JPS597082B2 - 強誘電強弾性結晶の分域配列作成法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は強誘電強弾性結晶を用いた光空間変調器に使
用するスイッチング素子の分域作成法に関するもので、
スイッチング特性の安定した空間変調器をうるためのも
のである。

ここでスイッチング特性とは、結晶に加える電場の極性
に応じて、結晶の分極の極性が変化する性質をいう。

強誘電強弾性体とは強誘電的特性と強弾性的特性とを併
有する物質の総称である。

強誘電体において電場対自発分極の関係が角形履歴特性
を示すのと同じく、強弾性体においては応力対自発歪、
したがつて応力対自発分極が角形履歴特性を示す。すな
わち、強誘電強弾性体は分極に対して電場と応力の作用
が等価な物質である。モリブデン酸ガドリニウム（Ｇｄ
２（ＭｏＯ４）３）（以下ＭＯＧという）は強誘電強弾
性結晶に属する。

このＭＯＧ結晶のＣ軸方向から可干渉性光ビームを照射
すると、結晶が２軸比であるため透過光は光学的位相信
号を持つ、強誘電強弾性結晶は自発分極の方向を反転（
以下スイッチングと呼ぷ）することにより、結晶のａ軸
（Ｃ軸に直角）がａ、ｃ軸と直角なり軸に、あるいはを
軸がａ軸に変換すを格子変形を起すため、自発分極の方
向を電圧あるいは応力で反転させることは結晶を９００
回転したのと同じことになる。したがつて結晶の分極方
向によつて透過光ｂ’’あるいｂ潤’の異なつた位相信
号を持つことになる。上記の特性を有する単位素子を二
次元的に配置しマトリクス電極で構成する光空間変調器
は電圧一致方式で駆動される。マトリクス電極の略図を
第１図に示す。図におけるＹ方向電極群は結晶の表面電
極であり、Ｘ方向電極群は裏面電極である。Ｙ方向の表
面電極とＸ方向の裏面電極にそれぞれ駆動電圧Ｖｓの半
分、−Ｖｓ／２を印加し、両電極の交叉領域に印加され
るＶｓの電圧で゜゛０’’あるいａ１’’の二次元光学
信号を透過光に附与するわけである。強誘電強弾性体結
晶を使用した光変調器を構成する全結晶を動作させるた
めの’゛しきい’’の電圧をＶｔｈとすると、変調器を
構成する全結晶を所定の時間内にスイツチしうる最低電
圧をスイツチングの全電圧Ｖｆとすると、Ｖ１／２〈Ｖ
ｔｈ＜Ｖｆ の関係が必要である。

強誘電強弾性体の自発分極に対しては電圧も応力も等価
であつて、スイツチング領域に歪による応力を作用させ
ると、その応力に相当する分だけしきい電圧を高めるこ
とができる。

このようにして結晶に所定のしきい電圧を持たせること
が行なわれる。従来行なわれてきた方式を、ＭＯＧ結晶
について説明する。まず、結晶のＣ板を切り出し、光学
研磨を行なう、当該結晶板上にＬｉＦを縞状に蒸着した
後、該試料の温度を５００℃まで上げて５分間維持し、
再び室温まで徐冷する。

この処理後のＬｉＦを蒸着した部分は上向きと下向きの
分極（どちらもＣ軸に平行、すなわち試料の厚み方向）
が交互にできた多分域構造であり、試料の側面を研磨し
た結果１０μの反応層が見られた。ＬｉＦとＭＯＧ結晶
との化学反応によつてできた歪帯による多分域構造の分
極の配列状況の例を第２図に示す。図のａ領域はスイツ
チング領域Ａを狭んだ二つの芽分域Ｂ，Ｃのスィッチン
グ領域に隣る分域の極性が芽分域の極性と同方向であり
、ｂ領域は芽分域の一方の極性が反対方向である。従来
技術によつて得られる歪層の分極配列状態には、上記の
二通りの状態が混在する。

前者をＡ型、後者をＢ型と称する。Ａ型とＢ型のスイツ
チング特性を比較すると、Ａ型のしきい電圧が高くＢ型
は低い、このため、Ａ．．Ｂ型が混在しているとしきい
電圧に大きなばらつきを生じることとなる。すなわち結
晶のスイツチング素子のスイツチン改グ特性は、スイツ
チング速度Ｖ８−一が印加電Ｄｔ場に比例し、次式で表
わされるしきい値特性をもつ、叙 −ーμ（Ｅａ−Ｅ，） （１） Ｄｔ 散 ここで、一は単一分域壁の横方向移動速度、Ｄｔμは移
動度、Ｅａは結晶に印加した電場、Ｅｔはスイツチング
に関するしきい値電圧であり、ＭＯＧ結晶板に関する室
温での測定値はそれぞれμｍ２．５×１０−２Ｖｃｄ−
ＳｅｃおよびＥｔ−１．７ＫＶ／Ｃｍであつた。

ところで、ＭＯＧ結晶における上記のしきい値特性を利
用して、マトリツクス配列に構成したＭＯＧ結晶を使用
したスイツチング素子群を電圧一致方式で動作させる場
合を検討してみる。

電圧一致方式とは、マトリツクス配列されている素子群
における行電極および列電極の中から特定の行および列
を選択して、これに所定の電圧を印加することにより、
これらの行および列電極の交点に対応する素子をスイツ
チさせる方式のものである。すなわち選択された行およ
び列における行および列電極にそれぞれ（Ｖｔ）および
（−Ｖｔ）の電圧を加えると、これら行および列の交点
における素子結晶には２Ｖｔの電圧が印加される。素子
の電圧に対するスイツチ特性が電圧Ｖｔではスイツチせ
ず、２Ｖ，が印加されて初めてスイツチする特性を有す
るならば、マトリツクス配列されている素子の任意のア
ドレレスの素子の選択はできる。ここで２Ｖ，を駆動電
圧と呼ぶと、素子はｔでスイツチしてはならない。これ
は、所望の素子をスイツチさせる目的でマトリツクス配
列の素子における所定の行および列の電極にそれぞれｔ
および−Ｖ，の電圧を印加すると、交点には、倍電圧２
Ｖｔが印加され、素子はスイツチするが、交点以外の行
および列にある素子に作用する電圧Ｖｔではスイツチし
ないからであり、これらの素子から見れば、Ｖｔは妨害
電圧となる。ここで、素子のスイツチ特性から見た場合
、所望の時間内に素子をスイツチしうる最低電圧をスイ
ツチングの全電圧Ｖｆと呼び、その半分の電圧を半値電
圧Ｖｈと呼ぶこととすると、Ｖｈ−一Ｖｆである。そこ
で、ＭＯＧ結晶素子をマトリツクス配列した素子群を駆
動電圧Ｖ，で駆動する場合それにもとづく動作特性の推
定を行なう。駆動電圧Ｖ，をきめる条件はＶｆｌ＞Ｖ，
》−Ｖｆで与えられるが、実際には、Ｖｆのマージン（
回路設計上の余裕動±δ（Ｖｆ）および試料によるＶｔ
のばらつき±δ（Ｖ，）を考慮して次式で表わされる。
および式（２）および（３）に対する限界はそれぞれお
よびであるから、両条件をもとに満足するＶｆＶ，の値
はそれぞれ および となる。

ここで、δ（Ｖｆ）／Ｖｆは回路設計上のマージンであ
り、妥当な値はδ（Ｖｆ）／Ｖｆ−０．１程度であろう
すなわち１０（δＶｆ）一ＶｆＯよつて式（６）はつぎ
のように書き直すことができる。式（８）の関係を（７
）に代入するとしきい値のばらつきに関する許容限界が
すなわち±２４％になることが判る。

ＭＯＧ単結晶のスイツチングのしきい値には、結晶の材
質における組成の差および結晶育成条件の差から影響す
るのは無論であるが、これらの差が少ない良質な結晶に
おいても試料として加工したときの状態、とくに電極の
周辺部の状態が大きく影響する。

したがつて、マトリツクスアレイを構成すると多数の素
子間のばらつきが大きくなり、これを２４％以内に抑え
ることは困難である。すなわちＭＯＧ単結晶で構成した
マトリツクスアレイ素子群は各素子のスイツチングに対
するしきい値のばらつきが大きくなりすぎ、そのままで
は電圧一致方式で駆動することができない。このことは
記憶素子としての致命的問題点であり、スイツチング特
性を根本的に再検討して、各素子に一様なしきい値をも
たせる手段を見出ださないかぎり、ＭＯＧを用いて後に
のべるような光変調器を開発することは断念せざるを得
ない。本発明は、ＭＯＧが強誘電性のみならず、強誘電
強弾性体特有の特性を有することに着目し、素子の分域
スイツチングしきい値を制御可能ならしめたものである
。

昭和４６年９月１８日付出願（特願昭４６ー７２６７９
）の「強誘電強弾性体を用いた光スイツチング素子およ
びその製造方法」のように強誘電強弾性体のＣ板結晶板
に分域をスイツチングさせる領域両側にイオン打込みで
歪により多分域構造の芽分域を形成させた構成の素子に
おいては、スイツチングさせる領域に隣接している芽分
域（多分域構造）の極性をコントロールする手だてがな
いので上記分域スイツチング領域の相対するＣ面にそれ
ぞれ電極を配置し、電圧を印加した場合には分域スイツ
チング特性にしきい値は存在するが、素材ごと素子ごと
のバラツキを考慮に入れると常に一定値の明確なしきい
値が存在するとは言えない。

たとえば、スイツチング領域内は単分域状態であり、し
かもこれに接する芽分域部分の自発分極の極性の違いに
よつてスイツチング領域内に分域壁が一つも存在しない
場合と分域スイツチング領域と両側の芽分域（多分域構
造）との境界の何れか一方の側または両側に分域壁が存
在する場合（Ｂ型）とではスイツチング特性に差異が生
ずる。

すなわち、Ｂ型では、分域スイツチング領域の境界上に
分域壁が存在し、電圧Ｅａ（〉坑電場Ｅｃ）が印加され
るとこの分域壁は対辺に向つて容易に移動し得るので芽
分域に存在するひずみの影響を受けずＢ型素子のしきい
値ＥｔはＥｃに等しい。しきい値Ｅ，のバラツキは結晶
の加工の仕方などにより上記した±２４％をこえること
もあろうからＢ型の素子はスイツチングに明確なしきい
値を持つとは云えない。一方、Ａ型素子では分域スイッ
チング領域内の自発分極の方向と、分極スイツチング領
域両側の゛ひずみ層゛によつて誘起された多分域構造の
芽分域において、スイツチング領域に接する分域の自発
分極の極性とが互いに同じであり、領域の境界も含めて
スイツチング領域内には分域壁が存在しないからＥａ＋
ＥＯの電圧を印加してもスイツチできない。スイツチさ
せるにはＥ。よりもはるかに高い電場を印加し、芽分域
の内部に存在する分域壁を、芽分域のひずみに打ち克つ
このためしきい値Ｅｔは３Ｅｃすなわち約３００ボルト
になり、結晶の加工の影響なども殆んどなく、明確な一
定値を示す。この一定値はひずみに打ち克つ電圧の値で
あるが、ひずみの大きさが反応の強さによつて決まるの
で素子ごとのばらつきは少なく一定値になる。したがつ
て前記した分域スイツチング素子をマトリツクス状に配
置した素子を電圧一致方式で駆動するための条件である
明確なしきい値をもたせるために使用する素子は、Ａ型
のものでなければならぬ。このように、素子をＡ型とす
るためには、芽分域に電場又は応力を加えることによつ
て素子を容易にＡ型にすることができる。さらに他の従
来法は、Ａ型にするため、ＭＯＧ結晶に１２０Ｖの電圧
を印加し、温度をキユリ一点近傍まで上昇してふたたび
徐冷する方法を用いて、Ｂ型素子をＡ型に変換している
。

上記第２図のスイツチング素子にＶｆの電圧を印加する
とスイツチングは境界壁１１（あるいはＶ１ ）から始
まつてスイツチング領域と芽分域との境界壁１２（ある
いはＶ２）方向へと進行し、ついに１２（あるいはＶ２
）の境界壁に達する。

分域壁を１，から１２（あるいはＶ１からＶ２）へ移動
させるためには、Ｂ（あるいはＣ）領域における歪帯の
歪作用で作られるポテンシヤルバリヤ一を越さなければ
ならない。このポテンシヤルバリヤ一がしきいの電圧Ｖ
，ｈに等しい。Ｖｔｈの値は歪帯の多分域配列状態１特
に１１Ｖ２（あるいはＶｌｌ２）の距離によつてきまる
。当該光空間変調器を電圧一致方式で駆動するためには
二次元配列された各素子のすべてのＶ，ｈが表裏両電極
に印加される電圧Ｖｆに対して上記（１）式を満たす範
囲に収まらなければならない。上記の従来技術による歪
帯作成法は、高温（５００℃）にて行なつた場合は、こ
の温度付近では温度の変化に対してＬｉＦの化学反応量
の変化が大きく、結晶の温度分布によつても差が生じ、
反応量すなわち歪の大きさを制御することが困難である
。

ＬｉＦの蒸着むらや蒸着層のヘリのだれは、反応量の不
均一や歪帯の境界が不明確になる原因となる。化学反応
によつてできた歪帯は結晶全体を収縮あるいは伸長させ
歪帯のない部分に悪影響を及ぼしバツクスイツチングの
原因の一つになる。さらに大きな問題点は上述したＢ型
素子をＡ型素子に変換する従来の方式では、しきいの電
圧Ｖｔｈを決定づける１１Ｖ２（あるいはＶｌｌ２）の
距離をそろえることができないことである。このため、
しきいの電圧Ｖ，ｈは素子によつて大きなばらつきがあ
つた。また、上記した昭和４６年９月１８日付出願の（
特願昭４６−７２６７９）のようにイオン打込みによつ
ても、上記と同じように芽分域の極性をコントロールす
ることはできない。

本発明は上記問題点を解消するために、歪帯、該芽分域
にイオンビームを照射することにより歪を附与したＡ型
配列状態を固定あるいは安定化（以下固定で総称する）
することが特徴であり、スイッチング電圧のばらつきの
少ない、かつ、バツクススイツチングの起こらない二次
元光空間変調器を提供するものである。

以下実施例について述べる。

強誘電強弾性結晶Ｇｄ２（ＭＯＯ４）３に、あらかじめ
第３図に示したような分域構造を、結晶板に加圧または
電場を加えてスイツチング領域３の両側２に所定の極性
の分域を作つておいてからその分域構造の芽分域部分に
マスク６を介してイオン５を打込み（ここではイオンエ
ネルギ２００ＫｅＶ、窒素イオンを用いた。）により固
定し、スイツチング領域はマスクをかけて分域固定が起
こらないようにしておく。スイツチング領域のスイツチ
ング電圧Ｖ，ｈは、第３図の分域２の歪の強さ（イオン
打込みの際の分域２の歪帯の幅および厚さ）によつて異
なり、第４図のようになる。その結果、スイツチング電
圧として任意のＶｔｈを選ぶことができ、かつまたスイ
ツチング電圧のばらつきも少なくなつた。また、イオン
打込み部分が均一なためバツクスィッチングも起こらず
、スイツチングの誤動作を全くなくするスイツチング素
子が可能となつた。以上説明したごとく本発明によれば
、１．Ａ型分域配列をイオン打込みによる固定法によつ
て作成する事により、スイツチング電圧が一定となり、
その電圧も任意に選べる。

２．イオン打込みによる分域固定は、その固定部分の分
域全体における歪が均一なためバツクスイツチングが起
こらない。

【図面の簡単な説明】

第１図はマトリツクス電極の略図、第２図は従来の分域
構造を示した図、第３図はイオン打込みの際の分域構造
を示した図、第４図はスイツチング電場と分域幅２の関
係を示した図である。 １２４はイオン打込みを行なう分域、３は》
ツ スイツチング領域、５はイオン打込みされるイオン、６
はマスクを表わす。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 所定の強誘電強弾性体結晶のＣ板を使用し、スイッ
   チングせしむべき領域の両側に隣接した領域を、上記ス
   イッチング領域と反対の極性にしておいてから、当該ス
   イッチング領域と反対極性の領域にイオンビームを打ち
   込んで、スイッチング領域にに隣接する両方の芽分域部
   分を、いずれもスイッチング領域と反対極性に固定する
   ことを特徴とする強誘電強弾性体スイッチング素子の芽
   分域作成法。