(57)【要約】【課題】電気光学効果を利用した光偏向素子において、高電圧を印加した際に発生するビーム歪みを抑制する。【解決手段】光導波路１０の上面に第１の上部電極１４−１及び第２の上部電極１４−２を形成し、光導波路１０の下面に第１の下部電極１５−１及び第２の下部電極１５−２を形成する。第１の上部電極１４−１と第１の下部電極１５−１との間に印加される電圧と、第２の上部電極１４−２と第２の下部電極１５−２との間に印加される電圧とは極性が反対である。第１の下部電極１５−１から第１の上部電極１４−１へ向かう電界Ｅ１と、第２の上部電極１４−２から第２の下部電極１５−２へ向かう電界Ｅ２がＹ軸方向に交互に形成されるので、光エネルギー励起によって光導波路１０内に発生した光励起キャリアが電気的に中和され、ビーム歪みが抑制される。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気光学材料からなるコア層を備えた光導波路と、
前記コア層を挟む前記光導波路の一対の表面に配置され、所定の電圧が印加される第１の電極対と、
前記一対の表面における前記第１の電極対と異なる位置に配置され、前記第１の電極対に印加される電圧と逆極性の電圧が印加される第２の電極対と、
を有する光偏向素子。
【請求項２】
請求項１に記載された光偏向素子において、
前記第１の電極対を構成する電極は、同一の前記表面における第２の電極対を構成する電極に向かって伸びる複数の突出部を有し、
前記第２の電極対を構成する電極は、同一の前記表面における第１の電極対に向かって伸びる複数の突出部を有し、
同一の前記表面においては、前記第１の電極対が有する前記複数の突出部の各々と、前記第２の電極対が有する前記複数の突出部の各々とが、光の入射方向に交互に並んでいる光偏向素子。
【請求項３】
請求項２に記載された光偏向素子において、
前記複数の突出部の各々は、三角形状である光偏向素子。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載された光偏向素子において、
前記第１の電極対を構成する電極同士、及び前記第２の電極対を構成する電極同士は同じ形状であり、かつ同じ二次元位置に配置されている光偏向素子。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載された光偏向素子において、
前記第１の電極対を構成する電極と前記第２の電極対を構成する電極の前記一対の表面上の間隔は、前記コア層の厚さより大きい光偏向素子。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載された光偏向素子において、
前記電気光学材料は、ニオブ酸リチウム、酸化マグネシウム添加二オブ酸リチウム、タンタル酸リチウムからなる群より選択される一のリチウム化合物である光偏向素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電気光学効果を利用した光偏向素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザビームを走査する光ビームスキャナは、レーザプリンタ、レーザ加工、ディスプレイ、計測、光通信等、様々な分野で用いられている。その光ビームスキャナは一般的に光源となるレーザ発振装置とレーザビームを走査する光偏向素子を備えている。さらに必要に応じて、レーザ光源から発生した光ビームを光偏向素子に適したビーム形状に成形する光結合光学系や、光偏向素子から出力された光ビームプロファイルを成形したり、光偏向素子で与えられた偏向角を拡大または縮小したりするような出力光学系を備えることもある。
【０００３】
光偏向素子として従来から一般的に用いられているものとしては、回転ポリゴンミラーやガルバノミラー、ＭＥＭＳ（Micro-Electro-Mechanical Systems）ミラーのような光ビームの反射角を制御して光走査を行うものの他、音響光学（Acousto-Optical：ＡＯ）効果や電気光学（Electro-Optical：ＥＯ）効果による材料の屈折率変化を利用したものが知られている。
【０００４】
特に電気光学効果は原理的に応答速度が極めて速く、これを利用した光偏向素子は高速なビーム走査に有効である。また電気光学材料に印加する電圧に応じて、走査角度を任意に制御できるため、光ビームに対して瞬時に所望の偏向角度を与えることができる。
【０００５】
光ビームスキャナの光源には用途に応じて様々な波長および光強度のものが用いられる。特にレーザ加工やレーザレーダによる距離計測用、またはレーザプロジェクション用の光源においては、数１００ｍＷから１Ｗ以上の高強度のレーザ光源が用いられることが知られている。
【０００６】
電気光学材料について一般的に知られている問題点としてフォトリフラクション（光損傷）がある。これは材料に高エネルギーの光ビームが照射されると、そのビーム形状が大きく乱される（ビーム歪み）現象である。フォトリフラクションの原因としては、光エネルギー励起によって材料内部に発生した自由電子がドリフトし、材料内にランダムな内部電界が形成されることと、この自由電子による内部電界が電気光学効果によって材料内部に不規則な屈折率変化を引き起こすことが考えられている。上述のレーザプロジェクション用の光源では、この問題点は顕著に現れてくる。
【０００７】
上記のフォトリフラクションの問題を解決するために材料の組成を最適化することが試みられている。例えば一般的な電気光学材料及び非線形光学材料であるニオブ酸リチウム及びタンタル酸リチウムに対して、マグネシウムをドープして材料の光導電率を高めることで、光によって励起されたキャリアが形成する内部電界を下げることで、フォトリフラクションの耐性を高める手法が知られている（非特許文献１）。
【０００８】
これにより、外部電圧を印加する必要がない波長変換素子や、必要な外部電圧が低い（動作に必要な外部電界値がおよそ０．１ｋＶ／ｍｍ）光変調素子に用いた場合はビーム歪みを抑制することは可能である。
【０００９】
しかしながら、光偏向素子に用いる場合、動作に必要な外部電界値はおよそ１ｋＶ／ｍｍ〜１０ｋＶ／ｍｍと高いため、マグネシウムをドープしたニオブ酸リチウム及びタンタル酸リチウムであってもビームが歪む現象が生じる。これは、電圧印加に伴う外部電界によって、光励起キャリアのドリフトが大幅に促進され、キャリアによる空間電荷電場の形成を助長するからである。
【００１０】
このビーム歪みは交流電圧よりも直流電圧動作の際に顕著に現れる。その理由は常に同じ極性で電圧印加が継続すると、外部電界によるキャリアのドリフトが進み、局所的な電界分布を形成するためである。このビーム歪みによって、光偏向素子における解像点数などの性能を著しく低下させるという問題が生じている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明はこのような問題を解決するためになされたものであり、その目的は、電気光学効果を利用した光偏向素子において、高い電圧を印加した際に発生するビーム歪みを抑制し、良好なプロファイルを有する出力ビームが得られるようにすることである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係る光偏向素子は、電気光学材料からなるコア層を備えた光導波路と、前記コア層を挟む前記光導波路の一対の表面に配置され、所定の電圧が印加される第１の電極対と、前記一対の表面における前記第１の電極対と異なる位置に配置され、前記第１の電極対に印加される電圧と逆極性の電圧が印加される第２の電極対と、を有する光偏向素子である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、電気光学効果を利用した光偏向素子において、高い電圧を印加した際に発生するビーム歪みを抑制し、良好なプロファイルを有する出力ビームが得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施形態に係る光偏向素子の概略構成を示す斜視図である。
【図２】図１における光導波路及び電極を示す斜視図である。
【図３】本発明の実施形態に係る光偏向素子における光偏向の原理を説明するため図である。
【図４】電気光学素子においてビーム歪みが発生する物理的メカニズムを説明するための模式図である。
【図５】電気光学素子においてビーム歪みが発生する物理的メカニズムをエネルギーバンドにより説明するための図である。
【図６】本発明の実施形態に係る光偏向素子に印加される電圧の波形を示す図である。
【図７】本発明の実施形態に係る光偏向素子によりビーム歪みが抑制される原理を説明するための図である。
【図８】本発明の実施形態に係る光偏向素子における上部電極の変形例を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
〈光偏向素子の概略構成〉
図１は本発明の実施形態に係る光偏向素子の概略構成を示す斜視図であり、図２は図１における光導波路及び電極を示す斜視図である。ここで、図２Ａは上面側の斜視図であり、図２Ｂは下面側の斜視図である。図２Ａにおいて、図１における引き出し電極１８は省略した。
【００１６】
図１に示すように、この光偏向素子は、光導波路型の光偏向素子であり、光導波路１０と、上部電極１４と、下部電極１５と、接着層１６と、支持基板１７と、引き出し電極１８から構成されている。
【００１７】
この光偏向素子は全体として直方体形状を呈している。また、図のＸＹＺ直交座標系における＋Ｙ方向は光の伝播方向、＋Ｚ方向は支持基板１７の下面から光導波路１０の上面に垂直に向かう方向、＋Ｘ方向はＹＺ平面に直交し、かつ紙面上方に向かう方向である。
【００１８】
光導波路１０は、コア層１１と、コア層１１を挟む一対のクラッド層、即ちコア層１１の上面に形成された上部クラッド層１２と、コア層１１の下面に形成された下部クラッド層１３からなる。
【００１９】
コア層１１を挟む光導波路１０の一対の表面の一方である上部クラッド層１２の上面には、上部電極１４及び引き出し電極１８が配置されており、コア層１１を挟む光導波路１０の一対の表面の他方である下部クラッド層１３の下面には、下部電極１５が配置されている。
【００２０】
コア層１１は電圧を印加することによって屈折率が変化する電気光学材料であり、上部電極１４と下部電極１５の間に電圧を印加することで屈折率を変化させることができる。本実施形態に係る光偏向素子は導波路構造をとるため、コア層１１の屈折率は上部クラッド層１２及び下部クラッド層１３の屈折率よりも高くなるように選択する。
【００２１】
コア層１１に用いる材料として、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）、ＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ４）、ＳＢＮ、ＫＴＮなどの電気光学材料がある。ＬＮ及びＬＴを用いるのがビーム歪み抑制の観点から好ましい。本実施形態ではＬＮ（山寿セラミクス  ｏｐｔグレード  Ｚ−ｃｕｔ  厚さ０．３ｍｍ）を用いている。このＬＮには＋Ｚ方向に自発分極が形成されている。
【００２２】
上部クラッド層１２、下部クラッド層１３の材料としてはＳｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、ＴＩＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、Ａｌ２Ｏ３、ＨｆＯ２等の誘電体などが挙げられる。本実施形態ではＴａ２Ｏ５  （厚さ１．５μｍ）を用いている。
【００２３】
上部電極１４、下部電極１５の材料としてＡｕ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｒなどが挙げられる。本実施形態ではＴｉ（厚さ２００ｎｍ）をスパッタで形成した。
【００２４】
支持基板１７の材料にはコア層１１に用いる材料と熱膨張係数が等しい材料が好ましい。その理由は、支持基板１７の材料とコア層１１の材料の熱膨張係数が異なると、接着後の温度変化による熱膨張の際、コア層１１に内部応力による歪みが生じて、コア層１１にクラックが発生する原因となるからである。本実施形態ではニオブ酸リチウム基板を用いた。
【００２５】
この光偏向素子は以下のプロセスで製造される。コア層１１を研磨によって薄膜化するため、コア層１１に下部電極１５及び下部クラッド層１３を成膜した後、支持基板１７を接着層１６によりコア層１１に接着する。その後、コア層１１を研磨により薄膜化し、上部電極１４と上部クラッド層１２を成膜する。下部電極１５を取り出すため、下部クラッド層１３から上部クラッド層１２まで貫通するホールを形成し、引き出し電極１８まで導体で接続する。コア層１１を薄膜化して光導波路型にすることで、駆動電圧を低減した光偏向素子を提供することができる。
【００２６】
光導波路１０の上、下に形成されている上部電極１４、下部電極１５は、光導波路１０に光偏向機能を付加するため、三角形の形状を有するものとした。上部電極１４と下部電極１５の間に電圧を印加すると、電気光学効果によって電気光学材料の屈折率が変化し、その結果、コア層１１内にプリズム構造を作ることができる。コア層１１内を伝播する光はプリズムの境界で屈折し、入射光の進行方向が異なって出射される結果、光が偏向される。
【００２７】
上部電極１４は第１の上部電極１４−１及び第２の上部電極１４−２からなり、下部電極１５は第１の下部電極１５−１及び第２の下部電極１５−２からなる。上部電極１４を構成する第１の上部電極１４−１、第２の上部電極１４−２は、それぞれが複数（ここでは５個）の三角形をＹ軸方向（光の伝播方向）に連ねた形状の部分を有している。さらに詳しくは、隣り合う三角形の底辺の端点同士を接続し、底辺の外側に矩形の引き出し部を付加した形状を有している。また、第１の上部電極１４−１の三角形の部分と、第２の上部電極１４−２の三角形の部分とが互い違いに配列されている。下部電極１５を構成する第１の下部電極１５−１と、第２の下部電極１５−２についても同様である。
【００２８】
この三角形としては、素子サイズを小さくして偏向角度を最大にするためには二等辺三角形が好ましいが、三辺の長さが異なる三角形でもよい。また、光の入射方向（図３Ｂにおいて一点鎖線が延びる方向）に対して電極の輪郭（外周線）が垂直でなければよいので、三角形以外の形状、例えば図８に示すような台形でもよい。要は、上部電極同士、下部電極同士が、相手に向かって伸びる複数の突出部を有するとともに、互いの複数の突出部の各々が光の入射方向に交互に配列されていればよいのである。
【００２９】
また、第１の上部電極１４−１と、第１の下部電極１５−１は同形状、同サイズであり、同じ二次元位置（図２ではＸＹＺ直交座標系における同じＸ座標及びＹ座標の位置）に形成されている。同様に、第２の上部電極１４−２と、第２の下部電極１５−２も同形状、同サイズであり、同じ二次元位置に形成されている。このように構成した理由は、電圧印加時にコア層１１内に垂直（Ｚ軸方向）な電界を形成するためである。この位置精度が悪いと、形成される電界がＺ軸方向に垂直ではなくなるため、電圧印加時に発生する１次のポッケルス効果によって生成される屈折率が低下し、その結果、光偏向性能の劣化につながることになる。
【００３０】
電極間のショートの発生確率を低減するため、第１の上部電極１４−１と第２の上部電極１４−２との間隔、及び第１の下部電極１５−１と第２の下部電極１５−２との間隔はコア層１１の厚さより大きいことが好ましい。
【００３１】
引き出し電極１８は第１の引き出し電極１８−１及び第２の引き出し電極１８−２からなり、それぞれ第１の下部電極１５−１及び第２の下部電極１５−２と光導波路１０を上下に貫通するホールを通して接続されている。
【００３２】
〈光偏向の原理〉
図３は本発明の実施形態に係る光偏向素子における光偏向の原理を説明するための図である。ここで、図３Ａは、上部電極１４と下部電極１５との間に交流電源２１から電圧を印加し（ここでは第１の上部電極１４−１にのみ印加した場合を図示）、入射光が偏向されて出射する様子を示す図である、図３Ｂは第１の上部電極１４−１及び第２の上部電極１４−２の平面図である。
【００３３】
図３Ａに示すように、外部の交流電源２１から、光偏向素子に電圧信号を印加すると、電気光学材料の分極軸に平行な電界（Ｚ軸方向の電界）が形成され、電気光学効果によりその屈折率が変化する。ポッケルス効果による屈折率変化を利用する場合、電気光学材料の屈折率変化量Δｎは下記の式〔１〕で与えられる。
【００３４】
Δｎ＝−（１／２）ｎ３ｒｉｊ（Ｖ／ｄ）  …式〔１〕
【００３５】
式〔１〕において、ｎは電気光学材料の屈折率、ｒｉｊは電気光学定数、Ｖは印加電圧、ｄは電気光学材料の厚さである。この式は分極Ｐと外部電界Ｅが同方向、即ち、Ｅが＋Ｚ方向のときに形成される。一方、外部電界Ｅが−Ｚ方向の場合は式〔１〕の符号が反転する。
【００３６】
前述したように、第１の上部電極１４−１、第２の上部電極１４−２、第１の下部電極１５−１、及び第２の下部電極１５−２は、複数の三角形の部分（以下、三角電極）を備えている。上下の電極間に電圧を印加すると、屈折率変化領域も三角形状となり、それぞれが伝播する光ビームに対してプリズムとして機能する。このため、屈折率変化領域を伝播するにしたがって、伝播光ビームはＸ軸方向に偏向角を与えられる。出射光の偏向角は各三角電極での屈折角の足し合わせとなるため、出射光の偏向角を増加させることができる。
【００３７】
後述するように、第１の上部電極１４−１と第１の下部電極１５−１との間に印加する電圧と、第２の上部電極１４−２と第２の下部電極１５−２との間に印加する電圧とは逆極性であるため、コア層１１に分極反転領域を形成しなくても、分極の方向を光路に沿って交互に反転させた構造と同等の偏向角を得ることができる。
【００３８】
出射光に与えられる偏向角θは電気光学材料の屈折率変化量に比例し、以下の式〔２〕で表される。
【００３９】
θ＝Δｎ（Ｌ／Ｄ）  …式〔２〕
【００４０】
式〔２〕において、Ｌは複数のプリズム部全体の長さ、Ｄはプリズム幅（Ｘ軸方向の長さ）である。本実施形態の場合、Ｌは図３Ｂにおいて三角電極と一点鎖線が重なる部分の長さであり、Ｄは三角電極における三角形の高さである。
【００４１】
式〔１〕及び〔２〕より、光偏向素子から出射される偏向角は印加電圧に比例することが判る。従って、光偏向素子への印加電圧を制御することにより、任意の偏向角で光ビームを出射させることができる。
【００４２】
本実施形態では、光偏向素子はＸ：１０ｍｍ、Ｙ：２４ｍｍ、Ｚ：０．３ｍｍのサイズで作製されており、図３Ｂに一点鎖線で示すように、光ビーム（Ｈｅ−Ｎｅ  ６３３ｎｍ）をＸ軸方向の中心位置に入射させる。この光偏向素子は、Ｘ軸方向の中心位置における三角電極の透過部分（図３Ｂにおいて一点鎖線と三角形が重なる部分）が等間隔になるように構成されている。
【００４３】
〈ビーム歪みが発生するメカニズム〉
図４は電気光学素子においてビーム歪みが発生する物理的メカニズムを説明するための模式図であり、図５は電気光学素子においてビーム歪みが発生する物理的メカニズムをエネルギーバンドにより説明するための図である。
【００４４】
図４及び図５に示すように、ニオブ酸リチウムに代表される電気光学結晶１００に可視光のレーザビーム１０１が入射すると、結晶内の光照射部に光励起キャリアが発生する（図５の（i））。この理由は、結晶中には格子欠陥、及びＦｅやＣｒなどの不純物によってエネルギーバンドにおける伝導帯３１と価電子帯３２との間に不純物準位３４が形成されており、光励起によってキャリアが不純物準位３４から伝導帯３１に遷移するためである。
【００４５】
さらに、電気光学結晶１００の上下の電極１０２、１０３に外部の直流電源１０４の電圧を印加すると、この電圧により形成された外部電界によって光励起キャリアが電気光学結晶１００の内部をドリフトする（図５の（ii））。ドリフトしたキャリアは、結晶内に形成されているトラップ準位３３によって捕獲される（図５の（iii））。その結果、光励起に寄与した不純物準位３４はイオン化ドナーとして働き、キャリアであった電子と局所的な空間電荷電場Ｅｉを形成する（図５の（iv））。
【００４６】
この局所的な空間電荷電場Ｅｉから生じる電気光学効果によって、電圧を印加した屈折率変調領域内の屈折率に不均一な分布を与えていると考えられる。そして、この不均一な屈折率分布がビーム歪みを発生させる原因となっている。
【００４７】
〈ビーム歪みの抑制〉
次に、本発明の実施形態に係る光偏向素子において、ビーム歪みを抑制するための手段について説明する。
【００４８】
図６は本発明の実施形態に係る光偏向素子に印加される電圧の波形を示す図である。ここで、図６Ａは交流電圧の波形を示しており、波形４１は第１の上部電極１４−１と第１の下部電極１５−１との間に印加する電圧であり、波形４２は第２の上部電極１４−２と第２の下部電極１５−２との間に印加する電圧である。また、図６Ｂは直流電圧の波形を示しており、波形４３は第１の上部電極１４−１と第１の下部電極１５−１との間に印加する電圧であり、波形４４は第２の上部電極１４−２と第２の下部電極１５−２との間に印加する電圧である。
【００４９】
つまり、交流電圧印加時、直流電圧印加時ともに、第１の上部電極１４−１と第１の下部電極１５−１との間に印加する電圧と、第２の上部電極１４−２と第２の下部電極１５−２との間に印加する電圧とは、振幅が同一であり、極性が反対である。
【００５０】
このように逆極性の電圧を印加することでビーム歪みが抑制される原理について図７を用いて説明する。ここで、図７Ａは、第１の上部電極１４−１と第１の下部電極１５−１との間に印加されている電圧のレベルが−Ｖａ（Ｖａ≠０）であり、第２の上部電極１４−２と第２の下部電極１５−２との間に印加されている電圧のレベルがＶａであることを示す図であり、図７Ｂは、図７ＡにおけるＦ−Ｆ’断面図、即ちＸ軸方向の中心位置でＸＹ平面に垂直に切断した断面図である。
【００５１】
図７Ａに示す極性の電圧が印加されると、図７Ｂに示すように、第１の上部電極１４−１と第１の下部電極１５−１との間では、第１の下部電極１５−１から第１の上部電極１４−１へ向かう電界（＋Ｚ方向の電界）Ｅ１が形成され、第２の上部電極１４−２と第２の下部電極１５−２との間では、第２の上部電極１４−２から第２の下部電極１５−２へ向かう電界（−Ｚ方向の電界）Ｅ２が形成される。
【００５２】
電界Ｅ１と電界Ｅ２は、Ｙ軸方向に交互に形成されるので、ドリフトする光励起キャリアが電気的に中和されて空間電荷電場Ｅｉ（図５）の形成を抑制することができ、その結果、ビーム歪みを抑制した光偏向機能を有する光偏向素子として動作可能となる。
【符号の説明】
【００５３】
１０…光導波路、１４…上部電極、１４−１…第１の上部電極、１４−２…第２の上部電極、１５…下部電極、１５−１…第１の下部電極、１５−２…第２の下部電極。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００５４】
【非特許文献１】Applied.Physics.Letters.44(9),pp.847-849,1May 1984
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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