(57)【要約】【課題】寸法の異なる複数の電気光学結晶を用いることなく、従来の矩形型の電気光学結晶を用いた光偏向器よりも低消費電力である光偏向器を提供する。【解決手段】光偏向器は、電気光学結晶と、前記電気光学結晶の光の入出射面と垂直な一の面に形成された電極対とを備え、前記電極対をなす陽極と陰極とは、前記電気光学結晶を透過する光の軌跡を挟んで対向し、前記電極対の間隔は、光の入射面から出射面に向けて広がるように形成されている。【選択図】図５
2015230467.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気光学結晶と、
前記電気光学結晶の光の入出射面と垂直な一の面に形成された電極対とを備え、
前記電極対をなす陽極と陰極とは、前記電気光学結晶を透過する光の軌跡を挟んで対向し、前記電極対の間隔は、光の入射面から出射面に向けて広がるように形成されていることを特徴とする光偏向器。
【請求項２】
前記電気光学結晶は、薄膜化されており、その厚さは、前記電極対が形成された面の辺の長さの１／１００以下であることを特徴とする請求項１に記載の光偏向器。
【請求項３】
前記電極対をなす陽極と陰極とが対向する辺は、前記光の入射面から入射される光の光軸に対して対称となるように形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の光偏向器。
【請求項４】
前記電極対は、前記光の軌跡に沿って複数に分割されており、前記光の入射面の側の電極対の間隔は、隣り合う前記光の出射面の側の電極対の間隔よりも小さいことを特徴とする請求項１、２または３に記載の光偏向器。
【請求項５】
前記電極対が形成された面に形成された第２の陽極と、前記電極対が形成された面と対向する面の前記第２の陽極と対向する位置に設けられた第２の陰極とから構成され、レンズ機能を有する電極対をさらに備えたことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の光偏向器。
【請求項６】
前記電極対が形成された面と、前記電極対が形成された面と対向する面とは、前記電気光学結晶よりも屈折率の低い媒質で覆われていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の光偏向器。
【請求項７】
前記電気光学結晶は、タンタル酸ニオブ酸カリウム（ＫＴａ１−ｘＮｂｘＯ３：ＫＴＮ）結晶、またはこれにリチウムを添加した結晶（Ｋ１−ｙＬｉｙＴａ１−ｘＮｂｘＯ３：ＫＬＴＮ）であることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の光偏向器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光偏向器に関し、より詳細には、電気光学結晶内部の屈折率分布の変化を用いて、電気光学結晶に入射された光を所望の角度に偏向させる光偏向器に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、光干渉断層計（ＯＣＴ：Optical coherence tomography）が医療等の分野で広く使用されている。ＯＣＴの干渉による画像取得にはいくつかの手法があり、ミラーを動かして反射面情報を取得するＴＤ（Time-domain）−ＯＣＴ、広帯域光源を用いるＦＤ（Fourier-domain）−ＯＣＴなどがある。ＦＤ−ＯＣＴの中には、多くの波長を含んだ光を入射するＳＤ（Spectral-domain）−ＯＣＴ、入射する波長を連続的に変化させた光を入射するＳＳ（Swept-source）−ＯＣＴなどが用いられている。このうちＳＳ−ＯＣＴは、その動作原理から高速にデータを取得できると期待されている。ＳＳ−ＯＣＴによる検査時間は、入射する波長の変化の速さ（波長掃引速度）に依存する。このため高速化によって検査時間を短縮することにより、患者負担の軽減が期待される。
【０００３】
ＳＳ−ＯＣＴに用いられる光源には、波長掃引機構として光偏向器を用いた光源が知られている（例えば、非特許文献１参照）。この光偏向器は、電気光学結晶であるタンタル酸ニオブ酸カリウム（ＫＴａ１−ｘＮｂｘＯ３：ＫＴＮ）結晶、またはこれにリチウムを添加した結晶（Ｋ１−ｙＬｉｙＴａ１−ｘＮｂｘＯ３：ＫＬＴＮ）（以下、これらを総称してＫＴＮと言う）を用いている。ＫＴＮ結晶内部への電荷注入により空間電荷制御状態を実現して、電界の傾斜を発生させ、ＫＴＮ結晶への印加電圧を変化させて結晶内部の屈折率を電気光学効果により変化させることにより、入射された光を偏向させることができる（例えば、特許文献１参照）。このとき、光の偏向角は、ＫＴＮ結晶への印加電圧に応じて変化させることができる。このように、光の偏向に可動部を用いる必要がないため、光の方向を機械的に変えるＭＥＭＳミラー、ポリゴンミラーなどに比べて高速に動作する。すなわち、高速の波長掃引が可能となる。
【０００４】
図１に、従来のＫＴＮ結晶を用いた光偏向器の構造を示す。光偏向器は、矩形に成形されたＫＴＮ結晶１からなり、ＫＴＮ結晶１の最も広い対向する２つの面（図中のｙｚ平面に平行な面）に、電極２および電極３が形成されている。電極が形成された結晶面と垂直な１つの面からは、入射光４がＫＴＮ結晶１内に入射されている。ここで、電極２および電極３の間に電位差を与えることにより、２次の電気光学効果により結晶内に屈折率分布を形成する。その結果、入射光４は、電位の低い方に向けて、すなわち接地された電極３に寄せられる方向に偏向し、出射光５となってＫＴＮ結晶１から出射される。
【０００５】
このような光偏向器では、入射光は結晶内部を透過するのに伴って連続的に偏向していくため、原理上、ＫＴＮ結晶内部に光が曲がるための空間を必要とする。光偏向器の入射面では、光はあまり偏向していないためこの空間は狭くても構わない。しかし、ビーム透過位置は、出射端に向かうに従い電極方向（図１におけるｘ軸方向）にシフトしていくため、出射面の近傍では最大偏向角に対応した光が透過できる空間を確保しておく必要がある。ＫＴＮ結晶が矩形の場合、電極間の距離、すなわちＫＴＮ結晶における電極が形成された２面間の厚さは、最大偏向角に応じた出射面における光の透過位置の変動を許容しうる程度の厚さに設定されなければならない。ところが、電極間距離を長くすると、同じ偏向角を得るための印加電圧を大きくする必要がある。すなわち、消費電力の増大をもたらすことになる。
【０００６】
図２に、従来の改良された光偏向器の構造を示す。光偏向器は、入射光１７が入射される第１電気光学結晶１１と、出射光１８が出射される第２電気光学結晶１４とを備え、電気光学結晶１１，１４のそれぞれの中心軸が一致するようにして接して配置されている（例えば、特許文献２参照）。第１電気光学結晶１１には、光の入出射面とは垂直の対向した２面に第１電極１２および第２電極１３が形成されており、第１電極１２と第２電極１３との間には、電源Ｅ１（不図示）により所定の交流電圧Ｖ１が与えられている。第２電気光学結晶１４には、光の入出射面とは垂直の対向した２面に第３電極１５および第４電極１６が形成されており、第３電極１５と第４電極１６との間には、電源Ｅ２（不図示）により所定の交流電圧Ｖ２が与えられている。第１電気光学結晶１１と第２電気光学結晶１４とは同じ材料で形成されており、その寸法および印加される電圧のみが異なる。寸法については、第１電気光学結晶１１の電極間距離が第２電気光学結晶１４のそれよりも小さくなるように設定されている。このような構成により、図１に記載した光偏向器と同じ偏向角を得るにあたり、第１電気光学結晶１１に印加する電圧Ｖ１が小さくてすむ。すなわち、光の偏向に要する消費電力を抑制することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】国際公開第２００６／１３７４０８号
【特許文献２】特開２００８−１２２５７２号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Shogo Yagi, et al., “Improvement of Coherence Length in a 200-kHz Swept Light Source equipped with a KTN Deflector”, Proc. SPIE, Vol. 8213, Optical Coherence Tomography and Coherence Domain Optical Methods in Biomedicine XVI, 821333 (February 9, 2012).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
図２に示した光偏向器では、必要な偏向角の大きさに合わせて、異なる大きさの電気光学結晶を複数用意する必要があった。例えば、１つの電気光学結晶を複数に裁断し、それぞれを所望の寸法となるよう研磨などにより精密に加工することにより、寸法の異なる複数の電気光学結晶を得る。しかしながら、このような方法では、研磨により電気光学結晶の一部を破棄してしまうため、貴重な結晶を無駄にしていた。また、裁断、研磨という複数の工程が必要となり、製造コストが増大するという課題があった。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の目的は、寸法の異なる複数の電気光学結晶を用いることなく、従来の矩形型の電気光学結晶を用いた光偏向器よりも低消費電力である光偏向器を提供することにある。
【００１１】
本発明は、このような目的を達成するために、一実施態様は、電気光学結晶と、前記電気光学結晶の光の入出射面と垂直な一の面に形成された電極対とを備え、前記電極対をなす陽極と陰極とは、前記電気光学結晶を透過する光の軌跡を挟んで対向し、前記電極対の間隔は、光の入射面から出射面に向けて広がるように形成されていることを特徴とする。
【００１２】
前記電気光学結晶は、薄膜化されており、その厚さは、前記電極対が形成された面の辺の長さの１／１００以下であることが望ましい。
【発明の効果】
【００１３】
以上説明したように、本発明によれば、薄膜化された電気光学結晶の光の入出射面と垂直な一の面に形成された電極対が、光の軌跡を挟んで対向し、光の入射面から出射面に向けて広がるように形成されているので、従来の光偏向器に比べて、同じ偏向角を得るのに、より低い印加電圧とすることができる。
【００１４】
また、本発明によれば、寸法の異なる複数の電気光学結晶を用いることなく、薄膜化した電気光学結晶を用いるため、従来の光偏向器と比較して、小型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】従来のＫＴＮ結晶を用いた光偏向器の構造を示す図である。
【図２】従来の改良された光偏向器の構造を示す図である。
【図３】本発明の一実施形態にかかる光偏向器の構造を示す図である。
【図４】ＫＴＮ結晶の厚さｄに対する領域βの電界強度を計算した結果を示す図である。
【図５】実施例１にかかる光偏向器の構造を示す図である。
【図６】実施例２にかかる光偏向器の構造を示す図である。
【図７】実施例３にかかる光偏向器の構造を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
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。本実施形態の光偏向器は、薄膜化した電気光学結晶の光の入出射面と垂直な一の面に電極対が形成され、電極対をなす陽極と陰極とは光の透過軌跡を挟んで対向し、陽極と陰極との間の距離が光の入射端側に比べて出射端側が広くなるように形成されている。
【００１７】
（動作原理）
最初に、図１に示した光偏向器の偏向動作の原理を説明する。電気光学結晶であるＫＴＮの有する２次の電気光学効果（Ｋｅｒｒ効果）に起因する屈折率変化Δｎは、次式で表される。
【００１８】
【数１】
2015230467.tif 000003
【００１９】
ここで、ｎ０は結晶の屈折率、ｇ１１はＫＴＮ結晶のｇ定数であり、
ｇ１１＝０．１３６［ｍ４／ｃ２］
との報告がある。ε０は真空の誘電率、εｒはＫＴＮの比誘電率、Ｅは電極２と電極３との間の電界強度である。
【００２０】
電極２および電極３は、ＫＴＮ結晶１への電子の注入が起こりやすいように、例えば、ＫＴＮ結晶１に接した側からＴｉ／Ｐｔ／Ａｕと積層した電極構造とする。電極２，３は、ＫＴＮ結晶１とオーミック接触となる材料または構造とする。電極３を接地電位とし、電極２に電圧Ｖ０を印加すること、特許文献１に記載されているように、電極２からＫＴＮ結晶内に注入された電子により、電極間には不均一な電界が形成される。ここで、電極面と直交する方向（すなわち電界が印加される方向）をｘ軸とし、電極２の位置をｘ＝０とすると、ＫＴＮ結晶中の電界強度Ｅ（ｘ）は次式で表される。
【００２１】
【数２】
2015230467.tif 000004
【００２２】
ここで、Ｖ０は電極２，３の間に印加される電圧、ｄはｘ軸方向のＫＴＮ結晶１の厚さ（すなわち、電極の間隔に等しい）である。図１に記載したｚ軸方向に光を入射する場合、上述したＫＴＮ結晶中の電界強度（式２）を、屈折率変化である（式１）に代入すると、次式が得られる。
【００２３】
【数３】
2015230467.tif 000005
【００２４】
ＫＴＮ結晶内に入射された光の偏向角度θは、光がＫＴＮ結晶内を透過する間に蓄積されるので、
【００２５】
【数４】
2015230467.tif 000006
【００２６】
と表すことができる。なお、Ｌはｚ軸方向の結晶の長さである。（式４）は、図１に示した光偏向器が、ＫＴＮ結晶に印加する電圧Ｖ０の２乗に比例した偏向角が得られることを示唆している。
【００２７】
図３に、本発明の一実施形態にかかる光偏向器の構造を示す。図３（ａ）は斜視図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）におけるα−α’線における断面図である。光偏向器１００は、薄膜化したＫＴＮ結晶１０１の光の入出射面と垂直な一の面（ｘｙ平面に平行な結晶面）に電極対１０２，１０３が形成されている。電極対をなす陽極（電極１０２）と陰極（電極１０３）とは、入射光１０４がＫＴＮ結晶１０１を透過して出射光１０５となる光の軌跡を挟んで対向している。電極１０２，１０３は、その長辺がＫＴＮ結晶１０１への入射光１０４の光軸と平行になるように、間隔ｓを隔てて形成されている。
【００２８】
入射光１０４は、ＫＴＮ結晶１０１の入射面から見ると、電極１０２，１０３の間隙の結晶内（以下、領域βという）を伝搬する。電極１０２，１０３の間に電位差Ｖ１を与えることにより、ＫＴＮ結晶１０１中の領域βには電界が印加され、この印加電界が誘起する２次の電気光学効果により屈折率変化が生じ、結果として入射光１０４は、電位の低い方に向けて偏向する。光偏向器１００は、領域βにｘ軸方向の電界が印加され、入射光１０４は、同じくｘ軸方向に偏向される。
【００２９】
領域βにおける電界強度は、ＫＴＮ結晶１０１の厚みｄ（ｚ軸方向の長さ）に応じて変化する。図４に、ＫＴＮ結晶の厚さｄに対する領域βの電界強度を、計算機シミュレーションにより計算した結果を示す。
【００３０】
計算機シミュレーションは、図３に示した光偏向器１００において、電極間の間隔ｗ＝０．５ｍｍ、電極１０２，１０３間の印加電圧Ｖ１＝４００Ｖとし、ＫＴＮ結晶１０１への電子注入効果を無視して計算した。また、領域βのうち、電極１０２と電極１０３から等しい位置にあり、かつ電極が形成された結晶面から０．００５ｍｍだけＫＴＮ結晶内部の位置（以下、位置γという）における電界強度を求めた。図４は、いくつかのＫＴＮ結晶の厚さｄを変えて、それぞれ位置γにおける電界強度を元に近似曲線を描いた結果である。図４から明らかなように、ＫＴＮ結晶の厚さが薄くなるほど、位置γにおける電界強度は強くなる、逆に言えば、ＫＴＮ結晶が厚くなるほど、位置γにおける電界強度は弱くなることがわかる。
【００３１】
ここで、図３に示した光偏向器１００における位置γでの電界強度と、図１に示した光偏向器における電界強度とを比較する。図１に示した光偏向器では、ＫＴＮ結晶をはさんで電極が対向しているため、電子注入効果を無視すると、電極間での電界強度はＫＴＮ結晶中の場所にかかわらず、以下の式により求まる。
【００３２】
【数５】
2015230467.tif 000007
【００３３】
Ｖ０は図１に示した光偏向器の電極２，３に印加した電圧、ｄはＫＴＮ結晶１の厚さ（すなわち、電極２，３の間隔に等しい）である。典型的な数値例として、図１に示した光偏向器において、結晶厚（＝電極間距離）ｄ＝０．５ｍｍ、印加電圧Ｖ０＝４００Ｖとした場合、（式５）によると電界強度は８００，０００Ｖ／ｍとなる。
【００３４】
一方で、図３に示した光偏向器１００では、図４に示したとおりＫＴＮ結晶厚ｄを薄くすると位置γの電界強度は上昇し、ＫＴＮ結晶厚がおよそ１０μｍにて、位置γの電界強度が約８００，００Ｖ／ｍとなる。そうすると、ＫＴＮ結晶厚ｄがおよそ１０μｍのときには、位置γにおける電界強度Ｅは、（式５）と同様に、
【００３５】
【数６】
2015230467.tif 000008
【００３６】
と表すことができる。電子注入の効果は、ＫＴＮ結晶の形状、電極形成位置によって変わるものではなく、結晶の組成によって定まる。従って、電子注入効果を考慮した場合のＫＴＮ結晶における電界強度は、上述の（式２）で印加電圧Ｖ０をＶ１に、結晶の厚さｄを電極間隔ｗに置き換えて表したものになる。最終的に、光偏向器１００におけるｘ軸方向の偏向角度θは、ＫＴＮ結晶の厚さが１０μｍ、入射光の入射位置が位置γの場合、（式４）と同様に、
【００３７】
【数７】
2015230467.tif 000009
【００３８】
と表すことができる。ここで、Ｌ１は、図３（ａ）におけるｙ軸方向のＫＴＮ結晶１０１の長さである。
【００３９】
ここで、光偏向器１００に用いるＫＴＮ結晶１０１の厚さｄが１０μｍよりも厚い場合、図４に示すように、位置γにおける電界強度は、図１示した光偏向器におけるＫＴＮ結晶中の電界強度よりも小さくなる。このとき、光偏向器１００における偏向角θは、（式７）で得られる偏向角から、単に電界の減少分の２乗に比例した偏向角とすればよく、（式７）の導出過程には何ら影響はない。例えば、ＫＴＮ結晶厚ｄ＝１００μｍ（０．１ｍｍ）の場合、位置γにおける電界強度は、図４より７２０，０００Ｖ／ｍと、ｄ＝１０μｍの場合よりも１割減少しているが、この条件での偏向角は、（式７）で導出される偏向角の（１−０．１）２＝０．８１倍になる。すなわち、光偏向器１００では、いずれのＫＴＮ結晶厚ｄであっても、電極１０２，１０３間に印加した電圧Ｖ１の２乗に比例した偏向角が得られる。そして、ＫＴＮ結晶１０１の厚さｄを薄くすることにより、図１示した光偏向器と同じ偏向特性が得られる。
【００４０】
従って、ＫＴＮ結晶は、電極を形成する面（ｘｙ平面に平行な結晶面）のサイズが数ｍｍｘ数ｍｍ角になることから、結晶厚は、電極面の辺の長さの１／１００以下程度のオーダーの厚さとすることが望ましく、ＫＴＮ結晶を作製する設計上の目安として１／１００以下の厚さとすることが望ましい。
【００４１】
以下、上述の動作原理を踏まえ、本発明の実施例に係る光偏向器について説明する。
【実施例１】
【００４２】
図５に、実施例１にかかる光偏向器の構造を示す。光偏向器２００は、薄膜化したＫＴＮ結晶２０１の光の入出射面と垂直な一の面（ｘｙ平面に平行な結晶面）に電極２０２，２０３が形成されている。電極対をなす陽極（電極２０２）と陰極（電極２０３）とは、入射光２０４がＫＴＮ結晶２０１を透過して出射光２０５となる光の軌跡を挟んで対向している。電極２０２，２０３は、入射光２０４の入射面から出射光２０５の出射面に向けて、電極の間隔が徐々に広がるように形成される。入射光２０４は、ＫＴＮ結晶２０１の入射面から見ると、電極２０２，２０３の間隙の結晶内を伝搬する。
【００４３】
電極２０２，２０３がそれぞれ対向している辺は、無偏向時の入射光の光軸（ｙ軸方向）に対して対称となるように形成されることが望ましい。入射光２０４の入射面に最も近い電極２０２，２０３の間隔ｗは、無偏向の入射光が伝搬できればよく、製造プロセスにおけるマージン、電極間に高電圧を印加した場合の短絡の回避などを考慮して設定すればよい。一方、出射光２０５の出射面に最も近い電極２０２，２０３の間隔ｗは、光偏向器で想定される最大のスキャン範囲（−θ〜＋θ）よりも広くなるよう設定すればよい。
【００４４】
ＫＴＮ結晶２０１は、電極を形成した面およびこれに対向する面（ｘｙ平面に平行な結晶面）上に、ＫＴＮ結晶よりも屈折率の低い媒質が存在することが望ましい。例えば、ＫＴＮ結晶よりも屈折率の低い石英や他の誘電体などを、ＫＴＮ結晶２０１の電極面およびこれに対向する面に積層するようにしてもよい。空気の屈折率は約１であるから、ＫＴＮ結晶２０１の両面を空気にさらす構造であってもよい。このようにすると、ＫＴＮ結晶中を伝搬する光は、ＫＴＮ結晶中に閉じ込められるようになる、すなわち、ＫＴＮ結晶が光導波路として機能するため、光の伝搬損失を最小限にとどめることができる。
【００４５】
ＫＴＮ結晶２０１の厚さｄ（ｚ軸方向の長さ）は、上述の動作原理のとおり、より薄いほうが望ましい。厚さを１０μｍ程度とすることにより、ＫＴＮ結晶中を伝搬する光は、（光の波長にもよるが）シングルモード条件で伝搬することができるようになる。もちろん、それより厚いＫＴＮ結晶厚であってもよい。
【００４６】
電極２０２，２０３の間に電位差Ｖ１を与えることにより、ＫＴＮ結晶中の電極２０２と電極２０３の間隙の下部には電界が印加され、この印加電界が誘起する２次の電気光学効果により屈折率変化が生じ、結果として入射光は電位の低い方に向けて偏向する。光偏向器２０１において、入射光２０４はｘ軸方向に偏向される。例えば、光偏向器２００の電極２０２，２０３に、正弦波形状の交流電圧を、位相差πだけ違えて印加することにより、入射光２０４は、スキャン範囲（−θ〜＋θ）内を連続的かつ周期的に偏向される。
【００４７】
（作製方法）
以下、実施例１に係る光偏向器の製造工程について、説明する。第１の工程として、ＫＴＮ結晶基板を用意する。ＫＴＮ結晶基板は、ＫＴＮの単結晶からなる基板であることが望ましい。
【００４８】
第２の工程として、ＫＴＮ結晶を成形する。第１の工程で用意したＫＴＮ結晶基板をダイシングなどにより所定のサイズに切り出す。その後、電極を形成する面を形成するため、切り出したＫＴＮ結晶を研磨などにより薄膜化する。その際、電極を形成する面とそれに対向する面が平行になるよう、精度よく薄膜化することが望ましい。この際、ＫＴＮ結晶より屈折率の小さい媒質からなる基板に固定して薄膜化を実施してもよい。これによって、ＫＴＮ結晶をコアとする導波路を作製した際に、固定用の基盤はクラッド層として利用することもできる。同時に、光の散乱を最小限に抑えるため、光の入出射面を研磨して鏡面加工してもよい。また、光の戻り反射を回避するため、光の入出射面を、所定の角度（例えば、光軸に垂直な面に対して８°の角度）に傾けて形成してもよい。
【００４９】
第３の工程として、電極を形成する面上の所定の位置に、電極対を形成する。ＫＴＮ結晶への電子注入が得られるよう、電極としてはＫＴＮ結晶とオーミック接触となる材料を用いることが望ましい。例えば、ＫＴＮ結晶に接した側から順にＴｉ／Ｐｔ／Ａｕと積層した電極を、周知の蒸着工程により形成する。
【００５０】
第４の工程として、ＫＴＮ結晶の電極を形成した面ならびにその対向する面上に、ＫＴＮ結晶よりも屈折率の低い媒質からなる層を形成する。なお、この工程はオプションであり、必ずしも必要ではない。
【００５１】
（式７）で示したように、第２の工程によりＫＴＮ結晶の組成および寸法が定まると、電極対の間隔ｗおよび印加電圧Ｖ１に応じて、偏向角θが変わる。そして、電極間隔が狭いほど、あるいは印加電圧が大きいほど、偏向角θは大きくなる。すなわち、同じ偏向角を得るためには、より間隔が狭いほど印加電圧が低くて済む。従来の光偏向器では、電極２，３の間隔は、光の進行方向に沿って常に一定であり、その間隔は光の最大スキャン範囲を超える幅で設定する必要があった。一方、実施例１にかかる光偏向器では、光の出射面側の電極間隔は、光の最大スキャン範囲を超える幅を設定する必要がある。一方、光の入射面側の電極間隔は、無偏向の入射光が伝搬できる幅を超えていればよく、出射面側よりも狭くすることができる。従って、実施例１にかかる光偏向器では、従来の光偏向器に比べて、同じ偏向角を得るのに、より低い印加電圧とすることができる。すなわち、より低消費電力にすることができる。
【００５２】
また、電極の形状や配置は、第３の工程の記載から明らかなように、所望のマスクパターンを用意することにより、結晶の形状に関わらず、任意の形状に形成することができる。例えば、新規の光偏向器が、旧来の光偏向器に比べてスキャン範囲がより広いという要求条件であった場合、電極対の間隙をより広いマスクパターンに変更することのみで、要求条件を解決できるようになる。すなわち、製造工程の簡易な変更のみで、種々のスキャン範囲または印加電圧に対応可能な光偏向器を製造することができる。従って、製造コストを上昇させることなく、多様な光偏向器を提供することができる。
【００５３】
実施例１の光偏向器は、薄膜化したＫＴＮ結晶を用いるため、従来の光偏向器と比較して、小型化することができる。また、ＫＴＮ結晶を薄膜化したことにより、実効的な電極の面積が、実際の電極サイズから電気力線と直交するＫＴＮ結晶の断面積に近づく。ＫＴＮ結晶は薄いため、この断面積も従来の光偏向器に比べて小さいものとなる。そのため、ＫＴＮ結晶における静電容量が小さくなり、電極間に交流電圧を印加した際のＫＴＮ結晶に流れる電流を小さくすることができ、消費電力を低減させることができる。
【００５４】
実施例１の光偏向器の電極は、矩形形状であるとして説明したが、これに限定されるものではない。上述したように、電極２０２，２０３がそれぞれ対向している辺が、光軸（ｙ軸方向）に対して線対称となるように形成されていれば、平行四辺形、台形であってもよい。また、光偏向器の製造工程の都合などに応じて、適宜変形させてもよい。
【００５５】
実施例１の光偏向器の電極は、電極間隔が、光の入射側から出射側に向けて線形的に増加するように記載されているが、これに限定されるものではない。光を偏向させているときの光の軌跡は、光の入射時には偏向が小さく、光の結晶中を伝搬するのに伴って、徐々に偏向が大きくなる。この光の軌跡に沿うように、光の入射側から出射側に向けて、幅の広がり率が大きくなるように、電極の間隔を非線形に広がるように設定してもよい。
【実施例２】
【００５６】
図６に、実施例２にかかる光偏向器の構造を示す。図６（ａ）は実施例２にかかる光偏向器３００の斜視図であり、図６（ｂ）は上面図である。光偏向器３００は、薄膜化したＫＴＮ結晶３０１の光の入出射面と垂直な一の面（ｘｙ平面に平行な結晶面）に複数の電極対３０２，３０３が形成されている。複数の電極対３０２，３０３のそれぞれは、入射光３０４がＫＴＮ結晶３０１を透過して出射光３０５となる光の軌跡を挟んで対向している。複数の電極対３０２，３０３のそれぞれの対向している辺は、無偏向時の入射光の光軸（ｙ軸方向）に対して線対称となるように形成されている。
【００５７】
複数の電極対は、所定の間隔ｗａを設けて形成された矩形の電極３０２ａおよび電極３０３ａからなる第１電極対と、電極３０２ａ，３０３ａの間隔よりも広い所定の間隔ｗｂを設けて形成された矩形の電極３０２ｂおよび電極３０３ｂからなる第２電極対と、電極３０２ｂと３０３ｂの間隔よりも広い所定の間隔ｗｃを設けて形成された矩形の電極３０２ｃおよび電極３０３ｃからなる第３電極対とからなる。すなわち、各電極対の間隔は、
ｗａ＜ｗｂ＜ｗｃ
となり、光の入射面側の電極対の間隔は、隣り合う光の出射面側の電極対の間隔よりも小さい。
【００５８】
入射光３０４は、ＫＴＮ結晶３０１の入射面から見ると、第１電極対３０２ａ，３０３ａの間隙の結晶内を伝搬し、第２電極対３０２ｂ，３０３ｂの間隙、第３電極対３０２ｃ，３０３ｃの間隙の順に伝搬する。第１電極対３０２ａ，３０３ａ、第２電極対３０２ｂ，３０３ｂ、第３電極対３０２ｃ，３０３ｃのそれぞれが対向している辺は、無偏向時の光の光軸（ｙ軸方向）に対して線対称となるように形成されることが望ましい。
【００５９】
入射光３０４の入射面に最も近いに最も近い第１電極対３０２ａ，３０３ａの間隔ｗａは、無偏向の入射光が伝搬できればよく、製造プロセスにおけるマージン、電極間に高電圧を印加した場合の短絡の回避などを考慮して設定すればよい。一方、出射光３０５の出射面に最も近い第３電極対３０２ｃ，３０３ｃの間隔ｗｃは、光偏向器で想定される最大スキャン範囲（−θ〜＋θ）よりも広くなるよう設定すればよい。
【００６０】
ＫＴＮ結晶３０１は、実施例１と同じく、電極を形成した面およびこれに対向する面（ｘｙ平面に平行な結晶面）上に、ＫＴＮ結晶よりも屈折率の低い媒質が存在することが望ましい。例えば、ＫＴＮ結晶よりも屈折率の低い石英や他の誘電体などを、ＫＴＮ結晶３０１の電極面およびこれに対向する面に積層するようにしてもよい。空気の屈折率は約１であるから、ＫＴＮ結晶３０１の両面を空気にさらす構造であってもよい。このようにすると、ＫＴＮ結晶中を伝搬する光は、ＫＴＮ結晶中に閉じ込められるようになる、すなわち、ＫＴＮ結晶が光導波路として機能するため、光の伝搬損失を最小限にとどめることができる。
【００６１】
ＫＴＮ結晶３０１の厚さｄ（ｚ軸方向の長さ）は、上述の動作原理のとおり、より薄いほうが望ましい。厚さを１０μｍ程度とすることにより、ＫＴＮ結晶中を伝搬する光は、（光の波長にもよるが）シングルモード条件で伝搬することができるようになる。もちろん、それより厚いＫＴＮ結晶厚であってもよい。
【００６２】
このように、光偏向器３００においては、無偏向時の入射光３０４の光軸を対称として複数の電極対が光の進行方向に沿って順次間隙を広げるようにして配置されている。電極３０２ａ、３０２ｂ、３０２ｃに同極性の電圧を、電極３０３ａ、３０３ｂ、３０３ｃに異なる極性の電圧を与えることにより、ＫＴＮ結晶中の各電極対の間隙の下部には電界が印加され、この印加電界が誘起する２次の電気光学効果により屈折率変化が生じ、結果として入射光は電位の低い方に向けて偏向する。例えば、図６（ｂ）に示すように、電極３０２ａ、３０２ｂ、３０２ｃに正の電位を、電極３０３ａ、３０３ｂ、３０３ｃに負の電位を与えることにより、入射光は、電極３０３ａ、３０３ｂ、３０３ｃに引っ張られる方向に偏向される。
【００６３】
所定の偏向角を得ようとする場合、実施例２にかかる光偏向器３００において、第１電極対３０２ａ，３０３ａに与える電位差は、実施例１にかかる光偏向器２００の電極２０２，２０３に与える電位差よりも小さくすることができる。そのため、実施例２にかかる光偏向器３００は、実施例１にかかる光偏向器２００が奏する効果に加えて、さらに低消費電力を実現することができる。
【００６４】
ＫＴＮ結晶３０１を４．０ｘ３．０ｘ０．０１ｍｍのサイズに成形し、４．０ｘ３．０ｍｍの面の一方に、同じサイズの３組の電極対を、図６（ｂ）に示すように、無偏向時の光の光軸に対して対称となるように設けた。各電極のサイズは、幅０．４ｍｍ長さ１．３ｍｍとした。また、第１電極対の間隔は０．５ｍｍ、第２電極対の間隔は１．３ｍｍ、第３電極対の間隔は２．１ｍｍとした。
【００６５】
このような光偏向器に対し、電極３０２ａ、３０２ｂ、３０２ｃに＋４００Ｖの直流電圧を、電極３０３ａ、３０３ｂ、３０３ｃに−４００Ｖの直流電圧を与えたところ、入射光３０４は６９．７ｍｒａｄの偏向を得た。また、第１電極対３０２ａ，３０３ａにそれぞれ±４００Ｖ、第２電極対３０２ｂ，３０３ｂにそれぞれ±１，０３０Ｖ、第３電極対３０２ｃ，３０３ｃにそれぞれ±１，７００Ｖの直流電圧を与えたところ、入射光３０４は１０５．５ｍｒａｄの偏向を得た。
【００６６】
なお、光偏向器３００では、電極対が３対形成された構造を示したが、必要な偏向角、あるいは設計上の都合に応じて電極対の数は増減してよい。また、各電極対を構成する電極は、その長辺がそれぞれ無偏向時の光の光軸に平行になるよう形成した。すなわち、各電極対における長辺の間隔は一定である。これに限られず、光の入射側の間隙が狭く、光の進行方向に沿って徐々に間隙が広がるように形成してもよい。
【実施例３】
【００６７】
図７に、実施例３にかかる光偏向器の構造を示す。光偏向器４００は、薄膜化したＫＴＮ結晶４０１の光の入出射面と垂直な一の面（ｘｙ平面に平行な結晶面）に電極４０２，４０３が形成され、入射光４０４から出射光４０５への透過軌跡を挟んで対向している。この構造は実施例１と同じであり、説明を省略する。
【００６８】
さらに光の出射側の電極面に、レンズ機能を奏する電極４０６および電極４０７を設けた。電極４０７は、電極面と対向する面の電極４０６と対向する位置に設けられた、同じサイズの電極である（図示しない）。レンズ機能を奏する電極４０６，４０７は、入射側の辺が無偏向時の光の光軸に対して垂直かつ平坦であり、出射側が凹形状となっている。電極４０６，４０７は、ＫＴＮ結晶中への電子の注入が起こらないように、電極４０２，４０３とは異なり、ＫＴＮ結晶４０１とショットキー接触となるような材料で構成されることが望ましい。
【００６９】
電極４０６，４０７の間に、所定の直流電圧、例えば１００Ｖの直流電圧を印加することにより、電極間に存在するＫＴＮ結晶の屈折率が一様に高くなる。そのため、電極４０６，４０７の形状を、図７に示したように、電極面の上から見て凹レンズのような形状とすることにより、この電極間を透過する光は、図中ｘ軸方向にのみ拡散される。すなわち、電極４０６，４０７の間に直流電圧を印加することにより、電極間のＫＴＮ結晶はシリンドリカル凹レンズとして機能する。ここで、屈折率の変化は、電極４０６，４０７に印加する電圧に応じて変わる。すなわち、電極４０６，４０７への印加電圧を大きくするほど、屈折率変化は大きくなる。この原理を利用して、電極４０６，４０７への印加電圧を変化させ、シリンドリカル凹レンズとして機能させることもできる。
【００７０】
シリンドリカル凹レンズとして機能させることが望ましい理由について述べる。ＫＴＮ結晶に電子を注入した場合、結晶中の屈折率分布は、２つの電極の中心から電極方向へ向かって屈折率が減少する。例えば、図３（ａ）のα−α’線におけるＫＴＮ結晶内の屈折率分布は、ＫＴＮ結晶１０１に電子が注入されているとき、電極１０２と電極１０３の中心部分の屈折率が最も大きく、電極１０２および電極１０３に向かっていくに従い屈折率は減少する。このことから、電極１０２と電極１０２の間を透過する光は、ｘ軸方向へのシリンドリカル凸レンズを透過したのと同じ効果、すなわちｘ軸方向への集光効果を受ける。この現象は、実施例１および実施例２の光偏向器であっても同じである。
【００７１】
そこで、実施例３では、電極４０６，４０７によりシリンドリカル凹レンズを構成して、ＫＴＮ結晶中への電子注入に基づくシリンドリカル凸レンズ効果を相殺し、平行光が入射されたのであれば、平行光を出力することができる。
【００７２】
なお、ＫＴＮ結晶に電子を注入しても、経時変化によりトラップされた電子が熱的に励起されて拘束状態から解放される結果、レンズ効果が減少してしまう。そこで、あらかじめ電子注入に基づくシリンドリカル凸レンズ効果の経時変化を測定しておき、この効果を相殺するように、電極４０６，４０７に与える直流電圧を経時的に変化させる。このようにして、光偏向器４００からは、入射光が平行光であるならば、常に出射光も平行光とすることができる。
【００７３】
ＫＴＮ結晶４０１を４．０ｘ２．０ｘ０．０１ｍｍのサイズに成形し、４．０ｘ２．０ｍｍの面のうちの一方に、偏向に供する電極４０２，４０３を、図７に示すように、無偏向時の光の光軸に対して対称となるように設けた。電極４０２，４０３のサイズは、幅１．０ｍｍ長さ２．０ｍｍとした。また、電極４０２，４０３の間隔は、光の入射側が０．５ｍｍ、光の出射側が１．０ｍｍとした。電極４０２，４０３は、ＫＴＮ結晶とオーミック接触となるように、ＫＴＮ結晶４０１に接した側から順にＴｉ／Ｐｔ／Ａｕと積層した。
【００７４】
また、さらに光の出射側の電極面に電極４０６を形成し、電極面と対向する面の電極４０６と対向する位置に電極４０７を設けた。電極４０６，４０７のサイズは、ｘ軸方向が３．０ｍｍ、ｙ軸方向が無偏光時の光軸上で１．０ｍｍとした。電極４０６，４０７は、ＫＴＮ結晶とショットキー接触となるように、ＩＴＯにて形成した。
【００７５】
光偏向器４００に対し、ＫＴＮ結晶４０１の誘電率が立方晶となる領域で１７，５００となるように温度を保持する。電極４０６，４０７の間には１００Ｖの直流電圧を印加し、電極４０２，４０３の間には、以下のような制御電圧を印加した。  
（１）最初の３０秒間に電極４０２に＋３００Ｖ、電極４０３に−３００Ｖの直流電圧を印加する。  
（２）次の３０秒間に電極４０２に−３００Ｖ、電極４０３に＋３００Ｖの直流電圧を印加し、ＫＴＮ結晶４０１中に電子を注入する。これら正負交互の直流電圧をバースト電圧と呼ぶ。  
（３）バースト電圧に引き続き、電極４０２に振幅３００Ｖ、周波数２００ｋＨｚの正弦波状の交流電圧を印加し、電極４０３に電極４０２に印加した交流電圧と位相がπずれた交流電圧を印加する。これら交流電圧を駆動電圧と呼ぶ。
【００７６】
このような制御電圧を印加することにより、駆動電圧印加期間中は、周波数２００ｋＨｚで振動する偏向光を、平行光の状態で得ることができる。なお、上述のとおり、長期にわたり平行光を得るためには、レンズ機能を奏する電極４０６，４０７の間に印加する直流電圧を、電子注入効果の減少分に応じて変化させるようにすればよい。
【００７７】
なお、実施例３において、電極４０６，４０７がシリンドリカル凹レンズとして機能することを説明してきたが、当然のことながら、電極の形状を電極面の上から見て凸レンズのような形状とし、シリンドリカル凸レンズとして機能させるようにしてもよい。いずれにしても、レンズ効果は、電極４０６，４０７の形状に依存するが、本実施形態の光偏向器では、電極を形成するためのマスクパターンを所望の形状に変更することにより、任意の形状の電極を精度よく形成することができる。
【００７８】
また、実施例３にかかる光偏向器では、偏向に供する電極の構成として、実施例１で説明した電極形状を採用したが、実施例２で説明した電極形状を採用してもよいことは言うまでもない。さらに、実施例３にかかる光偏向器では、レンズ効果を奏する電極４０６，４０７を、偏向に供する電極の出力側に配置する構成としたが、偏向に供する電極の入力側に配置するようにしてもよい。
【符号の説明】
【００７９】
１，１１，１４，１０１，２０１，３０１，４０１  ＫＴＮ結晶
２，３，１２，１３，１５，１６，１０２，１０３，２０２，２０３，３０２，３０３,４０２，４０３，４０６，４０７  電極
４，１７，１０４，２０４，３０４，４０４  入射光
５，１８，１０５，２０５，３０５，４０５  出射光
【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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