JP6039485B2 - Optical deflector and driving method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、本発明は、電気光学効果を有するＫＬＴＮ結晶（Ｋ１−ｙＬｙＴａ１−ｘＮｂｘＯ３）を用いた光偏向器の駆動方法に関する。 The present invention relates to a method for driving an optical deflector using a KLTN crystal (K 1-y L y Ta 1-x Nb x O 3 ) having an electro-optic effect.
光の進行方向を変える光偏向器のうち、ＫＴＮ（ＫＴａ１−ｘＮｂｘＯ３）結晶またはＫＬＴＮ結晶（Ｋ１−ｙＬｙＴａ１−ｘＮｂｘＯ３）を用いた光偏向器は、ガルバノミラーやポリゴンミラー、ＭＥＭＳミラー等と異なり、可動部を持たない固体素子である（特許文献１）。以下簡単のため、明示して区別しない限り、ＫＴＮ結晶およびＫＬＮ結晶の２種類を合わせて、ＫＴＮ結晶と呼ぶ。 Of the light deflector for changing the traveling direction of light, KTN (KTa 1-x Nb x O 3) an optical deflector using crystalline or KLTN crystal (K 1-y L y Ta 1-x Nb x O 3) is Unlike a galvano mirror, a polygon mirror, a MEMS mirror, or the like, it is a solid element having no movable part (Patent Document 1). Hereinafter, for the sake of simplicity, two types of KTN crystal and KLN crystal are collectively referred to as KTN crystal unless explicitly distinguished.
ＫＴＮ結晶は、比較的低い電圧を印加することによってその屈折率が大きく変わる、電気光学効果が大きい物質として知られている。さらに、ＴｉやＣｒ電極を用いると、ＫＴＮ結晶内に電荷を注入することができる。その電荷によって生じる内部電界を利用することで、高速・広角な光偏向器を実現することができる。したがって、レンズ、プリズム、ミラーといったごく一般的な光学部品を、それらが高速で動く必要がある用途では、ＫＴＮに置き換えることができる（特許文献２）。 A KTN crystal is known as a substance having a large electro-optic effect, the refractive index of which changes greatly when a relatively low voltage is applied. Furthermore, if a Ti or Cr electrode is used, charge can be injected into the KTN crystal. A high-speed and wide-angle optical deflector can be realized by using the internal electric field generated by the electric charge. Therefore, it is possible to replace very common optical components such as lenses, prisms, and mirrors with KTN in applications where they need to move at high speed (Patent Document 2).
近年、このＫＴＮ結晶における屈折率制御の高速性を利用して、光偏向器を外部共振器に組み込んだ高速の波長掃引光源を用いた医療用光断層撮像システムに注目が集まっている。この光断層撮像システムの中で、ＫＴＮ光偏向器は高速性を実現するためのキーデバイスであって、高速性とともに安定に動作することが求められている。特に、必要十分な最大偏向角が安定して得られることが重要である。 In recent years, attention has been focused on a medical optical tomographic imaging system using a high-speed wavelength swept light source in which an optical deflector is incorporated in an external resonator by utilizing the high-speed property of refractive index control in the KTN crystal. In this optical tomographic imaging system, the KTN optical deflector is a key device for realizing high speed, and is required to operate stably with high speed. In particular, it is important that a necessary and sufficient maximum deflection angle can be obtained stably.
ＫＴＮ光偏向器の高速動作原理は、最初に直流（ＤＣ）電圧を結晶に印加して（トラップ充電期間）注入された電荷が形成する残留屈折率分布に対し、さらに交流（ＡＣ）電圧を印加すること（偏向電圧印加期間）によって偏向動作を実現する駆動方式に基づいている（非特許文献１）。この駆動方式でのＫＴＮ光偏向器の偏向角θは、下式によって表される。 The principle of high-speed operation of the KTN optical deflector is that a direct current (DC) voltage is first applied to the crystal (trap charging period), and an alternating current (AC) voltage is further applied to the residual refractive index distribution formed by the injected charge. This is based on a driving system that realizes a deflection operation by performing (a deflection voltage application period) (Non-Patent Document 1). The deflection angle θ of the KTN optical deflector in this driving method is expressed by the following equation.
ここで、ｎ０は電圧印加前屈折率を、Ｌは光路長を、ｇ１１は電気光学定数を、εは誘電率、ρは残留電荷を、Ｖは印加電圧を、ｄは結晶厚をそれぞれ表す。 Here, n 0 is the refractive index before voltage application, L is the optical path length, g 11 is the electro-optic constant, ε is the dielectric constant, ρ is the residual charge, V is the applied voltage, and d is the crystal thickness. Represent.
式（１）から、偏向角θは残留電荷ρに比例するが、これはＫＴＮ結晶内に一様に電荷が分布していることが仮定されている場合である。通常、ＫＴＮ結晶の残留電荷の種類は電子であるため、電子は陰極側から注入される。適度なトラップ密度のＫＴＮ結晶の場合は、陰極より注入された電荷は、陽極付近まで移動し結晶全体に一様に電荷が分布する。しかしながら、非特許文献２によれば、トラップ密度が過度に高いＫＴＮ結晶の場合、陰極から注入された電子は陰極からある距離までの範囲にすべてトラップされてしまう。この結果、結晶の厚み方向（電界の方向）における中央付近には残留電荷がほとんど存在しておらず、結晶の中央付近に光を入射させてもほとんど偏向動作をしない。 From equation (1), the deflection angle θ is proportional to the residual charge ρ, which is when the charge is assumed to be uniformly distributed in the KTN crystal. Usually, since the kind of residual charge in the KTN crystal is an electron, the electron is injected from the cathode side. In the case of a KTN crystal with an appropriate trap density, the charge injected from the cathode moves to the vicinity of the anode and the charge is uniformly distributed throughout the crystal. However, according to Non-Patent Document 2, in the case of a KTN crystal having an excessively high trap density, all electrons injected from the cathode are trapped within a certain distance from the cathode. As a result, there is almost no residual charge in the vicinity of the center in the thickness direction (electric field direction) of the crystal, and even if light is incident near the center of the crystal, there is almost no deflection operation.
ＫＴＮ結晶の育成条件によっては、トラップが多い結晶が育成されてしまう。このため、トラップの数が多すぎる結晶は光偏向器の特性が良好でないため、結果として光偏向器の歩留まりを劣化させてしまう。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、トラップが過度に多いために結晶の厚み方向の中央付近まで電子が注入できない結晶でも、光偏向器の偏向角の低下を抑え、光偏向器の歩留まりを増大させことにある。 Depending on the growth conditions of the KTN crystal, a crystal with many traps is grown. For this reason, a crystal having too many traps has poor optical deflector characteristics, and as a result, the yield of the optical deflector is degraded. The present invention has been made in view of such problems. The purpose of the present invention is to deflect an optical deflector even in a crystal in which electrons cannot be injected to the vicinity of the center in the thickness direction of the crystal due to excessive trapping. The purpose is to suppress the decrease in angle and increase the yield of the optical deflector.
本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、対向する面に少なくとも２つの電極を形成した電気光学結晶であって、前記電極に制御電圧を印加して、電気光学効果により内部の屈折率分布の傾斜を生成することによって、前記制御電圧により形成される電界に概ね垂直に、前記電気光学結晶の１つの端面へ入射する入射光を偏向させる電気光学結晶と、前記電極に印加する前記制御電圧を生成する制御電圧電源であって、直流電圧または正極性および負極性の直流電圧を含む交番電圧からなるトラップ充填電圧と、前記トラップ充填電圧を印加した後に印加する前記制御電圧として、入射光を偏向させる偏向電圧とを生成するよう構成された制御電圧電源と、前記トラップ充填電圧を印加する期間内の少なくとも一部の時間に、前記入射光とは異なり、トラップされた電子を伝導帯まで励起することが可能な光を、前記電気光学結晶のいずれかの端面の、前記電界の方向における概ね中央付近に照射する光源とを備えたことを特徴とする光偏向器である。
請求項２に記載の発明は、請求項１の光偏向器であって、前記入射光とは異なり、トラップされた電子を伝導帯まで励起することが可能な光は、前記入射光が入射する前記１つの端面に照射されることを特徴とする。
In order to achieve the above object, the present invention is an electro-optic crystal in which at least two electrodes are formed on opposing surfaces, and a control voltage is applied to the electrodes. An electro-optic crystal that deflects incident light incident on one end face of the electro-optic crystal substantially perpendicular to the electric field formed by the control voltage by generating a gradient of the internal refractive index distribution by the electro-optic effect And a control voltage power source for generating the control voltage to be applied to the electrode, after applying a trap filling voltage comprising a DC voltage or an alternating voltage including a positive polarity and a negative polarity DC voltage, and after applying the trap filling voltage. A control voltage power source configured to generate a deflection voltage for deflecting incident light as the control voltage to be applied; and at least within a period of applying the trap filling voltage Component of time, Unlike the incident light, the light capable of exciting the trapped electrons to the conduction band, of said one of the end faces of the electro-optic crystal, generally near the center in the direction of the field An optical deflector comprising a light source for irradiation.
The invention of claim 2 is an optical deflector according to claim 1, Unlike the incident light, the light capable of exciting the trapped electrons to the conduction band, the incident light is incident The one end face is irradiated.
請求項３に記載の発明は、請求項１または２の光偏向器であって、前記電気光学結晶は、タンタル酸ニオブ酸リチウム（ＫＴａ１-ｘＮｂｘＯ３（０＜ｘ＜１）結晶、またはリチウムを添加したＫ１−ｙＬｉｙＴａ１-ｘＮｂｘＯ３（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）結晶のいずれかであることを特徴とする。 The invention of claim 3 is an optical deflector according to claim 1 or 2, wherein the electro-optical crystal, lithium tantalate niobate (KTa 1-x Nb x O 3 (0 <x <1) crystal Or K 1-y Li y Ta 1-x Nb x O 3 (0 <x <1, 0 <y <1) crystal to which lithium is added.
請求項４に記載の発明は、電気光学結晶の対向する面に形成した少なくとも２つの電極に制御電圧を印加して、電気光学効果により前記電気光学結晶内の屈折率分布の傾斜を生成することによって、前記制御電圧により形成される電界に概ね垂直に、前記電気光学結晶の１つの端面へ入射する入射光を偏向させる光偏向器の制御方法において、前記電気光学結晶に、直流電圧または正極性および負極性の直流電圧を含む交番電圧からなるトラップ充填電圧を印加する第１の駆動ステップであって、前記トラップ充填電圧を印加する期間内の少なくとも一部の時間に、前記入射光とは異なり、トラップされた電子を伝導帯まで励起することが可能な光が、前記電気光学結晶のいずれかの端面の、前記電界の方向における概ね中央付近に照射される、第１の駆動ステップと、前記第１の駆動ステップに引き続き、前記制御電圧として、入射光を偏向させる偏向電圧を印加する第２の駆動ステップとを備えることを特徴とする光偏向器の制御方法である。 According to a fourth aspect of the present invention, a control voltage is applied to at least two electrodes formed on opposite surfaces of the electro-optic crystal, and a gradient of the refractive index distribution in the electro-optic crystal is generated by the electro-optic effect. In the method of controlling an optical deflector that deflects incident light incident on one end face of the electro-optic crystal substantially perpendicularly to an electric field formed by the control voltage, the electro-optic crystal has a DC voltage or a positive polarity. And a first driving step of applying a trap filling voltage comprising an alternating voltage including a negative direct current voltage, which is different from the incident light during at least a part of the period during which the trap filling voltage is applied. Ri, light capable of exciting the trapped electrons to the conduction band, at either end face of the electro-optic crystal is irradiated substantially near the center in the direction of the field An optical deflector control comprising: a first driving step; and a second driving step for applying a deflection voltage for deflecting incident light as the control voltage following the first driving step. Is the method.
請求項５に記載の発明は、請求項４の光偏向器の制御方法であって、前記入射光とは異なり、トラップされた電子を伝導帯まで励起することが可能な光は、前記入射光が入射する前記１つの端面に照射されることを特徴とする。 Invention of claim 5, a method of controlling an optical deflector according to claim 4, wherein Unlike incident light, the light capable of exciting the trapped electrons to the conduction band, the entering The one end face on which the incident light enters is irradiated.
請求項６に記載の発明は、請求項４または５の光偏向器の制御方法であって、前記第１の駆動ステップ、および、前記第２の駆動ステップを繰り返すことを特徴とする。 The invention according to claim 6 is the method of controlling the optical deflector according to claim 4 or 5, characterized in that the first driving step and the second driving step are repeated.
請求項７に記載の発明は、請求項４乃至６いずれかの光偏向器の制御方法であって、記電気光学結晶は、タンタル酸ニオブ酸リチウム（ＫＴａ１-ｘＮｂｘＯ３（０＜ｘ＜１）結晶、またはリチウムを添加したＫ１−ｙＬｉｙＴａ１-ｘＮｂｘＯ３（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）結晶のいずれかであることを特徴とする。 The invention according to claim 7 is the method of controlling an optical deflector according to any one of claims 4 to 6, wherein the electro-optic crystal is lithium tantalate niobate (KTa 1-x Nb x O 3 (0 < x <1), wherein the crystal, or K was added lithium 1-y Li y Ta 1- x Nb x O 3 (0 <x <1,0 <y <1) is either crystal.
以上説明したように、本発明の光偏向器は、トラップが過度に多いために電荷が電極近傍に留まってしまうＫＴＮ結晶でも、光照射をしながら駆動電圧を印加することによって、結晶厚み方向の中央付近まで電子を注入させ電荷密度を向上させて、光偏向器の偏向角を増大させることができる。 As described above, the optical deflector according to the present invention can be applied in the crystal thickness direction by applying a driving voltage while irradiating light even with a KTN crystal in which charges remain in the vicinity of the electrode due to excessive traps. It is possible to increase the deflection angle of the optical deflector by injecting electrons to the vicinity of the center to improve the charge density.
本発明の光偏向器は、前述の偏向角が低下する問題を解決するために、トラップが過度に多いＫＴＮ結晶であっても、電子を結晶内にほぼ一様に分布させることで、結晶の中央付近に光を入射しても、良好な偏向特性を有する光偏向器を実現する。また、光偏向器の駆動方法を提供する。 In order to solve the above-described problem that the deflection angle is lowered, the optical deflector according to the present invention distributes electrons almost uniformly in the crystal even in the case of a KTN crystal having excessively many traps. An optical deflector having good deflection characteristics even when light is incident near the center is realized. A method for driving the optical deflector is also provided.
すなわち、本発明の光偏向器は、対向する面に少なくとも２つの電極を形成した電気光学結晶であって、前記電極に制御電圧を印加して、電気光学効果により内部の屈折率分布の傾斜を生成することによって、前記制御電圧により形成される電界に概ね垂直に、前記電気光学結晶の１つの端面へ入射する入射光を偏向させる電気光学結晶を備える。さらに、前記電極に印加する前記制御電圧を生成する制御電圧電源であって、前記電気光学結晶に、直流電圧または正極性および負極性の直流電圧を含む交番電圧からなるトラップ充填電圧と、前記トラップ充填電圧を印加した後に印加する前記制御電圧として、入射光を偏向させる偏向電圧とを生成するよう構成された制御電圧電源を備える。 In other words, the optical deflector according to the present invention is an electro-optic crystal in which at least two electrodes are formed on opposite surfaces, and a control voltage is applied to the electrodes so that the gradient of the internal refractive index distribution is caused by the electro-optic effect. An electro-optic crystal that deflects incident light incident on one end face of the electro-optic crystal substantially perpendicularly to an electric field formed by the control voltage is generated. Further, a control voltage power source for generating the control voltage to be applied to the electrode, wherein the electro-optic crystal has a trap filling voltage consisting of a DC voltage or an alternating voltage including a positive polarity and a negative polarity DC voltage, and the trap A control voltage power supply configured to generate a deflection voltage for deflecting incident light is provided as the control voltage to be applied after the filling voltage is applied.
本発明に特徴的なのは、前記トラップ充填電圧を印加する期間内の少なくとも一部の時間に、前記入射光とは異なる光を、前記電気光学結晶のいずれかの端面の、前記電界の方向における概ね中央付近に照射する光源とを備えたことにある。本発明は、光偏向器の駆動方法の側面も持つ。 A characteristic of the present invention is that light that is different from the incident light is applied to at least a part of the period during which the trap filling voltage is applied, in the direction of the electric field on either end face of the electro-optic crystal. And a light source that irradiates near the center. The present invention also has an aspect of an optical deflector driving method.
図１は、本発明の光照射器を備えたＫＴＮを用いた光偏向器の構造を示す概念図である。本発明の光偏向器１００は、電気光学結晶１０１と、結晶１０１の上下面に形成された電極１０２ａ、１０２ｂからなる。図１では、下面の電極１０２ｂは表示されていない。具体的には、光偏向器１００は矩形状のＫＴＮ結晶チップを用いた光偏向器である。 FIG. 1 is a conceptual diagram showing the structure of an optical deflector using KTN equipped with the light irradiator of the present invention. The optical deflector 100 of the present invention includes an electro-optic crystal 101 and electrodes 102 a and 102 b formed on the upper and lower surfaces of the crystal 101. In FIG. 1, the electrode 102b on the lower surface is not displayed. Specifically, the optical deflector 100 is an optical deflector using a rectangular KTN crystal chip.
したがって、結晶１０１は、対向する面に少なくとも２つの電極１０２ａ、１０２ｂを形成した電気光学結晶であって、電極に制御電圧を印加して、電気光学効果により内部の屈折率分布の傾斜を生成することによって、前記制御電圧により形成される電界に概ね垂直に、前記電気光学結晶の１つの端面へ入射する入射光を偏向させる電気光学結晶である。 Therefore, the crystal 101 is an electro-optic crystal in which at least two electrodes 102a and 102b are formed on opposite surfaces, and a control voltage is applied to the electrodes to generate a gradient of the internal refractive index distribution by the electro-optic effect. Thus, the electro-optic crystal deflects incident light incident on one end face of the electro-optic crystal substantially perpendicular to the electric field formed by the control voltage.
２つの電極間には、ＫＴＮに印加する制御電圧を供給する制御電圧電源１０４が接続される。この制御電圧電源１０４は、後述するように様々の制御電圧信号を出力できるものである。また、制御電圧電源１０４は、ＫＴＮに対して実用的な偏向角を生じ得るような数百Ｖ程度の電圧を印加できる駆動能力を持つ。入射光１０５は、電気光学結晶１０１の１つの面から入射され、偏向を受けて、対向する端面から出射する。尚、詳細な説明は省略するが、ＫＴＮは立方晶を保つように、温度検出手段および温度制御機構などによって温度制御されている。 A control voltage power supply 104 that supplies a control voltage to be applied to KTN is connected between the two electrodes. The control voltage power supply 104 can output various control voltage signals as will be described later. Further, the control voltage power source 104 has a driving capability capable of applying a voltage of about several hundred volts that can produce a practical deflection angle with respect to KTN. Incident light 105 is incident from one surface of the electro-optic crystal 101, is deflected, and exits from the opposite end surface. Although detailed description is omitted, the temperature of KTN is controlled by temperature detecting means, a temperature control mechanism, and the like so as to maintain a cubic crystal.
本発明の光偏向器１００は、さらに、電気光学結晶１０１に光を照射するＬＥＤ光源１０３を備えている。ＬＥＤ光源１０３の詳細の構成は、後述する。ＬＥＤ光源１０３は、電気光学結晶１０１全体に照射光が行き渡ることができるような位置に配置すれば良い。従来技術において、光照射器１０３は、残留トラップを完全に消去するように初期化するために用いられていた。 The optical deflector 100 of the present invention further includes an LED light source 103 that irradiates the electro-optic crystal 101 with light. The detailed configuration of the LED light source 103 will be described later. The LED light source 103 may be disposed at a position where the irradiation light can spread over the entire electro-optic crystal 101. In the prior art, the light irradiator 103 was used to initialize to completely erase the residual trap.
図２は、本発明の光照射器を備えたＫＴＮを用いた光偏向器における光照射および制御電圧の印加方法を説明する図である。本発明の光偏向器１００では、その動作サイクルのトラップ充填時間における所定の期間に、ＫＴＮ結晶１０１に対して光照射をしながら制御電圧を印加する。図２において、横軸は時間を示し、縦軸は制御電圧電源１０４から結晶１０１に印加される制御電圧を示している。 FIG. 2 is a diagram for explaining a method of applying light and applying a control voltage in an optical deflector using KTN equipped with the light irradiator of the present invention. In the optical deflector 100 of the present invention, a control voltage is applied while irradiating light to the KTN crystal 101 during a predetermined period in the trap filling time of the operation cycle. In FIG. 2, the horizontal axis represents time, and the vertical axis represents the control voltage applied to the crystal 101 from the control voltage power supply 104.
本発明の光偏向器１００において、制御電圧を印加する時間は、トラップ充填電圧を印加する時間２０２と、入射光を偏向するための偏向電圧を印加する時間２０４に分けられる。図２の例では、トラップ充填のためのバースト状電圧として、正の一定電圧２０１を印加する駆動方法の例を示している。偏向電圧２０３は、正弦波信号としているが、鋸波状信号でも他の任意の波形の信号でも良い。なお、図２では、正の一定値の電圧２０１を印加する例を示したが、負の一定値の電圧を印加するものとしても良い。また、バースト状電圧として、三角波や鋸波を印加することもできる。 In the optical deflector 100 of the present invention, the time for applying the control voltage is divided into the time 202 for applying the trap filling voltage and the time 204 for applying the deflection voltage for deflecting the incident light. The example of FIG. 2 shows an example of a driving method in which a positive constant voltage 201 is applied as a burst voltage for trap filling. The deflection voltage 203 is a sine wave signal, but it may be a sawtooth signal or a signal of any other waveform. 2 shows an example in which a positive constant voltage 201 is applied, a negative constant voltage may be applied. A triangular wave or a sawtooth wave can also be applied as the burst voltage.
図２に示したように、トラップ充填時間２０２を設けたことで、偏向電圧印加動作２０４中に電子の注入が無くても、トラップ充填動作２０２中にトラップに捕獲された電子により電界の傾斜が発生する。その結果、電気光学効果による屈折率の傾斜が生じるため、高速で広角な光偏向を実現することが可能となる。トラップ充填が十分に行われ、また必要な偏向角が維持できる限り、上述のトラップ充填時間および偏向時間の長さに何ら制限は無い。 As shown in FIG. 2, by providing the trap filling time 202, even if there is no electron injection during the deflection voltage application operation 204, the electric field gradient is caused by the electrons trapped in the trap during the trap filling operation 202. Occur. As a result, the refractive index is tilted by the electro-optic effect, so that high-speed and wide-angle light deflection can be realized. As long as trap filling is sufficiently performed and a necessary deflection angle can be maintained, there is no limitation on the length of the trap filling time and the deflection time described above.
したがって、電極に印加する制御電圧を生成する制御電圧電源１０４は、電気光学結晶１０１に、直流電圧または正極性および負極性の直流電圧を含む交番電圧からなるトラップ充填電圧２０１と、トラップ充填電圧を印加した後に印加する制御電圧として、入射光を偏向させる偏向電圧２０３とを生成するよう構成されている。 Therefore, the control voltage power source 104 that generates a control voltage to be applied to the electrodes supplies the electro-optic crystal 101 with a trap filling voltage 201 composed of a DC voltage or an alternating voltage including positive and negative DC voltages, and a trap filling voltage. as a control voltage to be applied after the application, it is configured to generate a deflection voltage 203 that deflect the incident light.
本発明の光偏向器では、上述の制御電圧の印加に加えて、トラップ充電時間２０２の最初の所定の光照射期間２０５に、結晶の厚み方向（電界方向）における中央付近に光照射を行うことを特徴とする。この光照射期間２０５の存在によって、トラップが多いＫＴＮ結晶における偏向角の低下を抑えることができる。ここで、光照射期間２０５における光照射の効果について説明する。 In the optical deflector of the present invention, in addition to the application of the control voltage described above, light irradiation is performed near the center in the crystal thickness direction (electric field direction) during the first predetermined light irradiation period 205 of the trap charging time 202. It is characterized by. The existence of this light irradiation period 205 can suppress a decrease in the deflection angle in a KTN crystal with many traps. Here, the effect of light irradiation in the light irradiation period 205 will be described.
図３は、本発明および従来技術の光偏向器のＫＴＮ結晶における残留電荷の様子を説明する図である。図３の（ａ）はトラップが適度な量の場合の残留電荷分布を、（ｂ）はトラップの密度が高い場合の残留電荷分布を、（ｃ）は本発明のトラップ充電および光照射を行った後に、充電電圧をオフとしたときの残留電荷分布を、それぞれ示す。図３においては、灰色が濃い（暗い）ほど、残留電荷密度が高いことを示している。トラップの密度が過度に高い場合であって光照射をしないときは、図３の（ｂ）に示すように陰極側に電子がトラップされてしまい、結晶の中央付近までは電子が到達しない。このときは、偏向電圧印加時間２０４に偏向電圧を印加しても、入射光１０５はほとんど偏向しない。 FIG. 3 is a diagram for explaining the state of residual charges in the KTN crystal of the optical deflector of the present invention and the prior art. 3A shows the residual charge distribution when the traps are in an appropriate amount, FIG. 3B shows the residual charge distribution when the trap density is high, and FIG. 3C shows the trap charge and light irradiation of the present invention. The residual charge distribution when the charging voltage is turned off is shown. In FIG. 3, the darker the darker the gray, the higher the residual charge density. When the trap density is excessively high and no light irradiation is performed, electrons are trapped on the cathode side as shown in FIG. 3B, and the electrons do not reach the vicinity of the center of the crystal. At this time, even if the deflection voltage is applied during the deflection voltage application time 204, the incident light 105 is hardly deflected.
しかしながら、結晶のトラップの密度が高い場合であっても、トラップ充電電圧時間２０２中の光照射時間２０５において、結晶の厚み方向（電界の方向）における結晶の中央部に光照射しながらトラップ充電電圧を印加すると、トラップ充電電圧をオフとした段階で（すなわち、トラップ充電時間２０２の最後の時点で）、図３の（ｃ）に示したように、ＫＴＮ結晶の全体にほぼ一様に電荷（電子）が分布している。光照射期間２０５において、結晶の厚み方向、すなわち電界方向における結晶の中央付近に、照射光を入射することによって、偏向特性の大幅な改善が実現できる。図３においては、左右の陰極と陽極との間に制御電圧が印加されるので、図３の水平方向が電界の方向となり、横方向における中央部に、光照射器１０３から光を入射する。図１においては、上下に電極があるため、垂直方向が電界方向に対応する。 However, even when the density of traps in the crystal is high, the trap charge voltage is applied while irradiating the central portion of the crystal in the thickness direction of the crystal (direction of the electric field) during the light irradiation time 205 in the trap charging voltage time 202. When the trap charging voltage is turned off (that is, at the end of the trap charging time 202), as shown in FIG. Electron) is distributed. In the light irradiation period 205, a significant improvement in deflection characteristics can be realized by irradiating the irradiation light near the center of the crystal in the thickness direction of the crystal, that is, in the electric field direction. In FIG. 3, since the control voltage is applied between the left and right cathodes and the anode, the horizontal direction in FIG. 3 is the direction of the electric field, and light is incident from the light irradiator 103 at the center in the lateral direction. In FIG. 1, since there are electrodes on the top and bottom, the vertical direction corresponds to the electric field direction.
トラップ充電電圧時間内の一定期間における光照射により、偏向特性が大幅に改善することは、以下のように説明できる。ＫＴＮ結晶の中央付近に照射した光は、トラップされた電子を伝導帯まで励起することが可能である。陰極付近にトラップされた一部の電子が、照射光によって伝導帯まで励起された後、陽極側の方に向かって移動し、空いているト
ラップサイトで再捕獲される。
The fact that the deflection characteristics are greatly improved by light irradiation in a certain period within the trap charging voltage time can be explained as follows. Light irradiated near the center of the KTN crystal can excite trapped electrons to the conduction band . Some electrons trapped in the vicinity of the cathode are excited to the conduction band by the irradiation light, then move toward the anode side, and are recaptured at an empty trap site.
光照射時間２０５に光照射をせずに、単にトラップ充電電圧を印加していた場合は、図３の（ｂ）に示したように、陰極付近でのみ電荷がトラップされ、陰極付近において残留電荷密度がより高くなる。一方で、ＫＴＮ結晶の中央付近に光を照射しながらトラップ充電電圧を印加していた場合は、上述の励起および最捕獲を繰り返すことによって電子が陽極方向に順次移動する。陰極付近だけでなく陽極付近でも電荷（電子）がトラップされ、ＫＴＮ結晶の電界方向に関して一様に電荷が分布することが可能となる。従って、トラップ充電電圧時間２０２の終了後には、結晶全体に電荷が分布しているため、偏向電圧時間２０４で偏向電圧の印加を始めると良好な偏向特性を示すことができる。 In the case where the trap charging voltage is simply applied without light irradiation during the light irradiation time 205, as shown in FIG. 3B, charges are trapped only in the vicinity of the cathode, and residual charges are detected in the vicinity of the cathode. The density becomes higher. On the other hand, when a trap charging voltage is applied while irradiating light near the center of the KTN crystal, electrons are sequentially moved in the anode direction by repeating the above-described excitation and maximum trapping. Charges (electrons) are trapped not only near the cathode but also near the anode, and the charges can be distributed uniformly in the electric field direction of the KTN crystal. Accordingly, after the end of the trap charging voltage time 202, since charges are distributed throughout the crystal, good deflection characteristics can be exhibited when the application of the deflection voltage is started at the deflection voltage time 204.
したがって、本発明は、光偏向器の駆動方法としての側面も持っている。すなわち、電気光学結晶の対向する面に形成した少なくとも２つの電極に制御電圧を印加して、電気光学効果により前記結晶内の屈折率分布の傾斜を生成することによって、前記制御電圧により形成される電界に概ね垂直に、前記電気光学結晶の１つの端面へ入射する入射光を偏向させる光偏向器の制御方法を実現できる。 Therefore, the present invention also has an aspect as a driving method of the optical deflector. That is, the control voltage is formed by applying a control voltage to at least two electrodes formed on opposite surfaces of the electro-optic crystal and generating a gradient of the refractive index distribution in the crystal by the electro-optic effect. An optical deflector control method for deflecting incident light incident on one end face of the electro-optic crystal substantially perpendicular to the electric field can be realized.
この方法は、前記電気光学結晶に、直流電圧または正極性および負極性の直流電圧を含む交番電圧からなるトラップ充填電圧を印加する第１の駆動ステップであって、前記トラップ充填電圧を印加する期間内の少なくとも一部の時間に、前記入射光とは異なる光が、前記電気光学結晶のいずれかの端面の、前記電界の方向における概ね中央付近に照射される、第１の駆動ステップと、前記第１の駆動ステップに引き続き、前記制御電圧として、入射光を偏向させる偏向電圧を印加する第２の駆動ステップとを備える。 This method is a first driving step in which a trap filling voltage composed of a DC voltage or an alternating voltage including a positive polarity and a negative polarity DC voltage is applied to the electro-optic crystal, and a period during which the trap filling voltage is applied A first driving step in which light different from the incident light is irradiated at a part of the end surface of the electro-optic crystal approximately at the center in the direction of the electric field for at least part of the time, Subsequent to the first driving step, the control voltage includes a second driving step for applying a deflection voltage for deflecting incident light.
次に、より具体的な本発明の光偏向器の実施例について説明する。 Next, a more specific embodiment of the optical deflector according to the present invention will be described.
図１は、本発明の実施例１の光照射器を備えたＫＴＮを用いた光偏向器の構成を示す図である。図１に示した構成例では、１つの光照射器１０３しか記載されていないが、複数の照射器を備えていても良い。詳細な説明は省略するが、ＫＴＮ結晶は、立方晶を保つように、温度検出手段および温度制御機構などによって温度制御されている。 FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of an optical deflector using a KTN including a light irradiator according to a first embodiment of the present invention. In the configuration example shown in FIG. 1, only one light irradiator 103 is described, but a plurality of irradiators may be provided. Although detailed description is omitted, the temperature of the KTN crystal is controlled by a temperature detection unit, a temperature control mechanism, and the like so as to maintain a cubic crystal.
偏向される入射光１０５の波長は１．３μｍ、入射光進行方向の結晶の物理長は４ｍｍ、ＫＴＮ結晶１０１の厚さは１ｍｍとした。照射光の波長としては、好ましくはＫＴＮ結晶の光吸収が大きくなっていく４５０ｎｍ程度以下の短波長が良い。しかしながら、偏向角度の低下を防止する効果がある限り、４５０ｎｍ以上の長波長であって、入射光より短い波長の光であれば良い。 The wavelength of the incident light 105 to be deflected was 1.3 μm, the physical length of the crystal in the incident light traveling direction was 4 mm, and the thickness of the KTN crystal 101 was 1 mm. The wavelength of the irradiation light is preferably a short wavelength of about 450 nm or less where the light absorption of the KTN crystal increases. However, as long as there is an effect of preventing a decrease in the deflection angle, light having a long wavelength of 450 nm or longer and a wavelength shorter than incident light may be used.
本実施例では、光照射器１０３は４０５ｎｍ付近にピークを有するＵＶ−ＬＥＤを用いた。図２を再び参照すると、ＫＴＮ結晶のいずれかの端面に入射光とは異なるＵＶ光を照射しながら、トラップ充填時間２０２に制御電圧を印加する方法が説明されている。制御電圧を印加する時間は、トラップ充填電圧を印加する時間２０２、光照射する時間２０５、および、偏向電圧を印加する時間２０４から構成されている。ＵＶ光を照射している時間帯が、トラップ充填電圧を印加している時間帯２０２の範囲内にあれば、トラップ充填電圧印加時間２０１の長さとＵＶ光を照射する時間２０５の長さが異なっていても良い。言い換えると、トラップ充填電圧印加時間２０２の終了後に、光照射時間２０５が掛かっていなければ良い。トラップ充填電圧印加時間２０２の終了後にＵＶ光を単独で照射してしまうと、結晶内の分布していた電荷が初期化されて、なくなってしまうからである。 In this embodiment, the light irradiator 103 is a UV-LED having a peak near 405 nm. Referring to FIG. 2 again, a method of applying a control voltage during the trap filling time 202 while irradiating any one end face of the KTN crystal with UV light different from incident light is described. The time for applying the control voltage includes a time 202 for applying the trap filling voltage, a time 205 for irradiating light, and a time 204 for applying the deflection voltage. If the time zone in which the UV light is irradiated is within the range of the time zone 202 in which the trap filling voltage is applied, the length of the trap filling voltage application time 201 is different from the length of the time 205 in which the UV light is irradiated. May be. In other words, it is sufficient that the light irradiation time 205 does not take after the trap filling voltage application time 202 ends. This is because if the UV light is irradiated alone after the end of the trap filling voltage application time 202, the charges distributed in the crystal are initialized and disappear.
本実施例では、トラップ充填のためのバースト状電圧として、正の一定電圧２０１を印加する駆動方法の例を示している。図２では、正の一定電圧を印加する例を示したが、負の一定電圧を印加するものとしても良い。バースト状電圧として、三角波や鋸波を印加することもできる。また、偏向電圧は、正弦波信号２０３としているが、鋸波状信号でも他の任意の波形の信号でも良い。 In this embodiment, an example of a driving method in which a positive constant voltage 201 is applied as a burst voltage for trap filling is shown. Although FIG. 2 shows an example in which a positive constant voltage is applied, a negative constant voltage may be applied. A triangular wave or sawtooth wave can also be applied as the burst voltage. The deflection voltage is a sine wave signal 203, but it may be a sawtooth signal or a signal having any other waveform.
上述のような光照射および制御電圧の駆動方法によって光偏向器１００を動作させたとき、入射光１０５は、図１の光入射光面のＡＲコートを施した部分から、電圧が印加された光偏向器の内部に進入し、光偏向器の内部において屈折し偏向を受ける。光の偏向方向は、結晶の厚さ方向となる。結晶へのＵＶ光の照射を行わない従来技術の動作の場合、結晶の中央付近に入射した光は、トラップ充填電圧（±４００Ｖ）および偏向駆動電圧（Ｖｐ-ｐ＝６００Ｖ、２００ｋＨｚ）を印加したときは、偏向角はほぼ０ｍｒａｄであった。 When the optical deflector 100 is operated by the light irradiation and control voltage driving method as described above, the incident light 105 is a light to which a voltage is applied from the AR-coated portion of the light incident light surface in FIG. The light enters the deflector and is refracted and deflected inside the optical deflector. The light deflection direction is the thickness direction of the crystal. In the case of the prior art operation that does not irradiate the crystal with UV light, a trap filling voltage (± 400 V) and a deflection driving voltage (Vp-p = 600 V, 200 kHz) are applied to light incident near the center of the crystal In some cases, the deflection angle was approximately 0 mrad.
これに対し、光照射時間２０５において、光照射器１０３から結晶の入射光面へＵＶ光を照射しながら同様の制御電圧を印加した場合、約３０ｍｒａｄを超える偏向角を実現することができた。尚、図１に示した構成では入射光と同じ結晶面に対して光照射しているが、上下の電極面以外の垂直な面からの光照射でも、電界の方向における結晶の中央付近に光照射ができる限り同様な効果が得られた。また、照射時間２０５は、トラップ充填時間２０２よりも同じまたは短ければ良い。 On the other hand, when the same control voltage was applied while irradiating UV light from the light irradiator 103 to the incident light surface of the crystal at the light irradiation time 205, a deflection angle exceeding about 30 mrad could be realized. In the configuration shown in FIG. 1, the same crystal plane as the incident light is irradiated. However, light irradiation from a vertical plane other than the upper and lower electrode planes also irradiates light near the center of the crystal in the direction of the electric field. Similar effects were obtained as much as possible. The irradiation time 205 may be the same as or shorter than the trap filling time 202.
以上詳細に説明したように、本発明の光偏向器は、トラップが過度に多いために電荷が電極近傍に留まってしまうような結晶であっても、光照射しながら駆動電圧を印加することによって、結晶厚み方向の中央付近まで電子を注入させ電荷密度を向上させて、光偏向器の偏向角を増大させることができる。本発明により、偏向角の再現性に優れた光偏向器を実現することができる。 As described above in detail, the optical deflector according to the present invention can apply a driving voltage while irradiating light even in a crystal in which charges remain in the vicinity of an electrode due to excessive traps. Electrons can be injected to the vicinity of the center in the crystal thickness direction to improve the charge density and increase the deflection angle of the optical deflector. According to the present invention, an optical deflector excellent in reproducibility of a deflection angle can be realized.
本発明は、光学機器に利用することができる。 The present invention can be used for optical instruments.
１００ 光偏向器
１０１ ＫＴＮ結晶
１０２ａ、１０２ｂ 電極
１０３ 光照射器
１０４ 制御電源
１０５ 入射光
２００ 動作サイクル
２０１ トラップ充電電圧
２０２ トラップ充電時間
２０３ 偏向電圧
２０４ 偏向電圧印加時間
２０５ 光照射時間
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Optical deflector 101 KTN crystal | crystallization 102a, 102b Electrode 103 Light irradiator 104 Control power supply 105 Incident light 200 Operation cycle 201 Trap charge voltage 202 Trap charge time 203 Deflection voltage 204 Deflection voltage application time 205 Light irradiation time
Claims (7)
前記電極に印加する前記制御電圧を生成する制御電圧電源であって、
直流電圧または正極性および負極性の直流電圧を含む交番電圧からなるトラップ充填電圧と、
前記トラップ充填電圧を印加した後に印加する前記制御電圧として、入射光を偏向させる偏向電圧と
を生成するよう構成された制御電圧電源と、
前記トラップ充填電圧を印加する期間内の少なくとも一部の時間に、前記入射光とは異なり、トラップされた電子を伝導帯まで励起することが可能な光を、前記電気光学結晶のいずれかの端面の、前記電界の方向における概ね中央付近に照射する光源と
を備えたことを特徴とする光偏向器。 An electro-optic crystal in which at least two electrodes are formed on opposite surfaces, and formed by the control voltage by applying a control voltage to the electrodes and generating a gradient of the internal refractive index distribution by the electro-optic effect. An electro-optic crystal that deflects incident light incident on one end face of the electro-optic crystal substantially perpendicular to the applied electric field;
A control voltage power supply for generating the control voltage to be applied to the electrode,
Trap filling voltage consisting of DC voltage or alternating voltage including positive and negative DC voltage,
A control voltage power supply configured to generate a deflection voltage for deflecting incident light as the control voltage applied after applying the trap filling voltage;
At least part of the time in the period for applying the trap fill voltage, Unlike the incident light, the light capable of exciting the trapped electrons to the conduction band, one of the electro-optical crystal An optical deflector comprising: a light source that irradiates an end surface of the light source substantially in the vicinity of the center in the electric field direction.
前記電気光学結晶に、直流電圧または正極性および負極性の直流電圧を含む交番電圧からなるトラップ充填電圧を印加する第１の駆動ステップであって、前記トラップ充填電圧を印加する期間内の少なくとも一部の時間に、前記入射光とは異なり、トラップされた電子を伝導帯まで励起することが可能な光が、前記電気光学結晶のいずれかの端面の、前記電界の方向における概ね中央付近に照射される、第１の駆動ステップと、
前記第１の駆動ステップに引き続き、前記制御電圧として、入射光を偏向させる偏向電圧を印加する第２の駆動ステップと
を備えることを特徴とする光偏向器の制御方法。 Formed by the control voltage by applying a control voltage to at least two electrodes formed on opposite surfaces of the electro-optic crystal and generating a gradient of the refractive index distribution in the electro-optic crystal by the electro-optic effect. In a control method of an optical deflector for deflecting incident light incident on one end face of the electro-optic crystal substantially perpendicular to an electric field,
A first driving step of applying a trap filling voltage comprising a DC voltage or an alternating voltage including a positive polarity and a negative polarity DC voltage to the electro-optic crystal, wherein at least one of the periods within the period of applying the trap filling voltage; component of time, the Unlike incident light, the light capable of exciting the trapped electrons to the conduction band, at either end face of the electro-optic crystal, generally near the center in the direction of the field A first driving step that is irradiated;
A method for controlling an optical deflector comprising: a second driving step for applying a deflection voltage for deflecting incident light as the control voltage subsequent to the first driving step.
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