JP2018508836A - Nanocomposite electro-optic modulator - Google Patents

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Abstract

光学的に透明な電気光学領域を備えたナノ複合材料光学変調器。電気光学領域は２次光学非線形特性を示す。ナノ複合材料光学変調器は、さらに、少なくとも１層が電気光学領域に接触した１または複数の誘電体層と、電気光学領域に近接した１または複数の領域を備える。上述した複数の要素の少なくとも１つは、体積比約０．２５％から約７０％のナノ粒子が充填されているナノ複合材料である。A nanocomposite optical modulator with an optically transparent electro-optic region. The electro-optic region exhibits second-order optical nonlinear characteristics. The nanocomposite optical modulator further comprises one or more dielectric layers with at least one layer contacting the electro-optic region and one or more regions proximate to the electro-optic region. At least one of the plurality of elements described above is a nanocomposite material that is filled with about 0.25% to about 70% by volume of nanoparticles.

Description

本発明は、２０１４年６月２日に出願された米国特許出願シリアルNo. 14/293,574の部分継続出願である２０１５年１月１９日出願の米国特許出願14/599,917を基礎とした優先権を主張する。 The present invention is based on US patent application 14 / 599,917 filed on Jan. 19, 2015, which is a continuation-in-part of US Patent Application Serial No. 14 / 293,574, filed June 2, 2014. Insist.

本発明は、概して、電気光学変調装置に関する。本発明は特にナノ複合材料により形成された電気光学変調装置に関する。 The present invention generally relates to electro-optic modulators. The present invention particularly relates to an electro-optic modulator formed of a nanocomposite material.

電気光学変調器は、電気光学効果を利用する装置である。２次電気光学効果を示す材料は電気信号で変調させることができる。古典的な光学変調器は、伝統的には電気信号を印加する電極の付いた単結晶により構成されてきた。 An electro-optic modulator is a device that utilizes an electro-optic effect. A material exhibiting a secondary electro-optic effect can be modulated with an electrical signal. Classical optical modulators have traditionally consisted of a single crystal with electrodes for applying electrical signals.

本発明は他のアプローチに関する。 The present invention relates to other approaches.

本発明は、ナノ複合材料光学変調器に向けられたものである。 The present invention is directed to a nanocomposite optical modulator.

一つの見地において、本発明による装置は、２次の光学非線形特性を示す、光学的に透明な電気光学領域を備える。１または複数の誘電体層の少なくとも１層は電気光学領域に接触する。１または複数の電極は電気光学領域に近接する。上述した複数の要素（elements）の少なくとも１つは、体積比約０．２５％から約７０％のナノ粒子が充填されているナノ複合材料である。 In one aspect, the device according to the invention comprises an optically transparent electro-optic region that exhibits second-order optical nonlinear properties. At least one of the one or more dielectric layers is in contact with the electro-optic region. One or more electrodes are proximate to the electro-optic region. At least one of the plurality of elements described above is a nanocomposite material that is filled with about 0.25% to about 70% nanoparticles by volume.

添付の図面は、明細書と合体してその一部を構成するものであり、本開示の好適な実施例を模式的に示し、上記の概略説明および後述する好適な方法および実施例の詳細な説明とともに、本開示の原理を説明するための助けとなる。 The accompanying drawings, which are incorporated in and constitute a part of the specification, schematically illustrate a preferred embodiment of the present disclosure and provide a detailed description of the above general description and preferred methods and embodiments described below. Together with the description, it helps to explain the principles of the present disclosure.

図１Ａは、本発明によるナノ複合材料電気光学変調器（ＥＯ変調器）を模式的に示した断面図である。このＥＯ変調器は、２次の光学非線形特性を示す光学的に透明な電気光学領域、少なくとも１層が前記電気光学領域に接触した１または複数の誘電体層、前記電気光学領域に近接した１または複数の電極とを備え、上述した複数の要素の少なくとも１つは、体積比約０．２５％から約７０％のナノ粒子が充填されているナノ複合材料である。 FIG. 1A is a cross-sectional view schematically showing a nanocomposite electro-optic modulator (EO modulator) according to the present invention. The EO modulator includes an optically transparent electro-optic region exhibiting second-order optical nonlinear characteristics, at least one dielectric layer in contact with the electro-optic region, and one adjacent to the electro-optic region. Or at least one of the plurality of elements described above is a nanocomposite material filled with nanoparticles of about 0.25% to about 70% by volume.

図１Ｂは、図１Ａに示したＥＯ変調器であって、その複数の要素が水平に配置されたＥＯ変調器を模式的に示した断面図である。 FIG. 1B is a cross-sectional view schematically showing the EO modulator shown in FIG. 1A in which a plurality of elements are arranged horizontally.

図１Ｃは、図１Ａに示したものにおいて、電気光学領域が連続的であるものを模式的に示した断面図である。 FIG. 1C is a cross-sectional view schematically showing a continuous electro-optic region shown in FIG. 1A.

図２Ａは、ナノ複合材料インクを印刷するためのインクジェットプリンタを模式的に示した斜視図である。 FIG. 2A is a perspective view schematically showing an inkjet printer for printing nanocomposite ink.

図２Ｂは、図２Ａに示したものにおいて、２つの付加的なプリントヘッドを追加したものの斜視図である。 FIG. 2B is a perspective view of the addition of two additional printheads to that shown in FIG. 2A.

図２Ｃは、基板上に被着（deposited）したナノ複合材料インクを模式的に示した断面図である。 FIG. 2C is a cross-sectional view schematically illustrating a nanocomposite ink deposited on a substrate.

図２Ｄは、ナノ複合材料インクの付加的な被着を模式的に示した断面図である。 FIG. 2D is a cross-sectional view schematically illustrating additional deposition of nanocomposite inks.

図２Ｅは、図２Ｄに示した第１および第２のナノ複合材料インクから、ナノフィラーの拡散または対流混合によって得られたナノ複合材料を模式的に示した断面図である。 2E is a cross-sectional view schematically showing a nanocomposite obtained by diffusion or convection mixing of nanofillers from the first and second nanocomposite inks shown in FIG. 2D.

図２Ｆは、第１および第２のナノ複合材料インクのナノフィラーの拡散により、第１のナノ複合材料インクと第２のナノ複合材料インクとの間に生成された屈折率勾配であって、第１のナノ複合材料が第２のナノ複合材料インクの被着前に部分的に硬化されたものを模式的に示した断面図である。 FIG. 2F is a refractive index gradient generated between the first nanocomposite ink and the second nanocomposite ink by diffusion of the nanofillers of the first and second nanocomposite inks, It is sectional drawing which showed typically what the 1st nanocomposite material hardened | cured partially before application | coating of the 2nd nanocomposite ink.

図２Ｇは、ナノ複合材料インクを横に並べて被着した様子を模式的に示した断面図である。 FIG. 2G is a cross-sectional view schematically showing a state in which nano-composite inks are deposited side by side.

図２Ｈは、図２Ｇに示したものにおいて、ナノ複合材料インクの混合により屈折率勾配プロファイルの緩やかな変化が生じた様子を模式的に示した断面図である。 FIG. 2H is a cross-sectional view schematically showing a mode in which a gradual change in the refractive index gradient profile is generated by mixing the nanocomposite ink in the one shown in FIG. 2G.

図２Ｉは、図２Ｇに示したものにおいて、ナノ複合材料インクの混合により屈折率勾配プロファイルの急峻な変化が生じた様子を模式的に示した断面図である。 FIG. 2I is a cross-sectional view schematically showing a steep change in the refractive index gradient profile caused by mixing of the nanocomposite ink in the one shown in FIG. 2G.

図２Ｊは、空中でのナノ複合材料インクの混合の様子を模式的に示した断面図である。 FIG. 2J is a cross-sectional view schematically showing how the nanocomposite ink is mixed in the air.

図３Ａは、本発明による位相ＥＯ変調器を模式的に示した断面図である。 FIG. 3A is a cross-sectional view schematically showing a phase EO modulator according to the present invention.

図３Ｂは、図３Ａに示したものに２つの偏光子（polarizers）を追加したものを模式的に示した断面図である。 FIG. 3B is a cross-sectional view schematically showing a structure obtained by adding two polarizers to the structure shown in FIG. 3A.

図３Ｃは、本発明による導波路マッハ・ツェンダ（ＭＺ）型ＥＯ変調器を模式的に示した断面図である。 FIG. 3C is a cross-sectional view schematically showing a waveguide Mach-Zehnder (MZ) type EO modulator according to the present invention.

図３Ｄは、図３Ｃに示したものにおいて、本発明によるプッシュプルＭＺ型ＥＯ変調器を例とした、他のＥＯ変調器を追加した様子を模式的に示した断面図である。 FIG. 3D is a cross-sectional view schematically showing a state in which another EO modulator is added to the one shown in FIG. 3C, taking the push-pull MZ type EO modulator according to the present invention as an example.

図３Ｅは、本発明による２次元線形アレイ内の複数のＥＯ変調器を模式的に示した断面図である。 FIG. 3E is a cross-sectional view schematically illustrating a plurality of EO modulators in a two-dimensional linear array according to the present invention.

図３Ｆは、ジョグド（jogged）導波路カプラーを模式的に示した断面図である。 FIG. 3F is a cross-sectional view schematically illustrating a jogged waveguide coupler.

図３Ｇは、ストレート導波路カプラーを模式的に示した断面図である。 FIG. 3G is a cross-sectional view schematically showing a straight waveguide coupler.

図４Ａは、本発明による複数のＥＯ変調器の３次元位相アレイ（phase array）を模式的に示した一部断面斜視図である。 FIG. 4A is a partial cross-sectional perspective view schematically showing a three-dimensional phase array of a plurality of EO modulators according to the present invention.

図４Ｂは、図４Ａに示したものに、さらに、インクジェット印刷されたレンズアレイを備えたものであって、このレンズアレイ内の各レンズが３次元ＥＯ変調器アレイ上のそれぞれのＥＯ変調器に対応するように、レンズアレイが整列された様子を模式的に示した断面図である。 FIG. 4B is the one shown in FIG. 4A, further comprising an inkjet printed lens array, where each lens in the lens array is connected to a respective EO modulator on the three-dimensional EO modulator array. It is sectional drawing which showed typically a mode that the lens array was aligned so that it might respond | correspond.

図５Ａは、本発明によるランダム位相ＥＯ変調器を模式的に示した斜視図である。 FIG. 5A is a perspective view schematically showing a random phase EO modulator according to the present invention.

図５Ｂは、図５Ａに示したランダム位相ＥＯ変調器を模式的に示した断面図である。 FIG. 5B is a cross-sectional view schematically showing the random phase EO modulator shown in FIG. 5A.

図６Ａは、電極間のポテンシャル（potential）とともにビームステアリングＥＯ変調器を模式的に示した平面図である。 FIG. 6A is a plan view schematically showing a beam steering EO modulator together with a potential between electrodes.

図６Ｂは、図６Ａに示したものにおいて、当該電極間のポテンシャルがないビームステアリングＥＯ変調器を模式的に示した平面図である。 FIG. 6B is a plan view schematically showing a beam steering EO modulator having no potential between the electrodes shown in FIG. 6A.

さて以下に、同様の部品には同様の参照番号を付した図面を参照して、本発明の作製方法および好適な実施例について詳細に説明する。 Now, the manufacturing method and preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings in which like parts are given like reference numerals.

図１Ａは、光学変調器１０Ａを模式的に示している。光学変調器１０Ａは電気光学領域１１６を有する。電気光学領域１１６は誘電体層（dielectric layer）１１８に、接触し、囲まれている。誘電体層１１８は、その上部に誘電体層１１４Ａが接触し、さらにその上に電極１１２Ａが配置されている。誘電体層１１８は、その下部にバッファ層１１４Ｂが接触し、さらにその下に電極１１２Ｂが配置されている。 FIG. 1A schematically shows an optical modulator 10A. The optical modulator 10 </ b> A has an electro-optical region 116. The electro-optic region 116 is in contact with and surrounded by a dielectric layer 118. The dielectric layer 118 is in contact with the dielectric layer 114A, and the electrode 112A is further disposed thereon. The dielectric layer 118 is in contact with the buffer layer 114B at the lower portion thereof, and the electrode 112B is disposed therebelow.

この電気光学領域は、光学的に透明であり、アモルファスπ機能材料から形成され、電気光学ポリマー（ＥＯポリマー）のような、抵抗率（resistivity）が１０−９オーム（Ω）以下の２次光学非線形特性を示す。静電単位（ｅｓｕ）１０−４４より大きい、発色団双極子モーメント・分子超分極率・積値（Chromophore dipole moment-molecular hyperpolarizability product (mb) values）は現在常習的に達成されている。これは、熱的安定性や化学的安定性を犠牲にすることなしに達成されている。例えば、フェニルビニレンチオフェンビニレン（ＦＴＣ）発色団（Chromophore）の分解温度は約３２５°Ｃである。分子間静電相互作用により、ホストポリマーマトリックス内に充填するＥＯ活性リバース発色団（EO activity reverse chromophores）のプロットが最大となる。この最大値の位置は、発色団双極子モーメントひいては双極子モーメント・超分極率・積の増加とともにより低い充填へシフトする。電気光学活性の減衰は、偏長楕円発色団（prolate ellipsoidal chromophores）に対して最も激しく、球状発色団に対してはそれほどでもない。発色団の形状および構造は、電気光学活性を最適化するために利用可能である。電気光学係数（ｒ３３）は、材料の電気光学効果の強度を定める。電気光学係数の値は８０ｐｍ／Ｖ以上が好ましい。 This electro-optic region is optically transparent, formed from an amorphous π-functional material, and has a resistivity of 10 −9 ohm (Ω) or less, such as an electro-optic polymer (EO polymer). Non-linear characteristics are shown. Electrostatic unit (esu) greater than 10 -44, chromophore dipole moment and molecular hyperpolarizability-product value (Chromophore dipole moment-molecular hyperpolarizability product (mb) values) is currently habitually achieved. This has been achieved without sacrificing thermal or chemical stability. For example, the decomposition temperature of phenyl vinylene thiophene vinylene (FTC) chromophore is about 325 ° C. The intermolecular electrostatic interaction maximizes the plot of EO activity reverse chromophores filling the host polymer matrix. The position of this maximum shifts to lower packing with increasing chromophore dipole moment and thus dipole moment, hyperpolarizability, product. The decay of electro-optic activity is most severe for prolate ellipsoidal chromophores and not so much for spherical chromophores. The shape and structure of the chromophore can be used to optimize electro-optic activity. The electro-optic coefficient (r33) determines the strength of the electro-optic effect of the material. The value of the electro-optic coefficient is preferably 80 pm / V or more.

ＥＯポリマーおよび電気光学領域に利用可能な材料の非限定的な例示として、ＡＪ３０７，ＡＪ３０９，ＡＪ４０４，ＡＪＬＺ５３，ＡＪ−ＣＫＬ１，ＡＪＣＫＬ１，ＡＪＬＳ１０２，ビスフェノールＡポリカーボネート（ＢＰＡＰＣ）内のＡＪＰＬ１７２、アモルファスポリカーボネート（ＡＰＣ）内のＡＪＬＺ５３、およびＳＥＯ１００（種々の体積比のもの）が挙げられる。上述したＥＯポリマーは、ワシントン州シアトルにあるＳｏｌｕｘｒａ，ＬＬＣから市販されている。以下に説明するように、ナノ粒子をＥＯポリマーと混合することができ、これによってハイブリッドＥＯポリマーナノ複合材料を生成することができる。 Non-limiting examples of materials available for the EO polymer and electro-optic region include AJ307, AJ309, AJ404, AJLZ53, AJ-CKL1, AJCKL1, AJLS102, AJPL172 in bisphenol A polycarbonate (BPAPC), amorphous polycarbonate (APC) AJLZ53, and SEO100 (of various volume ratios). The EO polymer described above is commercially available from Soluxra, LLC, located in Seattle, Washington. As described below, the nanoparticles can be mixed with the EO polymer, thereby producing a hybrid EO polymer nanocomposite.

有機ＥＯポリマーは、ランダムに分布された永久双極子モーメントを持った発色団を有する。光学変調器の動作に要求される２次の非線形性をＥＯポリマーが示すためには、発色団はポーリング（整列：aligned）されなければならない。ポーリング（Poling）は、発色団を整列させる工程である。一般的なポーリング技術は、コンタクトポーリングおよびコロナポーリングを含む。コンタクトポーリングは、ＥＯポリマーに接触する電極間に電場を印加しながら、ＥＯポリマーのガラス転移温度近くまでＥＯポリマーを加熱する必要がある。これによって、双極子を整列させた後、当該ＥＯポリマーを冷却する。この電場は約１００ボルト（V）から約１，０００ボルト（V）のポーリング電圧を印加することにより生成される。コロナポーリングは、コンタクトポーリングと類似しているが、導電体を高電圧でコロナ放電させることによってＥＯポリマーの表面に電荷を蓄積することにより電場が形成される点で異なる。Se Huang et alによる "Advanced processing method to introduce and preserve dipole orientation in organic electro-optic materials for next generation photonic devices（次世代フォトニックデバイスのための有機電気光学材料における双極子配向を導入・保存するための先進的な電場処理方法）"を参照することにより、当業者には、概して、開示されたポーリング技術が認識されよう。ＥＯポリマーの屈折率はナノ粒子の導入により調整可能である。ナノ粒子は、イオン結合または共有結合によりＥＯポリマーの有機マトリックスに結合させることができる。これに代えて、ナノ粒子は有機マトリックスに結合させることなく付加することができる。結合によらないナノ粒子は隣接層間のより速い拡散および混合をもたらす。 Organic EO polymers have chromophores with randomly distributed permanent dipole moments. In order for the EO polymer to exhibit the second-order nonlinearity required for the operation of the optical modulator, the chromophores must be polled. Poling is the process of aligning chromophores. Common polling techniques include contact polling and corona polling. Contact poling requires heating the EO polymer to near the glass transition temperature of the EO polymer while applying an electric field between the electrodes in contact with the EO polymer. This cools the EO polymer after aligning the dipoles. This electric field is generated by applying a polling voltage of about 100 volts (V) to about 1,000 volts (V). Corona poling is similar to contact poling, but differs in that an electric field is created by accumulating charge on the surface of the EO polymer by corona discharging the conductor at a high voltage. Se Huang et al's "Advanced processing method to introduce and preserve dipole orientation in organic electro-optic materials for next generation photonic devices (for introducing and preserving dipole orientation in organic electro-optic materials for next-generation photonic devices" By referring to "Advanced electric field processing methods" ", those skilled in the art will generally recognize the disclosed polling techniques. The refractive index of the EO polymer can be adjusted by introducing nanoparticles. The nanoparticles can be bound to the organic matrix of the EO polymer by ionic or covalent bonds. Alternatively, the nanoparticles can be added without binding to the organic matrix. Nanoparticles that do not rely on bonding result in faster diffusion and mixing between adjacent layers.

誘電体層１１８は、好ましくは、ホストマトリックス内のナノ粒子の異なる濃度によって調整可能な材料特性を有するナノ複合材料である。調整可能な特性とは、光学的、熱的、電気的、および機械的なものを含む。例えば、誘電体層１１８は、ナノ複合材料インクの屈折率を当該電気光学領域の屈折率より低く調整することにより、電気光学領域に対するクラッド層（cladding-layer）として動作することができ、これにより、当該電気光学領域内に光放射を閉じこめるステップインデックス型導波路を構成し、当該電気光学領域は導波路のコアとして動作する。同様に、誘電体層１１８は、複数の層（multiple layers）であってもよいし、あるいは、電気光学領域のそれより低い屈折率勾配が当該電気光学領域から放射状に低減し、勾配屈折率導波路を構成するように、連続的に変化するナノ粒子濃度を有するものであってもよい。複数の層または連続的な屈折率勾配を生成する一つの方法は、以下に説明するような、インクジェット印刷技術を用いるものである。この代わりに、ナノ粒子および誘電体層１８の有機ホストを選択することにより、出来上がるナノ複合材料の絶縁耐力（dielectric strength）、熱伝導度、機械的安定性、強誘電特性、磁気特性、電気伝導度、および熱膨張係数を変更することができる。 The dielectric layer 118 is preferably a nanocomposite with material properties that can be adjusted by different concentrations of nanoparticles within the host matrix. Tunable properties include optical, thermal, electrical, and mechanical. For example, the dielectric layer 118 can operate as a cladding-layer for the electro-optic region by adjusting the refractive index of the nanocomposite ink below the refractive index of the electro-optic region. A step index type waveguide that confines light emission in the electro-optic region is configured, and the electro-optic region operates as a core of the waveguide. Similarly, the dielectric layer 118 can be multiple layers, or a gradient gradient lower than that of the electro-optic region can be reduced radially from the electro-optic region, resulting in a gradient index guide. It may have a continuously varying nanoparticle concentration to constitute a waveguide. One method for generating multiple layers or continuous refractive index gradients is to use ink jet printing techniques as described below. Instead, by selecting the organic host for the nanoparticles and dielectric layer 18, the dielectric strength, thermal conductivity, mechanical stability, ferroelectric properties, magnetic properties, electrical conductivity of the resulting nanocomposite material The degree and coefficient of thermal expansion can be changed.

誘電体層１１４Ａおよび１１４Ｂはまた、好ましくは、調整可能な材料特性を有するナノ複合材料である。誘電体層１１４Ａおよび１１４Ｂはまた、好ましくは、電気光学領域を電荷注入から保護するとともにポーリング中の漏れ電流を低減するための誘電体バッファ層として動作する。この誘電体バッファ層の有機ホストおよびナノ粒子は、好ましくは、当該材料が高絶縁耐性を有するように選択される。以下に説明するように、好適な有機ホスト材料は、概して、高絶縁耐性を示す。ナノ粒子に高絶縁耐性を付与することにより、出来上がるナノ複合材料の絶縁耐性が増加する。高絶縁耐性を示すナノ粒子としては、二酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）アルミナ、および酸化チタニウムが挙げられる。ポリマーとしては、シアノエチルプルラン（ＣＹＥＬＰ）、ポリアクリレート、ヘキサンジオールジアクリレート（ＨＤＯＤＡ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、およびＳＵ−８が挙げられる。ナノ複合材料の誘電率（dielectric constant）は、当該ナノ複合材料誘電体層内のナノ粒子の濃度を変更することにより調整可能である。この代わりに、ナノ粒子および有機ホストを選択することにより、誘電体層１８の絶縁耐圧、熱伝導度、電気伝導度、熱膨張率、および機械的安定性を変更することができる。 The dielectric layers 114A and 114B are also preferably nanocomposites with tunable material properties. Dielectric layers 114A and 114B also preferably operate as a dielectric buffer layer to protect the electro-optic region from charge injection and reduce leakage current during poling. The organic host and nanoparticles of this dielectric buffer layer are preferably selected so that the material has a high insulation resistance. As explained below, suitable organic host materials generally exhibit high insulation resistance. By imparting high insulation resistance to the nanoparticles, the insulation resistance of the resulting nanocomposite material is increased. Examples of the nanoparticles exhibiting high insulation resistance include zirconium dioxide (ZrO 2 ) alumina and titanium oxide. Polymers include cyanoethyl pullulan (CYELP), polyacrylate, hexanediol diacrylate (HDODA), polymethyl methacrylate (PMMA), and SU-8. The dielectric constant of the nanocomposite can be adjusted by changing the concentration of nanoparticles in the nanocomposite dielectric layer. Instead, by selecting the nanoparticles and the organic host, the dielectric strength, thermal conductivity, electrical conductivity, thermal expansion coefficient, and mechanical stability of the dielectric layer 18 can be changed.

回路に交流電流が流れる際、回路素子の電流と電圧との間の関係は、それらの大きさの比率によるだけでなく、それらの位相の差によっても、特徴付けられる。本発明の目的のために、誘電体または電気光学領域の電気伝導度への参照は、複素値誘電率（complex valued permittivity）の虚数成分を意味し、完全な導電体は無限の伝導度を有し、完全な誘電体は虚数成分がゼロの実数値（real-valued permittivity）誘電率を有する。損失のある媒体内では、変位電流（displacement current）の大きさは印加された場の周波数に依存し、変化しない場の中では変位電流は存在しない。低周波数では、抵抗素子およびリアクタンス（reactive）素子からのエネルギー消費およびエネルギー蓄積への貢献は分離される（decoupled）。対照的に、高周波数では、蓄積された電磁エネルギーは部分的に抵抗に寄与し、電力消費は部分的にリアクタンスに寄与する。このようにより高いｒ３３を達成する、改善された電気ポーリングのためには、誘電体層の電気伝導度が増進されることが望ましく、これによって、電気光学材料内の発色団を分極化させる（polarize）ために必要な半波電圧を低減させる。発色団を誘電体に付加することは可能であり、これによって、ホスト誘電体材料の電気伝導度を増進させるとともに、ＥＯ変調器の層構造のポーリング効率を向上させることができる。 When alternating current flows through a circuit, the relationship between circuit element current and voltage is characterized not only by their magnitude ratio, but also by their phase difference. For the purposes of the present invention, a reference to the electrical conductivity of the dielectric or electro-optic region means the imaginary component of the complex valued permittivity, and a perfect conductor has infinite conductivity. A perfect dielectric, however, has a real-valued permittivity with zero imaginary component. In a lossy medium, the magnitude of the displacement current depends on the frequency of the applied field, and there is no displacement current in a field that does not change. At low frequencies, the contribution to energy consumption and energy storage from resistive and reactive elements is decoupled. In contrast, at high frequencies, stored electromagnetic energy partially contributes to resistance, and power consumption partially contributes to reactance. For improved electrical poling to achieve this higher r33, it is desirable to increase the electrical conductivity of the dielectric layer, thereby polarizing the chromophore in the electro-optic material. ) To reduce the half-wave voltage required. It is possible to add a chromophore to the dielectric, thereby increasing the electrical conductivity of the host dielectric material and improving the poling efficiency of the layer structure of the EO modulator.

電極は、好ましくは、インクジェット印刷可能な導電性インクである。好適な導電性インクの２つのタイプは、金属有機分解インク（MOD-ink： metal organic decomposition ink）と、より一般的には導電性ナノ複合材料インクである。ＭＯＤインクは、銀塩のような金属塩を含む溶剤ベースのインクである。しかしながら、水性ベースナノ複合材料インクは、有機溶剤ベースの従来のＭＯＤインクに対して、不規則形態（morphologies）無しにかつ残余汚染物質無しに細い導電性パターンを印刷する際に種々の利点をもたらす。導電性ナノ複合材料インクは銀および銅のような金属ナノ粒子の懸濁液である。この導電性ナノ複合材料インクは種々の製造業者から市販されている。例えば、銀ベースナノ複合材料インクは、米国テキサス州オースチンにあるノバセントリックス（Novacentrix）社、米国マサチューセッツ州ボストンにあるキャボット社（Cabot Corporation）、韓国京畿道（Gyeongg-do）水原市（Suwon）にあるサムスン・エレクトロメカニクス社から入手可能である。 The electrode is preferably an ink-jet printable conductive ink. Two types of suitable conductive inks are metal organic decomposition inks (MOD-inks) and more generally conductive nanocomposite inks. MOD inks are solvent based inks that contain a metal salt such as a silver salt. However, aqueous-based nanocomposite inks offer various advantages in printing thin conductive patterns without morphologies and without residual contaminants over conventional organic solvent-based MOD inks. The conductive nanocomposite ink is a suspension of metal nanoparticles such as silver and copper. This conductive nanocomposite ink is commercially available from various manufacturers. For example, silver-based nanocomposite inks are available from Novacenttrix, Austin, Texas, Cabot Corporation, Boston, Massachusetts, and Suwon, Gyeongg-do, Gyeongg-do, Korea. Available from a Samsung Electromechanics Company.

導電性インクは、導電性ナノ粒子の継続的な接続性をもたらすために焼結工程を必要とする。この焼結工程は、導電性インクの温度を増加させるための焼成炉（furnace）の導入を含みうる。ＥＯ変調器の温度はポリマーのガラス転移温度より低く維持されなければならない。好ましくは、ＥＯ変調器の温度は１００°Ｃより低く維持される。導電性ナノ粒子の継続的な接続性を許容しつつ高温を回避するためには種々の技術が実施されうる。ナノ粒子上の化学コーティングを溶かすためには塩酸塩溶剤（hydrochrorides solutions）を用いることができる。導電性インクの直接局所加熱は直接抵抗加熱（direct resistive heating）により実現可能である。パルス光は、パルス化された紫外キセノンアーク灯、近赤外、または他の放射源を介して材料の焼結を行うことができる。 Conductive inks require a sintering process to provide continuous connectivity of conductive nanoparticles. This sintering process can include the introduction of a furnace to increase the temperature of the conductive ink. The temperature of the EO modulator must be kept below the glass transition temperature of the polymer. Preferably, the temperature of the EO modulator is maintained below 100 ° C. Various techniques can be implemented to avoid high temperatures while allowing continued connectivity of the conductive nanoparticles. Hydrochloride solutions (hydrochrorides solutions) can be used to dissolve the chemical coating on the nanoparticles. Direct local heating of the conductive ink can be achieved by direct resistive heating. The pulsed light can sinter the material via a pulsed ultraviolet xenon arc lamp, near infrared, or other radiation source.

図１Ｂは光学変調器１０Ｂを模式的に示している。光学変調器１０Ｂは図１Ａに示した光学変調器と同じ要素を有し、類似しているが、光学変調器を構成している要素が水平に配置されている点が異なる。これらの要素に加えて、加熱素子１２０が、電気光学領域１１６に近接して、クラッド層１１８に接触した状態で配置されている。加熱素子１２０は、電気光学領域内でのＥＯポリマーのポーリングの際に利用することができる。加熱素子１２０はまた、導電性インクの焼結工程で利用することができる。さらに、加熱素子１２０は、熱光学効果を介して光学変調器の光学特性を変更するために利用することができる。例えば、屈折率は温度を増加させることによりオフセットさせることができ、あるいは、加熱素子を変調することにより屈折率を変調することができる。当業界で周知のように、その結果として、光の位相を変調することができる。加熱素子１２０は好ましくは電気光学領域の近傍の領域で高い抵抗性を有し、当該領域でジュール加熱により電流を熱に変換する。ジュール加熱はニクロム（ＮｉＣｈｒｏｍｅ：商標）のような材料として周知であり、ニクロムはニッケルとクロムとしばしば鉄の非磁性合金であり、抵抗線として用いられる。抵抗線は、フォトリソグラフィによるパターン形成、または好ましくは、ナノ複合材料インクを用いたインクジェット印刷により形成することができる。 FIG. 1B schematically shows the optical modulator 10B. The optical modulator 10B has the same elements as the optical modulator shown in FIG. 1A and is similar, except that the elements constituting the optical modulator are arranged horizontally. In addition to these elements, the heating element 120 is disposed in proximity to the electro-optic region 116 and in contact with the cladding layer 118. The heating element 120 can be utilized when pouring the EO polymer in the electro-optic region. The heating element 120 can also be utilized in a conductive ink sintering process. Furthermore, the heating element 120 can be used to change the optical properties of the optical modulator via the thermo-optic effect. For example, the refractive index can be offset by increasing the temperature, or the refractive index can be modulated by modulating the heating element. As a result, as is well known in the art, the phase of the light can be modulated. The heating element 120 preferably has high resistance in a region near the electro-optic region, and converts current into heat by Joule heating in the region. Joule heating is well known as a material such as Nichrome, which is a non-magnetic alloy of nickel, chromium and often iron and is used as a resistance wire. The resistance wire can be formed by patterning by photolithography or, preferably, ink jet printing using a nanocomposite ink.

図１Ｃは、光学変調器１０Ｃを模式的に示した図である。光学変調器１０Ｃは、その電気光学領域が水平に連続していることを除けば、光学変調器１０Ａと類似している。電気光学領域１１６はその上部において誘電体クラッド層１１８Ａに接触し、その上に誘電体バッファ層１１４Ａ、さらに電極１１２Ａが配置されている。電気光学領域１１６は、その下部において誘電体クラッド層１１８Ｂが接触し、その下に誘電体バッファ層１１４Ｂ、さらに電極１１２Ｂが配置されている。 FIG. 1C is a diagram schematically showing the optical modulator 10C. The optical modulator 10C is similar to the optical modulator 10A except that its electro-optic region is horizontally continuous. The electro-optic region 116 is in contact with the dielectric cladding layer 118A at the top thereof, and the dielectric buffer layer 114A and the electrode 112A are disposed thereon. The electro-optic region 116 is in contact with the dielectric cladding layer 118B at the lower portion thereof, and the dielectric buffer layer 114B and the electrode 112B are disposed thereunder.

ＥＯ変調器の上述した要素の被着には種々の技術を利用することができる。導電性インク、誘電体層、および電気光学ポリマーの被着および形成にはインクジェット印刷を利用することができる。その代わりに、スピンオン（spin-on）法や紫外線インプリント法を利用することもできる。 Various techniques can be used to deposit the above-described elements of the EO modulator. Ink jet printing can be used to deposit and form the conductive ink, dielectric layer, and electro-optic polymer. Alternatively, a spin-on method or an ultraviolet imprint method can be used.

図２Ａは、本発明によるナノ複合材料インクの被着のためのインクジェット印刷装置２１０Ａを示している。印刷装置２１０は説明のために簡略化されている。当業者は、2003年、ソリッド・フリーフォーム（SFF）シンポジウムにおいて提示された、リチャード・チャートフ等（Richard Chartoff et al.）による「ソリッド・フリーフォーム製法による、機能的に勾配付けされたポリマーマトリックス・ナノ複合材料（Functionally Graded Polymer Matrix Nano-Composites by Solid Freeform Fabrication (SFF)）」、および、2005年SFFシンポジウムにおいて提示された、リチャード・チャートフ等による「インクジェット印刷によるポリマー・マトリックス・ナノ複合材料（Polymer Matrix Nanocomposites by Ink-jet Printing）」を参照することにより、概ね、このインクジェット印刷法が認識されよう。 FIG. 2A shows an inkjet printing apparatus 210A for deposition of nanocomposite ink according to the present invention. Printing device 210 has been simplified for purposes of illustration. A person skilled in the art will present a functionally graded polymer matrix with a solid free-form process by Richard Chartoff et al., Presented at the Solid Free-Form (SFF) Symposium in 2003. "Functionally Graded Polymer Matrix Nano-Composites by Solid Freeform Fabrication (SFF)" and "Character Matrix Nanocomposites by Inkjet Printing" (Polymer) In general, this inkjet printing method will be recognized by referring to “Matrix Nanocomposites by Ink-jet Printing”.

印刷装置２１０Ａは、それぞれ、ナノ複合材料インク２２２Ａおよび２２２Ｂを保持する貯留タンク（リザーバ）２１２Ａおよび２１２Ｂを有する。貯留タンク２２２Ａ，２２２Ｂは、それぞれ、供給ライン２１４Ａ，２１４Ｂを介して、ナノ複合材料インク２２２Ａおよび２２２Ｂを印刷ヘッド２１６Ａ，２１６Ｂへ供給する。印刷ヘッド２１６Ａ，２１６Ｂは、基板２１８上の特定のボクセルにナノ複合材料インク２２２Ａ，２２２Ｂを被着し、これにより、本発明のＥＯ変調器のようなナノ複合材料構造を形成する。ボクセルとは、３次元空間内の位置をいう。ステージ２１７は、特定のボクセルでナノ複合材料インクの被着を行うため、印刷ヘッドに対して基板２１８を位置決めする。 The printing apparatus 210A has storage tanks (reservoirs) 212A and 212B that hold the nanocomposite inks 222A and 222B, respectively. The storage tanks 222A and 222B supply the nanocomposite inks 222A and 222B to the print heads 216A and 216B via supply lines 214A and 214B, respectively. The print heads 216A, 216B deposit nanocomposite inks 222A, 222B on specific voxels on the substrate 218, thereby forming a nanocomposite structure such as the EO modulator of the present invention. A voxel is a position in a three-dimensional space. Stage 217 positions substrate 218 with respect to the print head to deposit the nanocomposite ink with specific voxels.

基板２１８は、種々の材料から構成することができる。その材料には、プラスチック、ガラス、金属、セラミックス、有機樹脂、電子回路、および、電子または電子光学部品に接触したウエハが含まれる。基板２１８は、ナノ複合材料構造の一部と成りうる。あるいは、ナノ複合材料構造は基板から取り外されてもよい。基板が光学素子の一部となる用途では、当該基板は特定の特性に合わせて選択することができる。例えば、ＥＯ変調器が形成される用途では、基板材料は接地プレーンとして機能する導電性金属であってもよい。基板は、電極が電子回路に接触したマイクロエレクトロニクス回路付きシリコンウエハであってもよい。さらに、このシリコンウエハ上の酸化珪素層は、ＥＯ変調器の少なくとも一方の側で、誘電体層として利用することができる。代替的に、基板は、モールド（ｍｏｌｄ）からナノ複合材料構造を取り外せるようにする付着防止特性を有するモールド材料であってもよい。 The substrate 218 can be composed of various materials. Such materials include plastic, glass, metal, ceramics, organic resins, electronic circuits, and wafers in contact with electronic or electro-optic components. The substrate 218 can be part of a nanocomposite structure. Alternatively, the nanocomposite structure may be removed from the substrate. In applications where the substrate is part of an optical element, the substrate can be selected for specific characteristics. For example, in applications where an EO modulator is formed, the substrate material may be a conductive metal that functions as a ground plane. The substrate may be a silicon wafer with a microelectronic circuit with electrodes in contact with the electronic circuit. Further, the silicon oxide layer on the silicon wafer can be used as a dielectric layer on at least one side of the EO modulator. Alternatively, the substrate may be a mold material having anti-adhesive properties that allow the nanocomposite structure to be removed from the mold.

複数の印刷ヘッドの一つからナノ複合材料インクの被着の後、複数のボクセルでナノ複合材料インクを選択的に硬化させるための放射源２１９Ａに対して基板２１８を位置決めすることができる。選択的硬化とは、複数のボクセルの付近に局所的な放射を行うことにより有機ホストマトリックスを活性化することをいう。有機ホストマトリックスの活性化によりナノ複合材料インクが凝固する。選択的硬化はゼロ硬化、部分的硬化または完全硬化を意味し、これらは、それぞれ、ナノ複合材料インクの非凝固、部分凝固、または完全凝固を意味する。他の放射線源２１９Ｂは、基板上のナノ複合材料インクをフラッド硬化(flood cure)させる。フラッド硬化は、すべてのナノ複合材料インクを部分的にまたは完全に硬化させる必要がある場合に望ましい。 After deposition of the nanocomposite ink from one of the plurality of printheads, the substrate 218 can be positioned relative to a radiation source 219A for selectively curing the nanocomposite ink with a plurality of voxels. Selective curing refers to activating the organic host matrix by performing local radiation in the vicinity of a plurality of voxels. Activation of the organic host matrix solidifies the nanocomposite ink. Selective cure means zero cure, partial cure or complete cure, which means non-solidified, partially solidified or fully solidified of the nanocomposite ink, respectively. Another radiation source 219B causes a flood cure of the nanocomposite ink on the substrate. Flood curing is desirable when all nanocomposite inks need to be partially or fully cured.

図２Ｂは、図２Ａに示した印刷装置に類似した印刷装置２１０Ｂを示しており、それぞれナノ複合材料インク２２２Ｃ，２２２Ｄを保持する付加的な貯留タンク２１２Ｃ，２１２Ｄ、供給線２１４Ｃ，２１４Ｄ、および、印刷ヘッド２１６Ｃ，２１６Ｄを追加したものを示している。追加した印刷ヘッドは、他の印刷ヘッド内のナノ複合材料インクと異なる付加的なナノ複合材料インクを提供する。異なるナノ複合材料インクは、ＥＯ変調器を形成するために利用されるナノ複合材料インクでありうる。例えば、複数の貯留タンクの一つはナノ粒子導電性インクを保持し、他の貯留タンクは誘電性クラッド層のためのナノ複合材料インクを保持し、さらに他の貯留タンクは誘電性バッファ層のためのナノ複合材料インクを保持することができる。これらの印刷ヘッドは、複数の誘電体バッファ層に対して異なるナノ複合材料インクを保持し、後述する技術で被着して複雑な屈折率勾配を形成することができる。さらに、複数の貯留タンクはナノ粒子および有機ホストを隔離（isolate）させ、要求に応じて、複数の印刷ヘッドの任意の一つから、種々のナノ粒子濃度のために混合することができる。 FIG. 2B shows a printing device 210B similar to the printing device shown in FIG. 2A, with additional storage tanks 212C, 212D holding nanocomposite inks 222C, 222D, supply lines 214C, 214D, and The print heads 216C and 216D are added. The added printhead provides additional nanocomposite ink that is different from the nanocomposite ink in the other printheads. The different nanocomposite ink can be a nanocomposite ink utilized to form an EO modulator. For example, one of the plurality of storage tanks holds the nanoparticle conductive ink, the other storage tank holds the nanocomposite ink for the dielectric cladding layer, and the other storage tank holds the dielectric buffer layer. For holding nanocomposite inks. These print heads can hold different nanocomposite inks for a plurality of dielectric buffer layers and can be deposited by techniques described below to form complex refractive index gradients. In addition, multiple reservoir tanks isolate the nanoparticles and organic host and can be mixed for various nanoparticle concentrations from any one of the multiple printheads as required.

インクジェット印刷に適したこれらのＥＯポリマーについて、これらは貯留タンクの一つに保持することができる。この代わりに、ＥＯポリマーは紫外ナノインプリンティングまたはナノスタンピング技術を用いて供給してもよく、これによってナノメータースケールでの形態（features）が得られる。十分に小さい形態について、ナノプリンティング技術は好ましい方法である。ナノプリンティングにおいては、適当なサイズの形態のオリジナルなシリコンのモールドが当業界で周知のリソグラフィー技術を用いて生成される。その際、フレキシブルなモールド材料は元のシリコンモールドから生成される。フレキシブルなモールドは、スタンピング（stamping）を介してインプリント（imprint）するための望ましいパターンを有する。例えば、単一モード導波路（single-mode waveguide）は誘電体クラッド層にインプリントすることができ、次いで、ＥＯポリマーで満たすことにより、本発明によるＥＯ変調器を生成することができる。まず、インクジェット印刷、スピンオン技術、または他の周知の工程により、ＥＯポリマーまでの層が被着される。誘電体クラッド層は、紫外線に露光することにより部分的にジェル化される。次いで、このジェル化された誘電体クラッド層にフレキシブルなモールドが押圧される。ジェル化された層は、モールドの形状をとるように十分に硬化される。次いで、クラッド層内のインプリントを残したままモールドが解放され、さらに、これがモールドの形態形状（feature shape）を保持して硬化される。次いで、ＥＯポリマーが被着され、インプリントされた形態（features）を満たす。このような技術は、図１Ａ、図１Ｂ、図１Ｃに示したそれらのような導波路チャネルを、単一モード導波路として動作するように十分に小さくすることができる。この代わりに、ナノスタンプを利用して、光学的に硬化可能なフォトレジストまたは金属に正または負のパターンで形態をパターン化することができる。その後、湿式化学処理または誘導結合プラズマエッチングを用いて形態を定めることができる。 For these EO polymers suitable for ink jet printing, they can be held in one of the storage tanks. Alternatively, the EO polymer may be supplied using ultraviolet nanoimprinting or nanostamping techniques, resulting in features at the nanometer scale. For sufficiently small forms, nanoprinting technology is the preferred method. In nanoprinting, an appropriately sized form of an original silicon mold is produced using lithography techniques well known in the art. At that time, the flexible mold material is generated from the original silicon mold. The flexible mold has a desirable pattern for imprinting via stamping. For example, a single-mode waveguide can be imprinted into a dielectric cladding layer and then filled with an EO polymer to produce an EO modulator according to the present invention. First, layers up to the EO polymer are deposited by ink jet printing, spin-on techniques, or other known processes. The dielectric cladding layer is partially gelled by exposure to ultraviolet light. Next, a flexible mold is pressed against the gelled dielectric cladding layer. The gelled layer is sufficiently cured to take the shape of the mold. The mold is then released, leaving the imprint in the cladding layer, which is further cured while retaining the feature shape of the mold. EO polymer is then deposited to fill the imprinted features. Such techniques can make waveguide channels such as those shown in FIGS. 1A, 1B, and 1C sufficiently small to operate as single mode waveguides. Alternatively, nanostamps can be utilized to pattern the morphology in a positive or negative pattern in an optically curable photoresist or metal. The morphology can then be defined using wet chemical processing or inductively coupled plasma etching.

図２Ｃは、図２Ａ、図２Ｂに示したナノ複合材料インクの被着のさらなる詳細を模式的に示している。基板２１８上に被着されたナノ複合材料インク２２２Ａはナノ複合材料−空気界面２２６Ａで囲まれる。このナノ複合材料インクは、内部にナノフィラー２２４Ａが分散された有機マトリックスから構成される。有機マトリックスは、インクジェット印刷が可能な、光学的に清澄な、光硬化可能な樹脂である。ＥＯ変調器の素子に応じて、異なるナノ複合材料インクが用いられる。上述したように、導電性のナノ複合材料インクは主として銀ベースのものである。誘電体層のための印刷可能な有機マトリックス材料の非限定的な４つの例としては、ポリアクリレート、ヘキサンジオールジアクリレート（HDODA）、ポリメチル・メタクリレート(PMMA)、ジエチレン・グリコール・ジアクリレート(DEGDA)およびＳＵ−８が挙げられる。ナノフィラーは、使用しようとしている波長について、光を散乱させることのない、光波長に対して十分に小さいセラミックのナノ粒子である。ナノ複合材料インクは、ナノフィラーの型（タイプ）、有機ホストマトリックスの型、または、ナノフィラーの濃度およびそれらの組み合わせ、毎に異なりうる。ナノフィラーの非限定的な例として、酸化ベリリウム（ＢｅＯ）、窒化アルミニウム（ＡｌＯ）、炭化珪素（ＳｉＣ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、硫化亜鉛（ＺｎＳ）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ）、オルトバナジウム酸イットリウム（ＹＶＯ４）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、硫化銅（ＣｕＳ２）、セレン化カドミウム（ＣｄＳｅ）、硫化鉛（ＰｂＳ）、二硫化モリブデン（ＭＯＳ２）、および二酸化珪素（ＳｉＯ２）が挙げられ、これらはコア型、コアシェル型、およびコアシェルリガンド（core-shell-ligand）型を含む。誘電体クラッド層の屈折率は、使用されるナノ複合材料インクによって変更されうる。ナノ複合材料インクは、有機ホストの型、ナノフィラーの型、および有機マトリックス内のナノフィラーの濃度によって調整されうる。ナノ複合材料インクの屈折率は、有機ホストおよびナノフィラーの光学的特性の、体積パーセントによる合計である。有機ホストに対するナノ複合材料の体積濃度は、特性の所望の変化に応じて、約０．２５％から約７０％である。ナノ粒子と有機ホストの組み合わせおよび相性（chemistries）の種々の例は、本発明の譲受人に譲渡され所有されている米国特許出願番号US 14/036660に記載されている。 FIG. 2C schematically shows further details of the deposition of the nanocomposite ink shown in FIGS. 2A and 2B. Nanocomposite ink 222A deposited on substrate 218 is surrounded by a nanocomposite-air interface 226A. This nanocomposite ink is composed of an organic matrix in which nanofillers 224A are dispersed. The organic matrix is an optically clear, photocurable resin capable of ink jet printing. Different nanocomposite inks are used depending on the elements of the EO modulator. As mentioned above, conductive nanocomposite inks are primarily silver based. Four non-limiting examples of printable organic matrix materials for dielectric layers include polyacrylate, hexanediol diacrylate (HDODA), polymethyl methacrylate (PMMA), and diethylene glycol diacrylate (DEGDA). And SU-8. Nanofillers are ceramic nanoparticles that are small enough for light wavelengths that do not scatter light for the wavelengths they are intended to use. The nanocomposite ink can vary from nanofiller type, organic host matrix type, or nanofiller concentration and combinations thereof. Non-limiting examples of nanofillers include beryllium oxide (BeO), aluminum nitride (AlO), silicon carbide (SiC), zinc oxide (ZnO), zinc sulfide (ZnS), zirconium oxide (ZrO), yttrium orthovanadate. (YVO 4 ), titanium oxide (TiO 2 ), copper sulfide (CuS 2 ), cadmium selenide (CdSe), lead sulfide (PbS), molybdenum disulfide (MOS 2 ), and silicon dioxide (SiO 2 ). These include the core type, the core-shell type, and the core-shell-ligand type. The refractive index of the dielectric cladding layer can be varied depending on the nanocomposite ink used. Nanocomposite inks can be tailored by the type of organic host, the type of nanofiller, and the concentration of nanofiller within the organic matrix. The refractive index of the nanocomposite ink is the sum of the optical properties of the organic host and nanofiller by volume percent. The volume concentration of the nanocomposite relative to the organic host is from about 0.25% to about 70%, depending on the desired change in properties. Various examples of nanoparticle and organic host combinations and chemistries are described in US Patent Application No. US 14/036660, assigned and owned by the assignee of the present invention.

図２Ｄは、図２Ｃに示したナノ複合材料構造２１において、ナノ複合材料インク２２２Ａのボクセルの上部のボクセルにナノ複合材料インク２２２Ｂが付加的に被着された様子を模式的に示している。ここに、ナノ複合材料インク２２２Ｂは、被着後の様子として、分散されたナノフィラー２２６Ｂと、インク−インク界面２２８Ａ（両ナノ粒子インクの混合はまだ生じていない）と、空気―インク界面２２６Ｂで特徴付けられている。 FIG. 2D schematically shows the nanocomposite structure 21 shown in FIG. 2C in which the nanocomposite ink 222B is additionally applied to the upper voxels of the nanocomposite ink 222A. Here, the nanocomposite ink 222B has a dispersed nanofiller 226B, an ink-ink interface 228A (mixing of both nanoparticle inks has not yet occurred), and an air-ink interface 226B after application. It is characterized by.

図２Ｅは、図２Ｄに示したナノ複合材料インク構造２１において、ナノ複合材料インク２２２Ｂの被着前のナノ複合材料インク２２２Ａの選択的硬化がゼロ硬化である様子を模式的に示している。ナノ複合材料インク２３０は、未硬化のナノ複合材料インク２２２Ａと２２２Ｂの出来上がった混合物である。ナノ複合材料インク２３０は、空気−インク界面２３２と、内部に分散されたナノフィラー２２４Ａおよび２２４Ｂにより特徴付けられる。ナノ複合材料インク２３０の頂部と底部の間の屈折率勾配（refractive-gradient）は、以下の要因から生じる対流性の混合に依存する。その要因は、ナノ複合材料インク同士間の相対的なサイズ、速度、ナノフィラー濃度、ナノ複合材料インク２２２Ｂの被着前のナノ複合材料インク２２２Ａ滴の部分的硬化、基板の温度、および、ナノ複合材料インクの付加的な部分的硬化前の、ナノ複合材料インク２２２Ａと２２２Ｂからのナノフィラーの拡散に許容される時間、である。 FIG. 2E schematically shows that the selective curing of the nanocomposite ink 222A prior to the deposition of the nanocomposite ink 222B is zero cure in the nanocomposite ink structure 21 shown in FIG. 2D. Nanocomposite ink 230 is a finished mixture of uncured nanocomposite inks 222A and 222B. Nanocomposite ink 230 is characterized by an air-ink interface 232 and nanofillers 224A and 224B dispersed therein. The refractive-gradient between the top and bottom of the nanocomposite ink 230 depends on convective mixing resulting from the following factors. The factors are relative size between nanocomposite inks, speed, nanofiller concentration, partial cure of nanocomposite ink 222A drops prior to deposition of nanocomposite ink 222B, substrate temperature, and nano The time allowed for diffusion of nanofillers from nanocomposite inks 222A and 222B before additional partial curing of the composite ink.

図２Ｆは、図２Ｄに示したもののナノ複合材料インクの構造において、ナノ複合材料２２２Ａが部分的に硬化された様子を模式的に示している。ここに、ナノ複合材料２２２Ａの部分的硬化により、ナノ複合材料インク２２２Ａと２２２Ｂとの間の勾配領域２２２Ｂが出来上がる。勾配領域２２２Ｂの程度は、ナノ複合材料インク２２２Ａの選択的硬化に依存する。ゼロ硬化によって、図２Ｅに例示したようなナノ複合材料インクの混合が可能となる。部分的硬化によって、図２Ｆに例示したような限定的な勾配領域２２８Ａ内への拡散が可能となる。完全硬化によれば、拡散はほとんど許容されず、図２Ｄに例示したような実質的にインク−インク界面が出来上がる。勾配領域の制御に加え、後続の被着前の部分的な硬化によって、出来上がった光学素子内の応力（stress）や緊張状態（strain）が軽減される。 FIG. 2F schematically shows a state in which the nanocomposite material 222A is partially cured in the structure of the nanocomposite ink shown in FIG. 2D. Here, the partial curing of the nanocomposite material 222A results in a gradient region 222B between the nanocomposite inks 222A and 222B. The extent of the gradient region 222B depends on the selective curing of the nanocomposite ink 222A. Zero cure allows mixing of the nanocomposite ink as illustrated in FIG. 2E. Partial curing allows diffusion into the limited gradient region 228A as illustrated in FIG. 2F. With full cure, little diffusion is allowed and a substantially ink-ink interface as illustrated in FIG. 2D is created. In addition to controlling the gradient region, partial hardening prior to subsequent deposition reduces stress and strain within the resulting optical element.

図２Ｇは、図２Ａおよび図２Ｂに示したナノ複合材料構造２１において、当該ナノ複合材料インクが横に並んで被着された様子を模式的に示している。ここに、ナノフィラー２２４Ｂとインク−空気界面２２６Ｂを有するナノ複合材料インク２２２Ｂは、ナノ複合材料インク２２２Ｃの側面に沿って被着されている。ナノ複合材料インク２２２Ｃは、ナノフィラーを有さず、空気界面２２６Ｃで囲まれている。 FIG. 2G schematically shows the nanocomposite structure 21 shown in FIGS. 2A and 2B being applied side by side with the nanocomposite ink. Here, the nanocomposite ink 222B having the nanofiller 224B and the ink-air interface 226B is applied along the side surface of the nanocomposite ink 222C. The nanocomposite ink 222C has no nanofiller and is surrounded by the air interface 226C.

図２Ｈは、図２Ｇに示したナノ複合材料構造２１において、ナノ複合材料インク２２２Ｂがナノ複合材料２２２Ｃと混合することによって勾配ナノ複合材料２２２Ｄが出来上がった様子を模式的に示している。ここに、ナノ複合材料２２２Ｄはインク−空気界面２２６Ｄで囲まれ、ナノフィラー２２４Ｄを有する。このナノフィラー２２４Ｄは、屈折率勾配プロファイル２２９Ｂに従って分布されたナノ複合材料インク２２２Ｂと同じナノフィラーである。この勾配は、ナノ複合材料の混合の結果であり、ナノ複合材料２２２Ｂの部分的硬化は最小限であり、さらなる部分的硬化の前に上述した対流混合および時間が許容されたものである。屈折率勾配プロファイル２２９Ｂは、より高濃度のナノ粒子２２４Ｄに起因する高屈折率ｎＢから、この屈折率勾配の屈折率がｙ軸方向に緩慢かつ滑らかに、ナノ粒子２２４Ｄの低濃度による低屈折率まで移行することにより、特徴付けられている。 FIG. 2H schematically shows a state where a gradient nanocomposite material 222D is produced by mixing the nanocomposite ink 222B with the nanocomposite material 222C in the nanocomposite structure 21 shown in FIG. 2G. Here, the nanocomposite material 222D is surrounded by an ink-air interface 226D and has a nanofiller 224D. This nanofiller 224D is the same nanofiller as the nanocomposite ink 222B distributed according to the refractive index gradient profile 229B. This gradient is the result of the mixing of the nanocomposite, with partial curing of the nanocomposite 222B being minimal and allowing the convective mixing and time described above prior to further partial curing. The refractive index gradient profile 229B has a low refractive index due to the low concentration of the nanoparticles 224D, from the high refractive index n B caused by the higher concentration of the nanoparticles 224D to the slow and smooth refractive index of the refractive index gradient in the y-axis direction. Characterized by moving to rate.

図２Ｉは、図２Ｇに示したナノ複合材料構造２１において、ナノ複合材料インク２２２Ｂがナノ複合材料インク２２２Ｃの被着前に部分的に硬化された様子を模式的に示している。ここに、ナノ複合材料インク２２２Ｂの部分的硬化により、界面２２４ＡＢのナノ複合材料インク２２２Ｃの混合が制限され、屈折率勾配２２９Ｃが出来上がる。屈折率勾配プロファイル２２９Ｃは、より高濃度のナノ粒子２２４Ｄに起因する高屈折率ｎＢから、この屈折率勾配の屈折率がｙ軸方向に従前の界面２２４ＡＢまで変化せず、そこから低屈折率ｎＢへ急激に変化することにより、特徴付けられている。代替的に、屈折率勾配２２９Ｃは、ナノ複合材料２２２Ｃの被着前のナノ複合材料インク２２２Ｂの部分的硬化を行うことなく、生成可能である。これは、ナノ複合材料インクの被着速度を制御すること、および、基板の限定的な拡散温度の制御、および、被着されたナノ複合材料インクの制御時間内での硬化、等の上述した複数の混合要因を限定することにより行える。 FIG. 2I schematically shows that the nanocomposite ink 222B is partially cured before the nanocomposite ink 222C is deposited in the nanocomposite structure 21 shown in FIG. 2G. Here, the partial curing of the nanocomposite ink 222B limits the mixing of the nanocomposite ink 222C at the interface 224AB, resulting in a refractive index gradient 229C. The refractive index gradient profile 229C shows that the refractive index of this refractive index gradient does not change from the high refractive index n B due to the higher concentration of nanoparticles 224D to the previous interface 224AB in the y-axis direction. by rapidly changing the n B, it has been characterized. Alternatively, the refractive index gradient 229C can be generated without partial curing of the nanocomposite ink 222B prior to deposition of the nanocomposite 222C. This is described above, such as controlling the deposition rate of the nanocomposite ink, and controlling the limited diffusion temperature of the substrate, and curing the deposited nanocomposite ink within the control time, etc. This can be done by limiting multiple mixing factors.

図２Ｊは、他のナノ複合材料インクの混合方法を模式的に示している。ナノ複合材料インク２２６Ｂとナノ複合材料インク２２６Ｃの被着は、それぞれの印刷ヘッドを整列され、ナノ複合材料インクを空中で混合してナノ複合材料インク２２２Ｅが生成されるように行われるものである。ナノ複合材料インク２２２Ｅは、次いで、基板１１８上へ被着、混合され、インク−空気界面２２６Ｂで囲まれたナノフィラー２２４Ｅを内包している。 FIG. 2J schematically illustrates another nanocomposite ink mixing method. The deposition of nanocomposite ink 226B and nanocomposite ink 226C is such that the respective printheads are aligned and the nanocomposite ink is mixed in the air to produce nanocomposite ink 222E. . The nanocomposite ink 222E is then deposited on the substrate 118, mixed, and encapsulating the nanofiller 224E surrounded by the ink-air interface 226B.

図３Ａは、本発明による位相ＥＯ変調器３０を模式的に示している。ＥＯ変調器３０は、誘電体層の詳細を示すことなく図示されている。図１Ａ、図１Ｂ、図１Ｃで説明したようなＥＯ変調器および上述した作製方法が、利用可能であり、ＥＯ変調器の実施および以下に説明するその他の実施に適用可能である。ＥＯ変調器３０は、電気光学領域１１６を有する単純な導波路として示されている。この導波路の幾何構造は、当業界に周知のように、使用される材料の屈折率、および、光の波長に依存する。電気光学領域に接続された導波路３０２を通過する光は、信号発生器に接続された電極１１２Ａと、電気的接地に接続された電極１１２Ｂとの間の電気的変調により位相変調される。この電気光学領域の変調は、２次の非線形効果により電気光学領域の屈折率を変調する。電気光学領域の屈折率変化は、電気光学領域に沿った光学経路長の変化を生じさせ、これにより、通過する光の位相変化が誘起される。典型的には、位相変調には数ボルトのオーダーのポテンシャルが必要とされる。 FIG. 3A schematically illustrates a phase EO modulator 30 according to the present invention. The EO modulator 30 is shown without showing the details of the dielectric layer. The EO modulator as described in FIGS. 1A, 1B, and 1C and the fabrication method described above can be used and can be applied to the implementation of the EO modulator and other implementations described below. The EO modulator 30 is shown as a simple waveguide having an electro-optic region 116. The waveguide geometry depends on the refractive index of the material used and the wavelength of light, as is well known in the art. The light passing through the waveguide 302 connected to the electro-optic region is phase-modulated by electrical modulation between the electrode 112A connected to the signal generator and the electrode 112B connected to electrical ground. The modulation of the electro-optic region modulates the refractive index of the electro-optic region by a second-order nonlinear effect. A change in the refractive index of the electro-optic region causes a change in the optical path length along the electro-optic region, thereby inducing a phase change of the passing light. Typically, phase modulation requires a potential on the order of a few volts.

図３Ｂは、振幅ＥＯ変調器３１を模式的に示している。ＥＯ変調器３１は、図３ＡのＥＯ変調器に、２つの直交直線偏光子（crossed linear polarizers）を追加したものである。偏光子３０４Ａは、電気光学領域に入射する前の光が当該偏光子を通過するように、導波路３０２上に配置されている。偏光子３０４Ｂは、偏光子３０４Ａに対して９０度の方向で電気光学領域の後に配置され、これらの偏光子は、別な方法で位相が変化しなければ光を遮断し、この振幅ＥＯ変調器を光が通過しないようにする。電気光学領域を通過する光の位相が変調されると、光の位相が変化し、偏光子３０４で光が完全に遮断されないようになる。当業者には概してこの設計は認識されよう。 FIG. 3B schematically shows the amplitude EO modulator 31. The EO modulator 31 is obtained by adding two crossed linear polarizers to the EO modulator of FIG. 3A. The polarizer 304A is arranged on the waveguide 302 so that light before entering the electro-optic region passes through the polarizer. Polarizer 304B is placed after the electro-optic region in a 90 degree orientation with respect to polarizer 304A, and these polarizers block light unless the phase changes otherwise, and this amplitude EO modulator Prevent light from passing through. When the phase of the light passing through the electro-optic region is modulated, the phase of the light changes, and the light is not completely blocked by the polarizer 304. Those skilled in the art will generally recognize this design.

図３Ｃは、他のＥＯ変調器３２を模式的に示している。ＥＯ変調器３２は導波路３０６を有する。この導波路３０６は、第１のアーム３０４Ａと第２のアーム３０４Ｂに分岐した単一の導波路３０４を備え、両アームは単一の導波路３０４へ再結合する。第１のアーム３０４は、誘電体層（図示せず）を伴った電気光学領域１１６Ａと、電極１１２Ａ、１１２Ｂを有している。第２のアーム３０４Ｂは電気光学領域を有していない。第１のアームにおける位相変調は、第１のアームおよび第２のアームから再結合した光の間に位相シフトをもたらし、これによって導波路３０４の出力が変調される。当業者には、概して、この設計はマッハ・ツェンダ（ＭＺ）型ＥＯ変調器として認識されよう。 FIG. 3C schematically shows another EO modulator 32. The EO modulator 32 has a waveguide 306. The waveguide 306 includes a single waveguide 304 that branches into a first arm 304 A and a second arm 304 B, and both arms recombine into a single waveguide 304. The first arm 304 has an electro-optic region 116A with a dielectric layer (not shown) and electrodes 112A and 112B. The second arm 304B does not have an electro-optic region. Phase modulation in the first arm causes a phase shift between the light recombined from the first arm and the second arm, which modulates the output of the waveguide 304. Those skilled in the art will generally recognize this design as a Mach-Zehnder (MZ) EO modulator.

図３Ｄは、プッシュプルＥＯ変調器３３を模式的に示している。プッシュプルＥＯ変調器３２は、図３Ｃに示した変調器と類似するが、第２のアーム３０４ＢにＥＯ変調器を追加している。第２のアーム３０４Ｂは、電気光学領域１１６Ｂと、電極１１２Ｃと、共用された接地電極１１２Ｂとを有する。電極１１２Ｃに印加される電気信号は電極１１２Ａと比べて反転されており、これによりプッシュプル型の変調がもたらされる。 FIG. 3D schematically shows the push-pull EO modulator 33. The push-pull EO modulator 32 is similar to the modulator shown in FIG. 3C, but adds an EO modulator to the second arm 304B. The second arm 304B has an electro-optic region 116B, an electrode 112C, and a shared ground electrode 112B. The electrical signal applied to the electrode 112C is inverted compared to the electrode 112A, which results in push-pull modulation.

図３Ｅは、リニアアレイＥＯ変調器３４を模式的に示している。ＥＯ変調器３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ、３０Ｄおよび３０Ｅは、すべて、図３Ａに示した位相ＥＯ変調器３０と実質的に同様である。これらのＥＯ変調器は、各変調器間に可変の間隔をもってｙ方向に直線状に配置されている。ＥＯ変調器の出力間のスペーシングは、ＥＯ変調器３０Ｃを例外として、各ＥＯ変調器内のすべての導波路に対して図示したように屈曲させることにより実現される。ＥＯ変調器の各々間の距離、ｚ方向における各ＥＯ変調器の終端、および電気光学領域の変調により生じる位相変化により、各出力間に位相差が生じる。出力はプロファイル３０８Ａで特徴付けられる。このプロファイル３０８Ａは、ＥＯ変調器のリニアアレイにより生じた位相差に基づくｙ方向の強め合う干渉および弱め合う干渉により生じた輝度分布を示している。破線で示したプロファイル３０８Ｂは他の輝度プロファイルを示している。この輝度プロファイルは、ＥＯ変調器の位相変調によって達成可能な、頂部が平坦な分布、すなわちｙ方向に総体に頂部が平坦な分布で特徴付けられる。 FIG. 3E schematically shows a linear array EO modulator 34. The EO modulators 30A, 30B, 30C, 30D and 30E are all substantially similar to the phase EO modulator 30 shown in FIG. 3A. These EO modulators are linearly arranged in the y direction with variable intervals between the modulators. Spacing between the outputs of the EO modulators is achieved by bending the EO modulator 30C as shown for all waveguides within each EO modulator. The phase difference caused by the distance between each of the EO modulators, the termination of each EO modulator in the z-direction, and the modulation of the electro-optic region causes a phase difference between the outputs. The output is characterized by profile 308A. This profile 308A shows the luminance distribution caused by constructive and destructive interference in the y direction based on the phase difference produced by the linear array of EO modulators. A profile 308B indicated by a broken line indicates another luminance profile. This luminance profile is characterized by a flat distribution at the top, which is achievable by phase modulation of the EO modulator, i.e. a flat distribution at the top in the y direction.

図３Ｆは、ジョグド導波路カプラー３５を模式的に示している。ジョグド導波路カプラー３５は、導波路に沿った断面図で示されている。導波路カプラー３５は、屈折率勾配３１０Ａ内へ移行する導波路３０２で特徴付けられる。屈折率勾配３１０Ａは、光を電気光学領域へ屈折させ、これによって、導波路からの光を屈曲させ電気光学領域へ導く。電気光学領域は誘電体クラッド層１１８Ａ，１１８Ｂで囲まれ、誘電体クラッド層１１８Ｂが導波路３０２となる。両誘電体クラッド層は誘電体バッファ層１１４Ａ，１１４Ｂで囲まれ、これらはそれぞれ電極１１２Ａ，１１２Ｂに接触している。光は電気光学領域を通過して、屈折率勾配３１０Ｂを経由して導波路に戻る。ジョグド導波路カプラーにより、導波路から独立して電気光学領域を形成することが可能となり、異なる幾何構造の設計が可能となる。その結果、電気光学領域の異なる形態の設計が行える。 FIG. 3F schematically shows a jogd waveguide coupler 35. The jog waveguide coupler 35 is shown in a cross-sectional view along the waveguide. The waveguide coupler 35 is characterized by a waveguide 302 that transitions into the refractive index gradient 310A. The refractive index gradient 310A refracts light into the electro-optic region, thereby bending light from the waveguide and guiding it to the electro-optic region. The electro-optic region is surrounded by the dielectric cladding layers 118A and 118B, and the dielectric cladding layer 118B becomes the waveguide 302. Both dielectric cladding layers are surrounded by dielectric buffer layers 114A and 114B, which are in contact with the electrodes 112A and 112B, respectively. The light passes through the electro-optic region and returns to the waveguide via the refractive index gradient 310B. The jogged waveguide coupler allows the electro-optic region to be formed independently of the waveguide, and allows different geometric structures to be designed. As a result, different forms of electro-optic regions can be designed.

図３Ｇはストレート導波路カプラー３６を模式的に示している。ストレート導波路カプラー３６は導波路カプラー３５と類似しているが、以下の点で異なる。すなわち、導波路カプラー３６は導波路３０２からの光を、ストレートな屈折率勾配３１２Ａを経由して電気光学領域へ真っ直ぐに結合し、ストレートな屈折率勾配３１２Ｂを経由して当該電気光学領域から出力させる。ジョグド導波路カプラーとストレート導波路カプラーは共に、ここに説明した電気光学領域へ光を結合するために利用することができる。 FIG. 3G schematically shows a straight waveguide coupler 36. The straight waveguide coupler 36 is similar to the waveguide coupler 35 except for the following points. That is, the waveguide coupler 36 straightly couples light from the waveguide 302 to the electro-optic region via the straight refractive index gradient 312A, and outputs from the electro-optic region via the straight refractive index gradient 312B. Let Both jogged waveguide couplers and straight waveguide couplers can be used to couple light into the electro-optic region described herein.

図４Ａは、ＥＯ変調器４０の２次元位相アレイを模式的に示した部分断面斜視図である。ＥＯ変調器４０は、下付のｘ−ｙ表示で示した複数のＥＯ変調器を備える。例えば、ＥＯ変調器３０１１，３０１２，３０１３，３０１４はすべてほぼ同じｙ座標に位置している。同様に、ＥＯ変調器３０１４，３０２４，３０３４，３０４４はすべてほぼ同じｘ座標に位置している。図示のためにすべてのＥＯ変調器に参照符号を付していないが、以下の説明から、任意の特定のＥＯ変調器を識別することが可能である。表示３０ｘｙが付されたＥＯ変調器への参照は、数字表示３０ｘｙで複数の参照が行われる。ＥＯ変調器３０ｘｙはすべて、図３Ａに示し、ＥＯ変調器３０１１で例示したＥＯ変調器３０と実質的に同様である。ＥＯ変調器３０ｘｙは、グリッド状、放射状、および、図３Ｅのリニアアレイで示したものと同様に種々の間隔で配置することができる。ＥＯ変調器の位置および各々間の間隔によって位相アレイが定まる。この位相アレイは、放射パターンを発生することができ、かつ、個々のＥＯ変調器の変調により位相を変調することにより、強め合う干渉および弱め合う干渉を介して、それらの放射パターンを変更することができる。 FIG. 4A is a partial cross-sectional perspective view schematically showing a two-dimensional phase array of the EO modulator 40. The EO modulator 40 includes a plurality of EO modulators indicated by subscript xy display. For example, the EO modulators 30 11 , 30 12 , 30 13 , and 30 14 are all located at substantially the same y coordinate. Similarly, the EO modulators 30 14 , 30 24 , 30 34 and 30 44 are all located at substantially the same x coordinate. Although not all EO modulators are labeled for illustration purposes, any particular EO modulator can be identified from the following description. The reference to the EO modulator with the display 30xy is referred to by the numerical display 30xy. All EO modulator 30xy is shown in FIG. 3A, is substantially similar to the EO modulator 30 illustrated in EO modulator 30 11. The EO modulators 30xy can be arranged in a grid, radial, and various spacings similar to those shown in the linear array of FIG. 3E. The phase array is determined by the position of the EO modulator and the spacing between them. This phase array is capable of generating radiation patterns and altering them through constructive and destructive interference by modulating the phase by modulation of individual EO modulators Can do.

図４Ｂは、図４Ａに示したものに、インクジェット印刷されたレンズアレイを追加したものを模式的に示す断面図である。光学変調器４１は、図４Ａに示したＥＯ変調器４０に示したものと同様のＥＯ変調器を備える。ＥＯ変調器４１はさらにレンズアレイ４０２を備える。レンズアレイ４０２は、ＥＯ変調器の一部として印刷された、インクジェット印刷勾配屈折率（GRIN： gradient refractive-index）レンズアレイである。レンズアレイ４０２は、図示された個々のＥＯ変調器４０４１４，４０４２４，４０４３４，４０４４４に対する個々のＧＲＩＮレンズを備える。各ＧＲＩＮレンズは、グレースケールで特徴付けられ、濃度が濃いほどその領域はより高い屈折率、ひいてはナノ粒子のより高い濃度を表している。ＥＯ変調器は機能的には図４ＡのＥＯ変調器４０と同様であるが、ビーム４４０Ａ，４４０Ｂ，４４０Ｃ，４４０Ｄで例示された光放射はそれぞれの各ビームのＧＲＩＮレンズにより方向付けられる。 FIG. 4B is a cross-sectional view schematically showing a configuration in which an inkjet printed lens array is added to the configuration shown in FIG. 4A. The optical modulator 41 includes an EO modulator similar to that shown in the EO modulator 40 shown in FIG. 4A. The EO modulator 41 further includes a lens array 402. The lens array 402 is an inkjet print gradient refractive index (GRIN) lens array printed as part of an EO modulator. The lens array 402 comprises individual GRIN lenses for the individual EO modulators 404 14 , 404 24 , 404 34 , 404 44 shown . Each GRIN lens is characterized by a gray scale, the darker the region, the higher the refractive index and thus the higher the concentration of nanoparticles. The EO modulator is functionally similar to the EO modulator 40 of FIG. 4A, but the light radiation illustrated by the beams 440A, 440B, 440C, 440D is directed by the GRIN lens of each respective beam.

図５Ａおよび図５Ｂは、本発明によるランダム位相電気光学変調器５０を模式的に示している。図５Ａはその斜視図であり、図５Ｂは断面図である。ランダム位相電気光学変調器５０は電気光学領域５０２を有する。この電気光学領域５０２は円形状（circular）であり、光ビームの入射および射出を可能とする開口（an open aperture）を有している。電気光学領域５０２は、誘電体層１１８の内部に電気光学材料５０４がランダムに分布した複数のポケットを有し、このランダム位相ＥＯ変調器に入る光は電気光学材料５０４の少なくとも一部を透過するようになっている。電気光学領域５０２は、電気光学領域５０２の全周において誘電体バッファ層１１４で囲まれている。電極１１２Ａ，１１２Ｂ，１１２Ｃ，１１２Ｄはこの電気光学領域の周囲に均等の間隔で、間に当該バッファ層を挟んで配置されている。電極１１２Ａ，１１２Ｂ，１１２Ｃ，１１２Ｄのいずれかまたは組み合わせに対して電気信号が印加されると、ランダムに位置する電気光学材料５０４の変調が生じる。電極１１２Ｃは一例として接地されている。電極１１２Ａ，１１２Ｂまたは１１２Ｄに対する高周波変調、混合ランダム信号発生（mixed random signals generation）、またはこれらの組み合わせにより、ランダム位相変調器に入射して射出する光をランダムに位相変調することができる。説明した他のＥＯ変調器に比べて、より大きなサイズのランダム位相電気光学変調器には大きなポテンシャルが必要とされる。 5A and 5B schematically show a random phase electro-optic modulator 50 according to the present invention. FIG. 5A is a perspective view and FIG. 5B is a cross-sectional view. The random phase electro-optic modulator 50 has an electro-optic region 502. The electro-optic region 502 is circular, and has an open aperture that allows the light beam to enter and exit. The electro-optic region 502 has a plurality of pockets in which the electro-optic material 504 is randomly distributed inside the dielectric layer 118, and light entering the random phase EO modulator is transmitted through at least a part of the electro-optic material 504. It is like that. The electro-optic region 502 is surrounded by the dielectric buffer layer 114 all around the electro-optic region 502. The electrodes 112A, 112B, 112C, and 112D are arranged at equal intervals around the electro-optical region with the buffer layer interposed therebetween. When an electric signal is applied to any one or combination of the electrodes 112A, 112B, 112C, and 112D, modulation of the electro-optic material 504 positioned at random occurs. The electrode 112C is grounded as an example. By high frequency modulation on the electrodes 112A, 112B or 112D, mixed random signals generation, or a combination thereof, the light entering and exiting the random phase modulator can be randomly phase modulated. Compared to the other described EO modulators, larger sized random phase electro-optic modulators require greater potential.

図６Ａおよび図６Ｂは、本発明によるビームステアリングＥＯ変調器３０を模式的に示している。図６Ａを参照すると、電気光学領域１１６は、勾配屈折率プロファイルを有し、電極１１２Ａ，１１２Ｂ間に電場が印加されている。この勾配屈折率プロファイルは、当該電気光学領域内の共重合体（copolymer）の濃度が変化していることに起因する。光ビーム６３０Ａは、電気光学領域を通して屈折され、角度をもって射出している。図６Ｂを参照すると、電場が印加されておらず、電気光学領域には屈折率勾配が発生していない。光ビーム６３０Ｂは、電気光学領域を通過して、この光が入射した角度と同じ角度で射出する。 6A and 6B schematically show a beam steering EO modulator 30 according to the present invention. Referring to FIG. 6A, the electro-optic region 116 has a gradient refractive index profile, and an electric field is applied between the electrodes 112A and 112B. This gradient refractive index profile results from the change in the concentration of the copolymer in the electro-optic region. Light beam 630A is refracted through the electro-optic region and exits at an angle. Referring to FIG. 6B, no electric field is applied, and no refractive index gradient is generated in the electro-optic region. The light beam 630B passes through the electro-optic region and exits at the same angle as the incident light.

ここに提示した本発明の説明から、当業者は、本発明により、ＥＯ変調器を設計することができ、記述された応用例におけるそれらを具現化することができる。本発明が関与する当業者は、本発明の光学素子および作製方法の上述した実施例が特定の構造や被着技術を用いた例示であって、本発明の精神や範囲を逸脱することなくその他の利用を行うことが可能であることが理解されよう。 From the description of the invention presented herein, one skilled in the art can design EO modulators according to the present invention and embody them in the described applications. Those skilled in the art to which the present invention is concerned will recognize that the above-described embodiments of the optical element and fabrication method of the present invention are examples using specific structures and deposition techniques, and others without departing from the spirit and scope of the present invention. It will be understood that it is possible to make use of.

要するに、以上、本発明は特定の実施例について説明した。しかし、本発明はここに説明し図示した実施例に限定されるものではない。むしろ、本発明は付属の特許請求の範囲によってのみ限定される。 In short, the present invention has been described with reference to particular embodiments. However, the invention is not limited to the embodiments described and illustrated herein. Rather, the present invention is limited only by the accompanying claims.

Claims (25)

２次非線形特性を示す電気光学材料を備えた、光学透過性ベース位相シフト効果のための光学的に透明な電気光学領域と、
少なくとも１層が前記電気光学領域に接触した１または複数の誘電体層と、
前記電気光学領域に近接した１または複数の電極とを備え、
上述した複数の要素の少なくとも１つは、体積比約０．２５％から約７０％のナノ粒子が充填されている硬化されたナノ複合材料であり、上述した複数の要素の少なくとも１つは光学伝播を変更するためのナノ粒子が充填されている
ナノ複合材料変調装置。 An optically transparent electro-optic region for an optically transmissive base phase shift effect comprising an electro-optic material exhibiting second order nonlinear properties;
One or more dielectric layers with at least one layer in contact with the electro-optic region;
One or more electrodes proximate to the electro-optic region,
At least one of the plurality of elements described above is a cured nanocomposite material filled with about 0.25% to about 70% volume ratio of nanoparticles, and at least one of the plurality of elements described above is optical A nanocomposite modulator that is filled with nanoparticles to change propagation. 前記複数の電極の１または複数は前記誘電体層の１または複数と接触し、前記誘電体層は、その絶縁耐力を増加させる、ナノ粒子が充填されたバッファ層である請求項１に記載の装置。   The one or more of the plurality of electrodes are in contact with one or more of the dielectric layers, and the dielectric layer is a buffer layer filled with nanoparticles that increases its dielectric strength. apparatus. 前記複数の誘電体層の１または複数の層において、当該誘電体層の有機ホスト材料内に発色団が充填され、電気伝導度が増進された請求項１に記載の装置。   The device of claim 1, wherein in one or more of the plurality of dielectric layers, the organic host material of the dielectric layer is filled with a chromophore to enhance electrical conductivity. 前記電気光学領域は、電気光学特性を示さない透明有機材料内の電気光学材料の複数のポケットとしてランダムに分布されている請求項１に記載の装置。   The apparatus of claim 1, wherein the electro-optic region is randomly distributed as a plurality of pockets of electro-optic material in a transparent organic material that does not exhibit electro-optic properties. 前記電気光学領域の変調が光ビームの射出角度を変調する請求項１に記載の装置。   The apparatus of claim 1, wherein the modulation of the electro-optic region modulates the light beam emission angle. 基板をさらに備え、前記基板はウエハ、ＰＣＢボード、または電子回路付きの他のデバイスである請求項１に記載の装置。   The apparatus of claim 1, further comprising a substrate, wherein the substrate is a wafer, a PCB board, or other device with electronic circuitry. 加熱素子をさらに備え、前記加熱素子は前記電気光学領域に近接し、前記加熱素子からの熱が前記電気光学領域の屈折率を変化させる請求項１に記載の装置。   The apparatus of claim 1, further comprising a heating element, wherein the heating element is proximate to the electro-optic region, and heat from the heating element changes a refractive index of the electro-optic region. 前記電気光学領域に接触している前記誘電体層はクラッド層であり、前記クラッド層と電気光学領域とが単一モード電気光学導波路を形成する請求項１に記載の装置。   The apparatus of claim 1, wherein the dielectric layer in contact with the electro-optic region is a cladding layer, and the cladding layer and the electro-optic region form a single mode electro-optic waveguide. 光放射を第１のアームおよび第２のアームに分割する他の導波路をさらに備え、前記第１のアームは前記電気光学導波路を有し、前記第１および第２のアームは再結合する請求項８に記載の装置。   There is further provided another waveguide for dividing the optical radiation into the first arm and the second arm, the first arm having the electro-optic waveguide, and the first and second arms recombining. The apparatus according to claim 8. 導波路カプラーをさらに備え、前記導波路カプラーは導波路からの光を電気光学領域へ向ける請求項８に記載の装置。   9. The apparatus of claim 8, further comprising a waveguide coupler, wherein the waveguide coupler directs light from the waveguide to the electro-optic region. 前記導波路カプラーは屈折率勾配領域を有し、前記屈折率勾配領域は前記導波路と前記電気光学領域との間の損失を軽減する請求項１０に記載の装置。   The apparatus of claim 10, wherein the waveguide coupler has a refractive index gradient region, the refractive index gradient region mitigating losses between the waveguide and the electro-optic region. 前記電気光学領域のサイズおよび屈折率は、前記導波路と前記電気光学領域との間の導波路モード不一致損失を軽減する請求項１０に記載の装置。   The apparatus of claim 10, wherein the size and refractive index of the electro-optic region reduces waveguide mode mismatch loss between the waveguide and the electro-optic region. ２次光学非線形特性を示す電気光学材料を備えた、光学透過性ベース位相シフト効果のための複数の透明な電気光学領域と、
１または複数のクラッド層の複数組であって、複数組のそれぞれの前記複数の誘電体層の少なくとも１層は当該それぞれの前記電気光学領域に接触している複数組のクラッド層と、
１または複数の電極の複数組であって、複数組のそれぞれの前記電極は当該それぞれの前記電気光学領域に近接している複数組の電極とを備え、
各組の上述した要素の少なくとも１つは、体積比約０．２５％から約７０％のナノ粒子が充填されている硬化されたナノ複合材料インクであり、上述した要素の一つは光学伝播を変更するために充填されたナノ粒子を有し、複数のＥＯ変調器が形成される
ナノ複合材料光学変調装置。 A plurality of transparent electro-optic regions for an optically transmissive base phase shift effect comprising an electro-optic material exhibiting second order optical nonlinear properties;
A plurality of sets of one or a plurality of cladding layers, wherein at least one of the plurality of dielectric layers is in contact with the respective electro-optic region; and
A plurality of sets of one or a plurality of electrodes, each of the plurality of sets comprising a plurality of sets of electrodes proximate to the respective electro-optic region;
At least one of the above-described elements in each set is a cured nanocomposite ink that is filled with about 0.25% to about 70% by volume of nanoparticles, and one of the above-described elements is optical propagation. A nanocomposite optical modulator comprising a nanoparticle filled to modify the EO modulator, wherein a plurality of EO modulators are formed. 導波路カプラーをさらに備え、前記導波路カプラーは導波路からの光を前記電気光学領域へ向ける請求項１３に記載の装置。   The apparatus of claim 13, further comprising a waveguide coupler, wherein the waveguide coupler directs light from the waveguide to the electro-optic region. 前記複数の誘電体層の１または複数の層において、当該誘電体層の有機ホスト材料内に発色団が充填され、電気伝導度が増進された請求項１３に記載の装置。   14. The device of claim 13, wherein in one or more of the plurality of dielectric layers, the organic host material of the dielectric layer is filled with a chromophore to enhance electrical conductivity. 基板をさらに備え、前記基板はウエハ、ＰＣＢボード、または電子回路付きの他のデバイスである請求項１３に記載の装置。   The apparatus of claim 13, further comprising a substrate, wherein the substrate is a wafer, a PCB board, or other device with electronic circuitry. 各ＥＯ変調器について、前記電気光学領域に接触している前記複数の誘電体層の１または複数はクラッド層であり、前記クラッド層と前記電気光学領域とが単一モード電気光学導波路を形成する請求項１３に記載の装置。   For each EO modulator, one or more of the plurality of dielectric layers in contact with the electro-optic region is a cladding layer, and the cladding layer and the electro-optic region form a single mode electro-optic waveguide The apparatus of claim 13. 導波路スプリッタをさらに備え、前記導波路スプリッタは光放射を第１のアームおよび第２のアームに分割し、両アームは単一の導波路内へ再結合し、前記第１のアームおよび第２のアームは各々前記電気光学領域の少なくとも１つを有する請求項１７に記載の装置。   A waveguide splitter, wherein the waveguide splitter divides the light radiation into a first arm and a second arm, both arms recombining into a single waveguide, the first arm and the second arm; The apparatus of claim 17, wherein each of the arms has at least one of the electro-optic regions. 前記複数の電気光学導波路は、２次元プレーン内で方向付けられる請求項１７に記載の装置。   The apparatus of claim 17, wherein the plurality of electro-optic waveguides are oriented in a two-dimensional plane. 前記複数の導波路は３次元アレイ電気光学位相アレイを構成する請求項１７に記載の装置。   The apparatus of claim 17, wherein the plurality of waveguides comprise a three-dimensional array electro-optic phase array. 前記複数のＥＯ変調器に対応する複数のＧＲＩＮレンズを有するＧＲＩＮレンズアレイをさらに備え、前記ＧＲＩＮレンズは、前記ＥＯ変調器からの光を方向付ける請求項２０に記載の装置。   21. The apparatus of claim 20, further comprising a GRIN lens array having a plurality of GRIN lenses corresponding to the plurality of EO modulators, the GRIN lenses directing light from the EO modulator. それぞれの複数のＥＯ変調器の各々に対して導波路カプラーをさらに備え、前記導波路カプラーは複数のＥＯ変調器の各々内の電気光学領域内へ光を向ける請求項１７に記載の装置。   18. The apparatus of claim 17, further comprising a waveguide coupler for each of a plurality of EO modulators, the waveguide coupler directing light into an electro-optic region within each of the plurality of EO modulators. 前記導波路カプラーはジョグド導波路カプラーである請求項２２に記載の装置。   23. The apparatus of claim 22, wherein the waveguide coupler is a jogged waveguide coupler. 前記電気光学領域のサイズおよび屈折率は、前記導波路と前記電気光学領域との間の導波路モード不一致損失を軽減する請求項２２に記載の装置。   23. The apparatus of claim 22, wherein the size and refractive index of the electro-optic region reduces waveguide mode mismatch loss between the waveguide and the electro-optic region. 前記複数のＥＯ変調器の各々に対して加熱素子をさらに備え、前記加熱素子からの熱はそれぞれのＥＯ変調器内の電気光学領域の屈折率を変化させる請求項１７に記載の装置。   The apparatus according to claim 17, further comprising a heating element for each of the plurality of EO modulators, wherein heat from the heating element changes a refractive index of an electro-optic region in each EO modulator.
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