Bei dem Schritt von FIG. 6(D) wird die Gleichstromspannungsquelle 7 aktiviert, um die Spannung quer über den zentralen Teil 51a&sub1; des Elektrodenmusters 51a und die Rückseitenelektrode 6 anzuwenden, um die Inversion der Polarisation in dem Substrat 1 in Entsprechung zu der Elektrode 51a&sub1; zu induzieren. Ein elektrisches Feld von etwa 210 kV/cm wird in dem Substrat 1 durch die Gleichstromspannungsquelle 7 induziert. Dadurch wächst die Inversionszone 4 in der Richtung, die zu der Oberfläche +C des Substrats 1 rechtwinklig ist, wie in FIG. 6(E) gezeigt. Ferner wird der optische Wellenleiter 2 gebildet, wie in FIG. 6(E) gezeigt.
Hier wird das Lecken von Strom, das längs der Seitenwand des Substrats 1 auftritt, wesentlich reduziert, indem der Randteil 51a&sub2;, 51a&sub3; des Elektrodenmusters 51a von dem Hauptteil 51a&sub1; durch Vorsehen der Nut 52 isoliert wird, und deshalb kann man eine große Spannung, die zum Beispiel 10,5 kV überschreitet, quer über das Elektrodenmuster 51a&sub1; und die Rückseitenelektrode 6 in der atmosphärischen Umgebung anwenden, ohne eine elektrische Entladung zu verursachen. Es sei erwähnt, daß die obige Spannung von 10,5 kV eine elektrische Feldstärke von 210 kV/cm in dem LiTaO&sub3;-Substrat vorsieht, das eine Dicke von 0,5 nm hat. Die Nut 52 sieht eine ausgezeichnete Isolation besonders dann vor, wenn das Substrat 1 erhitzt wird, um jegliche Feuchtigkeit von dessen Oberfläche zu entfernen.
FIG. 7(A) - 7(E) zeigen eine Abwandlung des Prozesses der ersten Ausführungsform, wobei die Schritte von FIG. 7(A) und 7(B) mit den Schritten von FIG. 6(A) und 6(B) identisch sind.
Bei der vorliegenden Abwandlung werden die Elektrodenmuster 51a bei dem Schritt von FIG. 7(C) weiter gemustert, um solche Elektrodenmuster 51b zu bilden, daß die Randteile, die den Teilen 51a&sub2;&sub1; 51a&sub3; entsprechen, entfernt werden. Dadurch wird die IC-Oberfläche des Substrats 1 um die Elektrodenmuster 51b herum exponiert.
Als nächstes wird bei dem Schritt von FIG. 7(D) die Gleichstromspannungsquelle 7 verwendet, um die Spannung quer über das Elektrodenmuster 51b und die Rückseitenelektrode 6 anzuwenden, um die Inversion der Polarisation zu induzieren, wie in FIG. 7(E) gezeigt. Auch bei der vorliegenden Abwandlung kann man das Problem des Stromleckens eliminieren, das an der Seitenwand des Substrats 1 auftritt.
Als nächstes wird unter Bezugnahme auf FIG. 8(A) - 8(D) eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben, bei der die Elektroden 6 und 51 jeweilig auf den Oberflächen +C und -C des Substrats 1 vorgesehen sind und die Elektrode 51 einem Musterungsprozeß unterzogen wird, um Elektrodenmuster 51a zu bilden, wie in FIG. 8(B) gezeigt. Dann wird die Struktur von FIG. 8(B) in einer Vakuumkammer angeordnet, und die Elektrodenmuster 51a werden mit der Erde verbunden, wie in FIG. 8(C) gezeigt. In diesem Zustand wird ein Elektronenstrahl 55 auf die Rückseitenelektrode 6 eingestrahlt, um ein Aufladen der Elektrode 6 zu verursachen, wie in FIG. 8(C) gezeigt. Dadurch wird eine Spannung quer über das Elektrodenmuster 51a und die Rückseitenelektrode 6 angewendet, und die gewünschte Inversion der Polarisation wird induziert, wie in FIG. 8(D) gezeigt. Als nächstes wird eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf FIG, 9 beschrieben. Unter Bezugnahme auf FIG. 9 wird eine Ti-Elektrodenschicht 61 auf der Oberfläche +C des LiTaO&sub3;-Substrats 1 vorgesehen. Ferner hat das Substrat 1 eine Rückseitenelektrode 6 auf der Oberfläche -C des Substrats 1, ähnlich wie bei den vorhergehenden Ausführungsformen. Ferner wird die Elektrodenschicht 61 gemustert, um eine Anzahl von länglichen rechteckigen Öffnungen 61a zu bilden, die sich jeweils in der Y-Richtung erstrecken, so daß die rechteckigen Öffnungen 61a in der X-Richtung wiederholt werden.
In der vorliegenden Ausführungsform wird die Gleichstromspannungsquelle 7 verwendet, um die Spannung quer über die Elektrode 61 und die Elektrode 6 anzuwenden, um die Inversion der Polarisation in dem Substrat zu induzieren, jene Teile ausgenommen, die den Öffnungen 61a entsprechen. Hierbei werden rechteckige Zonen in dem Substrat 1 in Entsprechung zu den Öffnungen 61a gebildet, in denen die Richtung der Polarisation hinsichtlich der Zone, die die rechteckige Zone umgibt, invertiert ist. Durch Bilden des optischen Wellenleiters, um sich in der X-Richtung zu erstrekken, um die rechteckigen Zonen zu überqueren, erhält man eine SHG-Vorrichtung, die einen zweiten harmonischen optischen Strahl als Resultat des verstärkten Zusammenwirkens zwischen dem optischen Grundstrahl und den periodisch wiederholten rechteckigen Zonen erzeugt.
In solch einer SHG-Vorrichtung ist es wichtig, daß jede rechteckige Zone, die in Entsprechung zu den Öffnungen 61a gebildet ist, ebene, wohldefinierte vordere und hintere Kanten zur effektiven Wellenlängenkonvertierung hat. Andererseits wurde beobachtet, daß eine Wellenbewegung an den vorderen und hinteren Kanten in der rechteckigen Zone auftritt, besonders wenn die Größe der rechteckigen Zone in der Längsrichtung und somit die Größe L der Öffnung 61a groß ist
FIG. 10 zeigt die Beziehung, die durch die Erfinder der vorliegenden Erfindung entdeckt wurde, wobei die vertikale Achse die Amplitude der Wellenbewegung darstellt, die an den vorderen und hinteren Kanten der rechteckigen Zone auftritt, dargestellt hinsichtlich des Verhältnisses der Polaritätsinversion, während die horizontale Achse die Längsgröße L der rechteckigen Öffnung 61a darstellt. An der Kante der Zone der Polaritätsinversion betrgt der Wert des Verhältnisses 0,5, während dann, wenn eine Wellenbewegung an der Kante vorhanden ist, das Verhältnis über und unter 0,5 schwanken kann.
Aus FIG. 10 geht hervor, daß die Amplitude der Wellenbewegung übermäßig groß wird, wenn sich die Größe L der Maskenöffnung 61a über 50 µm erhöht hat. Das Resultat von FIG. 10 gibt den Vorzugsbereich der Größe L für die Öffnung 61a mit kleiner als 50 µm an. Ein besseres Resultat wird besonders dann erhalten, wenn die Größe L festgelegt ist, um kleiner als 20 µm zu sein. Dasselbe Argument gilt auch in dem Fall, wenn das Muster der Elektrode 61 invertiert ist, so daß Elektrodenstreifen in Entsprechung zu den Öffnungen 61a gebildet sind.
Aus FIG. 9 geht hervor, daß die Elektrode 6 auf der unteren Hauptoberfläche des Substrats 1 so gemustert ist, daß beide seitliche Endteile 6a und 6b entfernt sind. Dadurch kann man das Problem der elektrischen Entladung, die an der Seitenwand des Substrats 1 zwischen den oberen und unteren Elektroden auftritt, eliminieren.
FIG. 11 zeigt eine Abwandlung der dritten Ausführungsform, bei der längliche Ausschnitte 61b vorgesehen sind, um sich auf beiden Seiten der Öffnungen 61a in der x-Richtung zu erstrecken. Gemäß der Konstruktion der vorliegenden Abwandlung ist es möglich, die Konzentration des elektrischen Feldes an den Längsenden der länglichen rechteckigen Zonen zu erhöhen, und für die rechteckigen Zonen wird ein wohldefiniertes rechteckiges Muster erhalten.
FIG. 12 zeigt eine andere Abwandlung der dritten Ausführungsform zum Erhöhen der Konzentration des elektrischen Feldes an dem Längskantenteil der rechteckigen Zone und gleichzeitig zum Vermeiden einer Entladung, die in der Struktur von FIG. 11 in Entsprechung zu der Zone, wo die Oberfläche des Substrats an dem Ausschnitt 61b exponiert ist, leicht auftritt. Bei der vorliegenden Abwandlung ist der zusammenhängende Ausschnitt 61b von FIG. 11 durch separate, kleinere Ausschnitte 61c ersetzt, die durch einen leitenden Brückenteil 61d voneinander getrennt sind. Dadurch wird die elektrische Entladung an dem Ausschnitt 61c erfolgreich eliminiert. Ferner wird die Zufuhr von elektrischen Ladungen zu dem Elektrodenteil, der die Öffnungen 61a definiert, gewährleistet.
In der dritten Ausführungsform kann man verschiedene Merkmale der vorhergehenden Ausführungsformen kombinieren, um den Effekt der vorliegenden Erfindung zu maximieren. Zum Beispiel kann man die Isolierstruktur so wie die Nut 52 von FIG. 6(C) oder die exponierte Oberfläche 53 von FIG. 7(C) in der Ausführungsform von FIG. 11 bilden und die Anwendung der Gleichstromspannung in der Evakuierungsumgebung vornehmen, wie unter Bezugnahme auf FIG. 5(A) beschrieben.
Ferner ist die vorliegende Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen begrenzt, sondern verschiedene Veränderungen und Abwandlungen können vorgenommen werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims

1. Verfahren zum Bilden einer Inversionszone (4) mit einer ersten Polarisation in einem ferroelektrischen Substrat (1), das eine zweite, entgegengesetzte Polarisation hat, mit den Schritten: Vorsehen von oberen und unteren Elektroden (51, 6) jeweilig auf oberen und unteren Hauptoberflächen eines ferroelektrischen Substrats; derartiges Mustern der oberen Elektrode (51), daß eine Vielzahl von Elektrodenfingern (51a) auf der oberen Hauptoberfläche des Substrats in Entsprechung zu einer Zone (4) gebildet wird, in der die Inversionszone zu bilden ist; und Bewirken einer Inversion der Polarisation in dem ferroelektrischen Substrat (1) in Entsprechung zu der Zone (4), wo die Elektrodenfinger vorgesehen sind, durch Anwenden einer Spannung auf die Elektrodenfinger auf der oberen Hauptoberfläche des Substrats;

dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren ferner einen Schritt zum Modifizieren der Elektrodenfinger (51a) auf der oberen Hauptoberfläche des Substrats umfaßt, um eine Pufferstruktur (52, 53) zu bilden, zum Eliminieren einer elektrischen Entladung, die an den Elektrodenfingern auftritt, welcher Schritt zum Bilden der Pufferstruktur (52) den Schritt zum Bilden einer Nut (52) in der oberen Hauptoberfläche des ferroelektrischen Substrats (1) umfaßt, so daß die Nut beide Randteile (51a&sub2;, 51a&sub3;), die an beiden Längsenden von jedem Elektrodenfinger (51a) angeordnet sind, von einem zentralen Teil (51a&sub1;) von ihnen trennt.

2. Verfahren zum Bilden einer Inversionszone (4) mit einer ersten Polarisation in einem ferroelektrischen Substrat (1), das eine zweite, entgegengesetzte Polarisation hat, mit den Schritten: Vorsehen von oberen und unteren Elektroden (61, 6) jeweilig auf oberen und unteren Hauptoberflächen eines ferroelektrischen Substrats; derartiges Mustern der oberen Elektrode, daß eine Vielzahl von Fingermustern (61a) auf der oberen Hauptoberfläche des Substrats gebildet wird, um sich in Entsprechung zu einer Zone, in der die Inversionszone (4) zu bilden ist, parallel zueinander zu erstrecken, und Bewirken einer Inversion der Polarisation in dem ferroelektrischen Substrat (1) in Entsprechung zu der Zone (4), wo die Fingermuster (61a) vorgesehen sind, durch Anwenden einer vorbestimmten Spannung quer über die Elektrode (61), die auf der oberen Hauptoberfläche des Substrats vorgesehen ist, und die Elektrode (6) auf der unteren Hauptoberfläche des Substrats; dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt zum Mustern so erfolgt, daß die Fingermuster (61a) eine längliche rechteckige Form haben, die sich mit einer Größe L von kleiner als 50 µm in einer Längsrichtung von ihnen erstreckt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt zum Mustern der oberen Elektrode (61) einen Schritt zum Bilden der Fingermuster (61a) mit einer Gr&sup0;&sup0;8e (L) von kleiner als 20 µm in der Längsrichtung der Fingermuster umfaßt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt zum Bilden der Fingermuster folgende Schritte umfaßt: Bilden einer Vielzahl von fingerförmigen Öffnungen (61a) in der oberen Elektrode (61) als die Fingermuster derart, daß sich jede der fingerförmigen Öffnungen in einer Richtung erstreckt, die mit der Längsrichtung der Fingermuster komzidiert, und daß die Vielzahl von fingerförmigen Öffnungen angeordnet ist, um eine Reihe zu bilden, die sich in einer Richtung erstreckt, die sich von der Längsrichtung der Fingermuster unterscheidet; und Bilden eines Paares von Längsöffnungen (61b) in der oberen Elektrode, um sich in einer Richtung, die mit der Richtung der Reihe komzidiert, auf beiden Seiten der Reihe parallel zueinander zu erstrecken.

5. Verfahren zum Bilden einer Inversionszone (4) mit einer ersten Polarisation in einem ferroelektrischen Substrat (1), das eine zweite, entgegengesetzte Polarisation hat, mit den Schritten: Vorsehen von oberen und unteren Elektroden (61, 6), jeweilig auf oberen und unteren Hauptoberflächen eines ferroelektrischen Substrats;

derartiges Mustern der oberen Elektrode, daß eine Vielzahl von Fingermustern (61a) auf der oberen Hauptoberfläche des Substrats gebildet wird, um sich in Entsprechung zu einer Zone, in der die Inversionszone (4) zu bilden ist, parallel zueinander zu erstrecken; und

Bewirken einer Inversion der Polarisation in dem ferroelektrischen Substrat (1) in Entsprechung zu der Zone (4), wo die Fingermuster (61a) vorgesehen sind, durch Anwenden einer vorbestimmten Spannung quer über die Elektrode (61), die auf der oberen Hauptoberfläche des Substrats vorgesehen ist, und die Elektrode (6) auf der unteren Hauptoberfläche des Substrats;

dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt zum Mustern so erfolgt, daß die Fingermuster eine längliche rechteckige Form haben, die sich mit einer Größe von kleiner als 50 µm in einer Längsrichtung erstreckt;

welcher Schritt zum Bilden der Fingermuster die Schritte umfaßt: Bilden einer Vielzahl von fingerförmigen Öffnungen (61a) in der oberen Elektrode (61) als die Fingermuster derart, daß sich jede der fingerförmigen Öffnungen in einer Richtung erstreckt, die mit der Längsrichtung der Fingermuster komzidiert, und daß die Vielzahl von fingerförmigen Öffnungen angeordnet ist, um eine Reihe zu bilden, die sich in einer Richtung erstreckt, die sich von der Längsrichtung der Fingermuster unterscheidet; und Bilden eines Paares von Längsöffnungen (61b) in der oberen Elektrode, um sich in einer Richtung, die mit der Richtung der Reihe koinzidiert, auf deren beiden Seiten parallel zueinander zu erstrecken; welcher Schritt zum Mustern ferner einen Schritt zum Bilden einer Struktur (6a, 6b) zum Vermeiden von elektrischer Entladung zwischen den oberen und unteren Elektroden (61, 6) umfaßt; welcher Schritt zum Anwenden der vorbestimmten Spannung zum Vermeiden des Auftretens von elektrischer Entladung zwischen den oberen und unteren Elektroden (61, 6) in einer Umgebung mit reduziertem Druck erfolgt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt zum Vermeiden der elektrischen Entladung einen Schritt zum derartigen Mustern der unteren Elektrode (6) umfaßt, daß sich die untere Elektrode in einer Richtung erstreckt, die mit der Richtung der Reihe komzidiert, und daß die untere Elektrode durch ein Paar von seitlichen Rändern definiert ist, die sich auch in der Richtung der Reihe erstrecken, welche untere Elektrode gemustert wird, um eine begrenzte seitliche Größe zu haben, gemessen in einer Richtung, die zu der Richtung der Reihe rechtwinklig ist, so daß die untere Hauptoberfläche (6a, 6b) des Substrats an den seitlichen Rändern der unteren Elektrode exponiert wird, welche exponierte untere Hauptoberfläche (6a, 6b) des Substrats dadurch als Struktur zum Vermeiden von elektrischer Entladung dient.