KR20140146166A - 전기광학 단결정소자, 그 제조방법 및 그 소자를 이용한 시스템 - Google Patents

전기광학 단결정소자, 그 제조방법 및 그 소자를 이용한 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전기광학(E-O) 결정소자, 그 적용 및 제조방법에 관한 것이다. 보다 상세하게, 본 발명은 광범위한 변조, 통신, 레이저, 및 전기광학 산업 용도에서 초고 선형 E-O 계수(γc), 가령 1100 pm/V 보다 큰 횡유효 선형 E-O 계수 및 527 pm/V까지의 종유효 선형 E-O 계수를 나타내며, 이로 인해 200V 미만의 매우 낮은 반파전압(Vl) 및 87V 미만의 매우 낮은 반파전압(VT)을 나타내는 (도핑되거나 미도핑된 PMN-PT, PIN-PMN-PT 또는 PZN-PT 강유전체 결정으로 제조될 수 있는) E-O 결정소자에 관한 것이다.

Description

전기광학 단결정소자, 그 제조방법 및 그 소자를 이용한 시스템{ELECTRO-OPTICAL SINGLE CRYSTAL ELEMENT, METHOD FOR THE PREPARATION THEREOF, AND SYSTEMS EMPLOYING THE SAME}
본 출원은 2012년 4월 4일자로 출원된 미국 가출원 No. 61/686,350, 및 2013년 3월 18일자로 출원된 미국 가출원 No. 61/802,796의 우선권을 주장하며, 상기 각각의 전체 내용은 본 명세서에 참조로 합체되어 있다.
본 발명은 신규한 타입의 전기광학(E-O) 결정소자, 그 적용 및 제조방법에 관한 것이다. 보다 상세하게, 본 발명은 광범위한 변조, 통신, 레이저, 및 전기광학 산업 용도에 유용한 초고 유효 (횡 및 종) 선형 E-O 계수 및 매우 낮은 반파전압(Vπ)을 나타내는 E-O 결정소자에 관한 것이다.
최근 PMN-PT 기반의 강유전체 릴렉서 결정은 전기식 스트레인과 같은 초고 압전특성으로 인해 종래 압전재료보다 더 큰 차수 및 90%가 넘는 전자기계 결합계수로 잘 발전해왔다. 이들 결정들은 압전 응용물, 특히 초음파 이미징 및 소나(sonar) 트랜스듀서와 같은 음향 변환장치에 유용하였다. <011> 폴딩 PMN-PT 및/또는 PZN-PT 기반의 결정들의 매우 비등방성 압전특징들이 잘 문서화되었다. 이들은 본 출원인의 이전 간행물에 언급될 수 있고, 그 전체 내용은 본 명세서에 전체적으로 참조로 합체되어 있다:
·P. Han, W. L. Yan, J. Tian, X. L. Huang, 및 H. X. Pan. “Cut directions for the optimization of piezoelectric coefficients of lead magnesium niobate - lead titanate ferroelectric crystals”. Discovery of d36 shear mode, Appl. Phys, Letter. 86, No.1, 2466, (2005); 및
·P. Han, J. Tian, and W. Yan, "Bridgman growth and properties of PMN-PT single crystals," in Advanced dielectric, piezoelectric and ferroelectric materials: Synthesis, characterization and applications, Z. G. Ye, Ed., 1st Ed: Woodhead Publishing Ltd., 2008, p. 600-632. (브리지먼 방법에 의한 대형 PMN-PT 결정성장과 특성의 요약).
상기 <001> 폴딩 및 <111> 폴딩 PMN-PT 및/또는 PZN-PT 강유전체 결정들의 선형 E-O 효과가 보고되었으나, 그 결과는 상업적 용도에 효과가 없어 권장되거나 장려되지 않았다. 이들 결과들은 아래 간행물에 언급되었으며, 그 전체 내용은 본 명세서에 전체적으로 참조로 합체되어 있다:
·Yu Lu, Z. Y. Cheng, S. E. Park, S,. F Liu and Q. M. "Zhang "linear Electro-Optic effect of 0.88Pb(Zn1/3Nb2/3)O3 single crystal", Jpn. J Appl. Phys Vol. 39 No.1, January, 2000.
·X. M. Wan, D. Y. Wang, X. Y. Zhao, Haosu Luo, H. L.W. Chan and C. L. Choy. "Electro-Optic characterization of tetragonal (1-x)Ob(Mg1/3Nb2/3)O3 single crystals by a method Senarmont Setup" Solid state communications Vol. 134 547-551 (2005).
·L. S. Kamzina, Ruan Wei, G. Li, J. Zeng and A. Ding. "Electro-Optical properties of PMN-PT compounds: single crystals and transparent ferroelectric ceramics". Physics of solid state, Vol. 52. No. 10 2142-2146 (2010). (Original Russian text).
·Enwei Sun, Zhu Wang, Rui Zhang and Wenwu Cao. "Reduction of electro-optic half-wave voltage of 0.93Pb(Zn1/3Nb2/3)3-0.07PbTiO3 single crystal through large piezoelectric strain". Optical Materials Vol. 33.m 549-552 (2011).
주요 이유는 멀티도메인 벽들로 인한 광산란과 <111> 폴딩의 단일 도메인 상태의 불안전성이며 그 모든 보고된 연구들은 PMN-PT 또는 PZN-PT 기반의 고용체들의 광단축결정들에 제한되었다.
본 발명은 PMN-PT 또는 PZN-PT 기반의 강유전체 단결정 재료들에서 초고 유효 E-O 계수(γc) 및 매우 낮은 반파전압(Vπ)의 E-O 결정소자들에 관한 것이다. 본 발명은 아래와 같이:
(1) 우수한 E-O 속성들 및 매우 낮은 반파전압(Vπ)
(2) -30℃에서 110℃에 이르는 폭넓은 동작온도범위
(3) 리폴링 능력에 의한 높은 신뢰성,
(4) 비용효과적 제조방법
을 포함한 이점들을 갖는 새로운 E-O 결정소자들과 관련된 E-O 결정 디바이스들을 제공한다.
본 발명은 신세대 E-O 결정소자들로서 다양한 E-O 결정 디바이스들에서 발명된 E-O 결정소자들의 상업적 적용을 가능하게 한다. 이는 특히 E-O 스위칭, E-O 위상변조, E-O 진폭변조, 레이저빔 변조 및 광복굴절 디바이스들에 적용될 수 있다.
본 발명은 또한 새로운 타입의 전기광학(E-O) 결정소자들, 그 적용 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게, 본 발명은 광범위한 변조, 통신, 레이저, 및 산업적 용도 유용한 높은 유효 횡 및 종 선형 E-O 계수 및 매우 낮은 반파전압(Vπ)을 나타내는 E-O 결정소자에 관한 것이다.
본 발명은 또한 광범위한 변조, 통신, 레이저, 및 전기광학 산업 용도에서 초고선형 E-O 계수(γc), 가령 1100 pm/V 보다 큰 횡유효 선형 E-O 계수(γT c) 및 527 pm/V까지의 종유효 선형 E-O 계수(γl c)를 나타내며, 이로 인해 반파전압(Vl π)은 200V 미만 그리고 반파전압(VT π)은 87V 미만으로 매우 낮아지는 (도핑되거나 미도핑된 PMN-PT, PIN-PMT-PT, 또는 PZN-PT 강유전체 단결정 재료들로 제조될 수 있는) 전기광학(E-O) 결정소자에 관한 것이다. 본 발명은 또한 동일한 하기의 동작 구성을 포함한 제품, 시스템, 및 장치에서 광범위한 변조, 통신, 레이저, 및 전기광학 산업 용도에서 제안된 결정소자가 본 명세서에 다르게 진술된 결과를 제공하기 위한 수단으로서 유효하고, 제안된 결정소자들은 1100 pm/V 보다 큰 횡유효 선형 E-O 계수(γT c) 및 527 pm/V 까지의 종유효 선형 E-O 계수(γl c)를 제공하고, 이로 인해 반파전압(Vl π)이 200V 미만 그리고 반파전압(VT π)이 87V 미만으로 매우 낮아지는 수단으로서 작동하는 것을 주목한다.
E-O 단결정 재료들은 PMN-PT(납 마그네슘 니오베이트-납 티타네이트) 또는 PIN-PMN-PT(납 인듐 니오베이트-납 마그네슘 니오베이트-납 티타네이트), 또는 PZN-PT(납 아연 니오베이트-납 티타네이트) 또는 상기 도핑된 결정들에서 선택될 수 있다. 본 발명은 특히 리폴링 가능한 설계, 즉, 결정에서 폴링 방향 <011>에 평행하게 가해진 전기장에 관한 것이다. E-O 결정 소자들은 (1) (-30℃에서 85℃까지의 동작온도의) 350-1100 pm/V 범위만큼 높은 유효 횡선형 E-O 계수(γT c)와 45 V(l/d=1) 미만의 매우 낮은 반파 전압(VT π) 및 (2) (-30℃에서 110℃까지의 동작온도의) 280-800 pm/V 범위만큼 높은 유효 종선형 E-O 계수(γl c) 및 300V 미만, 더 바람직하게는 200V 미만, 더욱더 바람직하게는 150V 미만의 매우 낮은 반파 전압(Vl π)을 갖는 것을 나타낸다. 리폴링 능력 특징 이외에 초고 유효 E-O 계수(γc) 및 매우 낮은 Vπ로 인해 발명된 단결정 소자들은 신세대 E-O 단결정 소자들로서 다양한 E-O 디바이스들에 사용될 수 있다. 이는 특히 E-O 스위칭, E-O 위상변조, E-O 진폭변조, 레이저빔 변조 및 광복굴절 디바이스들에 적용될 수 있으나, 이에 국한되지 않는다.
본 발명의 일태양으로, 하기의 예는 특허청구범위 제 4 항에 언급된 횡모드 E-O 결정소자가 제 12 항에 언급된 횡모드 E-O 진폭변조의 구성으로 테스트된 것으로 제공된다(도 4a 참조). 결정 조성물은 mm2 나노도메인 대칭에 <011> 폴딩된 67.5%PMN-32.5%PT이다. 광빔파장은 633nm이다. 그 결과들은 반복가능하며;
γT c : 80℃에서 1160 pm/V, 20℃에서 527 pm/V, -8℃에서 436 pm/V, 및 -21℃에서 395 pm/V;
VT π: 80℃에서 87.5V, 20℃에서 87.5V, -8℃에서 119V. VT π는 l/d=1 비율로 정규화되었다.
여기서, γT c :(횡유효 E-O 계수); VT π는 횡모드 반파전압이다.
본 발명의 제 1 태양에 따르면,
하기 화학식들:
(I) Pb(Mg1 /3Nb2 /3)1- xTixO3 (여기서, x는 0.22 내지 0.38로 정의됨); 또는
(II) Pb(Zn1 /3Nb2 /3)1-y TiyO3 (여기서, y는 0.04 내지 0.11로 정의됨)
중 하나로 표현된 화학적 조성물을 갖는 강유전체 결정을 제조하는 단계;
상기 결정소자를 (011)로 슬라이싱해 웨이퍼를 형성하는 단계; 및
95℃ 미만의 온도 범위에서 2회의 보자력장(Ec) 하에 <011> 방향으로 상기 결정소자를 폴링시킴으로써 mm2-대칭구조로 분극시키는 단계를 포함하고,
모든 상기 결정소자들은 6%(wt%)까지의 란타늄(La), 안티몬(Sb), 8%(wt%)까지의 탄탈륨(Ta), 31%(wt%)까지의 인듐(In), 5%(wt%)까지의 지르코늄(Zr), 및 8%(wt%)까지의 세륨(Ce), 에르븀(Er), 테르븀(Tb), 스칸듐(Sc), 및 네오디뮴(Nd)으로 구성된 그룹 중에서 적어도 하나의 희토류 소자로 도핑되거나 동시 도핑될 수 있는 전기광학 결정소자 제조방법이 제공된다.
본 발명의 또 다른 태양에 따르면, 상기 분극시키는 단계로 인해 단일 도메인 및 멀티-나노-도메인 구조들 중 하나가 되는 전기광학 결정소자 제조방법이 제공된다.
본 발명의 또 다른 태양에 따르면, 상기 제조된 결정소자의 다이싱을 수행하는 단계; 및 상기 결정소자의 연마 및 광학적 마감을 수행해, 상기 전기광학 결정소자를 형성하는 단계를 더 포함하는 전기광학 결정소자 제조방법이 제공된다.
본 발명의 또 다른 태양에 따르면, 상기 결정소자를 전극화하는 단계를 더 포함하는 전기광학 결정소자 제조방법이 제공된다.
본 발명의 또 다른 태양에 따르면, 횡모드 결정소자를 제공하는 단계; 및
상기 횡모드 결정소자가 <011> 편광을 제공하고 527pm/V보다 큰 횡유효 E-O계수 γT c 및 실온 20℃에서 87.5V(l/d=1) 미만의 반파전압 VT π을 제공하는 단계를 더 포함하는 전기광학 결정소자 제조방법이 제공된다.
본 발명의 또 다른 태양에 따르면, 종모드 결정소자를 제공하는 단계;
상기 종모드 결정소자에 투명전극을 코팅하는 단계; 및
상기 종모드 결정소자가 427pm/V보다 큰 종유효 E-O계수 γl c의 <011> 편광 및 실온 20℃에서 300V 미만의 반파전압 Vㅣ π을 제공하는 단계를 더 포함하는 전기광학 결정소자 제조방법이 제공된다.
본 발명의 또 다른 태양에 따르면, 아래의 화학식:
(III) y*[Pb(In1 /2Nb 1/2)O3]-(1-y)*[Pb(Mg1 /3Nb2 /3)1- xTixO3] (여기서, x는 0.0에서 0.35로, y는 0.0에서 0.35로 정의됨)
으로 표현된 화학적 조성물을 갖는 강유전체 결정을 제조하는 단계;
상기 결정소자를 (011) 웨이퍼로 슬라이싱하는 단계; 및
95℃ 미만의 온도 범위에서 2회의 보자력장(Ec) 하에 <011> 방향으로 상기 결정소자를 폴링시킴으로써 mm2-대칭구조로 분극시키는 단계를 포함하는 전기광학 결정소자 제조방법이 제공된다.
본 발명의 또 다른 태양에 따르면, 화학식(III)에 따라
횡모드 결정소자를 제공하는 단계; 및
상기 횡모드 결정소자가 <011> 편광을 제공하고 500pm/V보다 큰 횡유효 E-O계수 γT c 및 실온 20℃에서 12V(l/d=7) 미만의 반파전압 VT π을 제공하는 단계를 더 포함하는 전기광학 결정소자 제조방법이 제공된다.
본 발명의 또 다른 태양에 따르면,
종모드 결정소자를 제공하는 단계;
상기 종모드 결정소자에 투명전극을 코팅하는 단계; 및
상기 종모드 결정소자가 427pm/V보다 큰 종유효 E-O계수 γl c의 <011> 편광 및 실온 20℃에서 300V 미만의 반파전압 Vl π을 제공하는 단계를 더 포함하는 전기광학 결정소자 제조방법이 제공된다.
본 발명의 또 다른 태양에 따르면,
진폭변조기 및 위상변조기 중 하나인 전기광학 시스템으로서,
화학식(III)에 따른 방법에 의해 제조된 종모드 전기광학 결정소자; 및
상기 종모드 결정소자가 427pm/V보다 큰 종유효 E-O계수 γl c의 <011> 편광 및 실온 20℃에서 300V 미만의 반파전압 Vl π을 제공하는 수단을 포함하는 전기광학 시스템이 제공된다.
본 발명의 또 다른 태양에 따르면,
진폭변조기 및 위상변조기 중 하나인 전기광학 시스템으로서,
화학식(I 또는 II)에 따른 방법에 의해 제조된 횡모드 전기광학 결정소자; 및
상기 횡모드 결정소자가 500pm/V보다 큰 횡유효 E-O계수 γT c의 <011> 편광 및 실온 20℃에서 87.5V(l/d=1) 미만의 반파전압 VT π을 제공하는 수단을 포함하는 전기광학 시스템이 제공된다.
본 발명의 또 다른 태양에 따르면,
진폭변조기 및 위상변조기 중 하나인 전기광학 시스템으로서,
화학식(III)에 따른 방법에 의해 제조된 횡모드 전기광학 결정소자; 및
상기 횡모드 결정소자가 500pm/V보다 큰 횡유효 E-O계수 γT c의 <011> 편광 및 실온 20℃에서 12V(l/d=7) 미만의 반파전압 VT π을 제공하는 수단을 포함하는 전기광학 시스템이 제공된다.
본 발명의 또 다른 태양에 따르면,
광전기신호소자의 (011) 표면에 마하젠더 타입의 간섭계 변조기; 및
화학식(I, II, 및 III)중 하나에 따른 방법에 의해 제조된 상기 광전기 결정소자를 포함하는 레이저빔용 전기광학 시스템이 제공된다.
본 발명의 상기 및 다른 선택 및 적응 태양, 특징 및 이점들은 첨부도면과 결부해 읽는 하기의 명세서로부터 명백해질 것이며, 도면에서 동일한 참조부호는 동일 요소를 나타낸다.
본 발명의 내용에 포함됨.
도 1은 <011> 폴링된 E-O 결정의 압전계수 d31의 비등방성면이다.
도 1a는 도 1의 <011> 폴링된 E-O 결정의 압전계수 d31의 비등방성면의 3D 도표이다.
도 1b는 고유 비등방성 포지티브 속성(d31) 및 네거티브 속성(d32)을 나타내는 반면, d31 및 d32 모두는 <001> 폴링 및 <111> 폴링에 대해 네거티브인 도 1a에서 3D 도표의 X-Y 컷부분의 2D 도표이다.
도 2a는 <011> 편광을 갖는 횡모드 E-O 결정소자이다.
도 2b는 <011> 편광을 갖는 종모드 E-O 결정소자이다.
도 3은 언급된 바와 같이, E-O 결정소자(셀)에 절단, 연마 및 광학적으로 마감된 E-O 결정 웨이퍼이다.
도 3a는 본 명세서에 언급된 바와 같이, <011> 폴링된 E-O 결정소자를 이용한 종모드 E-O 진폭 변조기 시스템이다.
도 3b는 본 명세서에 언급된 바와 같이, <011> 폴링된 E-O 결정소자를 이용한 종모드 E-O 위상 변조기 시스템이다.
도 4는 본 명세서에 언급된 바와 같이, E-O 결정소자(셀)에 절단, 연마 및 광학적으로 마감된 E-O 결정 웨이퍼이다.
도 4a는 본 명세서에 언급된 바와 같이, <011> 폴링된 E-O 결정소자를 이용한 횡모드 E-O 진폭 변조기 시스템이다.
도 4b는 본 명세서에 언급된 바와 같이, <011> 폴링된 E-O 결정소자를 이용한 횡모드 E-O 위상 변조기이다.
도 5는 횡모드로, E-O 결정소자(셀)에 절단, 연마 및 광학적으로 마감된 E-O 결정 웨이퍼이다.
도 5a는 가령 통신 시스템에 사용하기 위한, 횡모드의 <011> 폴링된 E-O 결정소자를 이용한 횡파 E-O 위상 변조기이다.
도 6a는 동위상빔과 재결합한, (011) 면의 마하젠더 간섭계 변조기의 평면도를 따른 개략적으로 그린 레이저빔용의 예시적인 E-O 변조기이다.
도 6b는 역위상빔과 재결합한, (011) 면의 마하젠더 간섭계 변조기의 평면도를 따른 개략적으로 그린 레이저빔용의 예시적인 E-O 변조기이다.
본 발명의 태양들을 더 상세히 참조할 것이다. 가능한 한 어디에서든, 동일하거나 유사한 부분 또는 단계들을 언급하기 위해 동일하거나 유사한 참조부호가 도면 및 설명에 사용된다. 도면은 간략한 형태이며 정확한 비율이 아니다. 용어 '결합' 및 유사한 용어는 반드시 직접 및 바로 이웃한 연결일 필요가 없고, 또한 중간소자 또는 디바이스들을 통한 연결을 포함한다. 단지 편의와 명확성을 위해, 방향(위/아래 등) 또는 운동(전/후 등) 용어들은 도면을 참조로 사용될 수 있다. 이들 및 유사한 방향 용어들은 임의 방식으로 범위를 제한하는 것으로 해석되지 않아야 한다. 이는 본 발명의 범위로부터 벗어남이 없이 다른 실시예들이 이용될 수 있고, 상세한 설명을 제한적 의미로 해석하지 않아야 하고, 소자들이 다르게 위치될 수 있거나 그렇지 않으면 요구된 명세서의 요건들이 아니라 특허청구범위에 언급되어 있는 것으로 또한 이해된다.
본 발명의 실시예를 이해하는데 도움될 수 있는 식으로 다수의 별개의 동작들로서 차례로 다양한 동작들을 설명할 수 있다; 그러나, 설명 순서가 이들 동작들이 순서에 따르는 것을 의미하는 것으로 해석되지 않아야 한다.
본 발명은 설명되는 바와 같이 다른 시스템, 레이저, 및 변조기에서 동일한 사용을 포함한 전기-광학(E-O) 결정소자, 적용 및 그 제조방법을 제공한다.
보다 상세하게, 본 발명은 광범위한 변조, 통신, 레이저 및 산업적 사용에 유용한 고유효 횡 및 종 선형 E-O 계수와 매우 낮은 반파 전압(Vπ)을 나타내는 E-O 결정소자에 관한 것이다.
강유전체 단결정 재료는 PMN-PT(납 마그네슘 니오베이트-납 티타네이트) 또는 PIN-PMN-PT(납 인듐 니오베이트-납 마그네슘 니오베이트-납 티타네이트), 또는 PZN-PT(납 아연 니오베이트-납 티타네이트) 및/또는 상기 도핑된 결정들일 수 있다. 본 발명은 특히 상술한 리폴링 가능한 디자인의 <011> 폴링(입방체 표기) 강유전체 결정에 관한 것이다. 폴링 결정의 광투과율은 임의의 주목할만한 흡수대역 없이 0.41㎛에서 적어도 5㎛를 통과해 IR 영역에까지 투명하다. E-O 결정은 초고유효/겉보기 전기-광학 계수(γc/γ* c) 및 87V 미만의 매우 낮은 반파 전압을 제공한다. 이 <011> 리폴링 특징은 신뢰 및 사용 편의 면에서 실질적 적용에 전략적으로 중요하다. 리폴링 구성의 또 다른 장점은 E-O 결정소자의 제조 비용이 낮다는 것이다. 본 출원인은 <011> 폴링 E-O 결정소자가 (1) (-30℃에서 110℃까지의 동작온도의) 350-1100 pm/V 범위만큼 높은 유효 횡선형 E-O 계수(γT c)와 85V(l/d=1) 및 12V(l/d=7) 미만의 매우 낮은 반파전압(VT π) 및 (2) (-30℃에서 110℃까지의 동작온도의) 280-800 pm/V 범위만큼 높은 유효 종선형 E-O 계수(γl c)와 315V 미만의 매우 낮은 반파전압(V1 π)을 나타내는 것을 발견했다. 초고 유효 E-O 계수(γc) 및 매우 낮은(Vπ) 이외에 리폴링 가능한 능력 특징으로 인해 본 발명의 결정소자는 신세대 E-O 결정소자로서 다양한 E-O 디바이스들에 이용될 수 있다. 이는 특히 E-O 스위칭, E-O 위상변조, E-O 진폭변조, 레이저빔 변조, 동조가능한 필터 및 광복굴절 디바이스들에 적용될 수 있다.
도 1-1b를 참조로, 본 출원인은 <011> 폴링 PMN-PT 및/또는 PZN-PT 기반의 결정들이 물리적 속성들의 mm2 사방정계 대칭을 나타내고, 특히 d33가 여전히 약 1000 pC/N인 동안 계수의 절대값 차가 매우 큰 것을 주목하며, 포지티브 압전계수 d31(+700 pc/N) 및 네거티브 압전계수 d32(-1600 pC/N) 모두를 제공하는 것을 알았다.
도 2a-6b를 더 참조하면, 본 발명은 이제 인식된 개념들을 기초로 한다: (1) 강유전체 결정의 큰 전기 스트레인 변화는 반응성 광굴절률의 큰 변화를 유도한다; (2) 스트레인 변화의 비등방성은 결정들, 특히 PMN-PT 기반의 고용체의 광 이축결정들에 대해의 광굴절률 변화에 크게 영향을 준다; (3) 안정적인 나노-멀티-도메인 구조를 갖는 <011> 폴링 결정은 결정 조성물이 조성상 경계(morphotropic phase boundary, MPB)에 가까울 경우 도메인 벽 또는 한 도메인 상태에 의한 광산란을 덜 초래한다; (4) 결정에 입사한 편광은 서로 수직한 2개의 편광 성분들로 나누어져야 하므로 이축 광결정이 바람직하다. 결정의 더 큰 비등방성 압전응답은 더 큰 선형 E-O 응답에 대한 더 큰 기회를 제공하는 것이 예상된다. PMN-PT 및/또는 PZN-PT 기반의 고용체의 이축 광결정에 대한 E-O 효과를 제공했다는 어떠한 보고도 없었다. 따라서, 본 출원인은 선형 E-O 효과에 대한 광 이축으로 <011> 컷 및 상기 폴링된 결정에서 선택되고 집중된다.
주석: <001> 폴링으로 인해 멀티-도메인 구조 및 속성이 4mm 대칭이 되고 <111> 폴링으로 인해 단일-도메인 구조 및 속성이 3mm 대칭이 되며, 둘 다는 광학적 단축인 반면, <011> 폴링으로 인해 광학적 이축상태가 된다. 이는 인식되어야 하며 해당기술분야에 없었던 실질적인 차이다.
표 1에 상업용 E-O 결정 리스트가 주어져 있다.
E-O 결정 겉보기
γ*c 		γc에 기여하는 주요 텐서 v T π(l=d))
V		 v l π
V		 대칭 λ
㎛		 광축
ADP
(NH4 H2PO4)		 8.5 γ63 9,000 6800 42m 0.546 단축
KDP
(KH2PO4)		 10.5 γ63 17,600 8800 42m 0.546 단축
LiNO3 31 γ33 3,030 5,300 3m 0.633 단축
BNN
Ba2NaNb5O15 		350 γ33 1,570 1,100 mm2 0.633 이축
KTP
(KTiOPO4)		 35 γ33 mm2 0.633 이축
KNbO3 64 γ33 mm2 0.633 이축
γc 유효 E-O 계수, pm/V
γ*c 겉보기 E-O 계수, pm/V, 보상된 γc 압전계수
Vl π 종 반파전압
VT π(l=d) (l=d로 정규화된) 횡 반파전압
표 2는 본 발명의 E-O 결정의 극히 낮은 반파전압 Vπ이다.
E-O 결정 겉보기
γ*c 		γc에 기여하는 주요 텐서 v T π(l=d))
V		 v l π
V		 대칭 λ
㎛		 광축
PMN-PT*
<011> 폴링		 527-1,100 γ13, γ23, γ33 87 300 mm2 1.55 이축
PIN-PMN-PT*
<011> 폴링		 500-1,030 γ13, γ23, γ33 95 315 mm2 1.55 이축
* 본 발명
E-O 단결정 재료는 PMN-PT(납 마그네슘 니오베이트-납 티타네이트) 또는 PIN-PMN-PT(납 인듐 니오베이트-납 마그네슘 니오베이트-납 티타네이트), 또는 PZN-PT(납 아연 니오베이트-납 티타네이트) 및/또는 상기 도핑된 결정들일 수 있다.
예제 샘플 1:
조성물을 갖는 횡모드 E-O 결정소자: 67.5%PMN-32.5%PT 단결정소자. 컷방향, 폴링 방향 및 입사광의 구성과 결정학적 방향이 도 2a에 도시되어 있다. 테스트 결과는 다음과 같다:
다른 온도에서 테스트된 데이터
구분 -21℃ -8℃ 20℃ 80℃
γ T c 395 436 530 1160
V T π l/d=1 119 87 37.5
γT c : 유효 횡선형 E-O 계수
V T π: l/d=1로 정규화된 반파전압
예제 샘플 2:
종모드 E-O 결정소자: 67.5%PMN-32.5%PT 단결정소자. 컷방향, 폴링 방향 및 입사광의 구성과 결정학적 방향이 도 2b에 도시되어 있다. 테스트 결과는 다음과 같다: 300V 미만의 매우 낮은 반파전압 V l π으로 20℃에서 450 pm/V만큼 높은 유효 종선형 E-O 계수(γl c).
예제 샘플 3:
조성물을 갖는 종모드 E-O 결정소자: 24%PIN52.4%PMN-23.6%PT 단결정 소자. 컷방향, 폴링 방향 및 입사광의 구성과 결정학적 방향이 도 3에 도시되어 있다. 테스트 결과는 다음과 같다: 315V 미만의 매우 낮은 반파전압 V l π으로 20℃에서 500 pm/V만큼 높은 유효 종선형 E-O 계수(γl c).
예제 샘플 4:
조성물을 갖는 횡모드 E-O 결정소자: 24%PIN52.4%PMN-23.6%PT 단결정 소자. 컷방향, 폴링 방향 및 입사광의 구성과 결정학적 방향이 도 4에 도시되어 있다. 테스트 결과는 다음과 같다: 95V 미만의 매우 낮은 반파전압 V T π으로 20℃에서 527 pm/V만큼 높은 유효 횡선형 E-O 계수(γT c).
도 5a를 참조하면 횡모드 결정을 갖는 전기광학 시스템은, 가령, 통신 시스템에서, 도시된 바와 같이 정합 터미네이션을 갖는 변조신호와 또한 도시된 바와 같은 변조신호 소스를 갖는 전기광학 결정 스페이싱 투과라인들을 포함할 수 있다. 편광특징(여기서 1/4 파장판) 및 출력 편광기가 추가로 포함된다. 다른 지지구조가 제안된 발명을 연구한 당업자에 이해될 것이다. 결과적으로, 본 발명은 전기광학 시스템, 가령, 광이미징 시스템, 레이저 시스템, 통신 시스템, 또는 제안된 발명을 연구한 당업자에 의해 이해되는 바와 같은 그 밖의 경우를 제공한다.
추가로, 도 6a 및 도 6b를 참조하면, 당업자는 광섬유에 대한 레이저 스위칭 시스템(광섬유 통신) 전극을 언급할 것이고 (적절히 손실되는) 빔 또는 채널 도파관과 스위치들이 스위치로서 이용되는 본 발명의 전기광학 결정소자, 커플링 소자, 또는 작은 결정에 연결된 레이저 광섬유와 더불어 어느 한 전극 사이 작은 결정에서 다른 기능소자, 레이저 시스템 또는 통신 시스템 또는 제안된 본원을 연구한 당업자가 이해하는 바와 같은 그 밖의 경우의 시스템과 함께 이용될 수 있다는 것을 알 것이다.
본 발명은 또한 신세대 E-O 결정소자로서 다양한 E-O 결정 디바이스를 포함한 상업용 E-O 결정소자 애플리케이션에서 개시된 E-O 소자의 용도를 제공한다. 특히 E-O 스위칭 시스템 및 방법, E-O 위상변조 시스템 및 방법, E-O 진폭변조 시스템 및 방법, 레이저빔 변조 및 광복굴절 디바이스 및 관련 시스템 및 방법, 상기를 포함한 수반 시스템에 적용될 수 있다.
본 발명의 특징이 고려된 신규한 특징들은 특히 특허청구범위에 나타나 있다. 그러나, 본 발명 그 자체는, 추가적 목적 및 이점과 더불어 그 구조와 동작에 관해 모두 첨부도면과 결부해 읽을 때본 발명의 바람직한 실시예의 설명으로부터 가장 잘 이해될 것이다. 특별히 언급하지 않는 한, 명세서 및 특허청구범위에 있는 용어 및 구들은 당업자들에 통상적이고 익숙한 것으로 주어게 되어 있다. 어떤 다른 의미가 의도될 경우, 명세서는 특히 특별한 의미가 용어 또는 구에 적용되는 것을 언급할 것이다.
더욱이, 35 U.S.C § 112의 6단락의 조항이 본 발명을 정의하도록 행사하고 있더라도, 본 발명은 바람직한 실시예에 기술된 특정한 구조, 재료 또는 동작에만 국한되는게 아니라, 임의의 그리고 모든 알고 있거나 추후 발전된 등가의 구조, 재료 또는 동작들과 함께 청구된 기능을 수행하는 임의 및 모든 구조, 재료 또는 행동을 포함하는 것으로 되어 있다.
특허청구범위에서, 수단 또는 단계와 기능 조항은 언급된 기능을 수행하는 것으로 기술되거나 제안된 구조들 및 단지 구조적 등가물뿐만 아니라 등가의 구조들을 포함하도록 되어 있다. 따라서, 가령, 못이 나무부분과 원통면 간의 마찰에 의존하고, 나사의 나선형 면이 나무부분에 확실히 결합되며, 볼트의 헤드와 너트가 나무부분의 맞은편 면들을 압박하는 점에서 못, 나사 및 볼트는 구조적 등가물이 아닐 수 있으나, 나무부분을 체결하는 상황에서, 못, 나사, 및 볼트는 등가 구조물로서 당업자에 쉽게 이해될 것이다.
첨부도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예들 중 적어도 하나를 설명하였으나, 본 발명은 이들의 정확한 실시예에만 국한되지 않고 다양한 변형 및 변경들이 본 발명의 기술사상과 정신으로부터 벗어남이 없이 본 발명에 개시된 시스템에 이루어질 수 있음이 당업자에 명백할 것이다. 따라서, 본 발명은 이들이 특허청구범위 및 그 균등물 내에 있다면 본 개시의 변형 및 변경을 포함하는 것으로 되어 있다.

Claims (16)

  1. 하기 화학식들:
    (I) Pb(Mg1 /3Nb2 /3)1- xTixO3 (여기서, x는 0.22 내지 0.38로 정의됨); 또는
    (II) Pb(Zn1 /3Nb2 /3)1-y TiyO3 (여기서, y는 0.04 내지 0.11로 정의됨)
    중 하나로 표현된 화학적 조성물을 갖는 강유전체 결정을 제조하는 단계;
    상기 결정소자를 (011)로 슬라이싱해 웨이퍼를 형성하는 단계; 및
    95℃ 미만의 온도 범위에서 2회의 보자력장(Ec) 하에 <011> 방향으로 상기 결정소자를 폴링시킴으로써 mm2-대칭구조로 분극시키는 단계를 포함하고,
    모든 상기 결정소자들은 6%(wt%)까지의 란타늄(La), 안티몬(Sb), 8%(wt%)까지의 탄탈륨(Ta), 31%(wt%)까지의 인듐(In), 5%(wt%)까지의 지르코늄(Zr), 및 8%(wt%)까지의 세륨(Ce), 에르븀(Er), 테르븀(Tb), 스칸듐(Sc), 및 네오디뮴(Nd)으로 구성된 그룹 중에서 적어도 하나의 희토류 소자로 도핑되거나 동시도핑될 수 있는 전기광학 결정소자 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 분극시키는 단계로 인해 단일 도메인 및 멀티-나노-도메인 구조들 중 하나가 되는 전기광학 결정소자 제조방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제조된 결정소자의 다이싱을 수행하는 단계; 및
    상기 결정소자의 연마 및 광학적 마감을 수행해, 상기 전기광학 결정소자를 형성하는 단계를 더 포함하는 전기광학 결정소자 제조방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 결정소자를 전극화하는 단계를 더 포함하는 전기광학 결정소자 제조방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    횡모드 결정소자를 제공하는 단계; 및
    상기 횡모드 결정소자가 <011> 편광을 제공하고 527pm/V보다 큰 횡유효 E-O계수 γT c 및 실온 20℃에서 87.5V(l/d=1) 미만의 반파전압 VT π을 제공하는 단계를 더 포함하는 전기광학 결정소자 제조방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    종모드 결정소자를 제공하는 단계;
    상기 종모드 결정소자에 투명전극을 코팅하는 단계; 및
    상기 종모드 결정소자가 427pm/V보다 큰 종유효 E-O계수 γl c의 <011> 편광 및 실온 20℃에서 300V 미만의 반파전압 Vㅣ π을 제공하는 단계를 더 포함하는 전기광학 결정소자 제조방법.
  7. 아래의 화학식:
    (III) y*[Pb(In1 /2Nb 1/2)O3]-(1-y)*[Pb(Mg1 /3Nb2 /3)1- xTixO3] (여기서, x는 0.0에서 0.35로, y는 0.0에서 0.35로 정의됨)
    으로 표현된 화학적 조성물을 갖는 강유전체 결정을 제조하는 단계;
    상기 결정소자를 (011) 웨이퍼로 슬라이싱하는 단계; 및
    95℃ 미만의 온도 범위에서 2회의 보자력장(Ec) 하에 <011> 방향으로 상기 결정소자를 폴링시킴으로써 mm2-대칭구조로 분극시키는 단계를 포함하는 전기광학 결정소자 제조방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 분극시키는 단계로 인해 단일 도메인 및 멀티-나노-도메인 구조들 중 하나가 되는 전기광학 결정소자 제조방법.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 제조된 결정소자의 다이싱을 수행하는 단계; 및
    상기 결정소자의 연마 및 광학적 마감을 수행해, 상기 전기광학 결정소자를 형성하는 단계를 더 포함하는 전기광학 결정소자 제조방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 결정소자를 전극화시키는 단계를 더 포함하는 전기광학 결정소자 제조방법.
  11. 제 7 항에 있어서,
    횡모드 결정소자를 제공하는 단계; 및
    상기 횡모드 결정소자가 <011> 편광을 제공하고 500pm/V보다 큰 횡유효 E-O계수 γT c 및 실온 20℃에서 12V(l/d=7) 미만의 반파전압 VT π을 제공하는 단계를 더 포함하는 전기광학 결정소자 제조방법.
  12. 제 7 항에 있어서,
    종모드 결정소자를 제공하는 단계;
    상기 종모드 결정소자에 투명전극을 코팅하는 단계; 및
    상기 종모드 결정소자가 427pm/V보다 큰 종유효 E-O계수 γl c의 <011> 편광 및 실온 20℃에서 300V 미만의 반파전압 Vl π을 제공하는 단계를 더 포함하는 전기광학 결정소자 제조방법.
  13. 진폭변조기 및 위상변조기 중 하나인 전기광학 시스템으로서,
    제 7 항에 따른 방법에 의해 제조된 종모드 전기광학 결정소자; 및
    상기 종모드 결정소자가 427pm/V보다 큰 종유효 E-O계수 γl c의 <011> 편광 및 실온 20℃에서 300V 미만의 반파전압 Vl π을 제공하는 수단을 포함하는 전기광학 시스템.
  14. 진폭변조기 및 위상변조기 중 하나인 전기광학 시스템으로서,
    제 1 항에 따른 방법에 의해 제조된 횡모드 전기광학 결정소자; 및
    상기 횡모드 결정소자가 500pm/V보다 큰 횡유효 E-O계수 γT c의 <011> 편광 및 실온 20℃에서 87.5V(l/d=1) 미만의 반파전압 VT π을 제공하는 수단을 포함하는 전기광학 시스템.
  15. 진폭변조기 및 위상변조기 중 하나인 전기광학 시스템으로서,
    제 7 항에 따른 방법에 의해 제조된 횡모드 전기광학 결정소자; 및
    상기 횡모드 결정소자가 500pm/V보다 큰 횡유효 E-O계수 γT c의 <011> 편광 및 실온 20℃에서 12V(l/d=7) 미만의 반파전압 VT π을 제공하는 수단을 포함하는 전기광학 시스템.
  16. 광전기신호소자의 (011) 표면에 마하젠더 타입의 간섭계 변조기; 및
    제 1 항 및 제 7 항 중 하나에 따른 방법에 의해 제조된 상기 광전기 결정소자를 포함하는 레이저빔용 전기광학 시스템.
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