(57)【要約】【課題】本発明は、直方体に加工した電気光学結晶の光入射面と平行な面内で誘電率が不均一であると、本来偏向したい方向に垂直な方向への光偏向が生じたり、２次の電気光学効果を使用する場合には、正と負の電圧での偏向角に違いが出る、ということが起こり、動作が不安定になってしまう、という問題を解決し、光偏向器を安定に動作させる方法を提供することにある。【解決手段】上記課題を解決するために、電気光学結晶への電圧印加に伴い、結晶中に屈折率分布を誘起することにより光偏向を行う光偏向器において、直方体に加工された電気光学結晶の、少なくとも光入射面と平行な面内では、誘電率が均一であることを特徴とする。【選択図】図１
2012108377.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気光学結晶への電圧印加に伴い、結晶中に屈折率分布を誘起することにより光偏向を行う光偏向器において、
直方体に加工された電気光学結晶の、少なくとも光入射面と平行な面内では、誘電率が均一であることを特徴とする光偏向器。
【請求項２】
請求項１に記載の光偏向器において、
電圧印加に伴い結晶中へ電子を注入し、空間電荷制御状態とすることにより、屈折率分布を誘起することを特徴とする光偏向器。
【請求項３】
請求項１に記載の光偏向器において、
予め結晶中のトラップへ捕獲された電子により電圧印加時の電界の傾斜を発生させ、屈折率分布を誘起することを特徴とする光偏向器。
【請求項４】
請求項１乃至３に記載の光偏向器において、
使用する電気光学結晶をＴＳＳＧ法により作製することを特徴とする光偏向器。
【請求項５】
請求項４に記載の光偏向器において、
使用する電気光学結晶がＫ1-yＬｉyＴａ1-xＮｂxＯ3（０＜ｘ＜１、０≦ｙ＜１）であることを特徴とする光偏向器。
【請求項６】
請求項５に記載の光偏向器において、
結晶の成長方向に平行に光を入射することにより、光入射面と平行な面内で誘電率が均一であるような状態を実現することを特徴とする光偏向器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気光学結晶内部の屈折率分布の変化を使用した光偏向器に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気光学結晶への電圧印加に伴い、結晶中に屈折率分布を誘起することにより光偏向を行う光偏向器（特許文献１）は、ガルバノミラーやポリゴンミラー、ＭＥＭＳミラー等と異なり可動部を有さないため、高速の光偏向が可能となる。
【０００３】
また、Ｋ1-yＬｉyＴａ1-xＮｂxＯ3電気光学結晶では、結晶成長時にＴａとＮｂの割合が変化し、その結果、場所によって誘電率が異なり、誘電率が一様とならないことが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２００６／１３７４０８号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
その結果、直方体に加工した電気光学結晶の光入射面と平行な面内で誘電率が不均一であると、本来偏向したい方向に垂直な方向への光偏向が生じたり、２次の電気光学効果を使用する場合には、正と負の電圧での偏向角に違いが出る、ということが起こり、動作が不安定になってしまう、という問題があった。
【０００６】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、光偏向器を安定に動作させる方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、電気光学結晶への電圧印加に伴い、結晶中に屈折率分布を誘起することにより光偏向を行う光偏向器において、直方体に加工された電気光学結晶の、少なくとも光入射面と平行な面内では、誘電率が均一であることを特徴とする。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の光偏向器において、電圧印加に伴い結晶中へ電子を注入し、空間電荷制御状態とすることにより、屈折率分布を誘起することを特徴とする。
【０００９】
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の光偏向器において、予め結晶中のトラップへ捕獲された電子により電圧印加時の電界の傾斜を発生させ、屈折率分布を誘起することを特徴とする。
【００１０】
請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３に記載の光偏向器において、使用する電気光学結晶をＴＳＳＧ法により作製することを特徴とする。
【００１１】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の光偏向器において、使用する電気光学結晶がＫ1-yＬｉyＴａ1-xＮｂxＯ3（０＜ｘ＜１、０≦ｙ＜１）であることを特徴とする。
【００１２】
請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の光偏向器において、結晶の成長方向に平行に光を入射することにより、光入射面と平行な面内で誘電率が均一であるような状態を実現することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
以上説明したように、本発明によれば、電気光学結晶への電圧印加に伴い、結晶中に屈折率分布を誘起することにより光偏向を行う光偏向器において、直方体に加工された電気光学結晶の、少なくとも光入射面と平行な面内では、誘電率が均一になるように結晶の入射面を決定することによって、本来偏向したい方向に垂直な方向への光偏向が生じたり、２次の電気光学効果を使用する場合には、正と負の電圧での偏向角に違いが出る、といった不安定動作を解消することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態による光偏向器の基本的な構成を示す図である。
【図２】図１に示す光入射面に平行な平面１０２の断面図を示す図である。
【図３】ＴＳＳＧ法で結晶成長を行った結晶の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態による光偏向器について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１６】
図１は、本発明の一実施形態による光偏向器の基本的な構成１００を示す図である。 
図１において、直方体の電気光学結晶１０１に、電圧印加を行なうための電極対１０３と、対向する光の入出射面を備える。なお、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸は、図１に示すように定める。
【００１７】
図２は、図１に示す光入射面に平行な平面１０２の断面図を示す図である。 
図２において、ｙ軸方向に誘電率が不均一となっている場合の、本来の光偏向方向の偏向角θxに対して、誘電率が不均一であることによって、本来の偏向方向に垂直な方向への偏向角θyがどの程度の割合を有するかを考える。２次の電気光学効果により屈折率変化が生じる場合、光入射面に平行な面１０２における屈折率変化量の分布は、以下のようになる。
【００１８】
【数１】
2012108377.tif 000003
【００１９】
ここで、Δｎは屈折率変化量、ｎは屈折率、ｇ11は電気光学定数、ε0は真空中の誘電率、εrは結晶の比誘電率、Ｅは電界である。
【００２０】
まず、電圧印加に伴い電極から電子が注入され、空間電荷制御状態となる場合を考える。結晶の厚さをｄ、印加電圧をＶ、陰極からの距離をｘとすると、電界分布は、
【００２１】
【数２】
2012108377.tif 000004
【００２２】
となる。結晶のｚ方向の長さをＬとすると、本来の偏向方向の偏向角θxは、
【００２３】
【数３】
2012108377.tif 000005
【００２４】
と表せ、本来の偏向方向に垂直な方向への偏向角θyは、
【００２５】
【数４】
2012108377.tif 000006
【００２６】
と表せ、式（２）を使用するとθxに対するθyの割合は、以下のようになる。
【００２７】
【数５】
2012108377.tif 000007
【００２８】
次に、予め結晶中のトラップへ捕獲された電子により電圧印加時の電界の傾斜を発生させる場合を考える。捕獲された電子密度をＮとすると、電界分布は、ガウスの法則より、
【００２９】
【数６】
2012108377.tif 000008
【００３０】
という微分方程式で記述される。ここでｅは、電子素量である。これを積分すると、
【００３１】
【数７】
2012108377.tif 000009
【００３２】
となる。Ｅ（０，ｙ）は陰極での電界である。電界を位置で積分すると電圧になるので、
【００３３】
【数８】
2012108377.tif 000010
【００３４】
と表せ、Ｅ（０，ｙ）は次の式で表される。
【００３５】
【数９】
2012108377.tif 000011
【００３６】
式（９）を式（７）へ代入すると電界分布は、
【００３７】
【数１０】
2012108377.tif 000012
【００３８】
と表される。これを式（１）に代入すると、
【００３９】
【数１１】
2012108377.tif 000013
【００４０】
したがって、θxに対するθyの割合は以下のようになる。
【００４１】
【数１２】
2012108377.tif 000014
【００４２】
つまり、誘電率が不均一である場合、つまり、ｄεr（ｙ）／ｄｙがゼロでない場合、式（５）や式（１２）に示した割合はゼロではなく、本来の偏向方向に垂直な方向への偏向が生じることになる。
【００４３】
図３は、ＴＳＳＧ法（Top-Seeded Solution Growth法）で結晶成長を行った結晶の断面図を示す図である。
【００４４】
図３において、Ｋ1-yＬｉyＴａ1-xＮｂxＯ3（０＜ｘ＜１、０≦ｙ＜１）では、１０６で示した方向に結晶は、成長し、それに伴い、ＴａとＮｂの割合が変化するため、強誘電相から常誘電相へ相転移する温度が変化する。そのため、１０７のように結晶を切り出し、ある温度で偏向の評価をする場合、結晶の場所によって相転移温度からの温度のずれが異なり、その結果場所によって誘電率が異なることになる。
【００４５】
上記考察から、光入射面に平行な面内で誘電率の分布がある場合、つまり１０９の向きに光を入射した場合、式（５）や式（１２）で示したような本来の偏向方向に垂直な方向への偏向が生じてしまう。一方、１０８の向きに光を入射した場合、光入射面に平行な面内で誘電率が均一であるため、本来の偏向方向に垂直な方向への偏向を回避することができる。
【００４６】
本実施形態における構成は、図１に記載したものと同様である。電気光学結晶１０１としてＫ1-yＬｉyＴａ1-xＮｂxＯ3結晶を図３に示す１０７のように切り出したものを使用した。ｘは、おおよそ０．３９、ｙは、おおよそ０．００２である。また、大きさは、１ｍｍ×１ｍｍ×１ｍｍである。Ｋ1-yＬｉyＴａ1-xＮｂxＯ3結晶は測定温度５０℃において常誘電体（比誘電率は１７０００）であり、最低次の電気光学効果は２次のカー効果である。電圧を印加するための電極１０２として、図３の１０７において、紙面の手前側と奥側に、それぞれ１ｍｍ×１ｍｍのチタン電極を蒸着した。入射光として波長が５３２ｎｍの固体レーザを使用して、結晶への入射時のビームの直径を４００μｍとして、両電極対間の中心に入射した。
【００４７】
まず、図３の１０９の向きに光を入射した。図１における電極１０２には直流電圧を４００Ｖ印加した。この場合、電極から電子が注入されるため空間電荷制御状態となる。誘電率の分布は、
【００４８】
【数１３】
2012108377.tif 000015
【００４９】
であった。θxに対するθyの割合は、
【００５０】
【数１４】
2012108377.tif 000016
【００５１】
であった。
【００５２】
次に、予め結晶中のトラップへ電子を捕獲させた状態で、周波数１０ｋＨｚで電圧振幅４００Ｖの交流電圧を印加し、Ｖ＝４００Ｖにおけるθxに対するθyの割合を評価すると、
【００５３】
【数１５】
2012108377.tif 000017
【００５４】
であった。この評価結果から、予め電子が捕獲されていたトラップの量は、７．５×１０19［ｍ-3］と見積もれる。
【００５５】
一方、図３の１０８の向きに光を入射すると、直流電圧、交流電圧を上記と同様に印加したところ、いずれも本来の偏向方向に垂直な方向への偏向は生じなかった（つまりθy／θx＝０）。
【符号の説明】
【００５６】
１００  光偏向器
１０１  電気光学結晶
１０２  光入射面に平行な面の例
１０３  電圧印加を行うための電極対
１０４  陰極
１０５  陽極
１０６  結晶成長方向
１０７  切り出した結晶
１０８  本来の偏向方向のみに偏向する光入射方向
１０９  本来の偏向方向に垂直な方向にも偏向する光入射方向
１１０  相転移温度の等高線
【図１】
2012108377.tif 000018
【図２】
2012108377.tif 000019
【図３】
2012108377.tif 000020