(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気光学効果を有するＫ１−ｙＬｉｙＴａ１−ｘＮｂｘＯ３（０＜ｘ＜１、０≦ｙ＜１）である電気光学結晶と、
前記電気光学結晶の内部に電界を発生させる、正極と負極とからなる電極対であって、該電極対の間に電圧を印加すると、前記電気光学結晶の内部にキャリアが注入される、電極対と、
前記電気光学結晶の結晶の成長方向と平行に圧力を印加する圧力印加手段であって、前記圧力により前記電気光学結晶の内部応力が緩和される、圧力印加手段と
を備えたことを特徴とする電気光学素子。
【請求項２】
前記圧力印加手段は、前記電界の方向と垂直に圧力を印加することを特徴とする請求項１に記載の電気光学素子。
【請求項３】
前記圧力印加手段は、１×１０６Ｐａ以上の圧力を印加することを特徴とする請求項１または２に記載の電気光学素子。
【請求項４】
前記電極対は、前記電気光学結晶の電気伝導に寄与するキャリアに対してオーミック接触となる材料からなることを特徴とする請求項１、２または３に記載の電気光学素子。
【請求項５】
前記電気光学結晶の比誘電率は、５００以上４００００以下であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の電気光学素子。
【請求項６】
前記電気光学結晶の電気伝導に寄与するキャリアが電子のとき、前記電極対の材料は、仕事関数が５．０ｅＶ未満であることを特徴とする請求項５に記載の電気光学素子。
【請求項７】
前記電極対の材料は、Ｃｓ、Ｒｂ、Ｋ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｎａ、Ｃａ、Ｌｉ、Ｙ、Ｓｃ、Ｌａ、Ｍｇ、Ａｓ、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｍｎ、Ｉｎ、Ｇａ、Ｃｄ、Ｂｉ、Ｔａ、Ｐｂ、Ａｇ、Ａｌ、Ｖ、Ｎｂ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｂ、Ｈｇ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｓｂ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｔｅ、Ｒｅ、Ｂｅ、Ｒｈのいずれかであることを特徴とする請求項６に記載の電気光学素子。
【請求項８】
前記電極対の材料は、ＩＴＯ、ＺｎＯのいずれかであることを特徴とする請求項６に記載の電気光学素子。
【請求項９】
前記電気光学結晶の電気伝導に寄与するキャリアが正孔のとき、前記電極対の材料は、仕事関数が５．０ｅＶ以上であることを特徴とする請求項５に記載の電気光学素子。
【請求項１０】
前記電極対の材料は、Ｃｏ、Ｇｅ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｓｅのいずれかであることを特徴とする請求項９に記載の電気光学素子。
【請求項１１】
電気光学効果を有する電気光学結晶の内部に電界を発生させる、正極と負極とからなる電極対であって、該電極対の間に電圧を印加することにより前記電気光学結晶の内部にキャリアを注入するための電極対を、前記電気光学結晶の対向する面に形成する工程であって、前記電気光学結晶は、Ｋ１−ｙＬｉｙＴａ１−ｘＮｂｘＯ３（０＜ｘ＜１、０≦ｙ＜１）である、第１の工程と、
前記電気光学結晶の結晶の成長方向と平行に圧力を印加する工程であって、前記圧力により前記電気光学結晶の内部応力が緩和される、第２の工程と
を備えたことを特徴とする電気光学素子の製造方法。
【請求項１２】
前記圧力印加工程は、前記電界の方向と垂直に圧力を印加することを特徴とする請求項１１に記載の電気光学素子の製造方法。
【請求項１３】
前記圧力印加工程は、１×１０６Ｐａ以上の圧力を印加することを特徴とする請求項１１または１２に記載の電気光学素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気光学素子およびその製造方法に関し、より詳細には、電気光学結晶を用いて電気信号により光の方向を変える電気光学素子およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、プロジェクターをはじめとする映像機器、レーザプリンタ、高分解能な共焦点顕微鏡、バーコードリーダ等において、レーザ光を偏向するための光制御素子に対する要求が高まっている。光を偏向する技術として、ポリゴンミラーを回転させる技術、ガルバノミラーにより光の偏向方向を制御する技術、音響光学効果を利用した光回折技術、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）と呼ばれるマイクロマシーン技術が提案されている。
【０００３】
ポリゴンミラーは、多面体の形状を有するミラーを機械的に回転させ、レーザ光の反射方向を連続的に変化させて光を偏向させる。ポリゴンミラーを用いた方法は、機械的な回転を利用している。そのため、回転速度に制限があり、１００００ｒｐｍ以上の回転数を得ることは困難とされており、高速動作が必要な応用には適さないという欠点があった。ポリゴンミラーを用いた方法が、レーザプリンタのレーザ光の偏向に利用されており、ポリゴンミラーの回転速度は、プリンタの印刷速度の高速化においてボトルネックとなっている。プリンタの印刷速度をさらに向上させるためには、より高速な光偏向技術が求められる。
【０００４】
ガルバノミラーは、レーザ光を偏向走査するレーザスキャナ等に利用されている。従来の実用的なガルバノミラーは、例えば、磁界中に配置する可動コイルの代わりになる可動鉄片と、その周囲に２つの永久磁石と４つの磁極を設けた磁性体とにより磁路を構成している。この磁性体に巻回した駆動コイルに流す電流の大小及び方向によって、磁極間の磁束を変化させることにより、可動鉄片を介して反射鏡を揺動させ、レーザ光を偏向走査する。ガルバノミラーを用いた方法は、ポリゴンミラーよりも高速な動作が可能である。しかし、従来のガルバノミラーは、駆動コイルが機械巻き等であることから今以上に小型化することが難しい。従って、ガルバノミラーを用いたレーザスキャニングシステム、このシステムを用いるレーザ応用機器のより一層の小型化が難しい。また、消費電力が大きいという欠点があり、さらにはＭＨｚ単位の周期で高速動作させることができない。
【０００５】
音響光学効果を利用した光回折型の光偏向器も実用化されている。しかし、この光回折型の光偏向器を用いた方法は、消費電力が大きく、小型化が困難であり、また大きい偏向角や高速動作が得られにくいという欠点がある。また、ＭＥＭＳを用いた方法は、光偏向素子として微細なミラーを静電的に駆動するため、数十μｓｅｃの応答が限界である。
【０００６】
上記の課題を解決する手段として、プリズム形状に加工した電気光学結晶、またはプリズム形状の電極を作製した電気光学結晶を用いてビームを偏向させる技術が開発されている（例えば、特許文献１および特許文献２参照）。電気光学結晶の電極に電圧を印加すると、電気光学効果により屈折率を変化させることができる。プリズム形状に作製した電極を用いる方法は、電気光学結晶内に屈折率が変化している領域と、電圧が印加されておらず屈折率が変化していない領域とを作り出す。これら２つの領域の境界にできる屈折率差によりビームが偏向され、偏向角を得る。
【０００７】
電気光学結晶を用いた方法は、電気光学効果の速度限界まで応答可能であり、ＧＨｚを超える応答が可能となる。これまでに、電気光学結晶を用いた光偏向素子として、ＬｉＮｂＯ3（以下、ＬＮ結晶という）、ＰＬＺＴを用いた報告がある。しかしながら、ＬＮ結晶を用いた素子では、電気光学効果が小さいため、５ｋＶ／ｍｍ程度の電圧を印加しても３ｍｒａｄ程度の偏向角しか得られないという欠点がある。更に、ＰＬＺＴを用いた素子においても、２０ｋＶ／ｍｍの印加電界に対して４５ｍｒａｄ程度の偏向角が限界である（例えば、非特許文献１参照）。
【０００８】
【特許文献１】特開平０９−１５９９５０号公報
【特許文献２】特開平１０−２３９７１７号公報
【非特許文献１】菅間明夫、外５名、「ＥＯ導波路偏向型光スイッチの開発」、電子情報通信学会信学技報、社団法人電子情報通信学会、２００４年１０月、ＰＮ２００４−５９、ｐ．６１−６４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、従来の方法では、個々のプリズム領域の電気光学効果による屈折率変化は小さく、その屈折率変化による偏向角も小さい。従って、従来の方法において大きい偏向角を得るためには、複数のプリズムを配置する必要があった。しかしながら、複数のプリズムを配置した場合、光が大きな入射角でプリズムに入射すると、所望の解像度が得られないという問題があった。
【００１０】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、ビームの偏向を効率的に大きくすることができ、簡便な構成からなる電気光学素子およびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の電気光学素子は、電気光学効果を有するＫ１−ｙＬｉｙＴａ１−ｘＮｂｘＯ３（０＜ｘ＜１、０≦ｙ＜１）である電気光学結晶と、前記電気光学結晶の内部に電界を発生させる、正極と負極とからなる電極対であって、該電極対の間に電圧を印加すると、前記電気光学結晶の内部にキャリアが注入される、電極対と、前記電気光学結晶の結晶の成長方向と平行に圧力を印加する圧力印加手段であって、前記圧力により前記電気光学結晶の内部応力が緩和される、圧力印加手段とを備えたことを特徴とする。
【００１２】
前記圧力印加手段は、前記電界の方向と垂直に圧力を印加することが好ましく、さらに、１×１０６Ｐａ以上の圧力を印加することが好ましい。
【００１３】
請求項４に記載の発明は、請求項１、２または３に記載の前記電極対は、前記電気光学結晶の電気伝導に寄与するキャリアに対してオーミック接触となる材料からなることを特徴とする。
【００１４】
請求項１ないし４のいずれかに記載の前記電気光学結晶の比誘電率は、５００以上４００００以下であることを特徴とする。
【００１５】
前記電気光学結晶の電気伝導に寄与するキャリアが電子のとき、前記電極対の材料は、仕事関数が５．０ｅＶ未満であることが好ましく、前記電極対の材料は、Ｃｓ、Ｒｂ、Ｋ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｎａ、Ｃａ、Ｌｉ、Ｙ、Ｓｃ、Ｌａ、Ｍｇ、Ａｓ、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｍｎ、Ｉｎ、Ｇａ、Ｃｄ、Ｂｉ、Ｔａ、Ｐｂ、Ａｇ、Ａｌ、Ｖ、Ｎｂ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｂ、Ｈｇ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｓｂ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｔｅ、Ｒｅ、Ｂｅ、Ｒｈのいずれかである。また、前記電極対の材料は、ＩＴＯ、ＺｎＯのいずれかにすることもできる。
【００１６】
前記電気光学結晶の電気伝導に寄与するキャリアが正孔のとき、前記電極対の材料は、仕事関数が５．０ｅＶ以上であることが好ましく、前記電極対の材料は、Ｃｏ、Ｇｅ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｓｅのいずれかである。
【００１８】
請求項１１に記載の発明は、電気光学効果を有する電気光学結晶の内部に電界を発生させる、正極と負極とからなる電極対であって、該電極対の間に電圧を印加することにより前記電気光学結晶の内部にキャリアを注入するための電極対を、前記電気光学結晶の対向する面に形成する工程であって、前記電気光学結晶は、Ｋ１−ｙＬｉｙＴａ１−ｘＮｂｘＯ３（０＜ｘ＜１、０≦ｙ＜１）である、第１の工程と、前記電気光学結晶の結晶の成長方向と平行に圧力を印加する工程であって、前記圧力により前記電気光学結晶の内部応力が緩和される、第２の工程とを備えたことを特徴とする電気光学素子の製造方法である。
【００１９】
前記圧力印加工程は、前記電界の方向と垂直に圧力を印加することが好ましく、さらに、１×１０６Ｐａ以上の圧力を印加することが好ましい。
【発明の効果】
【００２０】
以上説明したように、本発明によれば、電気光学結晶の結晶の成長方向と平行に圧力を印加するので、結晶の内部応力を緩和することにより、電圧の印加を止めた後に残る屈折率分布を抑制することができ、ビームの偏向を効率的に大きくし、高速に応答させることができ、簡便な構成からなる電気光学素子を作製することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。本発明の実施形態にかかる電気光学素子は、電気光学結晶の内部に電荷を生じさせることにより、電気光学結晶に印加する電圧の印加方向に電界の傾斜を生じさせる。電気光学結晶中に電界の傾斜を生じさせる方法としては、結晶の高電界電気伝導に伴う空間電荷の発生を用いることができる。ここでいう高電界電気伝導とは、電圧と電流の関係がオームの法則からはずれ、電流が電圧に対して非線形に増大する空間電荷制限状態にある領域における電気伝導をいう。この空間電荷制限状態にある領域では、電極から注入される電流に対して結晶内のバルク電流が小さい場合、結晶内に空間電荷が形成される。
【００２２】
この電気光学結晶の内部に生じた電界の傾斜により、入射するビームの光軸に対して垂直な断面における電気光学効果による屈折率の変化量に傾斜を生じさせ、上記電界の傾斜に応じた屈折率の傾斜が生じる。屈折率の傾斜により、ビームの光軸に対して垂直な断面上の光の進行速度分布に傾斜を生じさせる。結果として、光が結晶中を伝搬する間、光の進行方向は、屈折率の傾斜に応じて連続的に変化させられ、偏向角を累積することになる。これにより、大きな偏向角を簡便な構成で得ることができる。
【００２３】
図１に、結晶内部の電荷による電界傾斜の発生原理を示す。図１（ａ）および（ｂ）に示すいずれの素子も、正極２と負極３とで平行に挟まれた、電気光学結晶１を備えている。また、図１（ｃ）および（ｄ）に、縦軸を負極３から正極２への距離とし、横軸を電気光学結晶１内の電界の強さとするグラフを示す。図１（ａ）は、電気光学結晶１内に空間電荷が存在せず、電界が一定の場合を示す。この場合、正極２と負極３との間の全空間にわたって電界は一定である。一方、図１（ｂ）は、電気光学結晶１内の空間電荷によって空間電荷制限状態が発生した場合を示す。空間電荷制限状態では、電気光学結晶１内に発生した空間電荷によって電界が終端され、電気光学結晶１内の電界分布に傾斜が生じる。この空間電荷は、電気光学結晶１の組成によって正電荷および負電荷のどちらか一方、または正電荷および負電荷の両方であり得る。
【００２４】
図２に、本発明の一実施形態にかかる光の偏向の原理を示す。図２において、ｘ軸方向は、電気光学結晶１の厚さ方向（図１における正極２から負極３に、または負極３から正極２に向かう方向）である。電気光学結晶１の厚さ方向（ｘ軸方向）に線形に変化する屈折率ｎ（ｘ）を、ｘ＝０における屈折率をｎとし、ｘにおける屈折率ｎからの屈折率の変化量をΔｎ（ｘ）として、ｎ（ｘ）＝ｎ＋Δｎ（ｘ）とする。光軸に対して垂直な断面における直径がＤであるビームが、電気光学結晶１の中を通過する場合、ビームの上端と下端とでの屈折率差は、Δｎ（Ｄ）−Δｎ（０）で与えられる。ビームが通過する屈折率に傾斜がある部分の長さ、すなわち相互作用長Ｌとすると、長さＬを伝搬後のビームの上端と下端とでの等位相面４にはずれ５が生じる。その上端と下端との等位相面４のずれ５の距離は、次式で与えられる。
【００２５】
【数１】
0004663578.tif 000002
【００２６】
このときビームの伝搬方向６の傾きθは、ずれ５の量がビームの光軸に対して垂直な断面における直径より十分小さいとすると次式となる。
【００２７】
【数２】
0004663578.tif 000003
【００２８】
これが電気光学結晶１の端面から屈折率が１と近似できる外部に出射すると、電気光学結晶１と外部との境界面で屈折し、入射光の光軸からのトータルの偏向角は次式となる。
【００２９】
【数３】
0004663578.tif 000004
【００３０】
ここで電気光学効果による屈折率の変化を考える。電気光学効果による屈折率の変化は一次のポッケルス効果、２次のカー効果においてそれぞれ次式で与えられる。
【００３１】
【数４】
0004663578.tif 000005
【００３２】
ここで、ｒｉｊは１次の電気光学定数、ｓｉｊは２次の電気光学定数、Ｅは結晶内部の電界を表す。
【００３３】
結晶中に電荷を生じさせ、その電荷により電極から発した電界を接地電極に到達する前に終端することによって電界が結晶の厚さ方向で変化している場合で、その電界がＥ（ｘ）で表されるとすると、偏向角θは次式となる。
【００３４】
【数５】
0004663578.tif 000006
【００３５】
これらの式は電界Ｅ（ｘ）がｘに依存して変化している場合には、ゼロでない偏向角を得ることが可能であることを示している。
【００３６】
図１の（ｂ）のように、空間電荷制限状態にある厚さｄの電気光学結晶１に正極２と接地された負極３との間に電圧Ｖを印加すると、以下の式で表される電界Ｅの空間分布が現れる。
【００３７】
【数６】
0004663578.tif 000007
【００３８】
ここでｘは、負極から対向する正極に向かう方向における負極と接する電気光学結晶１の側面からの位置であり、ｘ0は電気光学結晶と電極の物質により決まる定数である。
【００３９】
ここで、電界Ｅを以下の式で近似すると、
【００４０】
【数７】
0004663578.tif 000008
【００４１】
電気光学効果を通じて誘起される屈折率変化Δｎは、一次のポッケルス効果、二次のポッケルス効果の場合において、式（４）、（５）に式（８）を代入することによって、以下の式で与えられる。
【００４２】
【数８】
0004663578.tif 000009
【００４３】
したがって式(６)、(７）、(１０)、(１１）から偏向角θ（ｘ）は次式となる。
【００４４】
【数９】
0004663578.tif 000010
【００４５】
以上より、電気光学結晶の内部に電荷を生じさせることにより、結晶に外部から印加した電圧によって発生する結晶内部の電界に傾斜を生じさせ、その電界の傾斜を利用して電気光学効果によりビームを偏向させることが可能である。
【００４６】
ポッケルス効果によってビームを偏向させる場合は、ビームの位置に依存して偏向角が変化する素子を実現する。一方、カー効果を利用してビームを偏向させる場合には、ビームの位置に関わらず偏向角が一定の素子を実現することができる。ビームの偏向角を大きくするためには、電気光学定数ｒijもしくはｓijが大きい電気光学結晶を用いることが望ましい。そのような電気光学定数の大きい電気光学結晶としては、たとえば大きなポッケルス定数ｒijを有する強誘電相のＫＬＴＮ結晶、大きなカー定数ｓijを有する常誘電相のＫＬＴＮ結晶が挙げられる。ＫＬＴＮ結晶とは、Ｋ1-ｙＬｉｙＴａ1-ｘＮｂｘＯ3（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）なる結晶である。
【００４７】
その他に電気光学定数の大きい電気光学結晶としては、ＬｉＮｂＯ3、ＬｉＴａＯ3、ＬｉＩＯ3、ＫＮｂＯ3、ＫＴｉＯＰＯ4、ＢａＴｉＯ3、ＳｒＴｉＯ3、Ｂａ1-ｘＳｒｘＴｉＯ3（０＜ｘ＜１）、Ｂａ1-ｘＳｒｘＮｂ2Ｏ6（０＜ｘ＜１）、Ｓｒ0.75Ｂａ0.25Ｎｂ2Ｏ6、Ｐｂ1-ｙＬａｙＴｉ1-ｘＺｒｘＯ3（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）、Ｐｂ（Ｍｇ１/３Ｎｂ２/３）Ｏ3-ＰｂＴｉＯ3、ＫＨ2ＰＯ4、ＫＤ2ＰＯ4、（ＮＨ4）Ｈ2ＰＯ4、ＢａＢ2Ｏ4、ＬｉＢ3Ｏ5、ＣｓＬｉＢ6Ｏ10、ＧａＡｓ、ＣｄＴｅ、ＧａＰ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、およびＺｎＯの電気光学結晶が挙げられる。
【００４８】
（結晶の内部応力）
ＫＬＴＮ結晶には常に内部応力がはたらき、その向きは、結晶の成長方向に対して垂直である。ＫＬＴＮ結晶は、核となる小さな結晶（種結晶）から大きな結晶へと成長する過程で、組成が変化する。このため、格子定数の異なる結晶が１つの個体の中で発生し、応力歪が結晶の成長方向と垂直に発生する。以下、結晶の組成が変化する原理を説明する。
【００４９】
図３は、ＫＴＮ単結晶の成長時の熱平衡図である。ＫＴＮ結晶は、ＫＬＴＮ結晶の一種であり、Ｌｉを含まない（上述の組成式においてｙ＝０、ＫＴａ1-ｘＮｂｘＯ3（０＜ｘ＜１）結晶である。横軸は、組成ｘであり、Ｎｂのモル数のＴａとＮｂの合計モル数に対する比である。縦軸は、温度である。ＫＴＮを含むＫＬＴＮ結晶は、原料を混合して電気炉等で加熱融解した後、冷却して、核となる種結晶から結晶を成長させる。
【００５０】
最初に、原料の組成がｘｌであったとする。この原料を加熱融解し、冷却すると、温度Ｔ０で液相線に達する。一方、固相線上の温度Ｔ０における組成ｘｓが、融液と平衡する固体の組成である。最初に成長する結晶の組成は、この組成ｘｓである。組成ｘｓにおける固体は、融液よりもＴａを高い比率で含むため、融液からＴａよりもＮｂの減少する割合が高く、その結果、融液の組成は組成ｘの大きい方へ変化する。
【００５１】
融液の組成ｘｌがΔｘｌだけ増加すると、ｘｌ＋Δｘｌにおける液相線の温度は、ΔＴだけ低くなる。従って、このままでは結晶の成長が止まってしまう。そこで、結晶の成長を継続するためには、組成ｘｌ＋Δｘｌにおける温度Ｔ０−ΔＴまで下げる必要がある。このようにして結晶を成長させると、温度の継続的な低下によって、結晶が成長するにつれて、融液の組成は、液相線に沿って変化していく。従って、析出する結晶の組成は、固相線に沿ってＮｂ濃度が高い組成へと変化していく。
【００５２】
一方、室温でのＫＴＮ結晶の格子定数は、Ｎｂ濃度が高いほど大きい。成長した結晶の内部では、時間的に先に成長した部分よりも、後に成長した部分の方がＮｂ濃度が高い。従って、後に成長した部分の格子定数の方が大きく、圧縮応力を受けて歪むことになる。応力の方向は、結晶の成長方向に対して垂直である。
【００５３】
ＫＴＮ結晶は、温度領域によって立方晶、正方晶、斜方晶、菱面体晶と、その相を変えるが、電気光学効果の大きさは、立方晶の場合が最も大きい。立方晶では、理論的に光学的な異方性はないが、上述した歪みにより、結晶格子のＴａやＮｂなどのイオンが変位し、結晶屈折率が変化して、複屈折を生ずる。以上の説明では、ＫＴＮ結晶を例に説明したが、ＫＬＴＮ結晶についても同様のことが当てはまる。
【００５４】
上述した空間電荷制限状態における空間電荷は、電気光学結晶内の自由キャリア（電子または正孔）からなる。これら自由キャリアは、電気光学結晶に印加する電圧を切ると、瞬時に拡散し、電極から外部に放出される。空間電荷制限状態が瞬時に消失すれば、光ビームの偏向も瞬時に消失すると考えられる。ところが、上述した結晶の内部応力が存在すると、ＫＬＴＮ結晶内にイオンの変位による分極が誘起され、電圧の印加によって発生した分極と相互作用し、自由キャリアをその場に束縛してしまう。束縛されたキャリアは、電圧の印加を止めた後も空間電荷を形成したまま残り、屈折率の分布も残ったまま、偏向角がゼロに戻らない。偏向角は、早ければ数分で消失するが、遅いときには１日を要する場合も有る。従って、光ビーム偏向器として用いた場合に、過去の偏向状態の影響を受け、偏向角と印加電圧とを１対１に対応させることができない。
【００５５】
そこで、本実施形態においては、結晶の外部から圧力をかけることにより、内部応力を緩和することにより、電圧の印加を止めた後に残る屈折率分布を抑制する。上述したように、内部応力は、結晶の成長方向に対して垂直である。結晶の成長方向と平行に圧力を加えると、これと垂直な方向には、結晶を膨張させる力が働き、内部応力を緩和することができる。また、外部から電気光学結晶に印加した電圧によって発生した電界と、内部応力との向きが同じ場合には、上述した相互作用が起こりやすいので、電界と垂直な方向に圧力をかけることも、残留する屈折率分布を抑制するために有効である。
【００５６】
なお、電気光学結晶に圧力を加えたまま使用してもよいが、一旦圧力をかければ、その後に圧力を取り除いても効果は持続するので、光素子の作製工程の一部に加圧工程を加えるだけでもよい。また、結晶の材料にもよるが、印加する圧力を１×１０６Ｐａ以上とすると、電圧を切った直後の屈折率の分布が、圧力をかけていない状態の半分以下に小さくなるので、内部応力の影響を緩和することができる。
【００５７】
ここでは、光ビーム偏向器を例に説明したが、他の用途の電気光学素子にも適用することができる。電気光学結晶に圧力を印加することは、電気光学結晶内に残留する空間電荷を抑制することができるので、空間電荷制限状態を積極的に利用する光ビーム偏向器には有効である。一方、偏向を利用しない、すなわち偏向により特性が劣化してしまう光強度変調素子においても、残留する空間電荷が発生する場合もある。従って、電気光学結晶に圧力を印加することにより、電圧を切った時点で速やかに空間電荷を消失させ、屈折率の分布を、電圧を印加する前の状態に戻すことができる。
【００５８】
（電極材料の仕事関数）
次に、式（８）に注目すると、ｘ0は電極から電気光学結晶へのキャリアの注入効率に依存する量であり、ｘ0が小さいほど注入効率が高くなる。ｘ0が小さくできれば、正極と負極との間の電界の差が大きくなり、それに伴い屈折率の傾斜も大きくなることから、ビームの偏向を効率的に大きくすることができる。
【００５９】
図４は、ｘ0と電界Ｅの空間分布との関係を示す図である。また、図５に、カー効果による屈折率変化Δｎの分布を示す。ＫＬＴＮ結晶からなる屈折率２．２の電気光学結晶を用いて、正負電極間の距離０．５ｍｍ、電極長さ５．０ｍｍとした。印加電圧は、１００Ｖであり、２次の電気光学定数ｓｉｊは、２．８５×１０１５ｍ２／Ｖ２である。ｘ0＝０のとき、屈折率の傾斜が最も大きくなることがわかる。ｘ0＝０とは、図３のｘ＝０のとき、負極において電界が０であることからも分かるように、電極と電気光学結晶とが理想的なオーミック接触であればよい。
【００６０】
ＫＬＴＮ結晶からなる電気光学結晶を、縦６ｍｍ×横５ｍｍ×厚さ０．５ｍｍに切り出し、縦５ｍｍ×横４ｍｍの電極を対向する面に取り付ける。ＫＬＴＮ結晶において電気伝導に寄与するキャリアは電子である。電極材料は、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｕ、Ｐｔの４種類を用意する。正負電極間に１００Ｖの電圧を印加したとき、縦方向に進行する光の偏向角度を測定する。
【００６１】
図６に、電極材料の仕事関数と偏向角との関係を示す。図中の点線Ａは、電子の注入効率が最大のときの偏向角、すなわち図３に示したｘ＝０のときの偏向角である。従って、電極材料が、Ｔｉ、Ｃｒの場合には、理想的なオーミック接触が実現され、注入効率が最大となる。電極材料の仕事関数が大きくなるにつれて、ショットキー接触に近づき、キャリアの注入効率は減少する。このことから、電気光学結晶の電気伝導に寄与するキャリアが電子の場合には、電極材料の仕事関数は、５．０ｅＶ未満であることが好ましい。従って、電気光学結晶の電気伝導に寄与するキャリアが正孔の場合には、電極材料の仕事関数は、５．０ｅＶ以上であることが好ましい。
【００６２】
仕事関数が５．０ｅＶ未満の電極材料として、Ｃｓ（２．１４）、Ｒｂ（２．１６）、Ｋ（２．３）、Ｓｒ（２．５９）、Ｂａ（２．７）、Ｎａ（２．７５）、Ｃａ（２．８７）、Ｌｉ（２．９）、Ｙ（３．１）、Ｓｃ（３．５）、Ｌａ（３．５）、Ｍｇ（３．６６）、Ａｓ（３．７５）、Ｔｉ（３．８４）、Ｈｆ（３．９）、Ｚｒ（４．０５）、Ｍｎ（４．１）、Ｉｎ（４．１２）、Ｇａ（４．２）、Ｃｄ（４．２２）、Ｂｉ（４．２２）、Ｔａ（４．２５）、Ｐｂ（４．２５）、Ａｇ（４．２６）、Ａｌ（４．２８）、Ｖ（４．３）、Ｎｂ（４．３）、Ｔｉ（４．３３）、Ｚｎ（４．３３）、Ｓｎ（４．４２）、Ｂ（４．４５）、Ｈｇ（４．４９）、Ｃｒ（４．５）、Ｓｉ（４．５２）、Ｓｂ（４．５５）、Ｗ（４．５５）、Ｍｏ（４．６）、Ｃｕ（４．６５）、Ｆｅ（４．７）、Ｒｕ（４．７１）、Ｏｓ（４．８３）、Ｔｅ（４．９５）、Ｒｅ（４．９６）、Ｂｅ（４．９８）、Ｒｈ（４．９８）のいずれかを用いることができる。（）内は仕事関数を示す。また、上記材料を複数用いた合金であってもよい。例えば、Ｔｉの単層電極は酸化して高抵抗になるので、一般的には、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕを積層した電極を用いて、Ｔｉの層と電気光学結晶とを接合させる。さらに、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）、ＺｎＯなどの透明電極を用いることもできる。
【００６３】
仕事関数が５．０ｅＶ以上の電極材料として、Ｃｏ（５．０）、Ｇｅ（５．０）、Ａｕ（５．１）、Ｐｄ（５．１２）、Ｎｉ（５．１５）、Ｉｒ（５．２７）、Ｐｔ（５．６５）、Ｓｅ（５．９）を用いることができる。また、上記材料を複数用いた合金であってもよい。
【００６４】
（電気光学結晶の誘電率）
図７に、電気光学結晶の比誘電率と偏向角との関係を示す。ＫＬＴＮ結晶からなる電気光学結晶を、縦６ｍｍ×横５ｍｍ×厚さ０．５ｍｍに切り出し、縦５ｍｍ×横４ｍｍの電極を対向する面に取り付ける。電極材料は、Ｃｒとする。正負電極間に２００Ｖ／ｍｍの電界を印加したとき、縦方向に進行する光の偏向角度を測定する。このとき、電気光学結晶の温度を変化させて、誘電率を変化させながら測定した結果を示す。
【００６５】
偏向角は、正極と負極の屈折率変化量の差、すなわち図５に示した直線の傾きに比例する。屈折率変化量は、２次の電気光学効果の場合、誘電率の２乗に比例する。従って、偏向角は、比誘電率の２乗に比例するので、図７に示した実測値を、２次関数でフィッティングした結果を合わせて示す。また、２次の電気光学効果の場合、屈折率変化量は、印加電界の２乗に比例するので、図７に示した結果をもとに、印加電界を変化させたときの偏向角の比誘電率依存性を図８に示す。
【００６６】
従来のＬＮからなるプリズムに、５００Ｖ／ｍｍの電界を印加したときの偏向角＝０．３ｍｒａｄである。従って、比誘電率が５００以上のＫＬＴＮ結晶からなる電気光学結晶を空間電荷制限状態で用いれば、同じ印加電界で、同等の偏向角を得ることができる。また、比誘電率が１００００を超えると、偏向角の比誘電率依存性は小さくなるので、電気光学結晶の比誘電率は、４００００以下でよい。
【実施例１】
【００６７】
図９に、比較のために従来の光ビーム偏向器を示す。光ビーム偏向器は、方形の電気光学結晶１の対向する面に、正極２と負極３とが形成されている。ＫＬＴＮ結晶からなる電気光学結晶１を、縦（ｚ軸方向）６ｍｍ×横（ｘ軸方向）５ｍｍ×厚さ（ｙ軸方向）１ｍｍに切り出し、縦５ｍｍ×横４ｍｍの正極２と負極３とを対向する面に取り付ける。ここで、結晶の成長方向がｘ軸方向に平行となるようにし、ｙ軸方向とｚ軸方向とに圧縮応力が存在するようにする。光ビームの進行方向をｚ軸方向に、電圧を印加する方向をｙ軸方向とする。
【００６８】
図１０に、従来の光ビーム偏向器の屈折率変化量の分布を示す。正負電極間に４００Ｖの電圧を印加したとき、ｚ軸方向に進行する光が感じる屈折率の分布を示す。縦軸は、電圧を印加しないときの屈折率に対する変化分であり、横軸は、正極からの距離を示す。電圧の印加によって、正極付近の屈折率が大きくマイナス方向に変化しているのに対して、負極付近ではほとんど変化していないことがわかる。すなわち、図４、５に示した理想的なオーミック接触（ｘ0＝０）が実現されていることがわかる。屈折率の傾きは、正極と負極の中間点で、１ｍｍ当たり７×１０−３である。光の進行方向の電極長さは、５ｍｍなので、光波面は厚さ１ｍｍ当たり３５×１０−３ｍｍの割合で傾いている。従って、入射光の光軸からの偏向角は、３５ｍｒａｄを得ることができる。
【００６９】
一方、電圧を切った直後の屈折率の分布も、図１０に併せて示す。正極から負極にわたってΔｎ＝０とはならず、屈折率の分布が残ったままであることがわかる。この残留屈折率分布は、時間の経過とともに消失して、正極から負極にわたってΔｎ＝０となるが、消失までにおよそ１２分を要する。従って、高速の光ビーム偏向器として用いることはできない。
【００７０】
図１１に、本発明の実施例１にかかる光ビーム偏向器を示す。光ビーム偏向器は、方形の電気光学結晶１の対向する面に、正極２と負極３とが形成されている。ＫＬＴＮ結晶からなる電気光学結晶１を、縦（ｚ軸方向）６ｍｍ×横（ｘ軸方向）５ｍｍ×厚さ（ｙ軸方向）１ｍｍに切り出し、縦５ｍｍ×横４ｍｍの正極２と負極３とを対向する面に取り付ける。本実施例のＫＬＴＮ結晶の組成は、Ｋ０．９９Ｌｉ０．０１Ｔａ０．６８Ｎｂ０．３２Ｏ3である。測定温度２０℃において、ＫＬＴＮ結晶は立方晶であり、比誘電率は１２０００である。電極材料は、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕとする。
【００７１】
ここで、結晶の成長方向がｘ軸方向に平行となるようにし、ｙ軸方向とｚ軸方向とに圧縮応力が存在するようにする。光ビームの進行方向をｚ軸方向に、電圧を印加する方向をｙ軸方向とする。電気光学結晶１は、凹型の筐体１１の凹みの部分に載置され、凹みの一方の壁と押さえ板１２により挟持される。押さえ板１２をネジ１３で、凹みの一方の壁に押し付けることにより、電気光学結晶１に圧力を加える。圧力は、結晶の成長方向と平行に、すなわちｘ軸方向に圧力を加える。
【００７２】
図１２に、本発明の実施例１にかかる光ビーム偏向器の屈折率変化量の分布を示す。正負電極間に４００Ｖの電圧を印加したとき、ｚ軸方向に進行する光が感じる屈折率の分布を示す。縦軸は、電圧を印加しないときの屈折率に対する変化分であり、横軸は、正極からの距離を示す。図１０に示した圧力をかけていない状態、圧力＝２×１０６Ｐａをかけた状態、および圧力＝４×１０６Ｐａをかけた状態を示す。圧力をかけた状態では、電圧を切った直後の屈折率の分布が、圧力をかけていない状態より小さくなっており、圧力＝４×１０６Ｐａでは、正極から負極にわたってほぼΔｎ＝０になっていることがわかる。このように、電気光学結晶１に圧力を加えることにより、電圧を切った直後に、屈折率の分布が残らないので、高速の光ビーム偏向器として用いることができる。
【実施例２】
【００７３】
図１３に、本発明の実施例２にかかる光ビーム偏向器を示す。電気光学結晶１の構成は、図１１に示した実施例１と同じである。ここで、結晶の成長方向がｚ軸方向に平行となるようにし、ｘ軸方向とｙ軸方向とに圧縮応力が存在するようにする。光ビームの進行方向をｚ軸方向に、電圧を印加する方向をｙ軸方向とする。実施例２では、圧力は、結晶の成長方向と平行に、すなわちｚ軸方向に圧力を加える。
【００７４】
電気光学結晶１は、２つの凹型の筐体２１ａ，２１ｂの凹みの部分に載置され、凹みの一方の壁と押さえ板２２ａ，２２ｂにより挟持される。このとき、押さえ板２２ａ，２２ｂおよび凹みの一方の壁と、電気光学結晶１との間にそれぞれガラス板２４ａ，２４ｂを挿入し、光ビームの光路を確保する。押さえ板２２ａ，２２ｂをネジ２３ａ，２３ｂで、凹みの一方の壁に押し付けることにより、電気光学結晶１に圧力を加える。
【００７５】
正負電極間に４００Ｖの電圧を印加し、圧力＝４×１０６Ｐａをかけた状態では、電圧を切った直後の屈折率の分布が、圧力をかけていない状態より１０分の１程度に小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】（ａ）および（ｂ）は、結晶内部の電荷による電界傾斜の発生原理を示す図であり、（ｃ）および（ｄ）は、負極から正極までの距離と、電気光学結晶内の電界の強さとの関係を示す図である。
【図２】本発明の一実施形態にかかる光の偏向の原理を示す図である。
【図３】ＫＴＮ単結晶の成長時の熱平衡図である。
【図４】ｘ0と電界Ｅの空間分布との関係を示す図である。
【図５】カー効果による屈折率変化Δｎの分布を示す図である。
【図６】電極材料の仕事関数と偏向角との関係を示す図である。
【図７】電気光学結晶の比誘電率と偏向角との関係を示す図である。
【図８】印加電界を変化させたときの偏向角の比誘電率依存性を示す図である。
【図９】従来の光ビーム偏向器を示す斜視図である。
【図１０】従来の光ビーム偏向器の屈折率変化量の分布を示す図である。
【図１１】本発明の実施例１にかかる光ビーム偏向器を示す斜視図である。
【図１２】本発明の実施例１にかかる光ビーム偏向器の屈折率変化量の分布を示す図である。
【図１３】本発明の実施例２にかかる光ビーム偏向器を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００７７】
１  電気光学結晶
２  正極
３  負極
１１，２１  筐体
１２，２２  押さえ板
１３，２３  ネジ
２４  ガラス板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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