JP2965644B2 - Manufacturing method of wavelength conversion optical element - Google Patents

Manufacturing method of wavelength conversion optical element

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JP2965644B2 JP22128290A JP22128290A JP2965644B2 JP 2965644 B2 JP2965644 B2 JP 2965644B2 JP 22128290 A JP22128290 A JP 22128290A JP 22128290 A JP22128290 A JP 22128290A JP 2965644 B2 JP2965644 B2 JP 2965644B2
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Description

【発明の詳細な説明】 [発明の目的] (産業上の利用分野) 本発明は、非線形光学材料を用いた波長変換光学素子
に係わり、特に光導波層の分極方向の改良をはかった波
長変換光学素子の製造方法に関する。
Description: Object of the Invention (Industrial application field) The present invention relates to a wavelength conversion optical element using a non-linear optical material, and in particular, to wavelength conversion by improving the polarization direction of an optical waveguide layer. The present invention relates to a method for manufacturing an optical element.

(従来の技術) 近年、短波長光源を実現する手段として非線形光学結
晶を用いた光第2高調波発生(SHG)の研究が活発にな
っており、小型化,低消費電力化を目的として、基本波
に半導体レーザを用い、非線形光学結晶を導波路化する
試みが行われている。例えば、第14図に示したようなプ
ロトン交換LiNbO3導波路を用いて,半導体レーザの第2
高調波としての青色光源が得られている(T.Taniuchi e
t al.Optoelectronics,Vol.2,No.1,PP.53−58(198
7))。この方式は、結晶基板1上に形成した光導波層
2に基本波3を入射し、チェレンコフ放射により第2高
調波4を導波路基板内へ放射させるもので、従来のSHG
に比べ、角度制御,温度制御等による位相整合が不要で
あるという利点を持つ。
(Prior Art) In recent years, research on optical second harmonic generation (SHG) using a nonlinear optical crystal as a means for realizing a short wavelength light source has been actively conducted, and for the purpose of miniaturization and low power consumption, Attempts have been made to use a semiconductor laser as a fundamental wave to make a nonlinear optical crystal into a waveguide. For example, using a proton-exchanged LiNbO 3 waveguide as shown in FIG.
A blue light source as a harmonic has been obtained (T. Taniuchi e
t al. Optoelectronics, Vol. 2, No. 1, PP. 53-58 (198
7)). In this method, a fundamental wave 3 is incident on an optical waveguide layer 2 formed on a crystal substrate 1, and a second harmonic 4 is emitted into the waveguide substrate by Cherenkov radiation.
Compared with the above, there is an advantage that phase matching by angle control, temperature control, and the like is unnecessary.

しかしながら、このチェレンコフ放射方式は導波層に
垂直方向の位相不整合があるため、変換効率は必ずしも
大きくない。導波層に垂直方向の位相不整合は導波路の
層構造に大きく影響されるが、従来のチェレンコフ放射
方式SHGでは、チェレンコフ放射条件を満たすように導
波路構造が決定されるため、変換効率を向上させるため
のパラメータ自由度は少なく、大きい変換効率が得られ
ないという問題点があった。
However, in this Cherenkov radiation system, the conversion efficiency is not always large because there is a phase mismatch in the vertical direction in the waveguide layer. The phase mismatch in the direction perpendicular to the waveguide layer is greatly affected by the layer structure of the waveguide.However, in the conventional Cherenkov radiation type SHG, the waveguide structure is determined so as to satisfy the Cherenkov radiation condition. There is a problem that the degree of freedom of the parameter for improving is small and a large conversion efficiency cannot be obtained.

(発明が解決しようとする課題) このように従来、チェレンコフ放射方式SHGでは、変
換効率を制御できるパラメータの自由度が少なく、大き
い変換効率が得られないという問題点があった。
(Problems to be Solved by the Invention) As described above, in the conventional Cherenkov radiation system SHG, there is a problem that the degree of freedom of parameters for controlling the conversion efficiency is small and a large conversion efficiency cannot be obtained.

本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その
目的とするところは、チェレンコフ放射方式SHGにおい
て垂直方向の位相不整合に起因する変換効率の低下を防
止することができ、変換効率の向上をはかり得る波長変
換光学素子の製造方法を提供することにある。
The present invention has been made in consideration of the above circumstances, and an object of the present invention is to prevent a decrease in conversion efficiency due to vertical phase mismatch in a Cherenkov radiation type SHG, and to reduce the conversion efficiency. An object of the present invention is to provide a method of manufacturing a wavelength conversion optical element that can be improved.

[発明の構成] (課題を解決するための手段) 本発明の骨子は、光導波層に垂直方向の位相不整合
を、光導波路層の分極反転により補償して、変換効率を
向上させることにある。
[Constitution of the Invention] (Means for Solving the Problems) The gist of the present invention is to improve the conversion efficiency by compensating the phase mismatch in the direction perpendicular to the optical waveguide layer by reversing the polarization of the optical waveguide layer. is there.

即ち本発明は、光学結晶からなる結晶基板上に該基板
より屈折率の大きな光導波層を形成し、且つ基板及び光
導波層を非線形光学結晶で構成した光導波路型波長変換
光学素子の製造方法において、光導波層と基板とのキュ
リー点の差を利用し、光導波路層の基板垂直方向の少な
くとも一部に基板の分極方向と反転した分極反転層を形
成するようにした方法である。
That is, the present invention provides a method for manufacturing an optical waveguide type wavelength conversion optical element in which an optical waveguide layer having a higher refractive index than a substrate is formed on a crystal substrate made of an optical crystal, and the substrate and the optical waveguide layer are formed of a nonlinear optical crystal. In this method, a polarization inversion layer having a direction opposite to the polarization direction of the substrate is formed on at least a part of the optical waveguide layer in a direction perpendicular to the substrate by utilizing a difference in Curie point between the optical waveguide layer and the substrate.

より具体的には本発明は、上記の光導波路型波長変換
光学素子の製造方法において、光導波層の一部として基
板上に該基板よりもキュリー点が低い第1の誘電体層を
形成したのち、この第1の誘電体層に電界を印加すると
共に、該誘電体層のキュリー点よりも高く基板のキュリ
ー点よりも低い温度で熱処理を施し、第1の誘電体層の
分極方向を基板の分極方向と反転させ、次いで光導波層
の一部として第1の誘電体層上に該誘電体層よりもキュ
リー点が低い第2の誘電体層を形成し、次いでこの第2
の誘電体層に電界を印加すると共に、第2の誘電体層の
キュリー点よりも高く第1の誘電体層のキュリー点より
も低い温度で熱処理を施し、第2の誘電体層の分極方向
を基板の分極方向と一致させるようにした方法である。
More specifically, according to the present invention, in the method for manufacturing an optical waveguide type wavelength conversion optical element, a first dielectric layer having a lower Curie point than the substrate is formed on the substrate as a part of the optical waveguide layer. Thereafter, an electric field is applied to the first dielectric layer, and a heat treatment is performed at a temperature higher than the Curie point of the dielectric layer and lower than the Curie point of the substrate to change the polarization direction of the first dielectric layer to the substrate. Then, a second dielectric layer having a lower Curie point than the dielectric layer is formed on the first dielectric layer as a part of the optical waveguide layer, and then the second dielectric layer is formed.
And applying a heat treatment at a temperature higher than the Curie point of the second dielectric layer and lower than the Curie point of the first dielectric layer, and the polarization direction of the second dielectric layer. Is matched with the polarization direction of the substrate.

さらに本発明は、光導波層のキュリー点を制御する手
段として、該光導波層の構成材料の組成比を異ならせ
る、又は該光導波層にドープする不純物量を異ならせる
ことを特徴としている。
Further, the present invention is characterized in that, as means for controlling the Curie point of the optical waveguide layer, the composition ratio of the constituent materials of the optical waveguide layer is made different, or the amount of impurities doped into the optical waveguide layer is made different.

(作用) 本発明によれば、光導波層内に分極が反転した部分を
設けることにより、チェレンコフ放射方式SHGにおい
て、垂直方向の位相不整合に起因する変換効率の低下を
防止することができ、大きな変換効率を持つ波長変換素
子の実現が可能となる。また、基板と光導波層のキュリ
ー点の違いを利用することにより、光導波層のみに分極
反転層を容易に形成することができる。さらに、キュリ
ー点の異なる層構造を形成することにより、分極反転を
容易に実現することが可能となる。
(Operation) According to the present invention, by providing a portion where the polarization is inverted in the optical waveguide layer, it is possible to prevent a decrease in conversion efficiency due to a phase mismatch in the vertical direction in the Cherenkov radiation type SHG, A wavelength conversion element having a large conversion efficiency can be realized. Also, by utilizing the difference in Curie point between the substrate and the optical waveguide layer, a domain-inverted layer can be easily formed only in the optical waveguide layer. Further, by forming layer structures having different Curie points, polarization inversion can be easily realized.

(実施例) 実施例を説明する前に、本発明の基本原理について説
明する。
(Example) Before describing an example, a basic principle of the present invention will be described.

まず、波長変換光学素子は前記第14図に示したよう
に、非線形光学結晶からなる結晶基板1上に、基板1よ
り屈折率の大きい光導波層2を形成して構成される。こ
の光導波層2に波長λの基本波3が入射すると、非線
形光学効果により波長λ(=λ1/2)の第2高調波4
がチェレンコフ放射光として基板1内に放射される。波
長λ及びλに対する基板1の屈折率をそれぞれn1,n
2とすると基板1及び光導波層2から成る導波路の実効
屈折率nEFFが n1<nEFF<n2 … を満たすように光導波層2の屈折率nGが選ばれている。
First, as shown in FIG. 14, the wavelength conversion optical element is formed by forming an optical waveguide layer 2 having a larger refractive index than the substrate 1 on a crystal substrate 1 made of a nonlinear optical crystal. When this optical waveguide layer 2 is the wavelength lambda 1 of the fundamental wave 3 is incident, the wavelength λ 2 (= λ 1/2 ) second harmonic 4 of the nonlinear optical effect
Is emitted into the substrate 1 as Cherenkov radiation. The refractive indices of the substrate 1 for the wavelengths λ 1 and λ 2 are n 1 and n, respectively.
2 to the effective refractive index of the waveguide consisting of the substrate 1 and the optical waveguide layer 2 n EFF is n 1 <n EFF <n 2 ... refractive index n G of the optical waveguide layer 2 so as to satisfy the is selected.

一般にチェレンコフ放射型SHG素子においては、式
の条件を満たすように設定された場合、縦方向の各場所
における変換効率ηを計算すると第13図に実線で示すよ
うになる。この図から判かるようにηは場所により符号
が反転しており、全体として変換効率への寄与は打ち消
し合っている。従って、この符号が反転している部分
で、分極が反転している構造を用いれば、変換効率が向
上することになる。本発明はこの点を考慮してなされた
もので、第13図中破線A,Bに示すような特性が得られる
ように分極反転を行ったものである。
In general, in a Cherenkov radiation type SHG element, when the setting is made so as to satisfy the condition of the equation, when the conversion efficiency η at each location in the vertical direction is calculated, it becomes as shown by a solid line in FIG. As can be seen from this figure, the sign of η is inverted depending on the location, and the contribution to the conversion efficiency is canceled as a whole. Therefore, if a structure in which the polarity is inverted is used in the portion where the sign is inverted, the conversion efficiency is improved. The present invention has been made in consideration of this point, and has performed polarization inversion so as to obtain characteristics as shown by broken lines A and B in FIG.

以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

第1図は本発明の第1の実施例に係わる波長変換光学
素子の概略構造を示す断面図である。図中10は非線形光
学結晶としてLiNbO3結晶(以下LNと略す)からなる結晶
基板であり、この基板10の上に未処理の基板10より屈折
率の大きい光導波層20が形成されている。この光導波層
20の屈折率nGは、前記式が成立するように選ばれてお
り、光導波層20に波長λの基本波31が入射すると、非
線形光学効果により波長λ(=λ1/2)の第2高調波3
2がチェレンコフ放射光として基板10内に放射されるも
のとなっている。
FIG. 1 is a sectional view showing a schematic structure of a wavelength conversion optical element according to a first embodiment of the present invention. In the figure, reference numeral 10 denotes a crystal substrate made of a LiNbO 3 crystal (hereinafter abbreviated as LN) as a nonlinear optical crystal, and an optical waveguide layer 20 having a higher refractive index than the unprocessed substrate 10 is formed on the substrate 10. This optical waveguide layer
The refractive index n G of 20, the formula have been chosen to establish, when the fundamental wave 31 having a wavelength lambda 1 enters into the optical waveguide layer 20, the wavelength lambda 2 by the nonlinear optical effect (= λ 1/2) Second harmonic 3 of
2 is emitted into the substrate 10 as Cherenkov radiation.

ここで、本実施例の特徴は、光導波層20の一部の分極
が反転した構造を有することである。即ち、光導波層20
はキュリー点の異なる第1及び第2の誘電体層21,22を
積層して形成され、第1の誘電体層21の分極方向は基板
10とは逆方向に、第2の誘電体層22の分極方向は基板10
と同じ方向になっている。
Here, a feature of this embodiment is that the optical waveguide layer 20 has a structure in which a part of the polarization is inverted. That is, the optical waveguide layer 20
Is formed by laminating first and second dielectric layers 21 and 22 having different Curie points, and the polarization direction of the first dielectric layer 21 is
The direction of polarization of the second dielectric layer 22 is opposite to that of the substrate 10.
It is in the same direction as.

このような構成であれば、第1の誘電体層21の分極方
向を基板10と逆方向にしていることから、前記第13図に
示す変換効率への寄与係数ηにおいて、光導波層20にお
いて符号が反転している部分を破線Aに示すように正に
することができる。このため、全体としての変換効率へ
の寄与を大きくすることができ、変換効率の向上をはか
ることができる。
With such a configuration, since the polarization direction of the first dielectric layer 21 is opposite to that of the substrate 10, the contribution coefficient η to the conversion efficiency shown in FIG. The portion where the sign is inverted can be made positive as shown by the broken line A. For this reason, the contribution to the conversion efficiency as a whole can be increased, and the conversion efficiency can be improved.

次に、本実施例素子の製造方法について説明する。 Next, a method for manufacturing the element of this embodiment will be described.

誘電体結晶のキュリー点は結晶の組成比の差及び不純
物の存在により異なることが知られている(Bergman et
al.Appl.Phys Lett.,12,92,(1968))。例えば、LN結
晶においては結晶内のLiとNb原子数の比率を変えること
によりキュリー点が変化する。
It is known that the Curie point of a dielectric crystal varies depending on the difference in crystal composition and the presence of impurities (Bergman et al.).
al. Appl. Phys Lett., 12, 92, (1968)). For example, in an LN crystal, the Curie point changes by changing the ratio of the number of Li and Nb atoms in the crystal.

そこで本実施例では、まず第2図(a)に示すよう
に、MgO添加LN結晶を基板10としてV2O5をフラックスと
した液相エピタキシャル法により例えば800℃で約0.2μ
mの厚みに第1の誘電体層21の成長を行う。この時点で
は、誘電体層21の分極の向きは第2図(a)に示すよう
にバラバラである。基板10としたLNはキュリー点が高
く、この温度下に晒しても分極が変化することはない。
Therefore, in this embodiment, as shown in FIG. 2 (a), a liquid phase epitaxial method using MgO-added LN crystal as a substrate 10 and V 2 O 5 as a flux at, for example, about 0.2 μm at 800 ° C.
The first dielectric layer 21 is grown to a thickness of m. At this point, the directions of polarization of the dielectric layer 21 are different as shown in FIG. 2 (a). The LN used as the substrate 10 has a high Curie point, and the polarization does not change even when exposed to this temperature.

次いで、第2図(b)に示すように、基板10及び誘電
体層21に金属膜41,42を形成し、直流電源43により基板1
0及び誘電体層21間に電圧を印加する。この状態で、誘
電体層21のキュリー点より高く基板10のキュリー点より
低い温度、例えば500℃で3〜5時間熱処理を施す。そ
の後、金属膜41,42を除去する。誘電体層21のLi/Nb原子
比は、予めフラックス内におけるLi/Nb比を調整してお
くことにより容易にNb過剰な結晶にすることが可能であ
る。従って、誘電体層21のキュリー点は低く、500℃の
熱処理により第2図(c)に示すように容易に分極が揃
う。しかも、その向きは基板10とは逆方向となる。
Next, as shown in FIG. 2 (b), metal films 41 and 42 are formed on the substrate 10 and the dielectric layer 21, and the substrate 1 is
A voltage is applied between 0 and the dielectric layer 21. In this state, heat treatment is performed at a temperature higher than the Curie point of the dielectric layer 21 and lower than the Curie point of the substrate 10, for example, 500 ° C. for 3 to 5 hours. After that, the metal films 41 and 42 are removed. The Li / Nb atomic ratio of the dielectric layer 21 can be easily changed to an Nb-excess crystal by adjusting the Li / Nb ratio in the flux in advance. Accordingly, the Curie point of the dielectric layer 21 is low, and the polarization is easily made uniform by the heat treatment at 500 ° C. as shown in FIG. 2C. Moreover, the direction is opposite to the direction of the substrate 10.

次いで、第2図(d)に示すように、第1の誘電体層
21上に液相エピタキシャル法により第2の誘電体層22を
成長する。この第2の誘電体層22は第1の層21よりもNb
過剰にし、キュリー点を第1の誘電体層21よりも低いも
のにする。
Next, as shown in FIG. 2 (d), the first dielectric layer
A second dielectric layer 22 is grown on 21 by a liquid phase epitaxial method. This second dielectric layer 22 is more Nb than the first layer 21.
It is excessive and the Curie point is lower than that of the first dielectric layer 21.

次いで、第2図(e)に示すように、基板10及び第2
の誘電体層22に再び金属膜44,45を形成し、直流電源46
により基板10及び誘電体層22間に電圧を印加する。この
状態で、例えば400℃(第1の層21のキュリー点より低
く、第2の層22のキュリー点よりも高い温度)で3〜5
時間熱処理を施す。このとき、第1の誘電体層21の分極
は変化せず、第2の誘電体層22の分極が容易に揃う。し
かも、その向きは基板10と同じ方向となる。
Next, as shown in FIG.
Metal films 44 and 45 are formed again on the dielectric layer 22 of
As a result, a voltage is applied between the substrate 10 and the dielectric layer 22. In this state, for example, at 400 ° C. (a temperature lower than the Curie point of the first layer 21 and higher than the Curie point of the second layer 22), 3 to 5
Heat treatment is performed for a time. At this time, the polarization of the first dielectric layer 21 does not change, and the polarization of the second dielectric layer 22 is easily aligned. Moreover, the direction is the same as that of the substrate 10.

しかる後、屈折率の変化を条件式に合うようにプロ
トン変換法等を約230℃で実施することにより、第3図
(a)に示すように光導波層20を形成し、波長変換光学
素子を作製する。なお、上記の例では、誘電体層を2層
としたが、第3図(b)に示すように誘電体層を1層の
みとし、この誘電体層21の分極を反転させるようにして
もよい。この場合、前記第13図における導波層部分の変
換効率寄与係数が全体的に反転するが、該部分では正よ
りも負の方が大きいので、これを反転させることにより
変換効率は向上することになる。また、この実施例で
は、誘電体層21,22の形成に液相エピタキシャル法を用
いたが、MOCVD法やMBE法等の他の成長法を用いることも
可能である。
Thereafter, a proton conversion method or the like is performed at about 230 ° C. so that the change in the refractive index satisfies the conditional expression, thereby forming the optical waveguide layer 20 as shown in FIG. Is prepared. In the above example, two dielectric layers are used. However, as shown in FIG. 3B, only one dielectric layer may be used and the polarization of the dielectric layer 21 may be reversed. Good. In this case, the conversion efficiency contribution coefficient of the waveguide layer portion in FIG. 13 is generally inverted, but the conversion efficiency is improved by inverting the conversion efficiency contribution factor since the conversion efficiency contribution coefficient is larger in the portion than in the positive portion. become. Further, in this embodiment, the liquid phase epitaxial method is used for forming the dielectric layers 21 and 22, but other growth methods such as the MOCVD method and the MBE method can be used.

このように本実施例によれば、光導波層20を構成する
誘電体層21,22のキュリー点の差を利用することによ
り、光導波層20内に分極反転層を形成することができ、
光導波層20内における変換効率への寄与係数を高めるこ
とができる。従って、変換効率の高い波長変換光学素子
を作製することが可能となる。
As described above, according to the present embodiment, it is possible to form a domain-inverted layer in the optical waveguide layer 20 by utilizing the difference between the Curie points of the dielectric layers 21 and 22 constituting the optical waveguide layer 20,
The contribution coefficient to the conversion efficiency in the optical waveguide layer 20 can be increased. Therefore, a wavelength conversion optical element having high conversion efficiency can be manufactured.

第4図は本発明の第2の実施例の概略構成を示す断面
図である。なお、第1図と同一部分には同一符号を付し
て、その詳しい説明は省略する。
FIG. 4 is a sectional view showing a schematic configuration of a second embodiment of the present invention. The same parts as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.

この実施例が先の説明した第1の実施例と異なる点
は、光導波層のみでなく、基板側にも反転層を形成した
ことにある。即ち、基板10上に誘電体からなるバッファ
層11,12を形成すると共に、先の実施例と同様に光導波
層20を構成する誘電体層21,22を形成する。そして、こ
れらの層11,12,21,22の分極方向を第4図に示すように
設定する。この分極方向の設定は、基板10側の層から順
にキュリー点を低くし、先の実施例で説明した分極反転
プロセスを所定の温度で実行すればよい。
This embodiment differs from the first embodiment described above in that an inversion layer is formed not only on the optical waveguide layer but also on the substrate side. That is, the buffer layers 11 and 12 made of a dielectric are formed on the substrate 10, and the dielectric layers 21 and 22 constituting the optical waveguide layer 20 are formed in the same manner as in the previous embodiment. Then, the polarization directions of these layers 11, 12, 21, 22 are set as shown in FIG. This polarization direction can be set by lowering the Curie point in order from the layer on the substrate 10 side, and executing the polarization inversion process described in the previous embodiment at a predetermined temperature.

かくして得られる波長変換光学素子においては、基板
10側にも分極反転が生じ、前記第13図において、破線A
と共に破線Bに示すように変換効率への寄与係数を反転
させることができ、先の第1の実施例以上に変換効率の
向上をはかることができる。
In the wavelength conversion optical element thus obtained, the substrate
Polarization inversion also occurs on the 10 side, and in FIG.
At the same time, as shown by the broken line B, the contribution coefficient to the conversion efficiency can be inverted, so that the conversion efficiency can be improved more than the first embodiment.

第5図は本発明の第3の実施例の概略構成を示す斜視
図である。なお、第1図と同一部分には同一符号を付し
て、その詳しい説明は省略する。
FIG. 5 is a perspective view showing a schematic configuration of a third embodiment of the present invention. The same parts as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.

この実施例が先の第1の実施例と異なる点は、光導波
層としての誘電体層を不純物のイオン注入により形成し
たことにある。即ち、基板10の上には不純物イオン注入
による第1の誘電体層51及び第2の誘電体層52が形成さ
れ、第1の誘電体層51の分極方向は基板10とは逆に、第
2の誘電体層52の分極方向は基板10と同じ方向となって
いる。
This embodiment differs from the first embodiment in that a dielectric layer as an optical waveguide layer is formed by ion implantation of impurities. That is, a first dielectric layer 51 and a second dielectric layer 52 are formed on the substrate 10 by impurity ion implantation, and the polarization direction of the first dielectric layer 51 is opposite to that of the substrate 10, The polarization direction of the second dielectric layer 52 is the same as that of the substrate 10.

次に、第5図の素子の製造方法について、第6図及び
第7図を参照して説明する。結晶の組成比の差以外に、
結晶内に含まれる不純物の種類,量によっても誘電体結
晶のキュリー温度は変化する。そこで本実施例では、イ
オンインプラ法を用いた分極反転法を示す。
Next, a method of manufacturing the device shown in FIG. 5 will be described with reference to FIGS. 6 and 7. In addition to the difference in crystal composition,
The Curie temperature of a dielectric crystal also changes depending on the type and amount of impurities contained in the crystal. In this embodiment, a polarization inversion method using an ion implantation method is described.

まず、第6図(a)に示すように、基板10の分極反転
場所以外をレジストマスク61により覆い、分極反転場所
にTiイオンをイオン注入し(例えば、ピーク濃度1×10
18cm-3)、約800℃1時間の熱処理により再結晶化、拡
散を実施する。これにより、第1の誘電体層51を形成す
る。この時点では、イオンインプラ層の分極の向きはバ
ラバラであり、また誘電体層51のキュリー点は約900℃
である。
First, as shown in FIG. 6A, portions of the substrate 10 other than the domain-inverted locations are covered with a resist mask 61, and Ti ions are ion-implanted into the domain-inverted locations (for example, at a peak concentration of 1 × 10 4).
18 cm -3), carried recrystallization, diffusion by heat treatment at about 800 ° C. 1 hour. As a result, a first dielectric layer 51 is formed. At this time, the direction of polarization of the ion implantation layer is different, and the Curie point of the dielectric layer 51 is about 900 ° C.
It is.

次いで、少なくとも第1の誘電体層51を含む表面領域
上に金属膜(図示せず)を形成し、第6図(b)に示す
ように直流電源62から電圧を印加し、誘電体層51のキュ
リー点よりも高く基板10の分極変動に影響を与えない温
度条件(1000℃)で熱処理を施す。この操作により、第
1の誘電体層51に分極反転が生じる。
Next, a metal film (not shown) is formed on a surface region including at least the first dielectric layer 51, and a voltage is applied from a DC power supply 62 as shown in FIG. Is performed under a temperature condition (1000 ° C.) which is higher than the Curie point and does not affect the polarization fluctuation of the substrate 10. By this operation, polarization inversion occurs in the first dielectric layer 51.

次いで、第6図(c)に示すように、前記レジストマ
スク61よりも開口幅の狭いレジストマスク63を形成した
のち、Tiイオンを注入し(ピーク濃度1×1020cm-3)、
第2の誘電体層52を形成する。次いで、第6図(d)に
示すように、直流電源64から電圧を印加すると共に、第
1の誘電体層51のキュリー点より低く第2の誘電体層52
のキュリー点より高い温度条件(820℃)で熱処理を施
す。これにより、第2の誘電体層52の分極方向は基板10
と同じ方向となる。
Next, as shown in FIG. 6C, after forming a resist mask 63 having a smaller opening width than the resist mask 61, Ti ions are implanted (peak concentration 1 × 10 20 cm −3 ).
A second dielectric layer 52 is formed. Next, as shown in FIG. 6 (d), a voltage is applied from the DC power supply 64 and the second dielectric layer 52 lower than the Curie point of the first dielectric layer 51 is applied.
Heat treatment at a temperature higher than the Curie point (820 ° C.). As a result, the polarization direction of the second dielectric layer 52 is
It is the same direction as.

しかる後、屈折率の変化を条件式に合うようにプロ
トン変換法等を実施することにより、光導波層50を形成
して波長変換光学素子を作製する。なお、イオン注入に
よる誘電体層51,52の屈折率の変化が条件式に合う場
合、このプロトン変換法は不要である。
Thereafter, by performing a proton conversion method or the like so that the change in the refractive index satisfies the conditional expression, the optical waveguide layer 50 is formed to manufacture a wavelength conversion optical element. If the change in the refractive index of the dielectric layers 51 and 52 due to the ion implantation satisfies the conditional expression, this proton conversion method is unnecessary.

このように本実施例によれば、光導波層50を構成する
誘電体層51,52の不純物ドープ量の差を利用することに
より、光導波層50内に分極反転層を形成することがで
き、光導波層50内における変換効率への寄与係数を高め
ることができる。従って、先の第1の実施例と同様に変
換効率の高い波長変換光学素子を作製することが可能と
なる。
As described above, according to the present embodiment, it is possible to form a domain-inverted layer in the optical waveguide layer 50 by utilizing the difference between the impurity doping amounts of the dielectric layers 51 and 52 constituting the optical waveguide layer 50. Thus, the contribution coefficient to the conversion efficiency in the optical waveguide layer 50 can be increased. Therefore, it becomes possible to produce a wavelength conversion optical element having high conversion efficiency as in the first embodiment.

なお、本実施例ではTiイオンのイオン注入法を用いて
説明を行ったが、これ以外にLi,Nb原子の不純物の拡散
を利用してもよく、さらには、中性子照射、放射線の照
射を用いても同様な結果が期待できる。また、第2の実
施例に示したように本方法をくり返し用いることも可能
である。
In the present embodiment, the description has been made using the ion implantation method of Ti ions.However, in addition to this, diffusion of impurities of Li and Nb atoms may be used, and further, neutron irradiation and radiation irradiation may be used. Similar results can be expected. Further, as shown in the second embodiment, the present method can be used repeatedly.

次に、本発明の第4の実施例について説明する。この
実施例は、第1図の素子の製造においてエピタキシャル
層を成長する際に、効率良くLi/Nb比を制御する方法で
ある。
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described. This embodiment is a method for efficiently controlling the Li / Nb ratio when growing an epitaxial layer in the manufacture of the device of FIG.

第8図に示すように、白金るつぼ71内にフラックス及
びLN原料72を混合溶融して保持してある。通常、この溶
液72内にLN基板73を浸し温度を徐々に降下させ単結晶層
を形成する。この液相から単結晶層を形成する際に、電
源74により基板支持棒75を介してLN基板73に電界を印加
し正イオン76,負イオン77の濃度差をLN基板73の直下に
形成する。この状態のまま液相の温度を徐々に降下させ
ることにより単結晶層を形成する。第8図に示した状態
ではNbの正イオン濃度が基板73の直下で高くなりNb比の
高いLN結晶層が成長する。従ってキュリー点も低く、第
1の実施例で示した分極反転が再現性良く実施できる。
As shown in FIG. 8, a flux and an LN raw material 72 are mixed and held in a platinum crucible 71. Usually, the LN substrate 73 is immersed in the solution 72, and the temperature is gradually lowered to form a single crystal layer. When a single crystal layer is formed from this liquid phase, an electric field is applied to the LN substrate 73 via the substrate support rod 75 by the power supply 74 to form a concentration difference between the positive ions 76 and the negative ions 77 immediately below the LN substrate 73. . In this state, the temperature of the liquid phase is gradually lowered to form a single crystal layer. In the state shown in FIG. 8, the positive ion concentration of Nb increases immediately below the substrate 73, and an LN crystal layer having a high Nb ratio grows. Accordingly, the Curie point is low, and the polarization inversion shown in the first embodiment can be performed with good reproducibility.

なお、本実施例方法によれば、LN導波層に混入しては
困る不純物の除去にも応用できることは言うまでもな
い。さらに、結晶成長時に電界の向きを交互に変えるこ
とにより、キュリー点が様々に変化した単結晶層を形成
することが可能となる。また、このエピ層成長時にキュ
リー点の高い基板を用いることにより、エピタキシャル
成長層の分極を基板と逆転させることが可能となる。
It is needless to say that the method according to the present embodiment can be applied to the removal of impurities that do not need to be mixed into the LN waveguide layer. Further, by alternately changing the direction of the electric field during the crystal growth, it becomes possible to form a single crystal layer in which the Curie point is variously changed. Further, by using a substrate having a high Curie point during the growth of the epitaxial layer, the polarization of the epitaxially grown layer can be reversed from that of the substrate.

また、本実施例方法は液相成長法のみならず気相成長
法にも応用可能である。第9図にその概略図を示してあ
る。LN基板73を基板支持台78上に配置し、結晶成長時に
白金電極79により基板表面に電界を強制的に印加するこ
とにより、分極モーメントを有する分子の吸着を制御す
ることが可能となり、基本的に液相成長法と同様な効果
をもたらすことができる。
Further, the method of this embodiment is applicable not only to the liquid phase growth method but also to the vapor phase growth method. FIG. 9 shows a schematic diagram thereof. By arranging the LN substrate 73 on the substrate support 78 and forcibly applying an electric field to the substrate surface by the platinum electrode 79 during crystal growth, it becomes possible to control the adsorption of molecules having a polarization moment. Can have the same effect as the liquid phase growth method.

次に、本発明の第5の実施例について説明する。この
実施例では、結晶を成長させる融液の純化について述べ
る。
Next, a fifth embodiment of the present invention will be described. In this embodiment, purification of a melt for growing a crystal will be described.

第10図に、本発明の融液純化を示す概略図を示してあ
る。白金るつぼ81内にLN融液82が収容されている。この
状態で、例えば白金の棒85を該融液82内に浸し、電源84
から融液82に電界を印加する。この装置により白金棒85
の周辺には正イオン86の不純物が多く集まることにな
る。LN融液82内の温度を徐々に冷却することにより、該
白金棒周辺に不純物の多く混入したLN多結晶を晶出す
る。この白金棒85をぬき取り、単結晶を育成することに
より高純度のLN単結晶を育成することが可能となる。
FIG. 10 is a schematic diagram showing the purification of the melt of the present invention. An LN melt 82 is accommodated in a platinum crucible 81. In this state, for example, a rod 85 of platinum is immersed in the
To apply an electric field to the melt 82. With this device, platinum rod 85
, Many impurities of the positive ions 86 are collected. By gradually cooling the temperature in the LN melt 82, an LN polycrystal containing many impurities is crystallized around the platinum rod. By removing the platinum rod 85 and growing a single crystal, a high-purity LN single crystal can be grown.

さらに、別の白金棒を融液に挿入し、正の電場を加え
ることにより、上記と同様の操作を行い負イオンの多量
に混入したLN多結晶を白金棒の周辺に晶出させ、該白金
棒を取り除いた後に、単結晶の育成を行うことが可能で
ある。そして、2本の白金棒を用いて、それぞれ正,負
別々の電場を印加することにより純度の高いLN融液を作
ることが可能となり、光学用結晶として使用可能なLN単
結晶を作製することが可能となる。
Further, another platinum rod is inserted into the melt, and a positive electric field is applied, thereby performing the same operation as above to crystallize the LN polycrystal mixed with a large amount of negative ions around the platinum rod, and form the platinum rod. After removing the rod, it is possible to grow a single crystal. By applying positive and negative electric fields separately using two platinum rods, it is possible to produce a highly pure LN melt, and to produce an LN single crystal that can be used as an optical crystal Becomes possible.

次に、本発明の第6の実施例について説明する。この
実施例では、キュリー点の高いLN基板の作製法について
述べる。前記第1図から判るように発生した第2高調波
は基板結晶内を通過して波長変換素子の外部へと放出さ
れる。従って、第2高調波の通路にあたる基板結晶内に
屈折率のゆらぎ等の不均一部が存在する場合、第2高調
波は散乱若しくは屈折し、基板結晶外に放出された後も
光学レンズを用いて集光することが不可能となる。特
に、MgO等を添加しレーザ損傷値の高いLN結晶を作製す
る場合、Mgの濃度ムラがそのまま屈折率のムラを生じ光
学用基板として使用不可能である。Mgの濃度ムラを発生
する最大の原因は融液内の対流である。LNの融液にMgO
を添加するとLN融液の粘性が増加し小規模の熱振動では
なく、数十分〜数時間毎に大きな熱振動が発生する。熱
振動の大きさとしては5〜15℃の範囲である。この熱振
動の結果成長した結晶内には、数100μm〜数mmの間隔
でMgの濃度ムラに基づく成長縞が発生する。
Next, a sixth embodiment of the present invention will be described. In this embodiment, a method for manufacturing an LN substrate having a high Curie point will be described. As shown in FIG. 1, the generated second harmonic passes through the substrate crystal and is emitted to the outside of the wavelength conversion element. Therefore, when there is a non-uniform portion such as a fluctuation of the refractive index in the substrate crystal corresponding to the path of the second harmonic, the second harmonic is scattered or refracted and the optical lens is used even after being emitted out of the substrate crystal. It becomes impossible to collect light. In particular, in the case of producing an LN crystal having a high laser damage value by adding MgO or the like, unevenness in the concentration of Mg causes unevenness in the refractive index as it is and cannot be used as an optical substrate. The biggest cause of uneven Mg concentration is convection in the melt. MgO in LN melt
When added, the viscosity of the LN melt increases, and not a small-scale thermal oscillation but a large thermal oscillation occurs every several tens to several hours. The magnitude of the thermal vibration is in the range of 5 to 15 ° C. In the crystal grown as a result of this thermal vibration, growth fringes are generated at intervals of several 100 μm to several mm based on Mg concentration unevenness.

このような融液の対流に基づく成長縞は半導体結晶等
では外部から磁界等を印加して対流を抑止する方法が知
られているが、LN等の酸化物材料等では融液の電気抵抗
が高く、有効ではない。そこで、LN融液内に電場を印加
し電場による抑止力を用いて、熱振動を抑止した単結晶
の成長を実施することにより均一なLN単結晶を作製する
ことが可能となる。
For such growth stripes based on the convection of the melt, a method of suppressing a convection by applying a magnetic field or the like from the outside in a semiconductor crystal or the like is known, but in an oxide material such as LN, the electric resistance of the melt is low. High and not effective. Therefore, a uniform LN single crystal can be produced by applying an electric field to the LN melt and using a deterrent by the electric field to grow a single crystal in which thermal oscillation is suppressed.

第11図にこの実施例の概略図を示す。白金るつぼ(φ
50)91内にLN融液92(400g)を収納し1200℃以上加熱
し、LNを融解させる。しかる後、該LN融液表面に白金電
極95を接し、電源94により直流電圧100Vを印加した。電
極95の中央には穴があいており、その穴を通して、引上
げ速度5mm/h、回転数5rpmでC軸方向に成長を行った。
引上げ結晶93の直径は約25mmであるが、結晶内には激し
い成長縞は無く光学的に優れた単結晶を得ることが可能
になった。
FIG. 11 shows a schematic diagram of this embodiment. Platinum crucible (φ
50) Store the LN melt 92 (400 g) in 91 and heat it at 1200 ° C or higher to melt the LN. Thereafter, a platinum electrode 95 was brought into contact with the surface of the LN melt, and a DC voltage of 100 V was applied by a power supply 94. A hole was formed in the center of the electrode 95, and growth was performed in the C-axis direction through the hole at a pulling speed of 5 mm / h and a rotation speed of 5 rpm.
Although the diameter of the pulled crystal 93 was about 25 mm, there was no intense growth stripes in the crystal, and it was possible to obtain an optically excellent single crystal.

本実施例では電極95は融液92に接していたが、第12図
に示すように必ずしも接している必要はなく、表面から
1〜2mm離して電極95を配置しても融液表面での熱振動
は減少し、良い効果を得ることが可能である。
In this embodiment, the electrode 95 was in contact with the melt 92, but it did not have to be in contact with the melt 92 as shown in FIG. Thermal vibration is reduced, and a good effect can be obtained.

なお、本発明は上述した各実施例に限定されるもので
はない。実施例では、LNを中心に述べたが、他の誘電体
結晶、酸化物非線形光学結晶に関しても応用可能であ
る。また、光導波層を形成する手段として、各種の成長
等を用いる代わりに、分極方向の異なった誘電体薄膜を
貼り合わせるようにしてもよい。その他、本発明の要旨
を逸脱しない範囲で、種々変形して実施することができ
る。
Note that the present invention is not limited to the above-described embodiments. In the embodiments, LN is mainly described, but the present invention can be applied to other dielectric crystals and oxide nonlinear optical crystals. Further, as a means for forming the optical waveguide layer, dielectric thin films having different polarization directions may be bonded together instead of using various types of growth and the like. In addition, various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.

[発明の効果] 以上詳述したように本発明によれば、導波層に垂直方
向の位相不整合を、光導波層の分極反転により補償し
て、変換効率を向上させることにより、チェレンコフ放
射方式SHGにおいて大きな変換効率を持つ、波長変換光
学素子の実現が可能となる。
[Effects of the Invention] As described above in detail, according to the present invention, the phase mismatch in the direction perpendicular to the waveguide layer is compensated by the polarization reversal of the optical waveguide layer, and the conversion efficiency is improved. It is possible to realize a wavelength conversion optical element having a large conversion efficiency in the system SHG.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第1図は本発明の第1の実施例に係わる波長変換光学素
子の概略構成を示す断面図、第2図は上記実施例素子の
製造工程を示す断面図、第3図は上記実施例素子の全体
構成を示す斜視図、第4図は本発明の第2の実施例の概
略構成を示す断面図、第5図は本発明の第3の実施例の
概略構成を示す斜視図、第6図は第3の実施例素子の製
造工程を示す断面図、第7図は第3の実施例におけるキ
ュリー点と加熱温度との関係を示す模式図、第8図及び
第9図はそれぞれ液相成長法,気相成長法を実施する際
の装置構成を示す模式図、第10図は融液の純化を説明す
るための模式図、第11図及び第12図は引上げ法における
電界印加状態を示す模式図、第13図は本発明の基本原理
を説明するための模式図、第14図は従来の波長変換光学
素子の例を示す斜視図である。 10……結晶基板、 11,12……バッファ層、 20,50……光導波層、 21,22,51,52……誘電体層、 41,42,44,45……金属膜、 43,46,62,64……電源、 61,63……レジストマスク。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a wavelength conversion optical element according to a first embodiment of the present invention, FIG. 2 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of the above-mentioned embodiment element, and FIG. FIG. 4 is a sectional view showing a schematic configuration of a second embodiment of the present invention, FIG. 5 is a perspective view showing a schematic configuration of a third embodiment of the present invention, and FIG. FIG. 7 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of the device of the third embodiment, FIG. 7 is a schematic diagram showing the relationship between the Curie point and the heating temperature in the third embodiment, and FIGS. FIG. 10 is a schematic view showing an apparatus configuration for performing the growth method and the vapor phase growth method, FIG. 10 is a schematic view for explaining the purification of the melt, and FIGS. FIG. 13 is a schematic view for explaining the basic principle of the present invention, and FIG. 14 is a perspective view showing an example of a conventional wavelength conversion optical element. It is. 10 …… Crystal substrate, 11,12 …… Buffer layer, 20,50 …… Optical waveguide layer, 21,22,51,52 …… Dielectric layer, 41,42,44,45 …… Metal film, 43, 46,62,64: Power supply, 61,63: Resist mask.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 植松 豊 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1番地 株式会社東芝総合研究所内 (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G02F 1/37 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Yutaka Uematsu 1 Toshiba-cho, Komukai, Koyuki-ku, Kawasaki-shi, Kanagawa Prefecture (58) Investigated field (Int.Cl. 6 , DB name) G02F 1 / 37

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】光学結晶からなる結晶基板上に該基板より
屈折率の大きな光導波層を形成し、且つ基板及び光導波
層を非線形光学結晶で構成した光導波路型波長変換光学
素子の製造方法において、 前記光導波層と基板とのキュリー点の差を利用し、光導
波層の基板垂直方向の少なくとも一部に基板の分極方向
と反転した分極反転層を形成することを特徴とする波長
変換光学素子の製造方法。
1. A method for manufacturing an optical waveguide type wavelength conversion optical element, comprising: forming an optical waveguide layer having a higher refractive index than a substrate on a crystal substrate made of an optical crystal; and forming the substrate and the optical waveguide layer from a nonlinear optical crystal. In the wavelength conversion, a polarization inversion layer in which a polarization direction of a substrate is reversed is formed on at least a part of the optical waveguide layer in a direction perpendicular to the substrate by utilizing a difference in Curie points between the optical waveguide layer and the substrate. A method for manufacturing an optical element.
【請求項2】光学結晶からなる結晶基板上に該基板より
屈折率の大きな光導波層を形成し、且つ基板及び光導波
層を非線形光学結晶で構成した光導波路型波長変換光学
素子の製造方法において、 前記光導波層の一部として前記基板上に該基板よりもキ
ュリー点が低い第1の誘電体層を形成する工程と、次い
で第1の誘電体層に電界を印加すると共に、該誘電体層
のキュリー点よりも高く基板のキュリー点よりも低い温
度で熱処理を施し、第1の誘電体層の分極方向を基板の
分極方向と反転させる工程と、次いで前記光導波層の一
部として第1の誘電体層上に該誘電体層よりもキュリー
点が低い第2の誘電体層を形成する工程と、次いで第2
の誘電体層に電界を印加すると共に、第2の誘電体層の
キュリー点よりも高く第1の誘電体層のキュリー点より
も低い温度で熱処理を施し、第2の誘電体層の分極方向
を基板の分極方向と一致させる工程とを含むことを特徴
とする波長変換光学素子の製造方法。
2. A method of manufacturing an optical waveguide type wavelength conversion optical element, comprising: forming an optical waveguide layer having a larger refractive index than a substrate on a crystal substrate made of an optical crystal, and comprising the substrate and the optical waveguide layer by a nonlinear optical crystal. Forming a first dielectric layer having a lower Curie point than the substrate on the substrate as a part of the optical waveguide layer, and then applying an electric field to the first dielectric layer, Heat treatment at a temperature higher than the Curie point of the body layer and lower than the Curie point of the substrate to invert the polarization direction of the first dielectric layer with the polarization direction of the substrate, and then as a part of the optical waveguide layer Forming a second dielectric layer having a lower Curie point than the dielectric layer on the first dielectric layer;
And applying a heat treatment at a temperature higher than the Curie point of the second dielectric layer and lower than the Curie point of the first dielectric layer, and the polarization direction of the second dielectric layer. Making the wavelength coincide with the polarization direction of the substrate.
【請求項3】前記光導波層のキュリー点を制御する手段
として、該光導波層の構成材料の組成比を異ならせたこ
とを特徴とする請求項1又は2記載の波長変換光学素の
製造方法。
3. The production of a wavelength conversion optical element according to claim 1, wherein the means for controlling the Curie point of the optical waveguide layer has different composition ratios of constituent materials of the optical waveguide layer. Method.
【請求項4】前記光導波層のキュリー点を制御する手段
として、該光導波層にドープする不純物量を異ならせた
ことを特徴とする請求項1又は2記載の波長変換光学素
子の製造方法。
4. The method for manufacturing a wavelength conversion optical element according to claim 1, wherein the means for controlling the Curie point of the optical waveguide layer differs in the amount of impurities doped into the optical waveguide layer. .
【請求項5】光学結晶からなる結晶基板上に該基板より
屈折率の大きな複数の誘電体層からなる光導波層を形成
し、且つ各々の誘電体層を非線形光学結晶で構成した光
導波路型波長変換光学素子の製造方法において、 前記各誘電体層のキュリー点の差を利用し、一方の誘電
体層の分極方向と他方の誘電体層の分極方向とが逆にな
るように設定したことを特徴とする波長変換光学素子の
製造方法。
5. An optical waveguide type wherein an optical waveguide layer composed of a plurality of dielectric layers having a higher refractive index than the substrate is formed on a crystal substrate composed of an optical crystal, and each dielectric layer is composed of a nonlinear optical crystal. In the method of manufacturing a wavelength conversion optical element, the polarization direction of one dielectric layer and the polarization direction of the other dielectric layer are set to be opposite by utilizing the difference between the Curie points of the dielectric layers. A method for producing a wavelength conversion optical element, comprising:
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