(57)【要約】  本発明は、新タイプの電気光学（Ｅ−Ｏ）結晶素子、その利用及び作成プロセスに関する。更に、本発明は、非常に多くの、変調、コミュニケーション、レーザー及び産業用途において非常に低い半波長２００Ｖ以下の電圧 Ｖlπ及び約８７ボルト以下のＶTπをもたらす、超高直線Ｅ−Ｏ係数γC、例えば、１１００ｐｍ／Ｖより大きな横有効直線Ｅ−Ｏ係数γTC及び最大５２７ｐｍ／Ｖの縦有効直線Ｅ−Ｏ係数γlC、を示す(ドープされた又はドープされていないＰＭＮ−ＰＴ、ＰＩＮ−ＰＭＮ−ＰＴ若しくはＰＺＮ−ＰＴ強誘電体結晶から作成可能な）Ｅ−Ｏ結晶素子に関する。【選択図】図２Ａ
2015518179.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
下記化学式の一つによって表わされる化学組成物を有する強誘電体を作成する工程であって、
（Ｉ）  Pb(Mg1/3Nb2/3)1-xTixO3 ここでxは０．２２〜０．３８として定義、
若しくは 
（ＩＩ）  Pb(Zn1/3Nb2/3)1-y TiyO3 ここでy は０．０４〜０．１１として定義され、
全ての前記結晶素子は、最大６％（質量％）のランタン（Ｌａ）、アンチモン（Ｓｂ）、最大８％(質量％）のタンタル（Ｔａ）、最大３１％(質量％）のインジウム（Ｉｎ）、最大５％(質量％）のジルコニウム（Ｚｒ）及びセリウム（Ｃｅ）、エルビウム（Ｅｒ）．テルビウム（Ｔｂ），スカンジウム（Ｓｃ）並びにネオジム（Ｎｄ）からなる群から選択された最大８％(質量％）の少なくとも一つの希土類元素と一緒にドープ又は共ドープする工程と、
（０１１）に前記結晶素子をスライスし、ウェハースを形成する工程と、
９５℃以下の温度範囲で２倍以下の保磁力（Ｅｃ）で<０１１>方向に前記結晶素子をポーリングことによってｍｍ２対称構造に偏光化する工程とを含む、電気光学結晶素子を製造する製造方法。
【請求項２】
前記偏光化工程が単一ドメイン及びマルチナノドメイン構造の一つをもたらす、請求項１に記載の電気光学素子を製造する製造方法。
【請求項３】
前記作成された結晶素子をさいの目にすることを行う工程と、
前記結晶素子を研磨し、光学的仕上げを行う工程と、
それによって前記電気光学結晶素子を形成する工程とを含む、請求項１に記載の製造方法。
【請求項４】
前記結晶素子を電極化する工程を含む、請求項3に記載の製造方法。
【請求項５】
横モード結晶素子を提供する工程と、
前記横モード結晶素子が、＜０１１＞偏光を提供し、室温２０°Ｃで５２７  ｐｍ／Ｖより大きな横有効Ｅ−Ｏ係数γTC及び８７．５Ｖ（ｌ／ｄ＝１）よりも低い半波電圧ＶTπ を与える工程とを含む、請求項１に記載の製造方法。
【請求項６】
縦モード結晶素子を提供する工程と、 
前記縦モード結晶素子上に透明電極をコーティングする工程とを含み、
前記縦モード結晶素子が、室温２０°Ｃで４２７ｐｍ／Ｖより大きな縦有効Ｅ−Ｏ係数γlC及び３００Ｖ よりも低いＶlπの＜０１１＞偏光を提供する、請求項１に記載の製造方法。
【請求項７】
下記化学式の一つで表わされる化学組成物を有する強誘電体を作成する工程であって、
(III)    y*[Pb(In1/2Nb 1/2)O3]-(1-y)*[Pb(Mg1/3Nb2/3)1-xTixO3]
ここでｘは、０．０〜０．３５として定義、
Y  は０．０〜０．３５として定義され、
（０１１）ウェハースに前記結晶素子をスライスする工程と、
９５℃以下の温度範囲で２倍以下の保磁力（Ｅｃ）で＜０１１＞方向に前記結晶素子をポーリングすることによってｍｍ２対称構造に偏光化する工程とを含む、電気光学結晶素子を製造する方法。
【請求項８】
前記偏光化工程が単一ドメイン及びマルチナノドメイン構造をもたらす、請求項７に記載の電気光学素子を製造する方法。
【請求項９】
前記作成された結晶素子をさいの目にすることを行う工程と、
前記結晶素子を研磨し、光学的仕上げを行う工程と、
それによって前記電気光学結晶素子を形成する工程とを含む、請求項7に記載の製造方法。
【請求項１０】
前記結晶素子を電極化する工程を含む、請求項９に記載の製造方法。
【請求項１１】
横モード結晶素子を提供する工程を含み、
前記横モード結晶素子が、＜０１１＞偏光を提供し、室温２０℃で５００ｐｍ／Ｖより大きな横有効Ｅ−Ｏ係数γTC及び１２Ｖ（l／ｄ＝７）よりも低い半波電圧ＶTπを与える、請求項７に記載の製造方法。
【請求項１２】
縦モード結晶素子を提供する工程と、 
前記縦モード結晶素子上に透明電極をコーティングする工程とを含み、
前記縦モード結晶素子が、室温２０℃で４２７ｐｍ／Ｖより大きな縦有効Ｅ−Ｏ係数γlC及び３００Ｖよりも低いＶlπの＜０１１＞偏光を提供する、請求項7に記載の製造方法。
【請求項１３】
振幅変調器及び位相変調器の一つである前記システムであって、
請求項７に記載の方法によって製造された縦モード電気光学結晶素子を含み、
前記縦モード結晶素子が、室温２０℃で４２７ｐｍ／Ｖより大きい縦有効Ｅ−Ｏ係数γlC 及び３００Ｖよりも低いＶlπの＜０１１＞偏光を提供するための手段を含む、電気光学システム。
【請求項１４】
振幅変調器及び位相変調器の一つである前記システムであって、
請求項1に記載の方法によって製造された横モード電気光学結晶素子を含み、
横モード電気光学結晶素子が、＜０１１＞偏光を提供し、室温２０℃で５ｐｍ／Ｖより大きな横有効Ｅ−Ｏ係数γTC 及び８７．５Ｖ（ｌ／ｄ＝１）よりも低い半波電圧ＶTπを与えるための手段を含む、電気光学システム。
【請求項１５】
振幅変調器及び位相変調器の一つである前記システムであって、
請求項７に記載の方法によって製造された縦モード電気光学結晶素子を含み、
前記横モード電気光学結晶素子が、＜０１１＞偏光を提供し、室温２０℃で５００ｐｍ／Ｖより大きな横有効Ｅ−Ｏ係数γTC及び１２Ｖ（ｌ／ｄ＝７）よりも低い半波電圧ＶTπを与えるための手段を含む、電気光学システム。
【請求項１６】
光学電気結晶素子の（０１１）表面のマッハツエンダー干渉計変調器と、
請求項１及び請求項７の一つに記載の方法によって製造された前記光学電気結晶素子とを含む、レーザービーム用電気光学変調器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１２年４月４日に出願された米国特許仮出願（No.  ６１/６８６，３５０）並びに２０１３年３月１８日に出願された米国特許仮シリーズ出願（No.  ６１/８０２，７９６）に基づく優先権を主張するものであり、その全内容が参照によって本出願に完全に取り込まれている。
【０００２】
本発明は、新しいタイプの電気光学（Ｅ−Ｏ）結晶素子、その応用及びその作成プロセスに関する。より具体的には、本発明は、非常に多くの変調、コミュニケーション、レーザー及び電気光学的産業用途において有用な超高効果（縦横の）直線Ｅ−Ｏ係数及び非常に低い半波電圧Ｖπを示すＥ−Ｏ結晶素子に関する。
【背景技術】
【０００３】
最近、ＰＭＴ−ＰＴをベースにしたリラクサ強誘電体結晶が、従来の圧電材料よりも一次元高い電気ひずみ、及び９０％以上の電気機械結合因子のような超高圧電特性のために広く開発が行われている。これらの結晶は、圧電応用、特に、超音波イメージング及びソーナー変換器のような音響変換装置に使用されている。異方性＜０１１＞分極ＰＭＮ−ＰＴ及び又はＰＺＮ−ＰＴをベースにした結晶の極めて異方性の圧電特性は広く立証されている。これらは出願人の従来の出版物にも記述されており、全内容が、参照によって本出願に完全に取りこまれている。             
・P. Han, W. L. Yan, J. Tian, X. L. Huang, and H. X. Pan、“Cut directions for the optimization of piezoelectric coefficients of lead magnesium niobate- lead-titanateferroelectric crystals”. Discovery of d36 shear mode, Appl.  Phys, Letter. 86, No.1, 2466, (2005); 及び
・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: WoodheadPublishing Ltd., 2008, p. 600-632  (ブリッジマン（Bridgman）修正法及び特性化による大型のＰＭＮ−ＰＴ結晶成長の概要）
【０００４】
上記＜００１＞分極並びに＜１１１＞分極ＰＭＴ−ＰＴ及びＰＺＮ−ＰＴ強誘電体結晶の直線Ｅ−Ｏ効果が報告されているが、商業的使用に関しては動作不能であるので、結果は、奨励されたり、あるいは進展させられたりするものではなかった。これらの結果は下記の出版物に記載されており、全内容が参照によって本出願に完全に取り込まれている。
・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, HaosuLuo, 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" Slid state communications Vol. 134 547-551 (2005).
・L. S. Kamzina, RuanWei, 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).（原文ロシア語）
・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).
【０００５】
主たる原因は、マルチドメイン壁からの光分散及び＜１１１＞分極単一ドメイン状態の不安定性さにあり、報告されている全ての研究が、ＰＭＮ−ＰＴ又はＰＺＮ−ＰＴをベースにした固溶体の光単軸結晶に限られていたことにある。
【発明の概要】
【０００６】
本発明ＰＭＮ−ＰＴ及びＰＺＮ−ＰＴをベースにした強誘電体単結晶材料中の超高有効Ｅ−Ｏ係数γC のＥ−Ｏ結晶素子及び非常に低い半波電圧Ｖπに関する。発明は、以下の事項を含む便益と長所を備えた新しいＥ−Ｏ結晶素子及び関連するＥ−Ｏ結晶装置を提供する。
（１）優れたＥ−Ｏ特性及び極めて低い半波電圧Ｖπ
（２）−３０℃から最高１１０℃の広い動作温度範囲 
（３）再ポーリング能による高い信頼性、及び
（４）費用効率の高い作成方法
【０００７】
発明は、新世代のＥ−Ｏ結晶素子として、各種のＥ−Ｏ結晶装置中における発明Ｅ−Ｏ結晶素子の商業的利用を可能にする。特に、Ｅ−Ｏ切り替え、Ｅ−Ｏ位相変調、Ｅ−Ｏ振幅変調、レーザービーム変調及び光複屈折装置に利用可能である。
【０００８】
更に、本発明は、新しいタイプの電気光学（Ｅ−Ｏ）結晶素子、その応用及びその作成プロセスに関する。より具体的には、本発明は非常に多くの変調、コミュニケーション、レーザー及び産業用途において有用な高効果縦横の直線Ｅ−Ｏ係数及び非常に低い半波電圧 Ｖπを示すＥ−Ｏ結晶素子に関する。
【０００９】
更に、本発明は、例えば、１１００ ｐｍ／Ｖより大きな横有効直線Ｅ−Ｏ係数γTC及び最大５２７ ｐｍ／Ｖの縦有効直線Ｅ−Ｏ係数γlCを示し、 (ドープされた若しくはドープされていないＰＭＮ−ＰＴ、ＰＩＮ−ＰＭＮ−ＰＴ又はＰＺＮ−ＰＴ強誘電体結晶から作られ得る）超高直線Ｅ−Ｏ係数 γCを示し、非常に多くの変調、コミュニケーション、レーザー及び産業用途において、２００Ｖ以下の非常に低い半波長電圧 Ｖlπ及び８７Ｖ以下のＶTπ をもたらすような電気光学（Ｅ−Ｏ）結晶素子に関する。同様に、本発明は、提案結晶素子は、結果を与える手段として有効であることに付いて言及し、別の言い方をすれば、提案結晶素子は、以下の有効な構造と同じものを含む製品、システム及び装置において２００Ｖ以下のＶlπ 及び８７Ｖ以下のＶTπの非常に低い半波長電圧をもたらす１１００ ｐｍ／Ｖ以上の横有効直線Ｅ−Ｏ係数γTC 及び最大５２７ ｐｍ／Ｖの縦有効直線Ｅ−Ｏ係数を提供するための手段である。 
【００１０】
Ｅ−Ｏ単結晶材料は、ＰＭＮ−ＰＴ（マグネシウムニオブ酸鉛−チタン酸鉛）若しくはＰＩＮ−ＰＭＮ−ＰＴ（インジウムニオブ酸鉛−マグネシウムニオブ酸鉛−チタン酸鉛）又はＰＺＮ−ＰＴ（亜鉛ニオブ酸鉛−チタン酸鉛）若しくは上記のドープ結晶から選択され得る。発明は、特に、再分極可能設計、即ち結晶中のポーリング方向＜０１１＞に平行な応用電場に関する。Ｅ−Ｏ結晶素子は、（１）（操作温度-３０℃〜８５℃で）３５０〜１１００ ｐｍ／Ｖの範囲と同じ高さで有効横直線Ｅ−Ｏ係数γTC及び４５  Ｖ (ｌ／ｄ＝1)以下の非常に低い半波長電圧ＶTπ を示し、（２）（操作温度-３０℃〜１１０℃で）２８０〜８００ｐｍ／Ｖの範囲と同じ高さで有効縦直線Ｅ−Ｏ係数γlC及び３００  Ｖ  （ｌ／ｄ＝１）以下、好ましくは約２００Ｖ、より好ましくは約１５０Ｖ以下の非常に低い半波長電圧Ｖlπを示す。再ポーリング能の性質に加えて、超高有効Ｅ−Ｏ係数γC及び非常に低いＶπが、新世代のＥ−Ｏ結晶素子として各種のＥ−Ｏ装置への発明結晶素子の使用を可能にしている。特に、しかし限定されないが、Ｅ−Ｏ切り替え、Ｅ−Ｏ位相変調、Ｅ−Ｏ振幅変調、レーザービーム変調及び光学複屈折装置に利用可能である。
【００１１】
本発明の一つの態様において、請求項１２（図４Ａ参照）に記載の横モードＥ−Ｏ振幅変調の構造において、請求項４に記載の横モードＥ−Ｏ結晶要素として提供された以下の実施例の試験を行った。結晶組成物は、ｍｍ２ナノドメイン対称に分極した＜０１１＞、６７．５％ＰＭＮ−３２．５％ＰＴである。光学ビーム波長は６３３ｎｍである。結果は再現性があり、
γTC :８０℃で１１６０ｐｍ/Ｖ、２０℃で５２７ｐｍ/Ｖ，−８℃で４３６ｐｍ/Ｖ及び−２１℃で ３９５ｐｍ／Ｖ
ＶTπ:８０℃で８７．５Ｖ、２０℃で８７．５Ｖ、−８℃で１１９Ｖ。ＶTπデータは、比ｌ／ｄ＝１に規格化され、そこで、
ＶTC :（横有効Ｅ−Ｏ係数）：ＶTπ：横モード半波長電圧である。
【００１２】
本発明の一つの態様にしたがって、電気光学結晶素子を製造するする方法が提供され、以下の化学式の一つによって表わされる化学組成を有する強誘電体結晶を作成する工程は、
（Ｉ）Pb(Mg1/3Nb2/3)1-xTix式中ｘは０．２２〜０．３８として定義、
若しくは
（ＩＩ）Pb(Zn1/3Nb2/3)1-YTiYO3式中ｙは０．０４〜０．１１として定義され、
全ての結晶素子は、最大６％（質量％）のランタン（Ｌａ）、アンチモン（Ｓｂ）、最大８％(質量％）のタンタル（Ｔａ）、最大３１％(質量％）のインジウム（Ｉｎ）、最大５％(質量％）のジルコニウム（Ｚｒ）及びセリウム（Ｃｅ）、エルビウム（Ｅｒ）．テルビウム（Ｔｂ），スカンジウム（Ｓｃ）並びにネオジム（Ｎｄ）からなる群から選択された最大８％(質量％）の少なくとも一つの希土類元素と一緒にドープ又は共ドープされる工程と、（０１１）に結晶素子をスライスし、ウェハースを形成する工程と、９５℃以下の温度範囲で２倍の保磁力（Ｅｃ）の下で<０１１>方向に結晶素子をポーリングすることによってｍｍ２対称構造に偏光する工程とを含む。
【００１３】
本発明の別の態様にしたがって、電気光学結晶素子を製造する方法が提供され、偏光の工程が単一ドメイン並びに複数のナノドメイン構造の一つをもたらす。
【００１４】
本発明の別の態様にしたがって、電気光学結晶素子を製造する方法が提供され、更に、工程は、作成された結晶素子をさいの目に切ることを行う工程と、結晶素子の研磨と光学仕上げを行う工程と、それによって電気光学結晶素子を形成する工程とを含む。
【００１５】
本発明の別の態様にしたがって、電気光学結晶素子を製造する方法が提供され、更に工程は、結晶素子を電極化する工程を含む。
【００１６】
本発明の別の態様にしたがって、横モード結晶素子を提供する電気光学結晶素子及び<０１１>偏光を提供し、室温２０℃で５２７ｐｍ／Ｖよりも大きい横有効Ｅ−Ｏ係数γTC及び８７．５Ｖ（ｌ／ｄ＝１）よりも小さい半波長電圧をＶTπを与える、横モード結晶素子を製造する方法が提供される。
【００１７】
本発明の別の態様にしたがって、縦モード結晶素子上に透明な電極をコーティングしつつ縦モード結晶素子を提供する電気光学結晶素子及び室温２０℃で４２７ｐｍ／Ｖよりも大きい 縦有効Ｅ−Ｏ係数γlC及び３００Ｖよりも小さいＶlπの<０１１>偏光を提供する縦モード結晶素子を製造する方法が提供される。
【００１８】
本発明の別の態様にしたがって、電気光学結晶素子を製造する方法が提供され、下記化学式によって表わされる化学組成を有する強誘電体結晶を作成する工程は、
(III)     y*[Pb(In1/2Nb 1/2)O3]-(1-y)*[Pb(Mg1/3Nb2/3)1-xTixO3]
式中ｘは、０．００〜０．３５として定義、
yは０．００〜０．３５として定義され、
結晶素子を（０１１）ウェハースにスライスする工程と、
９５℃以下の温度範囲で２倍以下の保磁力（Ｅｃ）で<０１１>方向に結晶素子をポーリングすることによってｍｍ２対称構造に偏光する工程とを含む。
【００１９】
本発明の別の態様にしたがって、電気光学結晶素子を製造する方法が提供され、式IIIに従って、更に工程は、横モード結晶素子及び<０１１>偏光を提供し、室温２０℃で５００ｐｍ／Ｖ以上の横有効Ｅ−Ｏ係数γTC及び、１２Ｖ（ｌ／ｄ＝１）よりも小さい半波長電圧ＶTπを与える横モード結晶素子を提供する工程を含む。
【００２０】
本発明の別の態様にしたがって、電気光学結晶素子を製造する方法が提供され、縦モード結晶素子を提供する工程と、縦モード結晶素子上に透明な電極をコーティングする工程を含み、縦モード結晶素子が、室温 ２０℃で４２７ｐｍ／Ｖ以上の縦有効Ｅ−Ｏ係数γlC及び３００  Ｖ以下のＶlπの<０１１＞偏光を提供する。
【００２１】
本発明の別の態様にしたがって、振幅変調器及び位相変調器の一つであるシステムは、式IIIに従う方法によって製造される縦モード電気光学結晶素子及び室温２０℃で４２７ｐｍ／Ｖ以上の縦有効Ｅ−Ｏ係数γlC及び３００Ｖ以下のＶlπの<０１１>偏光を提供するための手段を含む縦モード電気光学結晶素子を備える電気光学システムが提供される。
【００２２】
本発明の別の態様にしたがって、振幅変調器及び位相変調器の一つであるシステムは、式I若しくは式IIに従う方法によって製造される横モード電気光学結晶素子及び<０１１>偏光を提供し、室温２０℃で５００ｐｍ／Ｖ以上の横有効Ｅ−Ｏ係数γTC及び８７．５Ｖ（ｌ／ｄ＝１）以下の半波長電圧ＶTπを与えるための手段を含む横モード電気光学結晶素子を備える電気光学システムが提供される。
【００２３】
本発明の別の態様にしたがって、振幅変調器及び位相変調器の一つであるシステムは式IIIに従う方法によって製造される横モード電気光学結晶素子及び<０１１>偏光を提供し、室温２０℃で５００ｐｍ／Ｖ以上の横有効Ｅ−Ｏ係数γTC 及び１２Ｖ（ｌ／ｄ＝７）以下の半波電圧ＶTπを与えるための手段を含む横モード電気光学結晶素子を備える電気光学システムが提供される。
【００２４】
本発明の別の態様にしたがって、光学的電気的結晶素子の（０１１）表面にマッハツェンダー型干渉計変調器及び式I、式II及び式IIIの一つに従う方法によって製造された光学的電気的結晶素子を含むレーザービームのための電気光学変調システムが提供される。
【００２５】
上記及び本発明の他の任意の適応態様、特徴と長所は、付帯する図と連係して記載する以下の説明から明らかになり、同じ参照符号は同じ要素を定義する。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】＜０１１＞分極Ｅ−Ｏ結晶の圧電係数ｄ31の異方性表面である。
【図１Ａ】図１の＜０１１＞分極Ｅ−Ｏ結晶に関する圧電係数ｄ31の異方性表面の３Ｄプロットである。
【図１Ｂ】ユニークな異方性特性、正のｄ31並びに負の ｄ32を示す図１Ａ中の３ＤプロットのＸ−Ｙ切断面の２Ｄプロットであり、＜００１＞ポーリング並びに＜１１１＞ポーリングに対してｄ31並びにｄ32は両方とも負である。
【図２Ａ】＜０１１＞偏光を持つ横モードＥ−Ｏ結晶素子である。
【図２Ｂ】＜０１１＞偏光を持つ縦モードＥ−Ｏ結晶素子である。
【図３】記載の通り、Ｅ−Ｏ結晶素子（セル)にするために、さいの目にされ、研磨され、光学的仕上げがなされたＥ−Ｏ結晶ウエハーである。
【図３Ａ】ここに記載の通り、＜０１１＞分極Ｅ−Ｏ結晶素子を用いる縦モードＥ−Ｏ振幅変調システムである。
【図３Ｂ】ここに記載の通り、＜０１１＞分極Ｅ−Ｏ結晶素子を用いる縦モードＥ−Ｏ位相変調器システムである。
【図４】記載の通り、Ｅ−Ｏ結晶素子（セル)にするためにさいの目にされ、研磨され、光学的仕上げがなされたＥ−Ｏ結晶ウエハーである。
【図４Ａ】ここに記載の通り、＜０１１＞分極Ｅ−Ｏ結晶素子を用いる横モードＥ−Ｏ振幅変調器システムである。
【図４Ｂ】ここに記載の通り、＜０１１＞分極Ｅ−Ｏ結晶素子を用いる横モードＥ−Ｏ位相変調器システムである。
【図５】Ｅ−Ｏ結晶素子（セル)にするために、さいの目にされ、研磨され、光学的仕上げがなされたＥ−Ｏ結晶ウエハーである。
【図５Ａ】例えば、コミュニケーションシステムに使用するための横モードの＜０１１＞分極Ｅ−Ｏ結晶素子を用いる進行波Ｅ−Ｏ変調器である。
【図６Ａ】レーザービームのための典型的なＥ−Ｏ変調器であって、位相内ビームとともに再結合した(０１１)表面上のマッハツェンダー干渉計変調器の上面図と一体の概略図である。
【図６Ｂ】レーザービームのための典型的なＥ−Ｏ変調器であって、位相外ビームとともに再結合した、(０１１)表面上のマッハツェンダー干渉計変調器の上面図と一体の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
発明の態様に対して詳細な参照を作成する。可能な限り、同じ若しくは類似の参照番号が同じ若しくは同等の部分又は工程を参照するために図と説明に用いられる。図は単純化された様式であって、スケールは正確ではない。単語「結合」及び類似の用語は、直接あるいは近接の結合を意味するばかりでなく、中間の要素あるいは装置を通しての結合を含む。簡便性及び明確性を目的としてのみ、図に関して、方向を示す用語（ 上／ 下等） 又は動きを示す用語（ 前方／ 後方等） が用いられる。これらの用語及び類似の方向に関する用語は、いかなる態様においても、範囲を制限するものと解釈されるべきではない。同様に、他の実施例は、本発明の範囲を逸脱することなく用いられ、更に詳細説明が制限の意味で取られてはならず、そして要素は異なる位置に配置されても良く、又はさもなければ、そのために必要とされるような書面による記載は必要条件ではなく、添付請求項のように記載される。 
【００２８】
いろいろな操作が、本発明の実施例の理解を助けることができるような方法において、複数の個別の操作が順次記載されるかもしれないが、説明の順序はこれらの操作が順序に依存することを示唆すると解釈されるべきではない。 
【００２９】
本発明は、議論されるように、更なるシステム、レーザー、及び変調器における同様の使用を含めて電気光学（Ｅ−Ｏ）結晶素子、その応用及び作成プロセスを提供する。
【００３０】
より具体的には、本発明は、高有効縦横直線Ｅ−Ｏ係数及び非常に多くの変調、コミュニケーション、レーザー及び産業用途において有用な非常に低い半波電圧Ｖπを示すＥ−Ｏ結晶素子に関する。
【００３１】
強誘電体Ｅ−Ｏ単結晶材料は、ＰＭＮ−ＰＴ（マグネシウムニオブ酸鉛−チタン酸鉛）若しくはＰＩＮ−ＰＭＮ−ＰＴ（インジウムニオブ酸鉛−マグネシウムニオブ酸鉛−チタン酸鉛）又はＰＺＮ−ＰＴ（亜鉛ニオブ酸鉛−チタン酸鉛）若しくは上記のドープ結晶であっても良い。特に、発明は、上に述べた、再極化可能設計＜０１１＞極化（立方表記）強誘電体結晶に関する。０．４１μｍから透明である分極化結晶の光透過は、ＩＲ領域、すくなくとも５μｍまで、任意の顕著な吸収帯も無く連続している。Ｅ−Ｏ結晶は、超高有効で明確な電気光学係数γC/γ＊C及び非常に低い８７Ｖ以下の半波電圧を与える。この＜０１１＞再分極化可能特性は、使用の信頼性と便利さに関して実際の応用にとって戦略的に重要である。再分極化可能構造の別の長所は、Ｅ−Ｏ結晶素子の製作コストが低いことである。＜０１１＞極化Ｅ−Ｏ結晶素子は、（１）（操作温度−３０℃〜１１０℃で）３５０〜１１００ｐｍ／Ｖの範囲と同じ高さで有効横直線Ｅ−Ｏ係数γTC及び８５Ｖ（ｌ／ｄ＝１）以下と１２Ｖ（ｌ／ｄ＝７）以下の非常に低い半波長電圧ＶTπを示し、（２）３１５Ｖ以下の非常に低い半波長電圧Ｖlπをもち（操作温度−３０℃〜１１０℃で）２８０〜８００ｐｍ／Ｖの範囲と同じ高さで有効縦直線Ｅ−Ｏ係数γlCを示すことを発見した。再ポーリング能の性質に加えて、超高有効Ｅ−Ｏ係数γC及び非常に低いＶπによって、発明結晶素子が、新世代のＥ−Ｏ結晶素子として各種のＥ−Ｏ装置に使用可能である。特に、Ｅ−Ｏ切り替え、Ｅ−Ｏ位相変調、Ｅ−Ｏ振幅変調、レーザー光変調、同調フィルター及び光複屈折装置に利用可能である。
【００３２】
ここで図面を図１−１Ｂ参照して、出願人は＜０１１＞分極ＰＭＮ−ＰＴ及び又はＰＺＮ−ＰＴべースの結晶がｍｍ２斜方晶対称の物理的性質を示し、特に係数における絶対差が非常に大きいことに着目し、全体としてｄ33は、約１０００ｐＣ／Ｎである一方、正の圧電係数ｄ31（＋７００ｐＣ／Ｎ）及び負のｄ32（−１６００ｐＣ／Ｎ）を与えるユニークな性質に言及しておく。 
【００３３】
ここで更に、図２Ａ−６Ｂを参照して、本発明は、現に認められた我々の概念に基づくものであって、（１）強誘電体結晶の大きな電気ひずみ変化がレスポンデント光学係数の大きな変化を誘発し、（２）異方性ひずみ変化が結晶の光学係数変化、特にＰＭＴ−ＰＴベースの固溶体の光学２軸結晶に大きく影響し、（３）結晶組成が組成相境界（ＭＰＢ）に近い場合、安定ナノマルチドメイン構造を有する＜０１１＞分極結晶がドメイン壁若しくは単一ドメイン状態によってより少ない光分散をもたらし、そして（４）２軸光学結晶が、互いに垂直な偏光の２成分へ分割されるべき結晶への入射偏光として好ましい。結晶中異方性圧電応答が高ければ高いほどより高い直線Ｅ−Ｏ応答の機会がより多く与えられることが期待される。如何なる報告も、ＰＭＮ−ＰＴ若しくはＰＺＮ−ＰＴベースの固溶体の２軸光学結晶へのＥ−Ｏ効果を提供していない。従って、出願人は、直線Ｅ−Ｏ効果のために光学２軸を備える上記＜０１１＞カット及び分極結晶から選んで、焦点を合わせた。 
【００３４】
注：＜０１１＞ポーリングが光学２軸状態をもたらさなくてはならないのに対して、＜００１＞ポーリングは４ｍｍ対称マルチドメイン構造と特性をもたらし、＜１１１＞ポーリングは３ｍ対称単一ドメイン構造と特性をもたらし、何れも光学単軸でなくてはならない、このことが認識されなくてはならない本質的な違いであり、従来技術には無かったことである。
表１は、商業用Ｅ−Ｏ結晶のリストである。
【表１】
2015518179.tif 000003
γC 有効Ｅ−Ｏ係数、 ｐｍ/Ｖ 
γC* 明白なＥ−Ｏ係数、ｐｍ/Ｖ、補正済み圧電効果  γC.
Ｖlπ  縦半波電圧
ＶTπ(l=d) 横半波電圧(l=d に規格化)
表２.発明のＥ−Ｏ結晶の極わめて低い半波長電圧 Ｖπ
【表２】
2015518179.tif 000004
*本発明
【００３５】
Ｅ−Ｏ単結晶材料は、ＰＭＮ−ＰＴ（マグネシウムニオブ酸鉛−チタン酸鉛）若しくはＰＩＮ−ＰＭＮ−ＰＴ（インジウムニオブ酸鉛−マグネシウムニオブ酸鉛−チタン酸鉛）又はＰＺＮ−ＰＴ（亜鉛ニオブ酸鉛−チタン酸鉛）若しくは上記のドープ結晶から選ぶことができる。 
【００３６】
実験サンプル１
以下の組成を持つ横モードＥ−Ｏ結晶素子：６７．５％ＰＭＮ−３２．５％ＰＴ  単結晶素子カット方向、ポーリング方向及び入射光の構造並びに結晶方向は図２Ａに示す。試験結果は以下の通りである。
異なる温度における試験データ
【表３】
2015518179.tif 000005
γTC :有効横直線Ｅ−Ｏ係数
ＶTπ :l/d=1に規格化された半波電圧
【００３７】
実験サンプル2
以下の組成を持つ縦モードＥ−Ｏ結晶素子：６７．５％ＰＭＮ−３２．５％ＰＴ単結晶素子。カット方向、ポーリング方向及び入射光の構造並びに結晶方向は図２Ｂに示す。試験の結果は以下の通り、３００Ｖ以下の非常に低い半波電圧Ｖlπを具備する２０℃で４５０ｐｍ／Ｖの高さの有効縦直線Ｅ−Ｏ係数γlCである。
【００３８】
実験サンプル３
以下の組成を持つ縦モードＥ−Ｏ結晶素子：２４％ＰＩＮ５２．４％ＰＭＮ−２３．６％ＰＴ単結晶素子。カット方向、ポーリング方向及び入射光の構造並びに結晶方向は図２Ａに示す。試験結果は以下の通り、３１５Ｖ以下の非常に低い半波電圧Ｖlπを具備する２０℃で５００ｐｍ／Ｖの高さの有効縦直線Ｅ−Ｏ係数γlC である。
【００３９】
実験サンプル４
以下の組成を持つ横モードＥ−Ｏ結晶素子：２４％ＰＩＮ５２．４％ＰＭＮ−２３．６％ＰＴ単結晶素子。カット方向、ポーリング方向及び入射光の構造並びに結晶方向は図２Ａに示す。試験結果は以下の通り、 ９５Ｖ以下の非常に低い半波電圧ＶTπを具備する２０℃で５２７ｐｍ／Ｖの以上の有効横直線Ｅ−Ｏ係数γTCである。
【００４０】
さて、図５Ａを具体的に参照して、横モード結晶を備えた電気光学システムは、例えば、示されるように、コミュニケーションシステム中に、対末端を有し、同様に示されるように変調シグナル源に動作可能にリンクした電気光学結晶間隔伝送線を含んでも良い。追加的に含まれるのは、偏光特性（ここでは４分の１波長板）及び出力偏光板である。その他の支持構造物は、提案発明を研究する各技術分野の当業者によって理解されるものである。結果として、本発明は、電気光学システム、例えば、光学イメージングシステム、レーザーシステム、コミュニケーションシステム又は、提案開示を研究している当業者によって理解されるであろうその他のものを提供する。
【００４１】
さて、更に図面６Ａ，６Ｂを参照して、当業者は、光ファイバー（ファイバー通信）電極及びビーム又は（適当な損失を伴う）チェンネル導波管及びスイッチ類は、スイッチとして用いられる本電気光学結晶素子、結合要素又は各電極間の小結晶中の他の機能要素と一緒に、小結晶にリンクしているレーザーファイバー、レーザーシステム若しくはコミュニケーションシステムと一緒に、又はその反対で、提案された開示を研究している当業者によって理解されるであろうその他のものと一緒に用いられることが出来ることに当業者は気づくだろうことが理解されるであろう。
【００４２】
本発明は、同様に、Ｅ−Ｏ結晶素子の新世代として、各種のＥ−Ｏ結晶装置を含む商業用Ｅ−Ｏ結晶素子応用においても、開示Ｅ−Ｏ素子の使用を提供する。特に、Ｅ−Ｏ切り替えシステム及び方法、Ｅ−Ｏ位相変調システム及び方法、Ｅ−Ｏ振幅変調システム及び方法、レーザービーム変調及び光学複屈折装置並びに関連するシステム及び方法、並びに同じものを含む付随システムに利用可能である。 
【００４３】
本発明の特徴と考えられる新規特徴は、添付請求項に詳細に説明されている。しかしながら、その付加的目的と長所は共に、その構造と操作の両方に関する発明自体は、付随図面と関連して読み取る場合に本発明の好ましい実施例の以下の記載から最も良く理解されるであろう。具体的に記載されていない限り、明細書及び請求項の言語及びフレーズは応用技術又は技術類に関わる当業者にとって通常の習慣的意味を与えることを意図している。もし任意の他の意味が意図される場合には、具体的な意味が言語若しくはフレーズに適応されることを明細書は具体的に述べるであろう。 
【００４４】
更には、発明を定義するために、例え米国特許法１１２条６項が適用されるとしても、発明は、望ましい実施例に記載された具体的構造、材料又は行為に単に制限されないことを意図しているが、しかし、更に請求された機能を実施するための任意の全ての又は後に開発された等価構造、材料又は行為と共に、請求された機能を実施する任意の全ての構造、材料又は行為を含むものとする。
【００４５】
請求項において、手段、工程プラス機能の語句は、記載された機能を実施するように記載又は提案された構造及び構造的等価物だけでなく等価的構造物をカバーすることが意図されている。従って、例えば、釘、ネジ、ボルトは構造的等価物ではないけれども釘は、木材部とシリンダー状の面の摩擦に依存し、ネジの螺旋面は確実に木部とかみ合い、ボルトの頭部とナットは木部の反対側から押し付けるものであって、木部を締め付けるという環境下では、釘若しくはネジ又はボルトは当業者には等価的構造物であることは容易に理解されることである。
【００４６】
付帯図を参照する本発明の好ましい実施形態の少なくとも一つを記載したものであって、発明はこれらの正確な実施態様に制限されるものではなく、いろいろな修飾及び変化が本発明の精神の範囲を逸脱することなくここで開示されたシステムで成立する。従って、添付請求項及びそれらの同等物の範囲内という条件であれば、本開示は、本開示の修飾及び変化をカバーすることを目的としている。
【図１】
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【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図５Ａ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【国際調査報告】
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