(57)【要約】【課題】光の位相変調を効率よく行うことができ、簡便な構成からなる電気光学素子を提供する。【解決手段】光強度変調器は、電気光学効果を有する電気光学結晶と、該電気光学結晶の入射側の光軸上に配置された偏光子と、前記電気光学結晶の出射側の光軸上に配置された検光子と、前記電気光学結晶の電気伝導に寄与するキャリアに対してショットキー接触となる材料からなり、前記電気光学結晶の内部に電界を発生させる、正極と負極とからなる電極対とを備えた。【選択図】図２２
2011118438.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気光学効果を有する電気光学結晶と、
該電気光学結晶の入射側の光軸上に配置された偏光子と、
前記電気光学結晶の出射側の光軸上に配置された検光子と、
前記電気光学結晶の電気伝導に寄与するキャリアに対してショットキー接触となる材料からなり、前記電気光学結晶の内部に電界を発生させる、正極と負極とからなる電極対と
を備えたことを特徴とする光強度変調器。
【請求項２】
前記電気光学結晶は、Ｋ1-yＬｉyＴａ1-xＮｂxＯ3（０＜ｘ＜１、０≦ｙ＜１）であることを特徴とする請求項１に記載の光強度変調器。
【請求項３】
前記電気光学結晶の電気伝導に寄与するキャリアが電子のとき、前記電極対の材料は、仕事関数が５．０ｅＶ以上であることを特徴とする請求項２に記載の光強度変調器。
【請求項４】
前記電極対の材料は、Ｃｏ、Ｇｅ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｓｅのいずれかであることを特徴とする請求項３に記載の光強度変調器。
【請求項５】
前記電気光学結晶の電気伝導に寄与するキャリアが正孔のとき、前記電極対の材料は、仕事関数が５．０ｅＶ未満であることを特徴とする請求項２に記載の光強度変調器。
【請求項６】
前記電極対の材料は、Ｃｓ、Ｒｂ、Ｋ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｎａ、Ｃａ、Ｌｉ、Ｙ、Ｓｃ、Ｌａ、Ｍｇ、Ａｓ、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｍｎ、Ｉｎ、Ｇａ、Ｃｄ、Ｂｉ、Ｔａ、Ｐｂ、Ａｇ、Ａｌ、Ｖ、Ｎｂ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｂ、Ｈｇ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｓｂ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｔｅ、Ｒｅ、Ｂｅ、Ｒｈのいずれかであることを特徴とする請求項５に記載の光強度変調器。
【請求項７】
前記電極対の材料は、ＩＴＯ、ＺｎＯのいずれかであることを特徴とする請求項５に記載の光強度変調器。
【請求項８】
前記電気光学結晶は、ＬｉＮｂＯ3、ＬｉＴａＯ3、ＬｉＩＯ3、ＫＮｂＯ3、ＫＴｉＯＰＯ4、ＢａＴｉＯ3、ＳｒＴｉＯ3、Ｂａ1-xＳｒxＴｉＯ3（０＜ｘ＜１）、Ｂａ1-xＳｒxＮｂ2Ｏ6（０＜ｘ＜１）、Ｓｒ0.75Ｂａ0.25Ｎｂ2Ｏ6、Ｐｂ1-yＬａyＴｉ1-xＺｒxＯ3（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）、Ｐｂ（Ｍｇ1/3Ｎｂ2/3）Ｏ3-ＰｂＴｉＯ3、ＫＨ2ＰＯ4、ＫＤ2ＰＯ4、（ＮＨ4）Ｈ2ＰＯ4、ＢａＢ2Ｏ4、ＬｉＢ3Ｏ5、ＣｓＬｉＢ6Ｏ10、ＧａＡｓ、ＣｄＴｅ、ＧａＰ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅのいずれかであることを特徴とする請求項１に記載の光強度変調器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気光学素子に関し、より詳細には、電気光学結晶の電界を制御することにより結晶の屈折率を変化させ、光の進行方向を変えたり、光の位相を変えることができる電気光学素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、プロジェクターをはじめとする映像機器、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において、レーザ光を偏向するための光制御素子に対する要求が高まっている。光を偏向する技術として、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、音響光学効果を利用した光回折技術、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）と呼ばれるマイクロマシーン技術が提案されている。
【０００３】
ポリゴンミラーは、多面体の形状を有するミラーを機械的に回転させ、レーザ光の反射方向を連続的に変化させて光を偏向させる。ポリゴンミラーを用いた方法は、機械的な回転を利用しているため、回転速度に制限がある。すなわち、ポリゴンミラーは、１００００ｒｐｍ以上の回転数を得ることは困難とされており、高速動作が必要な応用には適さないという欠点があった。ポリゴンミラーを用いた方法が、レーザプリンタのレーザ光の偏向に利用されている。しかし、ポリゴンミラーの回転速度の制限は、プリンタの印刷速度の高速化においてボトルネックとなっている。プリンタの印刷速度をさらに向上させるためには、より高速な光偏向技術が求められる。
【０００４】
ガルバノミラーは、レーザ光を偏向走査するレーザスキャナ等に利用されている。従来の実用的なガルバノミラーは、例えば、磁界中に配置する可動コイルの代わりになる可動鉄片と、その周囲に２つの永久磁石と４つの磁極を設けた磁性体とにより構成された磁路を有する。この磁性体に巻回した駆動コイルに流す電流の大小及び方向によって、磁極間の磁束を変化させることにより、可動鉄片を介して反射鏡を揺動させ、レーザ光を偏向走査する。ガルバノミラーを用いた方法は、ポリゴンミラーよりも高速な動作が可能である。しかし、従来のガルバノミラーは、駆動コイルが機械巻き等であることから、小型化することが難しい。従って、ガルバノミラーを用いたレーザスキャニングシステム、およびこのシステムを用いるレーザ応用機器のより一層の小型化が難しい。また、消費電力が大きいという欠点がある。さらに、ＭＨｚ単位の周期で高速動作させることができないという欠点もある。
【０００５】
音響光学効果を利用した光回折型の光偏向器が実用化されている。しかし、この光回折型の光偏向器を用いた方法は、消費電力が大きく、小型化が困難である。また、大きい偏向角を得たり、高速動作を行うことが難しいという欠点がある。また、ＭＥＭＳを用いた方法は、光偏向素子として微細なミラーを静電的に駆動するため、数十μｓｅｃの応答が限界である。
【０００６】
従来、電気光学結晶を用いた様々な光機能部品が実用化されている。これら光機能部品は、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することを利用している。そこで、上記の課題を解決する手段として、電気光学結晶の電極に電圧を印加して、電気光学効果によりビームを偏向させる技術が開発されている（例えば、特許文献１参照）。また、プリズム形状に加工した電気光学結晶、またはプリズム形状の電極が形成された電気光学結晶を用いてビームを偏向させる技術が開発されている（例えば、特許文献２参照）。電気光学結晶の電極に電圧を印加すると、電気光学効果により屈折率を変化させることができる。プリズム形状に作製した電極を用いる方法は、電気光学結晶内に屈折率が変化している領域と、電圧が印加されておらず屈折率が変化していない領域とを作り出す。これら２つの領域の境界にできる屈折率差によりビームが偏向され、偏向角を得る。
【０００７】
電気光学結晶を用いた方法は、電気光学効果の速度限界まで応答可能であり、ＧＨｚを超える応答が可能となる。これまでに、電気光学結晶を用いた光偏向素子として、ＬｉＮｂＯ3（以下、ＬＮ結晶という）、ＰＬＺＴを用いた報告がある。しかしながら、ＬＮ結晶を用いた素子では、電気光学効果が小さいため、５ｋＶ／ｍｍ程度の電圧を印加しても３ｍｒａｄ程度の偏向角しか得られないという欠点がある。更に、ＰＬＺＴを用いた素子においても、２０ｋＶ／ｍｍの印加電界に対して４５ｍｒａｄ程度の偏向角が限界である（例えば、非特許文献１参照）。
【０００８】
しかしながら、従来の方法では、個々のプリズム領域の電気光学効果による屈折率変化は小さく、その屈折率変化による偏向角も小さい。従って、従来の方法において大きい偏向角を得るためには、複数のプリズムを配置する必要があった。しかしながら、複数のプリズムを配置した場合、光が大きな入射角でプリズムに入射すると、所望の解像度が得られないという問題があった。
【０００９】
一方、電気光学結晶を用いた光位相変調器は、結晶の屈折率の変化により、結晶を通過する光の速度を変化させて、光の位相を変化させる。また、電気光学結晶を、マッハツェンダ干渉計、マイケルソン干渉計の一方の光導波路に設置すると、結晶に印加する電圧に応じて、干渉計の出力の光強度が変化する。これら干渉計は、光スイッチ、光変調器として用いることができる。
【００１０】
図１に、従来の電気光学結晶を用いた光位相変調器の構成を示す。光位相変調器は、方形の電気光学結晶１の対向する面に、正極２と負極３とが形成されている。電気光学結晶１の結晶軸ｘ，ｙ，ｚを図１に示したように規定する。電気光学効果による屈折率の変化は、１次のポッケルス効果、および２次のカー効果により与えられる。２次のカー効果の場合、垂直偏光、すなわち光の偏光方向が図１のｘ軸方向に対する電気光学定数は、ｓ11であり、正極２と負極３との間に電圧Ｖを印加したときの位相の変化は、次式で与えられる。
【００１１】
【数１】
2011118438.tif 000003
【００１２】
ここで、ｎは電気光学結晶１の屈折率、Ｌは光の伝搬方向、すなわち図１のｚ軸方向の電気光学結晶１の長さ、λは光の波長、ｄは正極２と負極３の間隔である。水平偏光、すなわち光の偏光方向が図１のｙ軸方向に対する電気光学定数は、ｓ12であり、正極２と負極３との間に電圧Ｖを印加したときの位相の変化は、次式で与えられる。
【００１３】
【数２】
2011118438.tif 000004
【００１４】
光位相変調器の効率を表す指数として、半波長電圧が用いられている。半波長電圧は、光の位相をπラジアンだけ変化させるのに要する電圧であり、次式で与えられる。
【００１５】
【数３】
2011118438.tif 000005
【００１６】
次に、光位相変調器と偏光子および検光子とを組み合わせた光強度変調器について説明する。図２Ａおよび２Ｂに、従来の光強度変調器の構成を示す。図２Ａに示したように、電気光学結晶１は、対向する面に正極２と負極３とが形成されている。電気光学結晶１の入射側に偏光子４を配置し、出射側に検光子５を配置する。偏光子４を通過した光の電界成分のうち、ｘ軸に平行な成分をＥｘ、ｙ軸に平行な成分をＥｙとする。偏光子４の偏光角が、電気光学結晶１のｘ軸に対して４５度の場合には、Ｅｘ＝Ｅｙである。
【００１７】
正極２と負極３との間に電圧Ｖを印加したときのＥｘおよびＥｙの位相の変化は、それぞれ式（１），（２）で与えられる。検光子５の偏光角が、電気光学結晶１のｘ軸に対して４５度の場合、検光子５を通過した出射光の強度は、次式で与えられる。
【００１８】
【数４】
2011118438.tif 000006
【００１９】
ＥｘとＥｙとが等しい場合には、
【００２０】
【数５】
2011118438.tif 000007
【００２１】
として、次式で与えられる。
【００２２】
【数６】
2011118438.tif 000008
【００２３】
このようにして、図２Ｂに示したように、電圧Ｖに応じて、検光子５を通過した出射光の強度を０％〜１００％の間で変調することができる。光強度変調器の効率を表す指数として、出射光の強度を０％から１００％に変化させる半波長電圧として、次式のように表す。
【００２４】
【数７】
2011118438.tif 000009
【００２５】
しかしながら、従来の電気光学結晶では、電気光学定数が小さく、実用的な光位相変調器、光強度変調器を構成するためには、半波長電圧がｋＶオーダーになってしまう。ｋＶオーダーの電圧を高速に変調することは、駆動回路に大きな負荷がかかり、装置の大型化が避けられないという問題があった。また、ｋＶオーダーの電圧を高速に変調すると、高周波ノイズが発生し、周辺機器へのノイズの混入という問題も生じた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２６】
【特許文献１】特開平１０−２３９７１７号公報
【特許文献２】特開平０９−１５９９５０号公報
【非特許文献】
【００２７】
【非特許文献１】菅間明夫、外５名、「ＥＯ導波路偏向型光スイッチの開発」、電子情報通信学会信学技報、社団法人電子情報通信学会、２００４年１０月、ＰＮ２００４−５９、ｐ．６１−６４
【非特許文献２】Toshihiro Itoh, Masahiro Sasaura, Seiji Toyoda, Katsue Manabe, Koichiro Nakamura and Kazuo Fujiura, ”High-frequency response of electro-optic single crystal KTaxNb1-xO3 in paraelectric phase,”in Conference on Lasers and Electro-Optics/Quantum Electronics and Laser Science and Photonic Applications, Systems and Technologies 2005 (Optical Society of America, Washington, DC, 2005), JTuC36
【非特許文献３】P. S. Chen, et al., ”Light Modulation and Beam Deflection with Potassium Tantalate-Niobate Crystals,” Journal of Applied Physics, 1966, Vol.37, no.1, pp.388-398
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２８】
本発明の目的は、光の位相変調を効率よく行うことができ、簡便な構成からなる電気光学素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２９】
本発明の電気光学素子においては、電気光学結晶に電圧を印加することにより、電気光学結晶の内部に空間電荷を生じさせ、入射するビームの光軸に対して垂直な断面に電界の傾斜を生じさせる。この電界の傾斜を制御することにより、光偏向器のビームの偏向を大きくすることができる。また、ビームの偏向を小さく、垂直偏光と水平偏光との間でずれ角を小さくすることにより、光位相変調器の光の位相変調を効率よく行うことができる。
【００３０】
上述した目的を達成するために、本発明の一実施態様は、電気光学効果を有する電気光学結晶と、該電気光学結晶の入射側の光軸上に配置された偏光子と、前記電気光学結晶の出射側の光軸上に配置された検光子と、前記電気光学結晶の電気伝導に寄与するキャリアに対してショットキー接触となる材料からなり、前記電気光学結晶の内部に電界を発生させる、正極と負極とからなる電極対とを備えた光強度変調器である。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】図１は、従来の電気光学結晶を用いた光位相変調器の構成を示す図である。
【図２Ａ】図２Ａは、従来の光強度変調器の構成を示す図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、従来の光強度変調器の構成を示す斜視図である。
【図３】図３は、電極材料Ｐｔの光強度変調器の動作特性を示す図である。
【図４】図４は、電極材料Ｔｉの光強度変調器の動作特性を示す図である。
【図５】図５は、光強度変調器において屈折率の変化に傾斜が生じた場合を示す図である。
【図６Ａ】図６Ａは、結晶内部の電荷による電界傾斜の発生原理を示す図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、結晶内部の電荷による電界傾斜の発生原理を示す図である。
【図７】図７は、電界傾斜による光の偏向の原理を示す図である。
【図８】図８は、ｘ0と電界Ｅの空間分布との関係を示す図である。
【図９】図９は、カー効果による屈折率変化Δｎの分布を示す図である。
【図１０】図１０は、電極材料の仕事関数と偏向角との関係を示す図である。
【図１１】図１１は、電極材料の仕事関数とずれ角との関係を示す図である。
【図１２】図１２は、電気光学結晶の比誘電率と偏向角との関係を示す図である。
【図１３】図１３は、印加電界を変化させたときの偏向角の比誘電率依存性を示す図である。
【図１４】図１４は、本発明の一実施形態にかかる電気光学素子の偏向角と、従来のプリズムの偏向角とを示す図である。
【図１５】図１５は、本発明の実施例１にかかる平行平板電極型電気光学素子を示す図である。
【図１６】図１６は、偏向されたビームの偏向角と印加電圧の関係を示す図である。
【図１７】図１７は、本発明の実施例１にかかる電気光学結晶中を流れる電流と印加電圧との関係を示す図である。
【図１８】図１８は、本発明の実施例２にかかる水平電極型電気光学素子を示す図である。
【図１９】図１９は、本発明の実施例２にかかるＫＬＴＮ結晶中を流れる電流と印加電圧の関係を示す図である。
【図２０】図２０は、本発明の実施例３にかかる光ビーム偏向器を示す図である。
【図２１】図２１は、本発明の実施例３にかかる光ビーム偏向器の屈折率変化量の分布を示す図である。
【図２２】図２２は、本発明の実施例４にかかる光強度変調器の構成を示す図である。
【図２３Ａ】図２３Ａは、本発明の実施例５にかかるビーム偏向器の構成を示す図である。
【図２３Ｂ】図２３Ｂは、実施例５にかかるビーム偏向器のビームの伝搬経路を示す図である。
【図２４】図２４は、実施例５にかかるビーム偏向器の印加電圧と偏向角との関係を示す図である。
【図２５Ａ】図２５Ａは、本発明の実施例６にかかるビーム偏向器の構成を示す図である。
【図２５Ｂ】図２５Ｂは、実施例６にかかるビーム偏向器のビームの伝搬経路を示す図である。
【図２６】図２６は、本発明の実施例７にかかるビーム偏向器の構成を示す図である。
【図２７】図２７は、本発明の実施例８にかかる２次元ビーム偏向器の構成を示す図である。
【図２８】図２８は、本発明の実施例９にかかる２次元ビーム偏向器の構成を示す図である。
【図２９Ａ】図２９Ａは、本発明の実施例１０にかかる２次元ビーム偏向器の構成を示す斜視図である。
【図２９Ｂ】図２９Ｂは、本発明の実施例１０にかかる２次元ビーム偏向器の構成を示す上面図である。
【図２９Ｃ】図２９Ｃは、本発明の実施例１０にかかる２次元ビーム偏向器の構成を示す側面図である。
【図３０】図３０は、本発明の実施例１１にかかる光ピックアップ装置の構成を示す図である。
【図３１Ａ】図３１Ａは、本発明の実施例１２にかかるレーザプリンタの構成を示す図である。
【図３１Ｂ】図３１Ｂは、比較のために従来のレーザプリンタの構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
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。  
（電気光学結晶の材料）
ビームの偏向を効率的に大きく、および位相変調を効率よく行うためには、１次の電気光学定数であるポッケルス定数ｒij、または２次の電気光学定数であるカー定数ｓijが大きい電気光学結晶を用いることが望ましい。そのような電気光学定数の大きい電気光学結晶としては、例えば、大きなポッケルス定数ｒijを有する強誘電相のＫＬＴＮ結晶、大きなカー定数ｓijを有する常誘電相のＫＬＴＮ結晶が挙げられる。ＫＬＴＮ結晶とは、Ｋ1-yＬｉyＴａ1-xＮｂxＯ3（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）なる結晶である。
【００３３】
その他に電気光学定数の大きい電気光学結晶としては、ＬｉＮｂＯ3（以下、ＬＮという）、ＬｉＴａＯ3、ＬｉＩＯ3、ＫＮｂＯ3、ＫＴｉＯＰＯ4、ＢａＴｉＯ3、ＳｒＴｉＯ3、Ｂａ1-xＳｒxＴｉＯ3（０＜ｘ＜１）、Ｂａ1-xＳｒxＮｂ2Ｏ6（０＜ｘ＜１）、Ｓｒ0.75Ｂａ0.25Ｎｂ2Ｏ6、Ｐｂ1-yＬａyＴｉ1-xＺｒxＯ3（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）、Ｐｂ（Ｍｇ1/3Ｎｂ2/3）Ｏ3-ＰｂＴｉＯ3、ＫＨ2ＰＯ4、ＫＤ2ＰＯ4、（ＮＨ4）Ｈ2ＰＯ4、ＢａＢ2Ｏ4、ＬｉＢ3Ｏ5、ＣｓＬｉＢ6Ｏ10、ＧａＡｓ、ＣｄＴｅ、ＧａＰ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、およびＺｎＯの電気光学結晶が挙げられる。
【００３４】
図２Ｂに示した光強度変調器の電気光学結晶１として、ＫＬＴＮ結晶を用いた場合について説明する。ＫＬＴＮ結晶からなる電気光学結晶１を、縦６ｍｍ（ｚ軸）×横５ｍｍ（ｙ軸）×厚さ０．５ｍｍ（ｘ軸）に切り出し、縦５ｍｍ×横４ｍｍの電極を対向する面に取り付ける。ＫＬＴＮ結晶において電気伝導に寄与するキャリアは電子である。電極材料は、Ｐｔ、Ｔｉの２種類を用意する。ＫＬＴＮ結晶は、立方晶から正方晶への相転移付近において、大きな電気光学定数を有する。ＫＬＴＮ結晶の相転移温度は、５５℃であり、電気光学結晶１の温度を６０℃に設定する。正負電極間に５８Ｖの電圧を印加したとき、出射光の偏光方向が入射光の偏光方向に対して、９０度回転する。
【００３５】
図３に、電極材料Ｐｔの光強度変調器の動作特性を示す。正極２と負極３との間の印加電圧が増大するのに伴って、出射光がオンオフを繰り返し、光スイッチとして機能していることがわかる。図４に、電極材料Ｔｉの光強度変調器の動作特性を示す。印加電圧が増大するのに伴って、出射光の強度は変化するが、オンオフ時の光強度の比（以下、消光比という）が劣化しているのがわかる。
【００３６】
光スイッチにおいて、消光比が劣化した原因について考察したところ、電気光学結晶に電圧を印加することにより、電気光学結晶の内部に空間電荷が生じ、電圧の印加方向に電界の傾斜が生じるために、屈折率の変化にも傾斜が生じるためとわかった。図５に、光強度変調器において屈折率の変化に傾斜が生じた場合を示す。電気光学効果は、偏光依存性があるために、垂直偏光と水平偏光に対する屈折率変化の傾斜も異なる。ＫＬＴＮ結晶では、垂直偏光と水平偏光に対するカー定数が、ｓ11：ｓ12＝１０：−１程度であるため、垂直偏光の出射角のみが大きく変化する。従って、結晶に印加する電圧Ｖの増加に伴って、垂直偏光と水平偏光のずれ角が大きくなり、図４に示したように、消光比が劣化する。
【００３７】
（電界の傾斜が発生する原理）
以下に、電圧の印加によって電界の傾斜が発生する原理について説明する。電気光学結晶に電圧を印加すると、結晶の高電界電気伝導に伴う空間電荷が発生する。ここでいう高電界電気伝導とは、電圧と電流の関係がオームの法則からはずれ、電流が電圧に対して非線形に増大する空間電荷制限状態にある領域における電気伝導をいう。この空間電荷制限状態にある領域では、電極から注入される電流に対して結晶内のバルク電流が小さい場合、結晶内に空間電荷が形成される。
【００３８】
図６Ａおよび６Ｂに、結晶内部の電荷による電界傾斜の発生原理を示す。図６Ａおよび６Ｂに示すいずれの素子も、正極２と負極３とで平行に挟まれた、電気光学結晶１を備えている。また、縦軸を負極３から正極２への距離とし、横軸を電気光学結晶１内の電界の強さとするグラフを示す。図６Ａは、電気光学結晶１内に空間電荷が存在せず、電界が一定の場合を示す。この場合、正極２と負極３との間の全空間にわたって電界は一定である。一方、図６Ｂは、電気光学結晶１内の空間電荷によって空間電荷制限状態が発生した場合を示す。空間電荷制限状態では、電気光学結晶１内に発生した空間電荷によって電界が終端され、電気光学結晶１内の電界分布に傾斜が生じる。この空間電荷は、電気光学結晶１の組成によって正電荷および負電荷のどちらか一方、または正電荷および負電荷の両方であり得る。
【００３９】
図７に、電界傾斜による光の偏向の原理を示す。図７において、ｘ軸方向は、電気光学結晶１の厚さ方向（図６Ａおよび６Ｂにおける正極２から負極３に、または負極３から正極２に向かう方向）である。電気光学結晶１の厚さ方向（ｘ軸方向）に線形に変化する屈折率ｎ（ｘ）を、ｘ＝０における屈折率をｎとし、ｘにおける屈折率ｎからの屈折率の変化量をΔｎ（ｘ）として、ｎ（ｘ）＝ｎ＋Δｎ（ｘ）とする。光軸に対して垂直な断面における直径がＤであるビームが、電気光学結晶１の中を通過する場合、ビームの上端と下端とでの屈折率差は、Δｎ（Ｄ）−Δｎ（０）で与えられる。ビームが通過する屈折率に傾斜がある部分の長さ、すなわち相互作用長Ｌとすると、長さＬを伝搬後のビームの上端と下端とでの等位相面４にはずれ５が生じる。その上端と下端との等位相面４のずれ５の距離は、次式で与えられる。
【００４０】
【数８】
2011118438.tif 000010
【００４１】
このときビームの伝搬方向６の傾きθは、ずれ５の量がビームの光軸に対して垂直な断面における直径より十分小さいとすると次式となる。
【００４２】
【数９】
2011118438.tif 000011
【００４３】
これが電気光学結晶１の端面から屈折率が１と近似できる外部に出射すると、電気光学結晶１と外部との境界面で屈折し、入射光の光軸からのトータルの偏向角は次式となる。
【００４４】
【数１０】
2011118438.tif 000012
【００４５】
ここで電気光学効果による屈折率の変化を考える。電気光学効果による屈折率の変化は１次のポッケルス効果、２次のカー効果においてそれぞれ次式で与えられる。
【００４６】
【数１１】
2011118438.tif 000013
【００４７】
結晶中に電荷を生じさせ、その電荷により電極から発した電界を接地電極に到達する前に終端することによって電界が結晶の厚さ方向で変化している場合で、その電界がＥ（ｘ）で表されるとすると、偏向角θは次式となる。
【００４８】
【数１２】
2011118438.tif 000014
【００４９】
これらの式は電界Ｅ（ｘ）がｘに依存して変化している場合には、ゼロでない偏向角が生じることを示している。
【００５０】
図６Ｂのように、空間電荷制限状態にある厚さｄの電気光学結晶１に正極２と接地された負極３との間に電圧Ｖを印加すると、以下の式で表される電界Ｅの空間分布が現れる。
【００５１】
【数１３】
2011118438.tif 000015
【００５２】
ここでｘは、負極から対向する正極に向かう方向における負極と接する電気光学結晶１の側面からの位置であり、ｘ0は電気光学結晶と電極の物質により決まる定数である。
【００５３】
ここで、電界Ｅを以下の式で近似すると、
【００５４】
【数１４】
2011118438.tif 000016
【００５５】
電気光学効果を通じて誘起される屈折率変化Δｎは、１次のポッケルス効果、２次のカー効果の場合において、式（１０）、（１１）に式（１４）を代入することによって、以下の式で与えられる。
【００５６】
【数１５】
2011118438.tif 000017
【００５７】
したがって式(１２)、(１３）、(１６)、(１７）から偏向角θ（ｘ）は次式となる。
【００５８】
【数１６】
2011118438.tif 000018
【００５９】
以上より、電気光学結晶に電圧を印加することにより、電気光学結晶の内部に空間電荷を生じさせ、入射するビームの光軸に対して垂直な断面に電界の傾斜を生じさせる。この電界の傾斜により、屈折率の変化量に傾斜を生じさせ、ビームの光軸に対して垂直な断面上の光の進行速度分布に傾斜を生じさせる。結果として、光が結晶中を伝搬する間、光の進行方向は、屈折率の傾斜に応じて連続的に変化させられ、偏向角を累積することになる。一方、電圧の印加方向に電界の傾斜が生じるために、ビームの偏向は、垂直偏光と水平偏光との間でずれ角が生じることがわかる。従って、電界の傾斜を大きくすれば、光偏向器のビームの偏向を効率的に大きくすることができ、電界の傾斜を小さくすれば、光位相変調器の光の位相変調を効率よく行うことができる。
【００６０】
次に、式（１４）に注目すると、ｘ0は電極から電気光学結晶へのキャリアの注入効率に依存する量であり、ｘ0が小さいほど注入効率が高くなる。ｘ0が小さくできれば、正極と負極との間の電界の差が大きくなり、それに伴い屈折率の傾斜も大きくなることから、ビームの偏向を効率的に大きくすることができる。一方、ｘ0を大きくできれば、正極と負極との間の電界の差が小さくなり、それに伴い屈折率の傾斜も小さくなることから、ビームの偏向を小さく、垂直偏光と水平偏光との間でずれ角を小さくすることができる。
【００６１】
（電極材料の仕事関数）
図８に、ｘ0と電界Ｅの空間分布との関係を示す図である。また、図９に、カー効果による屈折率変化Δｎの分布を示す。ＫＬＴＮ結晶からなる屈折率２．２の電気光学結晶を用いて、正負電極間の距離０．５ｍｍ、電極長さ５．０ｍｍとした。印加電圧は、１００Ｖであり、２次の電気光学定数ｓijは、２．８５×１０15ｍ2／Ｖ2である。ｘ0＝０のとき、屈折率の傾斜が最も大きくなることがわかる。ｘ0＝０とは、図８のｘ＝０のとき、負極において電界が０であることからも分かるように、電極と電気光学結晶とが理想的なオーミック接触であればよい。
【００６２】
ＫＬＴＮ結晶からなる電気光学結晶を、縦６ｍｍ×横５ｍｍ×厚さ０．５ｍｍに切り出し、縦５ｍｍ×横４ｍｍの電極を対向する面に取り付ける。ＫＬＴＮ結晶において電気伝導に寄与するキャリアは電子である。電極材料は、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｕ、Ｐｔの４種類を用意する。正負電極間に１００Ｖの電圧を印加したとき、縦方向に進行する光の偏向角度を測定する。
【００６３】
図１０に、電極材料の仕事関数と偏向角との関係を示す。図中の点線Ａは、電子の注入効率が最大のときの偏向角、すなわち図８に示したｘ＝０のときの偏向角である。従って、電極材料が、Ｔｉ、Ｃｒの場合には、理想的なオーミック接触が実現され、注入効率が最大となる。電極材料の仕事関数が大きくなるにつれて、ショットキー接触に近づき、キャリアの注入効率は減少する。このことから、光偏向器の場合には、電気光学結晶の電気伝導に寄与するキャリアが電子の場合には、電極材料の仕事関数は、５．０ｅＶ未満であることが好ましい。従って、電気光学結晶の電気伝導に寄与するキャリアが正孔の場合には、電極材料の仕事関数は、５．０ｅＶ以上であることが好ましい。
【００６４】
次に、上述したＫＬＴＮ結晶からなる電気光学結晶の正負電極間に１００Ｖの電圧を印加し、垂直偏光と水平偏光との間のずれ角を測定する。図１１に、電極材料の仕事関数とずれ角との関係を示す。図中の点線Ａは、電子の注入効率が最大のときの垂直偏光と水平偏光との間のずれ角である。光位相変調器の場合には、上述した光偏向器の場合とは逆に、電極材料が、Ａｕ、Ｐｔの場合には、伝導電子の注入が抑えられ、ずれ角が小さくなっている。このことから、電気光学結晶の電気伝導に寄与するキャリアが電子の場合には、電極材料の仕事関数は、５．０ｅＶ以上であることが好ましい。一方、電気光学結晶の電気伝導に寄与するキャリアが正孔の場合には、電極材料の仕事関数は、５．０ｅＶ未満であることが好ましい。
【００６５】
仕事関数が５．０ｅＶ未満の電極材料として、Ｃｓ（２．１４）、Ｒｂ（２．１６）、Ｋ（２．３）、Ｓｒ（２．５９）、Ｂａ（２．７）、Ｎａ（２．７５）、Ｃａ（２．８７）、Ｌｉ（２．９）、Ｙ（３．１）、Ｓｃ（３．５）、Ｌａ（３．５）、Ｍｇ（３．６６）、Ａｓ（３．７５）、Ｔｉ（３．８４）、Ｈｆ（３．９）、Ｚｒ（４．０５）、Ｍｎ（４．１）、Ｉｎ（４．１２）、Ｇａ（４．２）、Ｃｄ（４．２２）、Ｂｉ（４．２２）、Ｔａ（４．２５）、Ｐｂ（４．２５）、Ａｇ（４．２６）、Ａｌ（４．２８）、Ｖ（４．３）、Ｎｂ（４．３）、Ｔｉ（４．３３）、Ｚｎ（４．３３）、Ｓｎ（４．４２）、Ｂ（４．４５）、Ｈｇ（４．４９）、Ｃｒ（４．５）、Ｓｉ（４．５２）、Ｓｂ（４．５５）、Ｗ（４．５５）、Ｍｏ（４．６）、Ｃｕ（４．６５）、Ｆｅ（４．７）、Ｒｕ（４．７１）、Ｏｓ（４．８３）、Ｔｅ（４．９５）、Ｒｅ（４．９６）、Ｂｅ（４．９８）、Ｒｈ（４．９８）のいずれかを用いることができる。（）内は仕事関数を示す。また、上記材料を複数用いた合金であってもよい。例えば、Ｔｉの単層電極は酸化して高抵抗になるので、一般的には、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕを積層した電極を用いて、Ｔｉの層と電気光学結晶とを接合させる。さらに、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）、ＺｎＯなどの透明電極を用いることもできる。
【００６６】
仕事関数が５．０ｅＶ以上の電極材料として、Ｃｏ（５．０）、Ｇｅ（５．０）、Ａｕ（５．１）、Ｐｄ（５．１２）、Ｎｉ（５．１５）、Ｉｒ（５．２７）、Ｐｔ（５．６５）、Ｓｅ（５．９）を用いることができる。また、上記材料を複数用いた合金であってもよい。
【００６７】
（電気光学結晶の誘電率）
ＫＬＴＮ結晶からなる電気光学結晶を、縦６ｍｍ×横５ｍｍ×厚さ０．５ｍｍに切り出し、縦５ｍｍ×横４ｍｍの電極を対向する面に取り付ける。電極材料は、Ｃｒとする。図１２に、電気光学結晶の比誘電率と偏向角との関係を示す。正負電極間に２００Ｖ／ｍｍの電界を印加したとき、縦方向に進行する光の偏向角度を測定する。このとき、電気光学結晶の温度を変化させて、誘電率を変化させながら測定した結果を示す。
【００６８】
偏向角は、正極と負極の屈折率変化量の差、すなわち図９に示した直線の傾きに比例する。屈折率変化量は、２次の電気光学効果の場合、誘電率の２乗に比例する。従って、偏向角は、比誘電率の２乗に比例するので、図１２に示した実測値を、２次関数でフィッティングした結果を合わせて示す。また、２次の電気光学効果の場合、屈折率変化量は、印加電界の２乗に比例するので、図１２に示した結果をもとに、印加電界を変化させたときの偏向角の比誘電率依存性を図１３に示す。
【００６９】
図１４を参照して、本発明の一実施形態にかかる電気光学素子の偏向角と、従来のプリズムの偏向角とを比較する。実線Ａは、上述したＫＬＴＮ結晶からなる電気光学結晶の正負電極間に５００Ｖ／ｍｍの電界を印加し、電気光学結晶の温度を変化させたときの比誘電率を示す。点線Ｂは、従来のＬＮプリズムに、５００Ｖ／ｍｍの電界を印加したときの偏向角＝０．３ｍｒａｄである。従って、比誘電率が５００以上のＫＬＴＮ結晶からなる電気光学結晶を空間電荷制限状態で用いれば、同じ印加電界で、同等の偏向角を得ることができる。また、図１４に示したように、比誘電率が１００００を超えると、偏向角の比誘電率依存性は小さくなるので、電気光学結晶の比誘電率は、４００００以下でよい。
【００７０】
本実施形態においては、電気光学結晶の電気光学効果である、ポッケルス効果およびカー効果のいずれか一方、またはポッケルス効果およびカー効果の両方を発現する状態にすることが重要である。ポッケルス効果によってビームを偏向させる場合は、ビームの位置に依存して偏向角が変化する素子を実現する。一方、カー効果を利用してビームを偏向させる場合には、ビームの位置に関わらず偏向角が一定の素子を実現することができる。さらに、屈折率変化量を大きくするためには、電極から電気光学結晶へのキャリアの注入効率を高める必要があり、電極の材料を適切に選択する。以下、実施例を用いて本発明を詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限られるものではない。
【実施例１】
【００７１】
図１５に、本発明の実施例１にかかる平行平板電極型電気光学素子を示す。ＫＬＴＮ結晶（Ｋ1-yＬｉyＴａ1-xＮｂxＯ3において、ｘ＝約０．４０、ｙ＝約０．００１）を矩形に切り出し、４面を研磨した電気光学結晶１１を用意する。電気光学結晶１１の上面と下面とにＴｉ／Ｐｔ／Ａｕの正極１２および負極１３を形成する。電気光学結晶１１のサイズは、縦６ｍｍ（ｚ軸）×横５ｍｍ（ｙ軸）×厚さ０．５ｍｍ（ｘ軸）であり、電極のサイズは、縦５ｍｍ×横４ｍｍである。本明細書においてＴｉ／Ｐｔ／Ａｕは、最下層のＴｉ上にＰｔ、Ａｕがこの順で積層されていることを表す。
【００７２】
ＫＬＴＮ結晶は、立方晶から正方晶への相転移付近で大きな電気光学定数を有する電気光学結晶である。実施例１において用いたＫＬＴＮ結晶の相転移温度は５５℃であるので、ペルチェ素子と測温抵抗とを用いて、この素子の温度を相転移温度から約５℃高い６０℃に設定する。これにより、ＫＬＴＮ結晶の電気光学効果をカー効果とすることができる。このように、電気光学結晶における電気光学効果の発現は、電気光学結晶内部の温度に依存する。従って、電気光学素子内部の環境温度が電気光学結晶の電気光学効果を発現する温度でない場合、電気光学結晶を所望の温度に保つ温度調節手段を設ける必要がある。
【００７３】
Ｈｅ−Ｎｅレーザからの出力光を、電気光学結晶１１の一方の端面から入射する。電気光学結晶１１の透過領域にある光であれば、どのような波長に対しても適用することができる。入射光の偏光成分は、偏光板と半波長板を用いて電界に平行な偏光軸方向の成分のみとする。入射光は、正極１２および負極１３に印加する直流電圧に応じて、偏向角が変化する。図１６に、偏向されたビームの偏向角と印加電圧の関係を示す。＋２５０Ｖの印加電圧に対して最大１０８ｍｒａｄ、−１９０Ｖの印加電圧に対して最大−８５ｍｒａｄの偏向角が得られる。すなわち、トータルで２００ｍｒａｄに近い偏向角を実現することができる。
【００７４】
図１７に、電気光学結晶１１中を流れる電流と印加電圧との関係を示す。正極１２および負極１３に印加する直流電圧に対して、電気光学結晶１１を流れる電流が、非線形に変化していることから、電気光学結晶１１内において電界の生じている領域は、空間電荷制限状態にあるといえる。
【００７５】
このようにして、矩形の電気光学結晶１１と、並行平板な正極１２および負極１３という単純で対称な構造を用いて、従来の電気光学結晶プリズムで実現できない大きな偏向角を得ることができる。また、直流電圧に替えて交流電圧を電極間に印加することにより偏向されるビームの偏向角を時間的に変化させることもできる。実施例１にかかる電気光学素子は、電気光学定数によって定まる応答周波数の範囲内（非特許文献２参照）において応答することができ、１ｋＨｚ以上の高い周波数の交流電圧に対して応答することができる。
【００７６】
従来、電気光学効果が大きい結晶として、ＫＴＮ（ＫＴａ1-xＮｂxＯ3、０＜ｘ＜１）結晶が知られている。ＫＴＮ結晶をプリズム形状に加工し、このＫＴＮプリズムに４９７Ｖ／ｍｍの電界を印加したとき、約１０ｍｒａｄの偏向角を得ることができる（非特許文献３参照）。実施例１の電気光学素子は、２５０Ｖの電圧印加時（５００Ｖ／ｍｍの電界印加時）に約１００ｍｒａｄの偏向角が得られるので、非特許文献３に記載のＫＴＮプリズムと比べて１０倍の偏向効率を実現することができる。
【実施例２】
【００７７】
図１８に、本発明の実施例２にかかる水平電極型電気光学素子を示す。ＫＬＴＮ結晶（Ｋ1-yＬｉyＴａ1-xＮｂxＯ3において、ｘ＝約０．４０、ｙ＝約０．００１）を矩形に切り出し、４面を研磨した電気光学結晶２１を用意する。電気光学結晶２１の上面に、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕの正極２２および負極２３を対向して形成する。電気光学結晶２１のサイズは、縦６ｍｍ（ｚ軸）×横５ｍｍ（ｙ軸）×厚さ０．５ｍｍ（ｘ軸）であり、電極のサイズは、縦５ｍｍである。
【００７８】
ＫＬＴＮ結晶は、立方晶から正方晶への相転移付近で大きな電気光学定数を有する電気光学結晶である。実施例２において用いたＫＬＴＮ結晶の相転移温度は５５℃であるので、ペルチェ素子と測温抵抗とを用いて、この素子の温度を相転移温度から約５℃高い６０℃に設定する。これにより、ＫＬＴＮ結晶の電気光学効果をカー効果とすることができる。
【００７９】
Ｈｅ−Ｎｅレーザからの出力光を、電気光学結晶２１の一方の端面から入射する。電気光学結晶２１の透過領域にある光であれば、どのような波長に対しても適用することができる。入射光の偏光成分は、偏光板と半波長板を用いて、電極対がある結晶表面に平行な偏光軸方向の成分のみとする。入射光は、正極２２および負極２３に印加する直流電圧に応じて、偏向角が変化する。±２００Ｖの印加電圧に対して最大±１６ｍｒａｄの偏向角が得られる。すなわち、トータルで３２ｍｒａｄに近い偏向角を実現することができる。
【００８０】
図１９に、電気光学結晶２１中を流れる電流と印加電圧との関係を示す。正極２２および負極２３に印加する直流電圧に対して、電気光学結晶２１を流れる電流が、非線形に変化していることから、電気光学結晶２１内において電界の生じている領域は、空間電荷制限状態にあるといえる。
【００８１】
このようにして、矩形の電気光学結晶２１と、結晶表面に配置した１対の正極２２および負極２３という単純で対称な構造を用いて、従来の電気光学結晶プリズムで実現できない大きな偏向角を得ることができる。
【００８２】
実施例１、２では、正極と負極とからなる１組の電極対を用いたが、電気光学結晶内部に空間電荷制限状態を生じさせる電圧を印加することができれば、複数の電極対を用いてもよい。これらの電極対は、Ｔｉ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｃｕ、Ａｇ、ＣｒおよびＰｄのいずれか１つ、または２つ以上の合金を選択し、電気光学結晶の表面から、それぞれ単独または合金の積層構造により形成される。
【実施例３】
【００８３】
図２０に、本発明の実施例３にかかる光ビーム偏向器を示す。光ビーム偏向器は、方形の電気光学結晶３１の対向する面に、正極３２と負極３３とが形成されている。ＫＬＴＮ結晶からなる電気光学結晶３１を、縦６ｍｍ（ｚ軸）×横５ｍｍ（ｙ軸）×厚さ０．５ｍｍ（ｘ軸）に切り出し、縦５ｍｍ×横４ｍｍの電極を対向する面に取り付ける。本実施例のＫＬＴＮ結晶の比誘電率は、測定温度２０℃において６３００である。電極材料は、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕとする。図２１に、本発明の実施例３にかかる光ビーム偏向器の屈折率変化量の分布を示す。正負電極間に印加する電圧を変化させたとき、縦方向に進行する光が感じる屈折率の分布を示す。縦軸は、電圧を印加しないときの屈折率に対する変化分であり、横軸は、正極からの距離を示す。
【００８４】
印加電圧の増大に伴って、正極付近の屈折率が大きく変化しているのに対して、負極付近ではほとんど変化していないことがわかる。すなわち、図８、９に示した理想的なオーミック接触（ｘ0＝０）が実現されていることがわかる。印加電圧１４０Ｖのとき、屈折率の傾きは、１ｍｍ当たり１．５×１０-3である。光の進行方向の電極長さは、５ｍｍなので、光波面は厚さ１ｍｍ当たり７．５×１０-3ｍｍの割合で傾いている。従って、印加電圧１４０Ｖのとき、入射光の光軸からの偏向角は、７．５ｍｒａｄを得ることができる。
【実施例４】
【００８５】
図２２に、本発明の実施例４にかかる光強度変調器の構成を示す。電気光学結晶４１は、対向する面に正極４２と負極４３とが形成され、電気光学結晶４１の入射側に偏光子４４を配置し、出射側に検光子４５を配置する。電気光学結晶４１は、ＫＬＴＮ結晶（Ｋ1-yＬｉyＴａ1-xＮｂxＯ3において、ｘ＝０．４０、ｙ＝０．００１）からなる。電気光学結晶４１の上面と下面とにＰｔの正極４２および負極４３を形成する。電気光学結晶４１のサイズは、縦６ｍｍ（ｚ軸）×横５ｍｍ（ｙ軸）×厚さ０．５ｍｍ（ｘ軸）であり、正極４２および負極４３は、縦５ｍｍ×横４ｍｍである。
【００８６】
ＫＬＴＮ結晶の相転移温度は、５５℃であり、電気光学結晶４１の温度を６０℃に設定する。入射光は、Ｈｅ−Ｎｅレーザを用いる。正負電極間に５８Ｖの電圧を印加したとき、出射光の偏光方向が入射光の偏光方向に対して、９０度回転する。正極４２と負極４３との間の印加電圧が増大するのに伴って、出射光がオンオフを繰り返し、図３に示した動作特性を有する光強度変調器を構成することができる。
【実施例５】
【００８７】
上述した式（１９）に注目すると、本発明の実施形態にかかる電気光学素子をビーム偏向素子として使用する場合、偏向角は、電気光学素子の素子長さＬに比例する。従って、大きな偏向角を得るためには、電気光学素子内を通過する光の光路を長くすればよい。
【００８８】
図２３Ａに、本発明の実施例５にかかるビーム偏向器の構成を示す。Ｋ1-yＬｉyＴａ1-xＮｂxＯ3において、ｘ＝約０．４０、ｙ＝約０．００１なるＫＬＴＮ結晶５１を育成し、矩形に切り出し、４面を研磨した。そのＫＬＴＮ結晶５１の上面と下面とにＴｉ／Ｐｔ／Ａｕの正極５２、負極５３を形成する。ＫＬＴＮ結晶５１のサイズは、光の伝搬方向（ｚ軸）の長さ６ｍｍ、幅（ｙ軸）５ｍｍ、厚さ（ｘ軸）０．５ｍｍである。ＫＬＴＮ結晶５１の上面と下面とに蒸着した電極の光の伝搬方向の長さは５ｍｍである。
【００８９】
また、光の入射面と出射面にＡｕなどの金属または誘電体多層膜からなるミラー５４，５５を形成する。入射光として、Ｈｅ−Ｎｅレーザからの出力光を、ＫＬＴＮ結晶５１に入射する。図２３Ｂに、正極５２が形成された面から見たビームの伝搬経路を示す。このとき、ＫＬＴＮ結晶５１の入射面に対する水平方向の角度を調整して、結晶内を１．５往復、すなわち入射面と出射面との間の通過回数が３回となるようにして、出射光を得る。
【００９０】
ＫＬＴＮ結晶５１は、立方晶から正方晶への相転移付近で大きな電気光学定数を有する電気光学結晶である。ＫＬＴＮ結晶５１の相転移温度は５５℃であるので、ペルチェ素子と測温抵抗とを用いて、この素子の温度を相転移温度から約５℃高い６０℃に設定する。これにより、ＫＬＴＮ結晶５１の電気光学効果を、カー効果とすることができる。
【００９１】
図２４に、実施例５にかかるビーム偏向器の印加電圧と偏向角との関係を示す。正極５４と負極５５との間に、５０Ｖの電圧を印加（１００Ｖ／ｍｍの電界を印加）すると、入射面と出射面との間の通過回数が１回で、偏向角は約７ｍｒａｄとなる。従って、図２３Ａに示したように、出射光の垂直方向（ｘ軸方向）の偏向角Ｄｉｖは、約２１ｍｒａｄが得られる。
【実施例６】
【００９２】
図２５Ａに、本発明の実施例６にかかるビーム偏向器の構成を示す。Ｋ1-yＬｉyＴａ1-xＮｂxＯ3において、ｘ＝約０．４０、ｙ＝約０．００１なるＫＬＴＮ結晶６１を育成し、矩形に切り出し、４面を研磨した。そのＫＬＴＮ結晶６１の側面にＴｉ／Ｐｔ／Ａｕの正極６２、負極６３（図示しない）を形成する。ＫＬＴＮ結晶６１のサイズは、光の伝搬方向（ｚ軸）の長さ６ｍｍ、幅（ｙ軸）０．５ｍｍ、厚さ（ｘ軸）５ｍｍである。ＫＬＴＮ結晶６１の側面に蒸着した電極の光の伝搬方向の長さは５ｍｍである。
【００９３】
また、光の入射面と出射面にＡｕなどの金属または誘電体多層膜からなるミラー６４，６５を形成する。入射光として、Ｈｅ−Ｎｅレーザからの出力光を、ＫＬＴＮ結晶６１に入射する。図２５Ｂに、正極６２が形成された面から見たビームの伝搬経路を示す。このとき、ＫＬＴＮ結晶６１の入射面に対する垂直方向の角度を調整して、結晶内を２．５往復、すなわち入射面と出射面との間の通過回数が５回となるように出射する。
【００９４】
ＫＬＴＮ結晶６１は、立方晶から正方晶への相転移付近で大きな電気光学定数を有する電気光学結晶である。ＫＬＴＮ結晶２０の相転移温度は５５℃であるので、ペルチェ素子と測温抵抗とを用いて、この素子の温度を相転移温度から約５℃高い６０℃に設定する。これにより、ＫＬＴＮ結晶６１の電気光学効果を、カー効果とすることができる。
【００９５】
正極６２と負極６３との間に、１５０Ｖの電圧を印加（２００Ｖ／ｍｍの電界を印加）すると、入射面と出射面との間の通過回数が１回で、偏向角は約３０ｍｒａｄなので、出射ビーム２１の水平方向（ｙ軸方向）の偏向角２２は、約１５０ｍｒａｄが得られる。
【００９６】
実施例５および実施例６によれば、電気光学素子内を通過する光の光路が長くなるので、同じ素子長の電気光学素子内を光が１回だけ通過する場合に較べて、駆動電圧を１／√ｎ（ｎ：通過回数）とすることができる。駆動電圧が同じならば、電気光学素子の素子長を１／ｎにすることができる。素子長が短ければ、印加する電圧に対する容量成分が小さくなるので、偏向動作の高速化を図ることができる。また、２次の電気光学定数ｓijは、光の偏向方向と印加電界とが平行の場合ｓ11の方が、光の偏向方向と印加電界とが垂直の場合ｓ11より大きい。従って、往復する回数を増やすことにより、十分な偏向角を得ることができる。
【００９７】
なお、ミラーは、金属または誘電体多層膜を蒸着またはスパッタにより堆積させてもよいし、結晶端面における全反射を用いてもよい。
【実施例７】
【００９８】
図２６に、本発明の実施例７にかかるビーム偏向器の構成を示す。Ｋ1-yＬｉyＴａ1-xＮｂxＯ3において、ｘ＝約０．４０、ｙ＝約０．００１なるＫＬＴＮ結晶７１を育成し、矩形に切り出し、４面を研磨した。そのＫＬＴＮ結晶７１の上面と下面とにＴｉ／Ｐｔ／Ａｕの正極７２、負極７３を形成する。正極７２、負極７３は、垂直偏向用の電極となる。さらに、ＫＬＴＮ結晶７１の側面に水平偏向用の電極となる正極７４、負極７５を形成する。光の入射面と出射面に金属または誘電体多層膜からなるミラー７６，７７を形成する。
【００９９】
入射光として、Ｈｅ−Ｎｅレーザからの出力光を、ＫＬＴＮ結晶７１に入射する。このとき、ＫＬＴＮ結晶７１の入射面に対する水平、垂直方向の角度を調整して、結晶内を２．５往復、すなわち入射面と出射面との間の通過回数が５回となるように出射する。このようにして、実施例５および実施例６に示したのと同様に、出射光を水平方向および垂直方向に偏向させることができる。
【実施例８】
【０１００】
図２７に、本発明の実施例８にかかる２次元ビーム偏向器の構成を示す。ＫＬＴＮ結晶から縦６ｍｍ×横５ｍｍ×厚さ０．５ｍｍの電気光学結晶を切り出す。電気光学結晶８１，９１の各々には、縦５ｍｍ×横４ｍｍの電極を対向する面８２，８３および９２，９３に取り付ける。ＫＬＴＮ結晶の相転移温度は、５５℃であり、電気光学結晶８１，９１の温度を６０℃に設定する。電極材料は、Ｃｒとする。電気光学結晶８１の電界の印加方向と、電気光学結晶９１の電界の印加方向とが直角となるように、それぞれを光路上に配置する。電気光学結晶８１，９１の間の光路上には、水晶からなる半波長板１０１を挿入し、電気光学結晶８１から出射された光が、９０度回転して電気光学結晶９１に入射するようにする。
【０１０１】
上述したように、偏向の効率は、光の電界の方向に依存し、光の電界の方向と印加電圧による空間電界の方向が平行であるとき最大となる。従って、この偏光依存性により、垂直偏光と水平偏光に対する屈折率変化の傾斜も異なる。ＫＬＴＮ結晶では、垂直偏光（図２７のｙ軸方向）と水平偏光（図２７のｘ軸方向）に対するカー定数が、ｓ11：ｓ12＝１０：−１程度であるため、垂直偏光の出射角のみが大きく変化する。
【０１０２】
そこで、電気光学結晶８１において、垂直偏光と平行に印加電界を加え、ｙ軸方向に偏向させ、半波長板１０１において９０度回転させる。そして、電気光学結晶９１において、水平偏光と平行に印加電界を加え、ｘ軸方向に偏向させる。このようにして、効率的に２次元の偏向が可能となる。
【実施例９】
【０１０３】
図２８に、本発明の実施例９にかかる２次元ビーム偏向器の構成を示す。ＫＬＴＮ結晶からなる電気光学結晶を、縦２０ｍｍ×横５ｍｍ×厚さ５ｍｍに切り出し、長手方向の断面が八角形となる八角柱に削りだす。電気光学結晶１１１の対向する面に、縦５ｍｍ×横１．５ｍｍの電極を、３組取り付ける。ＫＬＴＮ結晶の相転移温度は、５５℃であり、電気光学結晶１１１の温度を６０℃に設定する。電極は、光の入射側から第１偏向器用の電極１２２，１２３、半波長板用の電極１３２，１３３、第２偏向器用の電極１４２，１４３の順に取り付ける。
【０１０４】
ここで、電極１２２，１２３および電極１４２，１４３の電極材料は、Ｃｒとし、電極１３２，１３３の電極材料は、Ｐｔとする。偏向器用の電極は、偏向効率を高めるために、電子の注入効率を大きくする必要があり、オーミック接触となる電極材料を選択する。一方、半波長板用の電極は、偏波を回転させるだけであり、偏向が起きないことが望ましい。従って、電子の注入効率を小さくする必要があり、ショットキー接触となる電極材料を選択する。
【０１０５】
このような構成により、実施例８と同様に、第１偏向器においてｙ軸方向に偏向させ、半波長板において９０度回転させる。そして、第２偏向器においてｘ軸方向に偏向させる。このように、１つのＫＬＴＮ結晶で、垂直偏向、水平偏向および半波長板という３つの機能を実現するため、立方晶のＫＬＴＮ結晶であることが好ましい。
【実施例１０】
【０１０６】
図２９Ａに、本発明の実施例１０にかかる２次元ビーム偏向器の構成を示す。ＫＬＴＮ結晶からなる電気光学結晶２０１を、縦１０ｍｍ（ｚ軸）×横５ｍｍ（ｙ軸）×厚さ０．５ｍｍ（ｘ軸）に切り出す。電気光学結晶２０１の対向する面に、２組の電極を取り付ける。電極は、光の入射側から第１偏向器用の電極２０２，２０３、第２偏向器用の電極２０４，２０５の順に取り付ける。この順番は入れ替わっても差し支えない。ＫＬＴＮ結晶の相転移温度は、５５℃であり、電気光学結晶１１１の温度を６０℃に設定する。
【０１０７】
第１偏向器用の電極２０２，２０３は、光の入射側の一辺を底辺とする直角三角形であり、一方の底角が直角、他方の底角φが３０度、底辺の長さ４ｍｍ、高さ３ｍｍ、斜辺の長さ５ｍｍである。第１偏向器用の電極２０２，２０３は、ショットキー接触となるように、Ｐｔからなる電極材料を用いる。第２偏向器用の電極２０４，２０５は、縦５ｍｍ×横４ｍｍの方形の電極である。第２偏向器用の電極２０４，２０５は、オーミック接触となるように、Ｔｉからなる電極材料を用いる。
【０１０８】
第１偏向器用の電極２０２，２０３が形成された部分は、ＫＬＴＮ結晶の電気光学効果によって一様に屈折率が変化するので、この部分はプリズムとして入射光に作用する。電気光学結晶２０１の屈折率をｎ、電気光学定数をＳij、厚さをｄとし、印加電圧をＶ、第１偏向器用の電極２０２，２０３の一方の底角をφとすると、偏向角ψは、
【０１０９】
【数１７】
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【０１１０】
となり、ｙ軸方向に偏向する。
【０１１１】
第２偏向器用の電極２０４，２０５が形成された部分は、実施例３の場合と同様に、理想的なオーミック接触が実現され、電荷の注入効率が最大となる。従って、出射光は、ｘ軸方向に偏向するので、効率的に２次元の偏向が可能となる。
【実施例１１】
【０１１２】
現状、ＤＶＤの光記録再生装置で使用されているサーボ機構には、３軸のレンズアクチュエータが用いられている。アクチュエータは、対物レンズを保持するワイヤを可動コイル型モータによって駆動している。可動コイル型モータの駆動原理は、磁束中を移動する電荷に作用するローレンツ力を利用する。このようなアクチュエータ機構は機械式であるため、多くの固有振動モードを有している。その固有振動数と等しい周波数でアクチュエータが駆動された場合、固有モードが励振されて共振が発生する。アクチュエータの最低次の共振は、制御系の制御によって回避することができる。しかしながら、より高次の共振の影響を回避することは難しく、その結果、高次の共振が制御系によって不安定化され、正確な位置決めが困難になる。そこで、上述した光ビーム偏向器を用いて、機械式の駆動部分を持たないサーボ機構を有する光ピックアップ装置を実現する。
【０１１３】
図３０に、本発明の実施例１１にかかる光ピックアップ装置の構成を示す。図２０に示した実施例３にかかる光ビーム偏向器を用いた光ピックアップ装置であり、記録媒体はＤＶＤおよびＨＤ−ＤＶＤである。光源であるＤＶＤ用レーザダイオード（ＬＤ）３１１から出射された光ビームは、ハーフミラー３１２とコリメータレンズ３１３とを介して光偏向素子３１４に入射される。光偏向素子３１４における偏向角は、図示しない制御部により、ディスク３１６から反射してくるトラッキング信号に基づいてフィードバック制御されている。光偏向素子３１４から出射された光ビームは、対物レンズ３１５を介してディスク３１６に照射される。
【０１１４】
ディスク３１６から反射された光信号は、ハーフミラー３２２と検出用レンズ３２３を介してフォトダイオード（ＰＤ）３２４に入射される。また、ＨＤ−ＤＶＤ用レーザダイオード（ＬＤ）３２１が、ハーフミラー３２２と光学的に結合されている。
【０１１５】
上述したように、従来の方法は、対物レンズをアクチュエータで駆動していた。本実施形態の光偏向素子は、可動部分を持たないため本体の駆動による共振は起こらない。一方、２次の電気光学効果を有する材料であるため、電歪効果による素子材料の共振現象が発生する。この現象は、材料の寸法や形状に依存するので、形状の対象性を低下させることにより抑制することができる。本実施形態においては、サーボの帯域は１ＭＨｚとしたが、十分に安定動作が可能であり、高品質な光記録再生を行うことができる。このとき、光偏向素子において、光ビームを偏向するために駆動する電圧は、±１２Ｖの範囲にあり、十分に実用的な電圧での駆動することができる。
【０１１６】
また、光偏向素子を、コリメータレンズ３１３と対物レンズ３１５との間に配置したが、光源と記録媒体との間の光路上であれば、光ピックアップ装置の他の部分に配置しても、同様の効果が得られる。さらに、光偏向素子の光透過波長は、４００ｎｍ−４０００ｎｍの範囲にあり、可視光の複数波長を用いる光ピックアップ装置にも応用することができる。
【０１１７】
本実施形態における光偏向素子を用いた光ピックアップ装置は、１ＴＢクラスの高密度光記録再生を行う場合でも、十分な制御が実現できる帯域を有している。従って、より高密度記録が必要な、ＨＤ−ＤＶＤ、Ｂｌｕ−ｒａｙなどに適用すると、より大きな効果が期待でき、より高密度な光記録再生を実現することができる。
【実施例１２】
【０１１８】
レーザプリンタは、感光体にレーザ光を照射し、感光された部分にトナーを付着させ、このトナーを記録紙に転写することにより印字を行っている。この際、レーザ光を少なくとも１軸方向に繰り返し偏向させることが必要になる。光を偏向する技術として、上述したポリゴンミラーを回転させる技術が用いられている。プリンタの印刷速度をさらに向上させるためには、より高速な光偏向技術が求められている。そこで、上述した光ビーム偏向器を用いて、高速のレーザプリンタを実現する。
【０１１９】
図３１Ａに、本発明の一実施形態にかかるレーザプリンタの構成を示す。図２０に示した実施例３にかかる光ビーム偏向器を用いたレーザプリンタを示す。図３１Ｂは、比較のために従来のレーザプリンタを示す。レーザプリンタは、感光体である円筒上の感光ドラム４１１の外周に、帯電器４１２、現像器４１５、転写器４１４および定着器４１３が配置されている。帯電器４１２により帯電された感光ドラム４１１を、レーザ光で照射し、現像器４１５において感光された部分にトナーを付着させる。次に、転写器４１４において、トナー像を記録紙４１６に転写し、定着器４１３により定着させる。
【０１２０】
図３１Ｂに示したように、従来のレーザプリンタは、レーザダイオード４３１から出射されたレーザ光を、コリメータレンズ４３２でコリメート化し、ポリゴンミラー４３３で反射させる。ポリゴンミラー４３３の回転によってレーザ光を偏向させ、レンズ４３４を介して感光体４１１に照射する。図３１Ａに示したように、本実施形態にかかるレーザプリンタは、光源であるレーザダイオード４２１から出射されたレーザ光を、コリメータレン４２２でコリメート化し、光偏向素子４２３に入射させる。光偏向素子４２３で偏向されたレーザ光は、レンズ４２４を介して感光体４１１に照射される。
【０１２１】
レーザダイオード４２１と感光体４１１との間の光路上に配置された光偏向素子４２３は、感光体４１１の走査方向全体をスキャンするために、４個の素子を用いている。素子１個当たりの消費電力は１ｍＷ以下であるので、従来のレーザプリンタと比較して、消費電力は低減されている。また、チップサイズが小さくレーザダイオードと一体化が可能であるため、ポリゴンミラーに比べ小型化が可能である。
【０１２２】
光偏向素子４２３の光偏向速度は１ＭＨｚであり、ポリゴンミラー４３３の回転周波数の最大値は１０ｋＨｚ（６００００ｒｐｍ）である。ポリゴンミラー４３３が１０面のミラー面を有しているとすると、本実施形態にかかるレーザプリンタは、１０倍の速度を実現することができる。例えば、従来のレーザプリンタは、複数のレーザ光を用いた高速プリンタで１４０枚／分程度の印字能力を有するが、本実施形態にかかるレーザプリンタは、３００枚／分程度の印字能力を実現することができる。
【０１２３】
また、電界方向を直交させた２つの光偏向素子を配置し、２つの光偏向素子の間に波長板を配置する。２つの光偏向素子をそれぞれ制御して、２次元的にレーザ光を走査することができる。２次元走査を行えば、感光体への感光速度が飛躍的に向上するので、５００枚／分程度の印字能力を実現することができる。さらに、光偏向素子とレーザダイオードとの間に、もうひとつの光偏向素子を配置し、レーザ光による感光のための光路以外に、光を偏向させることにより、光のＯＮ／ＯＦＦ機能を追加することもできる。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３Ａ】
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【図２３Ｂ】
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【図２４】
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【図２５Ａ】
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【図２５Ｂ】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９Ａ】
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【図２９Ｂ】
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【図２９Ｃ】
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【図３０】
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【図３１Ａ】
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【図３１Ｂ】
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