JPH04162015A - 音響光学素子 - 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、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横築す
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６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傳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、だ
がだが、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、広帯域に亘っな光を変調させたり、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
率に変化をもたらず光弾性効果に似て、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、Ｌ　
］　Ｎ　ｂ　Ｏ３、Ｔ　ｅ　Ｏ２、ＰｂＭＯＯ４、等が
挙げられている。

Ｅ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、ＩＧＨｚ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、６
３３ｎｍの波長を持ったＨｅ−Ｎｅガスレーザや、７８
０ｎｍ、または、８３００ｍ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
、ＧａＰ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原子が侵入している状態、即ち、
Ｐのアンチサイト欠陥に起因されて、６００〜１１００
０ｎの波長領域にて、光の吸収層が高くなっている事を
見出だし、１９８８年にスエーデンで開催された第５回
半絶縁性Ｉ［１−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２２ｅｖと
高く、可視領域Ｊでの透光性を示すものであるものの、
Ｓｔ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効率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
能にぜ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、５６０〜７０
０ｎｍ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□’以上、１
．　ＯＸ　］、　Ｏ”ｃ　ｍ−’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５６０〜７
００ｎｍ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〕 Ｓｊ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。

Ｓｌをドープして得られたＧ　ａ　Ｐ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、この結晶内を透過する光
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になり、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−’未満で
あると、Ｐのアンチサイト欠陥にもとすく光の吸収を十
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ＩＯＸＩＯ１６ｃｍ−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、Ｂ２０、を封止
剤として、液体封止チゴ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、Ｓｔ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づ〜６
×１０”ｃｍ−’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Ｇａ
Ｐ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０．３
ｍｍのウェハーを切り出し、このウェハーの四角にＩｎ
をはんだ付けした後、水素雰囲気中で、４５０°Ｃ１５
分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・ボ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／ＣＩＨ また、前述の作業によって育成され、Ｓｉが００５重１
％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の結晶インゴットか
ら、面方位（１，ＯＯ）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５５５〜７００ｎ
ｍの入射光について、入射光の光度（■。）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（Ｉｏ）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。

（この頁以下余白） α−−−１ｎ　　（１／　Ｉ　。） 実施例１ Ｓｉを０．０７重量％添加したＧ　ａ　Ｐ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、光め波長が５６０ｎｍの場合の吸収係数
は２．３ｃｍ−’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】６×１０”ｃｍ−３の場合に測定
された吸収係数の２゜７ｃｍ’−’と、０．９ｃｍ−’
とに比べて、格段０９位を示して居ると共に、光源に光
の波長６３３０ｍ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　Ｘ　１０１
６ｃｍ−’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１０Ｘ　１．０”ｃｍ−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２．４ｃ
ｍ−’であり、更に、光の波長が７００ｎｍの場合の吸
収係数は０．５ｃｍ−’として示され、夫々、キャリア
ー濃度が１３Ｘ１．Ｏ”ｃｍ″３の試料で測定された場
合の吸収係数の２．８ｃｍ−’と、０．７ｃｍ−’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
Ｘ　１０　”ｃ　ｍ”−’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、Ｓｆが００７重量％
ドープされて居り、且つ、キャリア濃度が６×１０′６
ｃｍ″″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、ＺｎＯ，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０．７ｍｍＸ５．０ｍｍ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０８Ｗ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１３ＸＩＯ”ｃｍ−３の試
着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−’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３．０
ｃｍ月であり、更に、光の波長が７００ｎｍの場合の吸
収係数は］、、６ｃｍ−’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１６Ｘ　１０”ｃｍ−’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２．７ｃ
ｍ−’であり、更に、光の波長が７００ｎｍの場合の吸
収係数は０．９ｃｍ月として示され、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１３Ｘ　１０”ｃｍ−’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
どする場合に、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Ｙ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 (1)

【特許請求の範囲】
1. ＳｉがドーピングされたＧａＰ半導体素子であって、３
   ００゜Ｋに於ける該素子のキャリア濃度が２×１０＾１
   ＾６ｃｍ＾−＾３以上、１０×１０＾１＾６ｃｍ＾−＾
   ３以下である事を特徴とする音響光学素子。