JP2016206343A - 光偏向器 - Google Patents

Abstract

【課題】偏向ビーム断面内で不均一な光偏向を生じさせる光偏向器において、偏向ビーム断面内の偏向量不均一性を補償した光偏向器を提供する。【解決手段】電気光学結晶基板の入射側の光ビーム経路上の基板面に、光ビーム経路を挟んで２つの電極からなる電極対を設け、出射側の光ビーム経路上の反対側基板面に、光ビーム経路を挟んで２つの電極からなる電極対を設け、前記２つの電極対からなる電極構造を光経路に沿って１または複数設けた光偏向器。【選択図】図３

Description

本発明は、光偏向器に関し、より詳細には、電気光学効果による電気光学結晶内部の屈折率分布の変化を用いた光偏向器であって、光偏向量が光ビーム断面内で均一となる光偏向器に関する。

従来、光の向きを変える光デバイスである光偏向器は、プロジェクタの表示素子、レーザプリンタ、高分解能な共焦点顕微鏡、バーコードリーダ等など様々な分野において用いられている。

光偏向器としては、ポリゴンミラーを回転させる技術、ガルバノミラーにより光の偏向方向を制御する技術、MEMS(Micro Electro Mechanical System)を用いたものが広く使用されている。これらの方式では、機械的にミラーを駆動するので、高速での光偏向には限界があった。

そこで、電界を印加することにより偏向を行うことができる、電気光学効果を有する材料を用いた光スイッチや光偏向器が考案されている。

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の屈折率が変化し、ビームを偏向させることができる。

近年、特定の電気光学効果を示す結晶において、電圧印加時に結晶内に空間電荷分布が形成され、それによる非一様な電界分布が屈折率の勾配を誘起し、この勾配に直交する光線の進路を屈曲させる現象が見いだされた。

電気光学結晶に対してオーミック接触となるような電極を形成し、この電極に電圧を印加すると、電気光学結晶に電荷が注入され、空間電荷制御状態となり、結晶内部に電界の傾斜が生ずる。電界の傾斜は、屈折率の傾斜を生じさせ、結晶を透過する光のビームを偏向させることができる（例えば、下記特許文献1参照）。

このような電気光学結晶においては、結晶内の全箇所が偏向作用を担うので、光線の伝搬経路上の各所での作用が累積され、偏向された光が結晶から出射される。その結果、高速動作が可能で、かつ、偏向角の変化を大きく取れるという特長を有する。

（従来の平面光偏向器の構成）
この電気光学結晶内の屈折率傾斜を利用した従来の光偏向器の一形態として、ＫＴＮ（ＫＴａ_1-xＮｂ_xＯ₃, 0≦x≦1）結晶、またはＫＴＮ結晶にリチウムを添加したＫＬＴＮ（Ｋ_1-yＬｉ_yＴａ_1-xＮｂ_xＯ₃, 0≦x≦1、0≦y≦1）結晶（以下、合わせてＫＴＮ結晶という）を用いて、図１に示すような電極を同一結晶面上に配置した平面光偏向器が考案され、光偏向動作が実現されている（下記非特許文献1参照）。

図１の電気光学結晶を利用した従来の光偏向器においては、平板状の電気光学結晶基板100の手前側側面中央からｙ軸方向に入射光106の光ビームを入射し、反対側の基板側面から基板面内のｘ軸方向に偏向された光ビームを出射する。

電気光学結晶基板100の基板面上面には、入射光106の光ビーム経路上に、経路をはさんで二つの電極101,102からなる電極対を設けてあり、二つの電極101,102間に電圧を印加することにより、電気光学結晶100内に電界を発生し、電界により電気光学結晶内に生じる屈折率傾斜を利用して、図示のように入射光106の出射方向を偏向させることができる。

この従来例の平面光偏向器では、電極下、偏向と直交方向の結晶厚を削減し、ビーム径維持に必要な電極間距離を確保しているので、電極が対向面上に配置されている従来の光偏向器と比較して、偏向角度を同等にしたまま、光偏向器の静電容量を大幅に低減できる特徴を有している。

このために、高周波動作時における誘電損も大幅に低減でき、誘電損に伴う発熱も大幅に低減できる。

なお、KTN結晶の誘電率は温度に大きく依存し、また偏向特性が誘電率に大きく影響を受けることから、偏向動作時にはKTN結晶の温度を一定に保持することが安定動作を得る上で重要である。この点から、平面光偏向器は高周波動作に適した光偏向器であると言える。

国際公開第２００６／１３７４０８号パンフレット 特開２０１２−１５０４０９号公報

辰己 詔子、他5名 "高周波動作へ向けた新構造KTN平面光偏向器" 第62回応用物理学会春季学術講演会 、11p-A13-5、2015年3月 Shogo Yagia et.al., "Improvement of Coherence Length in a 200-kHz Swept Light Source equipped with a KTN Deflector" Proc. of SPIE Vol. 8213, Optical Coherence Tomography and Coherence Domain Optical Methods in Biomedicine XVI, 821333 (February 9, 2012) J. Miyazu et al., "New beam scanning model for high-speed operation using KTa1-xNbxO3 Crystals", APEX, Vol. 4, Issue 11, pp. 115101-1-111501-3, 2011.

一方、従来の平面光偏向器による偏向光ビームのビーム断面内での偏向量については、結晶厚が増大した際には結晶内の屈折率傾斜量のｚ軸方向の不均一さを反映して、均一にならないという課題があった。

（従来の平面光偏向器内部の電界分布）
図２に図1の従来の平面光偏向器の、入射光106のビーム断面（ｘ−ｚ面）でみた、x軸方向の電界強度の分布を示す。基板厚みのｚ軸方向に下に電極面から遠ざかるにつれて、x軸方向の電界強度が減少しており、中央の入射光のビーム断面領域内においても電界強度が変化していることがわかる。

結晶厚が厚くなるにつれてこの傾向が顕著となり、ビーム断面領域内における偏向角がばらつくため、大きな入射ビーム光の使用が制限されていた。

このため、例えばレーザプリンタ等では感光体の面内において、ビームスポット形状が光偏向器によって変化してしまい、露光状態が劣化してしまうという問題もあった。

また、例えば上記非特許文献２で記述されている波長掃引光源においては、波長選択性のビーム断面内で不均一となり、つまりは波長選択性がゆるやかになり、安定したレーザ発振が得られにくいという問題もあった。

ＫＴＮ結晶のトラップに充填された電子密度をＮ_trapとすると、このＫＴＮ結晶を光信号が通過するときに得られる偏向角は、次式（１）で表される（上記非特許文献３）。

上式において、偏向角θは偏向電圧として正弦波を印加したときのｘ軸方向についての最大偏向角振れ幅である。ｎはＫＴＮの屈折率であり、Ｌは図１におけるy軸方向の電極の長さである。ｇ₁₁は電気光学定数であり、ｅは電気素量、εは誘電率である。

また、Eは結晶内部x軸方向の電界強度である。上式で表されるように、偏向量が電界に比例するので、ビーム断面内で電界強度Eが分布している際には、偏向器透過後の偏向ビームが断面内で均一に偏向しないことになる。

電気光学結晶内への電子注入を利用した光偏向の際には、電界強度が均一な場合でも偏向光ビームが集光されるレンズ効果もあらわれるが、結晶外部に補償用のレンズを配置することで、ビーム形状を補正することが可能である。(上記特許文献２)

しかしながら、偏向と直交するビーム断面内において電界強度が不均一な場合には、ビーム断面内で偏向量そのものが一定でなくなってしまう。

ビーム断面内で連続的に偏向量が変化するので、ビーム断面内各点においてレンズ効果の量が異なることになり、つまりは収差を生じさせる。

付加光学系で上記のレンズ効果と偏向量の不均一性による収差を補正するには複雑、大規模なレンズ構成が必要になってしまうという課題があった。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、偏向ビーム断面内で不均一な光偏向を生じさせる光偏向器において、偏向ビーム断面内の偏向量不均一性を補償した光偏向器を提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明として、
電気光学結晶基板の一側面から光ビームを入射し、反対側側面から基板面内方向に偏向された光ビームを出射する光偏向器であって、
入射側の光ビーム経路上の基板面に、光ビーム経路を挟んで２つの電極からなる電極対を設け、
出射側の光ビーム経路下の反対側基板面に、光ビーム経路を挟んで２つの電極からなる電極対を設け、
前記２つの電極対からなる電極構造を光経路に沿って１または複数設けたことを特徴とする光偏向器。
としたものである。

以上の構成を有する本発明の光偏向器は、同一面上に電極対が配置された光偏向器を2つ以上用いることにより、偏向される光ビームの偏向量をビーム断面内において均一に保つことができる。

従来の平面光偏向器の構成を示す図である。 従来の平面光偏向器内部の電界分布を示す図である。 本発明の一実施形態にかかる光偏向器の構成を示す図である。 本発明の一実施形態にかかる光偏向器の側面図である。 実施例１にかかる光偏向器の構成を示す図である。 実施例１における結晶厚み方向の偏向量分布を従来例と対比して示す図である。 実施例２にかかる光偏向器の構成を示す図である。 実施例３にかかる光偏向器の構成を示す図である。

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。

（本発明の光偏向器の実施形態）
図３は、本発明の光偏向器の実施形態の構成を示す図である。

また図４は、図３の本発明の光偏向器において、入射光306の光ビーム方向を含むｙ−ｚ平面の基板断面にあたる側面図である。

本実施形態では、光偏向器として電気光学効果結晶基板300を用いる。
電気光学結晶としては、例えば前記特許文献２に開示されているような電気光学結晶を用いることができる。

前記特許文献２に記載されているように、このKTN結晶や、さらにリチウムをドープしたKLTN結晶では、電圧印加による電界に伴って、結晶に電荷の注入が行なわれる。

電圧印加のための電極として、電気光学結晶基板300の基板面（図３の基板上面）の入射側の光ビーム経路上に、入射光経路を挟んで２つの金属電極302、303からなる電極対を設ける。また、この面とは反対の基板面（図３の基板下面）の光ビーム経路下の出射側には、同様に光ビーム経路を挟んで２つの金属電極304、305からなる電極対を設ける。

これら２つの電極対からなる構造をまとめて、一つの電極構造を構成するものとする。

これらの電極構造を構成する各電極対に対してそれぞれ、結晶内への電荷の注入、または光偏向のため、電極対を構成する電極間に電圧を印加する。電圧印加時には、結晶内に、注入電荷の形成する空間電荷分布、または、注入電荷がさらに電気光学結晶中に捕捉されて生成されるトラップ電荷分布が生じる。

そして、この電荷分布による非一様な電界分布が屈折率の勾配を惹起し、この勾配に直交する光線の進路を屈曲させる現象が生じる。

xy平面内y軸方向に、電気光学結晶基板300の手前側側面中央から、図示のように入射光306の光ビームを入射すると、電極対を構成する電極302,303間に印加された電圧によって電気光学結晶基板内に発生するx軸方向の電界により、入射光306はx軸方向に偏向する。

ただし、従来例に関して図２で前述の通り、x軸方向の電界強度はz軸方向（基板厚み方向）の位置に依存し、同一のｙ−ｚ平面内でも電極から遠ざかるほど電界強度は減少してしまう。その結果、入射側の電極対を構成する電極間302,303のみによる光偏向では、光ビーム断面内において偏向量が一定ではなく、光ビームの断面形状が変化してしまう。

これを補正するために、本実施形態では、入射光306の光ビームを電極302,303間の電界によって偏向した後に、電極302,303と反対面（図３の基板裏面、下面）の出射側に形成された電極304,305からなる電極対間の電界によって更に偏向する。

電極304,305は電極302,303と反対面に形成されているが、印加する電圧は電極302,303間および304,305間でｘ軸方向に同じ向きで電界が発生する様に印加する。これによって光ビーム306が、電極302,303間を透過する際の偏向方向と、電極304,305を透過する際の偏向方向が同様になり、偏向量を加算的に大きくすることができる。

入射光のビーム断面内の偏向量は、電極近傍で大きくなり、ｚ軸方向に電極から遠ざかるにつれて小さくなる。したがって、電極302,303間をビームが透過する際に、ビーム断面内の電極302,303が形成されている上面近傍では、下面近傍に比べて偏向量が大きくなる。

一方、電極304,305間をビームが透過する際には、電極304,305が形成されている下面近傍の偏向量が、上面近傍より大きくなる。つまり、ビーム断面内における偏向量の分布を光偏向器の前半と後半で逆転させることによって、ビーム断面内の偏向量分布を打ち消し、偏向量の均一性を向上させることができる。

以上の実施形態では、同一電気光学結晶基板上の対向する面の入射光経路に沿って異なる位置に2対の電極を形成したが、本発明の意図するところは、ビーム断面内の偏向量の分布が逆転している光偏向を利用することである。つまり、２つ以上の個別の電気光学結晶基板をビーム経路に沿って交互に電極面が反対になるように配置し、同様の光偏向動作によりビーム断面内の偏向均一性を向上させることも可能である。

次に、上述の本発明の光偏向器に関して、より具体的な実施例を述べる。

［実施例1］
図５を参照して、本発明の第一の実施例を説明する。

第一の実施例では、ＫＴＮ結晶（ＫＬＴＮ結晶）を用いた光偏向器を作製した。ここでＫＴＮ結晶基板500のサイズは４ｘ３．２ｘ０．３ｍｍ³となるよう加工し、４ｘ３．２ｍｍ²の表裏２面にTi/Pt/Auの電極を蒸着し２組の電極対を作製した。電極サイズは２ｘ１ｍｍ²、同一面の電極間距離は１ｍｍである。

この電極対のサイズでは、光系路上に沿って表裏２組の電極対の重なる部分は存在しないが、部分的に重なるように構成しても良いことはもちろんである。

この結晶の誘電率が立方晶領域で１７,５００となるように温調した。

結晶内への電子を注入し、トラップサイトに捕獲させるために、電極503,505を接地し、電極502および504にDC電圧を10秒ずつ印加した。DC電圧の振幅は、＋３５０Vの電圧を１０秒印加し、その後−３５０Vの電圧を１０秒印加した。続いて、電極対それぞれに振幅350Ｖ、周波数200kHzの正弦波状のAC電圧を印加した。２つの電極対による偏向角が最大となるように、印加AC電圧は同位相とした。

入射光506として、電界の振動がx軸方向に平行な偏波の光ビームをｙ軸に沿って、結晶基板側面のz方向基板厚み中央かつｘ方向電極間中央の位置にに入射した。入射光は結晶内を伝搬するに伴って、xy平面内、x軸方向に±16.5ｍｒａｄ(=±0.95°)の範囲で偏向された。

（結晶厚み方向の偏向量分布）
図６は電極間中央における、結晶厚み方向の偏向量分布を従来構成と本実施例で対比して示す図である。従来構成は、同一面に一組の電極対を作製し、サイズが４ｘ１ｍｍ²である。この電極間に、本実施例と同様の電圧を印加した。従来構成の電極面を結晶内位置厚み方向の原点としている。

従来構成では、電界強度分布が厚み方向で減少してしまい、ビーム断面内での偏向量も減少し、不均一性が顕著である（偏向量の面内分布：3mrad）が、本実施例では結晶厚み方向にわたって均一な偏向量（偏向量の面内分布：0.6mrad）が得られた。

従来構造では、電界強度分布が厚み方向で減少してしまい、ビーム断面内での偏向量も減少し、不均一性が顕著であるが、本実施形態では結晶厚み方向にわたって均一な偏向量が得られたことが判る。

［実施例2］
図７に本発明の第２の実施例を説明する。

第２の実施例においては、2つの別体のＫＴＮ結晶（ＫＬＴＮ結晶）基板710,720を用いた光偏向器を作製した。

ここで各ＫＴＮ結晶710,720それぞれのサイズは２ｘ３．２ｘ０．３ｍｍ³となるよう加工し、２ｘ３．２ｍｍ²の面にTi/Pt/Auを蒸着し２組の電極対712,713、724,725を作製した。電極サイズは２ｘ１ｍｍ²、同一面の電極間距離は１ｍｍである。

本実施例２では、2つの別体のＫＴＮ結晶（ＫＬＴＮ結晶）710,720を独立して温調することが可能であるので、結晶組成のK、Li、Ta、Nbが若干異なる２つのＫＴＮ結晶（ＫＬＴＮ結晶）を利用することが可能である。

本実施例２では、２つのＫＴＮ結晶710,720の誘電率がそれぞれ立方晶領域で１７,５００となるように個別に温調した。２つのＫＴＮ結晶は光の伝搬方向に０．５ｍｍの間隔で直列に、かつ、偏向動作をしない際に入射光が基板幅ｘ方向電極対中央かつz方向基板厚み中央を透過するように配置した。

本実施例２においても、結晶内への電子を注入し、トラップサイトに捕獲させるために、電極713,725を接地し、電極712および724にDC電圧を10秒ずつ印加した。
DC電圧の振幅は、＋３５０Vの電圧を１０秒印加し、その後−３５０Vの電圧を１０秒印加した。続いて、電極対それぞれに振幅350Ｖ、周波数200kHzの正弦波状のAC電圧を印加した。２つの電極対による偏向角が最大となるように、印加AC電圧は同位相とした。

入射光706として、電界の振動がx軸方向に平行な偏波の光を入射した。本実施例でも実施例1と同様に、結晶厚み方向にわたって均一な偏向量が得られた。

［実施例3］
図８に本発明の第３の実施例を説明する。

実施例１，２では２組の電極対からなる電極構造によってビーム断面内で偏向量を均一にしたが、２組以上の複数組の電極対を作製し、複数の電極構造を設けてもよい。

図８に示すように、入射側から数えて奇数番目の電極802,803を対として上面に、偶数番目の電極804,805を対として下面（裏面）に作製した。

実施例３の構成では、各々の電極のｙ軸方向の長さを実施例１，２に比べて短くできるので、個別の電極対あたりのｚ軸方向での偏向量の偏差を小さくでき、より正確に偏差を打ち消すことが可能となるので、更に偏向量の均一性を高めることが可能である。
実施例１，２と同様に、ビーム断面内での偏向量均一性向上を確認できた。

なお、この実施例３の構成では、単一の電気光学結晶基板800の基板両面に複数の電極構造を形成しているが、電気光学結晶基板800を複数の別体の基板から構成し、各電気光学結晶基板上に１対の電極対、または表裏に各一対の２つの電極対を有する一組の電極構造を設ける形、すなわち上記実施例１ないし２の光偏向器を光ビーム経路上に複数配列する形で構成しても良いことはもちろんである。

100、300、500、710,720、800 電気光学結晶基板
101,102,302,303、502,503、712,713、802,803 電極（表面、上面側）
304,305、504,505、724,725、804,805 電極（裏面、下面側）
106、306、506、706、806 入射光、光ビーム

Claims (7)

1. 電気光学結晶基板の一側面から光ビームを入射し、反対側側面から基板面内方向に偏向された光ビームを出射する光偏向器であって、
   入射側の光ビーム経路上の基板面に、光ビーム経路を挟んで２つの電極からなる電極対を設け、
   出射側の光ビーム経路下の反対側基板面に、光ビーム経路を挟んで２つの電極からなる電極対を設け、
   前記２つの電極対からなる電極構造を光経路に沿って１または複数設けた
   ことを特徴とする光偏向器。
2. 請求項１記載の光偏向器において、
   前記電極対を構成する２つの電極には、全ての電極対が同一の基板面内方向に電界を発生するように電圧が印加される
   ことを特徴とする光偏向器。
3. 請求項１、２記載の光偏向器において、
   各電極対ごと、または電極構造ごとに電気光学結晶基板を別体の構成とした
   ことを特徴とする光偏向器。
4. 請求項１から３記載の光偏向器において、
   前記光偏向器へ入射する光ビームの中心が、電極対を構成する２つの電極の基板面内方向の中央に位置し、かつ基板厚み方向の中央に位置することを特徴とする光偏向器。
5. 請求項１から４記載の光偏向器において、
   前記電極対を構成する２つの電極間の間隔が全て等しく、前記電極対の光ビーム入射方向の間隔も全て等しいことを特徴とする光偏向器。
6. 請求項１から５記載の光偏向器において、
   前記電極が電気光学結晶の電気伝導に寄与するキャリアに対してオーミック接触となる材料で構成されたことを特徴とする光偏向器。
7. 請求項１から６記載の光偏向器において、
   前記電気光学結晶基板を構成する電気光学結晶は、タンタル酸ニオブ酸リチウム(KTa_1-xNb_xO₃（0≦x≦1）)結晶、リチウムを添加したK_1-yLi_yTa_1-xNb_xO₃（0≦x≦1、0≦y≦1）結晶、(Pb,La)(Zr,Ti)O₃のいずれかであることを特徴とする光偏向器。