JPH03116028A - 光音響素子 - 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、超格子を相互作用媒質として用Ｑまた光音響
素子に関するものである。特に本発明（±、光音響偏向
器や光音響変調器の製造に適用される。

「従来の技術及びその課題」 「超格子」という言葉は、２以上の異なる物質からなる
交互に積層された府の連続や、２以上の異なる物質から
なる交互に連なる線路（ｓｔｒｉｐ）の連続を意味する
ものと理解される。

最初の場合は、超格子は「超格子上ｂ（ｓｕｐｅｒｌａ
ｔｔｉｃｅ　ａｘｉｓ）　Ｊ　と呼ばれる軸レニＭ＞　
ツて積層された複数の層の堆積物（ｓｔａｃｋ）である
。物質の数は通常２種類であり、従って、この超格子は
、それぞれｄｉ及びｄ２なる厚さを持った２つの異なる
物質の届が交互に積層された堆Ｔｎ物である。よってこ
の堆積物は、層に対して垂直な軸に沿ってｄｌ＋ｄ２な
る周期をもって周１ヒ１的に形成されている。

第２の場合は、超格子は［水平超格子（ｌａｔｅｒａｌ
　５ｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅ）　Ｊと呼１れ、物質の数
は同様に通常２種類である。従って、この超格子は、そ
れぞれｄｌ及びｄ２なる幅を持った２つの異なる物質の
線路が基板の表面上に交互に堆積されたものである。よ
ってこの超格子は、基板表面に平行゛で線路に対して垂
直な軸１こ沿ってｄｌ十ｄ２なる周期をもって周期的に
形成されており、この軸は同様に超格子軸と呼ばれる。

光音響効果は、レーザー光に対して偏向及び変調の双方
をもたらす可能性のある手段である（文末において注記
する文献（１）参照、以下同様）。

この手段の使用にあたっては、約ｌＯ■という比較的小
電圧しか必要としない。

周知の光音響素子は、相互作用媒質として、例えばＴｅ
Ｏ２（酸化テルル）、ＰｂＭｏ０．（モリブデン酸鉛）
　　ＧａＡｓ（ガリウムヒ素）やＬｉＮｂｏ３にオブ酸
リチウム）のような物質からなる固体や薄膜の均一な媒
質を用ｌ／）てν）る。このような媒質内では、光と超
音波との結合が、次式に示すような波動ベクトル保存則 ｋｄ＝ｋｉ十Ｋ　　（１） が確立される条件（位相調整条件）下において起こる。

ここで、ｋｉ、ｋｄ及びＫはそれぞれ入射光、回折光及
び音波の波動ベクトルである。Ｋの絶対値はｋｉの絶対
値より十分に小さいので、後者はｋｃｌの絶対値とほと
んど変らず、光と超音波が擬垂直（ｑｕａｓｉ−ｐｅｒ
ｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ）方向に伝播する時に相互作用が
起こる。

光音響素子の最も重要な２つの特徴は、効率（入力光の
強度に対する回折光の強度の割合）と通過帯域である。

変調器の場合では、通過帯域は得ることのできる変調周
波数の最高値を決定し、遠隔通信における通信の伝送速
度の限界を定める。

偏向器の場合では、通過帯域は分離可能な偏向位置（能
力）とこれら位置間のスイッチング速度を定める。光音
響素子の通過帯域は光線と音波との相互作用の長さに反
比例し、逆に、このパラメータと共に効率は増加する。

周知の光音響素子の主な欠、【気は、広い通過帯域を有
すると共に効率の高い素子を得ることが困難である、と
いう点である。

本発明の目的は、高い効率を維持しつつ広い通過帯域を
有するコンパクトな光音響素子を提供することで、前述
の欠点を除去することである。この目的のため、本発明
ではちょうど良い間隔を有する超格子を用いている。

「課題を解決するための手段」 本発明は、音波生成手段と、入力光線と少なくとも１つ
の音波との間で相互作用を行う光弾性媒質とを備えた光
音響素子に係り、この光弾性媒質は超格子から構成され
、この超格子は光線に対して透明であり、その周期は超
格子内における光線の半波長の整数倍の近傍である。

本発明による光音響素子では、固体物質に代えて超格子
が相互作用媒質として用いられている。

光−超音波結合における位相調整条件は、次式で表され
る超格子の逆格子ベクトルで補助される。

ｋｄ＝ｋ　ｉ＋に＋　　（２ｍπ／１））２０　　　　
（２）ここで、２０は超格子の軸に沿う単位ベクトル、
Ｄは超格子の周期、ｍは正、負又はゼロの整数である。

このタイプの光とフォノン（熱擾乱による音波）との間
の相互作用は、ラマン散乱及びブリユアン散乱により明
らかにされている（文献（２）、（３）参照）。位相調
整条件における逆格子の介在により、疑共直線的（ｑｕ
ａｓｉ−ｃｏｌｉｎｅａｒ）配列内において光−超音波
結合が行われ、これは均質な固体媒質では不可能である
。

さらに、本発明による装置では、光−超音波結合の効率
を向上させる目的で、超格子をファプリー−ペロー共振
器として用いている。このような共振効果は電気光学素
子（文献（４）参照）や非線形光学素子（文献（５）参
照）に用いられていたが、光音響素子には用いられてい
ない。さらに、従来のファプリー−ペロー共振器は全て
２つの誘電体の鏡や２つの超格子から構成されていたが
、本発明においては共振器は単一の超格子から構成され
、しかもこの超格子は同時に光音響相互作用媒体として
も働く。

従って、本発明では、前記りはｐ−１／２とほぼ同じで
ある。ここで１は超格子内の光線の波長であり、ｐは例
えば１のような正の整数である。

例えば、適正に選択された構造パラメータを有するＧａ
Ａｓ−ＡｌＡｓ超格子を用いた場合、本発明によれば、
固体状態にあるＧａＡｓを用いた光音響素子に比較して
１０倍の通過帯域を得ることができ、しかも、これに匹
敵する制御電力や効率を得ることができる。また、この
ようにして得られた光音響素子は、周知の素子よりも非
常にコンパクトである。

さらに−数的には、本発明によれば、従来の体積弾性波
素子（ｖｏｌｕｍｅ　５ｏｕｎｄ　ｗａｖｅｄｅｖｉｃ
ｅ）よりコンパクトな体積弾性波素子を提供することが
できる。好ましくは、本発明による光音響素子において
は、超格子を構成する物質の少なくとも１つは、光音響
の示性数が少なくともシリカ（二酸化ケイ素）の約１０
倍であることが望ましい。

本発明による装置の特別な実施例では、前記超格子は基
板の一方の面上に形成され、自由面である他方の面には
前記音波生成手段が設けられている。前記基板の自由面
は超格子の層に平行であるか、あるいは、超格子の層に
対して若干傾斜している（傾斜角は数°である）。

前記音波生成手段は圧電トランスデユーサを含む。

変形例として、本発明による素子は互いに独立に音波を
生成する圧電トランスデユーサの列を備えることができ
る。

本発明による装置の実施例によれば、超格子は基板の一
方の面に形成されていると共に、この超格子には音波生
成手段が設けられ、この音波生成手段は、前記超格子の
層に平行な音波をこの超格子内に生成することの可能な
表面弾性波トランスデユーサを備えている。

本発明による装置の他の実施例によれば、前記素子は基
板とこの基板に設けられた導波路とを備え、前記超格子
は前記導波路内に形成された水平超格子であり、また前
記導波路には音波生成手段が設けられ、この音波生成手
段は、前記水平超格子の軸に沿って、あるいは軸に対し
て傾斜した音波をこの水平超格子内に生成することの可
能な表面弾性波トランスデユーサを備えている。

最後に、前記光線はレーザー光線であることが好ましい
くこれは、レーザーは単色光を直接的に供給できるから
である）。

本発明によれば、良好な光音響物質を少なくとも１つ有
する超格子が相互作用媒質として用いられる。例えば、
ＧａＡｓ−ＡｌＡｓ超格子の場合は、ＧａＡｓは近赤外
線領域において良好な光音響物質を構成する（文献（６
）参照）。体積弾性波を用いた本発明による素子につい
て考えると、光−超音波の相互作用の長さは超格子の厚
さに限定され、これは周知の素子の対応するサイズより
も十分に小さい。これにより高通過帯域が実現できる。

超格子の周期（入力光線の半波長の整数倍の近傍である
）は、光学的共鳴効果が生じるように選択され、もって
相互作用媒質内における光学エネルギー密度、ひいては
本発明による素子の効率が大幅に増加する。

光学的共鳴効果、及び光−超音波結合のための位相調整
条件における超格子の逆格子ベクトルの介在は、本発明
における２つの本質的な現象である。これについての詳
細な記載は後述し、光−超音波相互作用に関する固体媒
質と超格子との比較も後述する。

ファプリー−ベローの光学共振器の効果について最初に
考慮する。基板上に形成された超格子は、２Ｄの近傍と
なるようにうまく選択された光の波長については、光学
共振器として作用する。超格子内では光波はブロッホ波
であり、その振幅は周期的で超格子と同一周期である。

ブロッホ波と平面波（一定振幅）との相違は、ｋ空間内
におけるブリユアン帯の端π／Ｄに近付くに連れて、飛
躍的に顕著になる。この領域では、超格子の自由表面や
超格子−基板間の境界面はブロッホ波に対して高い反射
率を有する鏡のように作用する。従って、超格子内では
、光学共振器内のように光のエネルギーが強く凝縮され
る。

ＧａＡｓ　　（厚さｄｌ＝８４ｎｍ）の層とＡｌＡｓ　
　（厚さｄ２＝５６ｎｍ）の層とが交互に積層されて構
成された超格子について以下説明し、これらＧａＡｓ及
びＡｌＡｓが透明と見なせる波長における光波の伝播に
ついて考える。

第１図は、超格子軸に沿う伝播における光の分散曲線を
示した図である。波長８８７．５ｎｍから９９２ｎｍの
間では、超格子内の光のブロッホ波動ベクトルは虚数で
表され、これは光波が無限小であることに対応している
。

この波長の間隔は停止帯（図においてＳＢで示されてい
る）又は［光学禁止帯Ｊと呼ばれている。

ＳＢに対応するブロッホ波動ベクトルの実部はπ／Ｄに
等しい。この値は、超格子の第１のミニ−ブリユアン帯
の限界である。超格子−空間及び超格子一基板（通常基
板はＧａＡｓである）間の境界面は、ｋ＝π／Ｄの近傍
で鏡として作用する。

これは、第２図に示すように、前記領域ＳＢ内において
これら境界面のブロッホ波に対する反射率が１に近いか
らである。

第２図は、超格子−空間の境界面（実線）及び超格子一
基板の境界面（破線）における、通常のブロッホ波の入
射による反射係数Ｒを光の波長Ｉの関数として表した図
である。この図から理解できるように、禁止帯の付近で
は反射率が大変高くなる。

超格子（周期Ｎ＝７５）内における光のエネルギー強度
の利得を真空中における入力光線のそれと比較したのが
第３Ａ図である。光の波長に対応するピークは共振条件
を満足している。この共振条件が確認されると、超格子
の反射係数Ｒは最小値を取り（第３Ｂ図参照）、これは
、２つの対向する鏡から構成される一般のファプリー−
ベロー共振器の場合と同様である。

第４図は、超格子の周期Ｎの数の増加に伴う共振のピー
クの正確さ（ｆｉｎｅｎｅｓｓ）及び振幅を示す図であ
る。曲線Ｉ、　ＩＩ及びＩＩＩはそれぞれ内期数Ｎ１＝
１００．Ｎ２＝７５及びＮ　３　＝　５０　ｉ−対応す
る。同様に、禁止帯の周波数に近ｆ＝ｔ　＜に連れて、
共振の強度は増加する。

以上の結果は、マクスウェルの方程式から開始して、異
なる境界面における電磁場の連続条件から空間−超格子
一基板の系における光の伝播を計算することにより得ら
れる。この例では、厚さｄｌ　　（ＧａＡｓ）＝８４ｎ
ｍ、ｄ２　（ＡＩＡｓ）＝５６ｎｍのＧａＡｓ−ＡｌＡ
ｓ超格子を用Ｉ／また。

これは、ＧａＡｓが近赤外線領域では良好な光音響物質
だからである。超格子の周期りは、調節可能な色素（ダ
イ）−レーザーＬＤＳ２１（波長約８００〜９００ｎｍ
）の使用範囲内であり、ＧａＡｓが透明と見なせる条件
で、共振が波長内で存在するように選択される。実験的
には、超格子共振器の共振条件（第４図のピークに対応
する）が得られるように、調節可能なレーザーの波長は
置き換えられる。ＧａＡｓとＡｌＡｓの層の厚さの比率
は、後述する超格子共振器の空隙内で光−音響相互作用
が最適化されるように選択される。

明らかに、これらの結果は、ある応用分野について重要
な関心事であったり、特に１．３〜ｌ。

５μｍの波長帯における光通信に関するような、他のタ
イプの超格子（ＧａＩｎＡｓ／ＩｎＰ等）や他の波長の
場合に関しても通用される。

光−音響相互作用、及び超格子と均一媒質との比較につ
いて考えてみる。光と超音波との相互作用は、光弾性効
果に基づくものである。音波が物質内を伝播すると　応
力の付随状態（ ａｓｓｏｃｉａｔｅｄ　５ｔａｔｅ）が生じて媒質内の
屈折率の周期的な摂動が引き起こされる。この屈折率の
摂動は、媒質内を光波が伝播する際における体積光格子
として作用し、光線は周波数ｆｄ＝ｆｉ＋Ｆ　（ｆ　ｉ
及びＦはそれぞれ入力光線及び音波の周波数である）に
おいて回折される。回折は、位相調整条件が満たされた
ときにのみ有効である。

位相調整条件は、媒質内の異なる点で回折された光が同
位相にあり、溝道的に干渉することを保証する。

均−媒質内では、位相調整条件はモーメント保存則、す
なわちｋｄ＝ｋ　ｉ＋Ｋ　（ｋｄ、ｋ　ｉ、にはそれぞ
れ入力光、回折光及び音波の波動ベクトル）で与えられ
る。音波の波動ベクトルの絶対値はベクトルｋｄ、ｋｉ
の絶対値より十分に小さし）ので、光線と音波が擬垂直
であるという条件下で相互作用が起こる。このことは第
５Ａ図及び第５Ｂ図により明らかにされる。

第５Ａ図は周知の光音響要素又は単位セルを示し、光弾
性物質からなるブロック２と、このブロック２の面に対
向して配置された圧電トランスデユーサ４とが備えられ
ている。このトランスデユーサ４は例えばＬｉＮｂ０．
の線路であり、その両面に金属の電極６を備え、一方の
電極６は前記ブロック２の面に固定されている。トラン
スデユーサ４が励起されると、ブロック２内で音波が生
成される。図において波面は符号８で示され、これら隣
合う波面間の距離はして示される。レーザー１０により
、光線１２がブロック２に供給される。この際、ブロッ
ク２はレーザー１０の光線に対して透明であると見なす
。入力光線１２は波面８と角度ｔをなし、この角度ｔは
通常１°以下であり、ブラッグ（入射）角と呼ばれる角
度に対応している。出射光線１４及び回折光線１６も波
面に対して角度ｔをなす。

超格子内では、人工的な周期性により、位相調整条件は ｋｄ＝ｋ　ｉ十に＋　（２ｍπ／Ｄ）ｚ。

（ｍ＝０、±１１±２、・・・・・・）となる。ここで
２０は超格子の軸Ｚに沿う単位ベクトルであり、（２ｍ
π／Ｄ）ｚｏは軸Ｚに平行な適格子のベクトルである。

位相調整条件における人工的な周期りの介在により、超
格子軸に沿う擬共直線配置において光と音波との相互作
用が行われる。例えばｍ＝＋１の場合、ｋｉがｋｄと逆
向きであり、しかも（π／Ｄ）ｚｏとほとんど異ならな
ければ、音波ベクトルの絶対値はｋｉの絶対値と比較し
て十分に小さい。従って、結合条件下における音波の周
波数は、圧電トランスデユーサにより生成される超音波
領域（５０ＭＨｚからおよそ１ＧＨｚ）に制限される。

このような、適格子ベクトルにより助長される低周波で
の相互作用は、折り返し音響フォノン（ｆｏｌｄｅｄ　
ａｃｏｕｓｔｉｃ　ｐｈｏｎｏｎ）による光回折実験（
文献（２）　　　（３）参照）により指摘され、観察さ
れていた。この相互作用は第６Ａ図及び第６Ｂ図に示さ
れている。

第６Ａ図は、基板２０上に形成された超格子１８を有す
る本発明による光音響単位セルを示す図である。超格子
１８は、相互に繰り返す府２２．２４の堆積物である。

層２２の厚さはｄｌで示され、居２の厚さはｄ　２　（
Ｄ＝ｄ　１　＋ｄ　２）で示される。この場合、前記ト
ランスデユーサ４は基板２０の自由面に対向して設けら
れる。レーザー２６により、光線２８が超格子の自由面
に向けて入射される。この際、超格子は波長１のレーザ
ー光に対して透明と見なせ、Ｄは１／２の近傍である。

入射光線２８は、トランスデユーサ４の励起により生成
された波面８に対して角度ｔｌ（９０”　に近い）をな
す。出射光線３０及び回折光線３２６波面８に対して同
様に角度ｔｌをなす。

光の波動ベクトルがミニ−ブリユアン帯の端近傍にある
場合の超格子内におけるファプリー−ベローの光学共振
効果については既に述べた。超格子内の光のエネルギー
密度は、共振条件における入射光線のそれよりも十分に
大きい。従って、超格子内において非常に強烈な光−音
響相互作用が期待できるのである。

第７図は、固体ＧａＡｓの回折効率ｎ　Ｇ　ａ　Ａ　ｓ
に対するＧａＡｓ−ＡｌＡｓ超格子（ｄｌ＝８４ｎｍ、
ｄ　２＝５６　ｎｍ、Ｎ＝　１５０）の回折効率ｎＳＬ
の割合の変化を、光の波長１を関数として表した図であ
る。超格子内における相互作用は擬装置線配置において
行われるのに対し、固体ＧａＡｓの場合では、光線と音
波は擬垂直状態（ブラッグ角で）にある。光−音響相互
作用の長さと音響パワーが互いに同一であると仮定して
、これら２つの場合の効率の比較を行った。ＰｌとＰ２
が最初の２つの共振ピークを示す。第７図より、超格子
の回折効率は固体ＧａＡｓの回折効率の８００倍にも至
ることが理解できる。

回折効率は超格子の措造に大きく依存している。

ＧａＡｓ−ＡｌＡｓ超格子では、この回折効率はＡｌＡ
ｓ層の相対的厚さＸ　（ＸはＡｌＡｓ層の厚さを周期り
で除した値に等しい）の関数である。

Ｘ＝０．４のときに最大の回折効率が得られる。

この値は２つの栂成材料の屈折率や光弾性係数の割合と
関係している。

超格子内における光エネルギーの限定により、固体媒質
の場合に比較して比較的小さい結合長さＬ　（Ｌ＝Ｎ−
Ｄ）を有する光と超音波との非常に有効な相互作用が実
現される。この結果、非常に大きい通過帯域Ｄ　’Ｆ　
（Ｄ　Ｆ　＝　ｖ　／　Ｌ　、　ｖは媒質内の音速）が
得られる。例えば、２０μｍの厚さを有する超格子では
、通過帯域ＤＦはおよそ２５０ＭＨｚであり、これは周
知の固体媒質を用いた素子では得ることができない。

「実施例］ 以下、この発明の実施例について図面を参照して説明す
る。

第８図は本発明による素子の概略図である。この素子は
光音雷変調器であり、基板３６上に超格子３４が形成さ
れている。−例として、基板はＧａＡｓであり、超格子
はそれぞれＧａＡｓ　（層３８）とＡｌＡｓ　（層４０
）とが交互に積層された堆積物である。周期の数はＮで
示される。超格子の横方向の寸法はそれぞれＨ及びＷで
示される。

圧電トランスデユーサ４が基板３６の自由表面に固定さ
れている。この自由表面は超格子軸Ｚに対して垂直（第
６Ａ図に示す装置も同じ）である。

電気的整合手段４４を有する電圧発生器４２は、トラン
スデユーサ４の電極６間に電圧を供給する。

図示されないレーザー光がある入射角で超格子の自由表
面から入射されると、超格子を構成する半導体物質の高
い屈折率により、この超格子内における入射光は層に対
してほぼ垂直になる。入射光線と超音波ビームとは擬共
直線状態となり、図示されない回折光は入射光と反対方
向に向けられる（反対方向への回折）。光の波長は超格
子の光学的禁止帯（停止帯）に近くなり、共振条件を満
足するように調整される。従って、超音波が存在しない
場合には、超格子からの反射光は最小になる。トランス
デユーサにより超音波が超格子に入射されると、回折光
が生成される。この回折光の強度は音響的パワーに依存
する。これにより、光の変調が実現される。

単に指示するものとして、及びこれに限定されない趣旨
において、第８図に示す装置の各パラメータは以下のと
おりである。

層の厚さ：　ｄ　　（ＧａＡｓ）＝８４　ｎｍ。

ｄ　　（ＡＩＡｓ）＝５６ｎｍ 周期の数：Ｎ＝１５０ 超格子の全体の厚さ：　Ｌ＝ＮＤ＝２１μｍ基板の厚さ
：ｄ（基板）＝０．５ｍｍ トランスデユーサの厚さ： ｄ　　（Ｌ　ｉ　Ｎｂ０ｘ）＝１５，４ｍ電極の厚さ：
ｅ＜０．１μｍ 横方向の寸法：Ｗ＝１ｍｍ、Ｈ＝１ｍｍ光学的作動波長
：Ｉ＝８８６ｎｍ 印加された電圧の中心周波数： ｆ＝５００ＭＨｚ 電極間に印加された電圧：約１０Ｖ インピーダンス整合：Ｒ＝５００ 変調器の通過帯域：　Ｄ　Ｆ　＝　ｖ　／　Ｌ　＝２５
０ＭＨｚ（音速ｖ＝５０００ｍ／ｓ）寸法：１ＸＩＸ０
．５ｍｍ’ 第８図に基づく多くの装置は、同一の基板上に形成され
た２次元列としてグループ分けできる。

このタイプの実施例を第８Ａ図に示す。図示する装置は
、基板３６ａの一方の表面に形成された超格子３４ａを
備えている。基板の他方の面には圧電板又は線路４ａが
設けられている。圧電板の一方の面には基板の面に沿う
電極６ａが設けられていると共に、他方の面には電極の
列（ａｒｒａｙ’）　Ｅｌｌ・・・・・・Ｅｌ、が設け
られている。各７Ｉｖ、極は、例えばそれぞれ寸法Ｈ及
びＷ（第８図参照）を有する矩形状に形成されている。

第８Ａ図に示す装置の使用に当っては、電極６ａはアー
スされ又は接地され、一方、電極Ｅ１１・・・・−・Ｅ
　は図示されない適当な手段によりそれぞれＶｌ、・・
・・・・ＶＩｊなる電圧が独立に印加されている。従っ
て、この装置では光音響単位セルの列が１枚岩（ｍｏｎ
ｏｌｉｔｈｉｃ）のように並んでいると考えられる。こ
れら電極Ｅ１□・・・・・・Ｅ、には、対応する単位圧
電トランスデユーサＴ１．・・・・・・Ｔが付設されて
いる。従って、超格子が透明と見なせる波長ｌ　（超格
子はｌ／２近傍の周期りを有する）を有するレーザー光
が超格子３４ａの自由表面に供給されることで、各単位
セルで生成された音波が前記レーザー光のうちこの単位
セルに対向する成分と相互作用し、この成分が変調され
る。

電極６ａが設けられ、た基板の面は、超格子３４ａの層
と平行か、あるいはこの居に対して若干傾斜されている
（後述する第９図の場合のように）。

第９図は本発明による他の素子の例を示す概略図である
。この素子は、トランスデユーサ−が超格子居すなわち
基板の自由面に対して角度ａをもって傾斜しており、こ
の点が第８図に示す光音響素子と異なっている。図示し
ないレーザーから照射された光は、超格子の自由面に直
角に入射する。

超音波の波（超格子の積層方向Ｚに対して角度ａを構成
する方向に伝搬する）の存在下において、光線は、超格
子軸Ｚに対してわずかに偏向した方向へ回折させられる
。その偏向方向は超音波の周波数によって変化する。こ
のように、光線の偏向は電極６の間に印加する電圧の周
波数を変化させることによりもたらされる。

第９図に示す素子の具体的なパラメーターは以下の通り
である。ただし、これに限定されるものではない。

層の厚さ：ｄ　　（ＧａＡｓ）＝８４ｎｍ、ｄ　　（Ａ
　　Ｉ　　Ａｓ）＝５６　ｎｍ周期の数：Ｎ＝１５０ 超格子の全体の厚さ：　Ｌ＝ＮＤ＝２１μｍ横方向寸法
：Ｗ＝１０ｍｍ、Ｈ＝２ｍｍ基板の傾斜角：ａ＝５°４
２ （ｅｉ＝０．５ｍｍ、ｅ　２＝１．５ｍｍ）トランスデ
ユーサ−の厚さ： ｄ　　（Ｌ　１Ｎｂｏ３）＝１５ｐｍ 電極の厚さ：ｅ＜０．１μｍ 光学的波長の有効長さ：Ｌ＝８８６ｎｍ電極印加電圧：
約１０Ｖ インピーダンス整合：Ｒ＝５００ 印加された電圧の中心周波数： ｆ＝５００ＭＨｚ 通過帯域：ＤＦ＝ｖ／Ｌ＝ ２５０ＭＨｚ（音速ｖ＝５００ｍ／ｓ）回折光の加速可
能な偏向角： ｄ　ｔ＝　（１／Ｌ）ｔ　ｇａ＝０．２５’取り得る偏
向ポジションの数： Ｎ　ｓ＝　（Ｗ／　Ｌ）　　ｔ　ｇ　ａ＝５０アクセス
タイム： Ｔ＝　（Ｗ／Ｖ）　　ｓ　ｉ　ｎ　２　ａ＝ｏ、２　ｐ
　ｓ　ｅ　ｃ寸法：　１０Ｘ２Ｘ　１．５ｍｍ３ 第１０図は、本発明の他の例を示す概略図であって、例
えばＧａＡｓ基板４８の上面に例えばＧａＡｓ−ＧａＡ
ｌＡｓからなる超格子４６を構成したものである。基板
の自由面には、励起させられたときに表面弾性波を発生
する表面弾性波トランスデユーサ−５０が固定されてい
る。これによって、表面弾性波は最初の段階で超格子層
に平行に伝搬するようになっている。たとえば、櫛歯状
（ｉｎｔｅｒｄｉｇｉｔａｔｅｄ）　　トランスデユー
サ−が圧電性物質からなる超格子の自由面上に形成され
る。

レーザー５４からの光線５２は、超格子４６の自由面に
入射する。この場合のレーザーとしては、波長１が超格
子に対して透明で、かつ光の半波長の半分の近傍が超格
子の周期りであるようなものが選定される。

音響波の伝搬が存在しない場合も存在する場合も偏向さ
れた光線５６が得られ、その方向は音響波の周波数によ
って決定される。

第１１図はこの発明の他の例を示す概略図であって、こ
の素子は、基板６４の上面に形成された光波路６２内に
形成された横方向の超格子６０を具備したものである。

この素子においては、横方向の超格子６０に対向する導
波路６２上に音響波トランスデユーサ−６６が形成され
ている。超格子６０は、所定の材質で構成された連続す
る線路６８とこの線路６８と平行でかつ異なる材質で構
成された線路７０が交互に配置されている。光波路が圧
電物質で構成されている場合には、トランスデユーサ−
６６は、たとえばそれぞれの櫛歯が線路６８．７０に平
行でかつ図示しない手段によって制御される櫛歯状トラ
ンスデユーサ−が採用される。そして、線路６８は輻ｄ
１、線路７０は輻ｄ２を有し、ｄｌ＋ｄ２＝Ｄ　（横方
向超格子の周期）とされる。なお、線路６８．７０の厚
さは導波路のそれと同じである。

限定されない具体例では、基板はＧａ。

ＡｌｘＡｓから構成され、導波路はＧａ、−、、ＡｌＡ
ｓ　　（ただしｙ＜ｘ）で構成され、線路７０は光波路
を構成する材料で構成される。一方、線路６８はＧａ、
、、−、ＡＩ、Ａｓ　（ｚ＋ｙ）で構成される。線路６
８は、導波路６２の全長にわたって平行なエツチングを
施し、そこにＧａ、−□ＡＩ、ＡＳを沈着させることに
よって得ることができる。

光線７１は導波路内に限定され、例えば人力回折格子７
２を介して、超格子に対して傾斜された状態で、かつ、
この超格子のトランスデユーサ６６に対向する面と反対
側の面から入射される。櫛歯状トランスデユーサ６６に
より生成された音波は、装置の表面を伝播して光線と相
互作用する。

光線は超格子内で音波により回折され、そして、例えば
出力回折格子７４を介して、・導波路から抽出される。

このようにして光音響変調器（反射光線の強度は櫛歯状
トランスデユーサに印加される電力に依存する）を得る
ことができる。前記トランスデユーサを超格子軸Ｚｌか
ら傾斜することで、光音響偏向器（反射光線の角度は櫛
歯状トランスデユーサの端子間に印加される電圧の周波
数に依存する）を得ることができる。従って、体積音波
を用いた本発明の装置と同様な特徴（通過帯域、速度、
能力、効果等）を有する装置を得ることができる。

本発明において光音響素子を製造するために用いた光学
的共振は、他の装置にも同様に用いることができ、特に
は電気光学素子や非線形光学素子にも用いることが可能
である。

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ｌａｙ、　　　”ＭｏｎｏｌｉｔｈｉｃＧａＡｓ／Ａｌ
Ａｓ　　ｏｐｔｉｃａｌ　　ｂｉｓｔａｂｌｅ　　ｅｔ
ａｌｏｎｓｗｉｔｈ　　　　　　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　　
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ｔｉｃｓ”、Ａｐｐｌ、　　Ｐｈｙｓ、Ｌｅｔｔ。

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ｈｏｔｏｅｌａｓｔｉｃｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　　　ｏ
ｆ　　５ｅｌｅｃｔｅｄ　　　ｍａｔｅｒｉａｌｓａｎ
ｄ　　　　　　ｔｈｅｉｒ　　　　　　ｒｅｌｅｖａｎ
ｃｅ　　　　　　ｆｏｒａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　　
　ｔｏ　　　ａｃｏｕｓｔｉｃ　　　ｌｉｇｈｔｍｏｄ
ｕｌａｔｏｒｓ　　　ａｎｄ　　　５ｃａｎｎｅｒｓ　
　　　　Ｊ、ｏｆａｐｐｌ、ｐｈｙｓ、３８．５１４９
（１９６７）「発明の効果」 以上詳細に説明したように、本発明の光音響素子によれ
ば、固体媒質を用いた光音響素子に比較して高い通過帯
域を得ることができ、しかも、これに匹敵する制御電力
や効率を得ることができる。

また、このようにして得られた光音響素子は、周知の素
子よりも非常にコンパクトである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、超格子の軸に沿う伝播に伴う光の分散曲線を
示す図である。 第２図は、超格子−空間及び超格子一基板の境界面にお
けるブロッホ光の通常の入射による反射係数の変化を光
の波長の関数として表した図である。 第３Ａ図は、入力光線に対する超格子内の光エネルギー
密度の利得の変化を光の波長の関数として表した図であ
る。 第３Ｂ図は、第３Ａ図の超格子の反射係数の変化を光の
波長の関数として表した図である。 第４図は、異なる周期を有する複数の超格子について、
入力光線に対する超格子内の光エネルギー密度の利得の
変化を光の波長の関数として表した図である。 第５Ａ図は、周知の光音響素子の概略図であり、第５Ｂ
図はこの素子内における波動ベクトル保存則を示す図で
ある。 第６Ａ図は、本発明による光音響素子の概略図であり、
第５Ｂ図はこの素子内における波動ベクトル保存則を示
す図である。 第７図は、固体ＧａＡｓに対するＧａＡｓ−ＡｌＡｓ超
格子の最適回折効率の変化を光の波長の関数として表し
た図である。 第８図、第８Ａ図及び第９図は、それぞれ体積弾性波を
用いた本発明による素子の実施例を示す概略図である。 第１０図は、表面弾性波を用いた本発明による素子の他
の実施例を示す概略図である。 第１１図は、水平超格子及び表面弾性波を用いた本発明
による素子のまた他の実施例を示す概略図である。 ４．５０．６６・・・・・・音波生成手段、１８．３４
．４６．６０・・・・・・超格子、２０．３６・・・・
・・基板、３８．４０・・・・・・層。

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. （１）入射光と少なくとも１つの音波との間で相互作用
   する光弾性相互作用媒質と、音波生成手段（４、５０、
   ６６）とを備えた光音響素子であって、前記相互作用媒
   質は超格子（１８、３４、４６、６０）からなり、この
   超格子は前記光線に対して透明であると共に、その周期
   が超格子内における前記光線の半波長の整数倍の近傍で
   あることを特徴とする光音響素子。
2. （２）請求項１記載の素子において、前記超格子（１８
   、３４、４６、６０）を構成する物質の少なくとも１つ
   は、その光音響示性数が二酸化ケイ素の少なくとも約１
   ０倍有することを特徴とする光音響素子。
3. （３）請求項１記載の素子において、前記超格子（１８
   、３４）は基板（２０、３６）の一方の面上に形成され
   、自由面である他方の面には前記音波生成手段（４）が
   設けられていることを特徴とする光音響素子。
4. （４）請求項３記載の素子において、前記基板（２０、
   ３６）の前記自由面は超格子の層（３８、４０）に平行
   であることを特徴とする光音響素子。
5. （５）請求項３記載の素子において、前記基板（２０、
   ３６）の前記自由面は超格子の層（３８、４０）に対し
   て傾斜していることを特徴とする光音響素子。
6. （６）請求項１記載の素子において、前記音波生成手段
   は圧電トランスデューサを含むことを特徴とする光音響
   素子。
7. （７）請求項１記載の素子において、前記素子は互いに
   独立に音波を生成する圧電トランスデューサの列（Ｔ＿
   ｉ＿ｊ）を備えていることを特徴とする光音響素子。
8. （８）請求項１記載の素子において、超格子（４６）は
   基板（４８）の一方の面に形成されていると共に、この
   超格子には音波生成手段（５０）が設けられ、この音波
   生成手段は、前記超格子の層に平行な音波をこの超格子
   内に生成することの可能な表面弾性波トランスデューサ
   を備えていることを特徴とする光音響素子。
9. （９）請求項１記載の素子において、前記素子は基板（
   ６４）とこの基板に設けられた導波路（６２）とを備え
   、前記超格子（６０）は前記導波路内に形成された水平
   超格子であり、また前記導波路には音波生成手段（６６
   ）が設けられ、この音波生成手段は、前記水平超格子の
   軸に沿って、あるいは軸に対して傾斜した音波をこの水
   平超格子内に生成することの可能な表面弾性波トランス
   デューサを備えていることを特徴とする光音響素子。
10. （１０）請求項１記載の素子において、前記超格子（１
    ８、３４、４６、６０）は半導体超格子であることを特
    徴とする光音響素子。
11. （１１）請求項１記載の素子において、前記光線はレー
    ザー光線であることを特徴とする光音響素子。