DE4212372C2 - Optisches Element mit ferroelektrischer Mikrodomäneninversion und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches Element bestehend aus einem senkrecht zu einer der optischen Achsen geschnittenen Kristall aus Lithiumniobat, auf dessen Oberfläche mindestens 0,25 µm tiefe, materialmäßig homogene, ferroelektrische Mikrodomänenbereiche, die zusammen einen Wellenleiter bilden, ausgebildet sind, die periodisch entlang der Wellenleiterachse umgekehrt sind, so daß sich die nichtlinearen optischen Koeffizienten der Mikrodomänenbereiche entlang der Wellenleiterachse periodisch mit einer Periodenlänge ändern. Die Erfindung betrifft weiter einen optischen Frequenzverdoppler gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 3 und ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Elements gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 5.

Ein optisches Element gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, ein Frequenzverdoppler gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 3 und ein Verfahren zur Herstellung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 5 sind aus der Zeitschrift SPIE, vol. 1362, 1990, S. 370-376 bekannt; aus diesem Artikel sind auch Y-Schnitte des Lithiumniobatkristalls bekannt. Der auf dem Lithiumniobatkristall durch periodische Umkehr ferroelektrischer Mikrodomänen erzeugte optische Wellenleiter eignet sich bei Quasi-Phasenanpas­ sung als Frequenzverdoppler eingespeisten Lichtes. In einem titandotierten Wellenleiter wurde ein Periodizität vom 6,5 µm für eine Lichtwellenlänge von 1,064 nm vorgesehen. Auf einem Y-Schnitt von einem LiNbO₃-Kristall wurden Mikrodomänen mit Abmessungen bis 6 × 15 × 0,25 µm³, also von 0,25 µm Tiefe, erzeugt, indem periodisch struktu­ rierte Aluminiumelektroden aufgedampft wurden, die bei Temperaturen unter dem Curie-Punkt, z. B. 400°C, pyroelektrisch erzeugte Spannung führten, wodurch sich gemäß der Elektrodenstruktur Umkehrungen der Mikrodomänen­ bereiche ausbildeten. Die dabei erreichte geringe Tiefe der umgekehrten Mikrodomänenbereiche erbringt einen geringen Konversionsgrad bei einer Frequenzverdopplung eingespeisten Lichtes, da die dafür günstigen Wellenleiter mehrere Mikrometer tief reichen.

Aus der WO 90/04807 ist bekannt, einen titandotierten Wellenleiter in einem Lithiumniobatkristall (Z-Schnitt) durch Maskierung und Wärmebehandlung bei einer Temperatur in dem Temperaturbereich zwischen der Curie-Temperatur und 300°C darunter mit einer periodischen Mikrodomänenumkehr­ struktur zu versehen und durch Quasi-Phasenanpassung an eingespeistes Licht eine Frequenzverdopplung in ihm zu erreichen. Es werden keine Angaben über die Tiefe der Inversionsstruktur gemacht.

Aus der EP-A2-466 191 ist bekannt, im Z-Schnitt eines Lithiumniobatkristalls durch Maskierung und Ionenbe­ strahlung eine streifenförmige periodische Mikrodomänen­ umkehrstruktur zu erzeugen, wobei deren Tiefe größer als deren Streifenbreite und Streifenabstand gewählt ist. Die optische Vorrichtung eignet sich zur Frequenzverdopplung.

Aus der EP-A2-476 347 ist bekannt, in Lithiumniobat einen optischen Frequenzverdoppler durch Phasenanpassung mittels einer geeigneten periodischen Struktur optischer Wellenleiter auszubilden.

Aus der DE 40 29 852 A1 ist bekannt, zur Herstellung eines Frequenzvervielfachers in dem Oberflächenbereich eines Lithiumniobatkristalles Streifenstrukturen von alternierend gepolten Mikrodomänenbereichen zu erzeugen, indem bei jeweils unterschiedlich gepoltem elektrischem Feld eine lokale Erhitzung über die Curie-Temperatur erfolgt.

Aus der JP-A-3-121428 in Patents Abstracts of Japan P- 1241, Aug.22, 1991, Vol. 15, No. 331 ist bekannt, in einem nichtlinearen ferroelektrischen Material in dessen Oberflächenbereich eine periodisch umgekehrte Mikro­ domänen-Streifenstruktur zu erzeugen, indem auf den beiden Oberflächen des Kristalls Elektroden angeordnet werden, mit einer Gleichspannungs- oder einer Impulsspanungsquelle verbunden werden können.

Ausgehend von einem optischen Element gemäß dem Oberbe­ griff des Anspruchs 1, einem optischen Frequenzverdoppler gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 3 und einem Verfahren zur Herstellung eines optischen Elements gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 5 ist es die Aufgabe der Erfindung, diese derart weiterzubilden, daß der optische Frequenzverdoppler einen höheren optischen Wirkungsgrad aufweist, d. h. ggf. einen höheren optischen Konversionsgrad von eingespeistem IR-Licht in Licht doppelter Frequenz erbringt.

Ausgehend von dem optischen Element gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 besteht die Lösung gemäß dem Kennzeichen des Anspruchs 1 darin, daß die Tiefe der umgekehrten ferroelektrischen Mikrodomänenbereiche mindestens 1 µm beträgt und daß der Schnitt des Lithiumniobat- Kristalls ein Y- oder ein X-Schnitt ist; der optische Frequenzverdoppler ist im Nebenanspruch 3 charakterisiert, und das Verfahren zur Herstellung eines optischen Elements ist im Nebenanspruch 5 angegeben,
Vorteilhafte Ausgestaltungen des optischen Elements, des optischen Frequenzverdopplers und des Verfahrens zur Herstellung des optischen Elements sind in den Unteransprüchen angegeben.

Das Verfahren zur Erzeugung von periodisch mikrodomänen­ umgekehrten oberflächennahen Bereichen auf einem X-Schnitt oder einen Y-Schnitt eines Lithiumniobatkristalles geht davon aus, daß ein parallel zur optischen Achse an der Oberfläche des ferroelektrischen Lithiumniobates angelegtes elektrisches Feld, welches der spontanen Polarisation entgegengerichtet ist, eine gezielte Umkehr der kristallographischen Z-Achse, also eine sogenannte Mikrodomäneninversion, bewirken kann. Durch Aufdampfen einer passend geformten Elektrodenstruktur war es bei der aus SPIE, Vol. 1362, 1990, S. 370-376, bekannten Ausnutzung der bei einer Temperaturänderung im Kristall erzeugten pyroelektrischen Felder nur möglich, eine Mikrodomäneninversion bis zu einer Tiefe von 0,25 µm durchzuführen. Das aus SPIE, Vol. 1362, 1990, S. 370-376, bekannte Verfahren zur Herstellung eines optischen Elements wurde gemäß dem Anspruch 5 unter anderem durch das Anlegen einer externen, gepulsten Spannung ergänzt. Dadurch ist es überraschend möglich, gezielt größere Tiefen für die invertierten Mikrodomänen zu erreichen. Außerdem wird kein spezieller Temperaturzyklus mehr benötigt, da die an den Elektroden anzulegende Spannung nicht mehr von der Temperatur abhängt. Gemäß dem Anspruch 6 ist auch vorteilhaft, daß die niedrigen Herstellungs­ temperaturen von um 300°C eine periodische Modulation der linearen Eigenschaften verhindern.

Das Verfahren zur Herstellung eines optischen Elements ermöglicht es, für eine optimale Umzusetzung des Lichtes bei einer Frequenzverdopplung von Licht verschiedener Lichtquellen unterschiedlicher Wellenlänge jeweils eine Quasi-Phasenanpassung durch eine geeignete Wahl der Periodenlänge zu treffen. Bei der Bestimmung der Periodenlänge wird die Brechungsindexänderung, die bei der Wellenleiterherstellung auftritt, vorteilhaft mitberücksichtigt.

Die Anwendungsgebiete der Mikrodomäneninversion auf X- und Y-Schnittflächen sind einerseits die nichtlineare Optik, wobei der Phasenanpaßbereich für eine Frequenzverdopplung, eine Differenz- oder Summenfrequenzerzeugung oder für eine optische parametrische Oszillation geeignet verschoben wird, und andererseits die optische Nachrichtentechnik, wobei z. B. eine Modenkonversion vorgenommen wird.

Insbesondere ist gemäß dem Anspruch 2 eine Kombination eines derartig periodisch strukturierten optischen Elements mit anderen optischen Bauelementen, die integriert oder optisch gekoppelt in die gleiche Kristalloberfläche eingebracht sind, vorgesehen, wobei die auf X- oder Y-Schnitten von Lithiumniobatkristallen hergestellten Modulatoren und akustischen Oberflächenwellenleiter (SAW) zur Anwendung kommen.

Die Erfindung ist in der Zeichnung anhand von Ausführungs­ beispielen näher erläutert

Fig. 1 zeigt perspektivisch, unmaßstäblich ein optisches Element auf einem Kristall mit periodisch umgekehrten Mikrodomänen eines Wellenleiters;

Fig. 2 zeigt den Kristall präpariert zur Erzeugung der Mikrodomänen;

Fig. 3 zeigt den Verfahrensparameterbereich der Domänenumkehr;

Fig. 4 zeigt die Domänentiefen abhängig von der Temperatur des Verfahrens zur Herstellung;

Fig. 5 zeigt einen Frequenzverdoppler mit einem optischen Wellenleiter mit periodisch umgekehrten Mikrodomänen.

In Fig. 1 ist ein optisches Element gezeigt, auf dem ein Wellenleiter (1) hergestellt ist, der in eine Y- oder X- Schnittfläche eines Lithiumniobatkristalles (2) eingebracht ist. Der optische Wellenleiter weist eine Weite (D) in Richtung der Z-Achse des Kristalles auf und hat in seiner Längsrichtung mit einer Periodizität von (L) jeweils etwa gleich lange Bereiche (L1, L2), von denen jeweils der eine durch eine Mikrodomäneninversion bis in eine Tiefe (T) verändert und der andere unverändert ist.

Fig. 2 zeigt einen Lithiumniobatkristall (2), der mit einem Elektrodenpaar (E1, E2), vorzugsweise aus aufgedampftem Aluminium, auf seiner X- oder Y- Schnittfläche belegt ist. Diese Elektroden weisen eine sich symmetrisch gegenüberliegende Fingerstruktur mit der Periodizität (L) auf, wobei die Fingerenden sich symmetrisch zum zu verändernden Wellenleiter jeweils etwas über dem Rand desselben befinden und dort einen Abstand entsprechend einer Weite (W) aufweisen. Die beiden Elektroden (E1, E2) sind an einen Spannungsgenerator (UG) angeschlossen, der periodisch Spannungsimpulse einer Spitzenspannung (UP) abgibt, während der Kristall (2) auf eine Prozeßtemperatur (TP) über eine Inversionstemperatur aufgeheizt wird. Danach wird der Umschalter (US) betätigt, wodurch die Elektroden (E1, E2) kurzgeschlossen sind, und dann wird die Temperatur wieder auf die Umgebungstempe­ ratur abgesenkt.

Die Spannungsimpulse werden nach praktischer Erfahrung zweckmäßig aus einem 700 Hz-Generator mit einer Halbwel­ lengleichrichtung ohne Glättung gewonnen. Es genügt eine Dauer der Impulsspannungsbeaufschlagung von wenigen Sekun­ den. Fünf Sekunden haben sich als ausreichend erwiesen.

Fig. 3 zeigt für einen Y-Schnitt, der strukturiert ist mit Bereichslängen (LL1, LL2) der invertierten und nicht invertierten Bereiche (L1, L2) von 25 µm und der bei einem Elektrodenabstand (W) von 6 µm spannungsmäßig beaufschlagt wurde, ein Betriebsparamenterdiagramm für geeignete Kombinationen der Impulsspitzenspannung (UP) und der Prozeßtemperatur (TP). Wie man sieht, ist bei Temperaturen ab 220°C zusammen mit einer Impulsspitzenspannung (UP) ab etwa 140 V eine Inversion der Mikrodomänen zu erreichen. Bei höheren Temperaturen (TP), empfohlen ist ein Temperaturbereich bis 340°C, kann die Impulsspannung (UP) etwa linear bis auf 70 V abgesenkt werden. Bei den höheren Temperaturen muß man darauf achten, daß jeweils eine Überschlagfeldstärke zwischen den Elektrodenfingern nicht überschritten wird. Die entsprechende Spannungsgrenze (UM) ist in der Figur für die einfachen Verhältnisse in Luft angegeben, wobei keine besonderen Isolationsmaßnahmen ergriffen wurden. Nur die Ecken der Elektrodenfinger sind leicht abgerundet um Feldstärkenspitzen dort zu vermeiden.

Fig. 4 zeigt ein Diagramm der Domänentiefe (T) in der Mitte des invertierten Domänenbereiches (L1) in Abhängig­ keit von der Prozeßtemperatur (TP) bei einer Spitzenspan­ nung (UP) von 100 V, wobei im übrigen die Struktur, wie unter Fig. 3 beschrieben, vorlag. Bei der Erzeugung von invertierten Domänenbereichen anderer Periodizität und Weite ist bei der Gestaltung der Elektroden und der Span­ nungs- und Temperaturwahl darauf zu achten, daß die elek­ trische Feldstärke, die die Impulsspannung in den Berei­ chen (L2), die zwischen den seitlichen Zwischenräumen der Elektrodenfinger liegen, jeweils unter der Inversionsfeld­ stärke liegt, weshalb der seitliche Fingerabstand (LL2) zweckmäßig möglichst groß im Verhältnis zur Spaltweite (W), d. h. dem Fingerspitzenabstand, gewählt wird.

Fig. 5 zeigt eine Frequenzverdopplervorrichtung bei der das Licht einer Laserdiode (10) durch einen optischen Isolator (11) in bekannter Weise auf das Ende des optischen Elements (1) fokussiert wird, den es vermittels der periodisch angeordneten Mikrodomänenbereiche (L1) teilweise auf die doppelte Frequenz konvertiert durchläuft, wonach es andernends oder nach einer Reflexion eingangsseitig abzunehmen ist.

Die Periode (L) der umgekehrten Mikrodomänenbereiche (L1) ist dabei vorteilhaft der Wellenlänge des Lichtes des verwandten Lasers angepaßt gestaltet, um eine Quasi- Phasenanpassung zu erreichen. Für die Fundamentalwellenlänge ergibt sich beispielsweise:

Durch die Brechungsindexänderungen bei der Herstellung des Wellenleiters, der Teil des optischen Elements ist, weichen die Perioden vom obigen Tabellenwert ab; z. B. für die 1. Ordnung bei der Wellenlänge 833 nm ergibt sich eine Periodenlänge von nur ca. 2.5 in H_xLi_1-xNbO₃ Wellenleitern; in Ti:LiNbO₃-Wellenleitern sind die Abweichungen zu den oben angegebenen Periodenlängen jedoch nur sehr gering.

Claims (11)

1. Optisches Element bestehend aus einem senkrecht zu einer der optischen Achsen geschnittenen Kristall (2) aus Lithiumniobat, auf dessen Oberfläche mindestens 0,25 µm tiefe, materialmäßig homogene, ferroelektrische Mikrodomänenbereiche (L1, L2), die zusammen einen Wellenleiter (1) bilden, ausgebildet sind, die periodisch entlang der Wellenleiterachse umgekehrt (L1) sind, so daß sich die nichtlinearen optischen Koeffizienten der Mikro­ domänenbereiche (L1, L2) entlang der Wellenleiterachse periodisch mit einer Periodenlänge (L = L1 + L2) ändern, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe (T) der umgekehrten ferroelektrischen Mikrodomänenbereiche (L1) mindestens 1 µm beträgt und daß der Schnitt des Lithiumniobat- Kristalls ein Y- oder ein X-Schnitt ist.

2. Optisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Lithiumniobatkristall (2) in die gleiche Schnittfläche, in die der Wellenleiter (1) eingebracht ist, mindestens ein weiteres optisches Element, wie ein Modulator oder ein akustischer Wellenleiter, eingebracht ist und dieses optisch mit dem Wellenleiter (1) verbunden ist.

3. Optischer Frequenzverdoppler mit einem optischen Element bestehend aus einem senkrecht zu einer der optischen Achsen geschnittenen Kristall (2) aus Lithiumniobat, auf dessen Oberfläche mindestens 0,25 µm tiefe, materialmäßig homogene, ferroelektrische Mikrodomänenbereiche (L1, L2), die zusammen einen Wellenleiter (1) bilden, ausgebildet sind, die periodisch entlang der Wellenleiterachse umgekehrt (L1) sind, so daß sich die nichtlinearen optischen Koeffizienten der Mikrodomänenbereiche (L1, L2) entlang der Wellenleiter­ achse periodisch mit einer Periodenlänge (L = L1 + L2) ändern, und wobei Licht eines Lasers, z. B. Neodym-YAG- Lasers, in den Wellenleiter (1) eingespeist und Licht doppelter Frequenz ausgekoppelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Schnitt des Lithiumniobat- Kristalls ein Y- oder ein X-Schnitt ist, daß das eingespeiste Licht Licht eines Argonlasers, eines Neodym- YAG-Lasers oder einer Laserdiode (10) ist, das über einen optischen Isolator (11) geleitet, auf eine Stirnseite des Wellenleiters (1) fokussiert ist, dessen umgekehrten Mikrodomänenbereiche (L1) eine Weite (D) in Querrichtung der Erstreckung des Wellenleiters (1), nämlich in Richtung der Z-Achse, von 1-20 µm und eine Tiefe (T) von 1-10 µm aufweisen und die Mikrodomänenbereiche (L1, L2) eine solche Periodenlänge (L = L1 + L2) im Verhältnis zur Fundamentalwellenlänge des jeweils verwendeten Lasers (10) aufweisen, daß eine Quasi-Phasenanpassung gegeben ist.

4. Optischer Frequenzverdoppler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenleiter (1) eine Titandotierung enthält und für das Licht des Argonlasers mit einer Fundamentalwellenlänge von 1092 nm die Mikrodomänenbereiche (L1, L2) die Periodenlänge (L) von 7,4 µm aufweisen oder für das Licht des Neodym-YAG-Lasers mit einer Fundamentalwellenlänge von 1064 nm die Periodenlänge (L) von 6,8 µm oder für das Licht der Laserdiode einer Wellenlänge von etwa 833 nm für eine 1. Ordnung die Periodenlänge (L) von 3 µm oder für eine 3. Ordnung die Periodenlänge (L) von 9 µm aufweisen.

5. Verfahren zur Herstellung eines optischen Elements, bestehend aus einem senkrecht zu einer der optischen Achsen geschnittenen Kristall (2) aus Lithiumniobat, auf dessen Oberfläche mindestens 0,25 µm tiefe, materialmäßig homogene, ferroelektrische Mikrodomänenbereiche (L1, L2), die zusammen einen Wellenleiter (1) bilden, ausgebildet sind, die periodisch entlang der Wellenleiterachse umgekehrt (L1) sind, so daß sich die nichtlinearen optischen Koeffizienten der Mikrodomänenbereiche (L1, L2) entlang der Wellenleiterachse periodisch mit einer Periodenlänge (L = L1 + L2) ändern, bei dem auf dem Lithiumniobat-Kristall (2) ein Elektrodenpaar (E1, E2) aufgebracht wird, das eine Fingerstruktur aufweist, deren Finger sich mit einer Weite (W) jeweils über einem Randbereich des Wellenleiters symmetrisch zu diesem beabstandet gegenüberstehen und mit der Periodenlänge (L) in der Wellenleiterlängsrichtung nebeneinander stehen, und bei dem der Lithiumniobatkristall (2) auf eine Prozeßtemperatur (TP) aufgeheizt wird, die über der Temperatur liegt, bei der Mikrodomänenbereiche umgekehrt werden können, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenleiter (1) auf einem X- oder Y-Schnitt des Lithiumniobat-Kristalles erzeugt wird und die Elektroden (E1, E2) mit einer periodischen Impulsspannung mit einer vorgegebenen Impulsspitzenspannung (UP) für mindestens mehrere Sekunden beaufschlagt werden und danach bei kurzgeschlossenen Elektroden (E1, E2) der Kristall (2) auf die Umgebungstemperatur abgekühlt wird, so daß die Tiefe der umgekehrten ferroelektrischen Mikrodomänen­ bereiche (L1) mindestens 1 µm beträgt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Prozeßtemperatur (TP) zwischen 220°C und 350°C liegt und die Impulsspitzenspannung (UP) dazu entsprechend zwischen 150 V und 60 V liegt, wobei eine Durchschlagsspannung (UM) abhängig von der Prozeßtemperatur (TP) nicht überschritten sein darf.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsspitzenspannung (UP) höchstens so hoch gewählt wird, daß jeweils in den Mikrodomänenbereichen (L2), die zwischen den seitlichen Zwischenräumen der Elektrodenfinger liegen, die Inversionsfeldstärke bei der gegebenen Prozeßtemperatur (TP) nicht überschritten wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Prozeßtemperatur (TP) und die zugehörige Impulsspitzenspannung (UP) derart gewählt werden, daß der umgekehrte Mikrodomänenbereich (L1) eine Tiefe (T) aufweist, die etwa einer Tiefe des jeweiligen Wellenleiters entspricht.

9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als die Impulsspitzenspannung eine halbwellengleichgerichtete Wechselspannung verwendet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselspannung eine Frequenz zwischen 100 und 10000 Hz hat.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselspannung eine Frequenz von 700 Hz hat.