(57)【要約】【課題】低照射強度の紫外光により光損傷抑制効果を得られる光変調器及び光変調方法を提供すること。【解決手段】本光変調器は、電界が印加されると屈折率が変化する電気光学結晶と、前記電気光学結晶の正面から光を照射する第１の光源と、前記電気光学結晶の上面と下面との間に電界を印加し、前記電気光学結晶を正面から背面に透過する前記光を変調する光変調手段と、前記電気光学結晶に紫外光を照射する第２の光源と、前記電気光学結晶内での前記紫外光の散乱を抑制する散乱抑制手段と、を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電界が印加されると屈折率が変化する電気光学結晶と、
前記電気光学結晶の正面から光を照射する第１の光源と、
前記電気光学結晶の上面と下面との間に電界を印加し、前記電気光学結晶を正面から背面に透過する前記光を変調する光変調手段と、
前記電気光学結晶に紫外光を照射する第２の光源と、
前記電気光学結晶内での前記紫外光の散乱を抑制する散乱抑制手段と、を有する光変調器。
【請求項２】
前記散乱抑制手段は、前記電気光学結晶の上面に設けられた上部電極と、前記電気光学結晶の下面に設けられた下部電極と、により構成され、
前記上部電極と前記下部電極のうち少なくとも一方は、前記紫外光を透過する材料から構成されている請求項１記載の光変調器。
【請求項３】
前記第２の光源は、前記電気光学結晶の側面から前記紫外光を照射する請求項１又は２記載の光変調器。
【請求項４】
前記紫外光の照射強度は、１００ｍＷ／ｃｍ２未満である請求項１乃至３の何れか一項記載の光変調器。
【請求項５】
前記紫外光は、前記光よりも短波長である請求項１乃至４の何れか一項記載の光変調器。
【請求項６】
前記光変調手段は、前記電気光学結晶に電圧値可変の電圧を与える電圧印加装置である請求項１乃至５の何れか一項記載の光変調器。
【請求項７】
電界が印加されると屈折率が変化する電気光学結晶の正面から光を照射するステップと、
前記電気光学結晶の上面と下面との間に電界を印加し、前記電気光学結晶を正面から背面に透過する前記光を変調するステップと、
前記電気光学結晶の側面から紫外光を照射するステップと、を有する光変調方法。
【請求項８】
前記電気光学結晶の上面には上部電極が設けられ、前記電気光学結晶の下面には下部電極が設けられ、
前記上部電極と前記下部電極のうち少なくとも一方は、前記紫外光を透過する材料から構成され、
前記紫外光を照射するステップでは、前記電気光学結晶の側面から照射された前記紫外光の一部が前記上部電極と前記下部電極のうち少なくとも一方から前記電気光学結晶の外部に透過する請求項７記載の光変調方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、照射された光を変調する光変調器及び光変調方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気光学結晶と呼ばれるニオブ酸リチウム単結晶やタンタル酸リチウム単結晶は、それぞれ大きな電気光学効果、非線形光学効果を有しており、光変調器や波長変換素子等の種々の光機能素子設計のための有力な光機能性材料として注目されている。又、これらの応用例として車載向けレーザスキャナや通信用波長切り換え装置、レーザプロジェクタの光強度変調素子等の用途が検討されており、これらに電気光学結晶を用いた光機能素子が搭載されれば製品性能の向上に大いに貢献するものと考えられる。
【０００３】
但し、現状においては、実用化のための多くの課題が存在する。重大な課題の一つである「光損傷」は、電気光学結晶にレーザ光を照射すると光起電力に起因した屈折率分布が電気光学結晶内に現れる現象であり、電気光学結晶を透過するレーザ光の形状を歪ませる作用を及ぼす。光損傷の課題を克服しなければ、電気光学結晶の実用範囲は非常に限られたものとなる。
【０００４】
又、光変調する際、電気光学結晶に電圧を印加するが、このとき電場起因で光損傷が増幅する場合がある。「光損傷」への対策としては、光機能素子を２００℃程度に加熱することによって電気光学結晶の電気伝導度を上げて光損傷を解消することや、単結晶にＭｇ等を添加することによって光伝導度を上げて光損傷を抑制することが既に知られている。又、特許文献１には、水銀ランプからフィルタで紫外光波長３５０ｎｍの光を取り出して光機能素子に照射するシステム構成が開示されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、光機能素子を加熱する場合には、加熱装置のコストや装置内専有面積の点で実用的とはいえない。又、Ｍｇ等を添加する場合には、光損傷抑制効果が限定的であるばかりでなく、光損傷を抑制できても別の課題が生じることがある。
【０００６】
又、紫外光照射による光損傷の抑制は一定以上の有効性が確認されているが、高照射強度（１００ｍＷ／ｃｍ２以上）の紫外光を照射できる大型の紫外光光源が必要であり、このような紫外光光源を装置内に用意することは容易でない。つまり、キセノンやハロゲンランプといった大型の紫外光光源から紫外光を取り出す手法では、装置全体の巨大化が避けられず、消費電力も大きくなってしまう。上記特許文献１のような水銀ランプ＋フィルタのシステム構成の場合にも、製品の大型化や発熱の影響によって製品化が困難である。
【０００７】
なお、光源として発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いることは、組み込みや消費電力の観点からは最適であるが、発光ダイオード（ＬＥＤ）では紫外波長帯での高照射強度化が困難なため照射による光損傷抑制効果が十分得られないという問題がある。
【０００８】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、低照射強度の紫外光により光損傷抑制効果を得られる光変調器及び光変調方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本光変調器は、電界が印加されると屈折率が変化する電気光学結晶と、前記電気光学結晶の正面から光を照射する第１の光源と、前記電気光学結晶の上面と下面との間に電界を印加し、前記電気光学結晶を正面から背面に透過する前記光を変調する光変調手段と、前記電気光学結晶に紫外光を照射する第２の光源と、前記電気光学結晶内での前記紫外光の散乱を抑制する散乱抑制手段と、を有することを要件とする。
【発明の効果】
【００１０】
開示の技術によれば、低照射強度の紫外光により光損傷抑制効果を得られる光変調器及び光変調方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本実施の形態に係る光変調器を例示する図である。
【図２】プローブ光源、電気光学結晶、及び紫外光光源の配置を説明するための図である。
【図３】上部電極又は下部電極の紫外光に対する透明性による光損傷抑制効果の差異を例示する図である。
【図４】紫外光光源の配置について説明するための図である。
【図５】電気光学結晶に紫外光を照射する方向による光損傷抑制効果の差異を例示する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。
【００１３】
図１は、本実施の形態に係る光変調器を例示する図である。図１を参照するに、光変調器１は、大略すると、プローブ光源１０と、電気光学結晶２０と、光変調手段３０と、紫外光光源４０と、電源５０とを有する。なお、プローブ光源１０は、本発明に係る第１の光源の代表的な一例である。又、紫外光光源４０は、本発明に係る第２の光源の代表的な一例である。
【００１４】
光変調器１において、プローブ光源１０は、例えば、レーザ光１０ａを出射可能な光源であり、電気光学結晶２０の正面からレーザ光１０ａを照射できる位置に配置されている。プローブ光源１０としては、例えば、ＨｅＮｅレーザや半導体レーザ（例えば、ＡｌＧａＩｎＰレーザ）等を用いることができる。電気光学結晶２０は、電界が印加されると印加電界に直比例して屈折率が変化する結晶であり、例えば、電気光学効果や非線形光学効果を有するニオブ酸リチウム単結晶やタンタル酸リチウム単結晶等である。
【００１５】
光変調手段３０は、電気光学結晶２０の上面と下面との間に電界を印加し、電気光学結晶２０を正面から背面に透過するレーザ光１０ａを変調する機能を有する。光変調手段３０は、例えば、電気光学結晶２０に電圧値可変の電圧を与える電圧印加装置である。紫外光光源４０は、電気光学結晶２０に紫外光４０ａを照射する機能を有する。紫外光光源４０としては、例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レーザ等を用いることができる。又、例えば、キセノン等の広帯域波長の光源の後段に紫外光４０ａを透過させるバンドパスフィルタを配置して紫外光光源４０としてもよい。なお、後述のように、紫外光４０ａは、電気光学結晶２０の側面から照射すると好適である。電源５０は、光変調手段３０等に所定電圧を印加する機能を有する。
【００１６】
なお、電気光学結晶２０が立方体又は直方体である場合、正面と背面とは互いに平行な面であり、上面と下面とは互いに平行な面である。又、電気光学結晶２０の両側面は、正面及び背面と垂直な面であり、上面及び下面とも垂直な面である。
【００１７】
プローブ光源１０から出射されたレーザ光１０ａは、電気光学結晶２０の正面から入射し、電気光学結晶２０を透過して電気光学結晶２０の背面から出射する。この際、レーザ光１０ａは光変調手段３０によって変調を受け、変調制御されたレーザ光１０ｂが電気光学結晶２０の背面から出射する。
【００１８】
光変調手段３０は、変調の際に、任意の電圧を電気光学結晶２０に印加する。式（１）に示すように、電気光学定数に従って印加電界による屈折率変化が生じる。なお、式（１）において、ｎ＝屈折率、Ｅ＝電界、ｒｉｊ＝電気光学定数、ｉ＝１〜６、ｊ＝ １〜３である。
【００１９】
Δ（１／ｎ２）ｉ＝ΣｒｉｊＥｊ・・・・（式１）
本実施の形態では、紫外光光源４０から電気光学結晶２０に対して紫外光４０ａを照射する。光損傷の原因はレーザ光１０ａによって電気光学結晶２０内に形成されるキャリア分布に起因する内部電界であり、紫外光４０ａを照射することで、分布したキャリアを再励起し内部電界を緩和することが可能となり、光損傷を抑制できるからである。
【００２０】
光損傷抑制のメカニズムを踏まえると、紫外光光源４０から電気光学結晶２０に対して照射される紫外光４０ａは、プローブ光源１０から出射されるレーザ光１０ａよりも高エネルギー（短波長）であることが必要である。一例としては、プローブ光源１０から出射されるレーザ光１０ａの波長が５１０〜６１０ｎｍである場合、紫外光光源４０から出射される紫外光４０ａの波長は４５０ｎｍ以下であることが好ましい。
【００２１】
又、紫外光４０ａは、紫外光光源４０から電気光学結晶２０に対して均一に照射される（分布を作らない）ことが必要である。照射強度に分布があると、紫外光４０ａに起因するキャリア分布により内部電界が発生し、光損傷を抑制するどころか促進させてしまう場合があり得るからである。
【００２２】
紫外光光源４０から電気光学結晶２０に対して紫外光４０ａを照射するタイミングは、プローブ光源１０から出射されたレーザ光１０ａが電気光学結晶２０へ入射する前後のどちらでもよい。電気光学結晶２０へのレーザ光１０ａの入射を先にすると、光損傷が発現するが、その後で紫外光４０ａを照射すれば光損傷は緩和される。
【００２３】
なお、レーザ光１０ａを電気光学結晶２０に照射すると光損傷を生じるが、特に光のエネルギーが高い可視〜短波長（６５０ｎｍ以下）では光損傷が顕著になる。前述のように、光損傷は電気光学結晶２０内の屈折率分布に起因するが、屈折率分布の発生原因はレーザ光１０ａによって電気光学結晶２０内に形成されるキャリア分布に起因する内部電界であり、この因子は蓄積するため照射時間が長くなると光損傷が生じやすくなる。又、電気光学結晶２０に電圧印加する場合、電圧を印加しない場合に比べて光損傷は生じやすくなる。
【００２４】
図２は、プローブ光源、電気光学結晶、及び紫外光光源の配置を説明するための図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は電気光学結晶２０及び紫外光光源４０をレーザ光１０ａの入射側から視た図である。
【００２５】
図２を参照するに、電気光学結晶２０の上面には上部電極２１が設けられており、電気光学結晶２０の下面には下部電極２２が設けられている。つまり、電気光学結晶２０は上部電極２１と下部電極２２とに挟まれている。光変調手段３０が電気光学結晶２０の上部電極２１と下部電極２２との間に任意の電圧を印加することにより、プローブ光源１０から出射したレーザ光１０ａは電気光学結晶２０を透過する際に変調される。
【００２６】
プローブ光源１０と電気光学結晶２０との間に、レーザ光１０ａのビーム形状を成型するレンズ系を配置してもよい。特に、電気光学結晶２０を導波路型にする場合は、レーザ光１０ａと導波路との光結合のために結合レンズが必要となる。なお、電気光学結晶２０と上部電極２１及び下部電極２２とを含めて光機能素子と称する場合がある。
【００２７】
紫外光光源４０は、電気光学結晶２０の側面方向に設置されている。つまり、紫外光光源４０から照射された紫外光４０ａは電気光学結晶２０の側面から入射する。上部電極２１としては、例えば、ＩＴＯ（酸化インジウムスズ；Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）等の紫外光４０ａに対して透明な電極を用いることができる。ＩＴＯの吸収端は３４０ｎｍであり、紫外光４０ａの波長（３６０〜４００ｎｍ）を透過する。下部電極２２としては、例えば、チタン（Ｔｉ）等の金属電極を用いることができる。
【００２８】
もしも、上部電極２１及び下部電極２２として何れもチタン（Ｔｉ）等の金属電極を用いた場合、上部電極２１と下部電極２２が電気光学結晶２０を挟み込んで、光学的にミラーに電気光学結晶２０が挟まれた状態になる。この状態で、電気光学結晶２０の側面から紫外光４０ａを照射した場合、上部電極２１と下部電極２２との間で反射した紫外光４０ａが電気光学結晶２０の内部に照射強度分布を形成し、光損傷を抑制する効果が損なわれる。
【００２９】
そこで、本実施の形態では、上部電極２１と下部電極２２のうち少なくとも一方を、ＩＴＯ等の紫外光４０ａを透過する材料から構成している。これにより、光変調器１では、紫外光４０ａの散乱が抑制され、電気光学結晶２０の内部の照射強度分布が均一になり、光損傷を抑制できる。このように、上部電極２１及び下部電極２２は、本発明に係る散乱抑制手段の代表的な一例である。
【００３０】
なお、電気光学結晶２０がニオブ酸リチウム単結晶（ＬｉＮｂＯ３）である場合、電気光学結晶２０の＋Ｃ面及び−Ｃ面に各々上部電極２１及び下部電極２２を配置する。＋Ｃ面とはニオブ酸リチウム単結晶（ＬｉＮｂＯ３）のような一軸性強誘電体結晶がもつ自発分極の向き（分極軸方向）に垂直な面のうちの一面であり、−Ｃ面とは＋Ｃ面の反対面である。分極軸方向に電圧印加するのは、ニオブ酸リチウム単結晶（ＬｉＮｂＯ３）が分極軸方向に高い電気光学定数を有するため、変調制御に有利だからである。
【００３１】
ここで、上部電極２１及び下部電極２２として何れもチタン（Ｔｉ）を用いた場合と、上部電極２１としてＩＴＯ、下部電極２２としてチタン（Ｔｉ）を用いた場合とを比較する。
【００３２】
電気光学結晶２０としては縦２５ｍｍ×横１０ｍｍ×厚さ０．３ｍｍのニオブ酸リチウム単結晶（ＬｉＮｂＯ３）を用い、電気光学結晶２０への印加電圧はＤＣ３００［Ｖ］とした。又、プローブ光源１０としてはＨｅＮｅレーザを用い、波長６３３ｎｍで照射エネルギー１ｍＷのレーザ光１０ａを電気光学結晶２０に照射した。又、紫外光光源４０から電気光学結晶２０に照射する紫外光４０ａの照射強度は６０ｍＷ／ｃｍ２とした。
【００３３】
この条件で、電気光学結晶２０を透過するレーザ光１０ａを光変調手段３０によって変調駆動し、電気光学結晶２０の背面から出射したレーザ光１０ｂのビーム形状の乱れから光損傷の程度を観察した。観察は電気光学結晶２０の直後にＣＣＤプロファイラを設置し、ＣＣＤプロファイラに電気光学結晶２０の背面から出射したレーザ光１０ｂを入射することで行った。
【００３４】
図３にその結果を示す。図３（ａ）は上部電極２１及び下部電極２２として何れもチタン（Ｔｉ）を用いた場合、図３（ｂ）は上部電極２１としてＩＴＯ、下部電極２２としてチタン（Ｔｉ）を用いた場合の結果である。なお、図３に記載した時間は、光変調手段３０が電気光学結晶２０の上部電極２１と下部電極２２との間に電圧を印加した時間（電圧印加時間）を示している。
【００３５】
図３（ａ）に示すように、上部電極２１及び下部電極２２として何れもチタン（Ｔｉ）を用いた場合のビームプロファイル画像では、電圧印加時間が５分程度でビームが激しく乱れ、光損傷があることが確認された。
【００３６】
一方、図３（ｂ）に示すように、上部電極２１としてＩＴＯ、下部電極２２としてチタン（Ｔｉ）を用いた場合のビームプロファイル画像では、電圧印加時間８０分後においてもビームがほとんど乱れていない。これにより、上部電極２１と下部電極２２のうち少なくとも一方を、ＩＴＯ等の紫外光４０ａを透過する材料から構成することによる光損傷抑制効果が確認された。
【００３７】
このように、上部電極２１又は下部電極２２の少なくとも一方を透明電極にするなどして、紫外光４０ａが電気光学結晶２０内で散乱せず均一な照射分布とすることにより、光損傷を抑制することができる。
【００３８】
なお、電気光学結晶２０内を均一な照射分布にするための上記以外の例としては、すなわち散乱抑制手段の上記以外の例としては、電気光学結晶２０を紫外光４０ａを反射しない黒塗りや透明素材等のホルダで保持する方法を挙げることができる。又、紫外光光源４０を複数使用して照射分布をコントロールする方法を挙げることができる。
【００３９】
ここで、図４を参照しながら、紫外光光源４０を電気光学結晶２０の側面方向に設置する効果について説明する。図４は、電気光学結晶に対する紫外光照射方向について説明する図である。電気光学結晶２０に対する紫外光４０ａの照射方向は、図４（ａ）と図４（ｂ）の２方向が考えられる。そこで、図４（ａ）と図４（ｂ）のように２方向から電気光学結晶２０に対して紫外光４０ａの照射を行い、より低照射強度の紫外光４０ａで効率的に光損傷抑制効果が得られる照射方向を検討した。
【００４０】
電気光学結晶２０としては縦２５ｍｍ×横１０ｍｍ×厚さ０．３ｍｍのニオブ酸リチウム単結晶（ＬｉＮｂＯ３）を用い、電気光学結晶２０への印加電圧はＤＣ３００［Ｖ］とした。又、プローブ光源１０としてはＨｅＮｅレーザを用い、波長６３３ｎｍで照射エネルギー１ｍＷのレーザ光１０ａを電気光学結晶２０に照射した。又、紫外光光源４０から電気光学結晶２０に照射する紫外光４０ａの照射強度は６０ｍＷ／ｃｍ２とした。
【００４１】
この条件で、電気光学結晶２０を透過するレーザ光１０ａを光変調手段３０によって変調駆動し、電気光学結晶２０の背面から出射したレーザ光１０ｂのビーム形状の乱れから光損傷の程度を観察した。観察は電気光学結晶２０の直後にＣＣＤプロファイラを設置し、ＣＣＤプロファイラに電気光学結晶２０の背面から出射したレーザ光１０ｂを入射することで行った。
【００４２】
図５にその結果を示す。図５（ａ）は電気光学結晶２０に対して紫外光４０ａを照射しない場合（参考）、図５（ｂ）は電気光学結晶２０に対して側面から紫外光４０ａを照射した場合、図５（ｃ）は電気光学結晶２０に対して上面から紫外光４０ａを照射した場合の結果である。なお、図５に記載した時間は、光変調手段３０が電気光学結晶２０の上部電極２１と下部電極２２との間に電圧を印加した時間（電圧印加時間）を示している。
【００４３】
図５（ａ）に示すように、電気光学結晶２０に対して紫外光４０ａを照射しない場合のビームプロファイル画像では、電圧印加時間が８０分程度でビームが激しく乱れ、光損傷があることが確認された。一方、図５（ｂ）と図５（ｃ）とを比較すると、電気光学結晶２０に対して側面から紫外光４０ａを照射した場合の方が上面から照射した場合よりもビームの乱れが小さく、光損傷抑制の効果が大きいことが確認された。つまり、同量の照射強度であっても紫外光４０ａを照射する方向により、光損傷抑制の効果が異なることが確認された。
【００４４】
このように、電気光学結晶２０に照射する紫外光４０ａを１００ｍＷ／ｃｍ２未満の低照射強度（例えば、６０ｍＷ／ｃｍ２）にしても光損傷の抑制を確認できた。これにより、紫外光光源４０に発光ダイオード（ＬＥＤ）のような低照射強度（１００ｍＷ／ｃｍ２未満）の光源を採用できる可能性が見いだせた。紫外光光源４０に発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いることにより、光変調器１全体の低消費電力化や小型化が達成できる。
【００４５】
以上のように、上部電極２１又は下部電極２２の少なくとも一方を透明電極にするなどして、紫外光４０ａが電気光学結晶２０内で散乱せず均一な照射分布とすることにより、光損傷を抑制できる。更に、電気光学結晶２０に対して側面側から紫外光４０ａを照射することにより、いっそう光損傷を抑制できる。この際、数１０ｍＷ／ｃｍ２程度の低照射強度（１００ｍＷ／ｃｍ２未満）の紫外光でも光損傷抑制効果が得られる。
【００４６】
以上、好ましい実施の形態について詳説したが、上述した実施の形態に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態に種々の変形及び置換を加えることができる。
【符号の説明】
【００４７】
１  光変調器
１０  プローブ光源
１０ａ、１０ｂ  レーザ光
２０  電気光学結晶
２１  上部電極
２２  下部電極
３０  光変調手段
４０  紫外光光源
４０ａ  紫外光
【先行技術文献】
【特許文献】
【００４８】
【特許文献１】特開２００３−８４３２６号公報
【図１】
2013174744.tif 000003
【図２】
2013174744.tif 000004
【図４】
2013174744.tif 000005
【図３】
2013174744.tif 000006
【図５】
2013174744.tif 000007