(57)【要約】【課題】電気光学材料によって形成された光導波層に電圧を印加してレーザ光の屈折率変調領域を形成する光偏向素子を有し、屈折率変調領域において発生するレーザ光のビーム歪を抑制し、光偏向素子から良好なプロファイルを有する出力ビームを得ることを可能とした光偏向装置の提供。【解決手段】電極２３に電圧が印加されることによって、電気光学材料によって形成された光導波層２１に形成される屈折率変調領域２５を用いてレーザ光Ｌの偏向を行う光偏向素子２０と、電極２３によって光導波層２１に電圧を印加することにより光導波層２１に生ずるドリフトキャリアによって形成される空間電荷電場を解消するために光導波層２１を加熱するための加熱手段とを有する光偏向装置。【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を有する光導波部と、前記光導波層に電圧を印加するための電極とを備え、前記電極に電圧が印加されることによって前記光導波層に形成される屈折率変調領域を用いて前記レーザ光の偏向を行う光偏向素子と、
前記電極によって前記光導波層に電圧を印加することにより同光導波層に生ずるドリフトキャリアによって形成される空間電荷電場を解消するために同光導波層を加熱するための加熱手段とを有する光偏向装置。
【請求項２】
請求項１記載の光偏向装置において、
前記加熱手段により、前記光導波層を１６０℃以上２００℃以下の範囲で加熱することを特徴とする光偏向装置。
【請求項３】
請求項１または２記載の光偏向装置において、
前記光導波層は、ニオブ酸リチウムまたはマグネシウム添加ニオブ酸リチウムによって形成されていることを特徴とする光偏向装置。
【請求項４】
請求項１ないし３の何れか１つに記載の光偏向装置において、
前記屈折率変調領域は、プリズム型であることを特徴とする光偏向装置。
【請求項５】
請求項４記載の光偏向装置において、
プリズム型の前記屈折率変調領域は、前記光導波層におけるレーザ光の進行方向に複数形成され、同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装置。
【請求項６】
請求項４または５記載の光偏向装置において、
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装置。
【請求項７】
請求項４ないし６の何れか１つに記載の光偏向装置において、
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装置。
【請求項８】
請求項１ないし７の何れか１つに記載の光偏向装置において、
前記光導波部は、前記光導波層に接するように設けられたクラッド層を有することを特徴とする光偏向装置。
【請求項９】
請求項１ないし８の何れか１つに記載の光偏向装置において、
前記光偏向素子を支持した支持部材と、
この支持部材の温度を検知する温度検知手段と、
前記温度検知手段が検知した前記支持部材の温度に基づいて、前記加熱手段による前記光導波層の加熱を制御する温度制御手段とを有することを特徴とする光偏向装置。
【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の屈折率変調領域を形成するための電極とを備えた光偏向素子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ビームスキャナなどといわれる光偏向装置、レーザビームの強度を調整する光変調装置等の光学装置が用いられている。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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は高速なビーム走査に有効である。またＥＯ材料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。
【０００６】
電気光学材料を用いた素子は種々の分野で用いられている（たとえば、〔特許文献１〕〜〔特許文献４〕参照）が、この素子にレーザ光を入射させ光導波層として用いた場合において一般的に知られている問題点として、光損傷すなわちフォトリフラクションがある。フォトリフラクションは材料に高エネルギーの光が照射されると、その光ビームのビーム形状が大きく乱されビーム形状に歪みが生じる現象である。フォトリフラクションの原因としては、光エネルギー励起によって電気光学材料内部に発生した自由電子がドリフトし、電気光学材料内にランダムな内部電界が形成されることと、この自由電子による内部電界が電気光学効果によって電気光学材料内部に不規則な屈折率変化を引き起こすこととが考えられている。
【０００７】
フォトリフラクションは、電気光学材料を用いた素子を光ビーム偏向器である光偏光器に用いた光学装置において顕著に現れ得る。これは、光学装置の光源としては、光学装置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、レーザビームを光偏向器に入射させる光学装置に用いられる光源としては、数１００ｍＷから１Ｗ以上の高強度のレーザ光源が選択されるためである。
【０００８】
フォトリフラクションの問題を解決するために電気光学材料の組成を最適化することが試みられている。たとえば一般的な電気光学材料および非線形光学材料としてニオブ酸リチウム等が知られているが、これらの材料はフォトリフラクション耐性が低い。そこで、波長変換素子にこれらの材料を用いる場合に、グリーンレーザのような短波長のレーザビーム出力に対応することなどを目的として、マグネシウムや鉄などの金属材料をドーピングすることが知られている。このように、マグネシウム等を最適量ドープすることで材料の光導電率を高め、光によって励起されたキャリアが形成する内部電界を下げることで、フォトリフラクションの耐性を高める手法が知られている。なおその他、波長変換デバイスにおいて、発案の技術に対する従来技術として加熱方式が示唆されている（たとえば、〔特許文献１〕参照）。
【０００９】
したがって光ビームスキャナに使用する光偏向素子においても、光偏向素子に電気光学材料を用いる場合には、走査するレーザビームの光強度に応じてフォトリフラクション耐性に優れた電気光学材料を使用することが有効である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところが、たとえばマグネシウムをドープしたニオブ酸リチウムを光導波層の電気光学材料として用いた光偏向器において、光導波層に電圧を印加してレーザ光の屈折率変調領域を形成する際に、レーザ光の偏向を行うために必要な外部電界値は、およそ１ｋＶ／ｍｍ〜１０ｋＶ／ｍｍである。そのため、これに対応した電圧を光導波層に印加すると、この電圧が高電圧となるため、光導波層内部を伝播する光ビームプロファイルが大きく乱れるという問題が確認された。
【００１１】
光偏向器においてかかるビーム歪みが発生すると、解像点数などの性能が著しく低下するため問題である。なお、このビーム形状歪みは交流電圧動作よりも直流電圧動作の際に顕著に現れる。これは常に同じ極性で電圧印加が継続すると、外部電界によるキャリアのドリフトが進み、屈折率変調領域に局所的な電界分布が形成されるためである。
【００１２】
なお、光変調素子の場合、動作に必要な外部電圧値はおよそ０．１ｋＶ／ｍｍであって、光偏向素子の１／１０程度であるため、光変調器の性能に与える影響はないといえる。さらに、波長変換素子の場合には、外部電圧の印加が不要であるため、電圧印加によるビーム歪みが問題となることはない。
【００１３】
よって、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の屈折率変調領域を形成するための電極とを備えた光偏向素子を有する光偏向装置において、光偏向素子から良好なプロファイルを有する出力ビームを得るべく、電極による電圧の印加によって光導波層に形成した屈折率変調領域において発生するレーザ光のビーム歪を抑制する必要がある。
なお、波長変換デバイスに関し、加熱を行う上述の方式では、電圧印加時におけるフォトリフラクション対策としては問題がある可能性がある。
【００１４】
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の屈折率変調領域を形成するための電極とを備えた光偏向素子を有する光偏向装置において、電極による電圧の印加によって光導波層に形成した屈折率変調領域において発生するレーザ光のビーム歪を抑制し、光偏向素子から良好なプロファイルを有する出力ビームを得ることを可能とした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】
【００１５】
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を有する光導波部と、前記光導波層に電圧を印加するための電極とを備え、前記電極に電圧が印加されることによって前記光導波層に形成される屈折率変調領域を用いて前記レーザ光の偏向を行う光偏向素子と、前記電極によって前記光導波層に電圧を印加することにより同光導波層に生ずるドリフトキャリアによって形成される空間電荷電場を解消するために同光導波層を加熱するための加熱手段とを有する光偏向装置にある。
【発明の効果】
【００１６】
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を有する光導波部と、前記光導波層に電圧を印加するための電極とを備え、前記電極に電圧が印加されることによって前記光導波層に形成される屈折率変調領域を用いて前記レーザ光の偏向を行う光偏向素子と、前記電極によって前記光導波層に電圧を印加することにより同光導波層に生ずるドリフトキャリアによって形成される空間電荷電場を解消するために同光導波層を加熱するための加熱手段とを有する光偏向装置にあるので、加熱手段によって光導波層を加熱し、電極による電圧の印加によって光導波層に形成した屈折率変調領域において発生するレーザ光のビーム歪を抑制し、光偏向素子から良好なプロファイルを有する出力ビームを得ることが可能な光学装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【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に示した光学装置に搭載可能な光偏向素子の第２の構成例の概略斜視図である。
【図４】図１に示した光学装置に搭載可能な光偏向素子の第３の構成例の概略図である。
【図５】図１に示した光学装置に搭載可能な光偏向素子の第４の構成例の概略平面図である。
【図６】図１に示した光学装置に搭載可能な光偏向素子の第５の構成例の概略平面図である。
【図７】電気光学材料によって形成された光導波層にレーザ光を入射した場合に生じる不具合を説明するための概念図である。
【図８】電気光学材料によって形成された光導波層に入射したレーザ光の種々の条件下におけるプロファイル結果を示した図である。
【図９】電気光学材料によって形成された光導波層に入射したレーザ光の偏向角の種々の温度条件下におけるゆらぎ量の測定結果を示した図である。
【図１０】図６に示した光偏向素子を用いた光学装置の性能評価結果である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図１に本発明を適用した光学装置である光偏向器としての光偏向装置の一例の概略を示す。
光偏向装置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、光偏向素子２０を加熱する加熱手段としての加熱部材であるヒータ３０と、光偏向素子２０への電圧印加、ヒータ３０の駆動などを行う駆動手段としての駆動装置４０と、光源１０、光偏向素子２０、ヒータ３０をその内部に収容した筐体５０とを有している。
【００１９】
光偏向装置１００はまた、筐体５０内に、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、光源１０と光偏向素子２０との間に配設された光学素子としてのレンズ１１と、光偏向素子２０と出力孔５１との間とに配設された光学素子としてのレンズ１２とを有している。
【００２０】
光偏向装置１００はまた、筐体５０内に、ヒータ３０を支持しているとともに筐体５０に支持された支持部材５２と、支持部材５２の温度を検知する温度検知手段としての温度センサ５３とを有している。
【００２１】
レンズ１１、レンズ１２は、光偏向装置１００の光学特性を向上するために備えられている。
レンズ１１は、光源１０から出射されたレーザ光Ｌを光偏向素子２０、より具体的には後述するように光偏向素子２０に備えられている光導波層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、より具体的には光導波層２１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から光偏向装置１００外に出射させるレンズである。
【００２２】
ヒータ３０は、２０ｍｍ×１０ｍｍ×０．３ｍｍの方形薄板状のセラミックヒータであり、支持部材５２の、光偏向素子２０と逆側の面に貼り付けられることで、支持部材５２によって支持されている。
ヒータ３０は、駆動装置４０から電力供給を受けて通電されることで昇温し、支持部材５２を介して光偏向素子２０、より具体的には光導波層２１を加熱する。
【００２３】
温度センサ５３は、支持部材５２の温度を検知することで、実質的に光偏向素子２０、より具体的には光導波層２１の温度を検知する。言い換えると、温度センサ５３は、支持部材５２を介して光偏向素子２０、より具体的には光導波層２１の温度を検知する。
温度センサ５３は、検知した温度を駆動装置４０に入力する。
【００２４】
駆動装置４０は、温度センサ５３によって入力された温度に基づいて、ヒータ３０による光偏向素子２０、より具体的には光導波層２１の加熱を制御する。この点、駆動装置４０は、温度制御手段として機能する。
【００２５】
光偏向素子２０を加熱するためにヒータ３０によって加熱される、光偏向素子２０を支持した支持部材５２の温度を検知して温度制御を行うことで、光偏向素子２０の加熱による劣化を抑制しつつ、簡易な構成で高精度の温度制御を行うことが可能である。
【００２６】
駆動装置４０は、ヒータ３０により、光導波層２１を１６０℃以上２００℃以下の範囲で加熱するように、ヒータ３０を制御する。
かかる温度範囲の意義については後述する。
【００２７】
駆動装置４０は、光偏向素子２０に電圧を印加する外部電圧源としての図２に示す電源６０を有している。電源６０は、光偏向素子２０に電圧信号を印加し、光偏向素子２０に光偏向機能を発現させるための駆動手段としての駆動装置として機能し、光偏向装置１００を光走査装置として機能させる。
【００２８】
支持部材５２は、２０ｍｍ×１０ｍｍ×０．３ｍｍの方形薄板状の、伝熱性が高い金属板である。
光偏向素子２０は、２０ｍｍ×１０ｍｍ×０．３ｍｍの方形薄板状をなしている。
筐体５０は、支持部材５２を介して、光偏向素子２０を支持し、保持している。
【００２９】
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。
【００３０】
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６０等については適宜図示を省略する。
【００３１】
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Ｚ方向において光導波部２２の両側に設けられ電源６０に接続された電極２３とを有している。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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、図３等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クラッド層２４を有していても良く、クラッド層２４を有する場合には光利用効率が向上する。
【００３６】
図２に示すように、電極２３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６０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部電極２３ａと下部電極２３ｂとを有している。上部電極２３ａ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２３ｂは、ＸＹ平面において上部電極２３ａ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。
【００３７】
電源６０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２３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２３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り、結晶内のレーザ光Ｌの位相を変調する屈折率変調領域２５を形成される。屈折率変調領域２５は、プリズム型の上部電極２３ａ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２３ａ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。
【００３８】
よって、光偏向素子２０は、電源６０によって電極２３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２５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。
【００３９】
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の位相を変調するようになっているためである。この点、光偏向素子２０は、位相変調素子として機能する。
【００４０】
なお、図２においては、レーザ光Ｌを示す矢印が上部電極２３ａ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６０によって電圧が印加されていれば、上部電極２３ａ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２５を、レーザ光Ｌが透過し、レーザ光Ｌは、屈折率変調領域２５の境界位置で屈折してＸ方向に偏向される。
【００４１】
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６０による電極２３への印加電圧に応じて変化する。よって、電源６０が交流電圧を電極２３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６０の交流電圧の周期に応じた周期で、Ｘ方向に走査される。
【００４２】
このように、光偏向装置１００は、光導波層２１に入射したレーザ光ＬをＸ方向に偏向し偏向光として出射する光偏向装置として機能する。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。
【００４３】
かかる光偏向特性を得るため、電源６０は、光導波層２１に高電圧、具体的には１ｋＶ／ｍｍ〜１０ｋ／ｍｍに対応する電圧を交流電圧の態様で印加して、屈折率変調を誘起させる。
なお、Ｘ方向への偏向角が一定で良ければ、電源６０は直流電源であっても良い。
【００４４】
上述した、電気光学効果によって光導波層２１の結晶内の屈折率が変調され結晶内のレーザ光Ｌの位相が変調される特性は、屈折率変調領域２５がプリズム型でなく、長方形等の方形である場合も同様に得られる。
【００４５】
図３に示すように、レーザ光Ｌの光利用効率を向上するために、Ｚ方向における光導波層２１の両側にクラッド層２４を設け、光導波部２２が、光導波層２１とクラッド層２４とを有するようにしても良い。クラッド層２４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２３との間に形成される。
【００４６】
具体的に、クラッド層２４は、Ｔａ２Ｏ５によって形成され、厚さを１ｕｍとされているが、クラッド層２４の材料は、ＳｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、ＴＩＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、Ａｌ２Ｏ３、ＨｆＯ２から選択されることが好ましく、とくにＴａ２Ｏ５、ＳｉＯ２であることが好適である。クラッド層２４は、上部電極２３ａと一体の上部クラッド２４ａと、下部電極２３ｂと一体の下部クラッド２４ｂとを有している。
【００４７】
図２、図３に示した構成例では、電極２３の形状によって、屈折率変調領域２５の形状がプリズム型とされているが、図４に示すように、電極２３の形状は上部電極２３ａ、下部電極２３ｂ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２５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。
【００４８】
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４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２３ａ、下部電極２３ｂ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。
【００４９】
電極２３を方形とし、分極反転領域２１ａを用いて屈折率変調領域２５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２５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２５と、非分極反転領域２１ｂによる屈折率変調領域２５とが形成され、これらの屈折率変調領域２５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２３の形状によって屈折率変調領域２５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。
【００５０】
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。
【００５１】
【数１】
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【００５２】
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。
【００５３】
次に、電極２３の形状によって屈折率変調領域２５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。
【００５４】
【数２】
2013238758.tif 000004
【００５５】
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。
【００５６】
そして、分極反転領域２１ａの形状によって屈折率変調領域２５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４（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。
【００５７】
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、
【００５８】
【数３】
2013238758.tif 000005
【００５９】
で与えられる。すでに述べたように、電極２３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２５をプリズム型とすることで、電極２３を四角形状で作成することが可能となり、電極２３の作成が容易となる。
【００６０】
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、分極反転プロセスは、電気光学基板（山寿セラミクス製φ３“  Ｚ板  ｔ＝３００ｕｍ）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。
【００６１】
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。
【００６２】
図２、図３、図４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２５は、図５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２５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２５をプリズム型としており、また、電極２３を四角形状としているが、図２、図３に示した例のように、電極２３の形状により、屈折率変調領域２５をプリズム型としても良い。
【００６３】
図５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。
【００６４】
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、
【００６５】
【数４】
2013238758.tif 000006
【００６６】
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
【００６７】
【数５】
2013238758.tif 000007
【００６８】
で与えられる。
【００６９】
図５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。
【００７０】
式（４）、（５）によって求めたプリズム幅は、図５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。
【００７１】
図６に示すように、光偏向素子２０は、支持基板２６を一体に有していても良い。支持基板２６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。同図に示した例において、光導波層２１の厚さは、薄膜研磨により１０ｕｍに薄型化されている。支持基板２６は、支持部材５２の配置位置と同じ側において、光偏向素子２０を構成している。支持部材５２は支持基板２６であっても良い。
【００７２】
同図に示す光偏向素子２０は、支持基板２６の他、支持基板２６と下部電極２３ｂとの間に接着層２７を有しているとともに、上部クラッド２４ａに設けられた、下部電極２３ｂの引き出し電極２８を有している。同図に示した構成においては、図４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４、図５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２５をプリズム型としているが、図２、図３に示した例のように、電極２３の形状により、屈折率変調領域２５をプリズム型としても良い。
【００７３】
図６に示した光偏向素子２０は次のようにして作成した。
［下部クラッド、下部電極］
光導波層２１となる基材の片面に下部クラッド２４ｂを形成する。下部クラッド２４ｂはＴａ２Ｏ５を１ｕｍの厚さにスパッタ法で製膜し、下部電極２３ｂは下部クラッド２４ｂの成膜に続けてＴｉを２００ｎｍの厚さに製膜した。
【００７４】
［支持基板の接着、光導波層の薄膜化］
下部電極２３ｂを作製後、接着剤を用いて下部電極２３ｂと支持基板２６との接着を行って接着層２７を形成する。接着層２７は面精度が１ｕｍ以下となる均一な厚みとした。その後、研磨により光導波層２１の基材の薄膜化を行った。
【００７５】
支持基板２６は光導波層２１に用いる材料と熱膨張係数が等しい基板が好ましい。熱膨張係数が異なる材料を用いると、接着後に熱膨張が発生した際、光導波層２１やその基材に内部応力による歪みが生じて、クラックが発生する原因になる。
【００７６】
接着剤にはＵＶ硬化性の樹脂接着剤を用い、支持基板２６には厚さ３００ｕｍのニオブ酸リチウム基板を用いて、接着を行った。その後、研磨によって３００ｕｍの厚さを１０ｕｍの厚さとして光導波層２１を作製した。
【００７７】
支持基板２６を構成するニオブ酸リチウムのＸ軸方向の熱膨張率は１．５４×１０−５／Ｋであり、ＳＵＳ３０３の熱膨張率は１．４６×１０−５／Ｋである。支持基板２６には、光導波層２１の材質と熱膨張率がほぼ等しいＳＵＳ３０３を使用することも可能である。
【００７８】
支持基板２６の一体化については、接着剤による支持基板２６の貼り付け以外に、支持基板２６に金属材料を用いて、下部電極２３ｂと支持基板２６とを直接接合することも可能である。
【００７９】
[上部クラッド  上部電極]
研磨によって光導波層２１を作成した後、上部クラッド２４ａと上部電極２３ａとを作製する。製膜方法は下部クラッド２４ｂ、下部電極２３ｂと同じ方法である。上部クラッド２４ａはＴａ２Ｏ５を１ｕｍの厚さにスパッタ法で製膜し、上部電極２３ａは上部クラッド２４ａの成膜に続けてＴｉを２００ｎｍの厚さにスパッタ法で製膜した。
【００８０】
上部電極２３ａの面積は光偏向素子２０に光偏向機能を発現させる範囲でできるだけ小さい方が望ましい。電気光学素子を用いた光偏向器では、静電容量と駆動動作周波数はトレードオフの関係になるため、静電容量が小さいほど低電力での高周波動作が可能となるためである。よって、上部電極２３ａは、屈折率を変化させる領域すなわち光が偏向して透過する領域のみに作製するのが好適である。そのため、上部電極２３ａは上部クラッド２４ａ上の全面に作製するのでなく、かかる領域のみに作成した。
【００８１】
［下部引き出し電極］
引き出し電極２８は、下部電極２３ｂとの導通を取るために形成される。引き出し電極２８は、上部クラッド２４ａ、光導波層２１、下部クラッド２４ｂの、上部電極２３ａの形成領域の外側位置に作製された引き出し電極形成部を、導電性材料で埋めることによって形成される。引き出し電極２８によって、支持基板２６の面積を光導波層２１の面積よりも大きくすることなく、下部電極２３ｂの取り出しが可能となり、導波路型電気光学素子である光偏向素子２０の小型化が可能となる。
【００８２】
引き出し電極形成部は、深さ３０ｕｍのＶ溝をダイシングソーにより形成することで作成した。そして、このＶ溝をＴｉで製膜することにより、引き出し電極２８を作製した。なお、引き出し電極形成手段として、ドライエッチング法やエキシマアブレーション等も好適である。
【００８３】
ヒータ３０は、電気光学材料によって形成された光導波層２１にレーザ光Ｌを透過させることによって生じる光損傷すなわちフォトリフラクションを抑制ないし防止するために設けられており、とくに、かかる光導波層２１に電極２３によって電圧を印加しながらレーザ光Ｌを透過させることによって生じるフォトリフラクションを抑制ないし防止するために設けられている。
【００８４】
光偏向素子２０において、ヒータ３０を駆動しないと仮定した場合、レーザ光Ｌを光導波層２１に伝播させたときに電極２３によって光導波層２１に電圧を印加して光偏向機能を発現させると、フォトリフラクションが、光導波層２１に生ずるドリフトキャリアによって形成される空間電荷電場に起因して生ずる。このビーム歪みは、レーザ光Ｌがとくに可視光短波長の光であるために生じ易い。
【００８５】
そのため、ヒータ３０は、かかる空間電荷電場を解消するために、光導波層２１を１６０℃以上２００℃以下の範囲で加熱する。かかる加熱によってフォトリフラクションが抑制ないし解消される理由は、フォトリフラクションが生じる理由とともに次に述べる。
【００８６】
フォトリフラクションが生じる理由を説明する。
光偏向素子２０において、ヒータ３０による加熱を行わないと仮定した場合に生じるフォトリフラクションは、電極２３による電圧印加により、光導波層２１においてビームプロファイルが歪む現象、すなわちビーム歪として現れる。
【００８７】
このビーム歪のメカニズムについて図７を参照しながら説明する。
同図はビーム歪の物理的メカニズムを説明する図である。
同図（ａ）に示されているように、ニオブ酸リチウムに代表される電気光学結晶に可視光やレーザ光を入射すると、結晶内の光照射部に光励起キャリアが発生する。この理由として、結晶中には格子欠陥、およびＦｅやＣｒなどの不純物によって、同図（ｂ）に示されているように、エネルギーバンドに不純物準位が形成されており、その不純物準位から光励起によってキャリアが遷移するためである。
【００８８】
さらに、同図（ａ）に示されているように、電気光学結晶に電圧を印加すると、発生したキャリアが外部電界によって電気光学結晶内部をドリフトする。ドリフトを起こすと、同図（ｂ）に示されているように、結晶内に形成されているトラップ準位によってドリフトキャリア捕獲される。その結果、光励起に寄与した不純物準位はイオン化ドナーとして働き、キャリアであった電子と局所的な空間電荷電場を形成する。
【００８９】
この局所的な空間電荷電場から生じる電気光学効果によって、電圧を印可した屈折率変調領域内の屈折率に不均一な分布を与えていると考えられる。そしてこの不均一な屈折率分布がビーム歪を発生させる原因となっている。
【００９０】
一般的にニオブ酸リチウムもしくはタンタル酸リチウムでは、電圧をかけずに光を透過させただけで、ビームが歪むフォトリフラクティブ効果が知られている。この解決案として、ニオブ酸リチウムおよびタンタル酸リチウムにマグネシウムをドープしてフォトリフラクティブ効果を抑制するといった対策が取られている。
【００９１】
しかしながら、光偏向装置１００のような光偏向器では、電気光学結晶に電圧を印加して屈折率変調を誘起させる場合には、たとえマグネシウムをドープしたニオブ酸リチウムおよびタンタル酸リチウムであっても、印加される電圧が高電圧であること、具体的には光偏向装置１００では１ｋＶ／ｍｍ〜１０ｋ／ｍｍに対応する電圧が印加されることにより、ビームが歪む現象が生じるのが確認された。
【００９２】
これは、電圧印加に伴う外部電界の発生によって、光励起キャリアのドリフトが大幅に促進されるためで、キャリアの空間電荷電場の形成を冗長させる結果になる。したがって、電圧印加領域言い換えると屈折率変調領域の方が非屈折率変調領域よりも圧倒的にビーム歪が発生する原因になる。
【００９３】
ヒータ３０により光導波層２１、とくに屈折率変調領域２５を加熱すると、光導波層２１を構成している電気光学結晶内部に形成されるトラップ準位に捕獲されたドリフトキャリアが、トラップ準位による拘束から逃れやすくなり、トラップ準位による拘束から逃れると伝導帯に遷移され、これにより、光偏向素子２０内のトラップ準位に捕獲された光励起キャリアが形成する不均一な電界分布が抑制ないし解消され、空間電荷電場の形成が抑制ないし解消される。そのため、ビーム歪が抑制ないし解消されることとなる。
【００９４】
このような作用を得るのに適した光導波層２１の温度が、以下述べる実験から明らかとなるように、１６０℃以上２００℃以下の範囲である。
ビーム歪に対する光導波層２１の加熱による作用を確認する実験を行ったところ、図８に示すようになった。
同図は光偏向装置１００の出力孔５１からのレーザ光Ｌのプロファイル分布を観察したものである。
【００９５】
実験条件は次のとおりである。レーザ光Ｌはλ６３３ｎｍとした。光パワーは１０ｍＷ、ビーム径は１ｍｍ(１／ｅ２)で、偏光方向はＺ方向である。光偏向素子２０は、マグネシウム添加二オブ酸リチウム（山寿セラミクス製、Ｚ−ｃｕｔ）を光導波層２１として有するとともに、電極２３はＩＴＯを蒸着によって光導波層２１の上下面に成膜したものとした。光偏向素子２０の素子サイズは（Ｘ、Ｙ、Ｚ）＝（１０ｍｍ、２４ｍｍ、０．３ｍｍ）であり、Ｔｉ電極サイズは（Ｘ、Ｙ、Ｚ）＝(５ｍｍ、２０ｍｍ、０．０００２ｍｍ)である。
【００９６】
同図（ａ）は、レーザ光Ｌを、レンズ１１を用いて光偏向素子２０内へ透過させた場合であって、光偏向素子２０への電圧未印加、およびヒータ３０による加熱無き場合の常温でのプロファイル結果を示している。同図（ａ）から、ガウガシアンの良好なプロファイル結果が得られていることが分かる。
【００９７】
一方、同図（ｂ）は、同図（ａ）における条件において、光偏向素子２０に電圧を印加した場合のプロファイル結果を示している。電圧は３００Ｖの直流電圧であり、Ｚ方向に電圧を印加している。光導波層２１への電界値は１ｋＶ／ｍｍである。同図（ａ）との比較から、ビーム歪が発生してビームプロファイルが乱れていることが分かる。
【００９８】
同図（ｃ）〜（ｇ）はそれぞれ、同図（ｂ）における条件において、ヒータ３０による加熱を、設定温度６０℃、９０℃、１２０℃、１６０℃、２００℃で行った場合のプロファイル結果を示している。
【００９９】
同図（ｆ）、（ｇ）においてビーム歪が抑制されていることが明らかであることから、光導波層２１の温度が１６０℃以上の範囲となるように加熱することが好適であることが確認される。
【０１００】
次に、２００℃を超えて光導波層２１を加熱すると、レーザ光Ｌの偏向角が不安定になる現象が、図９に結果を示す次の実験から明らかとなった。
同図は、光導波層２１を１６０℃〜２２０度に加熱して偏向を行ったときのレーザ光Ｌの偏向角の最大ゆらぎ量を測定した実験の結果を示したものである。偏向条件としては、直流電圧を印加して一定方向に偏向させている。
【０１０１】
同図から、２００℃を超えて光導波層２１の加熱を行うと、偏向角のゆらぎが大きく増加することがわかる。偏向角のゆらぎが大きくなると、偏向性能が低下するため、偏向に不利となる。なお、同図においては、経時における測定結果を示している。これは、直流電圧を印加して一定方向に偏向させると、経過時間に対して変更角度のゆらぎが増加する傾向にあるためである。
【０１０２】
以上の結果から、光導波層２１の温度が１６０℃以上２００度以下の範囲となるように加熱することが好適であることが確認された。
【０１０３】
図１０に、図６に示した光偏向素子２０による光偏向装置１００の偏向性能（印加電圧ｖｓ偏向角度）についての性能評価結果を示す。この結果は、ヒータ３０を駆動した状態で得られたものである。図１０において、横軸は光偏向素子２０に印加した電圧であり、縦軸は解像点数の結果である。同図から、３００Ｖｐｐの動作電圧に対して、理論値と同等の、解像点数１００点のプロファイルが良好な光偏向器が得られたことが分かる。
【０１０４】
この実験結果から、光導波層２１の加熱を行って偏向することにより、ビーム歪みの原因となる光偏向素子２０内のトラップ準位に捕獲された光励起キャリアが形成する不均一な電界分布を解消することで、高い電圧を印加した際に発生するビーム歪みを抑制し、光偏向素子２０から良好なプロファイルを有する出力ビームを得ることが可能となることが確認される。
【０１０５】
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。
【０１０６】
たとえば、加熱手段の構成、加熱手段による加熱に関する温度制御の態様等は、フォトリフラクション対策に有効な範囲で適宜変更可能である。
本発明を適用した光偏向装置は、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。
【０１０７】
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】
【０１０８】
１０    レーザ光源
２０    光偏向素子
２１    光導波層
２１ａ    分極反転領域
２２    光導波部
２３    電極
２４    クラッド層
２５    屈折率変調領域
３０    加熱手段
４０    温度制御手段
５２    支持部材
５３    温度検知手段
１００    光偏向装置
Ｌ    レーザ光
Ｙ    レーザ光の進行方向
【先行技術文献】
【特許文献】
【０１０９】
【特許文献１】特許第３７０４５５３号公報
【図１】
2013238758.tif 000008
【図２】
2013238758.tif 000009
【図３】
2013238758.tif 000010
【図４】
2013238758.tif 000011
【図５】
2013238758.tif 000012
【図６】
2013238758.tif 000013
【図７】
2013238758.tif 000014
【図８】
2013238758.tif 000015
【図９】
2013238758.tif 000016
【図１０】
2013238758.tif 000017