JP2014092612A - Ｋｌｔｎ光デバイスおよびｋｌｔｎ光デバイスの封止方法 - Google Patents

Abstract

【課題】KLTN結晶１０２中へ空気中の水分が取り込まれることを防ぐことによって、長期的に安定して動作するKLTN光デバイスを提供すること。
【解決手段】本発明に係るKLTN光デバイスは、KLTN結晶１０２と、KLTN結晶１０２に電圧を印加するための電極１０３とを備える。KLTN結晶１０２および電極１０３は、絶縁材料１０１で覆われているので、電圧印加時に空気中の水分がKLTN結晶１０２中に取り込まれるのを防ぐことができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、KLTN光デバイスおよびKLTN光デバイスの封止方法に関する。より詳細には、本発明は、KLTN結晶中に水分が入らないようにするために絶縁体を取り付けるKLTN光デバイスおよびKLTN光デバイスの封止方法に関する。

Ｋ_1-yＬｉ_yＴａ_1-xＮｂ_xＯ₃（０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜１、本明細書ではKLTNと略称される）結晶は、電界の大きさに応じて屈折率が変化する電気光学効果が非常に大きい。従って、KLTN結晶を用いることで、光偏向器、可変焦点レンズなどの光デバイスを高効率に実現することが可能である。

光偏向器は、KLTN結晶にオーミック接触するような電極材料を取り付けて電圧を印加する光デバイスである。KLTN結晶にオーミック接触するような電極材料を取り付けて電圧を印加すると結晶中へ電荷が注入され、KLTN結晶は空間電荷制限状態となる。空間電荷制限状態では電界強度が空間分布を持つため、電気光学効果により空間的な屈折率の分布が発生し、その結果光偏向が実現される（例えば、特許文献１を参照）。

可変焦点レンズは、KLTN結晶にショットキー接触するような電極材料を取り付けて電圧を印加する光デバイスである。電極の配置の仕方によって結晶中に電界分布を発生させ、電気光学効果により屈折率の分布を発生させることによりレンズ効果を持たせるが、屈折率の変化量が電圧によって変化するため、焦点距離が可変なレンズを実現できる（例えば、特許文献２を参照）。

国際公開第２００６／１３７４０８号パンフレット 特開２０１０−２２４０４４号公報

しかしながら、光偏向器または可変焦点レンズなどのKLTN光デバイスへの電圧印加を継続すると、特に大きな電界がかかる電極の淵付近から、空気中の水分がKLTN結晶中へ取り込まれてしまい、光デバイスの特性が変化してしまうという問題があった。

本発明は、このような問題を鑑みてなされたものである。本発明の目的は、KLTN結晶中へ空気中の水分が取り込まれることを防ぐことによって、長期的に安定して動作するKLTN光デバイスを提供することにある。

本発明は、Ｋ_1-yＬｉ_yＴａ_1-xＮｂ_xＯ₃（０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜１、KLTN）結晶と、KLTN結晶に電圧を印加するための電極対とを備えたKLTN光デバイスであって、KLTN結晶と、電極対の各々の一部とを覆うように絶縁材料が取り付けられていることを特徴とする。

本発明は、Ｋ_1-yＬｉ_yＴａ_1-xＮｂ_xＯ₃（０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜１、KLTN）結晶と、KLTN結晶に電圧を印加するための電極対とを備えたKLTN光デバイスであって、KLTN結晶と、電極対の各々との間に絶縁材料が取り付けられていることを特徴とする。

本発明は、Ｋ_1-yＬｉ_yＴａ_1-xＮｂ_xＯ₃（０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜１、KLTN）光デバイスを封止する方法であって、KLTN結晶に電極対を取り付けるステップと、KLTN結晶と、電極対の各々の一部とを絶縁材料で覆うステップとを備えたことを特徴とする。

本発明は、Ｋ_1-yＬｉ_yＴａ_1-xＮｂ_xＯ₃（０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜１、KLTN）光デバイスを封止する方法であって、KLTN結晶を絶縁材料で覆うステップと、絶縁材料で覆われたKLTN結晶に電極対を取り付けるステップとを備えたことを特徴とする。

本発明の一実施形態において、絶縁材料は、SiO₂、SiN、Si₃N₄、Ta₂O₅、もしくはHfO₂、エポキシ樹脂もしくはフェノール樹脂、またはセラミックスである。

本発明に係るKLTN光デバイスでは、KLTN光デバイスへ絶縁材料を取り付けることで、空気中の水分がKLTN結晶中に取り込まれてデバイスの特性が変化してしまうのを防ぐ。これにより、KLTN光デバイスを長期的に安定して動作させることが可能となる。

本発明の一実施形態に係るKLTN光スキャナの構成の説明図である。 図１中の断面線Ａ−Ａ’における断面図である。 本発明の一実施形態に係るKLTN光スキャナの構成の説明図である。 図３中の断面線Ｂ−Ｂ’における断面図である。 本発明の一実施形態に係るKLTN可変焦点レンズの構成の説明図である。 図５中の断面線Ｃ−Ｃ’における断面図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、本明細書では、同一の参照番号は、同一の構成要素を指し示すので留意されたい。

図１に、本発明の一実施形態に係るKLTN光スキャナを上から見た上面図を示す。また、図２に、図１中の断面線Ａ−Ａ’における断面図を示す。

図１および図２に示すように、KLTN結晶１０２には、KLTN結晶１０２とオーミック接触するような電極１０３が取り付けられている。KLTN結晶１０２の全体（電極１０３が取り付けられた部分を除く）と、電極１０３の一部との周りを絶縁材料１０１で覆い、これによって電圧印加時に空気中の水分がKLTN結晶１０２中に取り込まれるのを防いでいる。絶縁材料１０１として、セラミックスを使用することができ、SiO₂、SiN、Si₃N₄、Ta₂O₅、もしくはHfO₂を使用することができ、またはエポキシ樹脂もしくはフェノール樹脂を使用することができる。また、電気的な接触を確保するために、KLTN光スキャナは、絶縁材料の窓１０４を備えており、その窓を介して電圧の印加を行う。

図１および図２に示したKLTN光スキャナでは、KLTN結晶１０２の全体（電極１０３が取り付けられた部分を除く）を絶縁材料１０１で覆った。しかし、空気中の水分は電界が大きいところから取り込まれるので、電界が特に大きい電極の淵を覆うだけでもよい。

図３に、本発明の一実施形態に係る電極の淵だけを絶縁材料で覆った構造を持つKLTN光スキャナを上から見た上面図を示す。また、図４に、図３中の断面線Ｂ−Ｂ’における断面図を示す。

図３および図４に示すように、KLTN結晶１０２には、KLTN結晶１０２とオーミック接触するような電極１０３が取り付けられている。電極の淵の部分を絶縁材料１０１で覆い、これによって電圧印加時に空気中の水分がKLTN結晶１０２中に取り込まれるのを防ぐ。

これまでの説明では、KLTN光デバイスがKLTN光スキャナの場合の構造について説明したが、KLTN光デバイスがKLTN可変焦点レンズの場合も同様に、本発明を適用することができる。具体的には、KLTN可変焦点レンズに対し、絶縁材料に窓を設ける方法と、電極の淵を絶縁材料で覆う方法とを適用できる。ただし、KLTN可変焦点レンズでは、２組の電極対が必要とされ、かつ、電極の材料はKLTN結晶とショットキー接触するような材料を用いる必要がある。

図５に、本発明の一実施形態に係るKLTN可変焦点レンズを上から見た上面図を示す。また、図６に、図５中の断面線Ｃ−Ｃ’における断面図を示す。

KLTN可変焦点レンズは、電極から電子を注入する必要がないので図５および図６に示すような構成としてもよい。具体的には、KLTN結晶と電極との間に絶縁材料を設けてもよい。KLTN結晶１０２の周りを覆うように絶縁材料１０１を取り付け、絶縁材料１０１の上から電極１０３を取り付ける。絶縁材料１０１として、セラミックスを使用することができ、SiO₂、SiN、Si₃N₄、Ta₂O₅、もしくはHfO₂を使用することができ、またはエポキシ樹脂もしくはフェノール樹脂を使用することができる。KLTN結晶１０２と電極１０３との間に設けられた絶縁材料１０１によってKLTN結晶１０２中への電子の注入は抑制されるため、電極１０３の材料は導電性を示すものであれば何でもよい。

KLTN結晶の比誘電率をε_r、厚みをdとし、絶縁材料の比誘電率をε_r’、厚みをd’とすると、KLTNにかかる電圧Ｖと絶縁材料にかかる電圧Ｖ’（上下の絶縁材料にかかる電圧の合計）は以下の（式１）の関係を満たすこととなる。
Ｖ’=2×（ε_r/ε_r’）×（d’/d）×Ｖ （式１）

よって、絶縁材料部分での電圧降下Ｖ’を小さくするために、絶縁材料は誘電率が大きい材料が好ましい。

（実施例１）
図１、図２で示したような構成のKLTN光スキャナを作製したので、以下に説明する。

KLTN結晶１０２のサイズは、図１の長手方向に4.00mm、幅方向に3.20mmとし、図２の厚み方向（紙面上下方向）に1.00mmとした。

電極１０３のサイズは夫々、図１の長手方向に3.20mm、幅方向に3.15mmとした。電極１０３は、KLTN結晶１０２と接触するようにチタンを、そのチタンに積層するように白金と金とを蒸着することにより作製した。チタンがKLTN結晶１０２と接触することで電極１０３とKLTN結晶１０２はオーミック接触となり、電圧印加により電荷が注入されて光偏向する。

絶縁材料１０１としては、1.0μm厚のSiO₂をスパッタリングで取り付けた。

絶縁材料の窓１０４は、電極１０３の中心を中心とする半径1.00mmの円とした。

KLTN結晶は35℃で強誘電相から常誘電相へ相転移するものを使用した。使用したKLTN結晶は、40℃において常誘電相であり、その比誘電率は17500であった。この温度40℃において絶縁材料の窓１０４から電気的な接触をとり、300Ｖの電圧を印加した。図１に示すKLTN結晶１０２の長手方向に平行にレーザー光を入射すると、電圧が0Ｖのときから1.8°偏向した。この電圧を印加した状態を１年以上継続しても、同じ電圧においての偏向角の変動は１％以内であった。

（実施例２）
図３、図４で示したような構成のKLTN光スキャナを作製したので、以下に説明する。

KLTN結晶１０２のサイズは、図３の長手方向に4.00mm、幅方向に3.20mmとし、図４の厚み方向（紙面上下方向）に1.00mmとした。

電極１０３のサイズは夫々、図３の長手方向に3.20mm、幅方向に2.80mmとした。電極１０３は、KLTN結晶１０２と接触するようにチタンを、そのチタンに積層するように白金と金とを蒸着することにより作製した。チタンがKLTN結晶１０２と接触することで電極１０３とKLTN結晶１０２はオーミック接触となり、電圧印加により電荷が注入されて光偏向する。

絶縁材料１０１としては1.0μm厚のSiO₂をスパッタリングで取り付けた。絶縁材料１０１のサイズは、図３の長手方向に3.40mm、幅方向に3.00mmとし、その中心に図３の長手方向に3.00mm、幅方向に2.60mmの窓１０４（絶縁材料がない領域）を設けた。

KLTN結晶は35℃で強誘電相から常誘電相へ相転移するものを使用した。使用したKLTN結晶は、40℃において常誘電相であり、その比誘電率は17500であった。この温度40℃において絶縁材料の窓１０４から電気的な接触をとり、300Ｖの電圧を印加した。図３に示すKLTN結晶１０２の長手方向に平行にレーザー光を入射すると、電圧が0Ｖのときから1.8°偏向した。この電圧を印加した状態を１年以上継続しても、同じ電圧においての偏向角の変動は１％以内であった。

（実施例３）
図５、図６で示したような構成のKLTN可変焦点レンズを作成したので、以下に説明する。

KLTN結晶１０２のサイズは、図５おいて7.0mm×7.0mmとし、図６の厚み方向（紙面上下方向）に4.0mmとした。KLTN結晶１０２の周りには厚さ200nmの絶縁材料１０１を取り付けた。絶縁材料１０１として、HfO₂を用いた。絶縁材料１０１を、ECR（電子サイクロトン共鳴）スパッタ装置で取り付けた。

４つの電極１０３のサイズは夫々、図５の長手方向に6.5mm、幅方向に0.8mmとし、電極１０３の形状を帯状にした。同一面上の電極１０３同士の間隔は4.0ｍｍとした。電極１０３は、絶縁材料１０１と接触するようにチタンを、そのチタンに積層するように白金と金とを蒸着することにより作製した。絶縁材料１０１がKLTN結晶１０２と電極１０３との間にあるので、電圧を印加しても結晶中に電荷が注入されることはない。

KLTN結晶は36℃で強誘電相から常誘電相へ相転移するものを使用した。使用したKLTN結晶は、40℃において上下電極間に常誘電相であり、その比誘電率は20000であった。この温度40℃において、図６の左側の電極対は下の電極の電位に対して上の電極の電位が2200Ｖとなるように、右側の電極対は下の電極の電位に対して上の電極の電位が-2200Ｖとなるように電圧を印加した。この状態で、図６の左から右に電極面と平行にコリメートされたレーザー光を入射すると、結晶から18cmのところに焦点をもつようなシリンドリカル凸レンズ効果を示した。この電圧を印加した状態を１年以上継続しても、同じ電圧においての焦点距離の変動は１％以内であった。

101 絶縁材料
102 KLTN結晶
103 電極
104 絶縁材料の窓

Claims (6)

1. Ｋ_1-yＬｉ_yＴａ_1-xＮｂ_xＯ₃（０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜１、KLTN）結晶と、
   前記KLTN結晶に電圧を印加するための電極対と
   を備えたKLTN光デバイスであって、
   前記KLTN結晶と、前記電極対の各々の一部とを覆うように絶縁材料が取り付けられていることを特徴とするKLTN光デバイス。
2. Ｋ_1-yＬｉ_yＴａ_1-xＮｂ_xＯ₃（０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜１、KLTN）結晶と、
   前記KLTN結晶に電圧を印加するための電極対と
   を備えたKLTN光デバイスであって、
   前記KLTN結晶と、前記電極対の各々との間に絶縁材料が取り付けられていることを特徴とするKLTN光デバイス。
3. 前記絶縁材料は、SiO₂、SiN、Si₃N₄、Ta₂O₅、もしくはHfO₂、エポキシ樹脂もしくはフェノール樹脂、またはセラミックスであることを特徴とする請求項１または２に記載のKLTN光デバイス。
4. Ｋ_1-yＬｉ_yＴａ_1-xＮｂ_xＯ₃（０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜１、KLTN）光デバイスを封止する方法であって、
   KLTN結晶に電極対を取り付けるステップと、
   前記KLTN結晶と、前記電極対の各々の一部とを絶縁材料で覆うステップと
   を備えたことを特徴とするKLTN光デバイスを封止する方法。
5. Ｋ_1-yＬｉ_yＴａ_1-xＮｂ_xＯ₃（０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜１、KLTN）光デバイスを封止する方法であって、
   KLTN結晶を絶縁材料で覆うステップと、
   前記絶縁材料で覆われた前記KLTN結晶に電極対を取り付けるステップと
   を備えたことを特徴とするKLTN光デバイスを封止する方法。
6. 前記絶縁材料は、SiO₂、SiN、Si₃N₄、Ta₂O₅、もしくはHfO₂、エポキシ樹脂もしくはフェノール樹脂、またはセラミックスであることを特徴とする請求項４または５に記載のKLTN光デバイスを封止する方法。

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