JP4663578B2 - Electro-optic element and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、電気光学素子およびその製造方法に関し、より詳細には、電気光学結晶を用いて電気信号により光の方向を変える電気光学素子およびその製造方法に関する。 The present invention relates to an electro-optical element and a manufacturing method thereof, and more particularly to an electro-optical element that changes the direction of light by an electric signal using an electro-optical crystal and a manufacturing method thereof.
現在、プロジェクターをはじめとする映像機器、レーザプリンタ、高分解能な共焦点顕微鏡、バーコードリーダ等において、レーザ光を偏向するための光制御素子に対する要求が高まっている。光を偏向する技術として、ポリゴンミラーを回転させる技術、ガルバノミラーにより光の偏向方向を制御する技術、音響光学効果を利用した光回折技術、MEMS(Micro Electro Mechanical System)と呼ばれるマイクロマシーン技術が提案されている。 Currently, there is an increasing demand for light control elements for deflecting laser light in projectors and other video equipment, laser printers, high-resolution confocal microscopes, barcode readers, and the like. Proposed technologies to deflect light include a technology that rotates a polygon mirror, a technology that controls the deflection direction of light with a galvanometer mirror, a light diffraction technology that uses the acousto-optic effect, and a micromachine technology called MEMS (Micro Electro Mechanical System). Has been.
ポリゴンミラーは、多面体の形状を有するミラーを機械的に回転させ、レーザ光の反射方向を連続的に変化させて光を偏向させる。ポリゴンミラーを用いた方法は、機械的な回転を利用している。そのため、回転速度に制限があり、10000rpm以上の回転数を得ることは困難とされており、高速動作が必要な応用には適さないという欠点があった。ポリゴンミラーを用いた方法が、レーザプリンタのレーザ光の偏向に利用されており、ポリゴンミラーの回転速度は、プリンタの印刷速度の高速化においてボトルネックとなっている。プリンタの印刷速度をさらに向上させるためには、より高速な光偏向技術が求められる。 The polygon mirror mechanically rotates a mirror having a polyhedral shape, and deflects light by continuously changing the reflection direction of laser light. The method using a polygon mirror uses mechanical rotation. For this reason, the rotational speed is limited, and it is difficult to obtain a rotational speed of 10,000 rpm or more, and there is a drawback that it is not suitable for applications requiring high-speed operation. A method using a polygon mirror is used for deflection of laser light of a laser printer, and the rotational speed of the polygon mirror is a bottleneck in increasing the printing speed of the printer. In order to further improve the printing speed of the printer, a higher speed light deflection technique is required.
ガルバノミラーは、レーザ光を偏向走査するレーザスキャナ等に利用されている。従来の実用的なガルバノミラーは、例えば、磁界中に配置する可動コイルの代わりになる可動鉄片と、その周囲に2つの永久磁石と4つの磁極を設けた磁性体とにより磁路を構成している。この磁性体に巻回した駆動コイルに流す電流の大小及び方向によって、磁極間の磁束を変化させることにより、可動鉄片を介して反射鏡を揺動させ、レーザ光を偏向走査する。ガルバノミラーを用いた方法は、ポリゴンミラーよりも高速な動作が可能である。しかし、従来のガルバノミラーは、駆動コイルが機械巻き等であることから今以上に小型化することが難しい。従って、ガルバノミラーを用いたレーザスキャニングシステム、このシステムを用いるレーザ応用機器のより一層の小型化が難しい。また、消費電力が大きいという欠点があり、さらにはMHz単位の周期で高速動作させることができない。 Galvano mirrors are used in laser scanners that deflect and scan laser light. A conventional practical galvanometer mirror has a magnetic path composed of, for example, a movable iron piece that replaces a movable coil disposed in a magnetic field, and a magnetic body provided with two permanent magnets and four magnetic poles around it. Yes. By changing the magnetic flux between the magnetic poles according to the magnitude and direction of the current flowing through the drive coil wound around the magnetic body, the reflecting mirror is oscillated through the movable iron piece, and the laser beam is deflected and scanned. The method using the galvanometer mirror can operate at a higher speed than the polygon mirror. However, it is difficult to reduce the size of the conventional galvanometer mirror further because the drive coil is mechanically wound. Therefore, it is difficult to further reduce the size of a laser scanning system using a galvano mirror and a laser application device using this system. In addition, there is a disadvantage that the power consumption is large, and furthermore, it cannot be operated at a high speed in a cycle of MHz.
音響光学効果を利用した光回折型の光偏向器も実用化されている。しかし、この光回折型の光偏向器を用いた方法は、消費電力が大きく、小型化が困難であり、また大きい偏向角や高速動作が得られにくいという欠点がある。また、MEMSを用いた方法は、光偏向素子として微細なミラーを静電的に駆動するため、数十μsecの応答が限界である。 An optical diffractive optical deflector utilizing the acousto-optic effect has also been put into practical use. However, this method using a light diffraction type optical deflector has the disadvantages of high power consumption, difficulty in miniaturization, and difficulty in obtaining a large deflection angle and high speed operation. Also, the method using MEMS has a limit of a response of several tens of microseconds because a fine mirror is electrostatically driven as an optical deflection element.
上記の課題を解決する手段として、プリズム形状に加工した電気光学結晶、またはプリズム形状の電極を作製した電気光学結晶を用いてビームを偏向させる技術が開発されている(例えば、特許文献1および特許文献2参照)。電気光学結晶の電極に電圧を印加すると、電気光学効果により屈折率を変化させることができる。プリズム形状に作製した電極を用いる方法は、電気光学結晶内に屈折率が変化している領域と、電圧が印加されておらず屈折率が変化していない領域とを作り出す。これら2つの領域の境界にできる屈折率差によりビームが偏向され、偏向角を得る。
As means for solving the above problems, a technique for deflecting a beam using an electro-optic crystal processed into a prism shape or an electro-optic crystal produced with a prism-shaped electrode has been developed (for example,
電気光学結晶を用いた方法は、電気光学効果の速度限界まで応答可能であり、GHzを超える応答が可能となる。これまでに、電気光学結晶を用いた光偏向素子として、LiNbO3(以下、LN結晶という)、PLZTを用いた報告がある。しかしながら、LN結晶を用いた素子では、電気光学効果が小さいため、5kV/mm程度の電圧を印加しても3mrad程度の偏向角しか得られないという欠点がある。更に、PLZTを用いた素子においても、20kV/mmの印加電界に対して45mrad程度の偏向角が限界である(例えば、非特許文献1参照)。 The method using the electro-optic crystal can respond to the speed limit of the electro-optic effect, and a response exceeding GHz is possible. To date, there have been reports using LiNbO 3 (hereinafter referred to as LN crystal) and PLZT as an optical deflection element using an electro-optic crystal. However, since an element using an LN crystal has a small electro-optic effect, there is a drawback that only a deflection angle of about 3 mrad can be obtained even when a voltage of about 5 kV / mm is applied. Furthermore, even in an element using PLZT, a deflection angle of about 45 mrad with respect to an applied electric field of 20 kV / mm is a limit (for example, see Non-Patent Document 1).
しかしながら、従来の方法では、個々のプリズム領域の電気光学効果による屈折率変化は小さく、その屈折率変化による偏向角も小さい。従って、従来の方法において大きい偏向角を得るためには、複数のプリズムを配置する必要があった。しかしながら、複数のプリズムを配置した場合、光が大きな入射角でプリズムに入射すると、所望の解像度が得られないという問題があった。 However, in the conventional method, the refractive index change due to the electro-optic effect of each prism region is small, and the deflection angle due to the refractive index change is also small. Therefore, in order to obtain a large deflection angle in the conventional method, it is necessary to arrange a plurality of prisms. However, when a plurality of prisms are arranged, there is a problem that a desired resolution cannot be obtained when light enters the prism at a large incident angle.
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、ビームの偏向を効率的に大きくすることができ、簡便な構成からなる電気光学素子およびその製造方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to provide an electro-optical element having a simple configuration and a manufacturing method thereof that can efficiently increase the deflection of the beam. There is to do.
本発明は、このような目的を達成するために、請求項1に記載の電気光学素子は、電気光学効果を有するK 1−y Li y Ta 1−x Nb x O 3 (0<x<1、0≦y<1)である電気光学結晶と、前記電気光学結晶の内部に電界を発生させる、正極と負極とからなる電極対であって、該電極対の間に電圧を印加すると、前記電気光学結晶の内部にキャリアが注入される、電極対と、前記電気光学結晶の結晶の成長方向と平行に圧力を印加する圧力印加手段であって、前記圧力により前記電気光学結晶の内部応力が緩和される、圧力印加手段とを備えたことを特徴とする。 In order to achieve such an object, the electro-optical element according to the present invention has an electro-optic effect of K 1-y Li y Ta 1-x Nb x O 3 (0 <x <1 , 0 ≦ y <1), and an electrode pair consisting of a positive electrode and a negative electrode that generates an electric field inside the electro-optic crystal, and when a voltage is applied between the electrode pair, A carrier is injected into the electro-optic crystal, and a pressure applying means for applying a pressure parallel to a growth direction of the crystal of the electro-optic crystal , wherein the internal stress of the electro-optic crystal is caused by the pressure. And a pressure applying means that is relaxed .
前記圧力印加手段は、前記電界の方向と垂直に圧力を印加することが好ましく、さらに、1×106Pa以上の圧力を印加することが好ましい。 The pressure applying means preferably applies a pressure perpendicular to the direction of the electric field, and further preferably applies a pressure of 1 × 10 6 Pa or more.
請求項4に記載の発明は、請求項1、2または3に記載の前記電極対は、前記電気光学結晶の電気伝導に寄与するキャリアに対してオーミック接触となる材料からなることを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, the electrode pair according to the first, second, or third aspect is made of a material that is in ohmic contact with a carrier that contributes to electric conduction of the electro-optic crystal. .
請求項1ないし4のいずれかに記載の前記電気光学結晶の比誘電率は、500以上40000以下であることを特徴とする。
The relative permittivity of the electro-optical crystal according to any one of
前記電気光学結晶の電気伝導に寄与するキャリアが電子のとき、前記電極対の材料は、仕事関数が5.0eV未満であることが好ましく、前記電極対の材料は、Cs、Rb、K、Sr、Ba、Na、Ca、Li、Y、Sc、La、Mg、As、Ti、Hf、Zr、Mn、In、Ga、Cd、Bi、Ta、Pb、Ag、Al、V、Nb、Zn、Sn、B、Hg、Cr、Si、Sb、W、Mo、Cu、Fe、Ru、Os、Te、Re、Be、Rhのいずれかである。また、前記電極対の材料は、ITO、ZnOのいずれかにすることもできる。 When the carriers contributing to the electrical conduction of the electro-optic crystal are electrons, the material of the electrode pair preferably has a work function of less than 5.0 eV, and the material of the electrode pair is Cs, Rb, K, Sr. Ba, Na, Ca, Li, Y, Sc, La, Mg, As, Ti, Hf, Zr, Mn, In, Ga, Cd, Bi, Ta, Pb, Ag, Al, V, Nb , Zn, One of Sn, B, Hg, Cr, Si, Sb, W, Mo, Cu, Fe, Ru, Os, Te, Re, Be, and Rh. The material of the electrode pair may be either ITO or ZnO.
前記電気光学結晶の電気伝導に寄与するキャリアが正孔のとき、前記電極対の材料は、仕事関数が5.0eV以上であることが好ましく、前記電極対の材料は、Co、Ge、Au、Pd、Ni、Ir、Pt、Seのいずれかである。 When the carriers contributing to the electric conduction of the electro-optic crystal are holes, the material of the electrode pair preferably has a work function of 5.0 eV or more, and the material of the electrode pair is Co, Ge, Au, One of Pd, Ni, Ir, Pt, and Se.
請求項11に記載の発明は、電気光学効果を有する電気光学結晶の内部に電界を発生させる、正極と負極とからなる電極対であって、該電極対の間に電圧を印加することにより前記電気光学結晶の内部にキャリアを注入するための電極対を、前記電気光学結晶の対向する面に形成する工程であって、前記電気光学結晶は、K 1−y Li y Ta 1−x Nb x O 3 (0<x<1、0≦y<1)である、第1の工程と、前記電気光学結晶の結晶の成長方向と平行に圧力を印加する工程であって、前記圧力により前記電気光学結晶の内部応力が緩和される、第2の工程とを備えたことを特徴とする電気光学素子の製造方法である。
The invention according to
前記圧力印加工程は、前記電界の方向と垂直に圧力を印加することが好ましく、さらに、1×106Pa以上の圧力を印加することが好ましい。 In the pressure application step, it is preferable to apply a pressure perpendicular to the direction of the electric field, and it is preferable to apply a pressure of 1 × 10 6 Pa or more.
以上説明したように、本発明によれば、電気光学結晶の結晶の成長方向と平行に圧力を印加するので、結晶の内部応力を緩和することにより、電圧の印加を止めた後に残る屈折率分布を抑制することができ、ビームの偏向を効率的に大きくし、高速に応答させることができ、簡便な構成からなる電気光学素子を作製することが可能となる。 As described above, according to the present invention, since the pressure is applied in parallel with the crystal growth direction of the electro-optic crystal, the refractive index distribution remaining after the voltage application is stopped by relaxing the internal stress of the crystal. Therefore, it is possible to efficiently increase the deflection of the beam and to respond at high speed, and it is possible to manufacture an electro-optic element having a simple configuration.
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。本発明の実施形態にかかる電気光学素子は、電気光学結晶の内部に電荷を生じさせることにより、電気光学結晶に印加する電圧の印加方向に電界の傾斜を生じさせる。電気光学結晶中に電界の傾斜を生じさせる方法としては、結晶の高電界電気伝導に伴う空間電荷の発生を用いることができる。ここでいう高電界電気伝導とは、電圧と電流の関係がオームの法則からはずれ、電流が電圧に対して非線形に増大する空間電荷制限状態にある領域における電気伝導をいう。この空間電荷制限状態にある領域では、電極から注入される電流に対して結晶内のバルク電流が小さい場合、結晶内に空間電荷が形成される。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The electro-optical element according to the embodiment of the present invention generates an electric charge in the electro-optical crystal by causing an electric charge to be generated inside the electro-optical crystal. As a method for generating an electric field gradient in the electro-optic crystal, generation of space charges accompanying high electric field electric conduction of the crystal can be used. High electric field conduction here refers to electric conduction in a region in a space charge limited state where the relationship between voltage and current deviates from Ohm's law and the current increases nonlinearly with respect to voltage. In this space charge limited region, space charge is formed in the crystal when the bulk current in the crystal is smaller than the current injected from the electrode.
この電気光学結晶の内部に生じた電界の傾斜により、入射するビームの光軸に対して垂直な断面における電気光学効果による屈折率の変化量に傾斜を生じさせ、上記電界の傾斜に応じた屈折率の傾斜が生じる。屈折率の傾斜により、ビームの光軸に対して垂直な断面上の光の進行速度分布に傾斜を生じさせる。結果として、光が結晶中を伝搬する間、光の進行方向は、屈折率の傾斜に応じて連続的に変化させられ、偏向角を累積することになる。これにより、大きな偏向角を簡便な構成で得ることができる。 The inclination of the electric field generated inside the electro-optic crystal causes the change in refractive index due to the electro-optic effect in the cross section perpendicular to the optical axis of the incident beam to be refracted according to the inclination of the electric field. A rate slope occurs. The inclination of the refractive index causes an inclination in the traveling speed distribution of light on a cross section perpendicular to the optical axis of the beam. As a result, while the light propagates through the crystal, the light traveling direction is continuously changed according to the gradient of the refractive index, and the deflection angle is accumulated. Thereby, a large deflection angle can be obtained with a simple configuration.
図1に、結晶内部の電荷による電界傾斜の発生原理を示す。図1(a)および(b)に示すいずれの素子も、正極2と負極3とで平行に挟まれた、電気光学結晶1を備えている。また、図1(c)および(d)に、縦軸を負極3から正極2への距離とし、横軸を電気光学結晶1内の電界の強さとするグラフを示す。図1(a)は、電気光学結晶1内に空間電荷が存在せず、電界が一定の場合を示す。この場合、正極2と負極3との間の全空間にわたって電界は一定である。一方、図1(b)は、電気光学結晶1内の空間電荷によって空間電荷制限状態が発生した場合を示す。空間電荷制限状態では、電気光学結晶1内に発生した空間電荷によって電界が終端され、電気光学結晶1内の電界分布に傾斜が生じる。この空間電荷は、電気光学結晶1の組成によって正電荷および負電荷のどちらか一方、または正電荷および負電荷の両方であり得る。
FIG. 1 shows the principle of the generation of an electric field gradient due to charges inside the crystal. Each of the elements shown in FIGS. 1A and 1B includes an electro-
図2に、本発明の一実施形態にかかる光の偏向の原理を示す。図2において、x軸方向は、電気光学結晶1の厚さ方向(図1における正極2から負極3に、または負極3から正極2に向かう方向)である。電気光学結晶1の厚さ方向(x軸方向)に線形に変化する屈折率n(x)を、x=0における屈折率をnとし、xにおける屈折率nからの屈折率の変化量をΔn(x)として、n(x)=n+Δn(x)とする。光軸に対して垂直な断面における直径がDであるビームが、電気光学結晶1の中を通過する場合、ビームの上端と下端とでの屈折率差は、Δn(D)−Δn(0)で与えられる。ビームが通過する屈折率に傾斜がある部分の長さ、すなわち相互作用長Lとすると、長さLを伝搬後のビームの上端と下端とでの等位相面4にはずれ5が生じる。その上端と下端との等位相面4のずれ5の距離は、次式で与えられる。
FIG. 2 shows the principle of light deflection according to an embodiment of the present invention. In FIG. 2, the x-axis direction is the thickness direction of the electro-optic crystal 1 (the direction from the
このときビームの伝搬方向6の傾きθは、ずれ5の量がビームの光軸に対して垂直な断面における直径より十分小さいとすると次式となる。
At this time, if the inclination θ of the
これが電気光学結晶1の端面から屈折率が1と近似できる外部に出射すると、電気光学結晶1と外部との境界面で屈折し、入射光の光軸からのトータルの偏向角は次式となる。
When this is emitted from the end face of the electro-
ここで電気光学効果による屈折率の変化を考える。電気光学効果による屈折率の変化は一次のポッケルス効果、2次のカー効果においてそれぞれ次式で与えられる。 Here, a change in refractive index due to the electro-optic effect is considered. The change in the refractive index due to the electro-optic effect is given by the following equations for the first-order Pockels effect and the second-order Kerr effect, respectively.
ここで、rijは1次の電気光学定数、sijは2次の電気光学定数、Eは結晶内部の電界を表す。 Here, r ij is a primary electro-optic constant, s ij is a secondary electro-optic constant, and E is an electric field inside the crystal.
結晶中に電荷を生じさせ、その電荷により電極から発した電界を接地電極に到達する前に終端することによって電界が結晶の厚さ方向で変化している場合で、その電界がE(x)で表されるとすると、偏向角θは次式となる。 When the electric field is changed in the thickness direction of the crystal by generating an electric charge in the crystal and terminating the electric field generated by the electric charge before reaching the ground electrode, the electric field is E (x) Is expressed by the following equation.
これらの式は電界E(x)がxに依存して変化している場合には、ゼロでない偏向角を得ることが可能であることを示している。 These equations show that a non-zero deflection angle can be obtained if the electric field E (x) varies depending on x.
図1の(b)のように、空間電荷制限状態にある厚さdの電気光学結晶1に正極2と接地された負極3との間に電圧Vを印加すると、以下の式で表される電界Eの空間分布が現れる。
As shown in FIG. 1B, when a voltage V is applied between the
ここでxは、負極から対向する正極に向かう方向における負極と接する電気光学結晶1の側面からの位置であり、x0は電気光学結晶と電極の物質により決まる定数である。
Here, x is a position from the side surface of the electro-
ここで、電界Eを以下の式で近似すると、 Here, when the electric field E is approximated by the following equation,
電気光学効果を通じて誘起される屈折率変化Δnは、一次のポッケルス効果、二次のポッケルス効果の場合において、式(4)、(5)に式(8)を代入することによって、以下の式で与えられる。 The refractive index change Δn induced through the electro-optic effect can be expressed by the following equation by substituting equation (8) into equations (4) and (5) in the case of the primary Pockels effect and the secondary Pockels effect. Given.
したがって式(6)、(7)、(10)、(11)から偏向角θ(x)は次式となる。 Therefore, from the equations (6), (7), (10), and (11), the deflection angle θ (x) becomes the following equation.
以上より、電気光学結晶の内部に電荷を生じさせることにより、結晶に外部から印加した電圧によって発生する結晶内部の電界に傾斜を生じさせ、その電界の傾斜を利用して電気光学効果によりビームを偏向させることが可能である。 As described above, by generating an electric charge inside the electro-optic crystal, a gradient is generated in the electric field generated by the voltage applied to the crystal from the outside, and the beam is generated by the electro-optic effect using the gradient of the electric field. It is possible to deflect.
ポッケルス効果によってビームを偏向させる場合は、ビームの位置に依存して偏向角が変化する素子を実現する。一方、カー効果を利用してビームを偏向させる場合には、ビームの位置に関わらず偏向角が一定の素子を実現することができる。ビームの偏向角を大きくするためには、電気光学定数rijもしくはsijが大きい電気光学結晶を用いることが望ましい。そのような電気光学定数の大きい電気光学結晶としては、たとえば大きなポッケルス定数rijを有する強誘電相のKLTN結晶、大きなカー定数sijを有する常誘電相のKLTN結晶が挙げられる。KLTN結晶とは、K1-yLiyTa1-xNbxO3(0<x<1、0<y<1)なる結晶である。 When the beam is deflected by the Pockels effect, an element whose deflection angle changes depending on the position of the beam is realized. On the other hand, when the beam is deflected using the Kerr effect, an element having a constant deflection angle can be realized regardless of the position of the beam. In order to increase the beam deflection angle, it is desirable to use an electro-optic crystal having a large electro-optic constant r ij or s ij . Examples of such an electro-optic crystal having a large electro-optic constant include a ferroelectric phase KLTN crystal having a large Pockels constant r ij and a paraelectric phase KLTN crystal having a large Kerr constant s ij . The KLTN crystal is a crystal of K 1-y Li y Ta 1-x Nb x O 3 (0 <x <1, 0 <y <1).
その他に電気光学定数の大きい電気光学結晶としては、LiNbO3、LiTaO3、LiIO3、KNbO3、KTiOPO4、BaTiO3、SrTiO3、Ba1-xSrxTiO3(0<x<1)、Ba1-xSrxNb2O6(0<x<1)、Sr0.75Ba0.25Nb2O6、Pb1-yLayTi1-xZrxO3(0<x<1、0<y<1)、Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3、KH2PO4、KD2PO4、(NH4)H2PO4、BaB2O4、LiB3O5、CsLiB6O10、GaAs、CdTe、GaP、ZnS、ZnSe、ZnTe、CdS、CdSe、およびZnOの電気光学結晶が挙げられる。
Other electro-optic crystals having a large electro-optic constant include LiNbO 3 , LiTaO 3 , LiIO 3 , KNbO 3 , KTiOPO 4 , BaTiO 3 , SrTiO 3 , Ba 1-x Sr x TiO 3 (0 <x <1), Ba 1-x Sr x Nb 2 O 6 (0 <x <1), Sr 0.75 Ba 0.25 Nb 2
(結晶の内部応力)
KLTN結晶には常に内部応力がはたらき、その向きは、結晶の成長方向に対して垂直である。KLTN結晶は、核となる小さな結晶(種結晶)から大きな結晶へと成長する過程で、組成が変化する。このため、格子定数の異なる結晶が1つの個体の中で発生し、応力歪が結晶の成長方向と垂直に発生する。以下、結晶の組成が変化する原理を説明する。
(Internal stress of crystal)
An internal stress always acts on the KLTN crystal, and its direction is perpendicular to the crystal growth direction. The composition of the KLTN crystal changes in the process of growing from a small crystal (seed crystal) serving as a nucleus to a large crystal. For this reason, crystals having different lattice constants are generated in one individual, and stress strain is generated perpendicular to the crystal growth direction. Hereinafter, the principle of changing the crystal composition will be described.
図3は、KTN単結晶の成長時の熱平衡図である。KTN結晶は、KLTN結晶の一種であり、Liを含まない(上述の組成式においてy=0、KTa1-xNbxO3(0<x<1)結晶である。横軸は、組成xであり、Nbのモル数のTaとNbの合計モル数に対する比である。縦軸は、温度である。KTNを含むKLTN結晶は、原料を混合して電気炉等で加熱融解した後、冷却して、核となる種結晶から結晶を成長させる。 FIG. 3 is a thermal equilibrium diagram during the growth of a KTN single crystal. The KTN crystal is a kind of KLTN crystal and does not contain Li (y = 0 in the above composition formula, KTa 1-x Nb x O 3 (0 <x <1) crystal. The horizontal axis represents the composition x. The ratio of the number of moles of Nb to the total number of moles of Ta and Nb is the vertical axis is the temperature, and the KLTN crystal containing KTN is cooled after mixing the raw materials and heating and melting them in an electric furnace or the like. Then, a crystal is grown from the seed crystal serving as a nucleus.
最初に、原料の組成がxlであったとする。この原料を加熱融解し、冷却すると、温度T0で液相線に達する。一方、固相線上の温度T0における組成xsが、融液と平衡する固体の組成である。最初に成長する結晶の組成は、この組成xsである。組成xsにおける固体は、融液よりもTaを高い比率で含むため、融液からTaよりもNbの減少する割合が高く、その結果、融液の組成は組成xの大きい方へ変化する。 First, assume that the composition of the raw material is xl . When this raw material is heated and melted and cooled, it reaches the liquidus at temperature T 0 . On the other hand, the composition x s at the temperature T 0 on the solidus is a solid composition in equilibrium with the melt. The composition of the first growing crystal is the composition x s. Since the solid in the composition x s contains Ta at a higher ratio than the melt, the ratio of Nb decreasing from the melt is higher than that of the Ta. As a result, the composition of the melt changes to the larger composition x.
融液の組成xlがΔxlだけ増加すると、xl+Δxlにおける液相線の温度は、ΔTだけ低くなる。従って、このままでは結晶の成長が止まってしまう。そこで、結晶の成長を継続するためには、組成xl+Δxlにおける温度T0−ΔTまで下げる必要がある。このようにして結晶を成長させると、温度の継続的な低下によって、結晶が成長するにつれて、融液の組成は、液相線に沿って変化していく。従って、析出する結晶の組成は、固相線に沿ってNb濃度が高い組成へと変化していく。 If the composition x l of the melt is increased by [Delta] x l, the temperature of the liquidus in the x l + [Delta] x l is, [Delta] T only lower. Therefore, crystal growth stops if this condition is maintained. Therefore, in order to continue crystal growth, it is necessary to lower the temperature to T 0 -ΔT at the composition x 1 + Δx 1 . When the crystal is grown in this way, the composition of the melt changes along the liquidus line as the crystal grows due to the continuous decrease in temperature. Therefore, the composition of the precipitated crystals changes to a composition having a high Nb concentration along the solid phase line.
一方、室温でのKTN結晶の格子定数は、Nb濃度が高いほど大きい。成長した結晶の内部では、時間的に先に成長した部分よりも、後に成長した部分の方がNb濃度が高い。従って、後に成長した部分の格子定数の方が大きく、圧縮応力を受けて歪むことになる。応力の方向は、結晶の成長方向に対して垂直である。 On the other hand, the lattice constant of the KTN crystal at room temperature increases as the Nb concentration increases. Within the grown crystal, the portion grown later has a higher Nb concentration than the portion grown earlier in time. Therefore, the lattice constant of the later grown portion is larger and is distorted by receiving compressive stress. The direction of the stress is perpendicular to the crystal growth direction.
KTN結晶は、温度領域によって立方晶、正方晶、斜方晶、菱面体晶と、その相を変えるが、電気光学効果の大きさは、立方晶の場合が最も大きい。立方晶では、理論的に光学的な異方性はないが、上述した歪みにより、結晶格子のTaやNbなどのイオンが変位し、結晶屈折率が変化して、複屈折を生ずる。以上の説明では、KTN結晶を例に説明したが、KLTN結晶についても同様のことが当てはまる。 The KTN crystal changes its phase from cubic, tetragonal, orthorhombic and rhombohedral depending on the temperature range, but the electro-optic effect is the largest in the case of cubic. In a cubic crystal, there is theoretically no optical anisotropy, but ions such as Ta and Nb in the crystal lattice are displaced due to the strain described above, and the crystal refractive index is changed to cause birefringence. In the above description, the KTN crystal has been described as an example, but the same applies to the KLTN crystal.
上述した空間電荷制限状態における空間電荷は、電気光学結晶内の自由キャリア(電子または正孔)からなる。これら自由キャリアは、電気光学結晶に印加する電圧を切ると、瞬時に拡散し、電極から外部に放出される。空間電荷制限状態が瞬時に消失すれば、光ビームの偏向も瞬時に消失すると考えられる。ところが、上述した結晶の内部応力が存在すると、KLTN結晶内にイオンの変位による分極が誘起され、電圧の印加によって発生した分極と相互作用し、自由キャリアをその場に束縛してしまう。束縛されたキャリアは、電圧の印加を止めた後も空間電荷を形成したまま残り、屈折率の分布も残ったまま、偏向角がゼロに戻らない。偏向角は、早ければ数分で消失するが、遅いときには1日を要する場合も有る。従って、光ビーム偏向器として用いた場合に、過去の偏向状態の影響を受け、偏向角と印加電圧とを1対1に対応させることができない。 The space charge in the space charge limited state described above consists of free carriers (electrons or holes) in the electro-optic crystal. When the voltage applied to the electro-optic crystal is turned off, these free carriers are instantaneously diffused and emitted from the electrode to the outside. If the space charge limited state disappears instantaneously, it is considered that the deflection of the light beam also disappears instantaneously. However, when the above-described internal stress of the crystal exists, polarization due to ion displacement is induced in the KLTN crystal, interacts with the polarization generated by the application of voltage, and binds free carriers to the field. The constrained carriers remain in the form of space charges after the application of voltage is stopped, the refractive index distribution remains, and the deflection angle does not return to zero. The deflection angle disappears in a few minutes at the earliest, but it may take one day when it is late. Therefore, when used as a light beam deflector, the deflection angle and the applied voltage cannot be made to correspond one-to-one due to the influence of the past deflection state.
そこで、本実施形態においては、結晶の外部から圧力をかけることにより、内部応力を緩和することにより、電圧の印加を止めた後に残る屈折率分布を抑制する。上述したように、内部応力は、結晶の成長方向に対して垂直である。結晶の成長方向と平行に圧力を加えると、これと垂直な方向には、結晶を膨張させる力が働き、内部応力を緩和することができる。また、外部から電気光学結晶に印加した電圧によって発生した電界と、内部応力との向きが同じ場合には、上述した相互作用が起こりやすいので、電界と垂直な方向に圧力をかけることも、残留する屈折率分布を抑制するために有効である。 Therefore, in this embodiment, by applying pressure from the outside of the crystal, the internal stress is relaxed, thereby suppressing the refractive index distribution remaining after the voltage application is stopped. As described above, the internal stress is perpendicular to the crystal growth direction. When pressure is applied in parallel with the crystal growth direction, a force that expands the crystal acts in a direction perpendicular to the crystal growth direction, and internal stress can be relaxed. In addition, when the direction of the electric field generated by the voltage applied to the electro-optic crystal from the outside and the internal stress are the same, the above-mentioned interaction is likely to occur, so it is also possible to apply pressure in a direction perpendicular to the electric field. This is effective for suppressing the refractive index distribution.
なお、電気光学結晶に圧力を加えたまま使用してもよいが、一旦圧力をかければ、その後に圧力を取り除いても効果は持続するので、光素子の作製工程の一部に加圧工程を加えるだけでもよい。また、結晶の材料にもよるが、印加する圧力を1×106Pa以上とすると、電圧を切った直後の屈折率の分布が、圧力をかけていない状態の半分以下に小さくなるので、内部応力の影響を緩和することができる。 The electro-optic crystal may be used with pressure applied, but once the pressure is applied, the effect will persist even after the pressure is removed. Just add. Although depending on the crystal material, if the applied pressure is 1 × 10 6 Pa or more, the refractive index distribution immediately after the voltage is turned off is reduced to less than half of the state where no pressure is applied. The influence of stress can be reduced.
ここでは、光ビーム偏向器を例に説明したが、他の用途の電気光学素子にも適用することができる。電気光学結晶に圧力を印加することは、電気光学結晶内に残留する空間電荷を抑制することができるので、空間電荷制限状態を積極的に利用する光ビーム偏向器には有効である。一方、偏向を利用しない、すなわち偏向により特性が劣化してしまう光強度変調素子においても、残留する空間電荷が発生する場合もある。従って、電気光学結晶に圧力を印加することにより、電圧を切った時点で速やかに空間電荷を消失させ、屈折率の分布を、電圧を印加する前の状態に戻すことができる。 Here, the light beam deflector has been described as an example, but the present invention can also be applied to electro-optic elements for other purposes. Applying pressure to the electro-optic crystal can suppress the space charge remaining in the electro-optic crystal, and thus is effective for a light beam deflector that actively uses the space charge limited state. On the other hand, even in a light intensity modulation element that does not use deflection, that is, its characteristics deteriorate due to deflection, residual space charge may be generated. Therefore, by applying pressure to the electro-optic crystal, the space charge can be quickly lost when the voltage is turned off, and the refractive index distribution can be returned to the state before the voltage is applied.
(電極材料の仕事関数)
次に、式(8)に注目すると、x0は電極から電気光学結晶へのキャリアの注入効率に依存する量であり、x0が小さいほど注入効率が高くなる。x0が小さくできれば、正極と負極との間の電界の差が大きくなり、それに伴い屈折率の傾斜も大きくなることから、ビームの偏向を効率的に大きくすることができる。
(Work function of electrode material)
Next, paying attention to Equation (8), x 0 is an amount that depends on the efficiency of carrier injection from the electrode to the electro-optic crystal, and the smaller the x 0, the higher the injection efficiency. If small x 0, the difference of the electric field between the positive electrode and the negative electrode becomes large, since the greater inclination of the refractive index with it, it is possible to increase the deflection of the beam efficiently.
図4は、x0と電界Eの空間分布との関係を示す図である。また、図5に、カー効果による屈折率変化Δnの分布を示す。KLTN結晶からなる屈折率2.2の電気光学結晶を用いて、正負電極間の距離0.5mm、電極長さ5.0mmとした。印加電圧は、100Vであり、2次の電気光学定数sijは、2.85×1015m2/V2である。x0=0のとき、屈折率の傾斜が最も大きくなることがわかる。x0=0とは、図3のx=0のとき、負極において電界が0であることからも分かるように、電極と電気光学結晶とが理想的なオーミック接触であればよい。 FIG. 4 is a diagram showing the relationship between x 0 and the spatial distribution of the electric field E. FIG. 5 shows the distribution of the refractive index change Δn due to the Kerr effect. An electro-optic crystal having a refractive index of 2.2 made of KLTN crystal was used, and the distance between the positive and negative electrodes was 0.5 mm and the electrode length was 5.0 mm. The applied voltage is 100 V, 2-order electrooptic constant s ij is 2.85 × 10 15 m 2 / V 2. It can be seen that when x 0 = 0, the gradient of the refractive index becomes the largest. x 0 = 0 may be an ideal ohmic contact between the electrode and the electro-optic crystal, as can be seen from the fact that the electric field is 0 at the negative electrode when x = 0 in FIG.
KLTN結晶からなる電気光学結晶を、縦6mm×横5mm×厚さ0.5mmに切り出し、縦5mm×横4mmの電極を対向する面に取り付ける。KLTN結晶において電気伝導に寄与するキャリアは電子である。電極材料は、Ti、Cr、Au、Ptの4種類を用意する。正負電極間に100Vの電圧を印加したとき、縦方向に進行する光の偏向角度を測定する。 An electro-optic crystal composed of a KLTN crystal is cut into a length of 6 mm, a width of 5 mm, and a thickness of 0.5 mm, and an electrode having a length of 5 mm and a width of 4 mm is attached to the opposing surface. Carriers that contribute to electrical conduction in KLTN crystals are electrons. Four types of electrode materials, Ti, Cr, Au, and Pt, are prepared. When a voltage of 100 V is applied between the positive and negative electrodes, the deflection angle of light traveling in the vertical direction is measured.
図6に、電極材料の仕事関数と偏向角との関係を示す。図中の点線Aは、電子の注入効率が最大のときの偏向角、すなわち図3に示したx=0のときの偏向角である。従って、電極材料が、Ti、Crの場合には、理想的なオーミック接触が実現され、注入効率が最大となる。電極材料の仕事関数が大きくなるにつれて、ショットキー接触に近づき、キャリアの注入効率は減少する。このことから、電気光学結晶の電気伝導に寄与するキャリアが電子の場合には、電極材料の仕事関数は、5.0eV未満であることが好ましい。従って、電気光学結晶の電気伝導に寄与するキャリアが正孔の場合には、電極材料の仕事関数は、5.0eV以上であることが好ましい。 FIG. 6 shows the relationship between the work function of the electrode material and the deflection angle. The dotted line A in the figure is the deflection angle when the electron injection efficiency is maximum, that is, the deflection angle when x = 0 shown in FIG. Therefore, when the electrode material is Ti or Cr, ideal ohmic contact is realized and the injection efficiency is maximized. As the work function of the electrode material increases, the Schottky contact is approached and the carrier injection efficiency decreases. From this, when the carrier contributing to the electric conduction of the electro-optic crystal is an electron, the work function of the electrode material is preferably less than 5.0 eV. Therefore, when the carrier contributing to the electric conduction of the electro-optic crystal is a hole, the work function of the electrode material is preferably 5.0 eV or more.
仕事関数が5.0eV未満の電極材料として、Cs(2.14)、Rb(2.16)、K(2.3)、Sr(2.59)、Ba(2.7)、Na(2.75)、Ca(2.87)、Li(2.9)、Y(3.1)、Sc(3.5)、La(3.5)、Mg(3.66)、As(3.75)、Ti(3.84)、Hf(3.9)、Zr(4.05)、Mn(4.1)、In(4.12)、Ga(4.2)、Cd(4.22)、Bi(4.22)、Ta(4.25)、Pb(4.25)、Ag(4.26)、Al(4.28)、V(4.3)、Nb(4.3)、Ti(4.33)、Zn(4.33)、Sn(4.42)、B(4.45)、Hg(4.49)、Cr(4.5)、Si(4.52)、Sb(4.55)、W(4.55)、Mo(4.6)、Cu(4.65)、Fe(4.7)、Ru(4.71)、Os(4.83)、Te(4.95)、Re(4.96)、Be(4.98)、Rh(4.98)のいずれかを用いることができる。()内は仕事関数を示す。また、上記材料を複数用いた合金であってもよい。例えば、Tiの単層電極は酸化して高抵抗になるので、一般的には、Ti/Pt/Auを積層した電極を用いて、Tiの層と電気光学結晶とを接合させる。さらに、ITO(Indium Tin Oxide)、ZnOなどの透明電極を用いることもできる。 As an electrode material having a work function of less than 5.0 eV, Cs (2.14), Rb (2.16), K (2.3), Sr (2.59), Ba (2.7), Na (2 .75), Ca (2.87), Li (2.9), Y (3.1), Sc (3.5), La (3.5), Mg (3.66), As (3. 75), Ti (3.84), Hf (3.9), Zr (4.05), Mn (4.1), In (4.12), Ga (4.2), Cd (4.22). ), Bi (4.22), Ta (4.25), Pb (4.25), Ag (4.26), Al (4.28), V (4.3), Nb (4.3) , Ti (4.33), Zn (4.33), Sn (4.42), B (4.45), Hg (4.49), Cr (4.5), Si (4.52), Sb (4.55), W (4.55), Mo (4. ), Cu (4.65), Fe (4.7), Ru (4.71), Os (4.83), Te (4.95), Re (4.96), Be (4.98) , Rh (4.98) can be used. Figures in parentheses indicate work functions. Further, an alloy using a plurality of the above materials may be used. For example, since a Ti single-layer electrode is oxidized and becomes high resistance, generally, a Ti layer and an electro-optic crystal are bonded using an electrode in which Ti / Pt / Au is laminated. Furthermore, transparent electrodes such as ITO (Indium Tin Oxide) and ZnO can also be used.
仕事関数が5.0eV以上の電極材料として、Co(5.0)、Ge(5.0)、Au(5.1)、Pd(5.12)、Ni(5.15)、Ir(5.27)、Pt(5.65)、Se(5.9)を用いることができる。また、上記材料を複数用いた合金であってもよい。 As an electrode material having a work function of 5.0 eV or more, Co (5.0), Ge (5.0), Au (5.1), Pd (5.12), Ni (5.15), Ir (5 .27), Pt (5.65), Se (5.9) can be used. Further, an alloy using a plurality of the above materials may be used.
(電気光学結晶の誘電率)
図7に、電気光学結晶の比誘電率と偏向角との関係を示す。KLTN結晶からなる電気光学結晶を、縦6mm×横5mm×厚さ0.5mmに切り出し、縦5mm×横4mmの電極を対向する面に取り付ける。電極材料は、Crとする。正負電極間に200V/mmの電界を印加したとき、縦方向に進行する光の偏向角度を測定する。このとき、電気光学結晶の温度を変化させて、誘電率を変化させながら測定した結果を示す。
(Dielectric constant of electro-optic crystal)
FIG. 7 shows the relationship between the relative dielectric constant of the electro-optic crystal and the deflection angle. An electro-optic crystal composed of a KLTN crystal is cut into a length of 6 mm, a width of 5 mm, and a thickness of 0.5 mm, and an electrode having a length of 5 mm and a width of 4 mm is attached to the opposing surface. The electrode material is Cr. When an electric field of 200 V / mm is applied between the positive and negative electrodes, the deflection angle of light traveling in the vertical direction is measured. At this time, the measurement result is shown while changing the dielectric constant by changing the temperature of the electro-optic crystal.
偏向角は、正極と負極の屈折率変化量の差、すなわち図5に示した直線の傾きに比例する。屈折率変化量は、2次の電気光学効果の場合、誘電率の2乗に比例する。従って、偏向角は、比誘電率の2乗に比例するので、図7に示した実測値を、2次関数でフィッティングした結果を合わせて示す。また、2次の電気光学効果の場合、屈折率変化量は、印加電界の2乗に比例するので、図7に示した結果をもとに、印加電界を変化させたときの偏向角の比誘電率依存性を図8に示す。 The deflection angle is proportional to the difference in refractive index change between the positive electrode and the negative electrode, that is, the slope of the straight line shown in FIG. In the case of a secondary electro-optic effect, the refractive index change amount is proportional to the square of the dielectric constant. Accordingly, since the deflection angle is proportional to the square of the relative dielectric constant, the result of fitting the actual measurement value shown in FIG. 7 with a quadratic function is also shown. In the case of the secondary electro-optic effect, the refractive index change amount is proportional to the square of the applied electric field. Therefore, based on the result shown in FIG. 7, the ratio of the deflection angles when the applied electric field is changed. The dielectric constant dependency is shown in FIG.
従来のLNからなるプリズムに、500V/mmの電界を印加したときの偏向角=0.3mradである。従って、比誘電率が500以上のKLTN結晶からなる電気光学結晶を空間電荷制限状態で用いれば、同じ印加電界で、同等の偏向角を得ることができる。また、比誘電率が10000を超えると、偏向角の比誘電率依存性は小さくなるので、電気光学結晶の比誘電率は、40000以下でよい。 A prism made of traditional LN, a deflection angle = 0.3 mrad upon application of an electric field of 500V / mm. Therefore, if an electro-optic crystal composed of a KLTN crystal having a relative dielectric constant of 500 or more is used in a space charge limited state, an equivalent deflection angle can be obtained with the same applied electric field. Further, when the relative dielectric constant exceeds 10,000, the dependency of the deflection angle on the relative dielectric constant becomes small, and therefore the relative dielectric constant of the electro-optic crystal may be 40000 or less.
図9に、比較のために従来の光ビーム偏向器を示す。光ビーム偏向器は、方形の電気光学結晶1の対向する面に、正極2と負極3とが形成されている。KLTN結晶からなる電気光学結晶1を、縦(z軸方向)6mm×横(x軸方向)5mm×厚さ(y軸方向)1mmに切り出し、縦5mm×横4mmの正極2と負極3とを対向する面に取り付ける。ここで、結晶の成長方向がx軸方向に平行となるようにし、y軸方向とz軸方向とに圧縮応力が存在するようにする。光ビームの進行方向をz軸方向に、電圧を印加する方向をy軸方向とする。
FIG. 9 shows a conventional light beam deflector for comparison. In the light beam deflector, a
図10に、従来の光ビーム偏向器の屈折率変化量の分布を示す。正負電極間に400Vの電圧を印加したとき、z軸方向に進行する光が感じる屈折率の分布を示す。縦軸は、電圧を印加しないときの屈折率に対する変化分であり、横軸は、正極からの距離を示す。電圧の印加によって、正極付近の屈折率が大きくマイナス方向に変化しているのに対して、負極付近ではほとんど変化していないことがわかる。すなわち、図4、5に示した理想的なオーミック接触(x0=0)が実現されていることがわかる。屈折率の傾きは、正極と負極の中間点で、1mm当たり7×10−3である。光の進行方向の電極長さは、5mmなので、光波面は厚さ1mm当たり35×10−3mmの割合で傾いている。従って、入射光の光軸からの偏向角は、35mradを得ることができる。 FIG. 10 shows the distribution of the refractive index variation of the conventional light beam deflector. When a voltage of 400 V is applied between the positive and negative electrodes, a refractive index distribution felt by light traveling in the z-axis direction is shown. The vertical axis represents the amount of change with respect to the refractive index when no voltage is applied, and the horizontal axis represents the distance from the positive electrode. It can be seen that with application of voltage, the refractive index near the positive electrode greatly changes in the negative direction, but hardly changes near the negative electrode. That is, it can be seen that the ideal ohmic contact (x 0 = 0) shown in FIGS. The gradient of the refractive index is 7 × 10 −3 per mm at the midpoint between the positive electrode and the negative electrode. Since the electrode length in the traveling direction of light is 5 mm, the light wavefront is inclined at a rate of 35 × 10 −3 mm per 1 mm thickness. Therefore, the deflection angle of the incident light from the optical axis can be 35 mrad.
一方、電圧を切った直後の屈折率の分布も、図10に併せて示す。正極から負極にわたってΔn=0とはならず、屈折率の分布が残ったままであることがわかる。この残留屈折率分布は、時間の経過とともに消失して、正極から負極にわたってΔn=0となるが、消失までにおよそ12分を要する。従って、高速の光ビーム偏向器として用いることはできない。 On the other hand, the refractive index distribution immediately after the voltage is turned off is also shown in FIG. It can be seen that Δn = 0 does not hold from the positive electrode to the negative electrode, and the refractive index distribution remains. This residual refractive index distribution disappears with time, and Δn = 0 from the positive electrode to the negative electrode, but it takes about 12 minutes to disappear. Therefore, it cannot be used as a high-speed light beam deflector.
図11に、本発明の実施例1にかかる光ビーム偏向器を示す。光ビーム偏向器は、方形の電気光学結晶1の対向する面に、正極2と負極3とが形成されている。KLTN結晶からなる電気光学結晶1を、縦(z軸方向)6mm×横(x軸方向)5mm×厚さ(y軸方向)1mmに切り出し、縦5mm×横4mmの正極2と負極3とを対向する面に取り付ける。本実施例のKLTN結晶の組成は、K0.99Li0.01Ta0.68Nb0.32O3である。測定温度20℃において、KLTN結晶は立方晶であり、比誘電率は12000である。電極材料は、Ti/Pt/Auとする。
FIG. 11 shows a light beam deflector according to the first embodiment of the present invention. In the light beam deflector, a
ここで、結晶の成長方向がx軸方向に平行となるようにし、y軸方向とz軸方向とに圧縮応力が存在するようにする。光ビームの進行方向をz軸方向に、電圧を印加する方向をy軸方向とする。電気光学結晶1は、凹型の筐体11の凹みの部分に載置され、凹みの一方の壁と押さえ板12により挟持される。押さえ板12をネジ13で、凹みの一方の壁に押し付けることにより、電気光学結晶1に圧力を加える。圧力は、結晶の成長方向と平行に、すなわちx軸方向に圧力を加える。
Here, the crystal growth direction is made parallel to the x-axis direction so that compressive stress exists in the y-axis direction and the z-axis direction. The traveling direction of the light beam is the z-axis direction, and the direction in which the voltage is applied is the y-axis direction. The electro-
図12に、本発明の実施例1にかかる光ビーム偏向器の屈折率変化量の分布を示す。正負電極間に400Vの電圧を印加したとき、z軸方向に進行する光が感じる屈折率の分布を示す。縦軸は、電圧を印加しないときの屈折率に対する変化分であり、横軸は、正極からの距離を示す。図10に示した圧力をかけていない状態、圧力=2×106Paをかけた状態、および圧力=4×106Paをかけた状態を示す。圧力をかけた状態では、電圧を切った直後の屈折率の分布が、圧力をかけていない状態より小さくなっており、圧力=4×106Paでは、正極から負極にわたってほぼΔn=0になっていることがわかる。このように、電気光学結晶1に圧力を加えることにより、電圧を切った直後に、屈折率の分布が残らないので、高速の光ビーム偏向器として用いることができる。
FIG. 12 shows the distribution of the refractive index change amount of the light beam deflector according to the first embodiment of the present invention. When a voltage of 400 V is applied between the positive and negative electrodes, a refractive index distribution felt by light traveling in the z-axis direction is shown. The vertical axis represents the amount of change with respect to the refractive index when no voltage is applied, and the horizontal axis represents the distance from the positive electrode. 10 shows a state where no pressure is applied, a state where pressure = 2 × 10 6 Pa is applied, and a state where pressure = 4 × 10 6 Pa is applied. In the state where pressure is applied, the refractive index distribution immediately after the voltage is turned off is smaller than in the state where pressure is not applied. At pressure = 4 × 10 6 Pa, Δn = 0 is almost obtained from the positive electrode to the negative electrode. You can see that In this way, by applying pressure to the electro-
図13に、本発明の実施例2にかかる光ビーム偏向器を示す。電気光学結晶1の構成は、図11に示した実施例1と同じである。ここで、結晶の成長方向がz軸方向に平行となるようにし、x軸方向とy軸方向とに圧縮応力が存在するようにする。光ビームの進行方向をz軸方向に、電圧を印加する方向をy軸方向とする。実施例2では、圧力は、結晶の成長方向と平行に、すなわちz軸方向に圧力を加える。
FIG. 13 shows a light beam deflector according to the second embodiment of the present invention. The configuration of the electro-
電気光学結晶1は、2つの凹型の筐体21a,21bの凹みの部分に載置され、凹みの一方の壁と押さえ板22a,22bにより挟持される。このとき、押さえ板22a,22bおよび凹みの一方の壁と、電気光学結晶1との間にそれぞれガラス板24a,24bを挿入し、光ビームの光路を確保する。押さえ板22a,22bをネジ23a,23bで、凹みの一方の壁に押し付けることにより、電気光学結晶1に圧力を加える。
The electro-
正負電極間に400Vの電圧を印加し、圧力=4×106Paをかけた状態では、電圧を切った直後の屈折率の分布が、圧力をかけていない状態より10分の1程度に小さくすることができる。 In a state where a voltage of 400 V is applied between the positive and negative electrodes and a pressure = 4 × 10 6 Pa is applied, the refractive index distribution immediately after the voltage is turned off is about 1/10 smaller than that in the state where no pressure is applied. can do.
1 電気光学結晶
2 正極
3 負極
11,21 筐体
12,22 押さえ板
13,23 ネジ
24 ガラス板
1 Electro-
Claims (13)
前記電気光学結晶の内部に電界を発生させる、正極と負極とからなる電極対であって、該電極対の間に電圧を印加すると、前記電気光学結晶の内部にキャリアが注入される、電極対と、
前記電気光学結晶の結晶の成長方向と平行に圧力を印加する圧力印加手段であって、前記圧力により前記電気光学結晶の内部応力が緩和される、圧力印加手段と
を備えたことを特徴とする電気光学素子。 An electro - optic crystal that has an electro-optic effect K 1-y Li y Ta 1-x Nb x O 3 (0 <x <1, 0 ≦ y <1) ;
An electrode pair consisting of a positive electrode and a negative electrode that generates an electric field inside the electro-optic crystal, and when a voltage is applied between the electrode pair, carriers are injected into the electro-optic crystal. When,
Pressure applying means for applying a pressure parallel to the crystal growth direction of the electro-optic crystal , wherein the internal stress of the electro-optic crystal is relieved by the pressure. Electro-optic element.
前記電気光学結晶の結晶の成長方向と平行に圧力を印加する工程であって、前記圧力により前記電気光学結晶の内部応力が緩和される、第2の工程と
を備えたことを特徴とする電気光学素子の製造方法。 An electrode pair composed of a positive electrode and a negative electrode that generates an electric field inside an electro-optic crystal having an electro-optic effect, and a carrier is injected into the electro-optic crystal by applying a voltage between the electrode pair. Forming an electrode pair on the opposing surfaces of the electro-optic crystal, wherein the electro-optic crystal comprises K 1-y Li y Ta 1-x Nb x O 3 (0 <x <1, is 0 ≦ y <1), the first step,
A step of applying a pressure parallel to the crystal growth direction of the electro-optic crystal , wherein the internal stress of the electro-optic crystal is relieved by the pressure. A method for manufacturing an optical element.
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