(57)【要約】【課題】本発明の目的は高速のランダムアクセスが可能であるとともに、駆動電圧の低い、高分解能の光偏向素子を提供することである。【解決手段】領域Ａと領域Ｂの自発分極の方向は互いに直角となっており、互いのなす角度の半分４５度方向に境界面を形成している。入射面２２、出射面２３は光学研磨が施されており、分極界面５をはさむように対抗したＩＴＯなどの透明電極２０が装着されている。波長０．５３２μｍのグリーンレーサ゛光を入射光として使用し偏光方向は結晶の異常光となるようＰ偏光（紙面内方向）を入射面２２に垂直方向（θ１＝９０度）光軸１０から入射させる。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
強誘電体基板中に分極方向が互いに９０度となる２つの分極領域を画する分極界面が形成され、前記分極界面と垂直な２つの主面の一部に設けられた対向する電極とを備え、強誘電体基板に入射した光ビームが前記分極界面を通過するように構成され、前記電極間に電圧を印加することにより光ビームの伝播方向を変化させることを特徴とした光偏向素子。
【請求項２】
強誘電体基板中に分極方向が互いに９０度となる直列に並んだ複数の分極領域を画する分極界面が複数個形成され、前記分極界面と垂直な２つの主面の一部に設けられた電極とからなり、強誘電体基板に入射した光ビームが前記分極界面を複数回通過するように構成され、前記電極間に電圧を印加することにより光ビームの伝播方向を変化させることを特徴とした光偏向素子。
【請求項３】
強誘電体基板の対称性が正方晶もしくは斜方晶であることを特徴とする請求項１または２に記載の光偏向素子。
【請求項４】
強誘電体基板としてＫＮｂＯ３またはＫＴｉＯＰＯ４を使用したことを特徴とする請求項３に記載の光偏向素子。
【請求項５】
強誘電体基板としてＫＮｂＯ３を用い、電気光学効果のテンソル成分としてｒ４２もしくはｒ１５を使用したことを特徴とする請求項４に記載の光偏向素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電気光学素子に関し、例えば光偏向素子等の電気光学効果を利用した素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電気光学効果を利用した素子としては光偏向器または光偏向器がある。光偏向器については、光ビームを電子的に偏向する手段として、これまではガルバノメータ型、回転多面反射鏡形、回転ホログラム形がよく使われている。これらの偏向器はいずれも電気機械的な偏向手段からなるため高分解能であってかなりの高速の連続操作が可能であるが短時間のランダムアクセスには適していない。
他の高速の偏向器としては、音響回折光学格子によるブラッグ回折を利用するものがある。これはマイクロ秒程度のアクセス時間を持っているが、偏向角が小さく、操作可能なスポット数（分解能）に難点がある。また出力ビームも複数本にわかれてしまう。
【０００３】
ある屈折率を持った媒質から屈折率が異なった媒質に入射した光ビームは、両媒質間での屈折によって進路が曲がるがこのとき電気光学効果を持った媒質であれば電気信号に応じた媒質の屈折率の変化により屈折角度が変化し、その結果電気信号によって光ビームの進路を曲げることができる。
【０００４】
電気光学効果を使用した従来構造の光偏向器を図８に示す。
基板１の結晶中に断面三角状の１８０度分極反転領域を形成する。ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）もしくはリチウムタンタレート（ＬｉＴａＯ３）のｒ３３（ｚ方向に電界を印可した時のｚ方向の屈折率変化）を利用する。ここで電界Ｅをｚ方向に加えた場合の屈折率変化は
Δｎｅ≡（１／２）　ｒ３３・Ｅ・ｎｅ３　　　　　　　　　　　　　　（１）
屈折率ｎ１の媒質Ｅから屈折率ｎ２の媒質Ｆへの出射角度がθ１で入射した光ビームの媒質Ｅから媒質Ｆへの出射角度がθ２であったとするとその関係はスネルの法則より
Ｓｉｎθ１／Ｓｉｎθ２＝ｎ２／ｎ１　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（２）
式（２）から図中の紙面に垂直方向に電界を印加して、媒質Ｅの屈折率がｎｅ＋Δｎｅに媒質Ｆは１８０°自発分極の方向が異なるためｎｅ―Δｎｅになる。
媒質Ｅから媒質Ｆへの入射各θ１に対する偏向角Δθｓは
Δθｓ＝Ｓｉｎ−１（（ｎｅ―Δｎｅ）／　（ｎｅ＋Δｎｅ）・Ｘ・Ｓｉｎθ１）−θ１　　　　　（３）
一方媒質Ｆから媒質Ｅへの入射各角度θに対する偏向角Δθｄは
Δθｄ＝Ｓｉｎ−１（（ｎｅ＋Δｎｅ）／　（ｎｅ―Δｎｅ）・Ｘ・Ｓｉｎθ１）−θ１　　　　（４）
Ｅ＝１ＫＶ／ｍｍを素子に印加した時の屈折率変動Δｎｅ＝０．０００１６となる。入射角度４５とすると媒質Ｅ−媒質Ｆ−媒質Ｅと界面を２回通過する事による偏向角は約０．０２度となる。
【０００５】
これらのｒ３３の定数は３０ｐｍＶ程度であるため高い電界が必要で駆動するには数ｋＶから数十ｋＶの高電圧電源が必要であった。
また電気光学効果を利用した偏向器は数ナノ秒の高速で動作するが分解能は一層低下する。また電気光学効果は一般に小さく大きな駆動電圧を必要とすることが問題となっている。上記したように、従来の光偏向器については電気機械的な偏向器、音響光学効果を利用した偏向器、電気光学効果を利用した偏向器はそれぞれに長所短所を持つが高速度で動作電圧が低い光偏向器は現状では存在しない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は高速のランダムアクセスが可能であるとともに、駆動電圧の低い、高分解能の光偏向素子を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、強誘電体基板中に分極方向が互いに９０度となる２つの分極領域を画する分極界面が形成され、前記分極界面と垂直な２つの主面の一部に設けられた対向する電極とを備え、強誘電体基板に入射した光ビームが前記分極界面を通過するように構成され、前記電極間に電圧を印加することにより光ビームの伝播方向を変化させることを特徴とした光偏向素子である。
【０００８】
また本発明は、強誘電体基板中に分極方向が互いに９０度となる直列に並んだ複数の分極領域を画する分極界面が複数個形成され、前記分極界面と垂直な２つの主面の一部に設けられた電極とからなり、強誘電体基板に入射した光ビームが前記分極界面を複数回通過するように構成され、前記電極間に電圧を印加することにより光ビームの伝播方向を変化させることを特徴とした光偏向素子である。
【０００９】
強誘電体基板中に９０度分極領域を形成することにより、光が界面を通過する際に大きく屈折することがわかった。
大きな電気光学定数を有するｒ５１を利用し電圧を印加することにより屈折率楕円体を回転させそれにより界面での屈折角度を変化させ光の透過する角度を電気的に制御することができるようになった。
【００１０】
本発明において強誘電体基板の対称性が斜方晶もしくは正方晶であることが好ましい。斜方晶もしくは正方晶においては結晶の対称性から９０度分極を取りやすいからである。なかでも強誘電体基板としてＫＮｂＯ３またはＫＴｉＯＰＯ４が、室温で９０度分極が安定に存在しうるので好ましい。
【００１１】
また強誘電体基板としてＫＮｂＯ３を用い、電気光学効果のテンソル成分としてｒ４２もしくはｒ１５を使用することが好ましい。これらの定数が大きな電気光学効果を持つため低電圧で駆動することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
斜方晶系に属するネオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ３）を例にとり説明する。ＫＮｂＯ３の室温における点群はｍｍ２で、格子定数はａ＝５．６８８、ｂ＝３．９７１、ｃ＝５．７１４、波長６３３ｎｍでの主屈折率ｎａ＝２．２８０１、ｎｂ＝２．３２９６、ｎｃ＝２．１６８７である。電気光学定数はｒ３３＝６０ｐｍ／Ｖ、ｒ５１＝１０５ｐｍ／Ｖである。通常使用されているニオブ酸リチウムＬｉＮｂＯ３の電気光学定数はｒ３３＝３０．８ｐｍ／Ｖに比べて一桁以上も高い定数を有している。ｒ５１はａ軸方向に電界を加えた場合ａ、ｃ面内の偏光の屈折率楕円体が回転することを意味している。ｒ５１を利用するにはａ軸方向に電界を加える必要がある。
【００１３】
本発明者らは強誘電体材料に９０度分極構造を作製できることを見出した。次にこのような９０度ドメインの形成法について説明する。例としてＫＮｂＯ３結晶を図６（ａ）のようにａ−ｃ４５度方向が主面となるように矩形体に切り出し、入射面４０，４１を光学研磨する。次に図６（ａ）に示すように主面上に長手方向がｂ軸方向となる周期的な電極３０，３１を金属蒸着等の手段で装着する。電極３０と電極３１に分極が倒れる方向に電界を加えると、図６（ｂ）のように電極下部分の自発分極方向がｂ軸を回転中心として９０度回転を生じる。このため互いに直交した分極方向となる分極域を作製することが出来る。図６中では分極軸方向を矢印で、屈折率楕円体を楕円で示している。このようにして互いの極性軸が１８０度以外の例えば９０度になるように分域制御した結晶素子を作製することができる。
【００１４】
このようにして作製した９０度分極界面を光を通過させる最、ａ軸方向の電界が加わることにより屈折角度が変化することを見出した。これを、図２をもとに説明する。
電界を印加していないときのＫＮｂＯ３結晶の領域Ａ，領域Ｂでの屈折率楕円体をそれぞれ実線の楕円で示している。長軸、短軸はそれぞれａ軸、ｃ軸方向に相当する。
ＫＮｂＯ３結晶のａ軸方向に電界が加わるように外部から電界を加えると、屈折率楕円体がａ−ｃ面内で回転する。この回転した楕円体を点線の楕円で示している。この回転角度をΔθとするとΔθは次の式から計算される。
【００１５】
【式】
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【００１６】
ここでＥ０は外部印加電界、Ｅａはａ軸方向の電界成分である。
【００１７】
Ｘ０軸方向の外部電界をＥ０＝２００Ｖ／ｍｍとすると、対外に９０度の分極を有する分極領域Ａの屈折率楕円体が時計方向にΔθ＝０．０４°回転した場合、領域Ｂの屈折率楕円体も時計方向にΔθ＝０．０４°回転する。なぜならばａ軸方向の電界成分はいずれの領域でも同一符合となるため回転方向も一致し、相対的な角度は９０度のままである。
【００１８】
屈折率楕円体の主軸方向が０．０４°回転した場合の屈折角θ２の入射角度θ１依存性を図３に示した。図３では屈折角度θ２はθ１との差θ２−θ１で示している。図中のαは電界が０の場合、β、γはＸ０軸方向の外部電界としてＥ０＝２００Ｖ／ｍｍ，Ｅ０＝−２００Ｖ／ｍｍ印加した場合である。入射角度θ１＝９０度の場合つまり分極界面と平行になるように入射した場合が最も大きな偏光角度差（約０．１度）を生じることがわかった。
【００１９】
このように９０度分極界面にａ軸方向に電界を印加することにより従来よりも電電解で屈折角度を制御することが可能出ることが明らかになった。また印加電圧を高速に交流的に印加することにより出射ヒ゛ームの方向を高速スキャンすることができる。
【００２０】
図１に１つの９０度分極界面を通過させる光偏向器の実施形態を示す。領域Ａと領域Ｂの自発分極の方向は互いに直角となっており、互いのなす角度の半分４５度方向に境界面を形成している。入射面２２、出射面２３は光学研磨が施されており、分極界面５をはさむように対抗したＩＴＯなどの透明電極２０が装着されている。結晶の厚み（電極間距離）は約１ｍｍである。波長０．５３２μｍのグリーンレーサ゛光を入射光として使用し図１に示すように偏光方向は結晶の異常光となるようＰ偏光（紙面内方向）を入射面２２に垂直方向（θ１＝９０度）光軸１０から入射させる。この際、異常光成分のビームウオークオフの角度ρは２．８６°である。異常光成分のポインテイングベクトルは波数べクトル方向に対して２．８６°ずれて伝播するため、９０°分極回転領域のドメイン壁５に突入する。この際全反射は起こらず全透過を生じる。屈折角度θ２は８４°となって屈折し結晶出力面２３から角度θｏｕｔ＝１４°で光軸１２に沿って右方向に出射される。１対のつの透明電極２０が分極界面と垂直の種面２２，２３上に形成され、この電極対２０の間に電界を印加した場合屈折角度θ２が変化するため、出射面２３からの出射角度θｏｕｔはΔθ変化させることができる。図１の配置での出射角度の変化量Δθの電界強度依存性を図７に示した。２００Ｖ／ｍｍの電界強度で約０．１°出射角度を変化させることができる。
【００２１】
さらに偏向角度を増すために複数個の９０度分極界面を通過させた実施形態を図４に示した。領域Ａ，領域Ｃと領域Ｂ，領域Ｄの分極方向は互いに９０度となっている。入射面２２、出射面２３の一部には対向する金属電極２５が装着されている。金属電極はアルミ、や金などを蒸着して使用する。分極界面を通過した光は入出力端面２２，２３の金属電極２５により全反射され進行方向が折り返され、ジグザク状に伝搬させることにより複数回界面を通過させ変異角を増加させることが可能となる。入射部、出射部は金属電極がない構成になっている。
【００２２】
左または右方向に進行時に偶数回界面を通過すると電圧印加による変化量Δθが打ち消され変化量がゼロとなってしまうため、右進行時に１回、左進行じにも界面を通過する回数が１回となるようにすることが重要である。図４のように分極界面５，６，７を３回通過することにより偏向角度を増加させることが可能となった。
【００２３】
図４の構成での偏向角度Δθの印加電界依存性を図５に示した。偏向角度は２００Ｖ／ｍｍで約０．２°となり、界面１回通過時の場合と比較して約２倍の偏向角が得られることがわかった。さらに印加電圧の低減化、偏向角度の増大するためにはこうした素子を進行方向の複数個直列に配置することにより達成することができることはいうまでもない。
電界を高速に交流を印加することにより出射方向を高速にスキャンすることができる光偏向器を作成することができる。
【００２４】
以上のように本発明によれば従来より簡単な構成でより低電圧で駆動できるため、光プローブ、光印刷、などの光偏向器として利用することが可能である。
【００２５】
以上の説明は主にＫＮｂＯ３結晶を例に説明したが、２軸性結晶で斜方晶結晶であるＫＴｉＯＰＯ４、ＫＬｉＮｂＯ３，ＴｉＢａＯ３，ＲｂＴｉＯＰＯ４などにも適用できることは言うまでもない。また単結晶材料に限定して説明したが、基板上にエピタキシャル成長した材料でも適応できることも言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１実施例を示す図
【図２】２つの領域での屈折率楕円体を説明する図
【図３】入射角と透過角の関係を示す図
【図４】本発明の１実施例を示す図
【図５】図４の構造で印加電界と出射角を示す図
【図６】ａ−ｃ４５度方向を主面として切り出した結晶の分極の様子を示す図
【図７】図１の構造で印加電界と出射角を示す図
【図８】従来の光偏向器を示す図
【符号の説明】
Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ：領域
５，６，７：分極界面
１０：光軸　　　　　　　１２：光軸
２０、２５：電極、　　　２２：入射面、　　　　２３：出射面
３０，３１：電極、　　　４０，４１：入射面
【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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