(57)【要約】  光偏向素子は、基板と、電気光学材料からなり、基板上に形成された光導波路を構成する光導波膜と、光導波膜の膜厚方向に対向して光導波膜の入射側に配置され、光導波膜を伝搬する光ビームを、第１の印加電圧に応じて光導波膜の面内方向に偏向する第１の電極対と、光導波膜の膜厚方向に対向して光導波膜の出射側に配置され、第１の電極対によって光導波膜の面内方向に偏向された光ビームを、第２の印加電圧に応じて光導波膜の膜厚方向に偏向する第２の電極対とを備え、第２の電極対は、第１の電極と、第２の電極とを含み、第１の電極及び第２の電極は、光導波膜を伝搬する光ビームの進行方向に異なる長さで形成されている。
2014122896.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
電気光学材料からなり、前記基板上に形成された光導波路を構成する光導波膜と、
前記光導波膜の膜厚方向に対向して前記光導波膜の入射側に配置され、前記光導波膜を伝搬する光ビームを、第１の印加電圧に応じて前記光導波膜の面内方向に偏向する第１の電極対と、
前記光導波膜の膜厚方向に対向して前記光導波膜の出射側に配置され、前記第１の電極対によって前記光導波膜の面内方向に偏向された光ビームを、第２の印加電圧に応じて前記光導波膜の膜厚方向に偏向する第２の電極対と、
を備え、
前記第２の電極対は、第１の電極と、第２の電極とを含み、
前記第１の電極及び前記第２の電極は、前記光導波膜を伝搬する光ビームの進行方向に異なる長さで形成されている光偏向素子。
【請求項２】
前記光導波膜の厚さは、１μｍ以上１０μｍ以下である、
請求項１記載の光偏向素子。
【請求項３】
前記第１の電極及び前記第２の電極は、金属電極である、
請求項１又は２記載の光偏向素子。
【請求項４】
前記第１の電極は、前記光導波膜の前記基板側に設けられ、
前記第２の電極は、前記光導波膜の前記基板と対向する側に設けられ、
前記光導波膜を伝搬する光ビームの進行方向における前記第１の電極の長さは、前記進行方向における前記第２の電極の長さより長い、
請求項１から請求項３のいずれか一に記載の光偏向素子。
【請求項５】
前記第１の電極は、前記光導波膜の前記基板側に設けられ、
前記第２の電極は、前記光導波膜の前記基板と対向する側に設けられ、
前記光導波膜を伝搬する光ビームの進行方向における前記第１の電極の長さは、前記進行方向における前記第２の電極の長さより短い、
請求項１から請求項３のいずれか一に記載の光偏向素子。
【請求項６】
前記第１の電極は、四角形状に形成され、
前記第２の電極は、前記第１の電極の四角形状より面積の小さい四角形状で形成され、
前記第１の電極及び前記第２の電極は、前記第２の印加電圧が印加されることにより、前記光導波膜の前記第１の電極と前記第２の電極とに挟まれた領域に、前記光導波膜を伝搬する光ビームの進行方向に沿った断面が台形形状となる四角柱のプリズムを形成する、
請求項１から請求項３のいずれか一に記載の光偏向素子。
【請求項７】
前記第１の電極は、前記光導波膜の前記基板側に設けられ、
前記第２の電極は、前記光導波膜の前記基板と対向する側に設けられる、
請求項６に記載の光偏向素子。
【請求項８】
前記第２の電極は、前記光導波膜を伝搬する光ビームの進行方向における前記第１の電極の中央領域に対向して配置されている、
請求項６又は請求項７に記載の光偏向素子。
【請求項９】
前記光導波膜の前記第１の電極対に挟まれたプリズム領域の屈折率は、前記第１の印加電圧が前記第１の電極対に印加されることによって変化し、
前記光導波膜の前記第２の電極対に挟まれたプリズム領域の屈折率は、前記第２の印加電圧が前記第２の電極対に印加されることによって変化する、
請求項１から請求項８のいずれか一に記載の光偏向素子。
【請求項１０】
前記第１の電極対は、対の電極が共に同一形状の三角形状に形成され、
前記第１の電極対は、前記第１の印加電圧が印加されることにより、前記光導波膜の前記第１の電極対に挟まれた領域に三角柱のプリズムを形成する、
請求項１から請求項９のいずれか一に記載の光偏向素子。
【請求項１１】
前記第１の電極及び前記第２の電極は、前記第２の印加電圧が印加されることにより、前記光導波膜の前記第１の電極と前記第２の電極とに挟まれた領域に、前記第２の印加電圧の印加前の前記光導波膜の屈折率と異なる屈折率を有するプリズム領域を形成し、
前記プリズム領域は、前記光導波膜の前記プリズム領域が形成されていない部分と前記プリズム領域との境界となる第１の境界面及び第２の境界面を有し、
前記第１の境界面及び前記第２の境界面は、前記光導波膜の膜厚方向に対して傾斜しており、
前記プリズム領域に入射される光ビームは、前記第１の境界面で前記光導波膜の膜厚方向に偏向されるとともに、前記第２の境界面で前記光導波膜の膜厚方向に偏向される、
請求項１から請求項１０のいずれか一に記載の光偏向素子。
【請求項１２】
前記基板は、前記光導波膜の屈折率より小さい屈折率を有する、
請求項１から請求項１１のいずれか一に記載の光偏向素子。
【請求項１３】
前記第１の電極対及び前記第２の電極対は、前記光導波膜の屈折率より小さい屈折率を有する、
請求項１から請求項１２のいずれか一に記載の光偏向素子。
【請求項１４】
前記第１の電極対及び前記第２の電極対の各々を複数個設置した、
請求項１から請求項１３のいずれか一に記載の光偏向素子。
【請求項１５】
前記光導波膜と前記第１の電極対との間、及び前記光導波膜と前記第２の電極対との間に形成されたクラッド層をさらに備える、
請求項１から請求項１４のいずれか一に記載の光偏向素子。
【請求項１６】
前記光導波膜を形成する前記電気光学材料は、ＫＴａ１−ｘＮｂｘＯ３（但し、ｘは、０＜ｘ＜１である。）の組成を有する、
請求項１から請求項１５のいずれか一に記載の光偏向素子。
【請求項１７】
光源と、
前記光源から入射された光を偏向する請求項１から請求項１６のいずれか一に記載の光偏向素子と、
前記光偏向素子の光入射側及び光出射側の少なくとも一方に設けられた光学系と、
前記光偏向素子に前記第１の印加電圧及び前記第２の印加電圧を印加して前記光偏向素子を駆動する駆動装置と、
を備える光偏向装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光偏向素子及び光偏向装置に係り、特に、光導波路内に入射された光ビームを電気光学効果によって２次元偏向することが可能な光偏向素子及び光偏向装置に関する。この光偏向素子は、レーザプリンタ、プロジェクタ、レーザ走査顕微鏡、光コヒーレンストモグラフィーを用いた光診断装置、光通信用スイッチ素子等を含む光学デバイス全般に亘って使用することができる。
【背景技術】
【０００２】
入力信号に応じて光ビームを任意の角度に走査することが可能な光偏向素子は、様々な用途に使用され、例えば、レーザプリンタ、プロジェクタ及びディスプレイ等の映像機器、レーザ走査顕微鏡、光記録等を用いた光学ヘッド、光コヒーレンストモグラフィー等を用いた光診断装置、光通信用スイッチ素子、各種センシングデバイス等を構成する際の基本素子である。この光偏向素子は、振動ガルバノメーター、ポリゴンミラー、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）ミラーなどの機械式偏向素子と、音響光学素子や電気光学素子などの非機械式光偏向素子とに大別される。【０００３】
ここで、上記ミラーを駆動させる機構を持つ機械式偏向素子では、素子の小型化が困難であり、消費電力も大きく、ミラーを用いるため、走査の高速化は期待できない。また、音響光学素子では、機械式偏向素子と比較して高速化を実現できるが、音響光学効果を利用する超音波発生部分を持つため、素子の小型化は困難であり、また、数百ＭＨｚの弾性波励起信号を必要とするため、駆動システムが複雑でかつ大きくなる。【０００４】
一方、上記音響光学効果を利用する音響光学素子と比較して、高速に光を偏向することが可能な素子として、電気光学素子、即ち、電気光学効果（ＥＯ（Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｏｐｔｉｃ）効果）を有する電気光学材料（以降、「電気光学結晶」とも表記する。）を用いた光偏向素子がある。この電気光学素子に求められる性能として、広角に走査可能であること、高速に走査可能であること、低消費電力あるいは低電圧の入力信号で動作可能であること、小型であること、耐衝撃性に優れること等が挙げられる。【０００５】
上記の電気光学素子を用いた光偏向素子は、物質に電界が印加されることによってその屈折率が変化する電気光学効果を用いて、光の進行方向を制御する。以下に、電気光学素子として用いられている代表的な従来技術を述べる。【０００６】
まず、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３：ＬＮ）、ニオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ３）、タンタル酸ニオブ酸カリウム（ＫＴａ１−ｘＮｂｘＯ３：ＫＴＮ）等の電気光学結晶の表面にプリズム形状の電極を形成し、あるいは電気光学結晶にプリズム形状などの分極反転領域をパターニングした電気光学素子がある。この電気光学素子では、電極又は分極反転領域に電圧を印加することによって、屈折率変化が起こり、光が偏向される。【０００７】
例えば、特許文献１では、図１２に示すように、酸化マグネシウム添加ニオブ酸リチウムからなる光導波層１０１にプリズム型の分極反転領域１０２を形成するとともに、光導波層１０１の上面及び下面に上部電極及び下部電極を成膜し、上部電極及び下部電極に電圧を印加することにより、光導波層１０１の表面に対して水平方向（図１２のｘｙ面方向）の光偏向を実現している。【０００８】
次に、非特許文献１においては、電気光学素子の一種として、空間電荷制御電気伝導を利用した光偏向素子が報告されている。この光偏向素子は、電気光学結晶への電子注入により、電気光学効果による屈折率変化に傾斜が生じ、広角な光偏向が生じる現象を利用したものである。具体的には、図１３に示すように、大きな電気光学効果を有するＫＴＮ結晶基板１０３の上下面に金属電極１０４を成膜し、金属電極１０４に電圧を印加することにより、基板１０３の膜厚方向（図１３のｚ軸方向）に対して光偏向を実現している。【０００９】
また、特許文献２においても、空間電荷制御電気伝導を利用した光偏向素子が報告されている。この光偏向素子では、図１４に示すように、電気光学物質１０５の上下面（図１４のｘｙ面に平行な面）に電極１０６を設けるとともに、電極１０６と垂直な側面（図１４のｙｚ面に平行な面）に電極１０７を設け、電極１０６及び電極１０７に電圧を印加することにより、電気光学物質１０５の膜厚方向（図１４のｚ軸方向）と、電気光学物質１０５の表面の水平方向（図１４のｘｙ面方向）とに対して、２次元の光偏向を実現している。【００１０】
さらに、特許文献３においても、空間電荷制御電気伝導を利用した光偏向素子が報告されている。この光偏向素子では、電気光学材料を溶液中で結晶成長させて電気光学結晶を生成させ、電気光学結晶に電極を設け、電極に電圧を印加することにより、２次元の光偏向を実現している。【００１１】
しかしながら、上記いずれの従来技術においても、１つの基板を用いて、低駆動電圧で高速に光ビームを２次元偏向することが可能な小型の光偏向素子を実現できなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２０１２‐５８６５１号公報
【特許文献２】特開２００９‐２０４４２号公報
【特許文献３】国際公開第２００６／１３７４０８号
【非特許文献】
【００１３】
【非特許文献１】Ｋ．Ｎａｋａｍｕｒａ  ｅｔ  ａｌ.“Ｗｉｄｅ−ａｎｇｌｅ  ｌｏｗ−ｖｏｌｔａｇｅ  ｅｌｅｃｔｒｏ−ｏｐｔｉｃ  ｂｅａｍ  ｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ  ｂａｓｅｄ  ｏｎ  ｓｐａｃｅ−ｃｈａｒｇｅ−ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ  ｍｏｄｅ  ｏｆ  ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ  ｉｎ  ＫＴａ１−ｘＮｂｘＯ３”Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．８９，１３１１１５（２００６）
【発明の概要】
【００１４】
本発明は、上記課題を解消するためになされたもので、１つの基板を用いて、低駆動電圧で高速に光ビームを２次元偏向することができる小型の光偏向素子を提供することを目的とする。
【００１５】
本発明の一局面に従う光偏向素子は、基板と、電気光学材料からなり、前記基板上に形成された光導波路を構成する光導波膜と、前記光導波膜の膜厚方向に対向して前記光導波膜の入射側に配置され、前記光導波膜を伝搬する光ビームを、第１の印加電圧に応じて前記光導波膜の面内方向に偏向する第１の電極対と、前記光導波膜の膜厚方向に対向して前記光導波膜の出射側に配置され、前記第１の電極対によって前記光導波膜の面内方向に偏向された光ビームを、第２の印加電圧に応じて前記光導波膜の膜厚方向に偏向する第２の電極対と、を備え、前記第２の電極対は、第１の電極と、第２の電極とを含み、前記第１の電極及び前記第２の電極は、前記光導波膜を伝搬する光ビームの進行方向に異なる長さで形成されている。
【００１６】
上記により、１つの基板を用いて、低駆動電圧で高速に光ビームを２次元偏向することができる小型の光偏向素子を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施の形態１に係る光偏向素子の斜視図
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線による光偏向素子の断面図
【図３】図１に示す光偏向素子の作用を説明するための上面図
【図４】図１に示す光偏向素子の作用を説明するための図１のＩＩ−ＩＩ線による光偏向素子の断面図
【図５】図１に示す光偏向素子の製造工程を説明するための第１の斜視図
【図６】図１に示す光偏向素子の製造工程を説明するための第２の斜視図
【図７】図１に示す光偏向素子の製造工程を説明するための第３の斜視図
【図８】図１に示す光偏向素子の製造工程を説明するための第４の斜視図
【図９】図１に示す光偏向素子の製造工程を説明するための第５の斜視図
【図１０】図１に示す光偏向素子を用いた光偏向装置の一例を示す概略構成図
【図１１】本発明の実施の形態２に係る光偏向素子の要部断面図
【図１２】従来の電気光学結晶を用いた光偏向素子を示す斜視図
【図１３】従来の電気光学結晶の空間電荷制御電気伝導を用いた光偏向素子により１次元光偏向の作用を示す要部断面図
【図１４】従来の電気光学結晶の空間電荷制御電気伝導を用いた光偏向素子により２次元光偏向の作用を示す斜視図
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、実施の形態を用いて、本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれら実施の形態により限定されるものではない。
【００１９】
（本発明の一態様に至った経緯）
１．１次元の光偏向技術
特許文献１では、一対の電極を設けて、光導波層１０１の表面に対して水平方向（図１２のｘｙ面方向）の光偏向を実現している。しかしながら、特許文献１では、一対の電極を用いているに過ぎないので、２次元の光偏向には至っていない。即ち、光導波層１０１の表面に対して水平方向に光を偏向しているが、光導波層１０１の表面に対して垂直方向に光偏向することができない。
【００２０】
また、非特許文献１では、一対の金属電極１０４を設けて、ＫＴＮ結晶基板１０３の膜厚方向（図１３のｚ軸方向）の光偏向を実現している。しかしながら、一対の金属電極１０４を用いているに過ぎないので、非特許文献１においても、二次元の光偏向を実現できていない。即ち、ＫＴＮ結晶基板１０３の表面に対して垂直方向に光を偏向しているが、ＫＴＮ結晶基板１０３の表面に対して水平方向に光偏向することができない。
【００２１】
以上のように、光の偏向方向は、電極を設けた電気光学結晶の基板表面に対して水平又は垂直な一次元方向に限られる。そのため、光の偏向方向が一次元方向に限られる分、光の偏向角度が小さいという課題がある。
【００２２】
さらに、上述の非特許文献１では、電気光学結晶の空間電荷制御電気伝導を利用した光偏向素子であるため、大きな偏向角を得るためには、電気光学結晶の膜厚を厚く（例えば、１ｍｍ以上）する必要があり、駆動電圧が大きくなる。即ち、一般的に電気光学効果を利用した光偏向素子を用いた場合、光偏向素子の膜厚は数百μｍ程度であるが、これと比べて、空間電荷制御電気伝導を利用した光偏向素子では、電気光学結晶の厚みを薄くすることができないので、駆動電圧を低減することができない。
【００２３】
２．２次元の光偏向技術
これに対して、特許文献２では、電気光学物質１０５の膜厚方向（図１４のｚ軸方向）と、電気光学物質１０５の表面の水平方向（図１４のｘｙ面方向）に対して２次元の光偏向を実現している。しかしながら、図１４に示す光偏向素子を実現しようとすると、素子のサイズが大きくなり、それに伴い、駆動電圧が高くなるため、実用的ではない。
【００２４】
即ち、電気光学物質１０５の厚さを薄くすると、電極１０６間の印加電圧を低くすることができるので、低電圧での駆動は可能になる。しかしながら、電気光学物質１０５の薄膜化に伴い、薄膜化した電気光学物質１０５の側面（図１４のｙｚ面に平行な面）に設けられた電極１０７の面積が縮小する。このため、所望の偏向角を得るために十分なプリズム領域を得られない。また、電極１０６間、電極１０７間の双方で所望の偏向角を得るために十分なプリズム領域を確保しようとすれば、図１４のように電気光学物質１０５の厚さが厚くなるため、印可電圧が高くなる。
【００２５】
また、特許文献２において、厚み方向の光偏向を実現するために、電気光学物質１０５は、電圧印加により生じる電界によって屈折率分布を深さ方向に線形に変化させる光偏向器として機能する。即ち、上述した特許文献２の開示技術は、非特許文献１と同様に空間電荷制御電気伝導を利用した光偏向素子である。そのため、屈折率分布が深さ方向に線形に変化する空間電荷制御電気伝導を利用した光偏向素子では、大きな偏向角を得るためには電気光学結晶の膜厚を厚くする（例えば、１ｍｍ以上にする）必要があり、駆動電圧が大きくなる。
【００２６】
即ち、一般的に電気光学効果を利用した光偏向素子を用いた場合、光偏向素子の膜厚は数百μｍ程度であるが、これと比べて、特許文献２の光偏向素子では、電気光学材料の厚みを薄くすることができないので、駆動電圧を低減することができない。
【００２７】
さらに、特許文献２に示すような光偏向素子においては、電気光学物質１０５の膜厚方向の側面（図１４のｙｚ面に平行な面）に一対の電極１０７を作製する必要がある。しかしながら、特許文献２では、電気光学材料を溶液中で結晶成長させて電気光学結晶を生成させている。したがって、電気光学素子を作る場合は、電気光学結晶から直方体の電気光学物質１０５を切り出す必要がある。電気光学物質１０５の対の面（例えば、図１４のｘｙ面に平行な面）を平行に切り出すことは可能であっても、この対の面に対して垂直な側面（例えば、図１４のｙｚ面に平行な面）を切り出すことは困難である。そのため、電気光学物質１０５の側面に一対の電極１０７を平行に設けることは困難であり、かつ電極１０６に対して垂直方向に一対の電極１０７を作製することは極めて困難である。
【００２８】
同様に、特許文献３も、空間電荷制御電気伝導を利用した光偏向素子である。特許文献３では、電気光学材料を溶液中で結晶成長させて電気光学結晶を生成させている。その結果、電気光学結晶の膜厚が厚くなり、例えば０．５ｍｍの厚さで形成されている。このため、高い駆動電圧（例えば、１００Ｖ）が必要となる。
【００２９】
また、空間電荷制御電気伝導を利用した光偏向素子は、駆動電圧に対する偏向角が小さいという課題がある。特許文献３で使用された電気光学結晶では、例えば、０．５ｍｍの厚さとし、１００Ｖ以上の駆動電圧での屈折率変化を基準とした場合、６０Ｖ程度の駆動電圧では、屈折率変化が１／５以下に減少している。即ち、駆動電圧を低くしてしまうと、屈折率変化が小さくなり、所望の光偏向を得られなくなってしまう。その結果、膜厚が厚くなければ、所望の偏向角を得ることができない。この場合には、ビームの偏向を効率的に大きくするという特許文献３の目的を達成できなくなる。
【００３０】
以上の検討を踏まえて、本発明者は、以下の本発明の一態様を想到するに至った。
【００３１】
即ち、本発明の一態様に係る光偏向素子は、基板と、電気光学材料からなり、前記基板上に形成された光導波路を構成する光導波膜と、前記光導波膜の膜厚方向に対向して前記光導波膜の入射側に配置され、前記光導波膜を伝搬する光ビームを、第１の印加電圧に応じて前記光導波膜の面内方向に偏向する第１の電極対と、前記光導波膜の膜厚方向に対向して前記光導波膜の出射側に配置され、前記第１の電極対によって前記光導波膜の面内方向に偏向された光ビームを、第２の印加電圧に応じて前記光導波膜の膜厚方向に偏向する第２の電極対と、を備え、前記第２の電極対は、第１の電極と、第２の電極とを含み、前記第１の電極及び前記第２の電極は、前記光導波膜を伝搬する光ビームの進行方向に異なる長さで形成されている。
【００３２】
本態様によると、１つの基板上に形成された光導波路を構成する光導波膜の膜厚方向に対向して、第１の電極対及び第２の電極対を配置し、膜厚方向に共通して電圧を印加することができるので、光導波膜の膜厚を薄くすることができ、光導波路の薄膜化が可能になる。
【００３３】
また、光導波膜の面内方向、例えば、基板の主面に対して水平方向に光ビームを偏向する第１の電極対と、光導波膜の膜厚方向、例えば、基板の主面に対して垂直方向に光ビームを偏向する第２の電極対とを、光導波膜の膜厚方向に対向して配置しているので、光偏向素子を小型にできるとともに、高速に光ビームを二次元偏向することができる。
【００３４】
ここで、第２の電極対は、第１の電極と、第２の電極とからなり、第１の電極と第２の電極とは、光導波膜を伝搬する光ビームの進行方向に異なる長さで形成されているので、第１の電極と第２の電極との間に形成されるプリズム領域に入射する光の角度と、プリズム領域から出射する光の角度とが異なる。そのため、第１の電極と第２の電極とにより形成されるプリズム領域を通過した光の偏向角度が大きくなるので、電気光学材料からなる光導波膜の膜厚を薄くし、第１の電極対及び第２の電極対という２つの電極対を光導波膜の膜厚方向に対向して配置し、２つの電極対に低い駆動電圧を印加しても、十分な偏向角を得ることができる。
【００３５】
また、１つの基板上に、１つの光導波膜を形成し、光導波膜の上下面に２つの電極対を形成しているので、簡便かつ低コストのプロセスで光偏向素子を作製することができる。
【００３６】
上記の結果、１つの基板を用いて、低駆動電圧で高速に光ビームを２次元偏向することができる小型の光偏向素子を実現することができる。なお、本発明の光偏向素子は、レーザプリンタ、プロジェクタ、レーザ走査顕微鏡、光コヒーレンストモグラフィーを用いた光診断装置、光通信用スイッチ素子等を含む光学デバイス全般に亘って使用することができる。
【００３７】
また、本発明の一態様に係る光偏向素子は、上記態様において、例えば、前記光導波膜の厚さは、１μｍ以上１０μｍ以下としてもよい。この場合、導波モードが光導波膜内で単一モードになることなく、光ビームを伝搬することができるとともに、低駆動電圧が可能となる。
【００３８】
また、本発明の一態様に係る光偏向素子は、上記態様において、例えば、前記第１の電極及び前記第２の電極は、金属電極であってもよい。この場合、光導波膜内を効率よく光伝搬させることができる。
【００３９】
また、本発明の一態様に係る光偏向素子は、上記態様において、例えば、前記第１の電極は、前記光導波膜の前記基板側に設けられ、前記第２の電極は、前記光導波膜の前記基板と対向する側に設けられ、前記光導波膜を伝搬する光ビームの進行方向における前記第１の電極の長さは、前記進行方向における前記第２の電極の長さより長くしてもよい。
【００４０】
この場合、基板側を底辺とし、底辺が上辺よりも長い台形の断面形状を有するプリズム領域を形成できる。このような台形の断面形状を有するプリズム領域を形成すると、第２の電極対により形成されるプリズム領域への入射と、プリズム領域からの出射という２段階で光の偏向を生じさせることができる。そのため、出射光を所望の方向に向けて大きく曲げることができる。その結果、電気光学材料で構成される光導波膜の膜厚が薄くても、出射光を低い駆動電圧で大きく曲げることができる。
【００４１】
一方、台形の断面形状を有するプリズム領域と異なり、従来の直方体の光偏向素子では、入射、出射の２段階でしか光路を変えることができない。そのため、上述の従来技術では、光路を大きく曲げるために、電気光学結晶の膜厚を厚くする必要があった。これに対し、本態様のように、台形の断面形状を有するプリズム領域を形成すると、段階的に出射光の光路を変えることができる。即ち、第１の電極対で形成されるプリズム領域からの出射と、第２の電極対で形成されるプリズム領域への入射と、第２の電極対で形成されるプリズム領域からの出射との３段階で異なる光路を取り、結果として、出射光の光路を大きく曲げることが可能になる。
【００４２】
また、本発明の一態様に係る光偏向素子は、上記態様において、例えば、前記第１の電極は、前記光導波膜の前記基板側に設けられ、前記第２の電極は、前記光導波膜の前記基板と対向する側に設けられ、前記光導波膜を伝搬する光ビームの進行方向における前記第１の電極の長さは、前記進行方向における前記第２の電極の長さより短くしてもよい。
【００４３】
この場合、基板側を底辺とし、底辺が上辺よりも短い台形の断面形状を有するプリズム領域を形成できる。このような台形の断面形状を有するプリズム領域を形成すると、第２の電極対により形成されるプリズム領域への入射と、プリズム領域からの出射という２段階で光の偏向を生じさせることができる。そのため、出射光を所望の方向に向けて大きく曲げることができる。その結果、電気光学材料で構成される光導波膜の膜厚が薄くても、出射光を低い駆動電圧で大きく曲げることができる。
【００４４】
一方、台形の断面形状を有するプリズム領域と異なり、従来の直方体の光偏向素子では、入射、出射の２段階でしか光路を変えることができない。そのため、上述の従来技術では、光路を大きく曲げるために、電気光学結晶の膜厚を厚くする必要があった。これに対し、本態様のように、台形の断面形状を有するプリズム領域を形成すると、段階的に出射光の光路を変えることができる。即ち、第１の電極対で形成されるプリズム領域からの出射と、第２の電極対で形成されるプリズム領域への入射と、第２の電極対で形成されるプリズム領域からの出射との３段階で異なる光路を取り、結果として、出射光の光路を大きく曲げることが可能になる。
【００４５】
また、本発明の一態様に係る光偏向素子は、上記のいずれかの態様において、例えば、前記第１の電極は、四角形状に形成され、前記第２の電極は、前記第１の電極の四角形状より面積の小さい四角形状で形成され、前記第１の電極及び前記第２の電極は、前記第２の印加電圧が印加されることにより、前記光導波膜の前記第１の電極と前記第２の電極とに挟まれた領域に、前記光導波膜を伝搬する光ビームの進行方向に沿った断面が台形形状となる四角柱のプリズムを形成するようにしてもよい。
【００４６】
この場合、第２の電極が第１の電極の四角形状より面積の小さい四角形状で形成されることにより、光導波膜の第１の電極と第２の電極とに挟まれた領域に、光導波膜を伝搬する光ビームの進行方向に沿った断面が台形形状となる四角柱のプリズムを形成することができるので、四角柱のプリズムとなるプリズム領域の断面形状を、任意の形状を有する台形に形成できる。このような台形の断面形状を有するプリズム領域を形成すると、第２の電極対により形成されるプリズム領域への入射と、プリズム領域からの出射という２段階で光の偏向を生じさせることができる。そのため、出射光を所望の方向に向けて大きく曲げることができる。その結果、電気光学材料で構成される光導波膜の膜厚が薄くても、低い駆動電圧で大きく曲げることができる。
【００４７】
一方、台形の断面形状を有するプリズム領域と異なり、従来の直方体の光偏向素子では、入射、出射の２段階でしか光路を変えることができない。そのため、上述の従来技術では、光路を大きく曲げるために、電気光学結晶の膜厚を厚くする必要があった。これに対し、本態様のように、台形の断面形状を有するプリズム領域を形成すると、段階的に出射光の光路を変えることができる。即ち、第１の電極対で形成されるプリズム領域からの出射と、第２の電極対で形成されるプリズム領域への入射と、第２の電極対で形成されるプリズム領域からの出射との３段階で異なる光路を取り、結果として、出射光の光路を大きく曲げることが可能になる。
【００４８】
また、本発明の一態様に係る光偏向素子は、上記態様において、例えば、前記第１の電極は、前記光導波膜の前記基板側に設けられ、前記第２の電極は、前記光導波膜の前記基板と対向する側に設けられるようにしてもよい。
【００４９】
この場合、第１の電極と第２の電極との間にある光導波膜内において効率的に光ビームを伝搬させながら、出射光を曲げることができる。
【００５０】
また、本発明の一態様に係る光偏向素子は、上記のいずれかの態様において、例えば、前記第２の電極は、前記光導波膜を伝搬する光ビームの進行方向における前記第１の電極の中央領域に対向して配置されてもよい。
【００５１】
この場合、基板の主面に対して垂直方向の法線を中心として対称な台形の断面形状を有するプリズム領域を形成することができる。その結果、底角が等しい台形の断面形状を有するプリズム領域を形成できるため、出射光の進行方向の制御が容易になる。
【００５２】
また、本発明の一態様に係る光偏向素子は、上記態様において、例えば、前記光導波膜の前記第１の電極対に挟まれたプリズム領域の屈折率は、前記第１の印加電圧が前記第１の電極対に印加されることによって変化し、前記光導波膜の前記第２の電極対に挟まれたプリズム領域の屈折率は、前記第２の印加電圧が前記第２の電極対に印加されることによって変化するようにしてもよい。
【００５３】
この場合、１つの基板上に形成された１つの光導波膜に対し、第１の印加電圧によって屈折率を変化させるプリズム領域と、第２の印加電圧によって屈折率を変化させるプリズム領域とを形成することができる。ここで、第１の電極対に印加される第１の印加電圧により、光導波膜の第１の電極対に挟まれたプリズム領域の屈折率が変化すると、例えば、基板の主面に平行な面内で、光ビームの方向を曲げることができる。また、第２の電極対に印加される第２の印加電圧により、光導波膜の第２の電極対に挟まれたプリズム領域の屈折率が変化すると、第１の電極対によって曲げられた光ビームの方向とは異なる方向、例えば、基板の主面に垂直な方向に出射光を曲げることができる。この結果、小型であっても、効率的に二次元偏向することができる光偏向素子を実現することができる。
【００５４】
また、本発明の一態様に係る光偏向素子は、上記のいずれかの態様において、例えば、前記第１の電極対は、対の電極が共に同一形状の三角形状に形成され、前記第１の電極対は、前記第１の印加電圧が印加されることにより、前記光導波膜の前記第１の電極対に挟まれた領域に三角柱のプリズムを形成するようにしてもよい。この場合、基板の主面に対して水平方向に光ビームを偏向することができる。
【００５５】
また、本発明の一態様に係る光偏向素子は、上記のいずれかの態様において、例えば、前記第１の電極及び前記第２の電極は、前記第２の印加電圧が印加されることにより、前記光導波膜の前記第１の電極と前記第２の電極とに挟まれた領域に、前記第２の印加電圧の印加前の前記光導波膜の屈折率と異なる屈折率を有するプリズム領域を形成し、前記プリズム領域は、前記光導波膜の前記プリズム領域が形成されていない部分と前記プリズム領域との境界となる第１の境界面及び第２の境界面を有し、前記第１の境界面及び前記第２の境界面は、前記光導波膜の膜厚方向に対して傾斜しており、前記プリズム領域に入射される光ビームは、前記第１の境界面で前記光導波膜の膜厚方向に偏向されるとともに、前記第２の境界面で前記光導波膜の膜厚方向に偏向されるようにしてもよい。
【００５６】
この場合、光導波膜の面内方向に偏向された光ビームは、プリズム領域の第１の境界面及び第２の境界面を通過時、即ち、プリズム領域の第１の境界面への入射と、プリズム領域の第２の境界面からの出射との２段階で光導波膜の膜厚方向に光ビームを偏向することができるので、出射光を所望の方向に向けて大きく曲げることができ、光導波膜の厚さが薄くても、低い駆動電圧で出射光を大きく曲げることができる。
【００５７】
また、本発明の一態様に係る光偏向素子は、上記のいずれかの態様において、例えば、前記基板は、前記光導波膜の屈折率より小さい屈折率を有するようにしてもよい。この場合、光導波膜をコアとして光ビームを効率的に伝搬させることができる。
【００５８】
また、本発明の一態様に係る光偏向素子は、上記のいずれかの態様において、例えば、前記第１の電極対及び前記第２の電極対は、前記光導波膜の屈折率より小さい屈折率を有するようにしてもよい。この場合、光導波膜をコアとして光ビームを効率的に伝搬させることができる。
【００５９】
また、本発明の一態様に係る光偏向素子は、上記のいずれかの態様において、例えば、前記第１の電極対及び前記第２の電極対の各々を複数個設置するようにしてもよい。
【００６０】
この場合、複数の第１の電極対及び複数の第２の電極対によって多数のプリズム領域が形成され、出射光の偏向角は、各プリズム領域での屈折角の足し合わせとなるため、出射する偏向角を大幅に増加させることができる。即ち、さらなる偏向角の増加が可能になるため、より広い範囲での２次元光偏向が可能になり、光ビームを走査する領域を増大させることができる。
【００６１】
また、本発明の一態様に係る光偏向素子は、上記のいずれかの態様において、例えば、前記光導波膜と前記第１の電極対との間、及び前記光導波膜と前記第２の電極対との間に形成されたクラッド層をさらに備えるようにしてもよい。
【００６２】
この場合、第１の電極対及び第２の電極対への電磁界の染みだしを防ぎ、伝搬光の吸収を回避することができる。その結果、光導波膜中の伝搬損失を抑制し、光利用効率を高めることができる。
【００６３】
また、本発明の一態様に係る光偏向素子は、上記のいずれかの態様において、前記光導波膜を形成する前記電気光学材料は、ＫＴａ１−ｘＮｂｘＯ３（但し、ｘは、０＜ｘ＜１である。）の組成を有するようにしてもよい。
【００６４】
この場合、光導波膜の屈折率を変化させる際に必要となる印加電圧を低く抑えることができる。その結果、低駆動電圧を実現可能な光偏向素子を提供することが可能となる。
【００６５】
また、本発明の一態様に係る光偏向装置は、光源と、前記光源から入射された光を偏向する上記いずれかの態様の光偏向素子と、前記光偏向素子の光入射側及び光出射側の少なくとも一方に設けられた光学系と、前記光偏向素子に前記第１の印加電圧及び前記第２の印加電圧を印加して前記光偏向素子を駆動する駆動装置と、を備える。
【００６６】
この場合、第１の印加電圧による光偏向と、第２の印加電圧による光偏向とを任意に行うことができ、自在な二次元偏向を実現することができる。例えば、光偏向素子が、水平走査及び垂直走査の二次元光偏向を行う場合、水平走査による水平方向の光偏向と、垂直走査による垂直方向の光偏向とを任意に行うことができ、自在な二次元偏向を実現することができる。
【００６７】
（実施の形態１）
以下に、本発明の実施の形態１の光偏向素子及び光偏向装置の一構成例について、図１から図１０を用いて詳細に説明する。
【００６８】
図１は、本発明の実施の形態１に係る光偏向素子の斜視図であり、図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線による光偏向素子の断面図である。図３は、図１に示す光偏向素子の作用を説明するための上面図であり、図４は、図１に示す光偏向素子の作用を説明するための図１のＩＩ−ＩＩ線による光偏向素子の断面図である。図５〜図９は、図１に示す光偏向素子の製造工程を説明するための第１〜第５の斜視図である。図１０は、図１に示す光偏向素子を用いた光偏向装置の一例を示す概略構成図である。
【００６９】
まず、実施の形態１の光偏向素子１０について説明する。実施の形態１の光偏向素子１０は、図１及び図２に示すように、基板１１と、電気光学材料からなり、基板１１上に形成された光導波路を構成する光導波膜１４と、光導波膜１４の膜厚方向（例えば、図１及び図２のｚ軸方向）に対向して光導波膜１４の入射側に配置され、光導波膜１４を伝搬する光ビームを、第１の印加電圧に応じて光導波膜１４の面内方向（光導波膜１４の膜厚方向と垂直な方向、例えば、図１及び図２のｘｙ面方向）に偏向する第１の電極対１２と、光導波膜１４の膜厚方向に対向して光導波膜１４の出射側に配置され、第１の電極対１２によって光導波膜１４の面内方向に偏向された光ビームを、第２の印加電圧に応じて光導波膜１４の膜厚方向に偏向する第２の電極対１３とを備えている。
【００７０】
そして、光偏向素子１０の第１の電極対１２及び第２の電極対１３に、図１及び図２中には記載しない電圧制御装置（例えば、図１０に示す駆動装置２２）により、光ビームの偏向角に応じた第１の印加電圧及び第２の印加電圧が印加される。
【００７１】
第１の電極対１２は、第１の下部電極１２ａと、第１の上部電極１２ｂとから構成され、第２の電極対１３は、第２の下部電極１３ａと、第２の上部電極１３ｂとから構成されている。第１の下部電極１２ａ、第１の上部電極１２ｂ、第２の下部電極１３ａ及び第２の上部電極１３ｂはそれぞれ別体で形成されている。
【００７２】
光導波膜１４は、第１の下部電極１２ａ及び第２の下部電極１３ａを備えた基板１１上に形成され、第１の上部電極１２ｂ及び第２の上部電極１３ｂは、光導波膜１４の上に形成されている。第２の下部電極１３ａ及び第２の上部電極１３ｂは、光導波膜１４を伝搬する光ビームの進行方向（例えば、図１及び図２のｙ軸方向）に異なる長さで形成されている。
【００７３】
第２の下部電極１３ａは、光導波膜１４の基板１１側に設けられ、第２の上部電極１３ｂは、光導波膜１４の基板１１と対向する側に設けられ、光導波膜１４を伝搬する光ビームの進行方向における第２の下部電極１３ａの長さは、該進行方向における第２の上部電極１３ｂの長さより長い。第２の上部電極１３ｂは、光導波膜１４を伝搬する光ビームの進行方向における第２の下部電極１３ａの中央領域に対向して配置されている。
【００７４】
具体的には、光導波膜１４の光入射側の上面及びその面に対向する下面には、底辺が光伝搬方向（図１及び図２のｙ軸方向）即ち光導波膜１４を伝搬する光ビームの進行方向に直交しかつ光入射側に位置するように、直角三角形状の第１の電極対１２（第１の下部電極１２ａ及び第１の上部電極１２ｂ）が形成されている。また、第１の電極対１２の光伝搬方向の下流側には、それぞれ光伝搬方向に長さが異なる非対称な四角形状の第２の電極対１３（第２の下部電極１３ａ及び第２の上部電極１３ｂ）が形成されている。
【００７５】
このような配置にすることで、後述するように、１つの基板１１によって高速に光ビームを２次元偏向することが可能になり、光偏向素子１０を小型化することができる。
【００７６】
なお、光導波膜１４を伝搬する光ビームの進行方向における第２の下部電極１３ａ及び第２の上部電極１３ｂの長さの関係は、上記の例に特に限定されず、光導波膜１４を伝搬する光ビームの進行方向に異なる長さで形成されていればよい。例えば、第２の下部電極が光導波膜１４の基板１１側に設けられ、第２の上部電極が光導波膜１４の基板１１と対向する側に設けられ、光導波膜１４を伝搬する光ビームの進行方向における第２の下部電極の長さが、該進行方向における第２の上部電極の長さより短くしてもよい。この場合も、上記と同様の効果を奏することができる。
【００７７】
また、第１の電極対１２の形状は、直角三角形状に特に限定されず、例えば、その他の形状の三角形や、光伝搬方向に向かって、徐々に幅狭になる形状、徐々に幅広になる形状、あるいは徐々に幅広になった後に幅狭になる形状の第１の電極対を形成することができる。
【００７８】
次に、実施の形態１の光偏向素子１０の基板１１の材料としては、第１の下部電極１２ａ及び第２の下部電極１３ａとなる導電性単結晶薄膜又は半導電性単結晶薄膜を、エピタキシャルな薄膜として形成することが可能な材料を用いることが望ましい。このエピタキシャルな関係を保持できる条件としては、基板１１の材料の結晶構造が、第１の下部電極１２ａ及び第２の下部電極１３ａを形成する材料及び光導波膜１４を形成する電気光学材料の結晶構造に類似し、これらの格子常数の差が１０％以下であることが望ましいが、必ずしもこの関係に従わなくとも、基板１１の上に第１の下部電極１２ａ及び第２の下部電極１３ａをエピタキシャル成長させることにより、エピタキシャルな関係を保持できればよい。
【００７９】
具体的には、基板１１の材料として、Ａｌ２Ｏ３、ＳｒＴｉＯ３等の酸化物、Ｓｉ、Ｇｅ、ダイアモンド等の単体半導体、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＳｂ、ＡｌＧａＡｓ等のＩＩＩ−Ｖ系の化合物半導体等を用いることができる。また、光導波路（光導波膜１４）を形成する電気光学材料が酸化物である場合には、基板１１の材料に酸化物を用いることが好ましく、且つ、光導波膜１４よりも小さい屈折率を有する材料が望ましい。例えば、本実施の形態では、基板１１として、Ａｌ２Ｏ３を用いた。
【００８０】
上記のように、基板１１は、光導波膜１４よりも小さい屈折率を有することが好ましい。基板１１の屈折率を、光導波膜１４の屈折率よりも小さくすることによって、光導波膜１４をコアとして光ビームを効率的に伝搬させることができる。
【００８１】
次に、光偏向素子１０の第１の下部電極１２ａ及び第２の下部電極の１３ａの材料としては、光導波路（光導波膜１４）を形成する電気光学材料よりも小さい屈折率を有し、基板１１に対して導電性単結晶薄膜又は半導電性単結晶薄膜をエピタキシャルな薄膜として形成可能な材料を用いることができる。このエピタキシャルな関係を保持できる条件としては、電極（第１の下部電極１２ａ及び第２の下部電極の１３ａ）の材料の結晶構造が、基板１１の材料及び光導波膜１４を形成する電気光学材料の結晶構造に類似し、これらの格子常数の差が１０％以下であることが望ましいが、必ずしもこの関係に従わなくとも、基板１１の上に第１の下部電極１２ａ及び第２の下部電極の１３ａをエピタキシャル成長させることにより、エピタキシャルな関係を保持できればよい。
【００８２】
具体的には、第１の下部電極１２ａ及び第２の下部電極の１３ａの材料として、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｔａ、Ｗ、Ｐｔ、Ａｕ等の各種金属又はこれらの合金や、光導波膜１４よりも小さい屈折率を有するＩＴＯやＡｌドープＺｎＯ等の透明酸化物を用いることが可能である。特に、基板１１にＡｌ２Ｏ３、ＳｒＴｉＯ３等の酸化物を用いる場合に、第１の下部電極１２ａ及び第２の下部電極の１３ａとして、Ｐｔを用いることが望ましい。例えば、本実施の形態では、第１の下部電極１２ａ及び第２の下部電極１３ａとして、Ｐｔを用いた。
【００８３】
上記と同様に、光偏向素子１０の第１の上部電極１２ｂ及び第２の上部電極１３ｂの材料としては、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｔａ、Ｗ、Ｐｔ、Ａｕ等の各種金属又はこれら合金や、光導波膜１４よりも小さい屈折率を有するＩＴＯやＡｌドープＺｎＯ等の透明酸化物を用いることが可能である。但し、第１の上部電極１２ｂ及び第２の上部電極１３ｂは、光導波膜１４を形成する電気光学材料と必ずしもエピタキシャルな薄膜でなくてもよい。
【００８４】
また、第１の上部電極１２ｂ及び第２の上部電極１３ｂは、金属で形成することができるが、特に、光導波膜１４の上に金属からなる電極が設けられた際、光導波膜１４中の光の振動数が金属のプラズマ振動数を越えると、光伝搬に伴い、金属電極中へ染みだした成分が金属電極中のキャリアによって強く吸収され、伝搬損失となる。このため、第１の上部電極１２ｂ及び第２の上部電極１３ｂの材料としては、ＩＴＯやＡｌドープＺｎＯ等の透明酸化物を用いることが望ましい。例えば、本実施の形態では、第１の上部電極１２ｂ及び第２の上部電極１３ｂとして、ＩＴＯを用いた。
【００８５】
また、第１の電極対１２及び第２の電極対１３は、光導波膜１４よりも小さい屈折率を有することが好ましい。第１の電極対１２及び第２の電極対１３の屈折率を、光導波膜１４よりも小さくすることによって、光導波膜１４をコアとして光ビームを効率的に伝搬させることができる。
【００８６】
ここで、第１の電極対１２は、三角形状に形成され、第１の電極対１２に所定の電圧（第１の印加電圧）を印加することにより、周囲の領域と屈折率が異なるプリズム領域１５ａを形成することができる。
【００８７】
即ち、光導波膜１４の第１の電極対１２に挟まれたプリズム領域１５ａの屈折率は、第１の印加電圧が第１の電極対１２に印加されることによって変化する。ここで、第１の電極対１２は、対の電極が共に同一形状の三角形状に形成されているので、第１の電極対１２は、第１の印加電圧が印加されることにより、光導波膜１４の第１の電極対１２に挟まれた領域に三角柱のプリズム（プリズム領域１５ａ）を形成することができる。
【００８８】
また、第２の電極対１３は、それぞれ光伝搬方向に長さの異なる非対称な四角形状に形成され、第２の電極対１３に所定の電圧（第２の印加電圧）を印加することにより、周囲の領域と屈折率が異なるプリズム領域１５ｂを形成することができる。
【００８９】
即ち、光導波膜１４の第２の下部電極１３ａと第２の上部電極１３ｂとに挟まれたプリズム領域１５ｂの屈折率は、第２の印加電圧が第２の下部電極１３ａ及び第２の上部電極１３ｂに印加されることによって変化する。ここで、第２の下部電極１３ａは、四角形状に形成され、第２の上部電極１３ｂは、第２の下部電極１３ａの四角形状より面積の小さい四角形状で形成されているので、第２の下部電極１３ａ及び第２の上部電極１３ｂは、第２の印加電圧が印加されることにより、光導波膜１４の第２の下部電極１３ａと第２の上部電極１３ｂとに挟まれた領域に、光導波膜１４を伝搬する光ビームの進行方向に沿った断面が台形形状となる四角柱のプリズム（プリズム領域１５ｂ）を形成することができる。
【００９０】
次に、光導波膜１４を形成する電気光学材料としては、ＫＴＮ（ＫＴａ１−ｘＮｂｘＯ３、但し、ｘは、０＜ｘ＜１である。）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）、ＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ４）等の電気光学効果を有する電気光学材料が好ましく、中でも、広偏向角や低駆動電圧の観点から、ＫＴＮを用いることが望ましい。例えば、ＫＴＮの屈折率は、２．２〜２．４の大きな値を有するので、低駆動電圧で広い偏向角を実現することができる。
【００９１】
また、ＫＴＮは、立方晶から正方晶へ、さらに正方晶から菱面体晶へと温度により結晶系を変える性質を有しており、立方晶においては、大きい２次の電気光学効果を有することが知られている。特に、立方晶から正方晶への相転移温度に近い領域では、比誘電率が発散する現象が起こり、比誘電率の自乗に比例する２次の電気光学効果はきわめて大きい値となる。
【００９２】
したがって、光導波膜１４を形成する電気光学材料として、ＫＴａ１−ｘＮｂｘＯ３（但し、ｘは、０＜ｘ＜１である。）の組成を有する電気光学材料は、他の材料に比べて屈折率を変化させる際に必要となる印加電圧を低く抑えることが可能となる。これにより、低駆動電圧で広い偏向角を実現可能な光偏向素子を提供することが可能となる。
【００９３】
以下に、電気光学効果を利用した光偏向素子１０の動作原理について説明する。一般に、電気光学結晶がカー効果による屈折率変化を示す場合、結晶内部に電界が形成されたときの電気光学結晶の屈折率変化量Δｎは下記式（１）で与えられる。
【００９４】
Δｎ＝−（１／２）×ｎ３×Ｒ×（Ｖ／ｄ）２  …  （１）
【００９５】
ここで、「カー効果」とは、電気光学結晶に印加された電界の強さの２乗に比例して、電気光学結晶の屈折率が変化する効果のことを示す。また、式（１）のＶは、印加電圧を表し、ｄは、電気光学結晶の厚さを表し、ｎは、電気光学結晶の屈折率であり、Ｒは、カー定数である。
【００９６】
したがって、厚さｄの電気光学材料で構成される屈折率ｎの光導波膜１４を挟んだ第１の電極対１２の間及び第２の電極対１３の間に、即ちｚ軸方向に電圧Ｖ１、Ｖ２が印加されると、図１〜図４に示すように、光導波膜１４内には、第１の電極対１２及び第２の電極対１３でそれぞれ挟まれた領域と、それ以外の領域とにおいて、屈折率の変化が生じ、プリズム領域１５ａ、１５ｂが形成される。
【００９７】
このとき、第１の電極対１２によって形成されるプリズム領域１５ａの屈折率の変化量をΔｎ１、第２の電極対１３によって形成されるプリズム領域１５ｂの屈折率の変化量をΔｎ２とする。入射光は、各プリズム領域１５ａ、１５ｂのそれぞれの屈折率が変化する境界面で屈折し、その結果、光導波膜１４からの出射光は偏向する。また、光偏向素子１０から出射するときの偏向角は、スネルの法則により算出される。
【００９８】
具体的には、第１の電極対１２に電圧Ｖ１を印加した場合、図３に示すように、底角αの直角三角形状の第１の電極対１２により形成されるプリズム領域１５ａの屈折率がｎ−Δｎ１に均一に変化し、屈折率がｎ−Δｎ１からｎに変化する境界面１５ｃが形成される。プリズム領域１５ａの底辺部分の境界面は、入射光の伝搬方向Ｌに直交しているが、境界面１５ｃは、ｘ軸に対して反時計回りにα度傾いている。
【００９９】
したがって、ｙ軸と平行に入射された入射光は、第１の電極対１２の間に形成されたプリズム領域１５ａの境界面１５ｃを通過後にｘｙ面内で−ｘ軸方向へ偏向され、光導波膜１４から出射されるときにさらにｘｙ面内で−ｘ軸方向へ偏向される。最終的に、出射光には、基板１１の表面（主面）と平行な面（図３のｘｙ面）内で、入射光の伝搬方向Ｌ（図３のｙ軸方向）を基準として偏向角θｈで示される偏向が生じる。
【０１００】
また、第２の電極対１３に電圧Ｖ２を印加した場合、図４に示すように、それぞれ光伝搬方向Ｌの長さが異なる非対称な四角形状の第２の電極対１３により形成される底角β及び底角γからなる台形形状の断面を有するプリズム領域１５ｂの屈折率がｎ−Δｎ２に均一に変化し、屈折率がｎからｎ−Δｎ２に変化する境界面１５ｄと、屈折率がｎ−Δｎ２からｎに変化する境界面１５ｅとが形成される。境界面１５ｄは、ｙ軸に対して反時計回りにβ度傾いており、境界面１５ｅは、ｙ軸に対して時計回りにγ度傾いている。
【０１０１】
このように、第２の下部電極１３ａ及び第２の上部電極１３ｂは、電圧Ｖ２が印加されることにより、光導波膜１４の第２の下部電極１３ａと第２の上部電極１３ｂとに挟まれた領域に、電圧Ｖ２印加前の光導波膜１４の屈折率ｎと異なる屈折率ｎ−Δｎ２を有するプリズム領域１５ｂを形成し、プリズム領域１５ｂは、光導波膜１４のプリズム領域１５ｂが形成されていない部分とプリズム領域１５ｂとの境界となる境界面１５ｄ及び境界面１５ｅとを有し、境界面１５ｄ及び境界面１５ｅは、光導波膜１４の膜厚方向（図４のｚ軸方向）に対して傾斜しており、プリズム領域１５ｂに入射される光ビームは、境界面１５ｄで光導波膜１４の膜厚方向に偏向されるとともに、境界面１５ｅで光導波膜１４の膜厚方向に偏向される。
【０１０２】
したがって、プリズム領域１５ａによりｘｙ面内で−ｘ軸方向に偏向された光ビームは、第２の電極対１３の間に形成されたプリズム領域１５ｂの境界面１５ｄ及び境界面１５ｅを通過時に２段階でｚ軸方向へ偏向され、光導波膜１４から出射されるときにさらにｚ軸方向へ偏向される。最終的に、出射光には、基板１１の表面（主面）と垂直な面内で、入射光の伝搬方向Ｌを基準として偏向角θｖで示される偏向が生じる。
【０１０３】
上記のように、図４のプリズム領域１５ｂにおいては、プリズム領域１５ｂの境界面１５ｄへの入射と、プリズム領域１５ｂの境界面１５ｅからの出射との２段階で光の偏向が生じる。即ち、屈折率変化を２段階で生じさせることで、出射光を所望の方向に向けて大きく曲げることができる。その結果、電気光学材料で構成される光導波膜１４の厚さｄが薄くても、低い駆動電圧で出射光を大きく曲げられる。
【０１０４】
このように、三角形状の第１の電極対１２と、それぞれ光伝搬方向に長さの異なる非対称な四角形状の第２の電極対１３とを光導波膜１４に設け、第１の電極対１２及び第２の電極対１３に電圧を印加すると、それぞれの電極対間にプリズム領域１５ａ、１５ｂが形成され、プリズム領域１５ａ、１５ｂにより基板１１の表面と平行な面内と垂直な面内で２次元の光偏向が可能となる。
【０１０５】
ここで、第１の電極対１２及び第２の電極対１３に印加される電界は、いずれも電気光学材料（光導波膜１４）の厚さｄで決定されるため、光導波膜１４の厚さｄを薄くすることによって、低駆動電圧で２次元偏向することが可能になる。このため、光導波膜１４の厚さｄは、１μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましい。この場合、導波モードが光導波膜１４内で単一モードになることなく、光ビームを伝搬することができるとともに、低駆動電圧（例えば、８０Ｖ以下）が可能となる。
【０１０６】
また、第２の電極対１３（第２の下部電極１３ａ及び第２の上部電極１３ｂ）のそれぞれのｙ軸方向（入射光の伝搬方向Ｌ）に平行な辺の長さは、光導波膜１４の厚さｄより長いことが好ましく、１０μｍ以上であることが好ましい。この場合、光ビームを低駆動電圧で光導波膜１４の膜厚方向（図４のｚ軸方向）に大きく偏向することができる。
【０１０７】
また、第２の電極対１３（第２の下部電極１３ａ及び第２の上部電極１３ｂ）の位置関係は、第２の電極対１３によって形成されるプリズム領域１５ｂをｙｚ面に沿って断面したときの断面形状である台形の底角β、γが、任意の底角β、γを満たすように、長方形状の電極が配置されればよい。また、第２の下部電極１３ａの短辺（図３のｙ軸方向に平行な辺）は、第２の上部電極１３ｂの短辺（図３のｙ軸方向に平行な辺）の中心軸に対して、対称になるように配置されてもよいし、非対称になるように配置されてもよい。
【０１０８】
以上の原理から、光導波膜１４内部における屈折率変化により、光偏向角を計算した例を具体的に示す。ここでは、光導波膜１４を形成する電気光学材料のＫＴＮの屈折率をｎ＝２．３とし、カー定数をＲ＝５．３×１０−１６ｍ２／Ｖ２とし、光導波膜１４の厚さをｄ＝４μｍとした。また、第１の電極対１２の底角をα＝３０°とし、第２の電極対１３によって形成されるプリズム領域１５ｂの断面形状である台形の底角をそれぞれβ＝６０°、γ＝６０°とした。
【０１０９】
このとき、それぞれ各電極対に対して４０Ｖの電圧を印加することにより、基板１１の表面（主面）に水平な偏向角θｈは、１０°以上となり、基板１１の表面（主面）に垂直な偏向角θｖは、１０°以上となり、低駆動電圧で高速に光ビームを大きく２次元偏向することが可能となった。
【０１１０】
なお、第１の電極対１２の数及び配置は、上記の例に特に限定されず、例えば、光ビームが第１の電極対１２を連続して通過し得るように、複数の第１の電極対１２を、光導波膜１４の光伝搬方向に一列に並べて形成してもよい。このように光導波膜１４に複数の第１の電極対１２を形成することによって、複数のプリズム領域１５ａを光導波膜１４に形成すると、出射光の偏向角は、各プリズム領域での屈折角の足し合わせとなるため、基板１１の表面と平行な面内での偏向角θｈを増加させることが可能である。
【０１１１】
同様に、光ビームが第２の電極対１３を連続して通過し得るように、複数の第２の電極対１３を光導波膜１４の光伝搬方向に一列に並べて形成していてもよい。このように光導波膜１４に複数の第２の電極対１３を形成することによって、複数のプリズム領域１５ｂを光導波膜１４に形成すると、出射光の偏向角は、各プリズム領域での屈折角の足し合わせとなるため、基板１１の表面と垂直な面内での偏向角θｖを増加させることが可能である。
【０１１２】
上記のように、偏向角θｈ及び偏向角θｖを増加させることができれば、より広い範囲での２次元光偏向が可能になり、光を走査する領域をさらに増大させることができる。
【０１１３】
以上のように、本実施の形態によれば、三角形状の第１の電極対１２で挟まれたプリズム領域１５ａの屈折率変化による水平方向の偏向と、それぞれ光伝搬方向に長さの異なる非対称な四角形状の第２の電極対１３で挟まれたプリズム領域１５ｂの屈折率変化による垂直方向の偏向との組み合わせにより、低駆動電圧で２次元偏向が可能となる。
【０１１４】
次に、上記の実施の形態１の光偏向素子１０の製造方法について図５〜図９を用いて説明する。
【０１１５】
〔工程１〕
まず、図５に示すように、Ａｌ２Ｏ３単結晶からなる基板１１上に、スパッタリングにより、下部電極となる膜厚１００ｎｍのエピタキシャルなＰｔ電極１６を形成する。
【０１１６】
〔工程２〕
次に、図６に示すように、エッチングにより、Ｐｔ電極１６から不要な部分を除去し、三角形形状の第１の下部電極１２ａ及び四角形状の第２の下部電極１３ａを形成する。
【０１１７】
〔工程３〕
次に、図７に示すように、Ａｌ２Ｏ３単結晶からなる基板１１、第１の下部電極１２ａ及び第２の下部電極１３ａ上に、スパッタリングにより、膜厚４μｍのエピタキシャルなＫＴａ１−ｘＮｂｘＯ３（ｘ＝０．３）からなる光導波膜１４を形成する。
【０１１８】
〔工程４〕
次に、図８に示すように、光導波膜１４上に、スパッタリングにより、上部電極となる膜厚２００ｎｍのＩＴＯ電極１７を形成する。
【０１１９】
〔工程５〕
次に、図９に示すように、エッチングにより、ＩＴＯ電極１７から不要な部分を除去し、第１の下部電極１２ａと同一の三角形形状の第１の上部電極１２ｂ、及び第２の下部電極１３ａよりｙ軸方向の辺が短い四角形状の第２の上部電極１３ｂを形成する。
【０１２０】
〔工程６〕
最後に、光偏向素子１０の入射端面及び出射端面を研磨して滑らかな面を形成する。以上の工程によって光偏向素子１０を製造した。
【０１２１】
なお、光導波膜１４、第１の電極対１２及び第２の電極対１３は、スパッタリングの他に、電子ビーム蒸着、フラッシュ蒸着、イオン・プレーティング、レーザー・アブレーション、分子線エピタキシー、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、プラズマＣＶＤ、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）等から選ばれる気相成長法によっても形成できる。
【０１２２】
また、第１の上部電極１２ｂ、第２の上部電極１３ｂ、並びに、第１の上部電極１２ｂ及び第２の上部電極１３ｂが形成されていない光導波膜１４の上に、保護層等の他の膜を形成してもよい。
【０１２３】
次に、図１に示す光偏向素子を用いた光偏向装置について図１０を用いて説明する。光偏向装置１８は、光源１９と、入射光学系２０と、光偏向素子１０と、出射光学系２１と、駆動装置２２とを備えている。
【０１２４】
光源１９として、半導体レーザを用いることが望ましい。入射光学系２０は、光源１９から出射されるレーザ光を光偏向素子１０の光導波路（光導波膜１４）へ結合させる。入射光学系２０は、光源１９から出射されるレーザ光を光偏向素子１０に高い光利用効率で結合させるために、光導波膜１４と入射光学系２０内の入射レンズとのＮＡ（Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ
Ａｐｅｒｔｕｒｅ）を一致させることが望ましい。出射光学系２１は、光偏向素子１０から出射されたレーザ光をコリメートするためのレンズと、必要に応じて、偏向角を拡大するめの凸凹レンズとを備える。
【０１２５】
駆動装置２２は、光源１９及び光偏向素子１０を駆動する駆動回路及び信号発生器等からなり、光偏向装置１８の偏向角、駆動周波数及び出射光強度を決定する。また、駆動装置２２は、光偏向素子１０に配置される第１の電極対１２及び第２の電極対１３に対して、別々に電圧を印加することができる。これにより、基板１１の表面に対して水平方向の光偏向と、基板１１の表面に対して垂直方向の光偏向とを任意に行うことができ、自在な二次元偏向を実現することができる。
【０１２６】
なお、光偏向装置１８では、駆動装置２２が光源１９及び光偏向素子１０を駆動する構成としたが、この例に特に限定されず、一の駆動装置が光偏向素子１０を駆動し、他の駆動装置が光源１９を駆動するようにしてもよい。また、光偏向素子１０の光入射側に入射光学系２０を配置し、光出射側に出射光学系２１を配置したが、この例に特に限定されず、いずれか一方のみを配置するようにしてもよい。
【０１２７】
（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２の光偏向素子について、実施の形態１の光偏向素子１０と異なる点を中心に、図１１を用いて説明する。
【０１２８】
図１１は、本発明の実施の形態２に係る光偏向素子の要部断面図であり、実施の形態１の光偏向素子１０の断面を示す図２に相当する。実施の形態２の光偏向素子２３が実施の形態１の光偏向素子１０と異なる点は、光導波膜１４と第１の電極対１２との間及び光導波膜１４と第２の電極対１３との間に、クラッド層２４が設けられている点である。
【０１２９】
具体的には、光導波膜１４の下面に下側のクラッド層２４が配置され、下側のクラッド層２４と基板１１との間に第１の下部電極１２ａ及び第２の下部電極１３ａが配置され、また、光導波膜１４の上面に上側のクラッド層２４が配置され、上側のクラッド層２４の上に第１の上部電極１２ｂ及び第２の上部電極１３ｂが配置されている。
【０１３０】
第１の電極対１２及び第２の電極対１３の材料としては、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｔａ、Ｗ、Ｐｔ、Ａｕ等の各種金属又はこれらの合金などの金属で形成することができるが、特に、光導波膜１４の上に金属からなる電極が設けられた際、光導波膜１４中の光の振動数が金属のプラズマ振動数を越えると、光伝搬に伴い、金属電極中へ染みだした成分が金属電極中のキャリアによって強く吸収され、伝搬損失となる。
【０１３１】
したがって、第１の電極対１２及び第２の電極対１３の材料としては、ＩＴＯやＡｌドープＺｎＯ等の透明酸化物を用いることが望ましいが、それでも、光導波膜１４を伝搬する光ビームの電磁界分布の電極への染みだしが起こる。実用的な抵抗率を有する電極の吸収係数は大きい場合が多く、染みだし成分が電極中のフリー・キャリアによって強く吸収される。この結果、光導波膜１４中の伝搬損失は、光導波膜１４自体の散乱による損失に加えて、電極の吸収によっても発生し、光利用効率が低下する場合がある。
【０１３２】
そこで、光導波膜１４と、光導波膜１４の両面（上面及び下面）の金属電極対（第１の電極対１２及び第２の電極対１３）との間にクラッド層２４を挿入することにより、金属電極への電磁界の染みだしを防ぎ、伝搬光の吸収を回避することができる。その結果、光導波膜１４中の伝搬損失を抑制し、光利用効率を高めることができる。
【０１３３】
ここで、クラッド層２４の材料としては、光導波膜１４を形成する電気光学材料よりも小さい屈折率を有し、基板１１の材料と、第１の下部電極１２ａ及び第２の下部電極１３ａを構成する材料とに対して、クラッド層２４をエピタキシャルな薄膜として形成することが可能な材料を用いることができる。このエピタキシャルな関係を保持できる条件としては、クラッド層２４を形成する材料の結晶構造が、基板１１の材料、第１の下部電極１２ａ及び第２の下部電極１３ａを構成する材料、及び光導波膜１４を構成する電気光学材料の結晶構造に類似し、これらの格子常数の差が１０％以下であることが望ましいが、必ずしもこの関係に従わなくとも、基板１１、第１の下部電極１２ａ及び第２の下部電極１３ａの上にクラッド層２４をエピタキシャル成長させることにより、エピタキシャルな関係を保持できればよい。
【０１３４】
具体的には、クラッド層２４の材料としては、ＡＢＯ３型のペロブスカイト型酸化物では、正方晶、斜方晶又は擬立方晶系として、例えば、ＳｒＴｉＯ３、ＢａＴｉＯ３、ＰｂＴｉＯ３、ＫＮｂＯ３、ＫＴａＯ３等、六方晶系として、例えば、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３等に代表される強誘電体から選ばれる材料を用いることができる。
【０１３５】
また、光導波膜１４の膜厚ｄに対するクラッド層２４の膜厚ｃの比（ｃ／ｄ）は、０．１以上であることが好ましく、０．５以上であることがより好ましく、かつクラッド層２４の膜厚ｃが１０ｎｍ以上であることが好ましい。この場合、光導波膜１４中の伝搬損失を抑制し、光利用効率を高めることができる。
【産業上の利用可能性】
【０１３６】
本発明の光偏向素子及び光偏向装置によれば、１つの基板を用いて小型の光偏向素子を実現できるとともに、低駆動電圧で高速に光ビームを２次元偏向することが可能となり、レーザプリンタ、プロジェクタ、レーザ走査顕微鏡、光コヒーレンストモグラフィーを用いた光診断装置、光通信用スイッチ素子等を含む光学デバイス全般に亘って適用することができる。
【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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【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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【国際調査報告】
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