JPH01284827A - 光変調素子及びその製造方法 - Google Patents

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。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は光変調素子に関するものである。

従来の技術 電気光学結晶を用いた光変調素子としては、従来、電気
光学結晶の対向する２面にアルミニウムなどの金属皮膜
を形成し、これらに同軸ケーブルなどを使って電圧を印
加することによって、電気光学結晶の屈折率を変化させ
、光波の位相を変調させたり、あるいはさらに、光波の
入力側と出力側に偏光子を置き、光波の強度変調を行う
方法がある。

また、超電導体として、ペロブスカイト系３元化合物は
高い転移温度が期待され、Ｂａ−Ｌａ−Ｃｕ−０系の高
温超電導体が提案された［　Ｊ　、Ｇ、Ｂｅｎｄｏｒｚ
　ａｎｄ　Ｋ、Ａ、Ｍｕｌｌｅｒ、　　ツァイト　シュ
リフトフェア　フィジーク）　　Ｃｏｎｄｅｎｓｅｄ　
Ｍａｔｔｅｒ　ｌ１ｉ４．１８９−１９３　（１９８Ｇ
）コ。さらに、Ｙ　　Ｂａ　　Ｃｕ　　Ｏ系がより高温
の超電導体であることが提案された［Ｍ、に、Ｗｕ等、
フィジカルレピューレターズ（Ｐｈｙｓ　ｌｅａ　ＩＲ
ｅｖｉｅｗ　Ｌｅｔｔｅｒｓ）　Ｖｏｌ、５８．Ｎｏ、
９，９０８−９１０（１９８７）］。

その後、新たにＢ１−３ｒ−Ｃａ−Ｃｕ−０系、Ｔ１−
Ｂａ−Ｃａ−Ｃｕ−○系の高温超電導材料の提案が成さ
れ、更に高い転移温度を有するものが報告されている。

これら金属酸化物材料の超電導機構の詳細は明らかでは
ないが、転移温度が液体窒素温度以上に高いものもあり
、高温超電導体として従来の金属ニオブ等を用いた２元
系化合物より、より有望な特性が期待される。

発明が解決しようとする課題 先に述べた方式の光変調素子では高周波信号で変調した
場合、変調信号の印加用端子の持つインダクタンスＬと
変調用電極の持つ容ｆｌｃとの共振特性で決まるＱ（ク
ォリティーファクタ［Ｑｕａｒｉｔｙ　ｆａｃｔｏｒ］
の略で、一般に、中心周波数／帯域幅で定義される）を
有する変調素子が得られる。しかし、電極部分にも信号
波による電流が流れるため、有限の導電率を持つ通常の
金属を電極や端子に用いた場合、発熱による変調電力の
損失を招く。これは、変調素子と端子間に直列に抵抗が
挿入されたことに等価的に等しく、変調素子のＱを低下
させる。特に、高い周波数領域では、表皮効果によって
電極部分での電力損失は極めて大きくなり、前述の等価
的な直列抵抗の値を増大させＱの低下量は著しくなる。

したがって、通常の金属を端子や電極に用いた場合、大
きなＱすなわち、高効率は変調を実現することは不可能
である。

このようなＱの低下は、電極や端子に導電率の大きな材
料を用いることによって、改善される。

電極や端子に超電導材料、例えば、従来から知られてい
るニオブやその合金などをを利用すれば、大きなＱを持
つ光変調素子が実現できる。

しかし、ニオブの超電導転移温度Ｔｃは９゜２にであり
、また、合金による超電導材料でも高々３０に程度の超
電導転移温度しか有していない。

したがって、これら、金属、或は合金を用いて、超電導
状態の端子及び電極を実現するためには、液体ヘリウム
を冷却剤として用いなければならない。このことは、実
際の応用を考える上で、極めて大きな問題であった。

また、　Ａ−Ｂ−Ｃｕ−０系、Ｂｌ−８ｒ−Ｃａ−Ｃｕ
−０系、あるいは、Ｔｌ−Ｂａ−Ｃａ−Ｃｕ−０系の材
料は、さらに高い温度で超電導特性を示すが、現在の技
術では焼結という過程でしか形成できないため、セラミ
ックの粉末あるいはブロックの形状でしか得られない。

また、最近、この種の材料について、薄膜化が一部可能
になってはいるが、特殊な基板上にしか作製できないと
いう問題があった。

超電導体を電極に持つ光変調素子を構成する場合、電気
光学結晶の両側からバルク状の超電導体ではさんで、そ
れら超電導体間に変調電圧を印加することも考えられる
。しかし、この場合、超電導体と電気光学結晶の間にど
うしても隙間ができ、それによって、均一にもしくは効
率的に電界が電気光学結晶に印加されないという問題が
ある。電気光学結晶上に直接、超電導薄膜を堆積させれ
ば、この問題を解決することができると考えられるが、
従来の技術では、超電導薄膜の堆積の際に電気光学結晶
の組成の一部が薄膜中に拡散し、超電導特性が劣化もし
くは消滅してしまうことから実現は不可能であった。

本発明者らは、金属酸化物超電導材料を例えばスパッタ
リング法などの薄膜化手法を用い、薄膜形成条件と超電
導薄膜の界面の構造を工夫することにより、特性のよい
薄膜状の高温超電導体が電気光学結晶上にも再現性よく
形成される方法を発明し、これに基づいて、新規な光変
調素子を発明した。

課題を解決するための手段 本発明の第１の発明の光変調素子は、ニオブ酸リチウム
、タンタル酸リチウム、燐酸二水素カリウム等の電気光
学結晶の少なくとも１つの面に緩衝膜を形成し、さらに
この緩衝膜上に、超電導体としてＣｕ元素を含む金属酸
化物、Ａ　　Ｂ　　Ｃｕ−〇１Ｂｌ−８ｒ−Ｃａ−Ｃｕ
−０、Ｔｌ−Ｂａ−Ｃａ　−Ｃｕ−０１あるいは、それ
ら酸化物の酸素原子の一部を硫黄またはフッ素原子で置
換された化合物の薄膜を堆積させたことを特徴としてい
る。

なお、ＡはＳ　Ｃ＋　　Ｙ＋　　Ｌ　ａおよびＬａ系列
元素（原子番号５７．５９〜８０．８２〜７１）の内少
なくとも１種、ＢはＢａ、ＳｒなどＩＩａ族元素の内少
なくとも１皿で、Ａ、　　Ｂ元素とＣｕ元素の濃度は ０．５≦（Ａ＋Ｂ）／Ｃｕ≦２．５ の範囲が望ましい 本発明の第２の発明の光変調素子の製造方法は、電気光
学結晶上に物理的気層成長方法で作製した緩衝膜上に、
電気光学結晶を望ましくは８００℃以下、あるいは６０
０℃以下の温度に保って金属酸化物超電導薄膜を堆積さ
せること、および、緩衝膜および金属酸化物超電導薄膜
を対向する２面の内の一方の面に堆積させた２枚の電気
光学結晶を、上記緩衝膜及び上記金属酸化物超電導薄膜
の堆積した面に対向する面を互いに接触させ、張り合わ
せることを特徴としている。

作用 本発明の第１の発明に掛かる光変調素子は、電気光学素
子に緩衝膜を形成し、この上に金属酸化物超電導膜を形
成するため、確実に超電導膜を形成できる。そして、電
極等にこうした超電導薄膜を用いるため、通常の金属を
電極や端子に用いたものに比べて交流損失が極めて少な
く、極めて大きなＱを持つ光変調素子を実現できる。さ
らに、本発明の光変調素子は超電導体に金属酸化物超電
導体を用いていることから液体窒素を冷却剤に利用でき
る。そのため、冷却が容易かつ低コストとなり、極めて
有用な光変調素子が提供できる。

本発明の第２の発明の光変調素子の製造方法に当たって
は、緩衝膜が金属酸化物超電導薄膜形成時に基板である
電気光学結晶との相互拡散を防ぎ、結晶性制御の役目を
果たし、低温でかつ特性のよい金属酸化物超電導薄膜が
得られ、特性の良い光変調素子を製造することができる
。

実施例 本発明を図面と共に説明する。第１図において電気光学
結晶１１の対向する２つの表面上に緩衝膜１２．１３が
形成され、さらにそれら緩衝膜の上に金属酸化物超電導
薄膜１４．１５が例えばスパッタリングによって形成さ
れている。金属酸化物超電導薄膜１４．１５には、その
中央に変調信号の給電のための端子１８．１７がそれぞ
れ接続されている。信号電圧が実際にバルク状の金属酸
化物超電導体でできた端子１８．１７に与えられた場合
、金属酸化物超電導薄膜１４．１５間に電位差が生じ、
そのため、電気光学結晶１１内に電界ができる。電気光
学結晶１１内では電気光学効果によって、内部の電界強
度に比例して屈折率が変化することから、電気光学結晶
１１内を伝搬する光波１８にとっては実効的な光路長が
電界に応じて変化する。したがって、端子１Ｂ、１７間
に印加した信号電圧に応じて、光波１８が電気光学結晶
１１内を伝搬する間に生じる位相変化量が変化する。１
９．２０は偏光子である。本発明の変調素子は入力光１
８の位相を一定に保っておくと位相変調素子として利用
できることを、本発明者らは確認した。さらに、第１図
に示すように、ニオブ酸リチウム及びタンタル酸リチウ
ムを電気光学結晶１１に利用した場合に、結晶光学上の
＋０１および、−Ｃ面上に緩衝膜１２．１３および超電
導膜１４．１５を形成し、結晶光学上のｙ軸を光波の伝
搬方向に取り、結晶光学上のＸおよびｚ軸に対して４５
゛の方向に偏光を持つ光波が電気光学結晶１１に入力す
るように偏光子１９を電気光学結晶１１の手前に置き、
さらに、電気光学結晶１１の出力側に偏光子１９に対し
て９０’回転させた偏光子２０を置くと、いわゆる直交
ニコル型変調器として、信号電圧に対して出力光強度が
変化する光強度変調素子が実現できることも本発明者ら
は確認している。

本発明の変調素子に用いているＣｕ元素を含む金属酸化
物であるＡ−Ｂ−Ｃｕ−０１および、Ｂ１−８ｒ−Ｃａ
−Ｃｕ−０、Ｔｌ−Ｂａ−Ｃａ−Ｃｕ−０系超電導体は
結晶構造や組成式がまだ明確には決定されていないが、
Ａ−Ｂ−Ｃｕ−０については酸素欠損ペロブスカイト（
Ａ、Ｂ）ａｃｕ３０ｖとも言われており、本発明者らは
作製された薄膜において、元素比率が ０．５≦（Ａ＋Ｂ）／Ｃｕ≦２．５ の範囲であれば、臨界温度に多少の差があっても超電導
現象が見いだされることを確認した。

さらに、これら金属酸化物超電導体の酸素原子の一部を
硫黄、或はフッ素原子で置換した場合物理的に安定な皮
膜が得られ、その超電導特性の劣化はみられないことも
本発明者らは確認している。

また、第２図に示すように、２枚の電気光学結晶３Ｌ３
２を用い、電気光学結晶３１の例えば＋０面と電気光学
結晶３２の例えば−０面とに、緩衝膜３３．３４とその
上にＡ−Ｂ−Ｃｕ−０系超電導薄膜による電極３５．３
Ｂを形成し、電気光学結晶３１の−Ｃ面と電気光学結晶
３２の＋０面を接触させるようにして貼り合わせた構造
の光変調素子を作製し、先の変調素子と同様に、本構成
が有功であることを確認した。

この２枚の電気光学結晶を貼り合わせた構成の光変調素
子では、電気光学結晶の片面にのみ皮膜を付着させれば
良いことから、素子の作製が容易になり、また、第１図
の構成を利用した時よりも半分の厚さの単結晶が利用で
きるなどの利点かある。

同様に、第２図の構成の光変調素子では電気光学結晶３
１．３２として、タンタル酸リチウムを利用した場合も
同程度のＱを持つ光変調素子が得られることを本発明者
らは確認した。

さらに、第１図での端子１６．１７の代わりとして、第
３図に示すように、電気光学結晶１１の両面に緩衝膜１
２．１３を形成し、その少なくとも一方の緩Ｗ１ｇ１２
の上に金属酸化物超電導薄膜でできたストリップ４０を
形成し、その片方の端を超電導膜１４よりなる電極に接
続し、他方の端４１を変調用信号の印加用の端子とし、
緩ＷＩ膜１３上には全面に超電導薄膜１５を形成し対向
電極とし、端子４１と超電導薄膜１５の間に変調用信号
を印加した場合、ストリップ部分４０がインダクタンス
を持つため、電極部分との間で共振現象が起こることか
ら、第１図に示した変調素子と同様の原理で、高いＱを
持つ光変調素子が実現できることを本発明者らは確認し
ている。ここで、ストリップ部分４０のパターン化は、
超電導薄膜のスパッタリング蒸着の際にメタルマスクを
用いて不用な部分への堆積を防ぐか、或は、電気光学結
晶１１上の全面に超電導薄膜を堆積させたのち、フォト
レジストを用いたウェットエツチング、または、ドライ
エツチング法により形成できることを本発明者らは確認
している。

第３図の構成の光変調素子では、ス）　ＩＪツブ部分４
０の形状からも、変調の共振周波数を決定できる利点を
有している。

以下に本発明の内容をさらに深く理解させるために、具
体的実施例を示す。

（具体的実施例） ニオブ酸リチウムを電気光学結晶１１に用いて、結晶光
学上の十Ｃ１’　　０面に緩衝膜１２．１３として白金
を付着させ、さらに、緩衝膜１２．１３の上に、金属酸
化物超電導薄膜１４．１５を形成した。

緩衝膜の形成の際には、白金板をターゲットとした直流
プレーナマグネトロンスッパタを利用した。スパッタ条
件は、Ａｒガスの圧カニ　８　Ｐ　ａ１スパッタ電カニ
　３００ＶＸ３０ｍＡで、電気光学結晶１１の温度を２
５０〜５００℃に保ってＯ９１の厚さに蒸着した。また
、超電導薄膜形成は、焼結したＹＢａＣｕＯターゲット
を用いた高周波プレーナマグネトロンスッパタにより行
った。超電導薄膜形成のスパッタ条件は、Ａｒガスの圧
カニ　０．５　Ｐ　ａＮ　　スパッタ電カニ１５０Ｗ、
、１．バッタ時間＝　１時間で、薄膜の厚さ０．５、電
気光学結晶１１の温度７００℃であった。薄膜の超電導
転移温度は９５にであった。

超電導電極の中央付近に変調信号印加用の端子１（３，
１７として棒状の金属酸化物超電導体を用い、超電導薄
膜１４．１５に圧力を加えて接触させた。マイクロ波伝
送用の同軸ケーブルの、心線を端子１６に、接地線を端
子１７にそれぞれ接続した。光源にＨｅ−Ｎｅレーザを
用い、波長６３３ｎｍの光波を電気光学結晶１１に入力
した。変調信号を１０ＧＨｚ付近で変化させた時の変調
度の変化を出力光から観測し、その周波数特性からＱの
値を求めた。その結果、１０３程度のＱが得られること
を確認した。このＱの値は、本発明者らが、金属酸化物
超電導薄膜１４．１５の代わりにアルミニウム薄膜を用
いて同じ条件のもとで行った場合のＱの値のよりも約２
倍に向上していることから、本発明の変調素子が従来の
金属を用いたものに比較して、電極部分での変調電力の
損失を減らすことによって、大きなＱつまり、高効率な
変調を実現できることが実証でき、本変調素子のを動性
が確認できた。

また、電極上での変調電力の損失は、電極の発熱を招き
、変調動作の安定化の面でも極めて有害であった。本変
調素子では、電極ＡＩを用いたものに比べて、その発熱
量が半分程度に押えられ、変調動作の安定化にも有効で
ある。

また、電気光学結晶１１として、タンタル酸リチウム、
及び、燐酸二水素カリウムを用いた場合も同程度のＱを
持つ光変調素子を得ることができることを本発明者らは
確認した。

また、緩衝膜に白金以外に、パラジウムやニッケル、さ
らに、フッ化カルシウムを用いた場合にも同様の特性を
持つ光変調素子が得られることも本発明者らは確認した
。ここで、緩衝膜に、白金、パラジウム、ニッケルの金
属を用いると、電界が効率的に電気光学結晶に印加され
ることを、また、緩衝膜にフッ化カルシウムを用いた場
合には、その緩衝膜に厚さによって変調素子の持つ容量
　を変化させることが出来、それによって変調素子の共
振周波数を調節できることを、本発明者らは確認した。

本実施例に示すように、電気光学結晶１１としてニオブ
酸リチウムを用いた場合、超電導薄膜１４．１５のスパ
ッタリングの際に、電気光学結晶１１を８００°Ｃより
も高い温度にすると、酸化リチウムが電気光学結晶１１
中から外拡散し、それが、超電導薄膜１４．１５と反応
し、超電導薄膜の特性を劣化させることを本発明者らは
確認している。

また、電気光学結晶１１を６００°Ｃ以下で超電導薄膜
１４．１５のスパッタリングを行うと、超電導特性は６
００°Ｃ以上で行った場合に比較して良くはないが、膜
の表面の平坦度の優れた超電導膜１４．１５が得られる
ことを本発明者らは確認している。このような変調用電
極の表面の平坦度は、特に高い周波数の信号を用いて変
調を行う場合、変調波の損失を低減させるために重要な
要素となることが知られている。

Ａ−Ｂ−Ｃｕ−０基金属酸化物超電導体では、構成元素
ＡおよびＢ構成比率の変化による超電導特性の変化の詳
細は明らかではない。ただ、Ａは３価、Ｂは２価を示し
ているのは事実である。Ａ元素としてＹについて例を挙
げて説明したが、ＳＣやＬａさらにはランタン系の元素
（原子番号５７〜７１）でも、超電導転移温度が変化す
る程度で本質的な発明の特性を変化させるものではない
。

また、Ｂ元素においても、Ｓｒ１　Ｃａｓ　　Ｂａ等Ｉ
Ｉａ族元素の変化は超電導転移温度をＩＯＫ程度変化さ
せるが、本質的に本発明の特性を変えるものではない。

さらに、Ｃｕ元素を含む金属酸化物材料として、Ｂ１−
８ｒ−Ｃａ−Ｃｕ−０系、Ｔｌ−Ｂａ−Ｃａ−Ｃｕ−０
系超電導体においてもその結晶構造など知られていない
ことが多いが、本発明者らは、Ａ−Ｂ−Ｃｕ−０系と同
様、従来のマグネトロンスパッタリング法を用い、基板
温度や雰囲気、高周波電力などを正確に制御すれば、電
気光学結晶上の緩衝膜の上に超電導皮膜を形成でき、Ａ
−Ｂ−Ｃｕ−０系を用いた場合と同様に、極めてＱの高
い光変調素子を実現できることを確認した。その際の超
電導転移温度はＡ−Ｂ−Ｃｕ−０系よりも高い１００に
前後、あるいは、それ以上のものが得られることから、
その利用価値も高い。

金属酸化物超電導薄膜の中の酸素原子の一部を硫黄また
はフッ素で置換した場合でも、その超電導特性の劣化は
なく、同様の特性を持つ光変調素子が実現できることを
確認している。

発明の効果 すでに説明したごとく、本発明の光変調素子では極めて
高いＱを持つものが実現できる。したがって、非常に狭
帯域で効率の高い変調を必要とする場合や高い周波数領
域での変調などでは極めて宵月である。また、本発明の
変調素子が液体窒素温度に冷やすことによって実現でき
、さらに、この種の金属酸化物超電導体は超電導転移温
度が室温になる可能性もあり、将来の実用の範囲は広く
、本発明の工業的価値は高い。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の光変調素子の一実施例の斜視図、第２
図は本発明の光変調素子の他の実施例の断面図、第３図
は本発明の光変調素子の他の実施例の斜視図である。 １１．３１，３２，４１・・・電気光学結晶、１２．１
３，３３，３４．４２．４３・・・緩衝膜、１４，１５
，３５．３Ｅｌ、４７・・・金属酸化物超電導薄膜、４
５＠・拳ストリップ部分。 代理人の氏名　弁理士　中尾敏男　ほか１名第１図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）電気光学結晶と、上記電気光学結晶の少なくとも
   一つの面に緩衝膜と、上記緩衝膜上に金属酸化物超電導
   薄膜とを有することを特徴とする光変調素子。 （２）電気光学結晶として、ニオブ酸リチウム結晶、タ
   ンタル酸リチウム結晶または燐酸二水素カリウム結晶を
   用いたことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の光
   変調素子。（３）緩衝膜として、白金、パラジウム、ニ
   ッケル等の遷移金属元素あるいはこれらの金属合金を含
   む材料もしくはフッ化カルシウムを用いたことを特徴と
   する特許請求の範囲第１項記載の光変調素子。 （４）金属酸化物超電導薄膜として、銅元素を含むこと
   を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の光変調素子。 （５）金属酸化物超電導薄膜として酸素原子の一部を硫
   黄原子またはフッ素原子で置換したことを特徴とする特
   許請求の範囲第４項記載の光変調素子。 （６）金属酸化物超電導薄膜としてＡ−Ｂ−Ｃｕ−Ｏ複
   合化合物を用いたことを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載の光変調素子。 ここに、ＡはＳｃ、Ｙ、Ｌａ、およびＬａ系列元素（原
   子番号５７、５９〜６０、６２〜７１）の内少なくとも
   １種、ＢはＢａ、ＳｒなどIIａ族元素の内少なくとも１
   種、Ａ、Ｂ元素とＣｕ元素の濃度は ０．５≦（Ａ＋Ｂ）／Ｃｕ≦２．５ （７）金属酸化物超電導薄膜として、Ｂｉ−Ｓｒ−Ｃａ
   −Ｃｕ−Ｏ叉はＴｌ−Ｂａ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ複合化合物
   を用いたことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
   光変調素子。 （８）電気光学結晶の少なくとも１つの面に、緩衝膜を
   熱蒸着或はスパッタリング蒸着等の物理的気相成長法で
   上記電気光学結晶上に堆積させ、上記緩衝膜の上に、金
   属酸化物超電導薄膜をスパッタリング蒸着によって堆積
   させることを特徴とする光変調素子の製造方法。 （９）金属酸化物超電導薄膜のスパッタリング蒸着に際
   し、電気光学結晶表面を８００℃以下の温度に加熱する
   ことを特徴とする特許請求の範囲第８項記載の光変調素
   子の製造方法。 （１０）金属酸化物超電導薄膜のスパッタリング蒸着に
   際し、電気光学結晶表面を６００℃以下の温度に加熱す
   ることを特徴とする特許請求の範囲第８項記載の光変調
   索子の製造方法。 （１１）緩衝膜および金属酸化物超電導薄膜を対向する
   ２面の内の一方の面に堆積させた２枚の電気光学結晶を
   、上記緩衝膜及び上記金属酸化物超電導薄膜の堆積した
   面に対向するそれぞれの面を互いに接触させ、張り合わ
   せることを特徴とする特許請求の範囲第８項記載の光変
   調素子の製造方法。