JP2934009B2

JP2934009B2 - 音響光学素子

Info

Publication number: JP2934009B2
Application number: JP28993490A
Authority: JP
Inventors: 貴史小川; 健一千野
Original assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Priority date: 1990-10-25
Filing date: 1990-10-25
Publication date: 1999-08-16
Anticipated expiration: 2014-08-16
Also published as: JPH04162015A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、音響光学変調器、音響光学偏向器、光周波
数シフタ等に用いられている素子であって、回折効率が
大きく、しかも、560〜700nmの波長範囲の光に対する透
過特性が優れた音響光学素子に関する。

［従来の技術］近年、光通信等の光エレクトロニクスシステムを構築
するに当たり、外部制御による信号によって、光の強
度、位相、進行方向、を夫々変化させる事が不可欠とな
って居り、この場合の制御方法としても様々な方法が採
られて居る。

この際に利用される半導体レーザー等の発光素子に於
いては、従来の電気スイッチに見られる様に、直接、変
調を重畳した電気信号を印加する事によっても光の変調
を得られるものであるが、実際的には、この様な方法で
なく、信号の切り替え速度に十分追従すると共に変調の
精度も遥かに高い、光の変調、偏向を利用した機器を使
用する必要度が高まって来て居る。

即ち、比較的低速で光を変調させようとする場合に
は、回転円盤、振動フォーク等を用いる事によって、容
易にその目的を達成する事が可能であり、また、光を偏
向させたい場合には、反射鏡や回折格子等を回転させた
り、振動させる事によって、その目的を達成する事が可
能である。

これらの機械的な光の変調法や偏向法は簡便であると
共に、その消光比が高い値を示す為、有効ではあるが、
これらの方法を用いて変調出来る光の周波数の上限は、
たかだか、数KHz程度のものであって、さらに広い周波
数領域に亘って、しかも、より早い速度で、光を変調し
たり、偏向させる必要のある場合には、機械的手段によ
らない装置の利用が必要となって来た。

この様な目的に適うものとして、音響光学による効果
を利用した音響光学変調、偏向装置が提示され、高速、
且つ、広帯域に亘った光を変調させたり、偏向させたり
する際の、制御に優れた装置として利用されて居る。

音響光学による効果を利用した音響光学変調、偏向装
置は、光学素子に機械的な応力を加える事によって発生
される歪みの大小によって、光学素子を通過する光の屈
折率に変化をもたらす光弾性効果に似て、その光学素子
に超音波を加える事によって、素子内に超音波振動に伴
う内部歪みを誘発させ、結果的に、素子内部に超音波の
波長に依存して、素子内を通過する光の屈折率が連続
的、且つ、周期的に、微小な変化を与える格子を形成さ
せ、これに伴って、素子内を通過する光の回折度を変化
させる事を可能にする効果を利用して、光の変調量や偏
向量を制御する様に設計された装置である。

これまでの所、音響光学による効果を利用した音響光
学変調、偏向装置に対して用いられる光学素子として
は、光の回折効率がより高められる材料を用いるといっ
た観点から、光の回折効率の高い材料である溶融石英、
LiNbO₃、TeO₂、PbMoO₄、等が挙げられている。

［本発明が解決しようとする課題］上記した材料に加えて、GaPの結晶も、それが示す光
の回折効率が高く、且つ、可視光領域をも含む幅広い波
長領域の光に対する透光性を示すと共に、元来、結晶自
体も良質である事から、大型形状の結晶が液体封止チョ
クラルスキー法によって制作可能であり、更に、GaPの
結晶は、その保有する硬度等の機械的特性が適している
為、切断や研磨等の加工も容易であって、音響光学素子
用の材料として優れた性能を示している。

特に、GaPの結晶は、1GHz以上の高周波領域に於い
て、超音波に対する吸収係数が比較的小さい値を示すた
め、高周波帯用の音響光学素子として利用される事が多
くなっている。

しかし乍、このGaPの結晶を素子として使用した音響
光学変調器や光偏向器に於いては、その光源として、63
3nmの波長を持ったHe−Neガスレーザや、780nm、また
は、830nmの波長を持った半導体レーザーが広く利用さ
れて居る。

一方、発明者等は、GaPの結晶が上記の様な波長を持
った光に対して一応の透光性を有しているものの、現状
にあって市場に供給されているGaPの結晶にあっては、G
aPの結晶格子内にあって、本来、Ga原子が存在している
べき位置にＰ原子が浸入している状態、即ち、Ｐのアン
チサイト欠陥に起因されて、600〜1000nmの波長領域に
て、光の吸収度が高くなっている事を見出し、1988年に
スエーデンで開催された第５回半絶縁性III−Ｖ材料国
際会議予稿集の133頁に報告している。

また、発明者等の測定結果によると、厚さが10mm程度
でアンドープ状態にあるGaPの結晶を対象とした場合に
は、633nmのHe−Neレーザー光の透過率は14％程度でし
かない。

以上の様な結果、GaPの結晶を音響光学素子として用
いる場合には、素子自体の示す光の回折性能指数は大き
いものの、結晶の持つ回折効率を十分に増大させるため
に、素子の厚さを大きく採ると、結晶自体による光の吸
収も大きくなってしまうという欠点があって、十分な強
度を持った回折光を得る為には、入射させる光の出力や
印加させる超音波の駆動電力を大幅に増加させなければ
ならず、その結果として、光を変調させたり、光を偏向
させる場合のエネルギー効率が下がってしまう事から、
その解決が急務とされていた。

本来、GaP化合物はエネルギーギャップが2.2evと高
く、可視領域までの透光性を示すものであるものの、Si
等を添加された場合には、この際に発生するイオン格子
欠陥により光子エネルギー吸収を生じて透過率を低下さ
せるものである。

本発明は、液体封止チョクラルスキー法等によって容
易に製造されているGaPの結晶に於いて、Ｐのアンチサ
イト欠陥が発生している場合には、適切な量の不純物を
添加する事によって、キャリア濃度を調節し、これに因
って、逆に、GaP結晶中の光の透過率を高める事を可能
にせんとするものである。

即ち、Ｐのアンチサイト欠陥に起因して、560〜700nm
の波長領域に於いて認められる様になる光の吸収効果を
低減させる方策を実施出来る素子を提供する事によっ
て、GaP結晶中を通過する際の該波長領域に於ける光の
透過率を向上させ、その結果、GaP結晶中を通過する際
の該波長領域に於ける光についての回折光の強度低下を
抑制し、光の透過特性に優れると共に、高性能、高品質
を保った音響光学素子を提供する事を目的とするもので
ある。

［課題を解決するための手段］本発明者等は、上記の目的を達成する為に、鋭意研究
を行った結果、本発明を完成させたものであって、以下
に、本発明の詳細を記述する。

即ち、本発明は、Siを0.05重量％から0.1重量％の範
囲でドープして得られているGaPの結晶について、その
キャリア濃度を２×10¹⁶cm^-3以上、10×10¹⁶cm^-3以下の
範囲に限定した素子を利用する事によって、入射光の波
長が560〜700nmの範囲にある光が素子内を透過する際
の、光の吸収量を低減する事を特徴とするものである。

［作用］ Siは、GaPの結晶中に存在するキャリアの濃度を高め
る役割を果たす為に添加されるものであって、これによ
って、GaP結晶の内部を光が通過する際の光の吸収量を
低減する。

Siをドープして得られたGaPの結晶について、そのキ
ャリア濃度を規定するのは、結晶に適正なキャリア濃度
を持たせる事によって、この結晶内を通過する光の透過
率を高めるためであり、Ｐのアンチサイト欠陥に起因し
てGaPの結晶の中で生じる光の吸収は、GaPの結晶中に存
在する不純物原子の種類並びにその濃度に大きく依存す
るのであり、特定の不純物原子を結晶中にドーピングす
る事によって、結晶中で励起されている電子と、価電子
帯内で同数の電子が入っていない状態の正孔との総和、
即ち、キャリア濃度を制御し、素子内を透過する際の、
光の吸収量を低減する事が可能となり、その結果、光の
透過特性に優れると共に、高性能、高品質を保った音響
光学素子の提供が可能になる。

この場合、キャリア濃度が２×10¹⁶cm^-3未満である
と、Ｐのアンチサイト欠陥にもとずく光の吸収を十分に
低減し得なくなってしまうからであり、さらに、キャリ
ア濃度が10×10¹⁶cm^-3を超えると、自由電子による光の
吸収が増加して来て、当該波長領域に於ける光の透過率
が劣化するからである。

尚、Siの添加量とキャリア濃度の間に特定の関係を見
出だす事は現在尚不能であって、この関係の解明は今後
に譲らねばならない。

［実施例］抵抗加熱方式の結晶引上げ装置を用い、B₂O₃を封止剤
として、液体封止チョクラルスキー法によりSiがドープ
されたGaPの結晶を育成した。

この場合の結晶育成条件としては、窒素ガス雰囲気
中、圧力60atm、成長速度8mm/hr、引上げ軸を＜100＞と
し、添加物としてのSi以外は外部からの不純物の混入を
避ける様に十分配慮しながら、Siの添加量と付加条件を
変動させる事によって、直径40mm、長さ40mmのSiがドー
プされたGaPの単結晶インゴットを、キャリア濃度が0.2
×10¹⁶cm^-3〜６×10¹⁶cm^-3となる様にして育成した。

この様にして育成され、Siが0.05重量％から0.10重量
％ドープされ、キャリア濃度が調整されたGaPの結晶イ
ンゴットから、切断面の面方位が（100）面となる様に
して、幅4mm、長さ4mm、厚さ0.3mmのウエハーを切り出
し、このウエハーの四角にInをはんだ付けした後、水素
雰囲気中で、450℃、５分間の加熱処理を施して電極と
した試片を用いて、ヴアン・デル・ポウ法によって求め
られたホール係数（Ｈ）と、電子の電荷量（ｑ）から次
式により、300゜Kに於けるキャリア濃度（Ｎ）を求め
た。

Ｎ＝1/qH また、前述の作業によって育成され、Siが0.05重量％
から0.1重量％の範囲でドープされて、且つ、キャリア
濃度が各種に調整されたGaP結晶インゴットから、面方
位（100）で囲まれた、幅10mm、長さ10mm、高さ10mmの
立方体を切り出し、この立方体の表面を光学的に歪みの
ない状態にまで十分に研磨した後、分光光度計を用い
て、波長領域555〜700nmの入射光について、入射光の光
度（I₀）と、夫々の立方体結晶試料内を光軸方向に通過
した場合の透過光の光度（Ｉ）を測定し、入射光の光度
（I₀）と、夫々の立方体結晶試料内を光軸方向に通過し
た場合の透過光の光度（Ｉ）と、結晶試料内を光軸方向
に通過した距離（ｄ）との関係から、次式により光の吸
収係数（α）を算出したところ、表１の様な結果が示さ
れた。

実施例１ Siを0.07重量％添加したGaP結晶について、キャリア
ー濃度が６×10¹⁶cm^-3の場合の吸収係数をみると、光の
波長が560nmの場合の吸収係数は2.3cm^-1であり、更に、
光の波長が700nmの場合の吸収係数は0.4cm^-1として示さ
れ、夫々、キャリアー濃度が16×10¹⁶cm^-3の場合に測定
された吸収係数の2.7cm^-1と、0.9cm^-1とに比べて、格段
の優位を示して居ると共に、光源に光の波長633nmのHe
−Neレーザを用いて測定した光の透過率はGaP結晶の厚
さ10mmにおいて、80％にも達して居り、キャリアー濃度
が16×10¹⁶cm^-3の素子について測定された値の40％に比
較して遥かに優れた透過率特性を有している事が立証さ
れた。

実施例２キャリア濃度を10×10¹⁶cm^-3とした以外は、全て実施
例１と同様な操作により測定した結果によると、光の波
長が560nmの場合の吸収係数は2.4cm^-1であり、更に、光
の波長が700nmの場合の吸収係数は0.5cm^-1として示さ
れ、夫々、キャリアー濃度が13×10¹⁶cm^-3の試料で測定
された場合の吸収係数2.8cm^-1と、0.7cm^-1とに比べて、
格段の優位を示していると共に、光源に光の波長633nm
のHe−Neレーザを用いて測定した光の透過率は70％にも
達しており、キャリアー濃度が13×10¹⁶cm^-3の試料で測
定された場合の素子について測定された値の40％に比較
して遥かに優れた透過率特性を発揮する事が立証され
た。

実施例３既に実施例１にて作成されて居て、Siが0.07重量％ド
ープされて居り、且つ、キャリア濃度が６×10¹⁶cm^-3で
あるGaPの結晶インゴットから、面方位（100）で囲まれ
た、幅10mm、長さ10mm、高さ10mmの立方体が切り出さ
れ、この立方体の表面を光学的に歪みのない状態にまで
十分に研磨された音響光学素子に対して、ZnO₂の薄膜を
トランデューサーとして取り付けた後、変調器ドライバ
ーを接続し、実行開口面の大きさが0.7mm×5.0mmである
結晶素子に対して、ビームサイズとして、直径が1mmで
あり、波長が633nmであるHe−Neレーザー光を入射し、
超音波搬送周波数が250MHzの状態でブラッグ回折を生じ
させ、光の偏向角を25mradとする回折光の強度を測定
し、入射光の強度と対比する事によって、音響光学素子
の回折効率を求めたところ、ドライバーの駆動電力が0.
8Wの場合には80％の値が得られた。

この値は、キャリアー濃度が13×10¹⁶cm^-3の試料で測
定された場合の値の30％に比較して、十分に優れた値を
示して居る。

比較例１キャリア濃度を0.2×10¹⁶cm^-3とした以外は、全て実
施例１と同様な操作により測定された結果によると、光
の波長が560nmの場合の吸収係数は3.0cm^-1であり、更
に、光の波長が700nmの場合の吸収係数は1.6cm^-1として
示され、何れも、実施例１の値を下回る物でしか無く、
満足の行く様な製品を手にする事は出来なかった。

比較例２キャリア濃度を16×10¹⁶cm^-3とした以外は、全て実施
例１と同様な操作により測定された結果によると、光の
波長が560nmの場合の吸収係数は2.7cm^-1であり、更に、
光の波長が700nmの場合の吸収係数は0.9cm^-1として示さ
れ、何れも、実施例１を下回る物でしか無く、満足の行
く様な製品を手にする事は出来なかった。

比較例３キャリアー濃度が13×10¹⁶cm^-3の試料について、実施
例３と同様な測定を行った場合、提示された回折光の回
折効率は50％でしか無かった。

［発明の効果］本発明によれば、560〜700nmの波長領域を対象とする
場合に、光の吸収が大きいために低位の回折効率しか示
せなかった音響光学素子に対して、光の吸収損を低減さ
せる事によって、光の回折効率を大幅に向上させる事に
成功した為、従来からあった音響光学素子利用の機器設
計上に於ける課題を一気に解決した事は、斯業界に寄与
するところ大なるものがある。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】SiがドーピングされたGaP半導体素子であ
って、300゜Kに於ける該素子のキャリア濃度が２×10¹⁶
cm^-3以上、10×10¹⁶cm^-3以下である事を特徴とする音響
光学素子。