JPH06148701A - 導波路型波長変換素子 - Google Patents
導波路型波長変換素子Info
- Publication number
- JPH06148701A JPH06148701A JP29420292A JP29420292A JPH06148701A JP H06148701 A JPH06148701 A JP H06148701A JP 29420292 A JP29420292 A JP 29420292A JP 29420292 A JP29420292 A JP 29420292A JP H06148701 A JPH06148701 A JP H06148701A
- Authority
- JP
- Japan
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- wavelength conversion
- conversion element
- polymer
- waveguide
- waveguide type
- Prior art date
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Abstract
(57)【要約】 (修正有)
【目的】 光通信,光情報処理分野における非線形光学
効果による波長変換デバイスを提供する。 【構成】 基板1上には高分子材料により薄膜とした下
部クラッド層2Aが設けられており、この下部クラッド
層2Aには特定方向に方向付けされている非線形高分子
からなるグレーティング4と高分子材料5とが水平方向
に交互に並んで形成されると共に、その上面に上部クラ
ッド層2Bを形成してなる。
効果による波長変換デバイスを提供する。 【構成】 基板1上には高分子材料により薄膜とした下
部クラッド層2Aが設けられており、この下部クラッド
層2Aには特定方向に方向付けされている非線形高分子
からなるグレーティング4と高分子材料5とが水平方向
に交互に並んで形成されると共に、その上面に上部クラ
ッド層2Bを形成してなる。
Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、非線形光学効果のうち
波長変換を応用する光機能デバイスを構成する導波路型
波長変換素子に関する。
波長変換を応用する光機能デバイスを構成する導波路型
波長変換素子に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、二次の非線形光学効果を利用した
波長変換素子の材料としては無機結晶が代表的な材料で
あり、多くの波長変換素子が実現されている。この種の
素子では材料の非線形光学定数を有効に利用するため、
導波路型にする場合が多い。この場合、入力パワーが非
常に小さくてすむ利点を有する。
波長変換素子の材料としては無機結晶が代表的な材料で
あり、多くの波長変換素子が実現されている。この種の
素子では材料の非線形光学定数を有効に利用するため、
導波路型にする場合が多い。この場合、入力パワーが非
常に小さくてすむ利点を有する。
【0003】しかし、実効入力パワーが非常に大きくな
るため、導波路構成材料がオプティカルダメージをうけ
やすいという問題がある。このため導波路構成材料とし
ては光損傷しきい値が高いことが必要となるが無機材料
はこのしきい値が低く不利である欠点を有する。また、
導波路作製工程も複雑であるという欠点を有する。ま
た、近赤外域(1.3−1.55μm帯)において非線
形光学定数が大きい材料の数はそれほど多くない。
るため、導波路構成材料がオプティカルダメージをうけ
やすいという問題がある。このため導波路構成材料とし
ては光損傷しきい値が高いことが必要となるが無機材料
はこのしきい値が低く不利である欠点を有する。また、
導波路作製工程も複雑であるという欠点を有する。ま
た、近赤外域(1.3−1.55μm帯)において非線
形光学定数が大きい材料の数はそれほど多くない。
【0004】これに対し、有機化合物の非線形材料はオ
プティカルダメージに強く、加工性に富み、しかも二次
の非線形光学定数が大きいものが多いため、高性能な波
長変換素子を形成する材料として期待されている。
プティカルダメージに強く、加工性に富み、しかも二次
の非線形光学定数が大きいものが多いため、高性能な波
長変換素子を形成する材料として期待されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、非線形
光学効果を利用した波長変換導波路においては、基本波
と波長変換された発生波との間で位相を合わせる、いわ
ゆる位相整合を如何に実現させるか大きな問題である
が、有機材料の導波路では位相整合法は決め手となる作
製法が余り報告されていない。
光学効果を利用した波長変換導波路においては、基本波
と波長変換された発生波との間で位相を合わせる、いわ
ゆる位相整合を如何に実現させるか大きな問題である
が、有機材料の導波路では位相整合法は決め手となる作
製法が余り報告されていない。
【0006】これらを解決する方法として無機材料KT
P,LiNbO3 で有効な方法とされている疑似位相整
合(文献:伊藤弘昌:光学、第19巻、第6号pp37
3−374、1990年)を取り入れた例があるが、効
率的に低いものしか報告されていない(例えば、文献:
G.Khanarian et al ;SPIE vol.1147,pp1
29−133、1989参照)。ここで疑似位相整合と
は、基本波による非線形分極波と発生した伝搬高周波と
の位相の打ち消し合いが生じない整合法をいう。
P,LiNbO3 で有効な方法とされている疑似位相整
合(文献:伊藤弘昌:光学、第19巻、第6号pp37
3−374、1990年)を取り入れた例があるが、効
率的に低いものしか報告されていない(例えば、文献:
G.Khanarian et al ;SPIE vol.1147,pp1
29−133、1989参照)。ここで疑似位相整合と
は、基本波による非線形分極波と発生した伝搬高周波と
の位相の打ち消し合いが生じない整合法をいう。
【0007】本発明は、これら従来材料の欠点を解決す
るために提案された導波路型波長変換素子であり、その
目的は光通信、光情報処理分野における非線形光学効果
による波長変換デバイスを提供することにある。
るために提案された導波路型波長変換素子であり、その
目的は光通信、光情報処理分野における非線形光学効果
による波長変換デバイスを提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成する本発
明の導波路型光学素子の構成は、基板上に形成されたコ
ア部と上下クラッド部もしくはコア部と下部クラッド部
とからなり、前記コア部に非線形材料を有する導波路型
波長変換素子において、前記コア部が、二次の非線形感
受率βが10-30 esu以上の色素を分散するかあるい
は化学的に結合した高分子と、前記高分子との屈折率差
が0.02以下である材料とが基板に対して水平方向に
交互に並んでいる構造を有することを特徴とする。
明の導波路型光学素子の構成は、基板上に形成されたコ
ア部と上下クラッド部もしくはコア部と下部クラッド部
とからなり、前記コア部に非線形材料を有する導波路型
波長変換素子において、前記コア部が、二次の非線形感
受率βが10-30 esu以上の色素を分散するかあるい
は化学的に結合した高分子と、前記高分子との屈折率差
が0.02以下である材料とが基板に対して水平方向に
交互に並んでいる構造を有することを特徴とする。
【0009】ここで、本発明においては、波長変換用導
波路材料として二次の非線形感受率βが10-30 esu
以上の色素を分散あるいは化学的に結合した高分子を用
いるため、二次の非線形光学定数を大きくすることがで
きる。
波路材料として二次の非線形感受率βが10-30 esu
以上の色素を分散あるいは化学的に結合した高分子を用
いるため、二次の非線形光学定数を大きくすることがで
きる。
【0010】また、位相整合法においても、無機材料K
TP,LiNbO3 で有効な方法とされている、基本波
による非線形分極波と発生した伝搬高周波との打ち消し
合いが生じない疑似位相整合(文献:伊藤弘昌:光学、
第19巻、第6号pp373−374、1990年参
照)を、異なる2種の高分子材料を用いてフォトリソグ
ラフィによる加工および電界印加によるポーリングを施
すことにより精度よく実現することができる。
TP,LiNbO3 で有効な方法とされている、基本波
による非線形分極波と発生した伝搬高周波との打ち消し
合いが生じない疑似位相整合(文献:伊藤弘昌:光学、
第19巻、第6号pp373−374、1990年参
照)を、異なる2種の高分子材料を用いてフォトリソグ
ラフィによる加工および電界印加によるポーリングを施
すことにより精度よく実現することができる。
【0011】さらに本発明では異なる2種の高分子の屈
折率差が0.02以下とすることで界面での伝搬光の反
射損をできるだけ少なくすること、導波路構成材料とし
て色素を含む非線形高分子の割合をできるだけ少なくす
ることで可視域での吸収損を少なくすることができる。
この結果、本発明では従来、高分子材料では実現してい
なかった高効率な波長変換を構成することができる。
折率差が0.02以下とすることで界面での伝搬光の反
射損をできるだけ少なくすること、導波路構成材料とし
て色素を含む非線形高分子の割合をできるだけ少なくす
ることで可視域での吸収損を少なくすることができる。
この結果、本発明では従来、高分子材料では実現してい
なかった高効率な波長変換を構成することができる。
【0012】図1に本発明に係る導波路型波長変換素子
の概略を示す。同図に示すように、基板1上には高分子
材料により薄膜とした下部クラッド層2Aが設けられて
おり、この下部クラッド層2Aには特定方向に方向付け
されている非線形高分子からなるグレーティング4と高
分子材料5とが水平方向に交互に並んで形成されると共
に、その上面に上部クラッド層2Bが形成されて導波路
型波長変換素子9を構成している。
の概略を示す。同図に示すように、基板1上には高分子
材料により薄膜とした下部クラッド層2Aが設けられて
おり、この下部クラッド層2Aには特定方向に方向付け
されている非線形高分子からなるグレーティング4と高
分子材料5とが水平方向に交互に並んで形成されると共
に、その上面に上部クラッド層2Bが形成されて導波路
型波長変換素子9を構成している。
【0013】次に図2に基づき、本発明による波長変換
素子の一般的作製法の概念を示す。
素子の一般的作製法の概念を示す。
【0014】まず電極付き基板1上に高分子材料の薄膜
をスピンコートにより作製し、下部クラッド層2Aとす
る(図2(A))。次にTg1 のガラス転移温度を有す
る高分子材料からなる高分子薄膜3をスピンコートによ
り作製する(図2(B))。さらにこの高分子薄膜3に
フォトリソグラフの手法を用いて、グレーティング4を
作製する(図2(C))。次に、高分子材料5のスピン
コート溶液を用いて高分子材料5をグレーティング中に
挿入する(図2(D))。次に余分の高分子材料5をエ
ッチングにより除去する(図2(E))。その後、上記
下部クラッド層2Aを構成したのと同様の高分子材料の
薄膜をスピンコートにより作製して、上層クラッド層2
Bとし、複合膜6を形成する(図2(F))。さらに、
この複合膜6を基板加熱ヒータ8によりTg1 以上に加
熱し、電界印加装置8により電界を印加し、ポーリング
処理を施す(図2(G))。
をスピンコートにより作製し、下部クラッド層2Aとす
る(図2(A))。次にTg1 のガラス転移温度を有す
る高分子材料からなる高分子薄膜3をスピンコートによ
り作製する(図2(B))。さらにこの高分子薄膜3に
フォトリソグラフの手法を用いて、グレーティング4を
作製する(図2(C))。次に、高分子材料5のスピン
コート溶液を用いて高分子材料5をグレーティング中に
挿入する(図2(D))。次に余分の高分子材料5をエ
ッチングにより除去する(図2(E))。その後、上記
下部クラッド層2Aを構成したのと同様の高分子材料の
薄膜をスピンコートにより作製して、上層クラッド層2
Bとし、複合膜6を形成する(図2(F))。さらに、
この複合膜6を基板加熱ヒータ8によりTg1 以上に加
熱し、電界印加装置8により電界を印加し、ポーリング
処理を施す(図2(G))。
【0015】前述した作製においては、電極付きの基板
を用いているが、電極は上層クラッド上に後から作製す
ることも可能であり、各種の基板を用いることができる
のはいうまでもない。また、本例では、2次の非線形性
を有する高分子材料3を初めに加工し、グレーティング
4を作製したが、例えば、初めに高分子材料5を加工
し、その後、高分子材料3を挿入し、グレーティング4
を形成するようにしてもよい。
を用いているが、電極は上層クラッド上に後から作製す
ることも可能であり、各種の基板を用いることができる
のはいうまでもない。また、本例では、2次の非線形性
を有する高分子材料3を初めに加工し、グレーティング
4を作製したが、例えば、初めに高分子材料5を加工
し、その後、高分子材料3を挿入し、グレーティング4
を形成するようにしてもよい。
【0016】上述した方法により、図1に示す導波路型
波長変換素子9を形成する。尚、同図中符号10は非線
形高分子のダイポールの向きを示している。この方法で
得られる導波路は図1に示すように、非線形高分子がグ
レーティングを形成するため、ポーリング処理を施すこ
とによりダイポールの向きを周期的に制御することが可
能である。このため、この周期をコヒーレント長にあわ
せれば変換効率は極大と極小を繰り返さず、位相整合が
疑似位相整合の形で実現する。
波長変換素子9を形成する。尚、同図中符号10は非線
形高分子のダイポールの向きを示している。この方法で
得られる導波路は図1に示すように、非線形高分子がグ
レーティングを形成するため、ポーリング処理を施すこ
とによりダイポールの向きを周期的に制御することが可
能である。このため、この周期をコヒーレント長にあわ
せれば変換効率は極大と極小を繰り返さず、位相整合が
疑似位相整合の形で実現する。
【0017】このようにして、図3に示すようなスラブ
型の導波路型波長変換素子11を形成することができ
る。また、図4に示すようにチャネルコア部12を形成
してチャネル型の導波路型波長変換素子13を形成する
ようにしてもよい。
型の導波路型波長変換素子11を形成することができ
る。また、図4に示すようにチャネルコア部12を形成
してチャネル型の導波路型波長変換素子13を形成する
ようにしてもよい。
【0018】
【実施例】以下、上記の一般的作製法に従って、作製し
た本発明の導波路型波長変換素子の具体例を詳細に説明
する。
た本発明の導波路型波長変換素子の具体例を詳細に説明
する。
【0019】実施例1 上記に示した作製法に従い、下部クラッド層2Aとして
ポリメチルメタアクリレート(PMMA)、高分子薄膜
3を形成した後グレーティング4を形成する高分子とし
て、下記「化1」に示す構造を有する高分子材料を用い
た。コア層の膜厚としては5μmであり、140℃に加
熱し、ポーリング電圧は100V/μm程度でポーリン
グしている。
ポリメチルメタアクリレート(PMMA)、高分子薄膜
3を形成した後グレーティング4を形成する高分子とし
て、下記「化1」に示す構造を有する高分子材料を用い
た。コア層の膜厚としては5μmであり、140℃に加
熱し、ポーリング電圧は100V/μm程度でポーリン
グしている。
【化1】
【0020】また、高分子材料5としては、下記「化
2」に示す構造を有する高分子材料を用いた。
2」に示す構造を有する高分子材料を用いた。
【化2】 但し、グレーティング周期Λについては高分子膜3及び
高分子材料5の屈折率の波長分散をあらかじめ求めて、
以下の式で示される周期Λに合うことが望ましい。 Λ=(2m+1)λ/(4(Nω−N2 ω)) ここで、mは正の実数、λは基本波、Nω,N2 ωはそ
れぞれ基本波波長λ、SHG波長λ/2における高分子
膜3及び高分子材料5からなる導波路の実効屈折率であ
る。
高分子材料5の屈折率の波長分散をあらかじめ求めて、
以下の式で示される周期Λに合うことが望ましい。 Λ=(2m+1)λ/(4(Nω−N2 ω)) ここで、mは正の実数、λは基本波、Nω,N2 ωはそ
れぞれ基本波波長λ、SHG波長λ/2における高分子
膜3及び高分子材料5からなる導波路の実効屈折率であ
る。
【0021】次にこの導波路を用いてSHGの発生実験
を行った。基本波としてはLD励起Nd:YAGレーザ
(波長1.32um、入射パワー100mWCW)を用
い、対物レンズにより、端面より、基本波を入射した。
入射端面と反対面より0.66μmのSHGを観測するこ
とができた。効率としては約0.5%であった。この実施
例の場合、基本波w=1.32μmであり、グレーティン
グ周期Λは14μmとしている。
を行った。基本波としてはLD励起Nd:YAGレーザ
(波長1.32um、入射パワー100mWCW)を用
い、対物レンズにより、端面より、基本波を入射した。
入射端面と反対面より0.66μmのSHGを観測するこ
とができた。効率としては約0.5%であった。この実施
例の場合、基本波w=1.32μmであり、グレーティン
グ周期Λは14μmとしている。
【0022】比較として同膜厚の高分子3及び5の単一
の膜を作製し、上記ポーリング条件でポーリングして、
SHGの発生実験を行ったが、SHG光は検出レベル以
下であった。このことから本実施例の波長変換素子では
有効な位相整合条件が満たされていることがわかる。
の膜を作製し、上記ポーリング条件でポーリングして、
SHGの発生実験を行ったが、SHG光は検出レベル以
下であった。このことから本実施例の波長変換素子では
有効な位相整合条件が満たされていることがわかる。
【0023】実施例2 上記した作製法に従い、クラッド層2に紫外線硬化樹
脂、グレーティング4を形成する高分子として、下記
「化3」に示す構造を有する高分子材料を用いた。コア
層の膜厚は5μmであり、ポーリングは140℃で印加
電圧は100V/μmで処理した。
脂、グレーティング4を形成する高分子として、下記
「化3」に示す構造を有する高分子材料を用いた。コア
層の膜厚は5μmであり、ポーリングは140℃で印加
電圧は100V/μmで処理した。
【化3】
【0024】また、高分子材料5としては、エポキシア
クリレート系の紫外線硬化樹脂を用い実施例1と同様な
波長変換デバイスを作製した。同様にSHGの発生実験
を行い、効率としては約0.4%のSHG光が観測され
た。この実施例の場合、基本波w=1.55μmであり、
グレーティング周期Λは20μmとしている。
クリレート系の紫外線硬化樹脂を用い実施例1と同様な
波長変換デバイスを作製した。同様にSHGの発生実験
を行い、効率としては約0.4%のSHG光が観測され
た。この実施例の場合、基本波w=1.55μmであり、
グレーティング周期Λは20μmとしている。
【0025】実施例3 次にクラッド層2に紫外線硬化樹脂、グレーティングを
形成する高分子として、下記「化4」に示す構造を有す
る高分子材料を用いた。
形成する高分子として、下記「化4」に示す構造を有す
る高分子材料を用いた。
【化4】
【0026】また、高分子材料5としては、紫外線硬化
樹脂を用い、実施例1のスラブ導波路をまず作製し、フ
ォトリソグラフィとドライエッチングによりチャネル構
造を形成し波長変換デバイスを作製した。ポーリング処
理は実施例1と同様の条件とし、コア形状は5μm×5
μmとした。同様にSHGの発生実験を行い、効率とし
ては約5%のSHG光が長さ5mmの導波路から観測され
た。この実施例の場合、基本波w=1.32μmであり、
グレーティング周期Λは16μmとしている。
樹脂を用い、実施例1のスラブ導波路をまず作製し、フ
ォトリソグラフィとドライエッチングによりチャネル構
造を形成し波長変換デバイスを作製した。ポーリング処
理は実施例1と同様の条件とし、コア形状は5μm×5
μmとした。同様にSHGの発生実験を行い、効率とし
ては約5%のSHG光が長さ5mmの導波路から観測され
た。この実施例の場合、基本波w=1.32μmであり、
グレーティング周期Λは16μmとしている。
【0027】尚、実施例の波長変換については、SHG
の例のみを示したが、他の二次非線形光学効果、差周波
発生、和周波発生、パラメトリック発振等も、グレーテ
ィング間隔を変えることにより同様に実現できることは
容易に類推できる。
の例のみを示したが、他の二次非線形光学効果、差周波
発生、和周波発生、パラメトリック発振等も、グレーテ
ィング間隔を変えることにより同様に実現できることは
容易に類推できる。
【0028】また、本発明において用いた材料は実施例
に示した様に二次の非線形感受率の大きな有機化合物を
ポリマー側鎖にペンダントさせたものであるが、この
他、二次の非線形感受率の大きな有機化合物をポリマー
に分散させた材料、あるいは二次の非線形感受率の大き
な有機化合物をポリマー主鎖に組み込んだ材料であって
も同様の波長変換素子を構成することができる。
に示した様に二次の非線形感受率の大きな有機化合物を
ポリマー側鎖にペンダントさせたものであるが、この
他、二次の非線形感受率の大きな有機化合物をポリマー
に分散させた材料、あるいは二次の非線形感受率の大き
な有機化合物をポリマー主鎖に組み込んだ材料であって
も同様の波長変換素子を構成することができる。
【0029】
【発明の効果】以上説明したように、本発明による導波
路型波長変換素子は、非線形光学効果が大きく、しかも
波長変換において大きな問題となる位相整合が比較的簡
単にとれることから、波長変換を応用した素子、例えば
高効率な半導体レーザ励起可視光レーザ、光サンプリン
グ測定器、可変波長光源、波長可変光スイッチを構築す
る上で重要な基本素子となりうる。
路型波長変換素子は、非線形光学効果が大きく、しかも
波長変換において大きな問題となる位相整合が比較的簡
単にとれることから、波長変換を応用した素子、例えば
高効率な半導体レーザ励起可視光レーザ、光サンプリン
グ測定器、可変波長光源、波長可変光スイッチを構築す
る上で重要な基本素子となりうる。
【図1】本発明における導波路型波長変換素子の概略図
である。
である。
【図2】本発明における導波路型波長変換素子の作製方
法の工程図である。
法の工程図である。
【図3】スラブ型の導波路型波長変換素子の斜視図であ
る。
る。
【図4】チャネル型の導波路型波長変換素子の斜視図で
ある。
ある。
1 基板 2A 下部クラッド層 2B 上部クラッド層 3 高分子薄膜(Tg1 のガラス転移温度を有する) 4 グレーティング 5 高分子材料 6 複合膜 7 基板加熱ヒータ 8 電圧印加装置 9 導波路型波長変換素子 10 非線形高分子グレーティング中のダイポールの向
き 11 スラブ型の導波路型波長変換素子 12 チャネルコア部 13 チャネル型の導波路型波長変換素子
き 11 スラブ型の導波路型波長変換素子 12 チャネルコア部 13 チャネル型の導波路型波長変換素子
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 天野 道之 東京都千代田区内幸町一丁目1番6号 日 本電信電話株式会社内
Claims (1)
- 【請求項1】 基板上に形成されたコア部と上下クラッ
ド部もしくはコア部と下部クラッド部とからなり、前記
コア部に非線形材料を有する導波路型波長変換素子にお
いて、 前記コア部が、二次の非線形感受率βが10-30 esu
以上の色素を分散するかあるいは化学的に結合した高分
子と、前記高分子との屈折率差が0.02以下である材
料とが基板に対して水平方向に交互に並んでいる構造を
有することを特徴とする導波路型波長変換素子。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP29420292A JPH06148701A (ja) | 1992-11-02 | 1992-11-02 | 導波路型波長変換素子 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP29420292A JPH06148701A (ja) | 1992-11-02 | 1992-11-02 | 導波路型波長変換素子 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH06148701A true JPH06148701A (ja) | 1994-05-27 |
Family
ID=17804646
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP29420292A Pending JPH06148701A (ja) | 1992-11-02 | 1992-11-02 | 導波路型波長変換素子 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH06148701A (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE3636028A1 (de) * | 1985-10-25 | 1987-04-30 | Olympus Optical Co | Endoskop |
-
1992
- 1992-11-02 JP JP29420292A patent/JPH06148701A/ja active Pending
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE3636028A1 (de) * | 1985-10-25 | 1987-04-30 | Olympus Optical Co | Endoskop |
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Legal Events
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---|---|---|---|
A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20020402 |