(57)【要約】【課題】光導波路を片持ち梁構造とし、低エネルギー駆動可能な光ビームスキャナである。【解決手段】光ビームスキャナは、片持ち梁構造の光導波路101と片持ち梁構造の光導波路101を駆動する駆動手段102によって構成される。片持ち梁構造の光導波路101が駆動手段102で駆動されて、片持ち梁構造の光導波路101の端部から出射される光ビームが走査される。片持ち梁構造の光導波路101の端部105には、フォトニック結晶によって構成されたコリメータ104が設けられ得る。【選択図】  図１
2005031456.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ビームを走査する光走査部が片持ち梁構造の光導波路と該片持ち梁構造の光導波路を駆動する駆動手段によって構成され、該駆動手段で該片持ち梁構造の光導波路が駆動されることで該片持ち梁構造の光導波路の端部から出射される光ビームが走査されることを特徴とする光ビームスキャナ。
【請求項２】
前記片持ち梁構造の光導波路の端部にはフォトニック結晶が設けられ、これによって構成されたコリメータを通して該片持ち梁構造の光導波路の端部から出射される光ビームは平行光線に変換される請求項１記載の光ビームスキャナ。
【請求項３】
前記片持ち梁構造の光導波路は光ファイバーによって構成されている請求項１または２記載の光ビームスキャナ。
【請求項４】
前記片持ち梁構造の光導波路は２次元のフォトニック結晶によって構成されたスラブ導波路である請求項１または２記載の光ビームスキャナ。
【請求項５】
前記駆動手段は圧電素子で構成された圧電アクチュエータである請求項１乃至４のいずれかに記載の光ビームスキャナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光源からの光ビームを光ファイバーなどから成る可動な片持ち梁構造の光導波路を通して伝送して光ビームを走査する光ビームスキャナに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年の半導体加工技術の進歩によって、ディスプレイなどに応用されるマイクロミラータイプのレーザスキャナが実現されてきている。その駆動方法は、ガルバノミラーのように磁界中に置いたコイルに電流を流すことによって生じる電磁力によるもの（特許文献１参照）、静電力を利用するもの（特許文献２参照）、圧電素子のようなアクチュエータ素子を用いるもの等様々である。
【０００３】
また、一方、フォトニック結晶は、光の波があたかも“固体中の電子の波（ド・ブロイ波）”の様に振る舞う光学的結晶体であり、屈折率の異なる物質が周期的に並ぶことによって形成されており、通常の光素子に発生する光学現象と全く異なる現象を示す。この分野は、新しい光学素子などへの応用が期待されており、近年盛んに研究・開発が進んでいる。
【特許文献１】特開平6-82711号公報
【特許文献２】特許2924200号公報。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述の従来型光走査の方法は、レーザ光の走査を、例えば、トーションバーを用いたねじれ機構を利用して行なうものである。静電力による光走査についても、ガルバノミラーによる光走査についても、ねじれによる共振を利用して行なう場合が多い。しかしながら、これらの場合には、駆動のためのエネルギーが非常に多く必要であることが問題である。例えば、ガルバノミラーを用いる場合には、数ｍｍ□程度のミラーでも駆動のための電流として１ｍＡ〜数ｍＡの大きさが必要であり、パワーについても数ｍＷ以上の電力が必要となる。
【０００５】
また、ミラーによる光走査系においては、光源であるレーザとミラーとの位置関係を製造時点で正確に設定する必要があり、したがって構造上の柔軟性が低く、例えば、携帯用の小型のスキャナ等を考えた場合には構成が困難である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の光ビームスキャナは、光ビームを走査する光走査部が片持ち梁構造の光導波路と該片持ち梁構造の光導波路を駆動する駆動手段によって構成され、該駆動手段で該片持ち梁構造の光導波路が駆動されることで該片持ち梁構造の光導波路の端部から出射される光ビームが走査されることを特徴とする。この基本構成に基づいて、以下のごとき態様が可能である。前記片持ち梁構造の光導波路の端部にはフォトニック結晶が設けられ、これによって構成されたコリメータを通して該片持ち梁構造の光導波路の端部から出射される光ビームは平行光線に変換される構成を採り得る。前記片持ち梁構造の光導波路は、光ファイバーによって構成されたり、２次元のフォトニック結晶によって構成されたスラブ導波路であったりする。前記駆動手段は圧電素子で構成された圧電アクチュエータであり得る。本発明の光ビームスキャナでは、典型的には、光ビームを一定方向に繰り返し走査を行なう走査駆動の為に、片持ち梁構造の光導波路に振動を与えて、該片持ち梁構造の光導波路を一定周波数で振動させ、フォトニック結晶の特性を用いて片持ち梁構造の先端である光導波路端面からの出力光を平行光に変換する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明では、光導波路を片持ち梁構造とし、それ自体を共振周波数に於いて振動させる駆動態様などが可能であり、ガルバノミラーや静電駆動などのミラーによる走査に比べて、低エネルギー駆動可能な光走査機構を実現できる。また、フォトニック結晶のコリメーション効果によって光導波路端面からの光放出をコリメートしてビームとして取り出す構成にもできる。さらに、光導波路を用いることができるので、レーザなどの光源と走査機構の位置関係を柔軟に設定できることから、アプリケーション設計の自由度が大幅に上昇する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明の好適な実施の形態について、図を用いて説明する。
図１に示した実施の形態は、片持ち梁形状の光導波路として光ファイバー101を用いている。ここでは、光ファイバー101の先端部からLのところに、支持部103とそれに接して配置してある圧電アクチュエータ102がある。圧電アクチュエータ102(a)、102(b)は支持部103を挟むように平行に配置されている。アクチュエータ102は、或る駆動電圧信号によってファイバー伸張方向に形状が伸縮する様な特徴を持つ。例えば、アクチュエータ102(a)が伸び、アクチュエータ102(b)が縮んだ場合、ファイバー先端は右方向に偏倚され、逆の場合は左方向に偏倚される。また、支持部103から光ファイバー101の先端部までの距離Lの値によってファイバーの共振条件が決まるが、１次の共振モードによってこのファイバー先端部が振動する場合、その振動周波数に同期させてアクチュエータ102を駆動させることによって、非常に微小な駆動エネルギーによってファイバー先端部は安定な振動を起こす。これは、一般的に片持ち梁構造の１次のモードに於けるＱ値が大きいことから起こる。
【０００９】
次に、このスキャナの先端部分の特徴について示す。ファイバー中の光がファイバー端面から空気中へ放出される際、一般的には端面に於いて光は散乱されてしまい、そのままをビームとして取り出すことは困難である。ビームとして構成する方法としては、レンズによる集光か、コリメータによって平行光にすることが必要である。しかしながら、例えば、従来のコリメータはレンズなどの光学デバイスを組み合わせて構成するために非常に大きなものであり、本実施形態の構成のようにファイバー先端などの可動部分に設けて一体として振動させることは困難である。
【００１０】
そこで、本発明の一実施形態では、必要なコリメーション機能をフォトニック結晶104によって実現する。フォトニック結晶は、例えば、誘電率の高い微小構造を誘電率の低い背景媒質中に光の波長程度の間隔で周期的に配列したものである。こうした構造を持つフォトニック結晶の特性は、丁度、固体物理に於ける結晶構造中の電子の振る舞いと類似した性質を示す。すなわち、電子に於ける禁制帯（バンドギャップ）の様な構造を作ることが可能となる。例えば、図６に示したものはダイヤモンド構造のフォトニックバンドを示した一例である。フォトニックバンドギャップが格子模様部分に生じている。横軸は波数で３次元的な方向（Γ、Ｘ、Ｗ、Ｋ、Ｕ、Ｌ）により分けられており、縦軸は格子間隔で規格化された光の周波数である。この図は、規格化周波数にして０．４弱から０．４５弱の付近の周波数に全方向にわたってフォトニックバンドギャップが生じていることを示している。これは、すなわち、この領域のエネルギーの光はどの方向についてもフォトニック結晶中を伝搬することが無いことを意味する。
【００１１】
また、このフォトニックバンドは、フォトニックバンドギャップだけでなく、様々な光学的に特異な性質を持つことがある。例えば、図５に示した図は、或るフォトニックバンド構造から分散面と呼ばれる波数空間でのバンドの等エネルギー面を表わす手法の一つである。図５（ａ）の太線で示したものがフォトニック結晶中の分散面である。６角形の外形は、或る規格化周波数における真空中のＴＭ波の分散面の値である。結晶中の光はこの分散面の法線方向に進む。ここで、図５（ｃ）に示すように結晶への入射角度がＡからＢに変化した場合を考える。これによって、波数空間上においてはΔｋ（図５（ｂ））の変化が起こる。このΔｋの変化が、結晶中の光の進行方向を殆ど変えないような分散面の箇所にある場合（すなわち、Δｋの変化によっても分散面の法線方向が殆ど変わらない場合）には、Ａから入射した光もＢから入射した光も同一方向Ｃに伝搬する。これによってコリメート光が生成されることになる（日本物理学会誌 Vol.55,No3,Page 172,2000参照）。こうした特性を本実施形態では利用する。
【００１２】
これらの機能は、数層のフォトニック結晶層によって実現することができるので、フォトニック結晶層を非常に小さく軽量の光学部材として用いることができる。
【００１３】
本実施形態では、フォトニック結晶のコリメーションの性質を用いて導波路を通った光をビームとして空間に放出する。例えば、光ファイバーのコア中では、伝播光は大きな角度分布は持っていないため、ファイバーの端面105に、図５に沿って説明したように伝播光の波長、偏光状態、入射角などに合わせて誘電率の繰り返し単位などを適切に設計したフォトニック結晶104を接触して配置することによって、出力光をコリメートしてビームとして取り出すことが可能となる。
【００１４】
以上に示したような光ビームスキャナを用いてスキャン動作を行なうためのシステム構成の概略を図２に示す。201が本実施形態のスキャナである。スキャナ201では、ドライバ203により、コントローラ204の制御の下に、例えば、図１の支持体103をアクチュエータ102により振動させる。これによりスキャナ201は走査動作を行なうことになる。一方、導波路を通る光信号はレーザ202等の光源により生成される。これら光信号もコントローラ204の制御の下に出力される。ディスプレイなどのアプリケーションを考えると、ビームとしては３色が望ましいが、その場合、光信号は３種となり、スキャナ201も内部の走査ユニットとして３つの機構が必要になる。また、全ての動作を制御するコントローラ204は、外部からの映像信号等のデータにより制御信号を生成している。
【００１５】
（第１の実施例）
更に具体的な実施例を以下に説明する。
本発明の第１の実施例について図１を用いて説明する。図１に示すものが本実施例で用いる走査機構である。ファイバー101はマルチモードの光ファイバーであり、直径が４００μｍ（心線径１２５μｍ）、コア径が５０μｍである。光信号としては波長６３５ｎｍの光を用いた。長さＬとしては１ｍｍに設定し、エポキシ樹脂によって支持部103を形成し、これに単層の圧電アクチュエータ102(a)、102(b)を挟み込むように固定した。
【００１６】
先端のコリメータであるフォトニック結晶104は、別に作製した後、ファイバー101の先端面105への接着によって構成した。フォトニック結晶の作製方法は、現在各所からいろいろ報告されているが、数種の作製方法が可能である。半導体素子作製技術を用いたものに関しては２種類あり、一つは自己クローニング法、もう一つはウッドパイル法である。どちらも半導体プロセスによるものであり、前者は、バイアススパッタリングによる方法で成膜とエッチングを同時に行なう方法である。後者は、プロセスにより個別に作られたロッドを並びの方向を変えながら積層していくことによって作る方法である。前者はElectron.Lett.,34,1260(1997)、後者はNature,394,251(1998)に詳しい。
【００１７】
また、光造形による方法も実施されている。光硬化樹脂のように光を照射することによって硬化する材料を用いて作製する方法である。干渉の露光による形成や２光子吸収などを用いて微小構造を周期的に作製できる（Appl.Phys.Lett.,74,786(1999参照)参照）
【００１８】
本実施例では、設計とシミュレーションによって、使用する光信号の波長、偏光状態、入射角などに合わせてデザインしたフォトニック結晶の格子構造104を光造形法によって作製した。作製されたフォトニック結晶構造を持つ樹脂は、所定の入射角、出射角が得られるようにカットし（典型的には、図１に示す様な半球形状である）、予めカットされて端面を平滑に磨いたファイバー101の端面105に接着する。
【００１９】
上記のファイバー101の振動部分の共振周波数は１５ｋＨｚであったため、駆動信号を共振周波数に合わせた周波数で印加し、ファイバー101内に光信号を通したところ、或る方向にコリメートされた走査光Sが出力された。この際、アクチュエータ102の稼働に使用した電力は０．１ｍＷ以下であり、熱などの発生も無かった。
【００２０】
なお、本実施例ではアクチュエータとして圧電素子102を用いたが、ファイバー101の片持ち梁構造に振動を加えられれば良いため、ボイスコイルモータや一般的な電磁モータ、また周波数によっては水晶振動子など、振動を与えられるアクチュエータであれば本発明に適用できる。すなわち、加振機構に更に低エネルギーのものを応用することによって、更に低エネルギーのスキャナが実現可能となる。また、アクチュエータである圧電素子を４面に設けて、これらを適当に駆動すれば、光を２次元的に走査することもできる。
【００２１】
（第２の実施例）
本発明の第２の実施例を説明する。図３および図４に示したものが本実施例のスキャナの構成である。
【００２２】
図３に示す片持ち梁301は光導波路によって構成されている。この梁301には、アクチュエータである圧電振動板302によって支持部303を通して振動が与えられ、先端を上下するような１次のモードで振動する。
【００２３】
梁301の先端部分を拡大して構造を示したものが図４である。梁301はスラブ導波路を形成している。（ａ）に示すとおり、梁301は層状構造をしており、層401はSi、層402はSiO2によって構成されている。伝播光は層401によって上下方向に閉じこめられる構成である。（ｂ）は梁301を上から見たところで、導波路層402に２次元のフォトニック結晶構造を用いて左右方向に光を閉じこめている。２次元のフォトニック結晶は、ロッド状で屈折率の異なる構造を周期的に配置して作製されている。本実施例の場合には、SiO2層402にロッド状の穴を空けることにより構成した。２次元のフォトニック結晶も、図６に沿って説明したようにバンド構造としてフォトニックバンドギャップを持つように設計することが可能であり、本実施例においては、SiO2層402の中央部に形成された周期的構造になっていない部分に使用光を閉じ込めるために用いている。
【００２４】
梁301の先端部には本実施例の特徴的な部分であるフォトニック結晶を用いたコリメータ403が取り付けられている。この部分は３次元のフォトニック結晶によって構成されている。この設計、製作方法は第１の実施例と同様に行なった。
【００２５】
本実施例において、梁301の先端部の長さlとして３ｍｍ、梁301の厚さdとして０．１ｍｍ、梁301の幅wとして０．４ｍｍで作製したところ、共振周波数として１５ｋＨｚを得た。ドライバにより圧電振動板302を共振周波数にて振動させ、導波路に所定の波長の光を導入したところ、梁301の先端から或る方向（Ｔ）にコリメートされた走査光が出力された。この際、アクチュエータの稼働に使用した電力は５０μＷ以下であり、熱などの発生も無かった。
【００２６】
なお、本実施例でもアクチュエータとして、圧電素子以外のものを用いることができる。以上に説明したように、本発明により、コリメーションを行なって信号光を射出して画像を表示する等のための低エネルギー駆動可能な光ビームスキャナを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の第１の実施例によるファイバー型スキャナの構成図である。
【図２】本発明のスキャナをディスプレイ等に応用する際のシステム構成の概略図である。
【図３】本発明の第２の実施例によるカンチレバー型導波路スキャナの構成図である。
【図４】図３のカンチレバー先端部の構造を表わす図である。
【図５】フォトニック結晶によるコリメート現象を説明する図である。
【図６】或る結晶構造におけるフォトニックバンド構造を表わす図である。
【符号の説明】
【００２８】
101    光ファイバー
102    圧電素子アクチュエータ
103、303    支持部
104、403    フォトニック結晶（コリメータ）
105    光ファイバーの端面
201      スキャナ
202      レーザ
203      ドライバ
204      コントローラ
301      片持ち梁
302      圧電振動板
401    Si層
402    SiO2層（２次元フォトニック結晶層）
【図１】
2005031456.tif 000003
【図２】
2005031456.tif 000004
【図３】
2005031456.tif 000005
【図４】
2005031456.tif 000006
【図５】
2005031456.tif 000007
【図６】
2005031456.tif 000008