JPH04368921A - 波長変換素子およびその製造方法 - Google Patents
波長変換素子およびその製造方法Info
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- JPH04368921A JPH04368921A JP3146231A JP14623191A JPH04368921A JP H04368921 A JPH04368921 A JP H04368921A JP 3146231 A JP3146231 A JP 3146231A JP 14623191 A JP14623191 A JP 14623191A JP H04368921 A JPH04368921 A JP H04368921A
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- Japan
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- refractive index
- polarization inversion
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、コヒーレント光源を
応用した、光情報処理,光応用計測制御分野等に使用さ
れる波長変換素子およびその製造方法に関するものであ
る。
応用した、光情報処理,光応用計測制御分野等に使用さ
れる波長変換素子およびその製造方法に関するものであ
る。
【0002】
【従来の技術】誘電体の分極を強制的に反転させる分極
反転は、誘電体に周期的な分極反転層を形成することに
より、表面弾性波を利用した光周波数変調器や非線形分
極の分極反転を利用した波長変換素子などに利用される
。特に非線形光学物質の非線形分極を周期的に反転する
ことが可能になれば非常に変換効率の高い第二高調波発
生素子を作製することができる。これによって半導体レ
ーザなどの光を変換すると小型の短波長光源が実現でき
、印刷,光情報処理,光応用計測制御分野などに応用で
きるため盛んに研究が行われている。
反転は、誘電体に周期的な分極反転層を形成することに
より、表面弾性波を利用した光周波数変調器や非線形分
極の分極反転を利用した波長変換素子などに利用される
。特に非線形光学物質の非線形分極を周期的に反転する
ことが可能になれば非常に変換効率の高い第二高調波発
生素子を作製することができる。これによって半導体レ
ーザなどの光を変換すると小型の短波長光源が実現でき
、印刷,光情報処理,光応用計測制御分野などに応用で
きるため盛んに研究が行われている。
【0003】このような分極反転を利用した従来の波長
変換素子としては、例えば、アプライドフィジックスレ
ター(Applied Physics Letter
s)1990年57号 P2074のC. J.van
der Poel氏らによる分極反転型の波長変換素
子がある。これはKTiOPO4 結晶(以下「KTP
」と略す)基板表面に周期的にRbをイオン交換するこ
とにより、KTP基板に周期的な分極反転層を形成して
波長変換素子を構成するものである。
変換素子としては、例えば、アプライドフィジックスレ
ター(Applied Physics Letter
s)1990年57号 P2074のC. J.van
der Poel氏らによる分極反転型の波長変換素
子がある。これはKTiOPO4 結晶(以下「KTP
」と略す)基板表面に周期的にRbをイオン交換するこ
とにより、KTP基板に周期的な分極反転層を形成して
波長変換素子を構成するものである。
【0004】この従来の波長変換素子の構成を図4に示
す。図4において、21はKTP基板、22は分極反転
層、23は基本波、24は第二高調波(以下「SHG光
」と略す)である。分極反転層22の1次の周期Λは、
基本波(波長をλとする)23に対する実効屈折率N1
とSHG光(波長をλ/2とする)24に対する実効
屈折率N2 に対して、Λ=λ/2(N2 −N1 )
の関係を満たしている。周期的に形成された分極反転層
22によって導波路内を伝播する基本波23はSHG光
24に変換される。素子長1mmのとき、SHG変換効
率は80%/W/cm2 と報告されている。
す。図4において、21はKTP基板、22は分極反転
層、23は基本波、24は第二高調波(以下「SHG光
」と略す)である。分極反転層22の1次の周期Λは、
基本波(波長をλとする)23に対する実効屈折率N1
とSHG光(波長をλ/2とする)24に対する実効
屈折率N2 に対して、Λ=λ/2(N2 −N1 )
の関係を満たしている。周期的に形成された分極反転層
22によって導波路内を伝播する基本波23はSHG光
24に変換される。素子長1mmのとき、SHG変換効
率は80%/W/cm2 と報告されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】従来のKTPを用いた
波長変換素子には以下の問題がある。この波長変換素子
は、周期的にイオン交換された部分のみが基本波23に
対してKTP基板よりも高い屈折率を持っており、その
部分(光導波路)が100μm2 (10μm×10μ
m)の断面積を持っていることから、基本波23のパワ
ー密度は少ない。SHG光24は基本波23に対して2
乗に比例しているから、SHG光24への変換効率は少
ないという問題がある。また、SHG光24も基板内で
放射モードとして存在するために、素子の出射部でのニ
アフィールドパターンも放射形となっており、SHG光
24を回折限界まで集光することが困難であり、光情報
システムへの応用が難しいという問題もある。
波長変換素子には以下の問題がある。この波長変換素子
は、周期的にイオン交換された部分のみが基本波23に
対してKTP基板よりも高い屈折率を持っており、その
部分(光導波路)が100μm2 (10μm×10μ
m)の断面積を持っていることから、基本波23のパワ
ー密度は少ない。SHG光24は基本波23に対して2
乗に比例しているから、SHG光24への変換効率は少
ないという問題がある。また、SHG光24も基板内で
放射モードとして存在するために、素子の出射部でのニ
アフィールドパターンも放射形となっており、SHG光
24を回折限界まで集光することが困難であり、光情報
システムへの応用が難しいという問題もある。
【0006】この発明の目的は、上記問題点に鑑み、基
板内の基本波のパワー密度を向上させ、高効率で波長変
換を行うことを可能にするとともに、出射したSHG光
の回折限界までの集光を可能とする波長変換素子および
その製造方法を提供することである。
板内の基本波のパワー密度を向上させ、高効率で波長変
換を行うことを可能にするとともに、出射したSHG光
の回折限界までの集光を可能とする波長変換素子および
その製造方法を提供することである。
【0007】
【課題を解決するための手段】請求項1記載の波長変換
素子は、誘電体の基板と、この基板内に形成した低屈折
率領域と、この低屈折率領域上に周期Λで周期的に非線
形分極が反転している分極反転層を有する光導波路とを
備えている。そして、分極反転層の周期Λが、光導波路
を導波する波長がλの基本光に対する実効屈折率N1
と光導波路を導波する波長がλ/2の高調波に対する実
効屈折率N2 に対して、Λ=λ/2(N2 −N1
)の関係を満足し、かつ、分極反転層の間隔Wが(Λ/
2)<W<Λの関係を満足するようにしている。
素子は、誘電体の基板と、この基板内に形成した低屈折
率領域と、この低屈折率領域上に周期Λで周期的に非線
形分極が反転している分極反転層を有する光導波路とを
備えている。そして、分極反転層の周期Λが、光導波路
を導波する波長がλの基本光に対する実効屈折率N1
と光導波路を導波する波長がλ/2の高調波に対する実
効屈折率N2 に対して、Λ=λ/2(N2 −N1
)の関係を満足し、かつ、分極反転層の間隔Wが(Λ/
2)<W<Λの関係を満足するようにしている。
【0008】請求項2記載の波長変換素子の製造方法は
、結晶のC軸に垂直な面で切り出した誘電体の基板内に
イオン注入により低屈折率領域を形成する工程と、誘電
体の基板表面にストライプ状のマスクを形成する工程と
、誘電体の基板表面の非マスク部分から誘電体の基板内
をイオン交換する工程と、誘電体の基板を熱処理し分極
反転層を形成する工程とを含んでいる。
、結晶のC軸に垂直な面で切り出した誘電体の基板内に
イオン注入により低屈折率領域を形成する工程と、誘電
体の基板表面にストライプ状のマスクを形成する工程と
、誘電体の基板表面の非マスク部分から誘電体の基板内
をイオン交換する工程と、誘電体の基板を熱処理し分極
反転層を形成する工程とを含んでいる。
【0009】
【作用】この発明によれば、誘電体の基板内に低屈折率
領域を形成して光導波路を設けたことにより、基本波が
基板内で導波モードとして閉じ込められる。光導波路の
断面積を小さくでき、基本波の閉じ込めが非常に良くな
り、光導波路内でのパワー密度が伝播するにつれて減衰
しないため、非常に高効率の波長変換が得られる。また
、イオン注入により基板内部に低屈折率領域を形成する
ことにより、その低屈折率領域と基板表面(空気)の間
で高屈折率領域が形成され、基本波および高調波(SH
G光)が単一モード状態で存在する。
領域を形成して光導波路を設けたことにより、基本波が
基板内で導波モードとして閉じ込められる。光導波路の
断面積を小さくでき、基本波の閉じ込めが非常に良くな
り、光導波路内でのパワー密度が伝播するにつれて減衰
しないため、非常に高効率の波長変換が得られる。また
、イオン注入により基板内部に低屈折率領域を形成する
ことにより、その低屈折率領域と基板表面(空気)の間
で高屈折率領域が形成され、基本波および高調波(SH
G光)が単一モード状態で存在する。
【0010】
【実施例】図1にこの発明の一実施例の波長変換素子の
構成図を示す。図1において、1はKTP基板、4は分
極反転層、5はイオン注入により形成した低屈折率領域
、6は波長800nmの基本波、7は波長400nmの
第二高調波(SHG光)である。
構成図を示す。図1において、1はKTP基板、4は分
極反転層、5はイオン注入により形成した低屈折率領域
、6は波長800nmの基本波、7は波長400nmの
第二高調波(SHG光)である。
【0011】分極反転層4は、KTP基板1に対し、分
極の方向が逆転している。この分極反転層4の1次の周
期Λは基本波(波長をλとする)6に対する実効屈折率
N1 と光導波路を導波するSHG光(波長をλ/2と
する)7に対する実効屈折率N2 に対して、Λ=λ/
2(N2 −N1 )の関係を満たしている。実効屈折
率とは光が実際に感じる屈折率のことである。基本波6
と位相整合のとれるSHG光7が発生するのは、分極反
転層4の周期が一次の分極反転周期Λの整数倍に一致し
たときのみである。また、分極反転層4の間隔Wは(Λ
/2)<W<Λを満足している(図2(b) 参照)。
極の方向が逆転している。この分極反転層4の1次の周
期Λは基本波(波長をλとする)6に対する実効屈折率
N1 と光導波路を導波するSHG光(波長をλ/2と
する)7に対する実効屈折率N2 に対して、Λ=λ/
2(N2 −N1 )の関係を満たしている。実効屈折
率とは光が実際に感じる屈折率のことである。基本波6
と位相整合のとれるSHG光7が発生するのは、分極反
転層4の周期が一次の分極反転周期Λの整数倍に一致し
たときのみである。また、分極反転層4の間隔Wは(Λ
/2)<W<Λを満足している(図2(b) 参照)。
【0012】以上のように構成されたこの実施例の波長
変換素子の製造方法について、図2を参照しながら説明
する。図2はこの実施例の波長変換素子の製造方法を示
す工程断面図である。まず、図2(a) に示すように
、結晶のC軸に垂直な面で切り出したC板のKTP基板
1上にタンデム加速器によりエネルギー3MeVのO+
イオン2を電流1μA、ドーズ量5×1016イオン
/cm2 でイオン注入を行う。すると表面より1μm
の深さに幅1.2μmの低屈折率領域5(KTP基板1
の屈折率より0.1低い)が形成され、表面から1μm
までの領域が光導波路となる。
変換素子の製造方法について、図2を参照しながら説明
する。図2はこの実施例の波長変換素子の製造方法を示
す工程断面図である。まず、図2(a) に示すように
、結晶のC軸に垂直な面で切り出したC板のKTP基板
1上にタンデム加速器によりエネルギー3MeVのO+
イオン2を電流1μA、ドーズ量5×1016イオン
/cm2 でイオン注入を行う。すると表面より1μm
の深さに幅1.2μmの低屈折率領域5(KTP基板1
の屈折率より0.1低い)が形成され、表面から1μm
までの領域が光導波路となる。
【0013】つぎに、図2(b) に示すように、KT
P基板1上にスパッタリング法でTi膜を1000Å形
成した後、通常のフォトリソグラフィー法により周期Λ
ごとに幅W(分極反転層4の間隔となる)のストライプ
を10μmに渡ってKTP基板1のY伝播方向に形成し
てTiマスク3とする。その後、Rb/Tl/Baを含
むBa(NO3 )2 の溶液8の中にいれて360℃
で90min熱処理を行う。この熱処理とは、KTP基
板1を構成するKTiOPO4 結晶(KTP)をキュ
リー温度近くまで温度を上げて、一定方向にそろってい
る結晶の分極を部分的に反転させる処理である。この分
極反転のメカニズムとして考えられるのは、まず、イオ
ン交換によってRbイオンと交換され、イオン交換層の
K濃度が低減する。これによって、イオン交換層のキュ
リー点が低下する。つぎに、KTP基板1をKTiOP
O4 結晶のキュリー点とイオン交換層のKX Rb1
−X TOPO4 のキュリー点の間で熱処理するとイ
オン交換部分のみキュリー状態にすることができる。さ
らにイオン交換層内のイオンとKTP基板1内のイオン
の間で発生する電界によってキュリー状態にあるプロト
ン交換層の分極反転が逆転し、分極反転層4が形成され
る。
P基板1上にスパッタリング法でTi膜を1000Å形
成した後、通常のフォトリソグラフィー法により周期Λ
ごとに幅W(分極反転層4の間隔となる)のストライプ
を10μmに渡ってKTP基板1のY伝播方向に形成し
てTiマスク3とする。その後、Rb/Tl/Baを含
むBa(NO3 )2 の溶液8の中にいれて360℃
で90min熱処理を行う。この熱処理とは、KTP基
板1を構成するKTiOPO4 結晶(KTP)をキュ
リー温度近くまで温度を上げて、一定方向にそろってい
る結晶の分極を部分的に反転させる処理である。この分
極反転のメカニズムとして考えられるのは、まず、イオ
ン交換によってRbイオンと交換され、イオン交換層の
K濃度が低減する。これによって、イオン交換層のキュ
リー点が低下する。つぎに、KTP基板1をKTiOP
O4 結晶のキュリー点とイオン交換層のKX Rb1
−X TOPO4 のキュリー点の間で熱処理するとイ
オン交換部分のみキュリー状態にすることができる。さ
らにイオン交換層内のイオンとKTP基板1内のイオン
の間で発生する電界によってキュリー状態にあるプロト
ン交換層の分極反転が逆転し、分極反転層4が形成され
る。
【0014】その後、Tiマスク3を酸により除去し、
導波路の両端面を光学研磨し波長変換素子を形成した。 上記のようにして製造された波長変換素子の動作につい
て説明する。光導波路に入射された基本波6は分極反転
層4において第二高調波に変換され、波長800nmの
基本波6を入射すると波長400nmの青色のSHG光
7を発生することができる。
導波路の両端面を光学研磨し波長変換素子を形成した。 上記のようにして製造された波長変換素子の動作につい
て説明する。光導波路に入射された基本波6は分極反転
層4において第二高調波に変換され、波長800nmの
基本波6を入射すると波長400nmの青色のSHG光
7を発生することができる。
【0015】この波長変換素子の分極反転層4の深さが
1μm,光導波路の深さが1μmと、基本波6の電磁界
のTMモードの深さ分布とを考えれば、十分にオーバー
ラップすることにより、高効率の波長変換が行われる。 実際に、波長800nm,出力40mWの半導体レーザ
の光を集光光学系により集光した基本波6を作製した波
長変換素子に入射した。導波路より、出射される基本波
6およびSHG光7をレンズでコリメートしパワーメー
タで測定した。その結果を図3に示す。図3は基本波6
の入力とSHG光7の出力との関係を示したものであり
、横軸は基本波入力の2乗、縦軸はSHG光出力である
。1次の分極反転周期の波長変換素子にウけるSHG光
7の出力は1mWであり、このときの変換効率は250
%/W・cm2 という非常に高効率の波長変換が行わ
れた。また出射されたSHG光7をレンズ(NA=0.
8)で集光すると、スポットサイズ0.45μmの回折
限界まで絞ることができた。
1μm,光導波路の深さが1μmと、基本波6の電磁界
のTMモードの深さ分布とを考えれば、十分にオーバー
ラップすることにより、高効率の波長変換が行われる。 実際に、波長800nm,出力40mWの半導体レーザ
の光を集光光学系により集光した基本波6を作製した波
長変換素子に入射した。導波路より、出射される基本波
6およびSHG光7をレンズでコリメートしパワーメー
タで測定した。その結果を図3に示す。図3は基本波6
の入力とSHG光7の出力との関係を示したものであり
、横軸は基本波入力の2乗、縦軸はSHG光出力である
。1次の分極反転周期の波長変換素子にウけるSHG光
7の出力は1mWであり、このときの変換効率は250
%/W・cm2 という非常に高効率の波長変換が行わ
れた。また出射されたSHG光7をレンズ(NA=0.
8)で集光すると、スポットサイズ0.45μmの回折
限界まで絞ることができた。
【0016】以上のようにこの実施例によれば、KTP
基板1内にイオン注入法で光導波路を形成することによ
り、基本波6が基板内で導波モードとして閉じ込められ
る。光導波路の断面積が1μm×10μmと従来例の1
/10であるため、基本波のパワー密度が10倍に向上
する。その基本波6は低ロスで分極反転層を伝播するた
め高効率の波長変換が得られる。KTP基板1内に光導
波路の作製は前例未報告のもので、高速イオン注入によ
り低ロス光導波路が実現可能となった。
基板1内にイオン注入法で光導波路を形成することによ
り、基本波6が基板内で導波モードとして閉じ込められ
る。光導波路の断面積が1μm×10μmと従来例の1
/10であるため、基本波のパワー密度が10倍に向上
する。その基本波6は低ロスで分極反転層を伝播するた
め高効率の波長変換が得られる。KTP基板1内に光導
波路の作製は前例未報告のもので、高速イオン注入によ
り低ロス光導波路が実現可能となった。
【0017】さらに、イオン注入によりKTP基板1表
面より1μm以上の深さに低屈折率領域5を形成するこ
とにより、その低屈折率領域5と表面(空気)の間で高
屈折率が形成され、光導波路は低ロス,単一モード伝播
でSHG光7が出射されるので、SHG光7を回折限界
まで集光することも容易となった。なお、この実施例で
は、基板としてKTiOPO4 結晶(KTP)基板1
を用いたが、基板としてC板(結晶のC軸に垂直な面)
のKX Rb1−X TiOPO4 (0≦x≦1)結
晶であってもよい。
面より1μm以上の深さに低屈折率領域5を形成するこ
とにより、その低屈折率領域5と表面(空気)の間で高
屈折率が形成され、光導波路は低ロス,単一モード伝播
でSHG光7が出射されるので、SHG光7を回折限界
まで集光することも容易となった。なお、この実施例で
は、基板としてKTiOPO4 結晶(KTP)基板1
を用いたが、基板としてC板(結晶のC軸に垂直な面)
のKX Rb1−X TiOPO4 (0≦x≦1)結
晶であってもよい。
【0018】
【発明の効果】この発明の波長変換素子およびその製造
方法は、基板内に低屈折率領域を形成して光導波路を設
けたことにより、基本波の閉じ込めが非常に良くなり、
光導波路内でのパワー密度が伝播するにつれて減衰しな
いため、非常に高効率の波長変換が得られる。また、イ
オン注入法により形成された光導波路は低ロス、単一モ
ード伝播でSHG光(高調波)が出射されるので、SH
G光を回折限界まで集光することも容易となる。
方法は、基板内に低屈折率領域を形成して光導波路を設
けたことにより、基本波の閉じ込めが非常に良くなり、
光導波路内でのパワー密度が伝播するにつれて減衰しな
いため、非常に高効率の波長変換が得られる。また、イ
オン注入法により形成された光導波路は低ロス、単一モ
ード伝播でSHG光(高調波)が出射されるので、SH
G光を回折限界まで集光することも容易となる。
【図1】この発明の一実施例の波長変換素子の構成図で
ある。
ある。
【図2】同実施例の波長変換素子の製造方法を示す工程
断面図である。
断面図である。
【図3】同実施例の波長変換素子の出力特性を示した図
である。
である。
【図4】従来の波長変換素子の構成図である。
1 KTP基板
2 O+ イオン
3 Tiマスク
4 分極反転層
5 低屈折率領域
6 基本波
7 第二高調波(SHG光)
W 分極反転層の間隔
Λ 周期
Claims (2)
- 【請求項1】 誘電体の基板と、この基板内に形成し
た低屈折率領域と、この低屈折率領域上に周期Λで周期
的に非線形分極が反転している分極反転層を有する光導
波路とを備え、前記分極反転層の周期Λが、前記光導波
路を導波する波長がλの基本光に対する実効屈折率N1
と前記光導波路を導波する波長がλ/2の高調波に対
する実効屈折率N2 に対して、Λ=λ/2(N2 −
N1 )の関係を満足し、かつ、前記分極反転層の間隔
Wが(Λ/2)<W<Λの関係を満足する波長変換素子
。 - 【請求項2】 結晶のC軸に垂直な面で切り出した誘
電体の基板内にイオン注入により低屈折率領域を形成す
る工程と、前記誘電体の基板表面にストライプ状のマス
クを形成する工程と、前記誘電体の基板表面の非マスク
部分から前記誘電体の基板内をイオン交換する工程と、
前記誘電体の基板を熱処理し分極反転層を形成する工程
とを含む波長変換素子の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3146231A JPH04368921A (ja) | 1991-06-18 | 1991-06-18 | 波長変換素子およびその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3146231A JPH04368921A (ja) | 1991-06-18 | 1991-06-18 | 波長変換素子およびその製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04368921A true JPH04368921A (ja) | 1992-12-21 |
Family
ID=15403077
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3146231A Pending JPH04368921A (ja) | 1991-06-18 | 1991-06-18 | 波長変換素子およびその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH04368921A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002525648A (ja) * | 1998-09-14 | 2002-08-13 | イギリス国 | 光導波路の製造 |
-
1991
- 1991-06-18 JP JP3146231A patent/JPH04368921A/ja active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002525648A (ja) * | 1998-09-14 | 2002-08-13 | イギリス国 | 光導波路の製造 |
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