JPH01520A - Acousto-optic device with amorphous hard carbon film - Google Patents

Acousto-optic device with amorphous hard carbon film

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JPH01520A
JPH01520A JP62-122660A JP12266087A JPH01520A JP H01520 A JPH01520 A JP H01520A JP 12266087 A JP12266087 A JP 12266087A JP H01520 A JPH01520 A JP H01520A
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JP
Japan
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optical waveguide
acousto
optical
carbon
carbon film
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JP62-122660A
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JPS64520A (en
Inventor
裕治 木村
英一 太田
克彦 谷
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株式会社リコー
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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。
(57) [Summary] This bulletin contains application data before electronic filing, so abstract data is not recorded.

Description

【発明の詳細な説明】 斑五匁I 本発明は音響光学素子に関する。[Detailed description of the invention] Madarago Momme I The present invention relates to an acousto-optic device.

藍ヱ且」 光通信や光情報処理に光伝送を利用する場合、光偏向技
術は不可欠なものである。光偏向は、機械的手段、vt
t気光常光学的手段は音響光学的手段等によって実現さ
れる。a械的手段または電気光学的手段の場合、偏向効
率を高くし、偏向角度を大きくすることが可能な反面、
装置自体が大型化し、しかも生産コストが増大するとい
う問題が生じる。そこで、光の偏向角は大きくとれない
が装置が小型化し、偏向効率が高くなり、しかも偏向速
度が速くなる音響光学偏向を利用した光偏向素子が注目
されるようになった。
When using optical transmission for optical communications and optical information processing, optical deflection technology is essential. Light deflection is accomplished by mechanical means, vt
The optical means is realized by an acousto-optic means or the like. In the case of mechanical means or electro-optical means, it is possible to increase the deflection efficiency and the deflection angle, but on the other hand,
Problems arise in that the device itself becomes larger and the production cost increases. Therefore, light deflection elements that utilize acousto-optic deflection have attracted attention because although the deflection angle of light cannot be large, the device is smaller, the deflection efficiency is high, and the deflection speed is faster.

従来、音響光学光偏向素子の光導波路材料には例えば、
LiTaO3、L+NbO3やT io 2等が使用さ
れている。この従来の光導波路材料を使用した場合、偏
向光強度があまり大きくとることができないため、偏向
効率が悪くなるという問題があった。そ゛の結果、光偏
向器やスイッチング素子の精度が低くなるといった問題
が生じていた。
Conventionally, optical waveguide materials for acousto-optic light deflection elements include, for example,
LiTaO3, L+NbO3, Tio2, etc. are used. When this conventional optical waveguide material is used, there is a problem in that the polarization efficiency deteriorates because the intensity of the polarized light cannot be increased very much. As a result, a problem has arisen in that the accuracy of the optical deflector and switching element is reduced.

、ILJ 本発明はこのような従来技術の欠点を解消し、偏向効率
がよく、偏向光強度の大きい音響光学素子を提供するこ
とを目的とする。
, ILJ It is an object of the present invention to eliminate such drawbacks of the prior art and to provide an acousto-optic element with good deflection efficiency and high intensity of deflected light.

延−1 本発明は上記の目的を達成させるため、基板と、基板上
において光導波路を形成する光導波路層と、光導波路層
に弾性表面波を発生し、光導波路層の光を偏向させる変
換器とを有する音響光学素子においで、光導波路層は炭
素原子および水素原子を主な組織形成元素とする非晶質
材料を含むことを特徴としたものである。以下、本発明
の一実施例に基づいて具体的に説明する。
En-1 In order to achieve the above object, the present invention includes a substrate, an optical waveguide layer forming an optical waveguide on the substrate, and a conversion method that generates surface acoustic waves in the optical waveguide layer and deflects light in the optical waveguide layer. The optical waveguide layer is characterized in that it contains an amorphous material containing carbon atoms and hydrogen atoms as main structure-forming elements. Hereinafter, a detailed explanation will be given based on one embodiment of the present invention.

本発明は、炭化水素プラズマを使用した低圧気相成膜法
等によって合成された、いわゆる「非晶質性硬質炭素膜
」を光導波路材料として用いたものである。
The present invention uses a so-called "amorphous hard carbon film" synthesized by a low-pressure vapor phase film deposition method using hydrocarbon plasma as an optical waveguide material.

「非晶質性硬質炭素膜」 (以下1−カーボンと称する
)は、炭素原子および水素原子を主な組織形成元素とす
るアモルファス材料であり、例えばグラファイトのよう
な結合構造(SP2結台)を有すとともに、ダイヤモン
ドのような結合構造(SP3結合〕をあわせ持つ強度的
に硬質な物質である。つまり、トカーボンは、非晶質で
、電気的1絶縁性と化学的安定性にすぐれた硬質な物質
であるといえる。このi−カーボンは、例えばダイヤモ
ンドライクカニポンや硬質カーボンなどとも呼ばれてい
る。
"Amorphous hard carbon film" (hereinafter referred to as 1-carbon) is an amorphous material whose main structure-forming elements are carbon atoms and hydrogen atoms. It is a strong and hard material that also has a diamond-like bond structure (SP3 bond).In other words, tocarbon is an amorphous, hard material with excellent electrical insulation and chemical stability. This i-carbon is also called, for example, diamond-like carbon or hard carbon.

第1図には、本発明による先導波路材料を表面音響光学
素子に応用した例が示されている。
FIG. 1 shows an example in which the guiding waveguide material according to the present invention is applied to a surface acousto-optic device.

Y2O3、ZnO1S e 03等の平坦な基板1の上
に先導波路材料であるi−カーボンのMl 2が形成さ
れ、i−カーボン膜2の上にZnO等の圧電材料膜3が
形成され、圧電材料膜3の上にインタディジタルトラン
スジューサ4、プリズムカブラ5および6、ポーラライ
ザ7、光電子増倍管8.吸音物9等が配置されている。
Ml 2 of i-carbon, which is a guiding waveguide material, is formed on a flat substrate 1 made of Y2O3, ZnO1S e 03, etc., a piezoelectric material film 3 such as ZnO is formed on the i-carbon film 2, and the piezoelectric material Above the membrane 3 are an interdigital transducer 4, prism coverrs 5 and 6, a polarizer 7, a photomultiplier tube 8. Sound absorbing materials 9 and the like are arranged.

入力ビームlOは、ポーラライザ7において偏光され、
プリズムカブラ5を介して素子の光導波路であるi−カ
ーボン@2に入力される。インタディジタルトランスジ
ューサ4に高周波を加えることにより、i〜カーボン膜
2上に弾性表面波を発生させて入力ビーム10の光偏向
を行い、光偏向の動作によって回折された回折光12と
、回折をしない非り折光13は、プリズムカブラ6を介
してそれぞれ光電子増倍管8に出力される。
The input beam lO is polarized in a polarizer 7,
The light is inputted via the prism coupler 5 to the i-carbon@2 which is the optical waveguide of the element. By applying a high frequency wave to the interdigital transducer 4, a surface acoustic wave is generated on the carbon film 2, and the input beam 10 is optically deflected, and the diffracted light 12 that is diffracted by the optical deflection operation is separated from the diffracted light 12 that is not diffracted. The non-refracted lights 13 are outputted to photomultiplier tubes 8 via prism coverrs 6, respectively.

なお、本実施例におけるi−カーボン膜2は、第2図に
示されているような物性を有しており、後述するプラズ
マGVD法により合成されたものである。
The i-carbon film 2 in this example has physical properties as shown in FIG. 2, and was synthesized by the plasma GVD method described later.

?53図には、表面りi性波によるブラッグ回折の原理
が示されている0図中のθBはブラッグ回折角であり、
光の波長入と表面弾性波の波長λ8により次式の関係で
与えられる。
? Figure 53 shows the principle of Bragg diffraction due to surface i-waves. θB in Figure 0 is the Bragg diffraction angle,
The relationship between the wavelength of light and the wavelength λ8 of the surface acoustic wave is given by the following equation.

sinθB=入72λS          (1)ま
た、この際の回折光強度!dは、 Id−sin2(kΔnL/2)     (2)とな
る、この式(2)におけるkは光の波数、 Lは表面弾
性波束の幅である。
sin θB=in 72λS (1) Also, the intensity of the diffracted light at this time! d is Id-sin2(kΔnL/2) (2) In this equation (2), k is the wave number of light, and L is the width of the surface acoustic wave packet.

高い偏向効率を得るためには、材料的に大きなΔnが得
られることが重要となる。媒体を伝搬する単位波束断面
積あたりの表面弾性波パワーPaは、音速をV、媒体の
密度をρ、歪をSとしだ場合、 Pa□1/2.o v3S2(3) として表わされる。また、表面弾性波による歪によって
媒体の屈折率は変化し、その変化は、Δ(1/n2)=
PS         (4)で表わされる。この式(
4)におけるPは、光弾性定数である。
In order to obtain high deflection efficiency, it is important to obtain a large Δn in terms of materials. The surface acoustic wave power Pa per unit wavelet cross-sectional area propagating in a medium is Pa□1/2, where the speed of sound is V, the density of the medium is ρ, and the strain is S. It is expressed as ov3S2(3). In addition, the refractive index of the medium changes due to strain caused by surface acoustic waves, and the change is Δ(1/n2)=
PS (4). This formula (
P in 4) is a photoelastic constant.

以上より、Δnは。From the above, Δn is.

28  31/2 Δn=(P N /p v )   ・(Pa/2)1
/2(5)となる。この式(5)においてM2−n P
  /ρマを性能指数という、この性黛指数M2が大き
いほど同一のパワーの表面弾性波入力でより大きなブラ
ッグ回折光強度を得ることができる。また、表面弾性波
光偏向だけでなく、変調層として使用される場合の変W
IJ帯域幅を考慮した性能指数M1、さらに2次元光偏
向器の構成を考慮して、ビーム径と超ビームの高さHを
等しくした場合の性能指数M3が次のように定義されて
いる。
28 31/2 Δn=(P N /p v ) ・(Pa/2) 1
/2(5). In this formula (5), M2-n P
/ρ is called a figure of merit, and the larger the figure of merit M2, the greater the Bragg diffracted light intensity can be obtained with the same power of surface acoustic wave input. In addition to surface acoustic wave optical deflection, it is also possible to change W when used as a modulation layer.
The figure of merit M1 takes into account the IJ bandwidth, and the figure of merit M3 when the beam diameter and the height H of the superbeam are made equal is defined as follows, taking into account the configuration of the two-dimensional optical deflector.

Mt−n7P2/ ρv         (8)M 
=n7P2/p v2(7) 第4図をみると、L+Ta0a等従来使用されている光
導波路材料と、本実施例で使用したトカーボンの物性値
および性能指数が示されている。性能指数を比較すると
、i−カーボンが他の従来使用されている光導波路材料
に比べはるかに優れていることがわかる。特に本装置に
おいて重要な性能指数であるM2について比較しても、
例えばLiTaO3が1.37X 10  s /gに
対し、 i−カーボンでは30.9X 10”s3/g
であり、他の材料に比べて優れた偵を呈することがわか
る。
Mt-n7P2/ρv (8)M
=n7P2/p v2 (7) Looking at FIG. 4, the physical property values and performance index of conventionally used optical waveguide materials such as L+Ta0a and carbon used in this example are shown. A comparison of the figures of merit shows that i-carbon is far superior to other conventionally used optical waveguide materials. Especially when comparing M2, which is an important performance index for this device,
For example, LiTaO3 is 1.37X 10"s/g, while i-carbon is 30.9X 10"s/g.
It can be seen that it exhibits superior detection properties compared to other materials.

7JIJ5図には、本発明による光導波路材料を広帯域
偏向器に応用した例が示されている。
7JIJ5 shows an example in which the optical waveguide material according to the present invention is applied to a broadband deflector.

この実施例における広帯域偏向器は、Y2O3の平坦な
基板lの上に光導波路材料であるi−カーボンの膜2が
形成され、i−カーボン[2の上にZnO等の圧電材料
Il!3が形成され、圧電材料膜3の上に中心周波数の
異なる複数の広帯域トランスジューサ22が、それぞれ
ブラッグ条件を満足するように傾斜して配首されている
。このような構造にすることにより、弾性表面の広域化
が可能となる。
The broadband deflector in this embodiment has a film 2 of i-carbon, which is an optical waveguide material, formed on a flat substrate l of Y2O3, and a piezoelectric material I1 such as ZnO on the i-carbon [2]. 3 is formed, and a plurality of broadband transducers 22 having different center frequencies are arranged on the piezoelectric material film 3 at an angle so as to satisfy the Bragg condition. By adopting such a structure, it is possible to expand the elastic surface area.

素子の先導波路であるi−カーボン115!2に入力さ
れたレーザビーム21に対し、広帯域トランスジューサ
22に高周波を加えることにより、i−カーボン膜2上
に弾性表面波を発生させて入力レーザビーム21の光偏
向を行う、光偏向の動作によって回折された回折光収束
ビーム23は、スリy )列24および高速光検出器2
5を介して光信号として出力される。
By applying high frequency to the broadband transducer 22 to the laser beam 21 input to the i-carbon 115!2, which is the leading wave path of the element, a surface acoustic wave is generated on the i-carbon film 2, and the input laser beam 21 The diffracted light convergent beam 23 diffracted by the light deflection operation is transmitted to the array 24 and the high-speed photodetector 2.
5 and output as an optical signal.

以上の実施例によれば、表面音響光学素子の光導波路材
料に i−カーボンが使用されているため、従来使用さ
れている先導波路材料に比べ光強度が大きくなり、偏向
効率が高くすることができる。したがって、光偏向器や
スイッチング素子の精度を向上させることができる。
According to the above embodiments, since i-carbon is used as the optical waveguide material of the surface acousto-optic element, the light intensity is higher than that of the conventionally used guiding waveguide material, and the deflection efficiency can be increased. can. Therefore, the accuracy of the optical deflector and the switching element can be improved.

次に、以上の実施例の光導波路材料に使用したi−カー
ボンの製造方法の例を示す。
Next, an example of a method for producing i-carbon used in the optical waveguide material of the above embodiments will be shown.

この例では、プラズマGVD法により第2図に示されて
いる物性を持つi−カーボン膜を合成する場合について
説明する。
In this example, a case will be described in which an i-carbon film having the physical properties shown in FIG. 2 is synthesized by the plasma GVD method.

第7図にはプラズマCVD反応炉の概略図が示されてい
る。真空装置内のRF給電側電極70に基板lを取り付
け、炭化水素と水素からなる、例えばCH4/H2など
の原料ガスを導入する。このガス雰囲気中でRF給電側
電極70にマイナスのバイアスを与え、平行平板電極に
高周波電源72を付加することによりプラズマを発生さ
せる。このプラズマ発生中に解離および励起されたラジ
カルやイオンが基板上に析出し、炭素膜が堆積する。こ
れが、 i−カーボン膜である。
FIG. 7 shows a schematic diagram of a plasma CVD reactor. The substrate 1 is attached to the RF power supply side electrode 70 in the vacuum apparatus, and a raw material gas such as CH4/H2 consisting of hydrocarbons and hydrogen is introduced. In this gas atmosphere, a negative bias is applied to the RF power feeding side electrode 70 and a high frequency power source 72 is applied to the parallel plate electrode to generate plasma. Radicals and ions dissociated and excited during this plasma generation are deposited on the substrate, and a carbon film is deposited. This is the i-carbon film.

圧力その他の諸条件の詳細が、第6図に示されている。Details of pressure and other conditions are shown in FIG.

なお、本発明における i−カーボン膜を合成するため
の諸条件の最適値は、圧力が0.0OITorr 、ガ
ス組成がH2/CCH4−H2)−80% 。
The optimum conditions for synthesizing the i-carbon film in the present invention are a pressure of 0.0 OITorr and a gas composition of H2/CCH4-H2)-80%.

温度が室温モしてRFパワーが50%1である。The temperature is room temperature and the RF power is 50%1.

この成膜方法によれば、原料ガスに炭化水素ガスを使用
し、低圧力で、しかも常温の状恩で成膜が可能なことか
ら、低いコストによって素子を製造することができる。
According to this film-forming method, a hydrocarbon gas is used as a raw material gas, and film-forming can be performed at low pressure and at room temperature, so that elements can be manufactured at low cost.

以上のように、音響光学素子の光導波路材料に トカー
ボンを使用することにより、光偏向器やスイッチング素
子等の精度を向上させることができ、しかも低いコスト
によって素子を製造することができる。
As described above, by using carbon as the optical waveguide material of an acousto-optic device, the accuracy of optical deflectors, switching devices, etc. can be improved, and the device can be manufactured at low cost.

なお、本発明は以上の実施例において示した光通信、光
メモリ等の光伝送を利用する際の光偏′向器、光変調器
やスイッチング素子だけでなく、光演箕子や光電子集積
回路等にも応用することができる。
The present invention is applicable not only to optical deflectors, optical modulators, and switching elements when using optical transmission such as optical communications and optical memories as shown in the above embodiments, but also to optical dynamometers, optoelectronic integrated circuits, etc. It can also be applied to

腹−1 本発明によれば1表面音響光学素子の光導波路材料に 
i−カーボンが使用されているため、従来使用されてい
る光導波路材料に比べ光強度が大滲〈なり、偏向効率を
高くすることができる。したがって、光偏向器やスイッ
チング素子の精度を向上させることができる。
Antibody-1 According to the present invention, the optical waveguide material of the one-surface acousto-optic element
Since i-carbon is used, the light intensity is greater than that of conventionally used optical waveguide materials, and the deflection efficiency can be increased. Therefore, the accuracy of the optical deflector and the switching element can be improved.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は1本発明による音響光学素子の一実施例を示す
外観斜視図、 第2図は、第1図に示す実施例の光導波路材料の物性を
示す図、 第3図は、表面弾性波によるブラッグ回折の原理を説明
する説明図、 第4図は、第1図に示す実施例の光導波路材料と従来使
用されている光導波路材料の物性を比較する図、 第5図は、本発明による音響光学素子の他の実施例を示
す外観斜視図、 第6図は、第1図に示す実施例の光導波路材料の成膜条
件を示す図、 第7図は、プラズマCvD反応炉の一例を示す概略図で
ある。 部  の    の1 10.、基板 2、、、i−カーボン膜 380.圧電材料膜 411.インタディジタルトランスジューサ22、、、
広帯域トランスジューサ 70、、、RF給電側電極 72、  、’ 、 RF主電 源許出願人  株式会社リコー 代  理  人   香増  孝雄 丸山 隆夫 埠、1図 砥5図
FIG. 1 is an external perspective view showing an embodiment of the acousto-optic device according to the present invention. FIG. 2 is a diagram showing the physical properties of the optical waveguide material of the embodiment shown in FIG. 1. FIG. 3 is a diagram showing surface elasticity. An explanatory diagram explaining the principle of Bragg diffraction due to waves, Figure 4 is a diagram comparing the physical properties of the optical waveguide material of the example shown in Figure 1 and a conventionally used optical waveguide material, and Figure 5 is a diagram of the book. Fig. 6 is a diagram showing the film forming conditions of the optical waveguide material of the embodiment shown in Fig. 1; It is a schematic diagram showing an example. Part 1 10. , substrate 2, ,i-carbon film 380. Piezoelectric material film 411. Interdigital transducer 22,...
Broadband transducer 70, RF power supply side electrode 72, RF main power supply license applicant Ricoh Co., Ltd. agent Kamasu Takao Maruyama Takabu, Figure 1, Figure 5

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1、基板と、 該基板上において光導波路を形成する光導波路層と、 該光導波路層に弾性表面波を発生し、該光導波路層の光
を偏向させる変換器とを有する音響光学素子において、 該光導波路層は炭素原子および水素原子を主な組織形成
元素とする非晶質材料を含むことを特徴とする非晶質性
硬質炭素膜を有する音響光学素子。
[Claims] 1. A substrate, an optical waveguide layer forming an optical waveguide on the substrate, and a converter that generates a surface acoustic wave in the optical waveguide layer and deflects light in the optical waveguide layer. 1. An acousto-optic element having an amorphous hard carbon film, wherein the optical waveguide layer contains an amorphous material having carbon atoms and hydrogen atoms as main structure-forming elements.
JP12266087A 1987-02-05 1987-05-21 Acousto-optic element having amorphous rigid carbon film Pending JPS64520A (en)

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