JP6206922B2 - 電気光学素子 - Google Patents

Description

本発明は、電気光学素子に関し、より詳細には、電圧印加による電子注入が抑制された電極材料を備えた電気光学素子に関する。

電気光学結晶を用いた様々な光学素子が検討されている。これら光学素子は、電気光学結晶に電圧を印加すると、電気光学効果により結晶内部の屈折率が変化することを利用している。電気光学効果は、ＧＨｚを超える非常に高速な応答を示すことから、高速な光制御を可能としている。

電気光学結晶を用いた光位相変調器は、結晶の屈折率の変化により、結晶を通過する光の速度を変化させて、光の位相を変化させる。また、電気光学結晶を、マッハツェンダー干渉計、またはマイケルソン干渉計の一方の光導波路に設置すると、結晶に印加する電圧に応じて、干渉計の出力の光強度を変化させることができる。これら干渉計は、光スイッチ、光強度変調器として用いることができる。特許文献１には、電気光学結晶と偏光子、検光子を組み合わせた高速な光強度変調器を実現する方法が開示されている。

特開２０１１-１１８４３８号公報

しかしながら、従来の方法では、電気光学結晶に電圧を印加する際に、電気光学結晶への電子の注入を抑制することが不十分であった。電気光学結晶中に電子が注入されると、電気光学結晶中に電界の分布が発生し、その結果、電気光学結晶中を透過する光に偏向が生じてします。このような透過光の偏向は、光強度変調器としては、消光比を低下させてしまうという問題があった。

本発明の目的は、電気光学結晶に備える電極として酸化白金を用いることにより、電気光学結晶への電子注入を抑制し、電気光学素子の特性向上と安定動作を実現することにある。

本発明は、このような目的を達成するために、一実施態様は、単結晶からなる電気光学材料と、該電気光学材料の対向する２つの面に形成された、酸化白金からなる１対の第１の電極対と、前記第１の電極対の上に形成された、前記酸化白金より電気伝導度の高い材料が１種類以上積層された第２の電極対とを備え、前記電気光学材料は、ペロブスカイト型単結晶材料である、ＫＴａ _１-ｘ Ｎｂ _ｘ Ｏ _３ （０≦ｘ≦１、ＫＴＮ）結晶、またはＫ _１-ｙ Ｌｉ _ｙ Ｔａ _１-ｘ Ｎｂ _ｘ Ｏ _３ （０≦ｘ≦１、０＜ｙ＜１、ＫＬＴＮ）結晶であることを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、電気光学材料に形成する電極対として、酸化白金を用いることにより、電気光学結晶への電子注入を抑制し、電気光学素子の特性向上と安定動作を実現することが可能となる。

本発明の一実施形態にかかる電気光学素子を示す図である。 本発明の一実施形態にかかる屈折率分布測定装置を示す図である。 本発明の一実施形態にかかる電気光学素子の屈折率分布の電圧依存性を示す図である。 比較のための電気光学素子の屈折率分布の電圧依存性を示す図である。

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。

図１に、本発明の一実施形態にかかる電気光学素子を示す。単結晶からなる電気光学材料１０１の対向する２つの面に、電気光学材料１０１に電圧を印加するための電極対として、酸化白金膜１０２ａ，１０２ｂを成膜する。さらに、酸化白金膜１０２ａ，１０２ｂ上に、必要に応じて酸化白金より電気伝導度の高い材料を、１種類以上積層して電極層１０３ａ，１０３ｂとする。

電圧印加に伴う電気光学材料１０１への電子注入の有無は、結晶中の屈折率分布を測定することにより判断する。このため、電気光学材料１０１の電極対が形成された２つの面以外の、いずれかの対向する２つの面に光学研磨を行い、光の入出射面とする。屈折率分布の測定方法は後述する。

なお、電気光学素子とは、電気光学効果により結晶の屈折率が変化することを利用する光学素子である。例えば、電気光学素子には、光位相変調器、光強度変調器、光スイッチなどが含まれるが、これらに限定されるものではない。

（酸化白金による電子注入抑制の原理）
電気光学結晶の表面に金属等の材料を付着させた場合、金属等の材料の仕事関数と電気光学結晶の電子親和力との差分のエネルギー障壁（ショットキー障壁）が電子に対して形成される。つまり、電気光学結晶の表面に形成する材料として、仕事関数が大きな材料を用いると電気光学結晶への電子注入が抑制できることになる。電極材料として用いられる金属の中では、白金が仕事関数の大きな材料として知られている。これに対して、酸化された白金は、白金よりも仕事関数が大きく、他の電極材料では実現不可能な電子注入抑制効果を得ることができる。

（電気光学材料への酸化白金膜の取り付け方法）
電気光学結晶への酸化白金膜の取り付けは、スパッタ装置を用いて行う。スパッタは、通常アルゴン雰囲気で行うが、酸素、窒素などの活性ガスをアルゴンに加えることにより、ターゲットとなる材料の酸化物、窒化物を成膜することができる。この特徴を用いて、アルゴンに酸素を導入した雰囲気で、電気光学材料に白金のスパッタを行い、酸化白金を成膜する。

なお、酸化白金膜１０２上に、電気伝導度の高い材料からなる電極層１０３を積層する場合には、同一のスパッタ装置内に、予めターゲットとして電極層の材料を導入しておけば、電気光学素子を外気に曝すことなく、電極層１０３を積層することができる。

（酸化白金膜上への電気伝導度の高い材料の積層）
酸化白金は、仕事関数が大きいために、電気光学結晶への電子注入の抑制効果も大きい。しかしながら、電気伝導度は低いため、電圧源と電気光学結晶上の酸化白金膜との接触が点接触の場合、酸化白金の面内での電位の分布が生じてしまう。従って、電気光学結晶へ電圧を印加すると、電極対が形成された面内の場所に依存して、印加される電圧が変化してしまう。

そこで、酸化白金膜１０２上に、電気伝導度の高い材料を、１種類以上積層して電極層１０３とすることにより、上記印加電圧の場所依存性を回避することができる。本実施形態では、電極層１０３として白金を用いる。酸化白金よりも電気伝導度が高い材料であっても、酸化されやすい材料の場合には、酸化により電気伝導度が低くなる可能性がある。そこで、酸化されにくい材料として白金を用いる。

白金は、一般的には酸化されにくい材料ではあるが、より酸化されにくい材料を積層して、白金の酸化を防止する。例えば、電気伝導度が高く、酸化されにくい金を、白金の上に積層する構造とすることもできる。

なお、電圧源と電気光学材料１０１上の酸化白金膜１０２との接触を、面接触とすることができれば、上記のような印加電圧の場所依存性を回避することができるため、電極層１０３を積層する必要はない。

（電気光学材料）
高効率な光制御デバイス実現のためには、１次の電気光学定数であるポッケルス定数ｒ_ｉｊ、または２次の電気光学定数であるカー定数ｓ_ｉｊが大きい、単結晶の電気光学材料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、例えば、ペロブスカイト型単結晶であり、大きなポッケルス定数ｒ_ｉｊを有する強誘電相のＫＴａ_１-ｘＮｂ_ｘＯ_３（０≦ｘ≦１、ＫＴＮ）結晶、Ｋ_１-ｙＬｉ_ｙＴａ_１-ｘＮｂ_ｘＯ_３（０≦ｘ≦１、０＜ｙ＜１、ＫＬＴＮ）結晶、大きなカー定数ｓ_ｉｊを有する常誘電相のＫＴＮ結晶、ＫＬＴＮ結晶などが挙げられる。

（電子注入量の評価方法）
電圧印加に伴う電気光学材料１０１への電子注入の有無は、結晶中の屈折率分布を測定することにより判断する。電気光学結晶における屈折率変化量Δｎは、１次の電気光学定数であるポッケルス定数ｒ_ｉｊ、２次の電気光学定数であるカー定数ｓ_ｉｊ、結晶中の電界Ｅを用いてそれぞれ以下のように表される。

電圧印加に伴って、電気光学結晶中に電子が注入された場合、電極の陰極からの距離をｘ、注入された電荷密度をρ、結晶の誘電率をεとすると、以下のガウスの法則

からわかるように、電界に傾斜が発生する。この電界の傾斜は、注入電荷ρが大きければ大きいほど大きくなる。このような電気光学効果から、電界の傾斜により屈折率の傾斜が発生するため、屈折率分布の測定により結晶内の電子注入量を評価することができる。

（電気光学結晶中の屈折率分布測定）
図２に、本発明の一実施形態にかかる屈折率分布測定装置を示す。屈折率分布測定装置は、電気光学素子を透過した被検光と参照光との位相差から、電圧印加に伴う電気光学材料内部の屈折率の変化量に換算する。

レーザー２０１から出射されたレーザー光は、ビームイクスパンダー２０２によりビーム径が拡大され、ビームスプリッター２０３において参照光と被検光に２分岐される。参照光はミラー２０４を経て、ビームスプリッター２０８へ到達する。被検光はミラー２０６と電気光学素子２０７を経て、ビームスプリッター２０８へ到達する。ビームスプリッター２０８で合波された参照光と被検光は、結像レンズ２０９に入射され、撮像素子２１０で結像した干渉縞が観測される。

ミラー２０４に取り付けられたピエゾ素子２０５により、参照光の光路長をレーザー光の波長の１／４の長さづつ変化させながら、干渉縞を複数回（４回）撮影する。撮影された干渉縞間で演算を行い、マッハツェンダー干渉計の両光路間の位相差を求める（位相シフト法）。この位相差は、電気光学素子２０７の電気光学結晶中の屈折率変化に伴い発生するため、位相差から屈折率変化量に換算することができる。

図１に示した電気光学素子を作製した。電気光学材料としてＫＬＴＮ結晶を用い、その対向する２つの面に酸化白金膜からなる電極対を成膜した。さらに、白金、金の順で積層された電極層を形成した。この電気光学素子を、図２に示した屈折率分布測定装置に挿入し、電圧印加に伴う屈折率分布を測定することにより、電子注入量を評価した。

電気光学材料１０１であるＫＬＴＮ結晶の大きさは、４．０ｍｍ×３．２ｍｍ×１．０ｍｍであり、４．０ｍｍ×３．２ｍｍの２つの面にスパッタ装置により、酸化白金膜１０２である電極対を形成した。スパッタ装置は、５．０×１０^-６Ｔｏｒｒ以下の真空引きを行った後、アルゴンの流量を２５．７ｃｃｍ、酸素の流量を１０．０ｃｃｍの雰囲気として、白金のスパッタを行った。

その後、再度真空引きを行った後、酸素は供給せず、アルゴンのみの流量を２５．７ｃｃｍの雰囲気で白金を成膜し、続けて金を成膜して、電極層１０３を形成した。酸化白金膜、白金、金の厚さは、それぞれ５０Å、６００Å、１０００Åとした。屈折率分布を測定するため、ＫＬＴＮ結晶の３．２ｍｍ×１．０ｍｍの２つの面に対して、光学研磨を行った。

ＫＬＴＮ結晶は、温度を徐々に上げると強誘電相から常誘電相へ相転移を起こす。本実施例においては常誘電相となるよう温度を設定し、このときの比誘電率は１００００とした。常誘電相においては、最低次の電気光学効果は、２次の電気光学効果（カー効果）であり、以下の測定ではカー効果による屈折率変化を測定する。

図３に、本発明の一実施形態にかかる電気光学素子の屈折率分布の電圧依存性を示す。横軸が陰極からの距離、縦軸が屈折率変化量である。印加電圧は１００Ｖ、２００Ｖ、３００Ｖ、４００Ｖとした。各電圧におけるグラフの傾きが極めて小さいことがわかる。すなわち、電極対の陰極から陽極に向かって、ＫＬＴＮ結晶内部の屈折率が一定であることを示しており、式３で示したガウスの法則からわかるように、注入電荷は、ほぼゼロである。

比較のために、酸化白金膜を成膜せず、ＫＬＴＮ結晶上に白金（厚さ６００Å）と、その上に金（厚さ１０００Å）を成膜したサンプルを用意した。同様に、図２に示した屈折率分布測定装置測定を用いて行った測定結果を図４に示す。印加電圧が２００Ｖの場合においてもグラフは傾きを持ち、電圧の増加に伴って、その傾きは増加していることがわかる。すなわち、電極対の陰極から陽極に向かって、ＫＬＴＮ結晶内部の屈折率が傾斜しており、注入電荷によって電界の傾斜が発生していることがわかる。

本実施形態によれば、電気光学材料に形成する電極対として、仕事関数の大きな酸化白金を用いることにより、電気光学結晶への電子注入を抑制し、電気光学素子の特性向上と安定動作を実現することが可能となる。

１０１ 電気光学材料
１０２ 酸化白金膜
１０３ 電極層
２０１ レーザー
２０２ ビームイクスパンダー
２０３，２０８ ビームスプリッター
２０４，２０６ ミラー
２０５ ピエゾ素子
２０７ 電気光学素子
２０９ 結像レンズ
２１０ 撮像素子

Claims (1)

1. 単結晶からなる電気光学材料と、
   該電気光学材料の対向する２つの面に形成された、酸化白金からなる１対の第１の電極対と、
   前記第１の電極対の上に形成された、前記酸化白金より電気伝導度の高い材料が１種類以上積層された第２の電極対と
   を備え、
   前記電気光学材料は、ペロブスカイト型単結晶材料である、ＫＴａ _１-ｘ Ｎｂ _ｘ Ｏ _３ （０≦ｘ≦１、ＫＴＮ）結晶、またはＫ _１-ｙ Ｌｉ _ｙ Ｔａ _１-ｘ Ｎｂ _ｘ Ｏ _３ （０≦ｘ≦１、０＜ｙ＜１、ＫＬＴＮ）結晶であることを特徴とする電気光学素子。

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