(57)【要約】【課題】電気光学材料によって形成されレーザ光を入射される光導波層とこの光導波層に電圧を印加してレーザ光を偏向させるための電極とを備え、プリズムを用いることなく、また別々に製作された光偏向素子を２つ用いることなく、２次元に偏向可能な光偏向素子及びこれを有する光偏向装置の提供。【解決手段】電気光学材料によって形成された光導波層２１と、光導波層２１におけるレーザ光Ｌの進行方向Ｙに沿って設けられ、光導波層２１に電圧を印加する電圧印加部３１、４１を備える。電圧印加部３１は、レーザ光ＬをＹ方向と交わるＸ方向に偏向する屈折率変調領域３３を形成するために光導波層２１に電圧を印加する電極３２を有し、電圧印加部４１は、レーザ光Ｌが平面ＸＹと交わるＺ方向に偏向するように光導波層２１内にＺ方向に沿った電界分布を形成するために光導波層２１に電圧を印加する電極４２を有する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光源によって出射されたレーザ光を入射される、電気光学材料によって形成された光導波層と、
この光導波層における前記レーザ光の進行方向に沿って設けられた、同光導波層に電圧を印加する第１の電圧印加部及び第２の電圧印加部とを備え、
第１の電圧印加部は、前記光導波層に入射した前記レーザ光を前記進行方向と交わる第１の方向に偏向する屈折率変調領域を形成するために前記光導波層に電圧を印加する第１の電極を有し、
第２の電圧印加部は、前記光導波層に入射した前記レーザ光が前記進行方向及び第１の方向によって形成される平面と交わる第２の方向に偏向するように同光導波層内に第２の方向に沿った電界分布を形成するために同光導波層に電圧を印加する第２の電極を有する光偏向素子。
【請求項２】
請求項１記載の光偏向素子において、
第１の電極と前記光導波層との間に絶縁層を有することを特徴とする光偏向素子。
【請求項３】
請求項１または２記載の光偏向素子において、
第２の電極は、ＴｉまたはＡｌであることを特徴とする光偏向素子。
【請求項４】
請求項１ないし３の何れか１つに記載の光偏向素子において、
前記屈折率変調領域は、プリズム型であり、前記光導波層における前記進行方向に複数形成されることを特徴とする光偏向素子。
【請求項５】
請求項４記載の光偏向素子において、
前記屈折率変調領域は、前記進行方向の下流側に向けて面積が漸増することを特徴とする光偏向素子。
【請求項６】
請求項４または５記載の光偏向素子において、
前記電極の形状によって、前記屈折率変調領域の形状がプリズム型とされることを特徴とする光偏向素子。
【請求項７】
請求項４ないし６の何れか１つに記載の光偏向素子において、
前記光導波層に設けられた分極反転領域の形状によって、前記屈折率変調領域の形状がプリズム型とされることを特徴とする光偏向素子。
【請求項８】
請求項１ないし７の何れか１つに記載の光偏向素子を有する光偏向装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気光学材料によって形成されレーザ光を入射される光導波層とこの光導波層に電圧を印加してレーザ光を偏向させるための電極とを備えた光偏向素子及びこれを有する光偏向装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザプリンタ、レーザ加工、ディスプレイ、計測、光通信等の様々な分野で、レーザ光であるレーザビームを走査する光偏向装置である光ビームスキャナが用いられている。
光ビームスキャナは、一般的に、光源となるレーザ発振装置と、レーザビームを走査する光偏向素子とを有している。光ビームスキャナはさらに、必要に応じて、レーザ光源から発生したレーザビームである光ビームを光偏向素子である光ビーム偏向素子に適したビーム形状に成形する光結合光学系や、光ビーム偏向素子から出力された光ビームプロファイルを成形したり光ビーム偏向素子で与えられた偏向角を拡大または縮小したりするような出力光学系を備えることもある。
【０００３】
光ビーム偏向素子である光ビーム偏向器として従来から一般的に用いられているものとしては、回転ポリゴンミラーやガルバノミラー、ＭＥＭＳミラーのような光ビームの反射角を制御して光走査を行うものの他、音響光学（Ａｃｏｕｓｔｏ−Ｏｐｔｉｃａｌ：ＡＯ）効果や電気光学（Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｏｐｔｉｃａｌ：ＥＯ）効果による材料の屈折率変化を利用したものが知られている。
【０００４】
これらのなかでもＥＯ効果は原理的に応答速度が極めて速く、電気光学材料を利用した光ビーム偏向素子（たとえば、〔特許文献１〕、〔特許文献２〕参照）は高速なビーム走査に有効である。またＥＯ材料によって形成されレーザ光を入射される光導波層に印加する電圧に応じて、走査角度を任意に制御可能であるため、光ビームに対して瞬時に所望の偏向角度を与えることが可能である。なお、光偏向素子の光源としては、光偏向素子の用途に応じて様々な波長および光強度のものが用いられるが、特にレーザ加工やレーザレーダによる距離計測用、またはレーザプロジェクション用途の光偏向素子の光源としては、数１００ｍＷから１Ｗ以上の高強度のレーザ光源が選択される。
【０００５】
このように、電気光学材料によって形成されレーザ光を入射される光導波層とこの光導波層に電圧を印加してレーザ光を偏向させるための電極とを備えた光偏向素子が知られているが、従来のこの光偏向素子は、１次元にのみ偏向を行うことが可能となっているにすぎず（たとえば、〔特許文献１〕、〔特許文献２〕参照）、２次元に偏向を行うものはいまだ提案されていない。
【０００６】
電気光学材料を利用した光偏向素子を一部に用いて２次元に偏向可能とした構成も提案されているが、この構成も、電気光学材料を利用した光偏向素子では１次元にのみ偏向を行うことが可能となっているにすぎず、プリズムとの組み合わせによって２次元に偏向としたものである（たとえば、〔特許文献１〕参照）。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
光偏向素子とプリズムとを組み合わせる構成では、光軸調整を行うためのプリズムの位置決めが必要となり、位置決め精度の確保に困難が予想される、位置決めの時間がかかるなどの製造上の問題があるほか、プリズムが高価であるため高コスト化の懸念があり、また集積化に適していない、構成が複雑になるという問題や、この問題に起因して小型化が困難であるという問題もある。
【０００８】
プリズムを用いることなく、電気光学材料を利用した光偏向素子によって２次元に偏向可能とするために、電気光学材料を利用して別々に製作された光偏向素子を２つ用いて２次元に偏向可能とすることも考えられるが、この場合も、同様に、光軸調整を行うための位置決めが必要となり、位置決め精度の確保に困難が予想される、位置決めの時間がかかるなどの製造上の問題があるほか、高コスト化の懸念があり、また集積化に適していない、構成が複雑になるという問題や、この問題に起因して小型化が困難であるという問題も生じることが予想される。
【０００９】
本発明は、電気光学材料によって形成されレーザ光を入射される光導波層とこの光導波層に電圧を印加してレーザ光を偏向させるための電極とを備えた光偏向素子であって、プリズムを用いることなく、また別々に製作された光偏向素子を２つ用いることなく、２次元に偏向可能な光偏向素子及びこの光偏向素子を有する光偏向装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するため、本発明は、レーザ光源によって出射されたレーザ光を入射される、電気光学材料によって形成された光導波層と、この光導波層における前記レーザ光の進行方向に沿って設けられた、同光導波層に電圧を印加する第１の電圧印加部及び第２の電圧印加部とを備え、第１の電圧印加部は、前記光導波層に入射した前記レーザ光を前記進行方向と交わる第１の方向に偏向する屈折率変調領域を形成するために前記光導波層に電圧を印加する第１の電極を有し、第２の電圧印加部は、前記光導波層に入射した前記レーザ光が前記進行方向及び第１の方向によって形成される平面と交わる第２の方向に偏向するように同光導波層内に第２の方向に沿った電界分布を形成するために同光導波層に電圧を印加する第２の電極を有する光偏向素子にある。
【発明の効果】
【００１１】
本発明は、レーザ光源によって出射されたレーザ光を入射される、電気光学材料によって形成された光導波層と、この光導波層における前記レーザ光の進行方向に沿って設けられた、同光導波層に電圧を印加する第１の電圧印加部及び第２の電圧印加部とを備え、第１の電圧印加部は、前記光導波層に入射した前記レーザ光を前記進行方向と交わる第１の方向に偏向する屈折率変調領域を形成するために前記光導波層に電圧を印加する第１の電極を有し、第２の電圧印加部は、前記光導波層に入射した前記レーザ光が前記進行方向及び第１の方向によって形成される平面と交わる第２の方向に偏向するように同光導波層内に第２の方向に沿った電界分布を形成するために同光導波層に電圧を印加する第２の電極を有する光偏向素子にあるので、プリズムを用いることなく、また別々に製作された光偏向素子を２つ用いることなく、第１の電圧印加部と第２の電圧印加部とを用いることで、各方向への偏向を行う部分の位置決め精度を向上であるとともに位置決めの時間を短縮可能であるとともに、低コスト化、大型化を抑制可能であり、集積化に適した、２次元に偏向可能な光偏向素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明を適用した光偏向装置の一例の概略正面図である。
【図２】図１に示した光偏向装置に搭載可能な光偏向素子の第１の構成例の概略斜視図である。
【図３】図１に示した光偏向装置に搭載可能な光偏向素子の第２の構成例の概略図である。
【図４】図１に示した光偏向装置に搭載可能な光偏向素子の第３の構成例の概略平面図である。
【図５】図１に示した光偏向装置に搭載可能な光偏向素子の第２の電圧印加部において偏向が行われる原理を説明するための概念図である。
【図６】本発明を適用した光偏向装置の他の例の概略正面図である。
【図７】図１に示した光偏向装置に搭載可能な光偏向素子の第４の構成例の概略斜視図である。
【図８】本発明を適用した光偏向素子の一例の性能評価結果である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１に本発明を適用した光偏向装置である光学装置の一例の概略を示す。
光学装置１００は、レーザ光Ｌを出射するレーザ光原である光源１０と、光源１０から出射されたレーザ光Ｌを入射される光偏向素子２０と、光源１０、光偏向素子２０をその内部に収容した筐体５０と、光源１０から出射され光偏向素子２０を透過したレーザ光Ｌを筐体５０の外部に出力する、筐体５０に設けられた出力孔５１とを有している。
光学装置１００はまた、図２に示すように、光偏向素子２０に電圧を印加する第１の電圧印加手段としての電源３０と、第２の電圧印加手段としての電源４０とを有している。
【００１４】
図１において、矢印Ｙは、光源１０から出射されたレーザ光Ｌの進行方向であって、光偏向素子２０内においてレーザ光Ｌの偏向が行われないとした場合の光偏向素子２０におけるレーザ光Ｌの進行方向を示している。同図において、矢印Ｘは、同図の紙面に垂直な方向であって、Ｙ方向と垂直な方向を示している。同図において、矢印Ｚは、同図における上下方向であって、Ｘ方向及びＹ方向に垂直な方向すなわちＸ方向及びＹ方向によって形成される平面であるＸＹ平面に垂直な方向を示している。
【００１５】
図２以下において示されている矢印Ｘ、Ｙ、Ｚはそれぞれ図１におけるＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向と同じ方向を示すものとする。また、図２以下において、図１等の、既出の図において示された符号と同じ符号が付されているものは、当該既出の図に沿って説明されたものと同様のものであることとし、適宜説明を省略する。また、電源３０、４０等については適宜図示を省略する。
【００１６】
光源１０は、レーザダイオードを用いたものであり、Ｙ方向に波長６５０ｎｍのレーザ光Ｌを伝播させるように構成されている。レーザ光Ｌの偏光方向はＺ方向である。
光偏向素子２０は、レーザ光Ｌを透過するコア層である光導波層２１を有する光導波路構造としての光導波部２２と、光導波層２１に電圧を印加するためにＹ方向に沿って設けられた第１の領域である第１の電圧印加部としての電圧印加部３１及び第２の領域である第２の電圧印加部としての電圧印加部４１とを有している。
【００１７】
光導波層２１、光導波部２２は、ＸＹ平面に平行な平面状をなしている。光導波部２１は、光源１０から出射されたレーザ光Ｌを入射し、出力孔５１に向けて透過する。光導波層２１は、電気光学材料であるニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）にマグネシウムをドープしたマグネシウム添加ニオブ酸リチウム（山寿セラミクス製：Ｚ−ｃｕｔ）である。ただし、光導波層２１の材料はこれに限らず、電気光学材料としてタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）を用いても良いし、ドープする材料は鉄であっても良い。
【００１８】
ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウムは、電圧をかけずに光を透過させてもビームが歪むフォトリフラクティブ効果を生ずることが知られているが、安価でロバスト性が高く、安定した材料であるため有用であり、マグネシウム等をドープすることでフォトリフラクティブ効果が抑制される。マグネシウム添加ニオブ酸リチウム（ＭｇＯ添加ＬｉＮｂＯ３）は光損傷耐性を向上させることで知られている。マグネシウムをドープする場合、マグネシウム濃度は４．５ｍｏｌ％〜５．５ｍｏｌ％の範囲が好ましく、とくに５．０ｍｏｌ％であることが最適である。
【００１９】
このような電気光学材料は強誘電体であり、外部電場を加えなくても自発分極を持っている。自発分極の向きが一方向に揃った領域は分域言い換えるとドメインと言われる。光導波層２１は、全体において自発分極の向きが一方向に揃うように形成されている。なお、自発分極の向きが一方向に揃った領域と、自発分極の向きが１８０°異なるドメインとの領域はドメイン壁と言われる。
【００２０】
光導波部２２は、図２に示した例では光導波層２１のみによって構成されており、光導波層２１が光導波部２２そのものとなっているが、電圧印加部３１における光導波部２２については、図７に示して後述するように、Ｚ方向において光導波層２１を挟むように設けられる絶縁層２３を有していても良い。
【００２１】
図２に示すように、電圧印加部３１は、光導波層２１に入射したレーザ光Ｌを、Ｙ方向と交わる第１の方向であるＸ方向に偏向する屈折率変調領域を形成するために光導波層２１に電圧を印加する第１の電極として、Ｚ方向において光導波部２２の両側に設けられ電源３０に接続された電極３２を有している。
【００２２】
電極３２は、Ｚ方向において光導波部２２を挟むように対をなして設けられており、電源３０にそれぞれ接続され、光導波部２２の表面と裏面とにそれぞれ一体化された上面電極である上部電極３２ａと下面電極である下部電極３２ｂとを有している。上部電極３２ａは、Ｙ方向に沿って並ぶように設けられたプリズム型、具体的には正三角形の複数の電極によって構成されている。下部電極３２ｂは、ＸＹ平面において上部電極３２ａの配置領域を含むように、方形、具体的は長方形の平面状に設けられている。
【００２３】
電源３０は、外部電圧源によって電力を供給される交流電源であり、電極３２に交流電圧による電圧信号を印加する。光導波層２１は、電極３２に電圧が印加されることによって、光導波層２１の結晶内部に１次の電気光学効果すなわちＥＯ効果が発現し、結晶内の屈折率が変化することによって屈折率変調領域３３が形成される。屈折率変調領域３３は、プリズム型の上部電極３２ａに対応して、プリズム型、具体的には正三角形状に形成される。このように、上部電極３２ａの形状がプリズム形状であることにより、光導波層２１に擬似的なプリズムが形成される。
【００２４】
よって、光偏向素子２０は、電源３０によって電極３２に交流電圧が印加されると、光導波層２１に形成されるプリズム型の屈折率変調領域３３を用いて、光導波層２１を透過するレーザ光Ｌの位相を変調し、図２において矢印で示すように、レーザ光ＬをＸ方向に偏向して出射する。
【００２５】
これは、光偏向素子２０は、電気光学効果によって光導波層２１の結晶内の屈折率を変調することが可能であり、かかる結晶内のレーザ光Ｌの位相を変調する位相変調素子として機能するようになっているためである。
【００２６】
なお、図２においては、レーザ光Ｌを示す矢印が上部電極３２ａを透過するように図示されているが、実際には、レーザ光Ｌは、光導波層２１内を透過する。このとき電源３０によって電圧が印加されていれば、上部電極３２ａの形状とほぼ同形状で光導波部２２内に形成される屈折率変調領域３３を、レーザ光Ｌが透過し、レーザ光Ｌは、屈折率変調領域３３の境界位置で屈折してＸ方向に偏向される。
【００２７】
光偏向素子２０による、Ｘ方向へのレーザ光Ｌの偏向角は、電源３０による電極３２への印加電圧に応じて変化する。よって、電源３０が交流電圧を電極３２に印加することで、光偏向素子２０から出射するレーザ光Ｌは、電源３０の交流電圧の周期に応じた周期で、Ｘ方向に走査される。
なお、Ｘ方向への偏向角が一定で良ければ、電源３０は直流電源であっても良い。
【００２８】
図２に示した構成例では、電極３２の形状によって、屈折率変調領域３３の形状がプリズム型とされているが、図３に示すように、電極３２の形状は上部電極３２ａ、下部電極３２ｂの何れも方形とし、同図（ａ）に示すように、光導波層２１にプリズム型、具体的には正三角形状の分極反転領域２１ａを形成することによって、屈折率変調領域３３の形状がプリズム型、具体的には正三角形状とされるようにしても良い。
【００２９】
分極反転領域２１ａは、自発分極の向きが１８０°反転されたドメインであり、自発分極の向きがこのように反転されていないドメインである非分極反転領域２１ｂとの間にドメイン壁を形成する。図３において、分極反転領域２１ａの分極軸の向きは−Ｚ方向であり、非分極反転領域２１ｂの分極軸の向きは＋Ｚ方向である。上部電極３２ａ、下部電極３２ｂは、分極反転領域２１ａ及び非分極反転領域２１ｂを覆うように形成する。
【００３０】
電極３２を方形とし、分極反転領域２１ａを用いて屈折率変調領域３３を形成すると、非分極反転領域２１ｂによっても屈折率変調領域３３が形成される。よって、光導波部２３内には、分極反転領域２１ａによる屈折率変調領域３３と、非分極反転領域２１ｂによる屈折率変調領域３３とが形成され、これらの屈折率変調領域３３の境界位置であるドメイン壁においてレーザ光Ｌが屈折するため、電極３２の形状によって屈折率変調領域３３を形成する場合の２倍の偏向角が得られる。この理由について、以下詳細に説明する。
【００３１】
まず、ＥＯ効果を利用した具体的な光偏向素子の動作原理をより詳細に説明する。
上述の構成のように、電気光学材料の表面および裏面に、電界を形成するための電極層を対面して配置すると、電極層を通じて電圧を偏向素子に印加することで、電気光学材料の分極軸に平行な電界が形成され、電気光学効果によりその屈折率が変化する。ポッケルス効果による屈折率変化を利用する場合、電気光学材料の屈折率変化量Δｎは、式（１）で与えられる。
【００３２】
【数１】
2013122548.tif 000003
【００３３】
式（１）において、ｎは電気光学材料の屈折率であり、ｒｉｊは電気光学定数であり、Ｖは印加電圧であり、ｄは結晶厚である。
【００３４】
次に、電極３２の形状によって屈折率変調領域３３を形成する場合の偏向角について説明する。
光ビームが伝播する領域上の電極形状が複数の三角形からなるようにしてプリズム電極を複数形成すると、出射光の偏向角は各分極反転領域での屈折角の足し合わせとなるため、出射光の偏向角が増加する。これは、電極に電圧を印加すると、屈折率変化領域も三角形状となり、それぞれが伝播ビームに対してプリズムとして機能するためである。すなわち屈折率変化領域を伝播するにしたがって、伝播光ビームはＸ軸方向に偏向角を与えられる。光ビーム偏向素子から出力されるレーザビームが与えられる偏向角θは電気光学材料の屈折率変化量に比例し、以下の式で表される。
【００３５】
【数２】
2013122548.tif 000004
【００３６】
式（２）において、Ｌは複数のプリズム部全体の長さであり、Ｄはプリズム幅である。式（１）および式（２）より、光偏向素子から出射される偏向角は印加電圧に比例する。したがって光偏向素子への印加電圧を制御することにより、任意の偏向角にレーザビームを出力させることが可能である。
【００３７】
そして、分極反転領域２１ａの形状によって屈折率変調領域３３を形成する場合の偏向角は次のようになる。
コア層となる光導波層を形成する電気光学材料は一般的にその分極軸を制御することが可能であるため、図３（ａ）に示したように、コア層内部にプリズムドメインを形成することが可能となる。このように、コア層内部に複数のプリズム形状を並べた分極反転領域を持たせることにより、分極反転プリズム領域全体を覆った電極層を通じて素子に電圧を印加することによって、電気光学材料にプリズム状の屈折率変化領域が形成される。
【００３８】
分極反転領域とその他の領域で屈折率変化の符号が異なることから、電気光学材料の内部に複数のプリズムが備わることと同じ効果が発現する。偏向素子端面から入力された光ビームはプリズム部によってその伝播方向がＸ軸方向に傾けられ、素子出射端において偏向したビームが出力される。分極反転による屈折率変化の符号の反転により、屈折率変化量はプリズム状電極の屈折率変化量の２倍となり、素子からの出射角θは、
【００３９】
【数３】
2013122548.tif 000005
【００４０】
で与えられる。すでに述べたように、電極３２は、プリズムドメインを覆うように長方形に形成する。分極反転領域２１ａの形状によって屈折率変調領域３３をプリズム型とすることで、電極３２を四角形状で作成することが可能となり、電極３２の作成が容易となる。
【００４１】
図２、図３に示したように、Ｙ方向に沿ってプリズム型の屈折率変調領域２５を複数形成する場合、各屈折率変調領域３３は、図４に示すように、Ｙ方向の下流側に向けて面積が漸増するようにしても良い。各屈折率変調領域３３は、互いに相似形とすることが好ましい。同図に示した構成においては、図３に示した例のように、分極反転領域２１ａの形状により、屈折率変調領域３３をプリズム型としており、また、電極３２を四角形状としているが、図２に示した例のように、電極３２の形状により、屈折率変調領域３３をプリズム型としても良い。
【００４２】
図４に示すように、プリズムサイズを段階的に大きくし、分極反転領域２１ａのサイズを、レーザ光Ｌの入射側から段階的に大きくしていく、ホーン型に形成することで、偏向角をより大きくすることが可能である。
【００４３】
非特許文献（Ｙｉ  Ｃｈｉｕ，ｅｔ  ａｌ，Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＶＯＬ１７，Ｎｏ．１  Ｊａｎ  １９９９）によると、進行距離ｚ、入射側プリズム幅Ｄ０、最大屈折変化量Δｎｍａｘ、屈折率ｎ０を用いて、プリズム幅Ｄ（ｚ）は、
【００４４】
【数４】
2013122548.tif 000006
【００４５】
から求めることが可能である。また、このときの外部偏向角θ（ｚ）は
【００４６】
【数５】
2013122548.tif 000007
【００４７】
で与えられる。
【００４８】
図４に示した構成では、Ｄ０＝０．５ｍｍ、Δｎｍａｘ＝３．８３×１０−３、屈折率ｎ＝２．２０３、プリズム長Ｌ＝２０ｍｍとして、式（４）、（５）からプリズム幅Ｄ(ｚ)を逐次計算によって計算し、出射側プリズム幅は１．５６ｍｍとなっている。
【００４９】
式（４）、（５）によって求めたプリズム幅は、図４においてで示す２つの包絡線の距離で表される。これらの包絡線は、ホーン型プリズムの包絡線となっている。ホーン型の分極反転領域を作製するには、正三角形の分極反転領域のサイズをこの包絡線により入射側から順次決めていき、同図に示されているように分極反転領域２１ａを隙間無く形成していくのが好ましい。
【００５０】
図２に示すように、電圧印加部４１は、光導波層２１に入射したレーザ光Ｌを、ＸＹ平面と交わる第２の方向であるＺ方向に偏向するように光導波層２１内にＺ方向に沿った電界分布を形成するために光導波層２１に電圧を印加する第２の電極として、Ｚ方向において光導波部２２の両側に設けられ電源４０に接続された電極４２を有している。
【００５１】
電極４２は、Ｚ方向において光導波部２２を挟むように対をなして設けられており、電源４０にそれぞれ接続され、光導波部２２の表面と裏面とにそれぞれオーミック接触によって一体化された上面電極である上部電極４２ａと下面電極である下部電極４２ｂとを有している。上部電極４２ａ、下部電極４２ｂは、ＸＹ平面において電圧印加部３１において偏向されたレーザ光Ｌの透過範囲を含むように、方形、具体的は長方形の平面状に設けられている。
【００５２】
電源４０は、外部電圧源によって電力を供給される交流電源であり、電極４２に交流電圧による電圧信号を印加する。光導波層２１は、電極４２に電圧が印加されることによって、上部電極４２ａと下部電極４２ｂとのうち陰極として機能している側から電子を注入され、空間電荷制限電流による屈折率変化を誘起される。光導波層２１は、このような電荷注入効果により、光導波層２１を透過するレーザ光ＬをＺ方向に偏向して出射する。
【００５３】
この電荷注入効果を効率よく得るために、電極４２は、電子を注入しやすい、言い換えれば仕事関数の低い金属材料である材料で形成することが好ましく、本例ではＴｉによって形成されているが、同じ理由により、Ａｌなどを用いて電極４２を形成しても良い。また、これらの材料を用いると、スパッタによる成膜が容易であるという利点もある。
【００５４】
なお、図２においては、レーザ光Ｌを示す矢印が上部電極４２ａを透過するように図示されているが、実際には、レーザ光Ｌは、光導波層２１内を透過する。このとき電源４０によって電圧が印加されていれば、電荷注入効果の作用領域を、レーザ光Ｌが透過し、この過程で、レーザ光ＬはＺ方向に偏向される。
【００５５】
光偏向素子２０による、Ｚ方向へのレーザ光Ｌの偏向角は、電源４０による電極４２への印加電圧に応じて変化する。よって、電源４０が交流電圧を電極４２に印加することで、光偏向素子２０から出射するレーザ光Ｌは、電源４０の交流電圧の周期に応じた周期で、Ｘ方向に走査される。
なお、Ｚ方向への偏向角が一定で良ければ、電源４０は直流電源であっても良い。
【００５６】
電荷注入効果を利用した具体的な光偏向素子の動作原理言い換えるとビーム偏向の原理をより詳細に説明する。
【００５７】
上述の構成のように、電極と光導波層がオーミック接触している光偏向素子に電圧を印加すると、電極から光導波層に電子が注入され、これにより光導波層のＺ方向に電界分布が生じ、この電界分布により光が偏向する。
【００５８】
Ｚ方向は電気光学結晶の厚さ方向に対応している。電気光学結晶の厚さ方向に線形に変化する屈折率ｎ（ｚ）は、ｚ＝０における屈折率をｎとし、ｚにおける屈折率ｎからの変化量をΔｎ（ｚ）として、ｎ（ｚ）＝ｎ＋Δｎ（ｚ）で表されるものとする。
光軸に対して垂直な断面における直径がＤであるビームが、電気光学結晶の中を通過する場合、ビームの上端と下端での屈折率差はΔｎ（Ｄ）−Δｎ（０）である。
【００５９】
ビームが通過する屈折率に傾斜がある部分の長さとなる相互作用長をＬとすると、長さＬを伝搬後のビームの上端と下端とでの等位相面にずれが生じる。その上端と下端の等位相面のずれの長さは、
【００６０】
【数６】
2013122548.tif 000008
【００６１】
である。この時のビームの伝搬方向の傾きθは、ずれの量がビームの光軸に対して垂直な断面における直径より十分小さく、かつ電気光学結晶の端面から屈折率が１と近似できる外部に出射すると、電気光学結晶と外部の境界面で屈折し、入射光の光軸からの全偏向角は、
【００６２】
【数７】
2013122548.tif 000009
【００６３】
となる。ここで、電気光学効果による屈折率変化は式（１）で表せることから、
【００６４】
【数８】
2013122548.tif 000010
【００６５】
で表される。この式（８）は、電界Ｅ（ｚ）がｚに依存する場合は、ゼロでない偏向角がＺ方向に発生することを表す。図５（ａ）に示すように、電荷注入の発生無き場合は、結晶内に発生する電界は一般に、
【００６６】
【数９】
2013122548.tif 000011
【００６７】
で一定であるため、Ｚ方向に偏向することは無い。一方、図５（ｂ）に示すように、陰極からの電子注入がある場合には、空間電荷制限電流が結晶内に発生し、電界は、
【００６８】
【数１０】
2013122548.tif 000012
【００６９】
と表せる。それにより、ｚ方向の偏向角は、
【００７０】
【数１１】
2013122548.tif 000013
【００７１】
で表される。
【００７２】
以上により、印加電圧により電極から電気光学結晶内に電子注入が起きると、電気光学結晶内が空間電荷制限状態となり、Ｚ方向に電界分布が生じ、この電界分布によって屈折率分布が発生し、光がＺ方向に偏向することが説明される。
【００７３】
以上のような電圧印加部３１及び電圧印加部４１を有する光偏向素子２０と、電源３０及び電源４０とを備えた光学装置１００は、光導波層２１に入射したレーザ光Ｌを、電圧印加部３１においてＸ方向に偏向するとともに電圧印加部４１においてＺ方向に偏向し、２次元に走査可能な偏向光として出射する光偏向装置として機能する。このように、光学装置１００は、２次元光偏向装置となっており、光偏向素子２０は、２次元光偏向素子となっている。また、光導波層２１がマグネシウム添加ニオブ酸リチウムであることで、光偏向素子２０は可視光域でも利用可能な光ビーム偏向素子としての光偏向素子となっている。
【００７４】
光学装置１００は、光偏向装置としての光学特性を向上すべく、図６に示すように、光源１０と光偏向素子２０との間と、光偏向素子２０と出力孔５１との間とにそれぞれ、光学素子としてのレンズ１１、レンズ１２を備えていることが望ましい。
【００７５】
レンズ１１は、光源１０から出射されたレーザ光Ｌを光導波層２１に入射させる焦点距離８ｍｍのレンズである。レンズ１２は、光偏向素子２０から出射されたレーザ光Ｌである偏向光をコリメートさせて出力孔５１から光走査装置１００外に出射させるレンズである。
【００７６】
図７に示すように、電圧印加部３１における光導波部２２への電荷注入により電圧印加部３１においてレーザ光ＬのＺ方向への偏向が生じることを防止ないし抑制し、電圧印加部４１における光導波部２２への電荷注入により電圧印加部４１においてレーザ光ＬのＺ方向への偏向を行うことで、光偏向素子２０によるＺ方向への偏向精度を確保するために、Ｚ方向において電圧印加部４１における光導波層２１の両側に絶縁層２３を設け、光導波部２２が、光導波層２１と絶縁層２３とを有するようにしても良い。
【００７７】
絶縁層２３は、上部電極３２ａと一体の上部絶縁層２３ａと、下部電極３２ｂと一体の下部絶縁層２３ｂとを有している。絶縁層２３の材質は、Ｔａ２Ｏ５であるが、他の材質であっても良い。上部絶縁層２３ａ、下部絶縁層２３ｂのそれぞれの厚みは、１．５ｕｍであるが、適宜変更可能である。
【００７８】
絶縁層２３は、レーザ光Ｌの光利用効率を向上するクラッド層としても機能し得る。クラッド層は、導波光の光損失を低減するものであり、光導波層２１よりも屈折率の低い材質によって、光導波層２１と電極３２との間に形成される。
【００７９】
なお、同図に示した構成においては、図３に示した例のように、電極２３を四角形状としており、また、図３、図４に示した例のように、分極反転領域２１ａの形状により、屈折率変調領域３３をプリズム型としているが、図２に示した例のように、電極３２の形状により、屈折率変調領域３３をプリズム型としても良い。
【００８０】
図示を省略するが、光偏向素子２０は、支持基板を一体に有していても良い。支持基板を一体化されることで、コア層である光導波層２１や光導波部２２を薄くすることが可能となる。光導波層２１が薄いと、低電圧で駆動可能となる利点がある。支持基板は、Ｚ方向において上部電極３２ａの上側、下部電極３２ｂの下側の少なくとも一方に設けられれば良い。
【００８１】
支持基板を一体に有する場合、光偏向素子２０は、支持基板の他、支持基板と上部電極や下部電極との間に接着層を有し、接着層によって支持基板を一体化する構成とすることが可能である。
【００８２】
光偏向素子２０の実施例及びその製造方法について述べる。
まず、光導波層２１を構成するウエハー基板としてマグネシウム添加ニオブ酸リチウム（山寿セラミクス製φ３“  Ｚ板  ｔ＝０．５ｍｍ）を用いてプリズム型の分極反転を形成した。
【００８３】
分極反転をする方法すなわち分極反転領域を形成する方法について述べると、かかるφ３”ウエハー基板である電気光学基板の分極反転プロセスは、この基板にスピンコーティングでフォトレジスト膜厚さ２ｕｍを作製した。レジストパターンは基板の＋Ｚ面、そしてフォトリソグラフィーで正三角形列（長さ２０ｍｍ）のレジストパターンを作製した。このとき、光が入出射する正三角形の２辺はドメイン壁と平行になるように作製した。その後、直接電界印加法で、抗電界に対応する電圧を分極反転基板に印加して、正三角形の分極反転領域を作製した。
【００８４】
直接電界印加では、レジスト境界から３０ｕｍ程度、分極反転領域が外側に広がる結果が得られた。そのため、レジストパターンは所望のプリズムドメインよりも３０ｕｍ小さく作製するのが望ましい。また、プリズムドメイン領域を精度良く作製するために、始めにスパイク電界をかけて、反転核を均一に発生させて、続けて一定電界をかけることで反転核のドメイン壁を広げるのが好ましい。具体的には９ｋＶ／ｍｍのスパイク電界を５ｍｓ、５．５ｋＶ／ｍｍの一定電界を５ｓｅｃかけると、プリズムドメイン領域のプリズムドメイン境界辺は直線となり、頂角はシャープなプリズムドメイン領域を形成することが可能となった。
【００８５】
次に、電圧印加部３１に絶縁層２３としてＴａ２Ｏ５（厚さ１．５ｕｍ）をスパッタで成膜した。絶縁層２３は、既に述べたように、電圧印加部３１での電荷注入効果を抑制して、Ｘ方向のみの偏向機能を持たせるために形成したものである。
【００８６】
続いて、電圧印加部３１と電圧印加部４１とにスパッタで上下電極である上部電極３２ａ、下部電極３２ｂ、上部電極４２ａ、下部電極４２ｂを成膜した。電極材料は、電圧印加部３１、電圧印加部４１ともにＴｉである。
【００８７】
上部電極３２ａ、下部電極３２ｂ、上部電極４２ａ、下部電極４２ｂの厚さは２００ｎｍであり、上部電極３２ａの大きさはＸ＝３ｍｍ、Ｙ＝２１ｍｍであり、上部電極４２ａの大きさは、Ｘ＝３ｍｍ、Ｙ＝３ｍｍである。
基板からダイシングソーによって５ｍｍ×２５ｍｍを切り出し、端面を研磨、反射コートの工程を経て、光偏向素子２０を製作した。
【００８８】
図８に、このようにして作成した光偏向素子２０の、Ｚ方向とＸ方向とにおける、印加電圧に対する偏向角度の測定結果を示す。同図に示されているように、この光偏向装置２０により、２００Ｖｐｐの電圧印加でＺ方向全角１．１６ｍｒａｄ、Ｘ方向１．３１ｍｒａｄの結果が得られている。
【００８９】
以上本発明の好ましい実施の形態について説明したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、上述の説明で特に限定していない限り、特許請求の範囲に記載された本発明の趣旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【００９０】
たとえば、第１の電圧印加部による偏向方向と第２の電圧印加部による偏向方向とは、上述の例における第１の電圧印加部による偏向方向と第２の電圧印加部による偏向方向と入れ替えても良い。
本発明を適用した光学装置、光偏向装置、光変調装置は、レーザプリンタ、レーザ加工、ディスプレイ、計測、光通信等の様々な分野に用いることが可能である。
【００９１】
本発明の実施の形態に記載された効果は、本発明から生じる最も好適な効果を列挙したに過ぎず、本発明による効果は、本発明の実施の形態に記載されたものに限定されるものではない。
【符号の説明】
【００９２】
１０    レーザ光源
２０    光偏向素子
２１    光導波層
２１ａ    分極反転領域
２３    絶縁層
３１    第１の電圧印加部
３２    第１の電極
３３    屈折率変調領域
４１    第２の電圧印加部
４２    第２の電極
１００    光学装置、光偏向装置、光変調装置
Ｌ    レーザ光
Ｘ    第１の方向
Ｙ    レーザ光の進行方向
Ｚ    第２の方向
【先行技術文献】
【特許文献】
【００９３】
【特許文献１】特開２０００−３３０１４３号公報
【特許文献２】特許第４６６３６０４号公報
【図１】
2013122548.tif 000014
【図２】
2013122548.tif 000015
【図３】
2013122548.tif 000016
【図４】
2013122548.tif 000017
【図５】
2013122548.tif 000018
【図６】
2013122548.tif 000019
【図７】
2013122548.tif 000020
【図８】
2013122548.tif 000021