Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Wellenleitern aus Materialien der KTP-Familie.

Periodisch gepolte Wellenleiter aus nichtlinearen Materialien werden für nichtlineare op- tische Effekte eingesetzt, zu denen unter anderem Frequenzverdoppelung (SHG), Sum menfrequenzerzeugung (SFG) und Differenzfrequenzerzeugung (DFG) gehören. So fin det nichtlineare Optik Anwendungen im Bau von optischen Schaltern und Bauelementen. Faser stehen nur bei begrenzten Wellenlängenbereichen zur Verfügung. Mittels Fre quenzkonversion in nichtlinear optischen Bauelementen können neue Wellenlän- gen(bereiche) erreicht werden. Für eine effiziente Frequenzkonversion sind nichtlineare Materialien unerlässlich, die eine hohe Zerstörungsgrenze und einen weiten Transpa renzbereich aufweisen. Materialien aus Kaliumtitanylphosphat (KTP) weisen diese Ei- genschaften auf, so dass sie hervorragend für die Herstellung nichtlinearer Bauelemente, wie zum Beispiel periodisch gepolter Wellenleiter, geeignet sind. Die KTP-Familie um fasst alle Materialien MT1OXO4 mit M={K,Rb,Cs} und X={P,As}.

Verfahren zur Herstellung periodisch gepolter Wellenleiter aus Kaliumtitanylphos- phat (KTP) und anderen isomorphen Strukturen der KTP-Familie sind bekannt und kön nen unter anderem eine Behandlung des Materials in einer Salzschmelze mit Rubidiumi onen umfassen, um einen Ionenaustausch durchzuführen. Im Anschluss daran kann eine periodische Invertierung der Kristalldomänen durch Anlegen eines elektrischen Feldes erfolgen, wodurch der Wellenleiter periodisch gepolt wird. Ein solches Verfahren ist bei- spielsweise in der EP 1 015 936 Bl und in der WO 1990/004807 Al beschrieben.

Die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahrensschritte zur Herstellung periodisch gepolter Wellenleitern aus KTP beinhalten unter anderem also die Herstellung des Wel lenleiters durch einen Ionenaustausch, wobei Kaliumionen des Materials gegen Rubidi- umionen ausgetauscht werden, und eine darauffolgende periodische Polung des Wellen leiters. Eine Umkehr dieser beiden Verfahrensschritte des Ionenaustauschs und der peri odischen Polung hat den Vorteil, dass eine bessere Polung durchgeführt werden kann, was zu einer Steigerung der Effizienz des Konversionsprozesses führt. Allerdings führt die Umkehr der Verfahrensschrite bei dem herkömmlichen Verfahren in der Regel zu einer Riffelung des Wellenleiters, da die unterschiedlich gepolten Bereiche des Materials unterschiedliche Diffusionskoeffizienten aufweisen, so dass im anschließenden Ionenaus- tauschprozess die Ionen unterschiedlich tief ins Material hineindiffundieren. Eine Riffe- lung des Wellenleiters bedeutet, dass der Wellenleiter entlang der Ausbreitungsrichtung des Lichtes unterschiedliche Eindringtiefen aufweist, so dass sich die Phasenanpassungs- bedingungen für die Konversion ändern, wodurch die Effizienz des Konversionsprozes- ses beeinträchtigt wird und die Wellenleiter höhere Verluste aufweisen. Davon ausgehend ist es die Aufgabe der Erfindung, bei Umkehr der bekannten Verfah rensschrite beim Ionenaustausch im Wesentlichen gleich tiefe Diffusionstiefen der Ionen zu erreichen, um einen möglichst riffelfreien, periodisch gepolten Wellenleiter herzustel- len. Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen finden sich in den Unteransprüchen.

Erfindungsgemäß ist also ein Verfahren zur Herstellung von Wellenleitern aus einem Material der KTP-Familie mit folgenden Verfahrensschritten vorgesehen:

b) Behandlung des Materials derart, dass eine periodischen Polung des Materials erzielt wird,

c) Behandlung des Materials in einer Salzschmelze, die Rubidiumionen enthält, dadurch gekennzeichnet, dass die Salzschmelze, die Rubidiumionen enthält, in Schritt c) den folgenden Randbedingungen genügt:

- der Stoffmengenanteil an Rubidiumnitrat (RbNCfi) in der Schmelze liegt zu Be- ginn der Behandlung im Bereich von 86-90 mol%,

- der Stoffmengenanteil an Kaliumnitrat (KN0 ₃ ) in der Schmelze liegt zu Beginn der Behandlung im Bereich von 10-12 mol%,

- der Stoffmengenanteil an Bariumnitrat (BafNOA) in der Schmelze liegt zu Be- ginn der Behandlung im Bereich von 0,5-1 mol%,

- die Temperatur der Schmelze liegt während der Behandlung im Bereich von

357-363 °C. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass die Diffusionskoeffizienten der Rubidiumio- nen unabhängig von der periodischen Polung des Materials werden. Die Wahl der Rand- bedingungen der Salzschmelze, die Rubidiumionen enthält, führt dazu, dass die die Wel- lenleiter im Wesentlichen riffelfrei sind. Der Diffusionskoeffizient ist abhängig von der Temperatur und davon, welcher Stoff in welchen anderen Stoff hinein diffundiert und der Schmelzzusammensetzung. Die erfindungsgemäße Wahl der Austauschparameter führt im Ionenaustausch zu im Wesentlichen gleich großen Diffüsionskoeffizienten für die un- terschiedlich gepolten Bereiche des Materials.

Erfindungsgemäß wird damit ein Verfahren zur Herstellung von Wellenleitern bereitge- stellt, welches dazu führt, dass die Wellenleiter im Wesentlichen riffelfrei sind. Das Ver fahren sieht dabei zwei Verfahrensschritte b) und c) vor. Die Behandlung in Schritt b) führt zu einer periodischen Invertierung der Kristalldomänen. Durch diese Technik wird eine Quasi-Phasenanpassung (QPM) ermöglicht, wodurch eine Frequenzkonversion in nerhalb des gesamten transparenten Bereichs ermöglicht wird.

Mit der anschließenden Behandlung in Schritt c) in einer Salzschmelze, die Rubidiumio- nen enthält wird ein Wellenleiter erzeugt. Hierbei findet ein Ionenaustausch statt, wobei

Rubidiumionen aus der Schmelze die Gitterplätze der Kaliumionen im Material einneh men. Dadurch wird der Brechungsindex erhöht, was eine Wellenleitung ermöglicht. Die unterschiedlich gepolten Bereiche des Materials weisen für den Ionenaustauschprozess unterschiedliche Diffüsionskoeffizienten auf. Durch das Verfahren wird sichergestellt, dass die Ionen in den unterschiedlich gepolten Bereichen im Wesentlichen gleich tief ins Material hineindiffündieren und ein möglichst riffelfreier Wellenleiter erzeugt wird. Dadurch, dass die periodische Polung vor dem Prozess des Ionenaustauschs durchgeführt wird, kann eine verbesserte Polung erzielt werden, was zu einer Steigerung der Effizienz des Konversionsprozesses und zu Wellenleitern mit geringeren Verlusten führt.

Grundsätzlich kann die Reihenfolge der Verfahrensschritte so gewählt werden, dass die Behandlung in der Salzschmelze vor der periodischen Polung durchgeführt wird. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung sind die zwei Verfahrensschritte jedoch in der folgenden Reihenfolge durchzuführen: b) Behandlung des Materials derart, dass eine periodischen Polung des Materials erzielt wird, und c) Behandlung in einer Salz schmelze. Durch Einhalten der Reihenfolge b), c) lässt sich eine verbesserte Polung er zielen, was zu einer Steigerung der Effizienz des Konversionsprozesses und zu Wellen- leitem mit geringeren Verlusten führt.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung umfasst das Verfahren einen vorgelagerten Schritt a) der vorbereitenden Behandlung des Materials, um die Leitfähig keit des Materials zu homogenisieren und/oder zu verkleinern. Die vorbereitende Be- handlung hat zum Ziel die Leitfähigkeit des Materials zu verkleinern und/oder zu homo genisieren. Dadurch wird die Durchführung der periodischen Polung in Schritt b) verein facht, da eine erhöhte Leitfähigkeit es schwieriger gestaltet, eine ausreichende Spannung zwischen zwei auf einander gegenüberliegenden Seiten der Materialprobe angebrachten Elektroden aufrechtzuerhalten.

Vorzugsweise umfasst die Behandlung, mit dem Ziel die Leitfähigkeit des Materials zu homogenisieren und/oder zu verkleinern, eine Behandlung des Materials in einer KNO3- Schmelze. Durch diesen Verfahrensschritt findet eine Besetzung der Leerstellen im Ma terial durch Kaliumionen statt. Dadurch wird die Leitfähigkeit des Materials homogeni- siert und/oder verringert. Dies führt zu einer Vereinfachung der später durchgeführten periodischen Polung, da eine erhöhte Leitfähigkeit es schwieriger gestaltet, eine ausrei chende Spannung zwischen zwei Elektroden aufrechtzuerhalten. Eine bevorzugte Wei terbildung der Erfindung sieht eine Temperatur der KNCL-Schmelze von 375°C für min destens 24 Stunden vor.

Grundsätzlich kann eine periodische Polung durch unterschiedliche Verfahren erzeugt werden, welche dem Lachmann bekannt und Teil des Stands der Technik sind (siehe z.B. EP 1 015 936 Bl). Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist jedoch vorgesehen, dass der Schritt der Behandlung, die zu einer periodischen Polung führt, durch Einsatz eines gepulsten elektrischen Feldes zwischen zwei auf einander gegenüber liegenden Seiten der Materialprobe angebrachten Elektroden durchgeführt wird. Hierzu kommt vorzugsweise eine periodisch geformte Elektrode auf der einen Seite der Materi alprobe zum Einsatz. Diese sorgt dafür, dass die Domänen im Material periodisch inver- tiert werden. Durch die periodische Polung wird die vorhandene Nichtlinearität des Ma terials moduliert, um so die Phasendifferenz zwischen den sich ausbreitenden Lichtstrah len zu kompensieren und konstruktive Interferenz zu erreichen. Dies führt zu gesteigerten Effizienzen während des Konversionsprozesses.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Behand lung in einer Salzschmelze, die Rubidiumionen enthält, in Schritt c) nur auf einer Seite der Materialprobe angewendet wird und dies auf die Fläche bezogen in einer streifenför migen Art und Weise erfolgt. Hierzu kommt vorzugsweise eine streifenförmig geformte Maske, vorzugsweise senkrecht zur Polungsstruktur, auf der einen Seite der Materialpro be zum Einsatz. Diese sorgt dafür, dass nur ausgewählte streifenförmige Bereiche des Materials mit der Salzschmelze in Kontakt kommen. Nur in diesen Bereichen kommt es zum Ionenaustausch mit der Schmelze. Die Diffusion der Rubidiumionen aus der Schmelze in das Material führt zu einer Erhöhung des Brechungsindex in den entspre- chenden Bereichen, was eine Wellenleitung ermöglicht.

Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen anhand eines bevorzugen Ausführungsbeispiels exemplarisch erläutert. In der Zeichnung zeigen

Fig. 1 einen herkömmlichen geriffelten, periodisch gepolten Wellenleiter, Fig. 2 einen riffelfreien, periodisch gepolten Wellenleiter gemäß einem be vorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 3 einen Aufbau für die Behandlung in den Schritten a und c gemäß ei nem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung, Fig. 4 Elektroden, die für den Schritt der periodischen Polung verwendet werden, und

Fig. 5 schematisch den Effekt des Schrittes c auf die Materialprobe. Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch einen herkömmlichen geriffelten, periodisch gepol- ten Wellenleiter 100 in einer schematischen Darstellung. Eine Herstellung des Wellenlei- ters aus einer KTP-Materialprobe 102 durch Ionenaustausch nach periodischer Polung führt in der Regel zu einem geriffelten Wellenleiter 100. Die unterschiedlich gepolten (— c, +c) Bereiche 103 weisen unterschiedlich große Diffusionskoeffizienten auf (D ₊ D ). Dadurch diffundieren die Ionen beim Ionenaustausch unterschiedlich tief ins Mate- rial hinein, dargestellt mittels der Diffusionstiefe 104. Eine Riffelung des Wellenleiters 100 führt zu einer Beeinträchtigung der Effizienz des Konversionsprozesses

Fig. 2 zeigt eine perspektivische Darstellung und einen Längsschnitt durch einen riffel- freien, periodisch gepolten Wellenleiter 201 aus einer KTP Materialprobe 202 bei Her stellung des Wellenleiters durch Ionenaustausch nach periodischer Polung in einer sche- matischen Darstellung, nach einem Verfahren gemäß einem bevorzugten Ausführungs- beispiel der Erfindung. Der Diffusionskoeffizient ist abhängig von der Temperatur und davon, welcher Stoff in welchen anderen Stoff hinein diffundiert. Die Wahl der Aus- tauschparameter im Ionenaustausch führt zu im Wesentlichen gleich großen Diffüsions- koeffizienten und somit zu im Wesentlichen gleich tiefen Diffusionstiefen 204 für die un terschiedlich gepolten Bereiche 203 des Materials 202.

Das vorliegend beschriebene bevorzugte Ausführungsbeispiel des Verfahrens sieht drei Verfahrensschritte vor. Im ersten Schritt a) erfolgt eine vorbereitende Behandlung, mit dem Ziel die Leitfähigkeit des Materials zu homogenisieren und/oder zu verkleinern. Da bei findet eine Behandlung des Materials in einer KNCL-Schmelze 309a statt. Fig. 3 zeigt schematisch den Aufbau für diesen Schritt. Die Temperatur der KNCL-Schmelze 309a liegt bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel bei 375 °C. Die Verweildauer der Mate rialprobe 202 in der Schmelze beträgt dabei 24 h.

Im zweiten Schritt b) findet eine periodische Polung des Materials statt. Fig. 4 zeigt die Elektroden 406, die für den Schritt der periodischen Polung verwendete werden in einer schematischen Darstellung. Auf einer Seite der Materialprobe 202 befindet sich eine pe riodisch geformte Elektrode 407, welche nach bekannten Techniken gefertigt worden ist. An den Bereich der periodisch geformten Elektrode 407, die direkt auf dem Material auf- liegt, grenzt jeweils ein Bereich aus isolierendem Material 408. Durch Erzeugung eines gepulsten elektrischen Feldes, lassen sich die Domänen invertieren, was zu einer periodi- schen Polung führt. Der Aufbau für den dritten Schritt c) ist analog zum Schritt a) und ist in Fig. 3 schema tisch gezeigt. Im dritten Schritt c) findet eine Behandlung des Materials 202 in einer Salzschmelze 309c, die Rubidiumionen enthält, statt. Dies führt zu einem Ionenaustausch zwischen den Rubidiumionen in der Schmelze und den Kaliumionen im Material, wodurch sich der Brechungsindex ändert.

Fig. 5 zeigt den Effekt des dritten Schrittes c) auf die Materialprobe 202 in einer schema tischen Darstellung. Die Wellenleiter 201 werden nur in bestimmten Bereichen 510 des Materials 202 hergestellt. Hierzu kommt auf einer Seite der Materialprobe 202 eine strei fenförmig geformte Maske 505 zum Einsatz, welche nach bekannten Techniken gefertigt worden ist. Die Maske 505 sorgt dafür, dass nur ausgewählte streifenförmige Bereiche 510 des Materials 202 mit der Salzschmelze in Kontakt kommen. Die andere Seite wird vollständig von der Salzschmelze abgeschirmt. Nur in den Bereichen 510, die nicht von der Maske bedeckt sind, kommt es zum Ionenaustausch mit der Schmelze. Die Schmelze 309c, die Rubidiumionen enthält, besteht gemäß dem vorliegend beschrie benen bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung aus einer Mischung aus Rubidi umnitrat, Kaliumnitrat und Bariumnitrat und setzt sich wie folgt zusammen:

- der Stoffmengenanteil an Rubidiumnitrat (RbNCf) in der Schmelze liegt zu Be ginn der Behandlung bei 88 mol%,

- der Stoffmengenanteil an Kaliumnitrat (KNO3) in der Schmelze liegt zu Beginn der Behandlung bei 11 mol% und

- der Stoffmengenanteil an Bariumnitrat (BafNOA) in der Schmelze liegt zu Be ginn der Behandlung beil mol%. Die Temperatur der Schmelze liegt während der Be handlung dabei bei 360 °C. Insgesamt werden damit im Wesentlichen riffelfreie, perio- disch gepolte Wellenleiter 201 erzielt. Bezugszeichenliste

100 geriffelter, periodisch gepolter Wellenleiter

102 KTP Materialprobe

103 Bereiche der Polung

104 Diffusionstiefe

201 riffelfreier, periodisch gepolter Wellenleiter

202 KTP Materialprobe

203 Bereiche der Polung

204 Diffusionstiefe

309a Salzschmelze KNO ₃

309c Salzschmelze au seiner Mischung aus RbNCE, KNO ₃ und Ba(N0 ₃ ) ₂

406 Elektroden

407 periodisch geformte Elektrode

408 Bereich aus isolierendem Material

505 streifenförmig geformte Maske

510 streifenförmige Bereiche