DE3532811C2 - Optisches Dünnschichtelement - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft optische Dünnschichtelemente gemäß den Oberbegriffen der Patentansprüche 1, 8 bzw. 12.

Auf dem Gebiet der Anwendung optischer Dünnschichtelemente, d. h., optischer Elemente, bei denen eine Lichtwellenleiter-Dünnschicht verwendet wird, z. B. für einen Licht-Deflektor, Licht- Modulator, Spektralanalysator oder Licht-Schalter, wurden zahlreiche Forschungen durchgeführt. Bei einem solchen optischen Dünnschichtelement wird der Brechungsindex des Lichtwellenleiters durch einen äußeren Effekt wie z. B. einen akustisch-optischen oder einen elektro-optischen Effekt variiert, um das sich in dem Lichtwellenleiter fortpflanzende Licht zu modulieren oder abzulenken. Das Substrat für das optische Dünnschichtelement besteht oft aus Lithiumniobat- (LiNbO₃-)Kristall oder Lithiumtantalat- (LiTaO₃-)Kristall, der ausgezeichnete piezoelektrische, akustisch-optische und elektro-optische Effekte zeigt und einen niedrigen Lichtfortpflanzungsverlust hat. Ein typisches Verfahren zur Herstellung einer Lichtwellenleiter-Dünnschicht mit einem solchen Substrat-Kristall besteht darin, daß man Titan (Ti) bei hoher Temperatur in die Oberfläche des Substrat- Kristalls eindiffundiert, wodurch eine Lichtwellenleiterschicht mit einem Brechungsindex gebildet wird, der etwas höher als der des Substrats ist. Die so hergestellte Lichtwellenleiter- Dünnschicht erfährt jedoch eine optische Schädigung, so daß nur Licht mit sehr kleiner Energie eintreten kann. Die optische Schädigung zeigt sich darin, daß die Intensität des Lichts beim Austritt aus dem Lichtwellenleiter nach der Fortpflanzung in dem Lichtwellenleiter infolge Streuung nicht proportional zur Intensität des in den Lichtwellenleiter eintretenden Lichts ansteigt.

Zur Vermeidung dieser optischen Schädigung ist ein Ionenaustauschverfahren bekannt, bei dem man einen Substrat-Kristal, z. B. LiNbO₃ oder LiTaO₃, einer thermischen Tieftemperaturbehandlung in einem geschmolzenen Salz, wie z. B. Thalliumnitrat (TlNO₃), Silbernitrat (AgNO₃) oder Kaliumnitrat (KNO₃), oder in einer schwachen Säure, wie z. B. Benzoesäure (C₆H₅COOH), unterzieht, um das Lithiumion (Li⁺) in dem Substrat-Kristall gegen ein Ion, wie z. B. das Proton (H⁺) einer schwachen Säure auszutauschen und so einen Lichtwellenleiter mit einer großen Differenz im Brechungsindex (Δh: 0,12) zu erhalten. Der Schwellenwert der optischen Schädigung des nach einem solchen Ionenaustauschverfahren hergestellten Dünnschicht-Lichwellenleiters ist zigfach höher als der, den man durch Eindiffundieren von Titan erreicht, aber die Ionenaustauschbehandlung verschlechtert die dem LiNbO₃- oder LiTaO₃-Kristall eigene piezoelektrische Eigenschaft und seinen elektro-optischen Effekt und verringert so den Beugungswirkungsgrad bei Verwendung als Licht-Deflektor.

Bei der Herstellung eines Licht-Deflektors oder Licht- Modulators, bei dem der akustisch-optische oder elektro-optische Effekt angewandt wird, ist es wesentlich, den Wirkungsgrad dieses Effekts zu verbessern. Ein typisches Beispiel der Anwendung des akustisch- optischen Effekts besteht im Anlegen eines elektrischen Hochfrequenzfeldes zwischen Kammelektroden, die durch Photolithographie auf einem Lichtwellenleiter gebildet sind, wodurch auf dem Lichtwellenleiter eine elastische Oberflächenwelle induziert wird. Hierbei ist es schon bekannt, daß die Wechselwirkung zwischen der auf dem Lichtwellenleiter induzierten elastischen Oberflächenwelle und dem in dem Lichtwellenleiter geleiteten Licht größer wird, wenn die Energieverteilung des geleiteten Lichts in der Nähe der Substratoberfläche konzentriert ist (C. S. Tsai, IEEE Transactions on Circuits and Systems, Vol. Cas. -26, 12, 1979).

Andererseits erfolgt der Eintritt oder Austritt von Licht zwischen einem Halbleiter-Laser oder einer optischen Faser und einem solchen Lichtwellenleiter durch dessen Stirnfläche, so daß die Energieverteilung des geleiteten Lichts in Richtung der Dicke des Substrats verbreitert werden muß, entsprechend der Energieverteilung in der optischen Faser oder dgl., um den Wirkungsgrad des optischen Anschlusses zu verbessern.

Der DE-OS 34 40 390, einer älteren Anmeldung, läßt sich entnehmen, daß eine optimale Lichtmodulation nur vorliegt, wenn die Elektroden nicht auf dem Lichtwellenleiter angebracht sind.

Aus der GB-A 21 35 472 ist ein Lichtablenkelement mit einer Lichtwellenleiter-Dünnschicht, die durch thermisches Eindiffundieren von Titan in die Substratoberfläche gebildet wird, bekannt. Das Titan wird gleichmäßig über die gesamte Oberfläche eindiffundiert, so daß die Konzentration des Titans im Funktionsbereich der Elektrode und in den Endbereichen der Lichtwellenleiter- Dünnschicht gleich ist.

Aus der US-PS 43 87 343 ist ein Lichtmodulator bekannt, bei dem ein elektro-optischer Kristall aus z. B. Lithiumniobat verwendet wird und der Abstand der zum Herbeiführen des elektrooptischen Effekts dienenden Elektroden in Richtung der Lichtwellenleitung kontinuierlich verändert ist, um den für die Änderung der Modulation anwendbaren Temperaturbereich zu erweitern. Ferner können die Endbereiche der Lichtwellenleiterschicht eine erhöhte Dicke haben, wodurch die Intensität des elektrischen Feldes an den Endbereichen herabgesetzt wird, so daß der photoelektrische Wirkungsgrad des Lichtmodulators gegenüber Änderungen der Umgebungstempertur und der Wellenlänge des einfallenden Lichts stabilisiert wird. Die Elektroden sind über der gesamten Oberfläche der Kristallplatte vorgesehen, so daß die Ablenkung oder Modulation des Lichts über der gesamten Oberfläche erfolgt, und das Licht wird durch die gesamte Kristallplatte hindurchgelassen.

Aus "elektronikpraxis" Nr. 11 (1985), Seiten 7-10, und der DE-OS 26 26 516 ist bekannt, eine Lichtwellenleiterschicht durch thermisches Eindiffundieren von Metall in- oder externes Diffundieren von Lithiumoxid aus Substratschichten aus Lithiumniobat oder Lithiumtantalat zu bilden.

Aus der EP 01 12 732 ist eine Schaltvorrichtung bekannt, die ein Substrat mit wenigstens zwei Lichtwellenleitern, die gemeinsam auf einer Oberfläche des Substrats in einem bestimmten Abstand voneinander angeordnet sind, enthält, wobei der eine Lichtwellenleiter durch Eindiffundieren von Titan und der andere durch Austausch von Ionen wie z. B. Protonen in dem Substrat gebildet wird.

Aus Electronics Letters, 12. November 1981, Bd. 17, Nr. 23, S. 897-898, ist die Herstellung optischer Wellenleiter durch Implantieren von Heliumionen in Lithiumniobat-Substraten bekannt, wobei man für Laserlicht mit 632,8 nm Fortpflanzungsverluste unter 1 dB/cm erhält.

Aus IEEE Journal of Quantum Electronics, Bd. QE-18, Nr. 5, Mai 1982, Seiten 820-825, sind Kanalwellenleiter bekannt, die durch kombiniertes Eindiffundieren von Metall und Ionenimplantieren in Lithiumniobat-Substraten gebildet werden. Es kann zunächst in das Lithiumniobat-Substrat Titan eindiffundiert werden, worauf nach Auflegen einer Maske Heliumionen implantiert werden. Dadurch wird in den nicht maskierten Bereichen der Brechungsindex vermindert.

In Optics Communications, Bd. 42, Nr. 2, 15. Juni 1982, S. 101-103, sind Herstellung und Charakterisierung eines Lichtwellenleiters beschrieben, der durch Kombination des Eindiffundierens von Titan und des Protonenaustauschs in Lithiumniobat gebildet wird. Durch das zweistufige Verfahren soll das Brechungsindexprofil in dem Lichtwellenleiter auf gewünschte Weise verändert werden.

Konventionelle optische Dünnschichtelemente konnten nicht einen hohen Wirkungsgrad der Modulation oder Ablenkung und gleichzeitig einen hohen optischen Anschlußwirkungsgrad erreichen, weil die erforderliche Energieverteilung des geleiteten Lichts einerseits an den Endbereichen bzw. Anschlußstellen für den Lichteintritt/-austritt und andererseits in dem optischen Funktionsbereich für die Modulation oder Ablenkung des geleiteten Lichts verschieden ist. Zur Lösung dieses Problems wurde für den Fall der Bildung des Lichtwellenleiters durch Eindiffundieren von Titan ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem man die Konzentration der Titandiffusion zwschen den Endbereichen und dem optischen Funktionsbereich unterschiedlich gestaltet (M. Kondo, K. Komatsu & Y. Ohta, Society of Applied Physics 84, Frühjahrssymposium, Vorausdruck 31a-K-7; und selb., 7. Topical Meeting on Integrated and Guided-Wave Optics TuA5-4 (April 24-26, 1984)): Aus "7. Topical Meeting on Integrated and Guided wave Optics", TuA5-1ff., sind Lithiumniobat-Lichtwellenleiter bekannt, die durch Eindiffundieren von Titan gebildet werden und zwischen dem Funktionsbereich und den Endbereichen einen abgestuften Verlauf des Brechungsindex zeigen, was durch Eindiffundieren des Titans mit unterschiedlicher Tiefe erzielt wird. Die Tiefe des eindiffundierten Titans beträgt z. B. in den Endbereichen 61 nm und im Funktionsbereich 81 nm mit einer Abstufung von 10 nm/mm. Auf diese Weise werden Anpassungsverluste zwischen Endbereich und Funktionsbereich verringert. Ein wirksames Verfahren zur Vermeidung des vorstehend erwähnten Problems ist jedoch für den Fall unbekannt, daß der Lichtwellenleiter durch das Verfahren des Ionenaustausches oder der Ionenimplantation gebildet wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein optisches Dünnschichtelement bereitzustellen, das einen hohen Anschlußwirkungsgrad beim Eintritt und Austritt des geleiteten Lichts, einen hohen Wirkungsgrad der Modulation oder Ablenkung des Lichts sowie einen hohen Beugungswirkungsgrad zeigt und ein Eintreten von Licht mit hoher Strahlendichte in die Lichtwellenleiterschicht ohne wesentliche Reflexionsverluste ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch optische Dünnschichtelemente mit den in den kennzeichnenden Teilen der Patentansprüche 1, 8 bzw. 12 angegebenen Merkmalen gelöst.

Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht ener ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen Dünnschichtelements;

Fig. 2(a)-(f) sind schematische Querschnitte zur Erläuterung eines Beispiels des Verfahrens zur Herstellung der ersten Ausführungsform;

Fig. 3(a)-(f) sind schematische Querschnitte zur Erläuterung eines anderen Beispiels des Verfahrens;

Fig. 4 ist ein schematischer Querschnitt einer Vorrichtung zur Verwendung bei dem in Fig. 3 gezeigten Verfahren;

Fig. 5 und 6 sind perspektivische Ansichten einer zweiten bzw. dritten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 7 ist eine perspektivische Ansicht einer Maske, die bei dem Verfahren der in Fig. 6 gezeigten Ausführungsform angewandt wird;

Fig. 8 ist eine perspektivische Darstellung einer vierten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 9(a)-(g) sind schematische Querschnitte zur Erläuterung eines Beispiels des Verfahrens zur Herstellung der vierten Ausführungsform;

Fig. 10 ist eine perspektivische Darstellung einer fünften Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 11(a)-(f) sind schematische Querschnitte zur Erläuterung eines Beispiels des Verfahrens zur Herstellung der fünften Ausführungsform;

Fig. 12 ist eine perspektivische Darstellung einer sechsten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 13(a)-(f) sind schematische Querschnitte zur Erläuterung eines Beispiels des Verfahrens zur Herstellung der sechsten Ausführungsform;

Fig. 14 bis 16 sind perspektivische Darstellungen einer siebten bis neunten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 17 ist eine perspektivische Darstellung einer zehnten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 18(a)-(g) sind schematische Querschnitte zur Erläuterung eines Beispiels des Verfahrens zur Herstellung der zehnten Ausführungsform;

Fig. 19(a)-(g) sind schematische Querschnitte zur Erläuterung eines anderen Beispiels des Verfahrens zur Herstellung der zehnten Ausführungsform;

Fig. 20 bis 23 sind perspektivische Darstellungen einer elften bis vierzehnten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 24(a)-(h) sind schematische Querschnitte zur Erläuterung eines Beispiels des Verfahrens zur Herstellung der vierzehnten Ausführungsform;

Fig. 25 bis 28 sind perspektivische Darstellungen einer fünfzehnten bis achtzehnten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 29(a)-(g) sind schematische Querschnitte zur Erläuterung eines Beispiels des Verfahrens zur Herstellung der achtzehnten Ausführungsform;

Fig. 30 bis 33 sind perspektivische Darstellungen einer neunzehnten bis zweiundzwanzigsten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 34(a)-(h) sind schematische Querschnitte zur Erläuterung eines Beispiels des Verfahrens zur Herstellung der zweiunzwanzigsten Ausführungsform; und

Fig. 35 bis 37 sind perspektivische Darstellungen einer dreiundzwanzigsten bis fünfundzwanzigsten Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 1 ist eine perspektivische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Dünnschichtelements, bei dem ein akustisch-optischer Effekt angewandt wird. Fig. 1 zeigt ein Substrat 1 aus LiNbO₃-Kristall des x- oder y-Typs, eine durch Protonenaustausch gebildete Lichtwellenleiterschicht 2, polierte Stirnflächen 3, 4 der Lichtwellenleiterschicht, zylindrische Linsen 5, 6 und Kammelektroden 7.

Ein paralleler Lichtstrahl 8 mit einer Wellenlänge von 632,8 nm aus einem He-Ne-Laser wird durch die zylindrische Linse 5 in Richtung der Dicke der Lichtwellenleiterschicht auf deren Stirnfläche 3 fokussiert und so an die Lichtwellenleiterschicht angekoppelt. Das von dieser Stirnfläche abgeleitete Licht wird durch eine durch Anlegen einer Hochfrequenzspannung an die Kammelektroden 7 erzeugte elastische Oberflächenwelle 10 gebeugt, und das gebeugte Licht tritt aus der Stirnfläche 4 der Lichtwellenleiterschicht aus und wird durch die zylindrische Linse 6 in einen Parallelstrahl umgewandelt. Es wird ein zusammengesetzter Wirkungsgrad von 80% erreicht, da die in Fokussierungsrichtung gemessene Breite des fokussierten Strahls auf der Stirnfläche 3 der Lichtwellenleiterschicht etwa gleich der Breite des geleiteten Lichts ist.

In der Lichtwellenleiterschicht 2 nimmt die Tiefe der eindiffundierten Protonen in Richtung der Dicke des Substrats von den Endbereichen in der Nähe der Stirnflächen 3, 4 zu dem Funktionsbereich hin, in dem die Wechselwirkung zwischen der elastischen Oberflächenwelle 10 und dem geleiteten Licht 9 eintritt, allmählich, wie in Fig. 1 gezeigt, ab, so daß das geleitete Licht in dem Funktionsbereich in der Nähe der Substratoberfläche konzentriert wird, um so einen hohen Beugungseffekt zu erzielen.

Fig. 2(a)-(f) sind schematische Querschnitte zur Erläuterung des Verfahrens zur Herstellung eines optischen Dünnschichtelements, wie es in Fig. 1 gezeigt ist.

Zunächst wird eine x- oder y-Oberfläche eines LiNbO₃- Substrats 1 des x- oder y-Typs bis zur Erzielung einer Ebenheit von einigen Newton-Ringen oder weniger poliert, dann einer normalen Ultraschallwäsche mit Aceton und dann mit gereinigtem Wasser unterzogen und durch Blasen mit Stickstoffgas getrocknet. Anschließend wird eine Titanschicht mit in einer Dicke von 20 nm durch Elektronenstrahlbedampfung auf der Oberfläche abgeschieden und 2,5 h lang bei 965°C in einer Sauerstoffatmosphäre in das Substrat thermisch eindiffundiert, um eine Ti-Diffusionsschicht 11 zu bilden, wie in Fig. 2(b) gezeigt ist. Andere Metalle, wie V, Ni, Au, Ag, Co, Nb oder Ge können ebenfalls in das Substrat thermisch eindiffundiert werden.

Dann wird - wie in Fig. 2(c) gezeigt eine Chromschicht 12 als Maske für die Protonenaustauschbehandlung in dem Funktionsbereich aufgedampft, in dem die Wechselwirkung zwischen der elastischen Oberflächenwelle und dem geleiteten Licht eintritt. Das die Maske tragende LiNbO₃-Substrat wird in einen Aluminiumoxid-Tiegel eingebracht, der Benzoesäure mit einer zugesetzten Menge von 2 Mol-% Lithiumbenzoat enthält. Der Tiegel wird für die Protonenaustauschbehandlung 5 h lang in einem Ofen bei 250°C gehalten, so daß sich in dem nicht durch die Maske abgedeckten Teil der Ti-Diffusionsschicht 11 eine Protonenaustauschschicht 13 bildet, wie in Fig. 2(c) gezeigt ist. Zur Bildung der Protonenaustauschschicht kann das Gemisch aus Benzoesäure und Lithiumbenzoat durch ein anderes Gemisch aus einer Carbonsäure mit einer Dissoziationskonstante von 10^-6 bis 10^-3 und ihrem Lithiumsalz ersetzt werden, z. B. durch ein Gemisch aus Palmitinsäure [CH₃(CH₂)₁₄COOH] und Lithiumpalmitat [CH₃(CH₂)₁₄COOLi] oder ein Gemisch aus Stearinsäure [CH₃(CH₂)₁₆COOH] und Lithiumstearat [CH₃(CH₂)₁₆COOLi]. Es wurden verschiedene Proben durch Änderung des Molverhältnisses der Lithium enthaltenden Substanz in dem Bereich von 1% bis 10% hergestellt. Das Substrat wird dann einer Ultraschallwäsche mit Ethanol unterzogen, durch Blasen mit Stickstoff getrocknet, und die Maske wird durch Ätzen entfernt.

Nach der vorstehend erläuterten Protonenaustauschbehandlung wird das Substrat 1 h lang bei 150°C mit Benzoesäure, der eine Menge von 1 Mol-% Lithiumbenzoat zugesetzt war, einer anderen Protonenaustauschbehandlung unterzogen, um eine Protonenaustauschschicht 14 zu bilden, wie in Fig. 2(d) gezeigt ist. Auch bei dieser Protonenaustauschbehandlung kann ein Gemisch aus Palmitinsäure und Lithiumpalmitat oder ein Gemisch aus Stearinsäure und Lithiumstearat eingesetzt werden. Nach diesem Protonenaustausch wird das Substrat erneut einer Ultraschallwäsche mit Ethanol unterzogen und durch Blasen mit Stickstoff getrocknet.

Nach den zwei Protonenaustauschbehandlungen wird der Substrat- Kristall in einem Ofen 4 h lang bei 350°C in einer feuchten Sauerstoffatmosphäre mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 1,0 Liter/min getempert. Die feuchte Sauerstoffatmosphäre wurde durch Durchleiten von Sauerstoff durch erwärmtes Wasser erzeugt. Auf diese Weise erhielt man eine Lichtwellenleiterschicht 2, bei der die Tiefe der eindiffundierten Protonen im Funktionsbereich kleiner und zu den Stirnflächen 20, 21 des Substrats hin größer ist. Die Protonenverteilung an den Grenzen 18, 19 des Funktionsbereichs zeigt infolge der Temperungsbehandlung eine allmähliche Änderung, und ein niedriger Fortpflanzungsverlust in diesem Teil wurde experimentell bestätigt.

Die Temperungsbedingung kann von den vorstehend angegebenen Werten abweichen, sollte aber vorzugsweise so ausgewählt werden, daß das Absorptionsmaximum des OH-Radikals in dem Funktionsbereich 3480 bis 3503 cm^-1 beträgt.

Schließlich werden auf der Lichtwellenleiterschicht 2 durch ein gewöhnliches photolithographisches Verfahren Kammelektroden 7 gebildet, wie in Fig. 2(f) dargestellt ist.

Bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform wird die Lichtwellenleiterschicht durch Eindiffundieren von Titan und thermisches Eindiffundieren von Protonen gebildet, aber das Eindiffundieren von Ti ist nicht unbedingt erforderlich. Stattdessen kann die Lichtwellenleiterschicht durch Injektion (Implantation) oder thermisches Eindiffundieren von Protonen alleine oder durch externes Diffundieren von Li₂O in Kombination mit der Injektion (Implantation) oder dem thermischen Eindiffundieren von Protonen gebildet werden.

Im folgenden wird ein anderes Verfahren zur Herstellung eines optischen Dünnschichtelements als bei der vorstehenden ersten Ausführungsform erläutert.

Zuerst wird einer Ti-Schicht - wie in Fig. 3(a) gezeigt - durch Bedampfung auf der x- oder y-Oberfläche eines LiNbO₃-Subtrats 1 des x- oder y-Typs abgeschieden und in einer Sauerstoffatmosphäre thermisch eindiffundiert, so daß eine Ti-Diffusionsschicht 11 gebildet wird, wie in Fig. 3(b) gezeigt ist.

Das Substrat wird anschließend an das Eindiffundieren von Ti einem Protonenaustausch in einer Benzoesäure und Lithiumbenzoat enthaltenden Lösung unterzogen, um eine Protonenaustauschschicht 15 zu bilden, wie in Fig. 3(c) gezeigt ist. Dann wird - wie in Fig. 3(d) gezeigt - eine Goldschicht 16 auf die Fläche der Wechselwirkung zwischen der elastischen Oberflächenwelle und dem geleiteten Licht aufgedampft, und eine weitere Goldschicht 17 wird auf die rückseitige Oberfläche des Substrats aufgedampft. Das Substrat wird dann in einem Ofen bei 350°C in einer durch Durchleiten von Sauerstoff durch erwärmtes Wasser gebildeten, feuchten Sauerstoffatmosphäre bei einer Strömungsgeschwindigkeit von 0,5 Liter/min und bei einem von einer Spannungsquelle 18 an die Goldschichten 16, 17 angelegten elektrischen Feld mit einer solchen Polarität, daß das thermische Eindiffundieren der Protonen in das Substrat unterdrückt wird, getempert.

Auf diese Weise wird eine Lichtwellenleiterschicht 2, wie in Fig. 3(e) gezeigt, gebildet, da das Eindiffundieren von Protonen in den Endbereichen in der Nachbarschaft der Stirnflächen der Lichtwellenleiterschicht begünstigt wird, jedoch in dem vorstehend erwähnten Bereich, in dem das Eindiffundieren von Protonen durch das elektrische Feld unterdrückt wird, flacher ist.

Schließlich werden die Kammelektroden 7 mit einer zentralen Frequenz von 400 MHz durch ein gewöhnliches photolithographisches Verfahren gebildet, wie in Fig. 3(f) gezeigt ist.

Bei dem vorstehend beschriebenen Verfahren wird das elektrische Feld während der Temperatur an das Substrat angelegt; dies kann aber auch erfolgen während des Protonenaustausches in einer in Fig. 4 gezeigten Vorrichtung oder vor dem Protonenaustausch. In Fig. 4 sind die Elektroden 25, 26, ein Lösungsgemisch 27 aus Benzoesäure und Lithiumbenzoat und Einspanneinrichtungen 28, 29 für die Festlegung des Substrats gezeigt, und der Protonenaustausch kann bei einer Spannung an den Elektroden 25, 26 in einer kürzeren Zeit durchgeführt werden.

Bei dem vorstehend beschriebenen Verfahren erfolgt der Protonenaustausch durch thermisches Eindiffundieren in Gegenwart eines an das Substrat angelegten elektrischen Feldes, so daß die Tiefe der eindiffundierten Protonen durch Einstellung der angelegten Spannung leicht gesteuert werden kann.

Fig. 5 ist eine schematische Ansicht einer zweiten Ausführungsform, in der das optische Dünnschichtelement der Fig. 1 unter Anwendung eines elektrooptischen Effekts als Licht-Deflektor dient. In der Ansicht sind die gleichen Bestandteile wie in Fig. 1 mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet und nicht weiter erläutert.

Ein Laserstrahl 8 wird durch eine zylindrische Linse 5 in Richtung der Dicke der Lichtwellenleiterschicht 2 auf die polierte Stirnfläche 3 der Lichtwellenleiterschicht fokussiert und so an die Lichtwellenleiterschicht angekoppelt. Das von dieser Stirnfläche fortgeleitete Licht 9 wird durch ein Phasengitter gebeugt, das durch eine an die Kammelektroden 37 mit elektrooptischem Effekt angelegte Spannung erzeugt wird. Das Licht tritt dann aus der anderen Stirnfläche 4 der Lichtwellenleiterschicht aus und wird durch eine zylindrische Linse 6 in einen Parallelstrahl umgewandelt. Die bei dieser Ausführungsform verwendeten Kammelektroden haben 350 Elektrodenpaare mit einer Breite und einem Abstand von 2,2 µm und einer Überlappungsbreite von 3,8 mm. Durch Anlegen einer Spannung von 5 V zwischen den Kammelektroden erhält man einen Beugungswirkungsgrad von 90%.

Fig. 6 ist eine perspektivische Darstellung einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen Dünnschichtelements, in der die gleichen Bestandteile wie in Fig. 1 mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet sind und nachfolgend nicht im einzelnen erläutert sind. Anders als bei der ersten Ausführungsform wird die Lichtwellenleiterschicht 32 durch Implantation von Heliumzonen (He⁺) gebildet. Wie bei dem Protonenaustausch erhöht die Implantation von Heliumionen den Brechungsindex und bildet so eine Lichtwellenleiterschicht.

Nun wird unter Bezugnahme auf Fig. 7 ein Verfahren zur Herstellung des optischen Dünnschichtelements der dritten Ausführungsform erläutert.

Zuerst wird auf einem Substrat 1 aus LiNbO₃-Kristall des x- oder y-Typs eine Zinkoxidschicht 33 mit einer Dicke von 0,5 µm durch Hochfrequenzzerstäubung gebildet und durch ein normales photolithographisches Verfahren und chemische Ätzung auf der Fläche 34 entfernt, auf der eine Wechselwirkung zwischen der elastischen Oberflächenwelle und dem geleiteten Licht erfolgt. Eine Resistschicht 35 mit einer Dicke von etwa 1,3 µm wird auf der Zinkoxidschicht 33 gebildet und über die Breite 36 durch ein photolithographisches Verfahren entfernt. Infolgedessen ist die Verbundmaske aus den Schichten 33, 35 auf der Fläche 34 nicht vorhanden, auf der Fläche der Breite 36 als einzelne Schicht vorhanden und auf der Außenfläche als Doppelschicht vorhanden.

Die Implantation von Heliumionen durch diese Verbundmaske erlaubt die Bildung einer Lichtwellenleiterschicht 32 mit unterschiedlichen Tiefen der implantierten Heliumionen in den Endbereichen und in dem Funktionsbereich entsprechend der Darstellung in Fig. 6 auf Grund der unterschiedlichen Maskendicken in den verschiedenen Bereichen. Die Implantation von Heliumionen erfolgt mit einer Beschleunigungsenergie von 200 keV.

Bei dieser Ausführungsform ist die Tiefe der implantierten Heliumionen in den Endbereichen kleiner als in dem Funktionsbereich, aber die Wanderung des Licht aus der Lichtwellenleiterschicht ist verhältnismäßig groß, weil die durch Implantation von Heliumionen erhaltene Brechungsindexdifferenz kleiner als bei dem Protonenaustausch ist, so daß die tatsächliche Energieverteilung des geleiteten Lichts in den Endbereichen stärker als in dem Funktionsbereich in das Substrat gestreut wird. Infolgedessen ist es auch bei dieser Ausführungsform ebenso wie bei der ersten Ausführungsform möglich, einen hohen Anschlußwirkungsgrad in den Endbereichen gleichzeitig mit einem hohen Beugungswirkungsgrad in dem Funktionsbereich zu erreichen.

Das LiNbO₃-Substrat der vorhergehenden Ausführungsformen kann durch ein Lithiumtantalat-Substrat (LiTaO₃) ersetzt werden, wobei man das erfindungsgemäße optische Dünnschichtelement durch ein identisches Verfahren erhalten kann.

Die Erfindung ist nicht auf die vorstehenden Ausführungsformen beschränkt, sondern kann in verschiedener Weise verändert werden. Beispielsweise kann die Lichtwellenleiterschicht in Form von Kanälen ausgebildet sein, von denen jeder in den Funktionsbereich geschaltet werden kann. Die Modulation oder Ablenkung des Lichts kann nicht nur durch den akustisch-optischen oder elektro- optischen Effekt erreicht werden, sondern auch durch Beugung mit einer durch einen magneto-optischen Effekt verursachten magnetostatischen Oberflächenwelle oder durch einen thermo-optischen Effekt.

Die vorstehend erläuterte Herstellung der Lichtwellenleiterschicht durch Protonenaustausch oder He⁺-Implantation kann - wie schon zum Stand der Technik erläutert ist - eine Verschlechterung der piezoelektrischen und elektro-optischen Eigenschaften des Kristalls verursachen, was zum Abfall des Beugungswirkungsgrads des geleiteten Lichts führt. In diesem Fall kann der Verlust des Beugungswirkungsgrads dadurch verhindert werden, daß man Protonenaustausch oder He⁺-Implantation auf einer bestimmten Fläche des Substrats vermeidet und die Kammelektroden auf dieser Fläche anordnet. Eine solche Ausführungsform wird nachfolgend erläutert.

Fig. 8 ist eine perspektivische Darstellung einer vierten Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen Dünnschichtelements, bei dem ein akustisch-optischer Effekt angewandt wird. Fig. 8 zeigt ein LiNbO₃-Substrat 1 des x- oder y-Typs, eine durch Protonenaustausch gebildete Lichtwellenleiterschicht 2, polierte Stirnflächen 3, 4 der Lichtwellenleiterschicht, zylindrische Linsen 5, 6, Kammelektroden 7, 50 sowie Titandiffusionsflächen 51, 52 ohne Protonenaustausch.

Ein Parallelstrahl 8 mit einer Wellenlänge von 632,8 nm aus einem He-Ne-Laser wird mit der Lichtwellenleiterschicht in der Weise vereinigt, daß man den Strahl durch die zylindrische Linse 5 in der Richtung der Dicke der Lichtwellenleiterschicht auf die polierte Stirnfläche 3 der Lichtwellenleiterschicht fokussiert. Das von der Stirnfläche fortgeleitete Licht 9 wird durch die elastische Oberflächenwelle 10 gebeugt, die durch ein an die Kammelektroden 7 angelegtes Hochfrequenzfeld erzeugt wird. Das gebeugte Licht tritt aus der Stirnfläche 4 aus und wird durch die Zylinderlinse 6 in einen Parallelstrahl umgewandelt. Man erreicht einen hohen Anschlußwirkungsgrad von 80%, da die Breite des fokussierten Strahls in Fokussierrichtung auf der Stirnfläche 3 etwa der Breite des geleiteten Lichts entspricht. Die Kammelektroden 50 dienen zum Empfang der durch die Kammelektroden 7 erzeugten elastischen Oberflächenwelle.

Die Tiefe der eindiffundierten Protonen in der Lichtwellenleiterschicht 2 nimmt von den Endbereichen in der Nähe der Stirnflächen 3, 4 zu dem Funktionsbereich hin, in dem die Wechselwirkung zwischen der elastischen Oberflächenwelle 10 und dem geleiteten Licht 9 eintritt, fortschreitend ab, so daß das geleitete Licht zur Erreichung eines hohen Beugungswirkungsgrads in dem Funktionsbereich in der Nähe der Substratoberfläche konzentriert wird.

Die Kammelektroden 7, 50 werden auf der Titan- Diffusionsschicht der Flächen 51, 52 ohne Protonenaustausch gebildet, so daß eine Verschlechterung der piezoelektrischen Eigenschaft infolge Protonenaustausches nicht eintritt. Infolgedessen ist es möglich, durch Erzeugung der elastischen Oberflächenwelle durch eine niedrige Spannung eine Lichtmodulation oder -ablenkung mit hohem Wirkungsgrad zu erreichen.

Fig. 9(a)-(g) sind schematische Querschnitte, die zur Erläuterung eines Verfahrens zur Herstellung des in Fig. 8 gezeigten optischen Dünnschichtelements dienen.

Zuerst wird - wie in Fig. 9(a) gezeigt ist - eine y- oder x-Oberfläche eines LiNbO₃-Substrats 1 des y- oder x-Typs bis zur Erzielung einer Ebenheit von einigen Newton-Ringen oder weniger poliert, dann einer gewöhnlichen Ultraschallwäsche mit Aceton und dann mit gereinigtem Wasser unterzogen und durch Blasen mit Stickstoffgas getrocknet. Anschließend wird auf der Oberfläche durch Elektronenstrahlbedampfung eine Titanschicht mit einer Dicke von 20 nm abgeschieden und 2 h lang bei 965°C in einer Sauerstoffatmosphäre in das Substrat thermisch eindiffundiert, um eine Ti-Diffusionsschicht 11 zu bilden, wie in Fig. 9(b) gezeigt ist.

Dann wird - wie in Fig. 9(c) gezeigt - eine Chromschicht 12 als Maske für die Protonenaustauschbehandlung auf den Funktionsbereich aufgedampft, in dem die Wechselwirkung zwischen der elastischen Oberflächenwelle und dem geleiteten Licht erfolgt. Das die Maske tragende LiNbO₃-Substrat wird dann in einen Aluminiumoxid-Tiegel eingebracht, der Benzoesäure mit einem Zusatz von 2 Mol-% Lithiumbenzoat enthält. Der Tiegel wird zur Durchführung der Protonenaustauschbehandlung 5 h lang in einem Ofen bei 250°C gehalten, so daß sich eine Protonenaustauschschicht 53 auf dem nicht von der Maske abgedeckten Teil der Ti-Diffusionsschicht 11 bildete, wie in Fig. 9(c) gezeigt ist. Das Substrat wurde dann einer Ultraschallwäsche mit Ethanol unterzogen und durch Blasen mit Stickstoff getrocknet; die Maske wurde durch Ätzen entfernt.

Dann wurde auf den Flächen, auf denen die Elektroden gebildet werden sollten, eine Chromschicht 55 abgeschieden, wie in Fig. 9(d) dargestellt ist, und das Substrat wurde 1 h lang bei 250°C einer Protonenaustauschbehandlung mit Benzoesäure unterzogen, der 1 Mol.-% Lithiumbenzoat zugesetzt war, um eine Protonenaustauschschicht 54 zu bilden. Dann wurde das Substrat erneut einer Ultraschallwäsche mit Ethanol unterzogen und durch Blasen mit Stickstoffgas getrocknet. Die Chromschicht 55 wurde durch Ätzen entfernt.

Das Substrat wurde nach dem zweifachen Protonenaustausch 4 h lang in einem Ofen bei 350°C in einer feuchten Sauerstoffatmosphäre, die durch Hindurchleiten von Sauerstoff durch erwärmtes Wasser gebildet wurde, bei einer Strömungsgeschwindigkeit von 1,0 Liter/min getempert, wodurch eine Lichtwellenleiterschicht 2 gebildet wurde, bei der die Tiefe der eindiffundierten Protonen im Funktionsbereich kleiner ist und zu den Stirnflächen des Substrats hin fortschreitend größer wird, wie in Fig. 9(e) gezeigt ist. Die Protonenverteilung an den Grenzen 58, 59 des Funktionsbereichs zeigt infolge der Temperung eine allmähliche Änderung, und der geringe Fortpflanzungsverlust in diesem Teil wurde experimentell bestätigt.

Die Titandiffusionsschicht 11 bleibt in den Flächen, auf denen die Elektroden zu bilden sind, ohne Protonenaustausch, da diese Flächen auch bei dem zweiten Protonenaustausch durch die Maske abgedeckt sind.

Schließlich werden die Kammelektroden 7 auf der Titandiffusionsschicht 11 durch ein gewöhnliches photolithographisches Verfahren gebildet, wie in Fig. 9(g) gezeigt ist.

Fig. 10 ist eine schematische Ansicht einer fünften Ausführungsform, in der das optische Dünnschichtelement der Fig. 8 unter Anwendung eines elektro-optischen Effekts als Licht-Deflektor dient. In der Ansicht sind die gleichen Bestandteile wie in Fig. 8 mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet und nicht weiter erläutert.

Ein Laser-Strahl 8 wird durch eine zylindrische Linse 5 in Richtung der Dicke der Lichtwellenleiterschicht 2 auf die polierte Stirnfläche 3 der Lichtwellenleiterschicht fokussiert und so an die Lichtwellenleiterschicht angekoppellt. Das von dieser Stirnfläche fortgeleitete Licht 9 wird durch ein Phasengitter gebeugt, das durch eine an die Kammelektroden 57 mit elektrooptischem Effekt angelegte Spannung erzeugt wird. Das Licht tritt dann aus der anderen Stirnfläche 4 der Lichtwellenleiterschicht aus und wird durch die zylindrische Linse 6 in einen Parallelstrahl umgewandelt.

Wenngleich nicht dargestellt, ist die Fläche der Kammelektroden 57 frei von Protonenaustausch.

An Hand der Fig. 11 wird nun das Verfahren zur Herstellung des in Fig. 10 gezeigten optischen Dünnschichtelements erläutert. Zuerst wird - wie in Fig. 11(a) gezeigt - ein Substrat 1 aus LiNbO₃-Kristall des x-Typs (Dimension: 1 mm in x-Richtung und 25,4 mm in y- und z-Richtung) bis zur Erzielung einer Ebenheit von einigen Newton-Ringen oder weniger auf einer Oberfläche, z. B. der x-Oberfläche, poliert, dann einer normalen Ultraschallwände mit Methanol, Aceton und gereinigtem Wasser unterzogen und durch Blasen mit Stickstoffgas getrocknet.

Anschließend wird auf der getrockneten Oberfläche durch Elektronenstrahlbedampfung eine Titanschicht mit einer Dicke von 20 nm abgeschieden, und das auf einen Halter aus Quarzglas aufgesetzte Substrat wird in einen Thermodiffusionsofen mit einer Temperatur von 965°C eingebracht. Als Atmosphäre wird in den Ofen getrocknetes Sauerstoffgas mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 1 Liter/min eingeführt. Die Ofentemperatur wird während einer Stunde mit einer Geschwindigkeit von 16°C/min von Raumtemperatur auf 965°C erhöht und dann 2,5 h lang auf dem konstanten Wert von 965°C gehalten. Der Inhalt des Ofens wird dann in einen zweiten Thermodiffusionsofen mit 600°C gebracht und durch Abschaltung der Stromversorgung des Ofens selbsttätig abkühlen gelassen. Auf diese Weise wird auf dem Substrat 1 eine Titan-Thermodiffusionsschicht 11 gebildet, wie in Fig. 11(b) gezeigt ist.

Nach Waschen und Trocknen des Substrats wird mit einer Schleudervorrichtung ein positiver Photoresist in mit einer Dicke von 1 bis 1,5 µm als Schicht aufgebracht, dann durch eine Negativmaske in den Mustern der Kammelektroden belichtet und zur Entfernung des Photoresists entsprechend den Mustern entwickelt. Nach dem Waschen mit Wasser und Trocknen wird das Substrat in eine Vakuumbedampfungsvorrichtung eingebracht, und es wird bei einem Vakuum von 0,13 mPa eine Goldschicht mit einer Dicke von 150 nm durch Elektronenstrahlbedampfung abgeschieden. Nach der Elektronenstrahlbedampfung wird das Substrat zum Abheben der Goldschicht auf dem Photoresist mehrere Minuten lang in Aceton eingetaucht, wobei man die Kammelektroden 64 auf dem Substrat erhält, wie in Fig. 11(c) gezeigt ist. Die Kammelektroden haben bei dieser Ausführungsform 350 Elektrodenpaare mit einer Breite und einem Abstand von 2,2 µm und einer Verzahnungsbreite von 3,8 mm.

Dann wird - wie in Fig. 11(d) gezeigt - als Maske für die Protonenaustauschbehandlung eine die Kammelektroden 64 abdeckender Chromschicht 62 aufgedampft. Das diese Maske tragende LiNbO₃-Substrat wird dann in einen Aluminiumoxid-Tegel eingebracht, der Benzoesäure mit einem Zusatz von 2 Mol-% Lithiumbenzoat enthält. Der Tiegel wird zur Durchführung der Protonenaustauschbehandlung 5 h lang in einem Ofen bei 250°C gehalten, so daß sich in dem nicht durch die Maske abgedeckten Teil der Ti-Diffusionsschicht 11 eine Protonaustauschschicht 63 bildet, wie in Fig. 11(d) dargestellt ist. Das Substrat wird dann einer Ultraschallwäsche mit Ethanol unterzogen und durch Blasen mit Stickstoffgas getrocknet. Die Maske wird durch Ätzen mit einer Chrom-Ätzlösung entfernt.

Das die Gold-Kammelektroden nach dem Protonenaustausch tragende Substrat wird dann 1 h lang bei 250°C einem anderen Protonenaustausch mit Benzoesäure unterzogen, der 1 Mol-% Lithiumbenzoat zugesetzt ist, um - wie in Fig. 11(e) gezeigt - auf der nicht mit der Kammelektrode 64 bedeckten Fläche einen Protonenaustauschschicht 61 zu bilden. Dann wird das Substrat erneut einer Ultraschallwäsche mit Ethanol unterzogen und durch Blasen mit Stickstoffgas getrocknet.

Schließlich wird das Substrat nach den zwei Protonenaustauschbehandlungen 4 h lang in einem Ofen bei 350°C in einer feuchten Sauerstoffatmosphäre bei einer Strömungsgeschwindigkeit von 1,0 Liter/min getempert, wobei die Sauerstoffatmosphäre durch Hindurchleiten von Sauerstoff durch erwärmtes Wasser gebildet wird.

Es wird so das optische Dünnschichtelement der fünften Ausführungsform gebildet, bei dem - wie in Fig. 11(f) gezeigt - die Tiefe der thermisch eindiffundierten Protonen in den Endbereichen von der im Funktionsbereich verschieden ist und bei dem die Fläche der Kammelektroden frei von Protonenaustausch ist.

Beim Anlegen einer niedrigen Spannung von 5 V an die Kammelektroden erreicht man einen Beugungswirkungsgrad von 90%. Der Anschlußwirkungsgrad an den Stirnflächen der Lichtwellenleiterschicht ist so hoch wie bei der vierten Ausführungsform und beträgt 80%.

Die Lichtwellenleiterschicht der vorstehend beschriebenen Ausführungsform wird durch Eindiffundieren von Titan und thermisches Eindiffundieren von Protonen gebildet. Das Eindiffundieren von Titan ist jedoch nicht unbedingt erforderlich, und die Lichtwellenleiterschicht kann auch durch Injektion (Implantation) thermisches Eindiffundieren von Protonen alleine oder aber durch externes Diffundieren von Lithiumoxid in Verbindung mit der Injektion (Implantation) oder dem thermischen Eindiffundieren von Protonen gebildet werden. Es ist ferner möglich, wie nachfolgend erläutert wird, ein weiteres wirksames optisches Dünnschichtelement dadurch herzustellen, daß man die Konzentration eines eindiffundierten Metalls, z. B. des Titans, zwischen den Endbereichen und dem Funktionsbereich variiert.

Fig. 12 ist eine perspektivische Darstellung einer sechsten Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen Dünnschichtelements, in der die gleichen Bestandteile wie in Fig. 1 mit der gleichen Bezugszahl bezeichnet sind und nicht weiter im einzelnen erläutert werden. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform dadurch, daß sie eine Fläche 66 mit hoher Ti-Konzentration hat, wodurch die Titankonzentration in dem Funktionsbereich höher als in den Endbereichen ist. Bei dieser Ausführungsform ist wie bei der ersten Ausführungsform ein hoher Anschlußwirkungsgrad von 80% in den Endbereichen erreichbar. Wegen der fortschreitend geringeren Tiefe der eindiffundierten Protonen in dem Funktionsbereich für die Wechselwirkung zwischen der elastischen Oberflächenwelle und dem geleiteten Licht 9 und wegen der höheren Titankonzentration in dem Funktionsbereich ist das in dem Funktionsbereich geleitete Licht in der Nähe der Substratoberfläche konzentriert, so daß ein hoher Beugungswirkungsgrad erreicht wird.

Fig. 13(a)-(f) sind schematische Querschnitte, die zur Erläuterung eines Verfahrens zur Herstellung des in Fig. 12 gezeigten optischen Dünnschichtelements dienen.

Zuerst wird - wie in Fig. 13(a) gezeigt - eine y- oder x-Oberfläche eines Substrats 1 aus LiNbO₃-Kristall des y- oder x- Typs bis zur Erzielung einer Ebenheit von einigen Newton-Ringen oder weniger poliert, dann einer gewöhnlichen Ultraschallwäsche mit Aceton und dann mit gereinigtem Wasser unterzogen und durch Blasen mit Stickstoffgas getrocknet. Dann wird auf der Oberfläche durch Elektronenstrahlbedampfung eine Titanschicht 74 mit einer Dicke von 10 nm abgeschieden, wie in Fig. 13(b) gezeigt ist. Das Substrat wird anschließend mit einer Maske 72 abgedeckt, die nur im Funktionsbereich eine Öffnung hat, wie in Fig. 13(c) dargestellt ist. Das Substrat wird dann wieder mit einer Titanschicht bedampft, um eine Titan-Plattform 73 mit einer zentralen Dicke von 50 nm zu bilden.

Das Substrat wird dann 6 h lang bei 965°C in einer Sauerstoffatmosphäre einer Thermodiffusionsbehandlung unterzogen, um - wie in Fig. 13(d) gezeigt, eine Titan-Thermodiffusionsschicht 67 mit einem Bereich 66 mit höherer Titankonzentration zu bilden, in dem später der Funktionsbereich zu bilden ist. Ein anderes Metall wie V, Ni, Au, Co, Nb oder Ge kann anstelle von Titan ebenfalls thermisch eindiffundiert werden.

Das LiNbO₃-Substrat mit der in Fig. 13(d) gezeigten Titan-Thermodiffusionsschicht 67 wird dann in einen Aluminiumoxid-Tiegel eingebracht, der Benzoesäure mit einer zugesetzten Menge von 1 Mol-% Lithiumbenzoat enthält. Das Substrat wird 3 h lang in einem Ofen bei 250°C einer Protonenaustauschbehandlung unterzogen, um in der Titan-Thermodiffusionsschicht 67 eine Protonenaustauschschicht 70 zu bilden, wie in Fig. 13(e) gezeigt ist. In dem Bereich 66 mit hoher Ti-Konzentration ist die Tiefe der Protonenaustauschschicht geringer als in den Endbereichen der Lichtwellenleiterschicht, wie aus Fig. 13(e) ersichtlich, weil der Protonenaustausch durch die höhere Konzentration des thermisch eindiffundierten Titans in diesem Bereich unterdrückt wird. Die erhaltene Probe wird dann einer Ultraschallwäsche mit Ethanol unterzogen und durch Blasen mit Stickstoffgas getrocknet.

Dann wird das Substrat 4 h lang in einem Ofen bei 350°C in einer feuchten Sauerstoffatmosphäre, die durch Hindurchleiten von Sauerstoff durch erwärmtes Wasser erzeugt wird, bei einer Strömungsgeschwindigkeit von 1,0 Liter/min getempert.

Auf diese Weise erhält man eine Lichtwellenleiterschicht 2, die wie in Fig. 13(f) dargestellt - eine dünnere Protonenaustauschschicht und eine höhere Ti-Konzentration in dem Bereich, in dem der Funktionsbereich zu bilden ist, und eine fortschreitend dickere Protonenaustauschschicht und eine niedrigere Ti-Konzentration zu den Endbereichen der Lichtwellenleiterschicht hin aufweist.

Schließlich wird der Funktionsbereich durch die Bildung von Kammelektroden 7 nach einem gewöhnlichen photolithographischen Verfahren vervollständigt.

Infolge der Temperung zeigt die Protonenverteilung an den Grenzen 68, 69 des Funktionsbereichs eine allmähliche Änderung, und ein niedriger Fortpflanzungsverlust an diesen Grenzen wurde experimentell bestätigt.

Fig. 14 ist eine schematische Ansicht einer siebten Ausführungsform, in der das optische Dünnschichtelement der Fig. 12 unter Anwendung eines elektrooptischen Effekts als Licht-Deflektor dient. In der Ansicht sind die gleichen Bestandteile wie in Fig. 12 mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet und nicht weiter erläutert. Die Kammelektroden 71 sind für die Bewirkung des elektro-optischen Effekts vorgesehen.

Bei der vorliegenden Ausführungsform ist in der Fläche des durch den elektro-optischen Effekt erzeugten Phasengitters ein Flächenbereich 66 mit hoher Ti-Konzentration gebildet, in dem die Tiefe der eindiffundierten Protonen kleiner ist, wodurch die Intensitätsverteilung des geleiteten Lichts 9 in der Nähe der Substratoberfläche in diesem Flächenbereich konzentriert ist. Dadurch kann mit einer an die Kammelektroden 71 angelegten niedrigen Spannung von 5 V ein hoher Beugungswirkungsgrad von 90% erreicht werden.

Auch der Anschlußwirkungsgrad an den Stirnflächen der Lichtwellenleiterschicht ist mit 80% hoch. Das optische Dünnschichtelement dieser Ausführungsform kann durch ein Verfahren hergestellt werden, das ähnlich dem Verfahren ist, das in bezug auf Fig. 13 erläutert wurde.

Fig. 15 ist eine perspektivische Darstellung einer achten Ausführungsform der Erfindung, bei der in einem Teil des Substrats der vorstehend beschriebenen sechsten Ausführungsform von Protonenaustausch freie Flächen 75, 76 gebildet sind, in denen sich Kammelektroden 7, 50 befinden. In Fig. 15 sind die gleichen Bestandteile wie in Fig. 12 mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet, die nicht im einzelnen weiter erläutert sind. Wie bei der sechsten Ausführungsform kann man mit dieser Ausführungsform einen hohen Anschlußwirkungsgrad gleichzeitig mit einem hohen Beugungswirkungsgrad erreichen. Ferner wird mit einer niedrigen elektrischen Energie eine wirksame Modulation oder Ablenkung des geleiteten Lichts ermöglicht, da der fehlende Protonenaustausch auf der Fläche der Kammelektroden eine Verschlechterung der piezo-elektrischen und elektro-optischen Eigenschaften in diesem Flächenbereich verhindert.

Das in Fig. 15 gezeigte optische Dünnschichtelement kann durch ein anhand von Fig. 13 erläutertes Verfahren hergestellt werden, wobei jedoch die genannten, von Protonenaustausch freien Flächen auf einem Teil der Substratoberfläche in der Weise gebildet werden, daß man vor dem Protonenaustausch auf diesen Flächen eine Maske vorssieht.

Fig. 16 ist eine schematische Ansicht einer neunten Ausführungsform, in der das optische Dünnschichtelement der Fig. 15 unter Anwendung eines elektro-optischen Effekts als Licht-Deflektor dient. In der Ansicht sind die gleichen Bestandteile wie in Fig. 15 mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet und nicht weiter erläutert. Bei dieser Ausführungsform fehlt unter den Kammelektroden 77 für den elektro-optischen Effekt der Protonenaustausch. Das optische Dünnschichtelement dieser Ausführungsform kann durch ein Verfahren ähnlich dem der Fig. 13 leicht hergestellt werden, wobei die Kammelektroden als Maske für den Protonenaustausch dienen.

Während die vorgenannten Ausführungsformen unterschiedliche Tiefen der eindiffundierten Protonen oder implantierten Heliumionen in dem Funktionsbereich und den Endbereichen haben, sind gleiche Effekte auch zu erreichen, indem man die unterschiedlichen Tiefen der eindiffundierten Protonen mit einer höheren Konzentration des thermisch eindiffundierten Metalls im Funktionsbereich als im Endbereich oder mit einer Protonenkonzentration, die im Inneren des Endbereichs höher ist als in der Nähe der Oberfläche des Substrats oder mit einer höheren Protonenkonzentration im Funktionsbereich als im Endbereich kombiniert oder indem man eine Protonenkonzentration, die im Inneren des Endbereichs höher ist als in der Nähe der Oberfläche des Substrats, mit einer höheren Protonenkonzentration im Funktionsbereich als im Endbereich kombiniert.

Fig. 17 ist eine perspektivische Ansicht einer zehnten Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen Dünnschichtelements, bei dem ein akustisch-optischer Effekt angewandt wird, die dadurch von der in Fig. 1 gezeigten ersten Ausführungsform abweicht, daß die Protonenkonzentration an den Endbereichen im Inneren größer als an der Substratoberfläche ist. In Fig. 17 sind die gleichen Bestandteile wie in der Fig. 1 mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet und nicht weiter erläutert. Diese Ausführungsform zeigt in den optischen Endbereichen eine größere Tiefe der eindiffundierten Protonen als in dem Funktionsbereich und ist auf der Oberfläche der Lichtwellenschicht dem mit Schichten 110, 111 von niedrigem Brechungsindex versehen, die man durch Protonendiffusion zur Außenseite erhält. Dementsprechend liegt die Energieverteilung des geleiteten Lichts in den Endbereichen sehr dicht bei der Energieverteilung des extern eintretenden Lichts, so daß ein hoher Anschlußwirkungsgrad erreicht wird. Andererseits ist die Energieverteilung des geleiteten Lichts in dem Funktionsbereich nahe an der Oberfläche des Substrats konzentriert, so daß ein hoher Beugungswirkungsgrad erreicht wird. Das optische Dünnschichtelement der zehnten Ausführungsform kann in ähnlicher Weise wie das optische Dünnschichtelement der ersten Ausführungsform hergestellt werden, wobei das an Fig. 2 erläuterte Verfahren durch eine Laser-Temperung ergänzt wird. Nun wird unter Bezugnahme auf Fig. 18(a)-(g) das Herstellungsverfahren kurz erläutert, in dem die Einzelheiten des Protonenaustauschs usw. mit denen des in Fig. 2 dargestellten Verfahrens identisch sind.

Zuerst wird auf einem in Fig. 18 gezeigten Substrat 1 aus LiNbO₃-Kristall eine Ti-Thermodiffusionsschicht 11 gebildet, wie in Fig. 18(b) gezeigt ist. Durch eine aus einer Chromschicht 12 bestehende Maske wird nur in den Endbereichen eine Protonenaustauschschicht 13 gebildet, wie in Fig. 18(c) zu sehen ist.

Dann wird nach Entfernung der Chromschicht 12 wiederum auf der gesamten Substratoberfläche eine Protonenaustauschschicht 14 gebildet, wie in Fig. 18(d) gezeigt ist. Die erhaltene Probe wird einer Temperung unterzogen, wobei man eine Lichtwellenleiterschicht 2 mit einer größeren Tiefe der eindiffundierten Protonen in den Endbereichen als in dem Funktionsbereich erhält, wie in Fig. 18(e) dargestellt ist. Dann wird die Oberfläche des Lichtleiters 2 - wie in Fig. 18(f) gezeigt - einer Laser-Temperung mit einem fokussierten Strahl 112 mit einer Wellenlänge von 10,6 µm aus einem CO₂-Laser unterzogen, wobei die Fläche für die Wechselwirkung zwischen der elastischen Oberflächenwelle und dem geleiteten Licht (d. h., der Funktionsbereich von dieser Behandlung ausgenommen wird. Der Strahl 112 mit 10,6 µm wird von dem LiNbO₃-Kristall absorbiert, um die Protonen des Oberflächenbereichs nach außen in die Luft zu treiben, wodurch die Schichten 110, 111 gebildet werden.

Schließlich werden auf dem Funktionsteil die Kammelektroden gebildet, wie in den Fig. 18(g) gezeigt ist.

Das in Fig. 17 dargestellte optische Dünnschichtelement kann auch durch ein in den Fig. 19(a)-(g) dargestelltes Verfahren hergestellt werden, das eine Abänderung des in Fig. 3 gezeigten Verfahrens ist.

Zunächst wird auf einem Substrat 1 aus LiNbO₃-Kristall wie in Fig. 19(a) gezeigt, eine Ti-Thermodiffusionsschicht 11 gebildet, wie in Fig. 19(b) gezeigt ist. Ferner wird eine Protonenaustauschschicht 15 gebildet, wie in Fig. 19(c) gezeigt ist. Dann wird durch Bedampfung nur auf dem Funktionsbereich eine Goldschicht 16 gebildet, und eine weitere Goldschicht 17 wird auch auf der Substratunterseite gebildet, wie in Fig. 19(d) gezeigt ist. Dann wird eine Temperung durchgeführt und dabei gleichzeitig von einer Spannungsquelle 18 an die Goldschichten 16, 17 eine Spannung einer zur Unterdrückung des thermischen Eindiffundierens von Protonen in das Substrat geeigneten Polarität angelegt, so daß man eine Lichtwellenleiterschicht mit einer größeren Tiefe der eindiffundierten Protonen in den Endbereichen als in dem Funktionsbereich erhält. Dann erfolgt eine Laser-Temperung der optischen Endbereiche der Lichtwellenleiterschicht 2 mit einem CO₂-Laser 112, wie in Fig. 19(f) dargestellt ist, wobei durch Protonendiffusion nach außen die Schichten 110, 111 gebildet werden.

Zuletzt werden auf dem Funktionsbereich die Kammelektroden gebildet, wie in Fig. 19(g) gezeigt ist.

Fig. 20 ist eine perspektivische Darstellung einer elften Ausführungsform, bei der das in Fig. 17 gezeigte optische Dünnschichtelement unter Anwendung eines elektro-optischen Effekts als Licht-Deflektor dient. Diese Ausführungsform ist identisch mit der zehnten Ausführungsform, wobei jedoch ihre Kammelektroden durch Kammelektroden 117 für den elektro-optischen Effekt ersetzt sind. In dieser Darstellung sind die gleichen Bestandteile wie in Fig. 17 mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet und nicht weiter erläutert. Das optische Dünnschichtelement dieser Ausführungsform kann auch durch das in Fig. 19 erläuterte Verfahren leicht hergestellt werden.

Fig. 21 ist eine perspektivische Ansicht einer zwölften Ausführungsform der Erfindung, bei der in einem Teil des Substrats der vorstehend erwähnten zehnten Ausführungsform Flächen 123, 124 gebildet sind, die frei von Protonenaustausch sind und auf denen Kammelektroden 120, 121 gebildet sind. In Fig. 21 haben die gleichen Bestandteile wie in Fig. 17 die gleichen Bezugszahlen, und sie sind nicht weiter erläutert. Wie bei der zehnten Ausführungsform erreicht man bei dieser Ausführungsform gleichzeitig einen hohen Anschlußwirkungsgrad und einen hohen Beugungswirkungsgrad. Ferner ist mit einer niedrigen elektrischen Energie eine wirksame Modulation oder Ablenkung des geleiteten Lichts möglich, da der fehlende Protonenaustausch auf den Flächen der Kammelektroden die Verschlechterung der piezoelektrischen und elektro-optischen Eigenschaften in diesen Flächen verhindert.

Das in Fig. 21 gezeigte optische Dünnschichtelement kann durch ein in Fig. 18 oder Fig. 19 erläutertes Verfahren hergestellt werden mit der Abweichung, daß auf einem Teil der Substratoberfläche für die Kammelektroden von Protonenaustausch freie Flächen in der Weise gebildet werden, daß man vor dem Protonenaustausch in diesen Flächen eine Maske bildet.

Fig. 22 ist eine schematische Ansicht einer dreizehnten Ausführungsform, in der das optische Dünnschichtelement der Fig. 21 unter Anwendung eines elektro-optischen Effekts als Licht-Deflektor dient. In der Ansicht sind die gleichen Bestandteile wie in Fig. 21 mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet und nicht weiter erläutert. Bei dieser Ausführungsform fehlt unter den Kammelektroden 127 für den elektro-optischen Effekt der Protonenaustausch. Das optische Dünnschichtelement dieser Ausführungsform kann leicht durch ein ähnliches Verfahren, wie es in Fig. 18 oder Fig. 19 erläutert wurde, hergestellt werden, bei dem die Kammelektroden als Maske für den Protonenaustausch dienen.

Fig. 23 ist eine perspektivische Ansicht einer vierzehnten Ausführungsform, bei der ein akustisch-optischer Effekt angewandt wird. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform der Fig. 1 dadurch, daß die Protonenkonzentration in dem Funktionsbereich höher als die in den Endbereichen ist. In Fig. 23 sind gleiche Bestandteile wie in Fig. 1 mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet und nicht weiter erläutert. Das optische Dünnschichtelement dieser Ausführungsform hat in den Endbereichen eine größere Tiefe der eindiffundierten Protonen als in dem Funktionsbereich und in dem letzteren eine Schicht 130 von hoher Protonenkonzentration. Die Energieverteilung des geleiteten Lichts ist infolgedessen in den Endbereichen sehr ähnlich der des extern eintretenden Lichts, so daß ein hoher Anschlußwirkungsgrad erreicht wird. Andererseits ist die Energieverteilung des abgeleiteten Lichts in dem Funktionsbereich in der Nähe der Substratoberfläche konzentriert, so daß ein hoher Beugungswirkungsgrad erzielt wird.

Das optische Dünnschichtelement der vierzehnten Ausführungsform kann in ähnlicher Weise wie das optische Dünnschichtelement der ersten Ausführungsform hergestellt werden, wobei man das in bezug auf Fig. 2 beschriebene Verfahren durch die Stufe des partiellen Protonenaustausches ergänzt. Nun wird unter Bezugnahme auf die Fig. 24(a)-(h) das Herstellungsverfahren kurz erläutert, bei dem die Einzelheiten des Protonenaustausches usw. mit denen des in Fig. 2 angegebenen Verfahrens identisch sind.

Zuerst wird auf einem in Fig. 24(a) gezeigten Substrat 1 aus LiNbO₃-Kristall eine Ti-Thermodiffusionsschicht 11 gebildet, wie in Fig. 24(b) gezeigt ist. Dann wird lediglich in den Endbereichen durch eine aus einer Chromschicht 12 bestehende Maske eine Protonenaustauschschicht 13 gebildet, wie in Fig. 24(c) gezeigt ist.

Nach der Entfernung der Chromschicht 12 wird auf der gesamten Substratoberfläche eine Protonenaustauschschicht 14 gebildet, wie in Fig. 24(d) gezeigt ist. Die Probe wird dann einer Temperung unterzogen, wobei man eine Lichtwellenleiterschicht erhält, die in den Endbereichen eine größere Tiefe der eindiffundierten Protonen als in dem Funktionsbereich aufweist, wie in Fig. 24(e) gezeigt ist. Dann erfolgt eine Protonenaustauschbehandlung durch eine Maske aus einer Chromschicht 84 mit einer Öffnung zu dem Funktionsbereich. Das diese Maske tragende Substrat wird 1 h lang bei 250°C einem Protonenaustausch mit Benzoesäure mit einem Zusatz von 5 Mol.-% Lithiumbenzoat unterzogen, um durch Protonenaustausch durch die erwähnte Öffnung in der Nähe der Oberfläche des Funktionsbereichs eine Schicht 130 von hoher Protonenkonzentration zu erhalten, wie in Fig. 24(g) gezeigt ist. Nach diesem Protonenaustausch wird das Substrat erneut einer Ultraschallwäsche mit Ethanol unterzogen und durch Blasen mit Stickstoffgas getrocknet. Dann wird die Maske 84 weggeätzt.

Schließlich werden auf dem Funktionsbereich die Kammelektroden 7 gebildet, wie in Fig. 24(h) dargestellt ist.

Fig. 25 ist eine perspektivische Ansicht einer fünfzehnten Ausführungsform, bei der das in Fig. 23 gezeigte optische Dünnschichtelement unter Anwendung eines elektro-optischen Effekts als Lichtleiter dient. Diese Ausführungsform ist identisch mit der vierezehnten Ausführungsform, wobei lediglich deren Kammelektroden durch Kammelektroden 131 für den elektro-optischen Effekt ersetzt sind. Bei dieser Ansicht sind gleiche Bestandteile wie in Fig. 23 durch gleiche Bezugszahlen bezeichnet und nicht näher erläutert. Das optische Dünnschichtelement dieser Ausführungsform kann ebenfalls leicht durch das in Fig. 24 erläuterte Verfahren hergestellt werden.

Fig. 26 ist eine perspektivische Darstellung einer sechszehnten Ausführungsform der Erfindung, bei der in einem Teil des Substrats der vorstehend erwähnten vierzehnten Ausführungsform Flächen 133, 132 gebildet sind, die frei von Protonenaustausch sind und auf denen Kammelektroden 134, 135 ausgebildet sind. In Fig. 26 sind die gleichen Positionen wie in Fig. 23 mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet und nicht näher erläutert. Wie bei der vierzehnten Ausführungsform erreicht man mit dieser Ausführungsform gleichzeitig einen hohen Anschlußwirkungsgrad und einen hohen Beugungswirkungsgrad. Auch mit geringer elektrischer Energie ist eine wirksame Modulation oder Ablenkung des geleiteten Lichts möglich, da der fehlende Protonenaustausch in den Flächen der Kammelektroden eine Beeinträchtigung der piezoelektrischen und elektro-optischen Eigenschaften in diesen Flächen verhindert.

Das in Fig. 26 gezeigte optische Dünnschichtelement kann nach dem in Fig. 24 erläuterten Verfahren hergestellt werden, wobei jedoch auf einem Teil der Substratoberfläche protonenaustauschfreie Flächen für die Kammelektroden in der Weise gebildet werden, daß man vor dem Protonenaustausch auf diesen Flächen eine Maske ausbildet.

Fig. 27 ist eine schematische Ansicht einer siebzehnten Ausführungsform, in der das optische Dünnschichtelement der Fig. 26 unter Anwendung eines elektro-optischen Effekts als Licht-Deflektor dient. In der Ansicht sind die gleichen Bestandteile wie in Fig. 26 mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet und nicht weiter erläutert. Bei dieser Ausführungsform fehlt unter den Kammelektroden 137 für den elektro-optischen Effekt der Protonenaustausch. Ein Dünnschichtelement dieser Ausführungsform kann leicht durch das in Fig. 24 erläuterte Verfahren hergestellt werden, bei dem die Kammelektroden als Maske für den Protonenaustausch dienen.

Fig. 28 ist eine perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen achtzehnten Ausführungsform, bei der ein akustisch-optischer Effekt angewandt wird. Bei dieser Ausführungsform ist wie bei der in Fig. 23 gezeigten vierzehnten Ausführungsform die Protonenkonzentration im Funktionsbereich höher als im Endbereich. Ferner ist wie bei der in Fig. 17 gezeigten zehnten Ausführungsform die Protonenkonzentration bei den Endbereichen der Lichtwellenleiterschicht im Inneren höher als in der Nähe der Oberfläche des Substrats. In Fig. 28 sind die gleichen Bestandteile wie in Fig. 1 mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet und nicht weiter erläutert. Das optische Dünnschichtelement dieser Ausführungsform hat durch das Vorhandensein einer Schicht 80 mit hoher Protonenkonzentration im Funktionsbereich der Lichtwellenleiterschicht 82 eine höhere Protonenkonzentration als im Inneren ihrer Endbereiche und ist auf der Lichtwellenleiterschicht mit Schichten 140, 141, die einen geringeren Brechungsindex haben und durch Protonendiffusion nach außen gebildet sind, versehen. Infolgedessen liegt die Energieverteilung des geleiteten Lichts in den Endbereichen sehr nahe bei der des extern eintretenden Lichts, so daß ein hoher Anschlußwirkungsgrad erreicht wird. Andererseits ist die Energieverteilung des geleiteten Lichts in dem Funktionsbereich in der Nähe der Substratoberfläche konzentriert, so daß ein hoher Beugungswirkungsgrad erreicht wird.

Das optische Dünnschichtelement der achtzehnten Ausführungsform kann in ähnlicher Weise wie das optische Dünnschichtelement der ersten Ausführungsform hergestellt werden, wobei eine Laser-Temperung, wie sie in Fig. 18(f) gezeigt ist, und ein partieller Protonenaustausch, wie er in Fig. 24(f) und (g) gezeigt ist, angewandt werden. Das Verfahren wird in den Fig. 29(a) bis (g) erläutert.

Zuerst wird - wie in Fig. 29(a) gezeigt - eine y- oder x-Oberfläche eines Substrats 1 aus LiNbO₃-Kristall des y- oder x-Typs bis zur Erzielung einer Ebenheit von einigen Newton-Ringen oder weniger poliert, dann einer gewöhnlichen Ultraschallwäsche mit Aceton und dann mit gereinigtem Wasser unterzogen und durch Blasen mit Stickstoffgas getrocknet. Anschließend wird durch Elektronenstrahlbedampfung auf der Oberfläche eine Titanschicht mit einer Dicke von 20 nm abgeschieden und 2,5 h lang bei 965°C in einer Sauerstoffatmosphäre thermisch eindiffundiert, um eine Ti-Thermodiffusionsschicht 11 zu bilden, wie in Fig. 29(b) gezeigt ist. Für das thermische Eindiffundieren können auch andere Metalle, wie V, Ni, Au, Ag, Co, Nb oder Ge eingesetzt werden.

Das in Fig. 29(b) dargestellte Substrat mit der Ti-Thermodiffusionsschicht 11 wird in einen Aluminiumoxid-Tiegel eingebracht, der Benzoesäure mit einem Zusatz von 2 Mol.-% Lithiumbenzoat enthält, und 5 h lang in einem Ofen von 250°C einer Protonenaustauschbehandlung unterzogen, um in der Ti-Thermodiffusionsschicht 11 eine Protonenaustauschschicht 13 zu bilden, wie in Fig. 29(c) gezeigt ist. Die erhaltene Probe wird einer Ultraschallwäsche mit Methanol unterzogen und durch Blasen mit Stickstoffgas getrocknet.

Dann wird das Substrat 4 h lang in einem Ofen von 350°C in einer feuchten Sauerstoffatmosphäre, die durch Hindurchleiten von Sauerstoff durch erwärmtes Wasser gebildet wurde, bei einer Strömungsgeschwindigkeit von 1,0 Liter/min getempert. Auf diese Weise wird die Lichtwellenleiterschicht 82 durch Protonendiffusion zu dem Substrat hin gebildet, wie in Fig. 29(d) dargestellt ist.

Wie in Fig. 29(e) dargestellt ist, wird durch Bedampfung der Lichtwellenleiterschicht 82 als Maske für den nachfolgenden Protonenaustausch eine Chromschicht 84 gebildet, die nur in dem Funktionsbereich ein Fenster hat. Das diese Maske 84 tragende Substrat wird 1 h lang bei 250°C einem Protonenaustausch mit Benzoesäure mit einem Zusatz von 5 Mol-% Lithiumbenzoat unterzogen, um durch Protonenaustausch durch das Fenster in der Nähe der Oberfläche des Funktionsbereichs eine Schicht 80 mit hoher Protonenkonzentration zu erhalten. Nach diesem Protonenaustausch wird das Substrat erneut einer Ultraschallwäsche mit Ethanol unterzogen und durch Blasen mit Stickstoffgas getrocknet. Schließlich wird die Maske 84 durch Ätzen entfernt. Dann erfolgt auf den Endbereichen der Lichtwellenleiterschicht 82 eine Laser-Temperung mit einem CO₂-Laser 145, wie in Fig. 29(f) gezeigt ist, wobei durch Protonendiffusion nach außen die Schichten 140, 141 gebildet werden.

Schließlich werden auf dem Funktionsbereich die Kammelektroden 7 gebildet, wie in Fig. 29(g) dargestellt ist.

Fig. 30 ist eine perspektivische Darstellung einer neunzehnten Ausführungsform, bei der das in Fig. 28 gezeigte optische Dünnschichtelement unter Anwendung eines elektro-optischen Effekts als Licht-Deflektor dient. Diese Ausführungsform ist identisch mit der achtzehnten Ausführungsform, wobei jedoch deren Kammelektroden durch Kammelektroden 147 für den elektro-optischen Effekt ersetzt sind. In Fig. 30 sind gleiche Bestandteile wie in Fig. 28 mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet und nicht weiter erläutert. Das optische Dünnschichtelement dieser Ausführungsform kann leicht durch das in Fig. 29 erläuterte Verfahren hergestellt werden.

Fig. 31 ist eine perspektivische Ansicht einer zwanzigsten Ausführungsform der Erfindung, bei der in einem Teil des Substrats der vorstehend erwähnten achtzehnten Ausführungsform Flächen 144, 145 gebildet sind, die frei von Protonenaustausch sind und auf denen die Kammelektroden 142, 143 angeordnet sind. In Fig. 31 sind die gleichen Bestandteile wie in Fig. 28 mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet und nicht näher erläutert. Wie bei der achtzehnten Ausführungsform kann man bei dieser Ausführungsform gleichzeitig einen hohen Anschlußwirkungssgrad und einen hohen Beugungswirkungsgrad erzielen. Ebenso wird mit einer niedrigen elektrischen Energie eine wirksame Modulation oder Ablenkung des geleiteten Lichts ermöglicht, da der fehlende Protonenaustausch in den Flächenbereichen der Kammelektroden eine Verschlechterung der piezoelektrischen und elektro-optischen Eigenschaften in diesen Flächen verhindert.

Das in Fig. 31 gezeigte optische Dünnschichtelement kann durch das in Fig. 29 erläuterte Verfahren hergestellt werden, wobei jedoch in einem Teil des Substrats die von Protonenaustausch freien Flächen für die Kammelektroden so gebildet werden, daß man vor dem Protonenaustausch in diesen Flächenbereichen eine Maske bildet.

Fig. 32 ist eine schematische Ansicht einer einundzwanzigsten Ausführungsform, in der das optische Dünnschichtelement der Fig. 31 unter Anwendung eines elektro-optischen Effekts als Licht-Deflektor dient. In der Ansicht sind die gleichen Bestandteile wie die in Fig. 31 mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet und nicht weiter erläutert. Bei dieser Ausführungsform fehlt unter den Kammelektroden 147 für den elektro-optischen Effekt der Protonenaustausch. Das optische Dünnschichtelement dieser Ausführungsform kann durch ein Verfahren ähnlich dem in Fig. 29 erläuterten Verfahren leicht hergestellt werden, bei dem die Kammelektroden als Maske für den Protonenaustausch dienen.

Fig. 33 ist eine perspektivische Ansicht einer zweiundzwanzigsten Ausführungsform der Erfindung bei der ein akustisch-optischer Effekt angewandt wird. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der in Fig. 12 gezeigten sechsten Ausführungsform dadurch, daß in den Endbereichen die Protonenkonzentration in Richtung der Substratdicke im Inneren höher als an der Substratoberfläche ist. In Fig. 33 sind gleiche Bestandteile wie in Fig. 12 mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet und nicht näher erläutert. Das optische Dünnschichtelement dieser Ausführungsform hat in den Endbereichen eine größere Tiefe der eindiffundierten Protonen als in dem Funktionsbereich und ist auf der Oberfläche der Lichtwellenleiterschicht mit durch Protonendiffusion nach außen gebildeten Schichten 150, 151 von niedrigem Brechungsindex und in dem Funktionsbereich mit einer Fläche 153 von hoher Ti-Konzentration versehen. Die Energieverteilung des geleiteten Lichts in den Endbereichen liegt daher sehr nahe bei der des von außen eintretenden Lichts, so daß ein hoher Anschlußwirkungsgrad erreicht wird. Andererseits ist die Energieverteilung des geleiteten Lichts in dem Funktionsbereich in der Nähe der Substratoberfläche konzentriert, so daß ein hoher Beugungswirkungsgrad erzielt wird.

Das optische Dünnschichtelement der zweiundzwanzigsten Ausführungsform kann in ähnlicher Weise wie das optische Dünnschichtelement der ersten Ausführungsform hergestellt werden, wobei man das in Fig. 13 erläuterte Verfahren durch die in Fig. 17 dargestellte Laser-Temperung ergänzt. Dies wird in den Fig. 34(a)-(h) kurz erläutert, in denen die Einzelheiten des Protonenaustausches usw. mit denen des in Fig. 13 gezeigten Verfahrens identisch sind.

Zuerst wird auf dem in Fig. 343(a) gezeigten Substrat 1 aus LiNbO₃-Kristall eine Titanschicht 74, wie in Fig. 34(b) gezeigt, gebildet. In dem Funktionsbereich wird durch eine Maske 72 eine Titanschicht 73 der Mesa-Form gebildet, wie in Fig. 34(c) gezeigt ist. Die Probe wird zum thermischen Eindiffundieren der Titanschicht 73 in das Substrat einer thermischen Behandlung unterzogen, wodurch eine Ti-Thermodiffusionsschicht 155 mit einer Fläche 153 von hoher Ti-Konzentration gebildet wird, wie in Fig. 34(d) gezeigt ist.

Eine Protonenaustauschschicht 156 wird dann in der Ti-Thermoduffusionsschicht 155 gebildet, wie in Fig. 34(e) gezeigt ist, und unter Bildung einer Lichtwellenleiterschicht 2 getempert, die in den Endbereichen eine größere Tiefe der eindiffundierten Protonen als in dem Funktionsbereich hat, wie in Fig. 34(f) gezeigt ist. Ferner werden die Endbereiche der Lichtwellenleiterschicht 2 einer Laser-Temperung mit einem CO₂-Laser 157 unterzogen, wie in Fig. 34(f) gezeigt ist, um durch Protonendiffusion nach außen die Schichten 150, 151 zu bilden.

Schließlich werden auf dem Funktionsbereich die Kammelektroden 7 gebildet, wie in Fig. 34(g) dargestellt ist.

Fig. 35 ist eine perspektivische Ansicht einer dreiundzwanzigsten Ausführungsform, bei der das in Fig. 33 gezeigte optische Dünnschichtelement unter Anwendung eines elektro-optischen Effekts als Licht-Deflektor dient. Diese Ausführungsform ist mit der zweiundzwanzigsten Ausführungsform identisch, wobei jedoch deren Kammelektroden durch Kammelektroden 158 für einen elektro-optischen Effekt ersetzt sind. In Fig. 35 sind gleiche Positionen wie in Fig. 33 mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet und nicht weiter erläutert. Das optische Dünnschichtelement dieser Ausführungsform kann auch leicht durch das in Fig. 34 gezeigte Verfahren hergestellt werden.

Fig. 36 ist eine perspektivische Ansicht einer vierundzwanzigsten Ausführungsform der Erfindung, bei der in einem Teil des Substrats der dreiundzwanzigsten Ausführungsform Flächen 163, 162 gebildet sind, die frei von Protonenaustausch sind und auf denen Kammelektroden 160, 161 gebildet sind. In Fig. 36 sind die gleichen Bestandteile wie in Fig. 33 mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet und nicht näher erläutert. Wie bei der zweiundzwanzigsten Ausführungsform erreicht man bei dieser Ausführungsform gleichzeitig einen hohen Anschlußwirkungsgrad und einen hohen Beugungswirkungsgrad. Ebenso kann mit niedriger elektrischer Energie eine wirksame Modulation oder Ablenkung des geleiteten Lichts erreicht werden, da der fehlende Protonenaustausch in den Flächen der Kammelektroden eine Verschlechterung der piezoelektrischen und elektro-optischen Eigenschaften in diesen Flächen verhindert.

Das in Fig. 36 dargestellte optische Dünnschichtelement kann durch das an Hand von Fig. 29 erläuterte Verfahren hergestellt werden, wobei jedoch in einem Teil des Substrats Flächen ohne Protonenaustausch für die Kammelektroden in der Weise gebildet werden, daß man vor dem Protonenaustausch auf diesen Flächen eine Maske vorsieht.

Fig. 37 ist eine schematische Ansicht einer fünfundzwanzigsten Ausführungsform, in der das optische Dünnschichtelement der Fig. 36 unter Anwendung eines elektro-optischen Effekts als Licht-Deflektor dient. In der Ansicht sind die gleichen Bestandteile wie die in Fig. 36 mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet und nicht weiter erläutert. Bei dieser Ausführungsform fehlt unter den Kammelektroden 167 für den elektro-optischen Effekt der Protonenaustausch. Das optische Dünnschichtelement dieser Ausführungsform kann leicht durch ein Verfahren ähnlich dem in Fig. 34 erläuterten Verfahren hergestellt werden, bei dem die Kammelektroden als Maske für den Protonenaustausch dienen.

Wenngleich die vorgenannten Ausführungsformen prinzipiell auf dem Einsatz eines Substrats aus LiNbO₃-Kristall beruhen, kann man das optische Dünnschichtelement der Erfindung nach gleichen Verfahren mit einem Substrat aus Lithiumtantalat (LiTaO₃) erhalten.

Die durch das erfindungsgemäße optische Dünnschichtelement erzielte Lichtmodulation kann nicht nur bei dem vorstehend erwähnten Licht-Deflektor eingesetzt werden, sondern auch bei verschiedenen optischen GEräten. Ferner kann die Licht-Modulation oder -Ablenkung nicht nur durch den erwähnten akustisch-optischen oder elektro-optischen Effekt erreicht werden, sondern auch durch Beugung mit einer magneto-optisch induzierten magnetostatischen Oberflächenwelle oder durch einen thermo-optischen Effekt.

Claims (12)

1. Optisches Dünnschichtelement mit einem Substrat (1) aus Lithiumniobat- oder Lithiumtantalat-Kristall und einer durch Einbringen eines Stoffes in den Kristall gebildeten Lichtwellenleiterschicht (2; 65), die einen Funktionsbereich aufweist, in dem das Licht in der Lichtwellenleiterschicht durch einen äußeren akustisch-optischen, elektro-optischen, magneto-optischen oder thermo-optischen Effekt, der den Brechungsindex der Lichtwellenleiterschicht verändert, moduliert oder abgelenkt wird, und die zwei Endbereiche aufweist, in oder aus deren Stirnflächen (3, 4) Licht (9) ein- oder austritt, wobei in den Endbereichen die Tiefe des eingebrachten Stoffes in Richtung der Dicke des Substrats verschieden ist von der im Funktionsbereich, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtwellenleiterschicht durch Austausch von Lithiumionen gegen Protonen (Protonenaustausch) gebildet ist und daß in den Endbereichen die Tiefe der eingebrachten Protonen in Richtung der Dicke des Substrats größer ist als im Funktionsbereich, so daß das Licht im Funktionsbereich in der Nähe der Oberfläche des Substrats konzentriert wird.

2. Optisches Dünnschichtelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtwellenleiterschicht (2; 65) Metall enthält, das vor dem Protonenaustausch in das Substrat (1) thermisch eindiffundiert worden ist.

3. Optisches Dünnschichtelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration des thermisch eindiffundierten Metalls im Funktionsbereich (66; 153) höher ist als im Endbereich der Lichtwellenleiterschicht (2).

4. Optisches Dünnschichtelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Teil der Oberfläche des Substrats (1) eine von dem Protonenaustausch freie Fläche (51, 52; 75, 76; 123, 1124; 132, 133; 162, 163) vorgesehen ist, in der Elektroden (7, 50; 57; 64; 77; 120, 121; 127; 134, 135; 137; 160, 161; 167) gebildet sind.

5. Optisches Dünnschichtelement nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Endbereich der Lichtwellenleiterschicht (2) die Protonenkonzentration in Richtung der Dicke des Substrats (1) im Inneren der Lichtwellenleiterschicht höher als in der Nähe der Oberfläche des Substrats ist.

6. Optisches Dünnschichtelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Lichtwellenleiterschicht (2) die Protonenkonzentration im Funktionsbereich (130) höher als im Endbereich ist.

7. Optisches Dünnschichtelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Protonen thermisch in das Substrat (1) eindiffundiert sind.

8. Optisches Dünnschichtelement mit einem Substrat (1) aus Lithiumniobat- oder Lithiumtantalat-Kristall und einer durch Einbringen eines Stoffes in den Kristall gebildeten Lichtwellenleiterschicht (82), die einen Funktionsbereich aufweist, in dem das Licht in der Lichtwellenleiterschicht durch einen äußeren akustisch-optischen, elektro-optischen, magneto-optischen oder thermo-optischen Effekt, der den Brechungsindex der Lichtwellenleiterschicht verändert, moduliert oder abgelenkt wird, und die zwei Endbereiche aufweist, in oder aus deren Stirnflächen (3, 4) Licht (8) ein- oder austritt, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtwellenleiterschicht durch Austausch von Lithiumionen gegen Protonen (Protonenaustausch) gebildet ist, daß in den Endbereichen der Lichtwellenleiterschicht die Protonenkonzentration in Richtung der Dicke des Substrats im Inneren der Lichtwellenleiterschicht höher als an der Oberfläche des Substrats ist, und daß die Protonenkonzentration im Funktionsbereich (80) höher als im Inneren der Endbereiche ist, so daß das Licht im Funktionsbereich in der Nähe der Oberfläche des Substrats konzentriert wird.

9. Optisches Dünnschichtelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Teil der Oberfläche des Substrats (1) eine von dem Protonenaustausch freie Fläche (144, 145) vorgesehen ist, in der Elektroden (142, 143; 147) zum Hervorrufen des äußeren Effekts gebildet sind.

10. Optisches Dünnschichtelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtwellenleiterschicht (82) Metall enthält, das vor dem Protonenaustausch in das Substrat (1) thermisch eindiffundiert worden ist.

11. Optisches Dünnschichtelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß Protonen thermisch in das Substrat (1) eindiffundiert sind.

12. Optisches Dünnschichtelement mit einem Substrat (1) aus Lithiumniobat- oder Lithiumtantalat-Kristall und einer durch Implantieren von Heliumionen in den Kristall gebildeten Lichtwellenleiterschicht (32), die einen Funktionsbereich aufweist, in dem das Licht in der Lichtwellenleiterschicht durch einen äußeren akustisch-optischen, elektro-optischen, magneto-optischen oder thermo-optischen Effekt, der den Brechungsindex der Lichtwellenleiterschicht verändert, moduliert oder abgelenkt wird, und die zwei Endbereiche aufweist, in oder aus deren Stirnflächen (3, 4) Licht (9) ein- oder austritt, dadurch gekennzeichnet, daß im Funktionsbereich die Eindringtiefe der implantierten Heliumionen in Richtung der Dicke des Substrats größer ist als in den Endbereichen der Lichtwellenleiterschicht, so daß das Licht im Funktionsbereich in der Nähe der Oberfläche des Substrats konzentriert wird.