JPS6212894B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は相対的に平行な平担面を有している電
気−光学結晶２から成り、該結晶の前記各面には
透明中間層を介して透明第１電極を設けた電気−
光学光変調素子に関するものである。

上記電気−光学光変調素子では縦方向の電気−
光学効果（ポツケルス効果）を用いて光が位相変
調される。この効果は光軸が結晶板の表面に垂直
に延在し、かつリン酸水素カリウムの族に属する
材料製の単結晶板中にて生ずる。このような結晶
をその光軸ｃ（結晶軸）に平行に向いている電界
Ｅ内に入れると、光軸の方向に拡がつている光線
のうち、互いに直角に偏光される光成分に対して
屈折率の差△ｎが得られる。最初は位相が等しい
上記光成分は、これらの光成分が厚さｄの結晶を
離れる際に位相差を呈する。上記効果は直線的
であるため、△ｎは電界強度Ｅに比例し、は積
Ｅ・ｄに比例、すなわちは結晶の入力面と出力
面との間の電位差Ｖに比例する。従つて、直線的
に偏光される光ビームの偏光状態は斯種の結晶に
よつて変えることができる。これについては例え
ば雑誌「Optica Acta」（Vol.24、No.４、第413〜
425、1977年）を参照することができる。

斯る形式の光変調素子は例えば、偏光分析装
置、電気制御光シヤツターおよび薄膜の厚さや、
屈折率を測定する測定装置等のような種々の装置
に用いることができる。

斯種光変調素子はドイツ国公開公報第2429813
号から既知である。この場合には、周囲の湿気か
ら結晶を隔離するために、電気−光学結晶の平行
な平担面と電極との間に中間層を設け、電極その
ものは、例えば金、銀、銅等のような導電率の高
い半透明の金属膜で構成し、これらを中間層の上
に直接設けている。電極に金を用いる場合には、
その厚さは約５〜16nｍとしている。中間層およ
び電極は何れも蒸着法によつて結晶上に被着して
いる。

従つて、電極の導電率は極めて高いが、これら
電極の透明度はごく僅かである。これがため、斯
種光変調素子は低強度の光ビームの位相変調用に
しか適さない。

導電率が高く、しかも透明度の高い電極を製造
するために、電気−光学結晶の光通過面上に酸化
チタンまたは酸化インジウムの透明導電膜を均一
に設けることは、例えばドイツ国公開公報第
2429813号の第３頁第２節から既知である。例え
ば、斯種の電極を蒸着によつて結晶の表面上に形
成するためには、結晶そのものを少なくとも150
℃の温度で多少長時間にわたり加熱する必要があ
る。しかし、例えばKDP−結晶のような光学結
晶は斯種な方法で加熱されると、その電気−光学
特性が破壊される。

導電率が高く、しかも透明度が大きい、例えば
酸化インジウム製の電極をガラスのような基板上
に設けることも提案されている。この目的に必要
とされる高温度によつては、例えば平担なガラス
板のような基板が破壊されることはないが、電極
を結晶に接触させるためにはガラス板を結晶に接
着する必要がある。しかしこのようにすると、結
晶内部の電界が十分均一にならなくなると云う欠
点がある。電界分布が不均一だと、結晶の界面に
バリヤ（障壁）層が形成されることになる。ま
た、電界分布は結晶の導電率の不均一性または楔
状のセメント層およびセメント層内部の泡によつ
ても不均一になることがある。

これがため、本発明の目的は透明度が高く、か
つ、光変調素子内部の電界に対して良好な均一特
性を呈するスイツチング速度の高い電気−光学光
変調素子を提供せんとするにある。

本発明は相対的に平行な平担面を有している電
気−光学結晶から成り、該結晶の前記各面には透
明中間層を介して透明第１電極を設けた電気−光
学光変調素子において、各第１電極の上にさらに
透明セメント層を設け、これらのセメント層を第
２透明電極によつて覆い、該第２透明電極を、第
１電極の透明度と同じとするも、導電率は第１電
極の導電率よりも極めて大きくし、前記各第２電
極を基板に接続したことを特徴とする。

電気−光学光変調素子の容量はこれらの素子の
アパーチヤ全体にわたりできるだけ均一とする必
要がある。すなわち、光変調素子の入射面上の
種々の個所に入射し、かつ結晶軸に少なくともほ
ぼ平行に延在する光ビームは同じ方法で位相変調
されるようにする必要がある。さらに、扁平な薄
層状とする変調素子の電極は所定波長の光に対し
てできるだけ透明として、光変調素子を通過する
光ビームの強度ができるだけ減衰しないようにす
る必要がある。このようにすれば、光変調素子を
例えばデイジタル光シヤツターに使用する場合に
有利である。電極のオーム抵抗を低くすることの
必要性は、電極のオーム抵抗が高いと、光変調素
子のスイツチング時にこの素子に極めて大きな再
充電電流が流れ、これにより電圧降下をまねき、
しかもスイツチング周波数が高いと、光変調素子
が加熱されることからして明らかである。

電気−光学光変調素子の第１電極は、例えば酸
化インジウム（In₂O₃）を主成分として成り、しか
も結晶上にある中間層に直接設けられる導電率が
低くて、透明度の高い層をもつて構成する。しか
しこれらの第１電極を成す層のシート抵抗は比較
的大きくなる。その理由は、第１電極はほぼ常温
で蒸着するだけであるからである。

第１電極のシート抵抗は、ガラスのような平担
な透明基板上にそれぞれ設けられ、かつ透明なセ
メント層を介して第１電極に接続される第２電極
によつて橋絡させる。従つて、第２電極も薄い平
担な層状のものとし、その透明度を高いものとす
るが、この第２電極は電気的な導電率も高くす
る。このような第２電極層も酸化インジウムで構
成することができ、この場合には高温度で製造す
るのが好適である。このように、酸化インジウム
の第２電極層を数100℃の温度で加熱して製造す
れば、常温にて製造される酸化インジウムの電極
の導電率よりも高くなる。

従つて、光学光変調素子の動作中（およびスイ
ツチング中）は、第２電極が第１電極に電荷を容
量的に結合させることからして、第２電極が変位
電流の大部分を引継ぐことになる。これがため、
第１電極は結晶軸の方向、従つてこの第１電極を
表わす層に垂直に通る電流を通すだけとなる。こ
れらの電流通路は、第１電極となる層厚が薄いた
め、極めて短いことからして、これらの電流通路
の抵抗値も極めて小さくなる。この際、第１電極
は結晶上に電界を均一に分配し、かつ電荷を提供
するが、これらの電荷は結晶の漏洩抵抗を介して
徐々に流出される。これにより第１電極に並列に
僅かの補償電流が流れるが、これらの補償電流は
第２電極の補償電流に比べ無視し得る程度であ
る。

上述したように、光変調素子の透明度および均
一性を高くし、かつ、第２電極のオーム抵抗を低
くすることによつて、高いスイツチング周波数に
て光変調素子を加熱すせることなく動作させるこ
とができる。

本発明の好適な実施に当つては、電気−光学結
晶を大きな飽和偏光量および高い変調容量を呈す
るジユートロ化したリン酸二水素カリウム結晶と
する。

さらに本発明の好適な実施に当つては、透明中
間層を、電気−光学結晶の表面に設けるAl₂O₃層
と、このAl₂O₃層の上に設けるSiO₂層とをもつて
構成する。

中間層は結晶面上に直接設けられる透明な防護
膜となる。この中間層は特に、結晶を周囲の湿気
から防護する作用をする。さらに中間層は、例え
ば常温でのスパタリングによりこの中間層の上に
直接設けられる第１電極用の接着層としても作用
する。中間層は結晶中の電界を最適に結合させる
作用もする。

本発明のさらに好適な実施に当つては、第１電
極を、常温にて前記中間層の上に設けられる酸化
インジウム／酸化錫層を主成分として構成する。
このようにすれば、第１電極に必要とされる特性
を有する電極をこれらの材料により有利に製造す
ることができる。

さらに本発明の好適な実施に当つては、第２電
極を、透明基板上に設けられ、かつ高温にて製造
される酸化インジウム／酸化錫層を主成分として
構成する。これらの層の電気導電率は高く、また
光学的な透明度も高くなる。

図面につき本発明を説明する。

第１図は、例えばジユートロ化したリン酸二水
素カリウム結晶、または他の適当な電気−光学結
晶とし得る電気−光学結晶２を有している本発明
による電気−光学光変調素子１の断面図である。
電気−光学結晶２は薄くて扁平な層状とし、これ
を図面の平面に垂直に延在させ、例えばこの結晶
層２の平担な面積は約100mm²で、厚さは１mmとす
る。結晶層２の表面は矩形または円形或は他の適
当な形状とすることができる。光変調素子１の光
軸３は互いに平行に延在している研摩した層の表
面に直角とする。光軸３は結晶軸でもあり、光変
調素子１には光軸３に平行に光Ｉが入射する。

厚さが約0.1μｍの層４および４′は透明な酸化
アルミニウム（Al₂O₃）膜で構成し、これらの膜
は真空蒸着またはスパタリングによりほぼ常温に
て結晶２に直接被着する。酸化アルミニウム膜
４，４′の上には同様な方法で二酸化珪素
（SiO₂）膜５および５′を約1.0μｍの厚さに被着す
る。前記膜４；５および４′；５′は中間層を成
し、これらは結晶２を周囲の湿気から防護する絶
縁物として作用すると共に、これら中間層の上に
設ける第１電極６，６′用の接着層としても作用
する。第１電極６，６′の厚さは、これらの電極
が他の層と共に反射減衰系を形成するような厚さ
とする。

第１電極６，６′は例えば酸化インジウム
（In₂O₃）を主成分とし、これらは真空蒸着または
スパタリングにより中間層、従つて二酸化珪素層
５，５′の上に常温にて直接被着する。この際、
電気−光学結晶は加熱されないので破壊されるこ
とはない。上記第１電極６，６′の厚さは約0.1μ
ｍとする。第１電極は高いシート抵抗を呈し、ま
た、約633nｍの波長範囲内の光に対するこれら
第１電極の透明度は極めて大きくなる。上述した
ような波長の光の場合には、光変調素子の他のす
べての層も最大透明度を呈するようになる。本発
明による光変調素子は上述した波長とは異なる他
の波長用にも構成することができることは勿論で
ある。この場合には、個々の層の厚さを対応する
波長に適合させる必要があるだけである。

電気−光学結晶２の光軸３に垂直な面の面積が
１cm²で、この結晶の誘電定数εがε＝50の場合、
第１電極６，６′は電気−光学結晶２と共に約
44pFの容量値Ｃ_kdpを呈する。

第１電極６，６′には透明なセメント層９，
９′を介して第２電極８，８′を平行に延在させ、
これらの第２電極の上には平担なガラス基板７，
７′を設ける。

第２電極８，８′の厚さは約0.15μｍとし、こ
れらの第２電極も酸化インジウム（In₂O₃）を主成
分として構成する。また、これらの第２電極は、
例えば蒸着、スパタリングまたは気相からの堆積
によつて数100℃の高温度にてガラス基板７，
７′上に形成する。ガラス基板７，７′の厚さはミ
リメートルの範囲内の厚さとする。第２電極８，
８′も第１電極６，６′とほぼ同じ光学的透明度を
呈する。しかし、第２電極８，８′Ｂの導電率は
極めて大きい。

セメント層９，９′は、例えばエポキシ樹脂ま
たはポリエステル樹脂で構成し、その厚さは約５
μｍとし、かつその誘電率は約３とする。各第１
電極６，６′と各第２電極８，８′とによつて約
530pFの結合容量Ｃ_kを呈する。

第１および第２電極６，６′および８，８′は互
いに僅かだけ平行に動かしに、内側接続接点１０
および外側接続接点１０′を設ける自由表面が対
応する電極層の縁部に残存するようにするのが有
利である。

なお、透明なガラス基板７，７′の外側面上に
は所望波長の光Ｉで所定の屈折率を呈する誘電材
料製の１枚または数枚の層で形成される非反射膜
（図示せず）を被着することができる。

電気−光学光変調素子１、例えば２つのスイツ
チング状態“０”と“１”との間にて動作させる
ことができ、これらの両スイツチング状態のう
ち、スイツチング状態“０”は出力端子１１に電
圧Ｕ＝０を設定することにより発生する状態であ
り、この状態では、例えば光変調素子１を通過す
る直線偏光−光ビームの振動面は回転しない。第
２スイツチング状態“１”は出力端子１１に正ま
たは負の直流電圧パルスU₊またはU_-を与えるこ
とにより発生させることができ、この場合には直
線偏光−光ビームＩの振動面は回転する。直流電
圧パルスの値は約２〜4kVとし、また、スイツチ
ング周波数は50KHz以上とすることができる。
電圧U₊、U_-は、これらの電圧によつて直線偏光
−光ビームの振動面が同程度だけ回転するように
選定する。

第２図は第１図に示す電気−光学光変調素子の
簡単な等価回路図である。容量Ｃ_kdpは電気−光
学結晶２の容量値であり、この容量の漏洩抵抗Ｒ
_LはＣ_kdpに並列である。この並列回路には、結合
容量Ｃ_kとその漏洩抵抗Ｒ_k（これはセメント層
９，９′の抵抗値を示す）との並列回路が順次電
気的に直列に接続される。結合容量Ｃ_kでの電圧
降下はできるだけ小さくすべきである。

上記並列回路Ｃ_kおよびＲ_kにはそれぞれオーム
抵抗の低い第２電極８および８′のトラツク抵抗
Ｒ_bが直列に接続され、これら抵抗の端部には接
続線１１がある。第２電極８，８′のトラツク抵
抗Ｒ_bと上記並列回路（Ｃ_kおよびＲ_k）との直列
回路には、第１電極６，６′の各トラツク抵抗Ｒ_i
とこれら第１電極６，６′の直列抵抗Ｒ_vとの直列
回路が並列に接続される。第１および第２電極
６，８；６′，８′はそれぞれ光変調素子１の両側
にあり、従つて、これらの第１および第２電極は
電圧源Ｕ（図示せず）の同じ端子に接続する。

例えば、矩形電圧パルスを斯種装置の接続線１
１に与えると、先ず第１電極６，６′の電圧は容
量Ｃ_kdpとＣ_kの容量性分圧比による電圧値とな
る。ついで、第１電極６，６′の電圧はオーム抵
抗によつてさらに変化するため、結晶２で電圧パ
ルスのパルス傾斜角が調整されるようになる。

最も簡単な場合には、第１電極６，６′を電圧
源に接続せずに、Ｒ_v＝∞とする。この場合には
結晶２での電圧変動は、この結晶２における時定
数とセメント層９，９′の時定数とによつて定ま
る。できることなら上記両時定数（Ｒ_k Ｃ_kとＲ
_i Ｃ_kdp）は等しくする必要がある。その理由
は、上述した場合には結晶２にて光学的に作用す
る電圧パルスのパルス傾斜角が変化しないからで
ある。第１電極６，６′の接続線をなくすと、特
に電圧パルスの幅が小さくなる。その理由は、こ
の場合にはパルス傾斜の傾斜角が光変調素子１の
光変調特性には影響を及ぼさないからである。

第１電極６，６′および第２電極８，８′も互い
に電気的に接続することができる。この場合には
直列抵抗Ｒ_vの抵抗値を適当に選定して、結晶２
における電圧パルスのパルス傾斜角が０または最
小となるようにして、第１電極６，６′ができる
だけ早く規定の電位となるようにする。

図示の例では入力パルスがＵ＝4KVの場合、結
合コンデンサＣ_kでの電気入力パルスの減衰量は
全体で14.5％であつた。結晶２での光学的に動作
する電圧パルスは斯る量だけ低減する。このこと
からして、厚さが１mmの結晶２に入射する直線的
に偏光された光は95％変調される。結晶の厚さが
４mmの場合には入射光の変調度は99.6％に改善さ
れる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による電気−光学光変調素子の
一例を示す断面図、第２図は第１図の等価回路図
である。 １……電気−光学光変調素子、２……電気−光
学結晶、３……光軸、４，４′……透明な酸化ア
ルミニウム膜、５，５′……二酸化珪素膜、４；
５，４′；５′……中間層、６，６′……第１電
極、７，７′……ガラス基板、８，８′……第２電
極、９，９′……セメント層、１０……内側接続
接点、１０′……外側接続接点、１１，１１′……
接続線、Ｉ……光。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 相対的に平行な平担面を有している電気−光
   学結晶２から成り、該結晶の前記各面には透明中
   間層４，５；４′，５′を介して透明第１電極６，
   ６′を設けた電気−光学光変調素子１において、
   各第１電極６，６′の上にさらに透明セメント層
   ９，９′を設け、これらのセメント層を第２透明
   電極８，８′によつて覆い、該第２透明電極を、
   第１電極の透明度と同じとするも、導電率は第１
   電極の導電率よりも極めて大きくし、前記各第２
   電極を基板７，７′に接続したことを特徴とする
   電気−光学光変調素子。 ２ 電気−光学結晶２をジユートロ化したリン酸
   二水素カリウム結晶としたことを特徴とする特許
   請求の範囲１記載の電気−光学光変調素子。 ３ 透明中間層を、電気−光学結晶２の表面に設
   けるAl₂O₃層４，４′と、前記Al₂O₃層の上に設け
   るSiO₂層５，５′とによつて構成したことを特徴
   とする特許請求の範囲１または２の何れかに記載
   の電気−光学光変調素子。 ４ 第１電極６，６′を、常温にて前記中間層の
   上に設けられる酸化インジウム層または酸化イン
   ジウム／酸化錫層を主成分として構成したことを
   特徴とする特許請求の範囲１、２または３の何れ
   か１つに記載の電気−光学光変調素子。 ５ 第２電極８，８′を、透明基板７，７′の上に
   設けられ、かつ高温にて製造される酸化インジウ
   ム層または酸化インジウム／酸化錫層を主成分と
   して構成したことを特徴とする特許請求の範囲
   １、２、３または４の何れか１つに記載の電気−
   光学光変調素子。 ６ 透明セメント層９，９′を、エポキシ樹脂、
   ポリエステル樹脂等のような透明接着剤で構成し
   たことを特徴とする特許請求の範囲１〜５の何れ
   か１つに記載の電気−光学光変調素子。 ７ 透明セメント層９，９′の時定数を電気−光
   学結晶２の時定数よりも小さくするか、または等
   しくしたことを特徴とする特許請求の範囲６記載
   の電気−光学光変調素子。 ８ 電気−光学結晶２の両側に設ける第１および
   第２電極６，６′；８，８′を電圧源Ｕの同じ端子
   にそれぞれ接続するようにしたことを特徴とする
   特許請求の範囲１〜７の何れか１つに記載の電気
   −光学光変調素子。