JP2009048021A - Light deflection element and light deflection module - Google Patents

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Atsushi Sakai
篤 坂井
Shuichi Suzuki
修一 鈴木
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Ricoh Co Ltd
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  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a light deflection element which permit high-speed light beam deflection, is compact and can provide a large deflection angle. <P>SOLUTION: The deflection element has a light input part 111, a light distribution part 112, an optical waveguide array 113, a light output part 114, a control electrode 120 and the like on a substrate 110, distributes light inputted to the light input part to respective optical waveguides of the optical waveguide array by means of the light distribution part and imparts a retardation to light guided through the optical waveguide array 113 between waveguides with the control electrode 120 and so on to emit the light from the light output part. Therein, the optical waveguide array 113 is an array arrangement of at least two optical waveguides using high-refractive index difference optical waveguides, at least core 116 or the like is formed of material having an electrooptical effect, further, the respective waveguides have phase modulation structures having curved optical waveguide parts 118 with a curvature, and such phase modulation that the control electrode imparts to a guided light retardations different between the optical waveguides due to the electrooptical effect is performed for the phase modulation structures in the optical waveguide array. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

この発明は、光偏向素子および光偏向モジュールに関する。
この発明の光偏向素子・光偏向モジュールは、例えば、レーザプリンタ、画像形成装置などにおける光走査用の偏向手段として利用できる。
The present invention relates to an optical deflection element and an optical deflection module.
The light deflection element / light deflection module of the present invention can be used as, for example, a deflection means for optical scanning in a laser printer, an image forming apparatus, or the like.

電気光学効果を利用して光ビームを高速偏向させる素子として、相互に近接して互いに平行に配置した複数の光導波路の入力部に「同位相の波面を持つ光」を入射させ、電極による電気制御により、光導波路ごとの導波光に位相差を与えて光ビーム偏向を実現するものが知られている(特許文献1)。
特許文献1記載の素子は高速の光ビーム偏向が可能であるが、相互に近接して配置される複数の光導波路が直線状で、各光導波路を導波する光に位相差を与えるのに「光導波路ごとの電界作用領域の長さ」を相互に異ならせる構成であり、例えば、デジタル複写装置等の画像形成装置で光走査に必要な「40度以上の偏向角」を実現しようとすると、各導波路の長さが長大となり、素子自体が大型化することを避けられない。
As an element that deflects a light beam at high speed using the electro-optic effect, “light with the same phase wavefront” is made incident on the input portions of a plurality of optical waveguides arranged close to each other and parallel to each other. A device that realizes light beam deflection by giving a phase difference to guided light for each optical waveguide by control is known (Patent Document 1).
The element described in Patent Document 1 can deflect light beams at high speed, but a plurality of optical waveguides arranged in close proximity to each other are linear, and give a phase difference to light guided through each optical waveguide. The “length of the field effect region for each optical waveguide” is made different from each other. For example, when trying to realize “a deflection angle of 40 degrees or more” necessary for optical scanning in an image forming apparatus such as a digital copying apparatus. In addition, the length of each waveguide becomes long, and it is inevitable that the element itself becomes large.

特許第3224585号公報Japanese Patent No. 3224585

この発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、電気光学効果の利用により高速の光ビーム偏向が可能で、大きい偏向角を実現でき、なおかつコンパクトな光偏向素子の実現を課題とする。この発明はまた上記光偏向素子を用いる光偏向モジュールの実現を課題とする。   The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and it is an object of the present invention to realize a compact optical deflection element that can perform high-speed light beam deflection by utilizing the electro-optic effect, can realize a large deflection angle, and is compact. . Another object of the present invention is to realize an optical deflection module using the optical deflection element.

この発明の光偏向素子は「基板上に、光入力部と、光分配部と、光導波路アレイと、光出力部と、制御電極とを有し、光入力部に入力した光を光分配部により光導波路アレイの各光導波路に分配し、制御電極により、光導波路アレイを導波する光に、光導波路間で位相差を与えて光出力部から射出させる光偏向素子」であって以下の如き特徴を有する(請求項1)。   The light deflecting element according to the present invention has “a light input section, a light distribution section, an optical waveguide array, a light output section, and a control electrode on a substrate, and the light input to the light input section is a light distribution section. An optical deflecting element that distributes to each optical waveguide of the optical waveguide array by the control electrode and causes the light guided through the optical waveguide array to be phase-differed between the optical waveguides and emitted from the light output unit by the control electrode ” It has the following features (claim 1).

即ち、「光導波路アレイ」は、コアとクラッドが異なる材料で形成される高屈折率差光導波路による2本以上の光導波路のアレイ配列であって、少なくともコアが電気光学効果を有する材料で形成される。光導波路アレイは、各光導波路が「曲率をもつ曲がり光導波路部分」を持つ位相変調構造を有する。
「制御電極」は、光導波路アレイにおける位相変調構造に対して、電気光学効果により「光導波路間で異なる位相差」を導波光に与える位相変調を行う。
「高屈折率差光導波路」は、異なる材料で形成されるコアとクラッドとの屈折率差が大きい光導波路であり「HIC光導波路(High Index Contrast光導波路)」として知られている。この発明の光偏向素子に用いられる高屈折率差光導波路では、コアとクラッドのうち、少なくともコアは「電気光学効果を持つ材料」で形成される。制御電極による位相変調は、高屈折率差導波路におけるコア部の屈折率を、電気光学効果により変化させることにより行われる。
That is, the “optical waveguide array” is an array arrangement of two or more optical waveguides by a high refractive index difference optical waveguide formed of different materials for the core and the clad, and at least the core is formed of a material having an electro-optic effect. Is done. The optical waveguide array has a phase modulation structure in which each optical waveguide has a “curved optical waveguide portion having a curvature”.
The “control electrode” performs phase modulation on the phase modulation structure in the optical waveguide array by applying “different phase difference between the optical waveguides” to the guided light by the electro-optic effect.
The “high refractive index difference optical waveguide” is an optical waveguide having a large refractive index difference between a core and a clad formed of different materials, and is known as a “HIC optical waveguide (High Index Contrast optical waveguide)”. In the high refractive index difference optical waveguide used in the optical deflecting element of the present invention, at least the core of the core and the clad is formed of “a material having an electro-optic effect”. The phase modulation by the control electrode is performed by changing the refractive index of the core portion in the high refractive index difference waveguide by the electro-optic effect.

「曲がり光導波路部分」は、光導波路が、有限の曲率をもって滑らかに曲がる屈曲部により、2次元的もしくは3次元的に折畳まれた構造部分である。
高屈折率差光導波路は、導波光をコア内へ強く閉じ込める性質をもち、導波光をコア内に閉じ込める効果が大きいため「コアの断面積を小さくする」ことが可能になり、光導波路アレイの光出力部における光導波路相互の配列間隔を小さくできる。また、導波光がコア内への強く閉じ込められるので、光導波路を「大きな曲率を持たせて滑らかに曲げ」ても、曲がり部分での損失が実質的に生じないようにできる。
The “bent optical waveguide portion” is a structural portion in which the optical waveguide is folded two-dimensionally or three-dimensionally by a bent portion that bends smoothly with a finite curvature.
The high refractive index difference optical waveguide has the property of strongly confining the guided light in the core, and has a large effect of confining the guided light in the core, so it is possible to “reduce the cross-sectional area of the core”. The arrangement interval between the optical waveguides in the light output portion can be reduced. In addition, since the guided light is strongly confined in the core, even when the optical waveguide is “smoothly bent with a large curvature”, loss at the bent portion can be substantially prevented.

即ち、この発明の光偏向素子では、光導波路アレイを構成する個々の光導波路が高屈折率差光導波路であるため、コアを細くして2次元的または3次元的に折畳むようにすることにより、長い光導波路を「小さな領域」に配設でき、光導波路が長いにも拘らず光導波路アレイをコンパクトに構成できる。   That is, in the optical deflecting element of the present invention, each optical waveguide constituting the optical waveguide array is a high refractive index difference optical waveguide. Therefore, by thinning the core and folding it two-dimensionally or three-dimensionally A long optical waveguide can be arranged in a “small region”, and the optical waveguide array can be made compact despite the long optical waveguide.

このようにアレイ配列される各光導波路の長さを大きくできるので大きな偏向角を実現でき、位相変調に電気光学効果を利用することにより高速の光ビーム偏向が可能である。   Since the length of each optical waveguide arranged in the array can be increased in this way, a large deflection angle can be realized, and high-speed light beam deflection can be achieved by using the electro-optic effect for phase modulation.

なお、制御電極による位相変調制御により、偏向角:0度から最大偏向角:θmaxまで連続的に偏向させることができ、光偏向素子を例えば「デジタル複写装置の光走査用」に用いることができる。また、位相変調をオン/オフの2値あるいは多値で行うようにして光偏向素子を光スイッチング素子として使用することができる。 The phase modulation control by the control electrode can continuously deflect the deflection angle from 0 degree to the maximum deflection angle: θ max , and the optical deflection element is used for, for example, “for optical scanning of a digital copying apparatus”. it can. In addition, the optical deflection element can be used as an optical switching element by performing phase modulation with binary or multivalued on / off.

請求項1記載の光偏向素子における「光導波路アレイにおける各光導波路のコアの断面積:S」は、導波光波長:λ(真空中の伝搬に対する波長)に対して、条件:
S≦(1.5λ) (1)
の条件を満たすことが好ましい(請求項2)。
条件(1)を満足する高屈折率差光導波路は、導波光の「コア内への閉じ込め作用」が良好に行われる。
In the optical deflection element according to claim 1, "the cross-sectional area of the core of each optical waveguide in the optical waveguide array: S" is a condition with respect to the waveguide light wavelength: λ (wavelength for propagation in vacuum):
S ≦ (1.5λ) 2 (1)
It is preferable to satisfy the condition (Claim 2).
In the high refractive index difference optical waveguide satisfying the condition (1), the “confining action in the core” of the guided light is favorably performed.

請求項1または2記載の光偏向素子は、光導波路アレイの位相変調構造を構成する複数の曲がり光導波路部分に対し、制御電極が、曲がり光導波路部分ごとに個別に電界を作用させる構成となっていることができる(請求項3)。
請求項1〜3の任意の1に記載の光偏向素子における光入力部は「光結合構造」を有することが好ましい(請求項4)。光入力部に光結合構造を持たせることにより、入力光を効率よく光分配部に結合させることができる。
The optical deflection element according to claim 1 or 2 is configured such that the control electrode individually applies an electric field to each bent optical waveguide portion with respect to the plurality of bent optical waveguide portions constituting the phase modulation structure of the optical waveguide array. (Claim 3).
It is preferable that the light input portion in the optical deflection element according to any one of claims 1 to 3 has an “optical coupling structure” (claim 4). By providing the optical input unit with an optical coupling structure, the input light can be efficiently coupled to the optical distribution unit.

請求項1〜4の任意の1に記載の光偏向素子における光出力部の出力端は「モード変換光導波路構造」を有することが好ましい(請求項5)。このようにすることにより、光出力部の出力端から出力光を「より高効率」で取り出すことができる。
請求項1〜5の任意の1に記載の光偏向素子における光出力部における光導波路は「位相調整構造」を有することが好ましい(請求項6)。
It is preferable that the output end of the light output portion of the optical deflection element according to any one of claims 1 to 4 has a “mode conversion optical waveguide structure” (claim 5). In this way, output light can be extracted with “higher efficiency” from the output end of the light output unit.
It is preferable that the optical waveguide in the light output portion of the optical deflection element according to any one of claims 1 to 5 has a “phase adjustment structure” (claim 6).

請求項1〜6の任意の1に記載の光偏向素子における「光分配部」は、1入力多出力の光導波路スラブであることができ(請求項7)、請求項1〜7の任意の1に記載の光偏向素子における光分配部は「多段分岐構造」を有することができる(請求項8)。   The “light distribution part” in the optical deflection element according to any one of claims 1 to 6 can be a one-input multi-output optical waveguide slab (claim 7), and any one of claims 1 to 7. The light distribution unit in the optical deflection element according to claim 1 may have a “multistage branch structure”.

この発明の光偏向モジュールは、上記請求項1〜8の任意の1に記載の光偏向素子をモジュールの一部として用いる光学モジュールである(請求項9〜13)。
請求項9記載の光偏向モジュールは、請求項1〜8の任意の1に記載の光偏向素子の光入力部側および/または光出力部側に「他の光学要素」を有することを特徴とする。他の光学要素としては、例えば、光入力側に設けられる光源としての「光出力端を有する半導体レーザ」や、あるいは光出力側に設けられ、光偏向素子から出力される出力光に対してレンズ作用を作用させる平面レンズやマイクロレンズ、マイクロレンズアレイ等の屈折光学系や、あるいは出力光の光路を屈曲させる反射面等を例示することができる。
The optical deflection module according to the present invention is an optical module using the optical deflection element according to any one of the first to eighth aspects as a part of the module (inventions 9 to 13).
An optical deflection module according to claim 9 has “another optical element” on the light input part side and / or the light output part side of the optical deflection element according to any one of claims 1 to 8. To do. As another optical element, for example, a “semiconductor laser having a light output end” as a light source provided on the light input side, or a lens for output light provided on the light output side and output from the light deflection element Examples thereof include a refractive optical system such as a planar lens, a microlens, and a microlens array that act, a reflecting surface that bends the optical path of output light, and the like.

光入力側に光源として「光出力端を有する半導体レーザ」を設ける場合には、光偏向素子の光入力部における光入力端と半導体レーザの光出力端とを近接配置させるのが良い。
この場合、光出力端を有する半導体レーザは、光偏向素子の基板上に集積して設けることができる。
When a “semiconductor laser having a light output end” is provided as a light source on the light input side, the light input end in the light input portion of the light deflection element and the light output end of the semiconductor laser are preferably arranged close to each other.
In this case, the semiconductor laser having the optical output end can be integrated and provided on the substrate of the optical deflection element.

請求項10記載の光偏向モジュールは、請求項1〜8の任意の1に記載の光偏向素子と、この光偏向素子からの出力光を「光偏向素子による偏向平面に交わる方向」へ偏向させる偏向手段を有することを特徴とする。「光偏向素子による偏向平面」は、光偏向素子により偏向される光ビームが偏向に伴って掃引する仮想的な平面である。この請求項10記載の光偏向モジュールにおいても、光偏向素子の光入力部側および/または光出力部側に上記と同様の「他の光学要素」を有する構成とすることができる(請求項11)。
偏向手段としては、光偏向素子自体を偏向平面に交わる方向へ「機械的に揺動させるもの」、駆動により揺動させうる「揺動ミラー」、音響光学素子等を挙げることができる。
An optical deflection module according to claim 10 deflects the optical deflection element according to any one of claims 1 to 8 and output light from the optical deflection element in a “direction intersecting a deflection plane by the optical deflection element”. It has a deflection means. The “deflection plane by the light deflection element” is a virtual plane in which the light beam deflected by the light deflection element sweeps with deflection. The optical deflection module according to claim 10 can also be configured to have “other optical elements” similar to the above on the optical input portion side and / or the optical output portion side of the optical deflection element. ).
Examples of the deflecting means include “a mechanically oscillating element” in the direction intersecting the deflection plane itself, “an oscillating mirror” that can be oscillated by driving, an acoustooptic element, and the like.

請求項12記載の光偏向モジュールは、請求項1〜8の任意の1に記載の光偏向素子を複数個、一体的にアレイ配列してなる光偏向モジュールである。この請求項12記載の光偏向モジュールは、アレイ配列された複数個の光偏向素子の入力側を「結合用光導波路により結合」した構成とすることができる(請求項13)。   An optical deflection module according to a twelfth aspect is an optical deflection module in which a plurality of optical deflection elements according to any one of the first to eighth aspects are integrally arrayed. The optical deflection module according to claim 12 may be configured such that the input sides of a plurality of optical deflection elements arranged in an array are “coupled by a coupling optical waveguide”.

請求項11や12記載の光偏向モジュールにおける複数の光偏向素子の1以上に対し、光入力部側および/または光出力部側に、出力端を有する半導体レーザ等の光源や、平面レンズ等の屈折光学系や反射面等を設けることができ、更には、光偏向素子ごと、あるいはアレイ配列された複数の光偏向素子に共通に、上記偏向手段を設けることもできる。   A light source such as a semiconductor laser having an output end on the light input unit side and / or the light output unit side, a planar lens, or the like for one or more of the plurality of light deflection elements in the light deflection module according to claim 11 or 12 A refracting optical system, a reflecting surface, and the like can be provided. Further, the deflecting unit can be provided in common for each light deflecting element or for a plurality of light deflecting elements arranged in an array.

ここで、図1を参照して「従来から知られた光偏向素子」を例にとり、光ビーム偏向の原理を説明し、合わせて、この発明による改良点を説明する。
図1において、符号1は従来から知られた「光偏向素子」を示す。光偏向素子1は基板上に複数の光導波路を形成し「個々の光導波路に電界を印加する電極」を形成した構成となっている。
Here, the principle of light beam deflection will be described with reference to FIG. 1 using a “light deflection element known in the art” as an example, and the improvements made by the present invention will also be described.
In FIG. 1, reference numeral 1 denotes a conventionally known “light deflection element”. The optical deflection element 1 has a configuration in which a plurality of optical waveguides are formed on a substrate and “electrodes for applying an electric field to each optical waveguide” are formed.

図1に示された例では、4本の光導波路が互いに平行に近接して形成され、符号2A、2B、2C、2Dはこれら4本の光導波路の「コア」を示している。
4本の光導波路は「全て等しい長さ」で直線状に形成され、コア2A〜2Dは「電気光学効果を有する同一材質」で形成され、屈折率が互いに等しい。
In the example shown in FIG. 1, four optical waveguides are formed in close proximity to each other, and reference numerals 2A, 2B, 2C, and 2D indicate “cores” of these four optical waveguides.
The four optical waveguides are formed in a straight line with “all the same length”, the cores 2A to 2D are formed of “the same material having an electro-optic effect”, and have the same refractive index.

一方、符号3A、3B、3C、3Dで示す電極は帯状であって、対応する光導波路のコア部2A、2B、2C、2Dの「長さ方向の一部」を覆うように形成されている。電極3A〜3Dの長さは互いに異なり、電極3Aから3Dに向かって長さ(コア部に電界が作用する距離)が「LPの差で等差的」に小さくなっている。電極3A〜3Dに対する対向電極は、光導波路アレイを介してこれらの電極3A〜3Dと逆側に、電極3A〜3Dに共通化して1面として形成されている。   On the other hand, the electrodes indicated by reference numerals 3A, 3B, 3C, and 3D are strip-shaped and are formed so as to cover “parts in the length direction” of the core portions 2A, 2B, 2C, and 2D of the corresponding optical waveguides. . The lengths of the electrodes 3A to 3D are different from each other, and the length (distance at which the electric field acts on the core portion) decreases from the electrodes 3A to 3D by “equal difference due to LP difference”. The counter electrode for the electrodes 3A to 3D is formed as one surface in common with the electrodes 3A to 3D on the opposite side to the electrodes 3A to 3D through the optical waveguide array.

図1左方の光入力部から、図示されない光分配部を介して、光導波路のコア2A〜2Dに「進行方向に位相の揃った光」を同時に入射させる。このとき「電極3A〜3Dによる電界を光導波路に作用させないとき」は、導波光は各光導波路を「同速」で伝搬し、図の右方の光出力部から同位相の球面波として射出し、同位相の波面部分が強め合って「図の右方に向かう平面波」として伝搬する。   From the light input section on the left side of FIG. 1, “lights whose phases are aligned in the traveling direction” are simultaneously incident on the cores 2 </ b> A to 2 </ b> D of the optical waveguide through a light distribution section (not shown). At this time, when "the electric field by the electrodes 3A to 3D is not applied to the optical waveguide", the guided light propagates through each optical waveguide at "the same speed" and is emitted as a spherical wave having the same phase from the right light output portion in the figure. However, the wave front portions having the same phase strengthen each other and propagate as “a plane wave toward the right side of the figure”.

次に、電極3A〜3Dにより、光導波路に電界を作用させると、コアの電気光学効果により「電界が作用したコア部分の屈折率」が増大する。光が伝搬する媒質の屈折率をnとすると、媒質中における光の伝搬速度:Vは真空中の光速:Cに対して「V=C/n」である。光導波路のコア2A〜2Dにおける「電界の作用で屈折率が大きくなる部分」では光の伝搬速度が遅くなる。   Next, when an electric field is applied to the optical waveguide by the electrodes 3 </ b> A to 3 </ b> D, the “refractive index of the core portion where the electric field is applied” increases due to the electro-optic effect of the core. Assuming that the refractive index of the medium through which light propagates is n, the propagation speed of light in the medium: V is “V = C / n” with respect to the speed of light in vacuum: C. The light propagation speed is slow in the “part where the refractive index increases due to the action of the electric field” in the cores 2A to 2D of the optical waveguide.

コア2A〜2Dにおいて「作用する電界の大きさ」は互いに等しく、電気光学効果による屈折率変化:dnも互いに等しいので、電界の作用がないときの各コアの屈折率をnとすれば、屈折率の変化したコア部分における導波光の伝搬速度:V’は「V’=C/(n+dn)」となって互いに等しいが、電界の作用する距離が長いほど「この距離を伝搬する時間」が長くなる。   In the cores 2 </ b> A to 2 </ b> D, the “magnifying electric field magnitudes” are equal to each other, and the refractive index change due to the electro-optic effect: dn is also equal to each other. Propagation speed of guided light in the core portion where the rate is changed: V ′ is equal to “V ′ = C / (n + dn)”. However, the longer the distance that the electric field acts, the longer the “time to propagate this distance”. become longer.

コアに対して「電界を作用させる距離」は、電極3A〜3Dの順に小さくなる。従って、同位相でコア部2A〜2Dに入射した光は、電極3A〜3Dにより「電極の長さに応じたコア部分」に電界を作用されると、コア2Dの側からコア2Aの側に向かって「コアを導波する時間」が順次、等差的に長くなり、同位相の波面はコアの長さ方向に分離する。   The “distance for applying an electric field” to the core decreases in the order of the electrodes 3A to 3D. Accordingly, when the light incident on the core portions 2A to 2D in the same phase is subjected to an electric field on the “core portion corresponding to the length of the electrode” by the electrodes 3A to 3D, from the core 2D side to the core 2A side. The “time to guide the core” gradually increases toward the core, and the wave fronts having the same phase are separated in the length direction of the core.

例えば、コア2Aを導波する光の波面が光出力部に到達するとき、この波面と同位相の波面をもつ光は、コア2B〜2Dでは既に光出力部から射出しており、各射出光における同位相波面の「光出力部からの距離」はコア2A〜2Dの順に「等差的に大きく」なる。   For example, when the wavefront of the light guided through the core 2A reaches the light output unit, the light having the same phase as the wavefront has already been emitted from the light output unit in the cores 2B to 2D. The “distance from the light output portion” of the in-phase wavefront in “increases in an equal manner” in the order of the cores 2A to 2D.

このため、コア2A〜2Dから射出する球面波の「同位相の波面の部分が強め合」い、図の如く、偏向角:θで偏向する平面波(「偏向された光ビーム」)が得られる。   For this reason, the spherical waves emitted from the cores 2A to 2D are “in-phase wavefront portions are intensified”, and as shown in the drawing, a plane wave (“deflected light beam”) deflected at a deflection angle θ is obtained. .

図1の光偏向素子の構造で、位相変調部分(電界が作用される部分)での屈折率変化量:dn、電界の作用する領域の長さの差:LP、出力部における「隣接するコア部」の中心間隔:dに対し、偏向光ビームの偏向角:θは、
θ∝dn・LP/d (A)
のように「dn・LP/d」と比例的な関係にある。
式(A)から明らかなように、偏向角:θを大きくする方法としては、屈折率変化量:dnおよび/または位相変調部分の長さの差:LPを大きくし、あるいは、出力光導波路のコア中心間隔:dを小さくする方法がある。
In the structure of the optical deflection element in FIG. 1, the refractive index change amount at the phase modulation portion (the portion to which the electric field is applied): dn, the difference in the length of the region on which the electric field acts: LP, The deflection angle of the deflected light beam: θ
θ∝dn · LP / d (A)
Thus, it is proportional to “dn · LP / d”.
As apparent from the equation (A), as a method of increasing the deflection angle: θ, the refractive index change amount: dn and / or the length difference of the phase modulation portion: LP is increased, or the output optical waveguide There is a method of reducing the core center interval d.

先ず、LPを大きくする場合を考えると、光偏向素子に形成する光導波路の本数がm本である場合、電界を作用させるべき電極の長さは「最も短いもの」と「最も長いもの」とで「LP(m−1)」だけ異なるから、最も長い電極は、最も短い電極よりも「LP(m−1)」だけ長くなる。前述の如く、光偏向素子に形成される複数の光導波路は互いに長さが等しいことが必要であるから、上記LPを大きくすると「LP・(m−1)」が大きくなるに従い各光導波路の長さも大きくなり、結局は光偏向素子が大型化してしまう。   First, considering the case of increasing the LP, when the number of optical waveguides formed in the optical deflection element is m, the length of the electrode on which the electric field should be applied is “shortest” and “longest”. Therefore, the longest electrode is longer than the shortest electrode by “LP (m−1)”. As described above, the plurality of optical waveguides formed in the optical deflecting element must have the same length. Therefore, when the LP is increased, each of the optical waveguides increases as “LP · (m−1)” increases. The length also increases, and the optical deflection element eventually becomes larger.

次に、屈折率変化:dnを大きくする方法の場合は、電気光学効果を持つ材料の電気光学定数の制約がある。たとえば、ニオブ酸リチウムのような電気光学効果をもつ光学結晶では「電気光学効果による最大の屈折率変化は0.001程度」が一般的である。これよりも大きな屈折率変化を与える材料も知られてはいるが、入手しにくく材料自体のコストも高くなる。   Next, in the method of increasing the refractive index change: dn, there is a restriction on the electro-optic constant of a material having an electro-optic effect. For example, in an optical crystal having an electro-optic effect such as lithium niobate, “the maximum refractive index change due to the electro-optic effect is generally about 0.001”. Although materials that give a larger refractive index change are known, they are difficult to obtain and the cost of the materials themselves increases.

光出力部における隣接導波路間の間隔:dを小さくする方法の場合、光導波路相互をそのコアの幅よりも小さく近接させることは困難であり、コア相互が近接しすぎると「導波光のクロストーク」が生じる。従来の「電気光学効果を用いた光導波路」では、クロストークの発生を抑えるために「隣接光導波路間の距離を10μm程度以下にする」ことができなかった。
この発明の光偏向素子は上述した構成により、素子の小型化と大きな偏向角とを実現するものであり、この課題と達成するために、光導波路として「高屈折率差光導波路」を用いる。後述するように、高屈折率差導波路は「コア内に光(導波光)を閉じ込める効果」が大きく、導波光は「コア外に漏れ出し難」い。このような性質のため「コア径を従来のものに比して格段と小さくする」ことができ、光出力部において「光導波路相互の間隔:d」を従来のものよりも格段に小さくできる。
In the case of the method of reducing the distance between adjacent waveguides in the optical output portion: d, it is difficult to bring the optical waveguides closer to each other than the width of the core. Talk "occurs. In the conventional “optical waveguide using the electro-optic effect”, it was not possible to “set the distance between adjacent optical waveguides to about 10 μm or less” in order to suppress the occurrence of crosstalk.
The optical deflecting element of the present invention realizes downsizing of the element and a large deflection angle with the above-described configuration. In order to achieve this problem, a “high refractive index difference optical waveguide” is used as the optical waveguide. As will be described later, the high refractive index difference waveguide has a large “effect of confining light (guided light) in the core”, and the guided light is difficult to leak out of the core. Due to such a property, the “core diameter can be made much smaller than the conventional one”, and “the distance between the optical waveguides: d” can be made much smaller than the conventional one at the light output portion.

また、光導波路のコアを細くして「光導波路を2次元的または3次元的に折畳む」ようにしても、折畳むための屈曲部が「有限の曲率をもつ滑らかな曲がり」であれば、屈曲部の曲率が極端に大きくならない限り、屈曲部からの「導波光の漏れ出し」を実質上防止することができる。   Also, even if the core of the optical waveguide is thinned and “the optical waveguide is folded two-dimensionally or three-dimensionally”, if the bent portion for folding is “smooth bend with finite curvature”, As long as the curvature of the bent portion does not become extremely large, it is possible to substantially prevent “leakage of guided light” from the bent portion.

従って、光導波路を2次元的または3次元的に折畳んで「曲がり光導波路部分」を形成することにより、この曲がり光導波路部分で「大きな偏向角実現に必要な光導波路長さ」を確保でき、長い光導波路を「小さな領域」に配設できるので、光導波路が長いにもかかわらず光導波路アレイをコンパクトに構成でき、大きな偏向角を実現できるとともに光偏向素子の小型化を実現できる。   Therefore, by folding the optical waveguide two-dimensionally or three-dimensionally to form a “bent optical waveguide portion”, the “optical waveguide length necessary for realizing a large deflection angle” can be secured in this bent optical waveguide portion. Since a long optical waveguide can be disposed in a “small region”, the optical waveguide array can be configured compactly even though the optical waveguide is long, a large deflection angle can be realized, and the optical deflection element can be miniaturized.

ここで、高屈折率差光導波路とその特性について説明する。
図2は、高屈折率差光導波路の「光導波路に直交する断面」における状態を説明図的に示している。図2左図の符号101は基板、符号102はコア、符号103はクラッドを示している。図2右図は同左図の「A1−A2断面」における屈折率分布を示している。コア102は屈折率:n、クラッド103は屈折率:nである。この例では、基板101とクラッド103は同一材料であり、従って、基板101も屈折率:nである。
Here, the high refractive index difference optical waveguide and its characteristics will be described.
FIG. 2 illustrates the state of the “cross section perpendicular to the optical waveguide” in the high refractive index difference optical waveguide. In FIG. 2, reference numeral 101 denotes a substrate, reference numeral 102 denotes a core, and reference numeral 103 denotes a clad. The right diagram in FIG. 2 shows the refractive index distribution in the “A1-A2 cross section” in the left diagram. The core 102 has a refractive index: n 1 , and the cladding 103 has a refractive index: n 2 . In this example, the substrate 101 and cladding 103 are the same material, therefore, the substrate 101 may refractive index: is n 2.

コア102はクラッド103により囲繞されている。コア102とクラッド103の屈折率の大小関係は「n>n」で、これら屈折率の差が大きくなるような材料が選択される。コア・クラッド間の屈折率差が大きくなると、コアへの「導波光の閉じ込め」が強力になり、導波光の漏洩が実質的に無い「曲がり光導波路部分」を形成できる。 The core 102 is surrounded by the clad 103. The magnitude relationship between the refractive indexes of the core 102 and the clad 103 is “n 1 > n 2 ”, and a material that increases the difference between these refractive indexes is selected. When the difference in refractive index between the core and the clad increases, the “guided light confinement” in the core becomes stronger, and a “curved optical waveguide portion” that does not substantially leak guided light can be formed.

クラッド103は「同じ材料でコア102を覆う必要」は必ずしもない。「コアと比較して屈折率が低い材料」を複数用いても良く、クラッドとして空気を用いても良い。図2は、製作の容易さの観点から「矩形形状のコア断面」を示しているが、断面形状は円形でも多角形形状でも良い。   The clad 103 is not necessarily “necessary to cover the core 102 with the same material”. A plurality of “materials having a refractive index lower than that of the core” may be used, and air may be used as the cladding. FIG. 2 shows a “rectangular core cross section” from the viewpoint of ease of manufacture, but the cross sectional shape may be circular or polygonal.

「高屈折率差光導波路」を用いると、導波光はコア内部に極めて強く閉じ込められるため、光導波路の断面積を小さくすることが可能となり「光導波路相互の間隔」を小さくできる。また、μmオーダの微小な曲率半径の屈曲部でも「屈曲部での導波光漏洩による損失(以下、「曲がり損失」と言う。)」が殆んど無く、柔軟な光導波路配線が可能で、コンパクトな光導波路回路を構成できる。   When the “high refractive index difference optical waveguide” is used, the guided light is confined very strongly inside the core, so that the cross-sectional area of the optical waveguide can be reduced, and the “interval between optical waveguides” can be reduced. In addition, there is almost no “loss due to waveguide light leakage at the bent portion (hereinafter referred to as“ bending loss ”)” even in a bent portion with a small radius of curvature of the order of μm, and flexible optical waveguide wiring is possible. A compact optical waveguide circuit can be configured.

「高屈折率差光導波路」は、極めて大きな屈折率差をもつ材料を組合せてコアとクラッドを形成した光導波路である。
前述の如く、コアの屈折率:n、クラッドの屈折率:nに対し、「コアとクラッドの屈折率差を表すパラメータ」である比屈折率差:Δは次式で定義される。
The “high refractive index difference optical waveguide” is an optical waveguide in which a core and a clad are formed by combining materials having an extremely large refractive index difference.
As described above, relative refractive index difference: Δ, which is a “parameter representing the refractive index difference between the core and the clad”, is defined by the following equation with respect to the refractive index of the core: n 1 and the refractive index of the clad: n 2 .

Δ=(n −n )/2n 式(B)
比屈折率差:Δは「光導波路の性能を表す目安」として用いることができ、この値:Δが大きいほど、導波光は「コア内に強く閉じ込め」られる。
「石英で形成される光ファイバや、ニオブ酸リチウムにチタン拡散で形成した光導波路のような従来の光導波路」では、比屈折率差:Δは1%以下であるが、高屈折率差光導波路では比屈折率差:Δを10%以上とすることが可能である。
Δ = (n 1 2 -n 2 2) / 2n 1 2 formula (B)
The relative refractive index difference: Δ can be used as “a guideline representing the performance of the optical waveguide”, and the larger this value: Δ, the more strongly the guided light is “confined in the core”.
In a “conventional optical waveguide such as an optical fiber made of quartz or an optical waveguide formed by lithium diffusion in lithium niobate”, the relative refractive index difference: Δ is 1% or less, but the high refractive index difference light In the waveguide, the relative refractive index difference: Δ can be 10% or more.

たとえば、コアの屈折率:2.2、クラッドの屈折率:1.45では比屈折率差:Δは28%となり、通常の光導波路に比して極めて大きな値となる。このような屈折率構成となる材料としては、コアに「電気光学効果を有するニオブ酸リチウム単結晶材料」、クラッドに「石英などのガラス構造材料」を用いることができる。   For example, when the refractive index of the core is 2.2 and the refractive index of the cladding is 1.45, the relative refractive index difference: Δ is 28%, which is an extremely large value as compared with a normal optical waveguide. As a material having such a refractive index configuration, a “lithium niobate single crystal material having an electro-optic effect” can be used for the core, and a “glass structural material such as quartz” can be used for the cladding.

図3は、高屈折率差光導波路のコアの大きさ(横軸:μm単位)と等価屈折率(縦軸)の関係を求めたシミュレーション結果を示す。シミュレーションは「3次元光ビーム伝搬法」を用いて計算を行った。コアの屈折率:2.2、クラッドの屈折率:1.45とし、コアの断面形状を正方形形状(Core width=Core height)とし、導波光の波長:850nmとしたシミュレーション結果である。   FIG. 3 shows a simulation result in which the relationship between the core size (horizontal axis: μm unit) of the high refractive index difference optical waveguide and the equivalent refractive index (vertical axis) is obtained. The simulation was performed using the “three-dimensional light beam propagation method”. This is a simulation result in which the refractive index of the core is 2.2, the refractive index of the cladding is 1.45, the cross-sectional shape of the core is a square shape (Core width = Core height), and the wavelength of the guided light is 850 nm.

コア幅(横軸)が大きくなるに従い「中央に電界のピークをもつ伝搬光である0次モード」の等価屈折率は大きくなり、ある幅(破線で示す)になると「異なる電界分布を持つ1次モード」が存在し始める。「0次モードのみが存在する幅」をシングルモード伝搬領域として活用でき、異モード間の干渉が生じない波面を形成するためには「シングルモード領域」を利用すればよい。   As the core width (horizontal axis) increases, the equivalent refractive index of “0th-order mode, which is propagating light having an electric field peak in the center” increases. The “next mode” begins to exist. The “width in which only the 0th-order mode exists” can be used as a single mode propagation region, and the “single mode region” may be used to form a wavefront in which interference between different modes does not occur.

シングルモード領域を与える導波路幅の最大値が、この発明の光偏向素子で用いる高屈折率差光導波路の最大コア幅となる。このシミュレーションでは、最大コア幅は440nmと算出され、これから「サブミクロン幅のコア断面」という極めて細い光導波路が使用可能となる。
「比屈折率差:Δが1%程度である従来の光導波路」では、シングルモードを与えるコア幅は数μmから10μm程度を必要とする。これに対し、高屈折率差光導波路のサブミクロンのコア幅は極めて小さいことがわかる。この発明の光偏向素子では高屈折率差光導波路を用いることにより「従来の光導波路を用いる場合と比較して、隣接光導波路間の距離をより狭める」ことができる。
The maximum value of the waveguide width giving the single mode region is the maximum core width of the high refractive index difference optical waveguide used in the optical deflection element of the present invention. In this simulation, the maximum core width is calculated to be 440 nm, and from this, an extremely thin optical waveguide called “submicron-wide core cross section” can be used.
In the “conventional optical waveguide having a relative refractive index difference: Δ of about 1%”, the core width for providing a single mode needs to be about several μm to 10 μm. In contrast, it can be seen that the submicron core width of the high refractive index difference optical waveguide is extremely small. In the optical deflection element of the present invention, by using the high refractive index difference optical waveguide, “the distance between adjacent optical waveguides can be further narrowed compared with the case of using the conventional optical waveguide”.

図4は、高屈折率差光導波路に対する前述の「曲がり損失」に関するシミュレーション結果を示している。このシミュレーションでは「3次元の時間領域差分(FDTD)法」を用いて計算を行った。コアの屈折率:2.2、クラッドの屈折率:1.45、1辺の長さ:0.4μm(図中のw=h=400nm)の「正方形形状のコア断面」を持つ光導波路に対し、波長:850nmの光が導波するものとして計算した。図4において、横軸は「曲率半径」、縦軸が「損失」を表す。   FIG. 4 shows a simulation result regarding the above-mentioned “bending loss” with respect to the high refractive index difference optical waveguide. In this simulation, calculation was performed using the “three-dimensional time domain difference (FDTD) method”. For an optical waveguide having a “square core cross section” having a core refractive index of 2.2, a cladding refractive index of 1.45, and a side length of 0.4 μm (w = h = 400 nm in the figure). On the other hand, calculation was performed assuming that light having a wavelength of 850 nm is guided. In FIG. 4, the horizontal axis represents “curvature radius” and the vertical axis represents “loss”.

基板表面(クラッドの形成される面)に平行な電界をもつ「TEモード(図中の「TEmode」)に対しても、基板表面に直交する垂直な電界を持つTMモード(図中の「TMmode」)に対しても曲率半径:3μm以上では「曲がり損失」は0.1dB以下になる。従って、高屈折率差光導波路を用いることにより、曲がり損失を実質的に発生させずに「曲がり光導波路部分の屈曲部の曲率半径」を数μmと小さくできる。   A TM mode ("TMmode" in the figure) having an electric field perpendicular to the substrate surface is also applied to a "TE mode (" TEmode "in the figure)" having an electric field parallel to the substrate surface (surface on which the clad is formed). ")", When the radius of curvature is 3 μm or more, the “bending loss” is 0.1 dB or less. Therefore, by using a high refractive index difference optical waveguide, the “curvature radius of the bent portion of the bent optical waveguide portion” can be reduced to several μm without substantially generating a bending loss.

従来の光導波路では「曲がり損失を無視できる曲率半径」は数mmから数cmのオーダであるから、この発明の光偏向素子では従来の光導波路に対して「1/1000以下の曲率半径」の曲がり光導波路部分を構成できる。即ち、この発明の光偏向素子は、大きい偏向角を実現するために必要な「長い光導波路」を、2次元的または3次元的に光導波路を折畳んだ「曲がり光導波路部分」とすることにより極めてコンパクトな光導波路アレイを実現できる。   In the conventional optical waveguide, the “curvature radius with negligible bending loss” is on the order of several millimeters to several centimeters. Therefore, the optical deflection element of the present invention has a “radius of curvature less than 1/1000” with respect to the conventional optical waveguide. A bent optical waveguide portion can be formed. That is, in the optical deflection element of the present invention, the “long optical waveguide” necessary for realizing a large deflection angle is a “bent optical waveguide portion” in which the optical waveguide is folded two-dimensionally or three-dimensionally. Therefore, an extremely compact optical waveguide array can be realized.

高屈折率差光導波路はまた「シングルモードを与える導波路の断面積が極めて小さい」と言う特徴を有している。
図5は、比屈折率差:Δ(横軸)と「断面形状が正方形形状のコアの幅を波長で規格化した値(縦軸)」との関係をシミュレーションで求めた結果を示す。波長で規格化されたコア幅(縦軸)が波長程度以下であると、比屈折率差:Δ(横軸)に対して「波長で規格化されたコア幅」は対数的に大きく変化する。即ち、高屈折率差光導波路は「真空中における光波長:λと同程度の幅のコアを持つ光導波路」として構成できる。
The high refractive index difference optical waveguide also has a feature that “the cross-sectional area of the waveguide providing a single mode is extremely small”.
FIG. 5 shows the result of a simulation for determining the relationship between the relative refractive index difference: Δ (horizontal axis) and the “value obtained by normalizing the width of the core having a square cross-sectional shape with the wavelength (vertical axis)”. When the core width normalized by the wavelength (vertical axis) is less than or equal to the wavelength, the “core width normalized by wavelength” varies greatly logarithmically with respect to the relative refractive index difference: Δ (horizontal axis). . That is, the high refractive index difference optical waveguide can be configured as “an optical waveguide having a core having a width comparable to that of a light wavelength in vacuum: λ”.

図5に示すように、高屈折率差光導波路のコア断面積:Sは、これを正方形形状に換算して波長:λに対し「(1.5λ)以下」であることが好ましく、より好ましくは(1.0λ)以下である。(1.0λ)以下では比屈折率差:Δが8%以上になる。 As shown in FIG. 5, the core cross-sectional area: S of the high refractive index difference optical waveguide is preferably “(1.5λ) 2 or less” with respect to the wavelength: λ when converted into a square shape, Preferably, it is (1.0λ) 2 or less. When (1.0λ) is 2 or less, the relative refractive index difference: Δ is 8% or more.

このように、光偏向素子に高屈折率差光導波路を用いることで、光導波路のコア断面積を小さくできるので、隣接するコアを波長程度の間隔にまで近接させることができ、曲がり光導波路部分の「屈曲部の曲率半径」をμmオーダにまで小さくすることも可能となるので、自由な光導波路配線により光導波路アレイをコンパクトに構成できる。   Thus, by using a high refractive index difference optical waveguide for the optical deflecting element, the core cross-sectional area of the optical waveguide can be reduced, so that adjacent cores can be brought close to an interval of about the wavelength, and the bent optical waveguide portion It is also possible to reduce the “curvature radius of the bent portion” to the order of μm, so that the optical waveguide array can be made compact by free optical waveguide wiring.

この発明の光偏向素子における高屈折率差光導波路は、上述の如く「少なくともコアが電気光学効果を持つ材料」で形成される。
電気光学効果を持つ材料としては、前記「ニオブ酸リチウム」を代表例として挙げることができるが、他の「非線形光学係数が大きい材料」を用いることもでき、光学結晶以外にも半導体や有機材料などを用いることができる。代表的な非線形光学材料としては、上記ニオブ酸リチウムやニオブ酸チタン、KTP、KTN、KDP、ADP、SBN等の光学結晶、GaAs、InAs、InSb、GaSb、ZnOなどの半導体、もしくはPZT、PZLT等のセラミックス、さらにアゾ色素、スチルベンゼン色素、ダストなどの有機分子または有機結晶などを用いることができる。これらは例示であり、材料を限定するものではない。
The high refractive index difference optical waveguide in the optical deflection element of the present invention is formed of “a material having at least a core having an electro-optic effect” as described above.
As a material having an electro-optic effect, the above-mentioned “lithium niobate” can be cited as a representative example, but other “materials having a large non-linear optical coefficient” can also be used. In addition to optical crystals, semiconductors and organic materials Etc. can be used. Typical nonlinear optical materials include optical crystals such as lithium niobate and titanium niobate, KTP, KTN, KDP, ADP, and SBN, semiconductors such as GaAs, InAs, InSb, GaSb, and ZnO, or PZT, PZLT, and the like. Ceramic molecules, azo dyes, stilbenzene dyes, organic molecules such as dust, organic crystals, and the like can be used. These are examples, and the material is not limited.

以上に説明したように、この発明によれば、偏向角が大きくコンパクトな光偏向素子を実現できる。そして、この光偏向素子を用いて「光ビームを大きい偏向角で偏向させる」ことのできる光偏向モジュールを実現できる。この発明の光偏向素子・光偏向モジュールは、レーザプリンタ、画像生成装置などに利用した場合、高速での光ビーム偏向が可能であるので、従来のこの種装置と比較して、高速プリンティングや高精細描画といった高性能化が可能となる。また、導波光の位相変化の自由度を大きくすることもでき、高速で画像制御の容易な画像形成装置や光造形が可能である。   As described above, according to the present invention, a compact optical deflection element having a large deflection angle can be realized. An optical deflection module capable of “deflecting the light beam with a large deflection angle” can be realized using the optical deflection element. The optical deflecting element / optical deflecting module of the present invention is capable of deflecting light beams at a high speed when used in laser printers, image generating apparatuses, and the like. High performance such as fine drawing becomes possible. Further, the degree of freedom of phase change of the guided light can be increased, and an image forming apparatus and optical modeling that can easily perform image control at high speed are possible.

以下、実施の形態を説明する。
図6に、光偏向素子の実施の基本的な形態を模式的に示す。
基板110上に、光入力部111、光分配部112、光導波路アレイ113、光出力部114が形成されている。光分配部112以外の「線状の部分」は光導波路のコアを示している。導波路の断面形状は、例えば、図2に示した如き形状である。光入力部111に入力された光は、光分配部112により光導波路アレイ113の各導波路に分配される。
Hereinafter, embodiments will be described.
FIG. 6 schematically shows a basic form of implementation of the optical deflection element.
On the substrate 110, an optical input unit 111, an optical distribution unit 112, an optical waveguide array 113, and an optical output unit 114 are formed. “Linear portions” other than the light distribution portion 112 indicate the core of the optical waveguide. The cross-sectional shape of the waveguide is, for example, as shown in FIG. The light input to the light input unit 111 is distributed to each waveguide of the optical waveguide array 113 by the light distribution unit 112.

光導波路アレイ113は、コアとクラッドが異なる材料で形成される高屈折率差光導波路(以下、単に「光導波路」とも言う)であり、少なくともコアは電気光学効果を有する材料で形成されている。図では「4本の光導波路(コア116、117、118、119を有する)」が示されているが、「アレイ配列する光導波路数」は光偏向素子の性能に応じて適宜に設定できる。図の例では、入力光は光分配部112により4本のコア116〜119に分配されて導波する。クラッドは、上記4本のコアを共通に囲繞している。   The optical waveguide array 113 is a high refractive index difference optical waveguide (hereinafter also simply referred to as “optical waveguide”) formed of a material having a different core and clad, and at least the core is formed of a material having an electro-optic effect. . In the figure, “four optical waveguides (having cores 116, 117, 118, and 119)” are shown, but “the number of optical waveguides arranged in an array” can be appropriately set according to the performance of the optical deflection element. In the example shown in the figure, the input light is distributed and guided to four cores 116 to 119 by the light distribution unit 112. The clad surrounds the four cores in common.

光導波路アレイを構成する各光導波路は、何れも曲率を持つ曲がり光導波路部分115(図の煩雑を避けるため「1つの曲がり光導波路部分」を代表させて符号を付する。以下の図においても同様である。)を複数箇ずつ(図の例では4個ずつ)有し、これらの曲がり光導波路部分を含む領域に「位相変調構造」が設定されている。   Each of the optical waveguides constituting the optical waveguide array is given a reference symbol representing the curved optical waveguide portion 115 having a curvature (“one curved optical waveguide portion” for the sake of avoiding the complexity of the drawing). The same is true), and a “phase modulation structure” is set in a region including these bent optical waveguide portions.

光導波路アレイ113を構成する光導波路の「全導波路長」は、全ての光導波路において等しいが、位相変調を与える長さ(電気光学効果による屈折率変化を与えるための電界を作用させる長さ)は光導波路ごとに異なる。この「位相変調を与える部分の光導波路長さ」を光導波路ごとに異ならせる方法として、制御電極の構成を調整している。   The “total waveguide length” of the optical waveguides constituting the optical waveguide array 113 is the same for all the optical waveguides, but the length for applying phase modulation (the length for applying an electric field for changing the refractive index due to the electro-optic effect). ) Differs for each optical waveguide. The configuration of the control electrode is adjusted as a method of changing the “optical waveguide length of the portion to which phase modulation is applied” for each optical waveguide.

制御電極は、図面に直交する方向に於いて「光導波路アレイ113を挟む」ように形成されており、基板表面に形成される電極(「下部電極」という。)は光導波路アレイ113を構成する全光導波路に共通化された1層の金属膜である。下部電極とともに光導波路アレイ113を挟む「上部電極」は、図の如く、4つの電極部分121、122、123、124に分割されている。   The control electrode is formed so as to “pinch the optical waveguide array 113” in a direction orthogonal to the drawing, and an electrode (referred to as a “lower electrode”) formed on the substrate surface constitutes the optical waveguide array 113. This is a single-layer metal film shared by all optical waveguides. The “upper electrode” sandwiching the optical waveguide array 113 together with the lower electrode is divided into four electrode portions 121, 122, 123, 124 as shown in the figure.

これら電極部分121、122、123、124のうちの、電極部分121は、コア116を持つ光導波路の「4つの曲がり光導波路部分」に電界を作用できるように配置され、電極部分122は、コア117を持つ光導波路の「3つの曲がり光導波路部分」に電界を作用させることができるように配置され、電極123は、コア118を持つ光導波路の「2つの曲がり光導波路部分」に電界を作用させることができるように配置され、電極124は、コア119を持つ光導波路の「1つの曲がり光導波路部分」に電界を作用させることができるように配置されている。   Of these electrode portions 121, 122, 123, and 124, the electrode portion 121 is arranged so that an electric field can be applied to “four bent optical waveguide portions” of the optical waveguide having the core 116. The electrode 123 is arranged so that an electric field can be applied to the “three bent optical waveguide portions” of the optical waveguide having 117, and the electrode 123 acts on the “two bent optical waveguide portions” of the optical waveguide having the core 118. The electrode 124 is arranged so that an electric field can be applied to “one bent optical waveguide portion” of the optical waveguide having the core 119.

このように「光導波路に電界が作用する領域」は、曲がり光導波路部分の形成されている領域に、光導波路ごとに設定されている。1つの曲がり光導波路部分115の長さを、前述の「位相変調部分の長さの差を表すパラメータ:LP」とすると、コア116、117、118、119に対して、電極部分121、122、123、124による電界作用長さは、4LP、3LP、2LP、LPのようにLPずつ短くなる。   Thus, the “region where the electric field acts on the optical waveguide” is set for each optical waveguide in the region where the bent optical waveguide portion is formed. Assuming that the length of one bent optical waveguide portion 115 is the aforementioned “parameter representing the difference in length of the phase modulation portion: LP”, the electrode portions 121, 122, The field action lengths by 123 and 124 are reduced by LP, such as 4LP, 3LP, 2LP, and LP.

これらの電極部分121〜124により「対応する曲がり光導波路部分のコア」に電界が作用されると、電界の作用したコア部分の屈折率(上に説明したように、光導波路は少なくともコアが電気光学効果を有する材料で形成されている。)」が僅かに変化する。この変化により、それぞれの光導波路を伝搬する光の波面に位相差が生じ、各光導波路から射出する光の波面にずれを生じさせ出力光である光ビームを偏向させることができる。   When an electric field is applied to the “corresponding bent optical waveguide part core” by these electrode parts 121 to 124, the refractive index of the core part to which the electric field is applied (as described above, at least the core of the optical waveguide is electrically It is made of a material having an optical effect.) "Changes slightly. Due to this change, a phase difference is generated in the wavefronts of the light propagating through the respective optical waveguides, and the wavefronts of the light emitted from the respective optical waveguides are shifted to deflect the light beam as the output light.

光導波路アレイは光出力部114において、その光導波路間隔を距離:dに接近させて光を出力する。出力される光は「電界の作用による位相差を発生させない場合」は、出力光は方向:aに進み、電圧印加により電界を作用させると、出力光は「方向:aに対して偏向角:θだけ傾いた」方向:bへ進む。
偏向角:θは前述の如く「dn・LP/d」に応じて定まる。
In the optical output array 114, the optical waveguide array outputs light by making the optical waveguide interval close to the distance d. The output light proceeds in the direction: a when the phase difference due to the action of the electric field is not generated. When the electric field is applied by applying a voltage, the output light is “deflection angle with respect to the direction: a: "Inclined by θ" direction: go to b.
The deflection angle: θ is determined according to “dn · LP / d” as described above.

ここで、図6に示した実施の形態に対する「具体的な数値例」を挙げ、従来例と対比する。
図1に示した従来の光偏向素子1では、隣接する光導波路の間隔:dは、光導波路相互での干渉が生じないようにするために「コアとコアの間隙としてコア幅程度が必要」であった。従来の光導波路におけるコア幅:10μmに対し、高屈折率差光導波路ではコア幅:0.5μmが可能であるから、この発明の光偏向素子に用いる光導波路アレイでは、光導波路間の間隔を「従来のものの20分の1」に縮小して光導波路を配線できる。このように光出力部における光導波路の間隔:dを狭めることにより、式(A)から明らかなように大きな偏向角を得ることができる。
Here, a “specific numerical example” for the embodiment shown in FIG. 6 is given and compared with the conventional example.
In the conventional optical deflecting element 1 shown in FIG. 1, the interval d between adjacent optical waveguides is “must be about the core width as the gap between the cores” in order to prevent interference between the optical waveguides. Met. The core width of the conventional optical waveguide is 10 μm, whereas the core width of the high refractive index difference optical waveguide is 0.5 μm. Therefore, in the optical waveguide array used for the optical deflection element of the present invention, the interval between the optical waveguides is The optical waveguide can be wired by reducing it to “twentieth of the conventional one”. Thus, by narrowing the distance d between the optical waveguides in the light output portion, a large deflection angle can be obtained as is apparent from the equation (A).

式(A)をもとに上記実施の形態で用いられる光導波路アレイと、従来の光導波路アレイによる偏向角の大きさを数値的に比較する。電界の作用によるコアの屈折率変化量:dn=0.001、位相変調部分の長さの差:LP=1000μmとすると、従来の光導波路アレイの間隔(隣接するコアの中心間距離):d=20μmでは、偏向角:θは2.8度と算出される。
図6の実施の形態の光偏向器において、屈折率変化量:dn=0.001、位相変調部分の長さの差:LP=1000μmとし、隣接する光導波路の間隔(隣接するコアの中心間距離):dを1μmとすると、偏向角:θとして45度が算出される。即ち、この発明の光偏向素子を用いることにより「従来のものよりもはるかに大きな偏向角」を実現できる。
Based on the equation (A), the optical waveguide array used in the above embodiment and the conventional optical waveguide array are numerically compared with respect to the deflection angle. When the refractive index change amount of the core due to the action of the electric field is dn = 0.001 and the length difference of the phase modulation portion is LP = 1000 μm, the distance between the conventional optical waveguide arrays (the distance between the centers of adjacent cores): d = 20 μm, the deflection angle: θ is calculated as 2.8 degrees.
In the optical deflector of the embodiment of FIG. 6, the refractive index change amount: dn = 0.001, the phase modulation portion length difference: LP = 1000 μm, and the interval between adjacent optical waveguides (between the centers of adjacent cores) Distance): When d is 1 μm, 45 degrees is calculated as the deflection angle: θ. That is, by using the optical deflecting element of the present invention, a “much larger deflection angle than the conventional one” can be realized.

隣接する光導波路間の位相変調部分の長さの差:LPを500μmと小さくした場合でも、この発明の光偏向素子での偏向角は27度となり、正負の電圧印可によって「6面のポリゴンミラーでの振れ角:60度に略相当する偏向角」を与えることができる。   Difference in length of phase modulation portion between adjacent optical waveguides: Even when LP is reduced to 500 μm, the deflection angle of the optical deflection element of the present invention is 27 degrees. Deflection angle: a deflection angle substantially corresponding to 60 degrees ”.

電気光学効果を有する材料として、ニオブ酸リチウムを用いると、その屈折率変化量は0.0001から0.001であるから、1例としてdn=0.0005とすると、Lp=1000μmとすれば、射出光の偏向角は27度となり「光導波路の長さの調整」により上記性能を保つことができる。   When lithium niobate is used as a material having an electro-optic effect, the amount of change in the refractive index is 0.0001 to 0.001, and as an example, if dn = 0.005, then Lp = 1000 μm, The deflection angle of the emitted light is 27 degrees, and the above performance can be maintained by “adjusting the length of the optical waveguide”.

このように、この発明の光偏向素子は、光出力部における「隣接する光導波路の間隔:d」を狭めることができるので、大きな偏向角を実現できる。
光偏向素子の小型化には位相変調構造部分の光導波路の配線をコンパクト化する必要があるが、この発明の光偏向素子の光導波路アレイに用いられる高屈折率差導波路は、実質的な曲がり損失を発生させること無く、折畳みのための屈曲部での曲率半径を10μm程度と極めて小さくすることができ、折畳まれた光導波路部分が「互いに干渉しない間隔」として1μm程度の間隔をあけて、光導波路を2次元的に折畳み配線すると、長さ:1000μm(1mm)の光導波路を「数十μm四方」の大きさに収めることができる。
As described above, the light deflection element of the present invention can reduce the “distance between adjacent optical waveguides: d” in the light output portion, and thus can realize a large deflection angle.
In order to reduce the size of the optical deflection element, it is necessary to make the optical waveguide wiring of the phase modulation structure portion compact. However, the high refractive index difference waveguide used in the optical waveguide array of the optical deflection element of the present invention is substantially Without causing bending loss, the radius of curvature at the bent portion for folding can be made extremely small, such as about 10 μm, and the folded optical waveguide portions are spaced apart by about 1 μm as “intervals that do not interfere with each other”. When the optical waveguide is folded in two dimensions, an optical waveguide having a length of 1000 μm (1 mm) can be accommodated in a size of “several tens of μm square”.

光導波路アレイを構成する光導波路の本数をN、位相変調構造における隣接光導波路の位相変調を行う部分の長さの差をLPとすると、位相変調を行う部分の長さの最大と最小の差が(N−1)LPとなるが、この発明の光偏向素子では、光導波路を折畳み配線して「曲がり導波路部分」とすることにより、長い導波路を小さいサイズに納めることができる。   Assuming that the number of optical waveguides constituting the optical waveguide array is N and the difference in the length of the phase modulation portion of the adjacent optical waveguide in the phase modulation structure is LP, the difference between the maximum and minimum lengths of the phase modulation portion However, in the optical deflection element of the present invention, a long waveguide can be accommodated in a small size by folding the optical waveguide to form a “bent waveguide portion”.

例えば、曲がり光導波路部分の長さ:LP=1000μmを、曲率半径:10μmで50μm角(4隅が半径:10μmの円弧形状である4辺形)に巻いた場合、光導波路10本を「500μm四方」程度の大きさに配列でき、光導波路の配線を適切にすることにより、長さ:10×1000μm=10mmの光導波路10本を「数100μm四方」の面積領域に収めることができ、その他の構成要素を考慮しても光導波路アレイ全体を1mm角内に構成できる。   For example, when a length of a bent optical waveguide portion: LP = 1000 μm is wound around a 50 μm square with a radius of curvature of 10 μm (four corners having a radius of 10 μm), 10 optical waveguides are “500 μm”. By arranging the optical waveguide wiring appropriately, ten optical waveguides with a length of 10 × 1000 μm = 10 mm can be accommodated in the area area of “several 100 μm square”. Even if these components are taken into consideration, the entire optical waveguide array can be formed within 1 mm square.

このような構成を、従来から知られた「通常の光導波路」を用いて実現しようとすると光導波路アレイのサイズは「cmオーダ」となる。
即ち、この発明の光偏向素子は、光導波路アレイを構成する部分を、面積にして「従来の光導波路アレイで構成する場合の1/100以下」に小型化でき、このような小型化によりコストメリットや素子の安定性なども同時に実現することができる。なお、図6において曲がり導波路部分115は図示の簡単のために「円形状」としてあるが、曲がり導波路部分の光導波路配線パターンは「実質的な曲がり損失が生じない」という条件を満たす限り任意に設定できる。
If such a configuration is to be realized by using a conventionally known “normal optical waveguide”, the size of the optical waveguide array becomes “cm 2 order”.
In other words, the optical deflection element of the present invention can reduce the size of the portion constituting the optical waveguide array to “1/100 or less that of a conventional optical waveguide array” in terms of area. Advantages and device stability can be realized at the same time. In FIG. 6, the bent waveguide portion 115 is “circular” for simplicity of illustration, but the optical waveguide wiring pattern of the bent waveguide portion satisfies the condition that “substantial bending loss does not occur”. Can be set arbitrarily.

図7に即して実施の別の形態を説明する。
この実施の形態においては「電気光学効果を有する材料」として、光学結晶であるニオブ酸リチウムを用いる。「光導波路アレイのコアを形成する」のに用いる材料基板は「光学結晶軸がz方向(図面に直交する方向)を向くzカット基板」で、コア200A、200B、200C、200Dがこのzカット基板のパターニングにより形成される。
Another embodiment will be described with reference to FIG.
In this embodiment, lithium niobate which is an optical crystal is used as the “material having an electro-optic effect”. The material substrate used to “form the core of the optical waveguide array” is a “z-cut substrate whose optical crystal axis faces the z direction (direction perpendicular to the drawing)”, and the cores 200A, 200B, 200C, and 200D are the z-cut. It is formed by patterning the substrate.

図7の(a)は平面図、(b)は側面図を示している。基板201上に光入力部202、光分配部203が形成され、光分配部203が光導波路アレイ204と接続している。光分配部203以外の光導波路は、ニオブ酸リチウムをコア、石英ガラスをクラッドとした高屈折率差光導波路で形成されている。   7A shows a plan view, and FIG. 7B shows a side view. An optical input unit 202 and an optical distribution unit 203 are formed on the substrate 201, and the optical distribution unit 203 is connected to the optical waveguide array 204. The optical waveguides other than the light distribution unit 203 are formed of high refractive index difference optical waveguides having lithium niobate as a core and quartz glass as a cladding.

光導波路アレイは4本の光導波路(これらの光導波路のコアを符号200A、200B、200C、200Dで示す。)により形成され、各光導波路は曲がり光導波路部分205により位相変調を行う構造となっている。即ち、各光導波路は曲がり光導波路部分205を4箇所ずつ有し、全部で16個の曲がり光導波路部分の配列が「位相変調構造」をなしている。   The optical waveguide array is formed by four optical waveguides (the cores of these optical waveguides are denoted by reference numerals 200A, 200B, 200C, and 200D), and each optical waveguide is bent and phase-modulated by the optical waveguide portion 205. ing. That is, each optical waveguide has four bent optical waveguide portions 205, and the arrangement of a total of 16 bent optical waveguide portions forms a “phase modulation structure”.

なお、図7の例では光導波路アレイが4本の光導波路で構成されるが、これは1例であり、光導波路の数を限定するものではない。光導波路アレイを構成する光導波路数は2以上であれば良く、光偏向素子に求められる特性に応じて光導波路の本数は調整できる。
図7の例では、1個の曲がり光導波路部分205における光導波路長さは、隣接光導波路間での「位相変調を与える長さ」の差:LPに設定されている。
In the example of FIG. 7, the optical waveguide array is composed of four optical waveguides. However, this is an example, and the number of optical waveguides is not limited. The number of optical waveguides constituting the optical waveguide array may be two or more, and the number of optical waveguides can be adjusted according to the characteristics required for the optical deflection element.
In the example of FIG. 7, the length of the optical waveguide in one bent optical waveguide portion 205 is set to “difference of“ length to give phase modulation ”between adjacent optical waveguides: LP.

曲がり導波路部分205は「4角形状に折畳まれた形状」である。
折畳みのための屈曲部の曲率半径:10μm程度の曲がり光導波路部分を用いると、大きさ:数10μm角内に「長さ:数mmの光導波路」を折畳んで配置できる。このようにして「直線であればmmオーダの大きさになる光導波路」をμmオーダに小型化できる。
The bent waveguide portion 205 has a “shape folded into a quadrangular shape”.
When a bent optical waveguide portion having a bending radius of about 10 μm for folding is used, a “length: several mm optical waveguide” can be folded and arranged within a size: several tens of μm square. In this way, the “optical waveguide having a size of mm on the order of a straight line” can be miniaturized to the order of μm.

光導波路アレイを導波する光は光出力部206を通り、出力端207から出力光となって出力する。各光導波路は高屈折率差光導波路であるので、出力端207における隣接光導波路の間隔(隣接するコアの中心間距離)は1μm程度まで小さくできる。出力端207における光導波路の近接配置を実現しつつ、光出力部206が大きくならないようにするには、光出力部206に位置する各光導波路が図の左右方向に長くならないようにする必要があるが、光導波路は10μm程度の曲率半径で曲げて配線することができるので、光出力部206のサイズが全体のサイズを大きく増加させないように配置可能である。
位相変調構造に対して制御電極208、209が形成され、電気的な制御が可能となっている。
The light guided through the optical waveguide array passes through the light output unit 206 and is output as output light from the output end 207. Since each optical waveguide is a high refractive index difference optical waveguide, the interval between adjacent optical waveguides at the output end 207 (the distance between the centers of adjacent cores) can be reduced to about 1 μm. In order to prevent the optical output unit 206 from becoming large while realizing the close arrangement of the optical waveguides at the output end 207, it is necessary to prevent each optical waveguide located in the optical output unit 206 from extending in the horizontal direction in the drawing. However, since the optical waveguide can be bent and wired with a curvature radius of about 10 μm, it can be arranged so that the size of the light output portion 206 does not greatly increase the overall size.
Control electrodes 208 and 209 are formed for the phase modulation structure, and electrical control is possible.

図7(b)に示すように、高屈折率差光導波路の下部クラッド層210の下部に下部電極209が形成され、上部クラッド層211の上に上部電極208が形成され、コア209に「z軸方向の電圧(電界)」を印加できるようになっている。
下部電極209は単一の金属膜であるが、上部電極208は、図7(a)に示すように、4つの電極部分208A、208B、208C、208Dに分割されている。電極構造による光の損失を発生させないため、上部電極と下部電極の間隔を空ける必要があるが、光導波路のコアの大きさがサブミクロンであるので、数μm間隔への電圧印加で済み、低電圧でも大きな電界EFを作用させることができる。
As shown in FIG. 7B, a lower electrode 209 is formed below the lower cladding layer 210 of the high refractive index difference optical waveguide, an upper electrode 208 is formed on the upper cladding layer 211, and “z” is formed on the core 209. "Axial voltage (electric field)" can be applied.
The lower electrode 209 is a single metal film, but the upper electrode 208 is divided into four electrode portions 208A, 208B, 208C, and 208D as shown in FIG. In order not to cause light loss due to the electrode structure, it is necessary to provide a gap between the upper electrode and the lower electrode. However, since the size of the core of the optical waveguide is submicron, voltage application at intervals of several μm is sufficient. A large electric field EF can be applied even with a voltage.

各光導波路を導波される導波光間に位相差を付与するため、各光導波路への電圧印加領域長に差をつける構造であり、図7(a)に示すように、コア200A、200B、200C、200Dに電圧を印加する電極部分200A〜200Dの大きさを、光導波路ごとに異ならせ、コア200Aに対しては電極部分208Aが「4個の曲り光導波路部分(図7(a)でコア200Aにおける4個の曲がり光導波路部分)」を覆って、これら4個の曲り光導波路部分に電圧を印加できるようになっている。   In order to give a phase difference between the guided light beams guided through the respective optical waveguides, the structure applies a difference in the voltage application region length to each optical waveguide. As shown in FIG. 7A, the cores 200A and 200B , 200C and 200D, the size of the electrode portions 200A to 200D is made different for each optical waveguide, and the electrode portion 208A is “four bent optical waveguide portions (FIG. 7A) with respect to the core 200A. Then, the four bent optical waveguide portions in the core 200A) are covered, and a voltage can be applied to these four bent optical waveguide portions.

コア200Bに対しては電極部分208が「3個の曲り光導波路部分(図7(a)でコア200Bにおける左側の3個の曲がり光導波路)」を覆って、これら3個の曲り光り導波路部分に電圧を印加できるようになっている。コア200Cに対しては制御電極208が「2個の曲り光導波路部分(図7(a)でコア200Cにおける左側の2個の曲がり光導波路部分)」を覆って、これら2個の曲り光り導波路に電圧を印加できるようになっている。   For the core 200B, the electrode portion 208 covers “three bent optical waveguide portions (the three bent optical waveguides on the left side of the core 200B in FIG. 7A)”, and these three bent optical waveguides. A voltage can be applied to the portion. For the core 200C, the control electrode 208 covers “two bent optical waveguide portions (the two bent optical waveguide portions on the left side of the core 200C in FIG. 7A)”, and these two bent optical waveguide portions are covered. A voltage can be applied to the waveguide.

コア200Dに対しては制御電極208が「1個の曲り光導波路部分(図7(a)でコア200Dにおける左側の1個の曲がり光導波路部分)」を覆って、この1個の曲り光り導波路部分に電圧を印加できるようになっている。このようにして、各光導波路における「導波光間に位相差を付与」することにより、出力端207から偏向した光ビームを出力させることができる。   For the core 200D, the control electrode 208 covers “one bent optical waveguide portion (one bent optical waveguide portion on the left side of the core 200D in FIG. 7A)” and this one bent optical waveguide. A voltage can be applied to the waveguide portion. In this manner, by “giving a phase difference between guided light” in each optical waveguide, it is possible to output a light beam deflected from the output end 207.

なお、図7に示す例では、光導波路アレイの全ての光導波路に対して制御電極が形成されているが、光導波路間の導波光に位相差をつけるという点では「電極が形成されていない光導波路(電界を作用されない光導波路)」が光導波路アレイに含まれていても良い。   In the example shown in FIG. 7, the control electrodes are formed for all the optical waveguides of the optical waveguide array. However, “the electrodes are not formed” in that a phase difference is given to the guided light between the optical waveguides. An optical waveguide array (an optical waveguide that is not affected by an electric field) may be included in the optical waveguide array.

光導波路の配線や配置は、位相変調構造における光導波路の電界作用長さの差:LPや制御電極の形状によって従来の光導波路よりも自由に設定でき、光導波路の配線も制御電極の配置も用途に応じて柔軟に設定できる。   The wiring and arrangement of the optical waveguide can be set more freely than the conventional optical waveguide depending on the difference in the electric field action length of the optical waveguide in the phase modulation structure: LP and the shape of the control electrode. It can be set flexibly according to the application.

また、光導波路アレイの外側に「ダミーの光導波路」を形成しておくことで、製作での光導波路のバラツキを抑えた光導波路アレイを構成することができる。   Further, by forming a “dummy optical waveguide” outside the optical waveguide array, it is possible to configure an optical waveguide array that suppresses variations in the optical waveguide during manufacture.

図8に実施の他の形態を模式的に示す。
「電気光学効果を有する材料」として光学結晶であるニオブ酸リチウムを「光導波路のコア」に用いている。この実施の形態においては、コアを構成する「ニオブ酸リチウム」の光学結晶軸はx軸方向(図面内の上向き)を向いている。基板221上に光入力部222、光分配部223が形成され、光分配部223が光導波路アレイ224と接続している。光導波路アレイ224は4本の光導波路224A、224B、224C、224Dを有する。これら光導波路は「高屈折率差光導波路」である。
FIG. 8 schematically shows another embodiment.
As a “material having an electro-optic effect”, lithium niobate, which is an optical crystal, is used for the “core of the optical waveguide”. In this embodiment, the optical crystal axis of “lithium niobate” constituting the core is in the x-axis direction (upward in the drawing). An optical input unit 222 and an optical distribution unit 223 are formed on the substrate 221, and the optical distribution unit 223 is connected to the optical waveguide array 224. The optical waveguide array 224 includes four optical waveguides 224A, 224B, 224C, and 224D. These optical waveguides are “high refractive index difference optical waveguides”.

光導波路224A〜224Dは、図の如く「蛇行するように折畳まれ」て、曲がり光導波路部分を構成し、位相変調構造をなしている。位相変調構造に電界を作用させる制御電極は、第1電極226およびこれに繋がる櫛歯電極EP6と、第2電極227およびこれに繋がる櫛歯電極EP7を有し、これら櫛歯電極が互いに「交指状に交差」することにより、各曲がり光導波路部分に電圧印加できるようになっている。各光導波路224A〜224Dは光出力部228を通って出力端229に至る。光導波路アレイ224を導波する光は出力端229から出力する。   The optical waveguides 224A to 224D are “folded so as to meander” as shown in the figure to form a bent optical waveguide portion, and form a phase modulation structure. The control electrode for applying an electric field to the phase modulation structure includes a first electrode 226 and a comb electrode EP6 connected to the first electrode 226, and a second electrode 227 and a comb electrode EP7 connected to the first electrode 226. By “crossing fingers”, a voltage can be applied to each bent optical waveguide portion. Each of the optical waveguides 224 </ b> A to 224 </ b> D reaches the output end 229 through the light output unit 228. The light guided through the optical waveguide array 224 is output from the output end 229.

各光導波路のコアをなすニオブ酸リチウムの光学結晶軸がx軸方向(図の上下方向)に平行であるので、電界は基板221の表面に平行にx方向へ作用させる必要がある。この目的のために、図8に示す如く、制御電極を構成する第1、第2電極の櫛歯電極EP6、EP7は「基板221に平行な面内で、曲がり光導波路部分の折畳まれた部分を挟み込むように交差」させて形成され、第1電極226、第2電極227により、異極性の電圧を印加することで各光導波路にx方向の電界を作用させる。
図8に示す如く、櫛歯電極の交差部が挟み込む「光導波路の長さ」は、光導波路224Aから光導波路224Dに向かって前述の長さ:LPずつ順次に小さくなる。
Since the optical crystal axis of lithium niobate forming the core of each optical waveguide is parallel to the x-axis direction (vertical direction in the figure), the electric field needs to be applied in the x direction parallel to the surface of the substrate 221. For this purpose, as shown in FIG. 8, the comb electrodes EP6 and EP7 of the first and second electrodes constituting the control electrode are “bending the bent optical waveguide portion in a plane parallel to the substrate 221”. The first electrode 226 and the second electrode 227 apply different voltages to cause an electric field in the x direction to act on each optical waveguide.
As shown in FIG. 8, the “length of the optical waveguide” sandwiched by the intersecting portions of the comb-teeth electrodes gradually decreases from the optical waveguide 224A toward the optical waveguide 224D by the aforementioned length: LP.

図9は、図8に示す実施の形態において、光導波路へ電界を作用させるための電圧印加の2方式を説明するための図で、光導波路の断面状態を示す。図9(a)は、クラッド904の上部に櫛歯電極901、902を形成してコア903に電界を作用させる方式を示し、同図(b)は、櫛歯電極905、906をクラッド904の内部にまで差し込むように形成し、コア903に電界を作用させる方式を示す。図9の櫛歯電極901、902、905、906は、図8において、光導波路を挟む部分である。   FIG. 9 is a diagram for explaining two methods of voltage application for applying an electric field to the optical waveguide in the embodiment shown in FIG. 8, and shows a cross-sectional state of the optical waveguide. FIG. 9A shows a method in which comb-shaped electrodes 901 and 902 are formed on the upper portion of the clad 904 to apply an electric field to the core 903, and FIG. 9B shows the comb-shaped electrodes 905 and 906 connected to the clad 904. A method is shown in which an electric field is applied to the core 903 by being formed so as to be inserted into the inside. Comb electrodes 901, 902, 905, and 906 in FIG. 9 are portions that sandwich the optical waveguide in FIG.

図9(a)の電圧印加方式は櫛歯電極901、902の形成が比較的容易であるが、コア903への「電界の作用」が不安定になる可能性はある。図9(b)の電圧印加方式ではコア905、906の形成が(a)と比較してやや難しいが、コア903への電界の作用は安定的である。これらの電圧印加方式は、光偏向素子に必要とされる性能により適宜に選択できる。   In the voltage application method of FIG. 9A, the comb electrodes 901 and 902 can be formed relatively easily, but the “electric field effect” on the core 903 may become unstable. In the voltage application method of FIG. 9B, formation of the cores 905 and 906 is somewhat difficult as compared with FIG. 9A, but the action of the electric field on the core 903 is stable. These voltage application methods can be appropriately selected depending on the performance required for the optical deflection element.

光導波路の導波路幅はサブミクロンであるから、導波光に対する電極の影響を無視できるまで櫛歯電極間を離しても、電極間距離は数μmで済み、低電圧駆動が可能となる。図8、図9に示す実施の形態では「x方向に電界を作用させる」ための電極構成を示したが、これに限らず、x方向へ電界を作用できるものであれば適宜に利用することができる。   Since the waveguide width of the optical waveguide is submicron, even if the interdigital electrodes are separated until the influence of the electrodes on the guided light can be ignored, the distance between the electrodes is only a few μm, and low voltage driving is possible. In the embodiment shown in FIGS. 8 and 9, the electrode configuration for “applying an electric field in the x direction” is shown. Can do.

図8に示す位相変調構造の部分に、屈曲部の曲率半径が小さい曲がり光導波路部分を用いることにより、位相変調構造を含む光導波路アレイ全体を極めてコンパクトに形成できる。例えば、1mm程度の長さの光導波路を、図8に示すような蛇行させる折畳み方法で「屈曲部の曲率半径:5μmで「200μm程度の長さ」に折畳むと、折畳みのための屈曲部は4箇所で、折畳まれた部分の幅(図の上下方向の幅)は40μmになる。このように折畳んだ光導波路を図のように4本、10μm間隔でアレイ配列すると、配列された光導波路が占める領域は略190μm×200μmになり、1mmの光導波路を4本、この領域に配列形成できる。4本の導波路に位相差を与える導波路長差:LPを1mmとして配置しても、光偏向素子のサイズは1mm角程度ですみ、図6のzカット基板からコアを形成する構造と殆んど変わらないサイズとすることができる。   The entire optical waveguide array including the phase modulation structure can be formed extremely compact by using a bent optical waveguide portion having a small radius of curvature of the bent portion as the phase modulation structure portion shown in FIG. For example, when the optical waveguide having a length of about 1 mm is folded in a meandering manner as shown in FIG. 8 and “bending radius of curvature: 5 μm to“ about 200 μm ””, the bending portion for folding. Are four places, and the width of the folded part (the vertical width in the figure) is 40 μm. When four optical waveguides folded in this way are arrayed at intervals of 10 μm as shown in the figure, the area occupied by the optical waveguides arranged is approximately 190 μm × 200 μm, and four 1 mm optical waveguides are placed in this region. An array can be formed. Waveguide length difference that gives a phase difference to the four waveguides: Even if the LP is arranged at 1 mm, the size of the optical deflection element is only about 1 mm square, which is almost the same as the structure in which the core is formed from the z-cut substrate in FIG. The size can be changed.

さらに、「分極反転と櫛歯電極を組合せる」ことにより、光導波路のさらなる高密度配線が可能となる。
この場合の実施の1形態を特徴部分のみ図10に示す。符号231でコアの部分を示す光導波路(光導波路アレイのひとつをなす。)は、曲率半径:5μm程度の屈曲部で蛇行するように折畳まれて「曲り光導波路部分」となっている。この光導波路のコア231は、折畳まれた部分のうち、図示の「分極反転領域」では、コアの結晶軸方向が、隣接して折畳まれた部分ごとに分極反転構造により極性反転している。
Furthermore, by “combining polarization reversal and comb electrodes”, further high-density wiring of the optical waveguide becomes possible.
FIG. 10 shows only one feature of the embodiment in this case. An optical waveguide (which constitutes one of the optical waveguide arrays) having a core portion denoted by reference numeral 231 is folded so as to meander at a bent portion having a curvature radius of about 5 μm to form a “curved optical waveguide portion”. The core 231 of this optical waveguide has its crystal axis direction reversed in polarity by the domain-inverted structure for each adjacent folded portion in the “polarization inversion region” shown in the folded portion. Yes.

このような構造に対して、第1電極232に繋がる櫛歯電極EP2と、第2電極233に繋がる櫛歯電極EP3を図のように交差させて異極性の電圧を印加すると、櫛歯電極に挟まれたコア部分に作用する電界は、互いに隣接する折畳み部分で反対方向になるが、分極反転構造により「結晶軸と電界の方向を同方向」にできるので、電界による屈折率変化量を同一にできる。   When a comb electrode EP2 connected to the first electrode 232 and a comb electrode EP3 connected to the second electrode 233 are crossed as shown in FIG. The electric field acting on the sandwiched core part is in the opposite direction at the folding parts adjacent to each other, but the polarization inversion structure can make the direction of the crystal axis and the electric field the same, so the amount of refractive index change due to the electric field is the same. Can be.

図10に示したような「分極反転構造を持つ基板(コア部形成に用いられる。)」は、数mm厚のzカット基板に高電圧を印加して「数μm幅の分極反転領域」を形成し、それをzx面でスライスして形成できる。現在の技術では「形成できる分極反転領域の大きさは数mm四方が限界」であるが、この発明の光偏向素子に用いられる高屈折率差光導波路は断面幅がサブミクロンで、長さ:1mm以上の光導波路を数10μm四方に収めることができるので、上記プロセスで形成した基板を用いることができる。   As shown in FIG. 10, a “substrate having a domain-inverted structure (used for core formation)” applies a high voltage to a z-cut substrate having a thickness of several millimeters to form a “domain-inverted region having a width of several μm”. It can be formed and sliced at the zx plane. In the current technology, the size of the domain-inverted region that can be formed is limited to several mm square, but the high refractive index difference optical waveguide used in the optical deflecting element of the present invention has a cross-sectional width of submicron and a length: Since an optical waveguide of 1 mm or more can be accommodated in several tens of μm square, a substrate formed by the above process can be used.

図11は、光偏向素子の実施の他の形態の特徴部分を説明するための図である。
この形態では、4本の光導波路を、図の上方から下方へ向けて4列に配列した「光導波路アレイ」が用いられ、4本の光導波路は何れも4つの「曲がり光導波路部分(代表する1つに符号501を付してある。)」を連結した構成となっている。従って、光導波路アレイにおける「位相変調構造」は、4×4個の「曲がり光導波路部分501」の正方行列状配列により構成されている。
FIG. 11 is a diagram for explaining a characteristic part of another embodiment of the optical deflection element.
In this embodiment, an “optical waveguide array” in which four optical waveguides are arranged in four rows from the top to the bottom of the figure is used, and each of the four optical waveguides has four “curved optical waveguide portions (representative). 1 is attached with a reference numeral 501). Therefore, the “phase modulation structure” in the optical waveguide array is configured by a square matrix of 4 × 4 “bent optical waveguide portions 501”.

この位相変調構造に電界を作用させるための制御電極は、上部電極と下部電極とで構成され、図示されない「下部電極」は、光導波路アレイの位相変調構造部をなす上記「4×4個の曲がり光導波路部分の正方形状配列」の全体に共通化され、図11において、図の裏側から位相変調構造全体を覆うように配置されている。   The control electrode for applying an electric field to the phase modulation structure is composed of an upper electrode and a lower electrode, and the “lower electrode” (not shown) is the above “4 × 4 pieces of the phase modulation structure part of the optical waveguide array”. It is made common to the entire “square array of bent optical waveguide portions”, and in FIG. 11, it is arranged so as to cover the entire phase modulation structure from the back side of the figure.

一方、上部電極は、4×4個の16個の電極部分(代表する1つに符号502を付する。)」に分割され、これら電極部分502(独立した電圧印加部にそれぞれ接続されている。)は、図11に示すように、位相変調構造を構成する「4×4個の曲がり光導波路部分」の個々に対して設けられ、曲がり光導波路部分の個々に独立して電圧を印加できるようになっている。   On the other hand, the upper electrode is divided into 4 × 4 16 electrode portions (represented by reference numeral 502), and these electrode portions 502 (each connected to an independent voltage application section). .) Is provided for each of the “4 × 4 bent optical waveguide portions” constituting the phase modulation structure as shown in FIG. 11, and a voltage can be applied independently to each of the bent optical waveguide portions. It is like that.

図の如く、16個の電極部分502と下部電極の間に、電圧:V11、V12、V13、V14、V21、V22、V23、V24、V31、V32、V33、V34、V41、V42、V43、V44を印加することにより、16個の曲がり光導波路部分502に独立して電界を作用させることができる。このようにすると、4本の光導波路の個々を導波する光の波面に「種々の位相変化」を与えることができ、出力光を光ビーム偏向する偏向機能のみならず、出力光を集光させたり、回折させたりすることも可能になる。   As shown in the figure, between the 16 electrode portions 502 and the lower electrode, voltages: V11, V12, V13, V14, V21, V22, V23, V24, V31, V32, V33, V34, V41, V42, V43, V44. Can be applied to the 16 bent optical waveguide portions 502 independently. In this way, “various phase changes” can be given to the wavefronts of the light guided through each of the four optical waveguides, and not only the deflection function for deflecting the output light beam but also the output light is condensed. Or diffracting.

図11の形態の変形例を図12に示す。この図の例では、4本の光導波路による光導波路アレイ502A〜502Dを2組(光導波路502Aと502Bの組および光導波路502Cと502Dの組)の光導波路に分け、各組における2つの光導波路の曲がり光導波路部分(1つを代表して符号503を付する。)が、図の左右方向へ交互に入込むように配列している。下部電極は全ての曲がり光導波路部分503に共通化し、曲がり光導波路部分ごとに個別化して分割された電極部分(1つを代表して符合504を付する。)による上部電極における個々の電極部分504に電圧を印加する電圧印加部を、図のごとく、光導波路アレイの長手方向(図の左右方向)に配列して、上記電圧:V11、V12、V13、V14、V21、V22、V23、V24、V31、V32、V33、V34、V41、V42、V43、V44を下部電極との間に印加できる構造としている。このようにすると、個々の電極部分504と対応する電圧印加部との間の電気配線長さを略同じにできる。   A modification of the embodiment of FIG. 11 is shown in FIG. In the example of this figure, the optical waveguide arrays 502A to 502D by four optical waveguides are divided into two sets of optical waveguides (a set of optical waveguides 502A and 502B and a set of optical waveguides 502C and 502D). The bent optical waveguide portions of the waveguide (represented by reference numeral 503 as a representative) are arranged so as to alternately enter in the horizontal direction of the figure. The lower electrode is made common to all the bent optical waveguide portions 503, and individual electrode portions in the upper electrode by electrode portions (indicated by reference numeral 504 as one representative) divided for each bent optical waveguide portion. As shown in the figure, voltage application units for applying a voltage to the reference numeral 504 are arranged in the longitudinal direction of the optical waveguide array (the horizontal direction in the figure), and the above voltages: V11, V12, V13, V14, V21, V22, V23, V24. , V31, V32, V33, V34, V41, V42, V43, and V44 can be applied between the lower electrode. In this way, the length of the electrical wiring between each electrode portion 504 and the corresponding voltage application unit can be made substantially the same.

図11、図12の形態では、曲がり光導波路部分に作用させる電界の向きはz方向(図面に直交する方向)であるが、図8〜図10に示した例のように、x方向に電界を印加させる場合も、個々の曲がり光導波路部分に個別的に電界を作用させるようにすることもできる。このような場合の2例を図13に示す。   11 and 12, the direction of the electric field applied to the bent optical waveguide portion is the z direction (direction orthogonal to the drawings). However, as in the examples shown in FIGS. In the case of applying an electric field, an electric field can be individually applied to each bent optical waveguide portion. Two examples of such cases are shown in FIG.

図13(a)、(b)において、符号LG1、LG2はそれぞれ、光導波路アレイを構成する光導波路の1つを例示している。この光導波路においては光導波路を蛇行させるように折畳んで形成される4個の曲がり光導波路部分が図の左右方向へ配列している。
図13(a)は「同じ形状の曲がり光導波路部分5031〜5034を連結した配線」の場合を示し、(b)は「対称構造の曲がり光導波路部分5035〜5038を組合せることで、余分な配線部分をなくすことができる光導波路構造」を示している。電圧の印加は、図示のように櫛歯電極を組合せて(代表する1つの組合せに対して、符号EP+、EP−を付してある。)行われる。(a)、(b)何れに場合も「電界が作用する光導波路部分の長さ」は同じであるから同様の性能が得られ、個々の曲がり光導波路部分に対する電圧印加を独立して行うことにより出力光に種々の波面を形成できる。
In FIGS. 13A and 13B, reference numerals LG1 and LG2 each exemplify one of the optical waveguides constituting the optical waveguide array. In this optical waveguide, four bent optical waveguide portions formed by folding the optical waveguide so as to meander are arranged in the horizontal direction of the drawing.
FIG. 13A shows a case of “wirings connecting bent optical waveguide portions 5031 to 5034 having the same shape”, and FIG. 13B shows an “excessive combination of bent optical waveguide portions 5035 to 5038 having a symmetrical structure. An optical waveguide structure that can eliminate the wiring portion is shown. The voltage is applied by combining comb electrodes as shown in the figure (represented by symbols EP + and EP− for one representative combination). In both cases (a) and (b), since the “length of the optical waveguide portion on which the electric field acts” is the same, the same performance can be obtained, and voltage application to each bent optical waveguide portion is performed independently. Thus, various wavefronts can be formed in the output light.

この発明の光偏向素子に用いられる光導波路アレイを構成する高屈折率差光導波路はコアの断面積が極めて小さいので、このような光導波路を光入力部にも用いると、高効率の光入力が困難である。光ファイバなどの光導波路から光を入力する場合には「光入力部のコアの断面積を入力端では大きく、導波方向に徐々に小さくしていく方式」をとることができるが、自由空間を伝搬してくるレーザ光などを光入力部の光導波路に高効率で入力する必要がある場合は、上記方法だけでは高効率入力が困難である。   Since the high refractive index difference optical waveguide constituting the optical waveguide array used in the optical deflection element of the present invention has a very small cross-sectional area of the core, if such an optical waveguide is also used in the optical input section, highly efficient optical input Is difficult. When light is input from an optical waveguide such as an optical fiber, the "method of increasing the cross-sectional area of the core of the optical input unit at the input end and gradually decreasing it in the waveguide direction" can be used. When it is necessary to input a laser beam or the like propagating through the optical waveguide of the optical input section with high efficiency, it is difficult to input with high efficiency only by the above method.

図14は、高効率の光入力実現のため「光入力部に光結合構造を設けた実施の形態」を説明図として示している。
符号601で示す部分は「光偏向素子の光分配部から光出力部に至る部分」であり、上に説明した実施の各形態の如き構成となっている。光偏向素子の光入力部は光結合構造603を有する。光結合構造603に照射された光は、光結合構造603を導波しつつ反射により進行方向を変換されて微小断面積の光導波路の入力部602に結合する。
FIG. 14 is an explanatory diagram illustrating an “embodiment in which an optical coupling structure is provided in an optical input unit” for realizing highly efficient optical input.
A portion denoted by reference numeral 601 is a “portion from the light distribution portion to the light output portion of the light deflection element”, and has the configuration as in each of the embodiments described above. The light input portion of the light deflection element has a light coupling structure 603. The light applied to the optical coupling structure 603 is guided in the optical coupling structure 603 and converted in its traveling direction by reflection, and is coupled to the input section 602 of the optical waveguide having a small cross-sectional area.

図14のように、光結合構造603を構成する光導波路の「断面積のサイズ」を導波方向に徐々に小さくすることにより、入力光を入力部602に高効率に結合させることができる。   As shown in FIG. 14, by gradually reducing the “cross-sectional area size” of the optical waveguides constituting the optical coupling structure 603 in the waveguide direction, input light can be coupled to the input unit 602 with high efficiency.

具体的な構造を図15に示す。図15(a)は基板BS上に形成された光導波路における上部クラッド151とコア150にグレーティング構造GLを形成した構造であり、入力光はグレーティング構造GLによりその進行方向を変え、光導波路のコア150に入力する。符号152は下部クラッドを示す。図15(b)はプリズムカプラPCで光結合構造を構成した図である。プリズムカプラPCに入力した光は、プリズムカプラPCにより進行方向を変えられて光導波路のコア150に高効率で光結合される。   A specific structure is shown in FIG. FIG. 15A shows a structure in which the grating structure GL is formed on the upper clad 151 and the core 150 in the optical waveguide formed on the substrate BS. The traveling direction of the input light is changed by the grating structure GL. Enter 150. Reference numeral 152 denotes a lower cladding. FIG. 15B is a diagram in which an optical coupling structure is configured by the prism coupler PC. The light input to the prism coupler PC is changed in traveling direction by the prism coupler PC and is optically coupled to the core 150 of the optical waveguide with high efficiency.

この発明の光偏向素子に用いられる高屈折率差光導波路では「クラッドとの大きな屈折率差」を実現するためにコアの屈折率が大きい。このため、光出力部で「光導波路断面から光が出力される」とき、コアと外部との屈折率差のためにコア端面で反射が起き易く、高効率で光を取り出すことが難しい。また、コアと外部の屈折率差が大きいと、基板厚み方向への放射角も大きくなり出力光ビームの扱いが困難になりやすい。   In the high refractive index difference optical waveguide used in the optical deflection element of the present invention, the refractive index of the core is large in order to realize a “large refractive index difference with the cladding”. For this reason, when “light is output from the cross section of the optical waveguide” at the light output portion, reflection is likely to occur at the end face of the core due to the difference in refractive index between the core and the outside, and it is difficult to extract light with high efficiency. In addition, if the refractive index difference between the core and the outside is large, the radiation angle in the direction of the substrate thickness is also large, and the handling of the output light beam tends to be difficult.

図16は、このような問題に対処できる実施の形態を示す図であり、特徴部分のみを説明図として描いている。
図16において、符号701、701Aが光導波路のコアを示し、符号702がクラッドを示す。
コア701の出力端面での反射を抑えるためには「光導波路の等価屈折率」を小さくすることにより外部との屈折率差を抑えればよく「材料の調整で等価屈折率を調整する」ことも可能であるが「異なる材料を幾つも用いて、サブミクロン幅の光導波路を構成」する必要がある。
FIG. 16 is a diagram showing an embodiment capable of coping with such a problem, and only the characteristic part is illustrated as an explanatory diagram.
In FIG. 16, reference numerals 701 and 701A indicate the cores of the optical waveguide, and reference numeral 702 indicates the cladding.
In order to suppress reflection at the output end face of the core 701, it is sufficient to reduce the difference in refractive index from the outside by reducing the “equivalent refractive index of the optical waveguide”. “Adjusting the equivalent refractive index by adjusting the material” However, it is necessary to construct a sub-micron-width optical waveguide using several different materials.

図16の実施の形態では「コアにモード変換構造を形成」している。
図16(a)の実施の形態は、光出力部におけるコア701の幅を「テーパ状に狭める構造」とした例である。この構造だと、コア701の「光閉じ込め効果」が光出力部の端部へ向かって徐々に小さくなって光導波路の等価屈折率が徐々に小さくなり、コアの出力端面での反射を抑えて良好な出力光を出力できる。
In the embodiment of FIG. 16, “the mode conversion structure is formed in the core”.
The embodiment of FIG. 16A is an example in which the width of the core 701 in the light output unit is “a structure that narrows in a tapered shape”. With this structure, the “light confinement effect” of the core 701 gradually decreases toward the end of the light output portion, the equivalent refractive index of the optical waveguide gradually decreases, and reflection at the output end face of the core is suppressed. Good output light can be output.

図16(b)の実施の形態は、コア701Aの光出力部の形状を「テーパ導波路」としてコア幅を出力端部に向かって次第に狭め、その後、出力端部までを「上記狭められた一定幅をもつコア」として形成した構造である。この構造によっても、出力端面による反射を抑えて出力光を効率よく取り出すことができる。図16には示されていないが、クラッド702にも「外界の屈折率との差をなくす材料や構造を用いる」ことによりさらに高効率の光出力を実現できる。   In the embodiment of FIG. 16 (b), the shape of the light output portion of the core 701A is set as a “tapered waveguide”, and the core width is gradually narrowed toward the output end portion. This is a structure formed as a “core having a certain width”. Also with this structure, it is possible to efficiently extract output light while suppressing reflection by the output end face. Although not shown in FIG. 16, the clad 702 can also realize a light output with higher efficiency by “using a material or structure that eliminates the difference from the refractive index of the outside world”.

図17は光偏向素子の実施の他の形態を説明図的に示している。
光導波路アレイにおける「曲がり光導波路部分」の形態および配列形態、制御電極の形態は、図7の実施の形態と同様であるので、これらに付いては図7におけると同一の符号を付し、図7に即しての説明を援用する。
FIG. 17 is an explanatory view showing another embodiment of the optical deflection element.
The form and arrangement form of the “curved optical waveguide portion” in the optical waveguide array, and the form of the control electrode are the same as in the embodiment of FIG. 7, and therefore, the same reference numerals as those in FIG. The description according to FIG. 7 is used.

光導波路アレイ204における各光導波路を、光出力部において互いの間隔を狭めつつ光出力部の端部で「最近接」させるためには、光出力部で光導波路を滑らかに、且つ大きく曲げる必要がある。一方で、光導波路アレイを構成する複数の光導波路は全て「同一の導波路長」を持たねばならない。例えば、図6に示した形態の場合には、光出力部114における光導波路116〜119の長さが異なるので、この長さの差を「各光導波路における他の部分」で調整する必要がある。   In order to “closest” each optical waveguide in the optical waveguide array 204 at the end of the light output unit while narrowing the distance between each other in the light output unit, it is necessary to bend the optical waveguide smoothly and largely at the light output unit. There is. On the other hand, the plurality of optical waveguides constituting the optical waveguide array must all have “the same waveguide length”. For example, in the case of the form shown in FIG. 6, since the lengths of the optical waveguides 116 to 119 in the light output unit 114 are different, it is necessary to adjust the difference in length between the “other portions in each optical waveguide”. is there.

図17の実施の形態では、各光導波路間の「導波路長を揃える」ために、光導波路811〜814の4本の光導波路のうち、光導波路812、813の配線形状を図の如く「折り返」して位相調整部801、802とすることにより、これら光導波路812、813の導波路長が光導波路811、814の導波路長と等しくなるようにした。このようにして、光導波路811〜814を導波する各導波光に位相ずれが生じないようにできる。   In the embodiment of FIG. 17, in order to “equalize the waveguide length” between the optical waveguides, the wiring shapes of the optical waveguides 812 and 813 among the four optical waveguides 811 to 814 are “ By “turning back” to the phase adjustment units 801 and 802, the waveguide lengths of the optical waveguides 812 and 813 are made equal to the waveguide lengths of the optical waveguides 811 and 814. In this way, it is possible to prevent a phase shift from occurring in each guided light guided through the optical waveguides 811 to 814.

位相調整部801、802の配置位置は図の位置に限らず、光導波路アレイにおける各光導波路の途中に配置することも可能である。また、各位相調整部801、802に電界を作用させるための電極805、806を形成(対向電極は下部電極である。)することにより、位相ズレを電気光学効果により調整しても良い。   The arrangement positions of the phase adjustment units 801 and 802 are not limited to the positions shown in the drawing, and may be arranged in the middle of each optical waveguide in the optical waveguide array. Further, by forming electrodes 805 and 806 for applying an electric field to each of the phase adjusters 801 and 802 (the counter electrode is a lower electrode), the phase shift may be adjusted by the electro-optic effect.

図18は光偏向素子の実施のさらに他の形態を特徴部分のみ示す図である。
この実施の形態では、光分配部が「1入力多出力の光導波路スラブ」として構成されている。光入力部901から入力した光は、光入力部901に連結された1入力多出力の光導波路スラブ902を導波しつつ波面を拡大し、複数の光導波路903へ等分配され、図示されない光導波路アレイの各コアへ接続される。
光導波路スラブ902の形状を適切に調整することにより「光分配部における損失」を低減できる。また、光導波路スラブの「波面拡張部」と等分配光導波路との接続に逆テーパ構造を導入することにより、等分配光導波路間で光が漏れ出すことによる光損失を抑制することも可能である。
FIG. 18 is a view showing only another characteristic part of still another embodiment of the optical deflection element.
In this embodiment, the light distribution unit is configured as “one-input multiple-output optical waveguide slab”. The light input from the optical input unit 901 expands the wavefront while being guided through a one-input multiple-output optical waveguide slab 902 connected to the optical input unit 901, and is equally distributed to a plurality of optical waveguides 903. Connected to each core of the waveguide array.
By appropriately adjusting the shape of the optical waveguide slab 902, “loss in the optical distribution unit” can be reduced. In addition, by introducing a reverse taper structure in the connection between the “wavefront extension” of the optical waveguide slab and the equal distribution optical waveguide, it is possible to suppress light loss due to light leaking between the equal distribution optical waveguides. is there.

図19は、入力光の等分配を「分岐構造」によって実現する実施の形態を説明するための図である。光入力部(図の左方)から入力する光を「多段分岐構造」をもった光分配部1001に入力させることにより「複数の光導波路」へ等分配できる。
通常の光導波路では「低損失での分配」は分岐部分の構造が大きくなりやすく光分配部の小型化が困難であるが、多段分岐構造を高屈折率差光導波路で形成すると「μmオーダの分岐回路」を構成できる。
FIG. 19 is a diagram for explaining an embodiment in which equal distribution of input light is realized by a “branching structure”. By inputting the light input from the optical input unit (left side of the figure) to the optical distribution unit 1001 having a “multi-stage branching structure”, it can be equally distributed to “a plurality of optical waveguides”.
In ordinary optical waveguides, “distribution with low loss” tends to make the structure of the branching part large and it is difficult to reduce the size of the optical distribution part. However, when a multistage branching structure is formed of a high refractive index difference optical waveguide, it is “μm order”. A “branch circuit” can be configured.

図19では、分岐構造を2段接続して多段分岐構造とすることにより4分岐を実現している。分岐部分での損失が0.1dB程度であると、10段接続しても1dBと極めて低損失で等分配することができる。   In FIG. 19, two branches are connected to form a multistage branch structure, thereby realizing four branches. If the loss at the branch portion is about 0.1 dB, even if 10 stages are connected, 1 dB can be equally distributed with a very low loss.

図20に「分岐構造における光損失」のシミュレーション結果を示す。
シミュレーションモデルとして、図20(a)のような「テーパ部と曲がり光導波路で形成した分岐構造」を用いた。コアは屈折率:2.2で、断面形状を「0.4μm×0.4μmの正方形形状」とし、コア底面部が屈折率:1.45の下部クラッドに接し、それ以外の周面部を屈折率:1.0の上部側面クラッドで囲繞され、テーパ部で分岐された光導波路の曲率半径を5μmとして分岐構造モデルを構築した。
この分岐構造モデルに対し、3次元のFDTDシミュレーションにより光損失を算出した結果を同図(b)に示す。横軸は「テーパ長さ」、縦軸は「光損失」を表す。
FIG. 20 shows a simulation result of “optical loss in the branched structure”.
As a simulation model, a “branching structure formed by a tapered portion and a bent optical waveguide” as shown in FIG. The core has a refractive index of 2.2, the cross-sectional shape is “0.4 μm × 0.4 μm square shape”, the bottom of the core is in contact with the lower clad with a refractive index of 1.45, and the other peripheral surface is refracted. A branched structure model was constructed by setting the radius of curvature of the optical waveguide surrounded by the upper side cladding with a ratio of 1.0 and branched at the tapered portion to 5 μm.
The result of calculating the optical loss for this branched structure model by a three-dimensional FDTD simulation is shown in FIG. The horizontal axis represents “taper length” and the vertical axis represents “optical loss”.

即ち、図20(b)は「テーパ長さを変化させたときの過剰損失」を示す。テーパ長さが0.5μmから1.0μmの範囲で「分岐による過剰損失が0.1dB以下となる」ことがわかる。分岐した部分の大きさも20μm程度であり、極めて小型の分岐回路を実現できる。   That is, FIG. 20B shows “excess loss when the taper length is changed”. It can be seen that “excessive loss due to branching is 0.1 dB or less” when the taper length is in the range of 0.5 μm to 1.0 μm. The size of the branched portion is about 20 μm, and an extremely small branch circuit can be realized.

この分岐回路を2段重ねれば50μm程度の大きさで4分配ができ、4段重ねても100μm程度の大きさで16分岐できる。さらに、曲がり光導波路の最適化を行うことで光偏向素子のサイズを小さくすることが可能である。   If this branch circuit is stacked in two stages, four distributions can be made with a size of about 50 μm, and even if four stages are stacked, 16 branches can be made with a size of about 100 μm. Furthermore, the size of the optical deflection element can be reduced by optimizing the bent optical waveguide.

図21は「光偏向モジュール」の実施の形態を模式的に示した図である。
図21(a)は平面図、(b)は側面図である。
支持基板1101上に光偏向素子1102(構成は、図6に示すものと同一であり、説明は図6に関する説明を援用する)と平面レンズ1103を設けてある。光偏向素子1102から出力された光は平面レンズ1103により集光される。ここでは、平面レンズ1103を1例として示しているが、シリンドリカルレンズやマイクロレンズなどを支持基板1101上に配置する構成でも良い。
FIG. 21 is a diagram schematically showing an embodiment of an “optical deflection module”.
FIG. 21A is a plan view, and FIG. 21B is a side view.
An optical deflection element 1102 (the configuration is the same as that shown in FIG. 6 and the description relating to FIG. 6 is used for description) and a flat lens 1103 are provided on the support substrate 1101. The light output from the light deflection element 1102 is collected by the flat lens 1103. Here, the planar lens 1103 is shown as an example, but a configuration in which a cylindrical lens, a microlens, or the like is disposed on the support substrate 1101 may be used.

図22のように、光偏向素子1102と同一の基板2200上にレンズ1103を配置することも可能である。図22(a)は平面図、(b)は側面図である。レンズ1103は、光偏向素子1102と同一材料で一括形成するか、光偏向素子1102を形成後に有機材料などを塗布してパターニングすることで形成できる。   As shown in FIG. 22, the lens 1103 can be arranged on the same substrate 2200 as the light deflection element 1102. FIG. 22A is a plan view and FIG. 22B is a side view. The lens 1103 can be formed of the same material as the light deflection element 1102 at once, or by applying an organic material or the like and patterning after forming the light deflection element 1102.

図23は「光偏向モジュール」の実施の別形態を模式的に示す図である。
この「光偏向モジュール」は、光偏向素子1201、1202、1203(これらの構成は、図6に示すものと同一であり、説明は図6に関する説明を援用する)を同一平面状に並列的に配置し、それらの入力部1204、1205、1206を、結合用光導波路1207で光結合した構造である。光偏向素子1201、1202、1203は、上に説明した他の形態のものも任意に用いることができる。
FIG. 23 is a diagram schematically showing another embodiment of the “light deflection module”.
This “optical deflection module” includes optical deflection elements 1201, 1202, and 1203 (the configuration of which is the same as that shown in FIG. 6 and the description relating to FIG. 6 is used for description) arranged in parallel on the same plane. The input portions 1204, 1205, and 1206 are optically coupled by a coupling optical waveguide 1207. As the optical deflection elements 1201, 1202, and 1203, the other forms described above can be arbitrarily used.

この構造により複数の光偏向素子を配置することが可能となり、同一光源からの光を複数の光偏向器素子で一斉にあるいは個別に偏向することができる。   With this structure, a plurality of light deflecting elements can be arranged, and light from the same light source can be deflected simultaneously or individually by a plurality of light deflector elements.

図24は「光偏向モジュール」の実施の他の形態を模式的に示す図である。
図24(a)は平面図、(b)は側面図である。
光偏向モジュールは、支持基板1301上に半導体レーザ1302(構成は、図6に示すものと同一であり、説明は図6に関する説明を援用する)と光偏向素子1303を配置し、半導体レーザ1302の出力端と光偏向素子1303の光入力部を相互に近接配置した構造を有する。光偏向素子1302としてはまた、先に説明した実施の形態の適宜のものを用いることができる。
FIG. 24 is a diagram schematically showing another embodiment of the “optical deflection module”.
FIG. 24A is a plan view and FIG. 24B is a side view.
In the optical deflection module, a semiconductor laser 1302 (the configuration is the same as that shown in FIG. 6 and the description relating to FIG. 6 is used) and an optical deflection element 1303 are arranged on a support substrate 1301. It has a structure in which the output end and the light input portion of the light deflection element 1303 are arranged close to each other. As the light deflection element 1302, an appropriate element of the above-described embodiment can be used.

このような構造とすることにより、半導体レーザ1302と光偏向素子1303を集積でき「光源集積した小型の光偏向モジュール」を形成できる。
図24には図示されていないが、半導体レーザ1302からの入力光を高効率で入力させるために、光入力部の「光導波路幅や屈折率を調整した構造」や、半導体レーザからの放射され、光入力部に入力しなかった光が、光偏向素子からの出力光に対して迷光として作用しないように「半導体レーザ1302の出力方向と光偏向素子1303の出力方向をずらした配置」としてもよい。支持基板1301には予め半導体レーザ1302の制御電極や制御電子回路などを形成しておくこともできる。
With such a structure, the semiconductor laser 1302 and the optical deflection element 1303 can be integrated, and a “small optical deflection module integrated with light sources” can be formed.
Although not shown in FIG. 24, in order to input the input light from the semiconductor laser 1302 with high efficiency, the “light waveguide width and refractive index adjusted structure” of the light input section or the semiconductor laser is radiated. Also, “an arrangement in which the output direction of the semiconductor laser 1302 and the output direction of the light deflecting element 1303 are shifted” so that the light that has not been input to the light input portion does not act as stray light on the output light from the light deflecting element. Good. A control electrode, a control electronic circuit, and the like of the semiconductor laser 1302 can be formed in advance on the support substrate 1301.

半導体レーザ1302と光偏向素子1303との近接配置は、図25のように立体配置も可能である。図25の(a)は、半導体レーザ1302を光偏向素子1303の上部に近接配置した例、(b)は、半導体レーザ1302を光偏向素子1303の下部に近接配置した例である。何れの場合も、半導体レーザ1302からの光を光結合により光偏向素子1303の光入力部に結合させる。   The close arrangement of the semiconductor laser 1302 and the light deflecting element 1303 can be a three-dimensional arrangement as shown in FIG. 25A shows an example in which the semiconductor laser 1302 is disposed close to the upper portion of the optical deflection element 1303, and FIG. 25B shows an example in which the semiconductor laser 1302 is disposed close to the lower portion of the optical deflection element 1303. In either case, the light from the semiconductor laser 1302 is coupled to the light input portion of the light deflection element 1303 by optical coupling.

上に、図21、図22、図24、図25に即して実施の形態を説明した光偏向モジュールは、この発明の光偏向素子の光入力部側および/または光出力部側に他の光学要素を有するものであり、図21、22の例では、他の光学要素が「光出力側に設けられて、光偏向素子から出力される出力光に対してレンズ作用を作用」させる平面レンズ1103であり、図24、25の例では、他の光学要素が「光入力側に設けられる光源」としての光出力端を有する半導体レーザ1302である。   The optical deflection module whose embodiment has been described with reference to FIG. 21, FIG. 22, FIG. 24, and FIG. 21 and 22, in the example of FIGS. 21 and 22, the other optical element is “a lens that is provided on the light output side and acts on the output light output from the light deflection element”. 24, 25, the other optical element is a semiconductor laser 1302 having a light output end as a “light source provided on the light input side”.

図23に示す光偏向モジュールは、この発明の光偏向素子を複数個、一体的にアレイ配列してなる光偏向モジュールであり、アレイ配列された複数個の光偏向素子1201、1202、1203の入力側が結合用光導波路1207により結合されたものである。   The optical deflection module shown in FIG. 23 is an optical deflection module in which a plurality of optical deflection elements according to the present invention are integrally arrayed, and inputs of the plurality of optical deflection elements 1201, 1202, and 1203 that are arrayed. The sides are coupled by a coupling optical waveguide 1207.

以下、この発明の光偏向素子からの出力光を、光偏向素子による偏向平面に交わる方向へ偏向させる偏向手段を有する光偏向モジュールの実施の形態を説明する。   Hereinafter, an embodiment of an optical deflection module having deflection means for deflecting output light from the optical deflection element of the present invention in a direction crossing a deflection plane by the optical deflection element will be described.

図26に実施の形態を示す光偏向モジュールは、支持基板1401に、機械的な駆動素子1402を形成し、その上に光偏向素子1403を形成する。機械駆動素子1402は光偏向素子1403からの出力光の偏向平面(図の左右方向で図面に直交する平面)と直交する向き(図の上下方向)に揺動可能であり、光偏向素子1403を揺動駆動することができ、これにより、光偏向素子の出力光の3次元的な光ビーム偏向が可能となる。   In the optical deflection module shown in FIG. 26, a mechanical drive element 1402 is formed on a support substrate 1401, and an optical deflection element 1403 is formed thereon. The mechanical drive element 1402 can swing in a direction (vertical direction in the figure) perpendicular to a deflection plane (a plane perpendicular to the drawing in the horizontal direction in the figure) of the output light from the light deflection element 1403. Oscillation driving can be performed, thereby enabling three-dimensional light beam deflection of the output light of the light deflection element.

図27に実施の形態を示す光偏向モジュールは、その平面図(a)と側面図(b)に示すように、支持基板1502上に光偏向素子1501と、機械駆動により揺動的に駆動されるミラー素子1503を形成して3次元の光ビーム走査を可能にしている。   The optical deflection module shown in FIG. 27 is driven in an oscillating manner by an optical deflection element 1501 and a mechanical drive on a support substrate 1502, as shown in a plan view (a) and a side view (b). A mirror element 1503 is formed to enable three-dimensional light beam scanning.

図28に実施の形態を示す光偏向モジュールは、支持基板1602上に本発明の光偏向素子1601と、音響光学素子1603(結晶部AOと超音波察せイブGNを有する。)を配置し、光偏向素子1602からの出力光は音響光学素子1603により2次元的に偏向される。この実施の形態の場合、機械的な駆動素子を用いないので耐久性を向上させることができる。   In the optical deflection module shown in FIG. 28, an optical deflection element 1601 of the present invention and an acousto-optic element 1603 (having a crystal part AO and an ultrasonic wave sight GN) are arranged on a support substrate 1602 and light. The output light from the deflecting element 1602 is deflected two-dimensionally by the acousto-optic element 1603. In the case of this embodiment, since a mechanical drive element is not used, durability can be improved.

図26〜図28に実施の形態を示した光偏向モジュールは、電気光学効果により光ビーム偏向を行うこの発明の光偏向素子による高速の光ビーム偏向と、機械駆動素子1402やミラー素子1503、音響光学素子1603による偏向とを組合せることにより光ビームを3次元的に偏向させることができ、例えば、所定の2次元被走査面を高速且つ高精細に光走査することが可能である。   The optical deflection module whose embodiment is shown in FIGS. 26 to 28 is a high-speed optical beam deflection by the optical deflection element of the present invention that deflects the optical beam by the electro-optic effect, the mechanical drive element 1402, the mirror element 1503, the acoustic By combining with the deflection by the optical element 1603, the light beam can be deflected three-dimensionally. For example, a predetermined two-dimensional surface to be scanned can be optically scanned at high speed and with high definition.

図26〜図28に実施の形態を示した光偏向モジュールの場合にも、光偏向素子の光入力部側および/または光出力部側に他の光学要素、例えば、光源である半導体レーザや、レンズ等を有することができることは言うまでも無い。   Also in the case of the optical deflection module shown in FIG. 26 to FIG. 28, another optical element on the optical input unit side and / or the optical output unit side of the optical deflection element, for example, a semiconductor laser as a light source, Needless to say, a lens or the like can be provided.

以下に、光偏向素子における光導波路アレイを構成する「高屈折率差光導波路」の製造方法の1例を、図7の実施の形態の場合を例として説明する。
まず電気光学材料として、ニオブ酸リチウム基板と台座基板を用意する。台座基板にはニオブ酸リチウムやガラス、石英、シリコンなどの基板を用いる。
図7(b)を参照して説明すると、ニオブ酸リチウム基板は「最終的にコア層200となる部分」で「zカット基板」である。このニオブ酸リチウム基板の表面に、下部クラッド層210となるとなる低屈折材料の石英層と、下部電極209となる金属層とを成膜して積層する。
Hereinafter, an example of a manufacturing method of a “high refractive index difference optical waveguide” that constitutes an optical waveguide array in an optical deflection element will be described by taking the case of the embodiment of FIG. 7 as an example.
First, a lithium niobate substrate and a pedestal substrate are prepared as electro-optic materials. As the base substrate, a substrate such as lithium niobate, glass, quartz, or silicon is used.
Referring to FIG. 7B, the lithium niobate substrate is a “portion that finally becomes the core layer 200” and a “z-cut substrate”. On the surface of this lithium niobate substrate, a quartz layer of a low refractive material that becomes the lower cladding layer 210 and a metal layer that becomes the lower electrode 209 are formed and laminated.

このように積層形成された膜のうちの金属層を、基板201となる台座基板の表面に接合する。接合は、接着剤等による接着や、ウェハ同士の加熱接合、プラズマ効果を用いた低温接合、常温接合などの方法を適宜に用いることができる。実際の製造例では接着剤による接合を用いた。接合されたニオブ酸リチウム基板(zカット基板)の自由平面を「研磨により波長程度まで薄膜化」して薄膜層とする。薄膜層の形成には研磨のほかにイオンスライスなどの方法を用いることもできる。   The metal layer of the films formed in this way is bonded to the surface of the base substrate that becomes the substrate 201. For the bonding, methods such as bonding with an adhesive, heating bonding between wafers, low-temperature bonding using a plasma effect, and normal-temperature bonding can be used as appropriate. In an actual manufacturing example, bonding with an adhesive was used. The free plane of the bonded lithium niobate substrate (z-cut substrate) is “thinned to about the wavelength by polishing” to form a thin film layer. In addition to polishing, a method such as ion slicing can be used for forming the thin film layer.

このように形成されたニオブ酸リチウムの薄膜層に、電子ビームリソグラフィーとドライエッチングにより「光導波路のコア形状や、光入力部・光分配部等の部分」をパターニングし、パターニングされた形状をドライエッチングにより薄膜層に転写する。ついで、エッチングにより形成されたパターンを、上部クラッド層211となる低屈折率材料(石英等)で埋め込むことにより「高屈折率差光導波路」を形成する。電気光学材料への加工は集束イオンビームで行い、さらに位相変調構造をなす光導波路部分に、制御電極の上部電極208をパターニングすることで光偏向素子が製作できる。   The thin film layer of lithium niobate formed in this way is patterned by electron beam lithography and dry etching to form the core shape of the optical waveguide and the parts such as the light input part and the light distribution part. Transfer to the thin film layer by etching. Next, the “high refractive index difference optical waveguide” is formed by embedding the pattern formed by etching with a low refractive index material (quartz or the like) to be the upper cladding layer 211. Processing into the electro-optic material is performed with a focused ion beam, and an optical deflection element can be manufactured by patterning the upper electrode 208 of the control electrode in the optical waveguide portion forming the phase modulation structure.

最後に、図29を参照して、請求項5記載の光偏向素子に関連したシミュレーションを説明する。
図29(a)は、請求項5記載の光偏向素子を簡略化したシミュレーションモデルを説明するための図である。図において、符号LGは光導波路のコアを示す。図の如く6本のコアLGを間隔:SP=800nmで互いに平行にアレイ配列し、共通のクラッドCRで囲繞して光導波路アレイとした。6本のコアLGは何れも、光出力部(図で上方の部分)に「出力端へ向かって末広がりに広がるテーパ部分」を有する。このテーパ部分は「モード変換光導波路構造」であって、波面の乱れを抑える機能を有する。テーパ部の長さ:TLは5μmとした。また、図における符号ΔLは「隣接するコア間での位相変調部分の長さの差(先に「LP」としたもの。)」である。
Finally, with reference to FIG. 29, a simulation related to the optical deflection element according to claim 5 will be described.
FIG. 29A is a diagram for explaining a simulation model in which the optical deflection element according to claim 5 is simplified. In the figure, symbol LG indicates the core of the optical waveguide. As shown in the figure, six cores LG are arranged in parallel at intervals of SP = 800 nm and surrounded by a common cladding CR to form an optical waveguide array. Each of the six cores LG has a “tapered portion that spreads toward the output end” in the light output portion (upper portion in the drawing). This taper portion is a “mode conversion optical waveguide structure” and has a function of suppressing wavefront disturbance. Tapered portion length: TL was 5 μm. Further, the symbol ΔL in the figure is “the difference in the length of the phase modulation portion between adjacent cores (previously“ LP ”)”.

シミュレーションは、コアLGを等価屈折率近似により2次元近似し、2次元のFDTD(Finite Difference Time Domein)を用いて行った。このシミュレーションは電磁界を直接差分化して電磁界の振舞いをシミュレーションする方法で、近似を用いないので、大きな屈折率差を持つ光導波路のシミュレーションには誤差が小さい結果を期待できる。   The simulation was performed using a two-dimensional FDTD (Finite Difference Time Domain) after two-dimensional approximation of the core LG by equivalent refractive index approximation. This simulation is a method of directly differentiating the electromagnetic field and simulating the behavior of the electromagnetic field. Since no approximation is used, a result with a small error can be expected in the simulation of an optical waveguide having a large refractive index difference.

シミュレーションでは、導波光の真空中における波長:650nm、導波モードはTMモードとし、コアLGの幅:300nm、屈折率;1.930829(電界を作用させていない状態での屈折率)、クラッドCRの屈折率:1.456700とし、空気の屈折率を1.0とした。   In the simulation, the wavelength of the guided light in vacuum is 650 nm, the guided mode is TM mode, the width of the core LG is 300 nm, the refractive index is 1.930829 (refractive index when no electric field is applied), the cladding CR The refractive index of air was 1.456700, and the refractive index of air was 1.0.

偏向角は光路長差に依存しているので、光導波路の損失が十分小さければ、実際のデバイスのシミュレーションとして扱うことができる。シミュレーションでは、ΔLとして実際よりも小さい値:20μmとし、このΔLに対して所望の光ビーム偏向角を得るために、屈折率変化:dnを±0.015の範囲で変化させた。   Since the deflection angle depends on the optical path length difference, if the loss of the optical waveguide is sufficiently small, it can be handled as an actual device simulation. In the simulation, ΔL was set to a value smaller than the actual value: 20 μm, and the refractive index change: dn was changed in a range of ± 0.015 in order to obtain a desired light beam deflection angle with respect to ΔL.

射出光の中心により偏向角を算出すると、図29(b)に示すように、横軸に示す光路長差(=ΔL×dn)を−0.30μmから0.30μmまで変化させたとき、縦軸に示す偏向角(単位:度)は21度から18度まで変化し、全体で40度近く光ビームを偏向可能であることがわかる。   When the deflection angle is calculated from the center of the emitted light, as shown in FIG. 29B, when the optical path length difference (= ΔL × dn) shown on the horizontal axis is changed from −0.30 μm to 0.30 μm, It can be seen that the deflection angle (unit: degree) shown on the axis varies from 21 degrees to 18 degrees, and the light beam can be deflected nearly 40 degrees as a whole.

上記の屈折率変化:±0.015の代わりに、実際の屈折率変化:Δnの範囲として±0.001の範囲を用いるとすればΔLとして、上記20μmに代えてΔL=300μmとすればよい。このような長さのコア部長さは、高屈折率差光導波路では上述のごとく曲率半径:50μm程度で極めてコンパクトに折畳んで「曲がり光導波路部分」とすることができるので、大きな偏向角を有した超小型のビーム偏向器を構成可能である。   If the range of ± 0.001 is used as the range of the actual refractive index change: Δn instead of the above refractive index change: ± 0.015, ΔL may be set to ΔL = 300 μm instead of 20 μm . The length of the core portion having such a length can be folded into a “curved optical waveguide portion” with a radius of curvature of about 50 μm as described above in a high refractive index difference optical waveguide, so that a large deflection angle can be obtained. An ultra-compact beam deflector can be configured.

光導波路アレイを用いる光偏向素子の従来例と光ビーム偏向の原理を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the prior art example of the optical deflection element using an optical waveguide array, and the principle of optical beam deflection. 高屈折率差光導波路を説明するための図である。It is a figure for demonstrating a high refractive index difference optical waveguide. 高屈折率差光導波路の特性を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the characteristic of a high refractive index difference optical waveguide. 高屈折率差光導波路の特性を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the characteristic of a high refractive index difference optical waveguide. 高屈折率差光導波路の特性を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the characteristic of a high refractive index difference optical waveguide. 光偏向素子の実施の1形態を説明するための図である。It is a figure for demonstrating one Embodiment of an optical deflection | deviation element. 光偏向素子の実施の1形態を説明するための図である。It is a figure for demonstrating one Embodiment of an optical deflection | deviation element. 光偏向素子の実施の1形態を説明するための図である。It is a figure for demonstrating one Embodiment of an optical deflection | deviation element. 図8の実施の形態における、コアへの電界作用の2形態を説明するための図である。It is a figure for demonstrating two forms of the electric field effect | action to a core in embodiment of FIG. コアへの電界作用の別例を説明するための図である。It is a figure for demonstrating another example of the electric field effect | action to a core. コアへの電界作用の別例を説明するための図である。It is a figure for demonstrating another example of the electric field effect | action to a core. コアへの電界作用の別例を説明するための図である。It is a figure for demonstrating another example of the electric field effect | action to a core. コアへの電界作用の別例を説明するための図である。It is a figure for demonstrating another example of the electric field effect | action to a core. 光偏向素子の実施の1形態を説明するための図である。It is a figure for demonstrating one Embodiment of an optical deflection | deviation element. 光偏向素子の実施の1形態を説明するための図である。It is a figure for demonstrating one Embodiment of an optical deflection | deviation element. 光偏向素子の実施の1形態を説明するための図である。It is a figure for demonstrating one Embodiment of an optical deflection | deviation element. 光偏向素子の実施の1形態を説明するための図である。It is a figure for demonstrating one Embodiment of an optical deflection | deviation element. 光偏向素子の実施の1形態を説明するための図である。It is a figure for demonstrating one Embodiment of an optical deflection | deviation element. 光偏向素子の実施の1形態を説明するための図である。It is a figure for demonstrating one Embodiment of an optical deflection | deviation element. 光偏向素子の実施の1形態を説明するための図である。It is a figure for demonstrating one Embodiment of an optical deflection | deviation element. 光偏向モジュールの実施の1形態を説明するための図である。It is a figure for demonstrating one Embodiment of an optical deflection module. 光偏向モジュールの実施の1形態を説明するための図である。It is a figure for demonstrating one Embodiment of an optical deflection module. 光偏向モジュールの実施の1形態を説明するための図である。It is a figure for demonstrating one Embodiment of an optical deflection module. 光偏向モジュールの実施の1形態を説明するための図である。It is a figure for demonstrating one Embodiment of an optical deflection module. 光偏向モジュールの実施の1形態を説明するための図である。It is a figure for demonstrating one Embodiment of an optical deflection module. 光偏向モジュールの実施の1形態を説明するための図である。It is a figure for demonstrating one Embodiment of an optical deflection module. 光偏向モジュールの実施の1形態を説明するための図である。It is a figure for demonstrating one Embodiment of an optical deflection module. 光偏向モジュールの実施の1形態を説明するための図である。It is a figure for demonstrating one Embodiment of an optical deflection module. 請求項5記載の発明に対するシミュレーションとその結果を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the simulation with respect to invention of Claim 5, and its result.

符号の説明Explanation of symbols

110 基板
111 光入力部
112 光分配部
113 光導波路アレイ
114 光出力部
116、117、118、119 光導波路アレイを構成する光導波路のコア
115 光導波路中に形成された曲がり光導波路
120、121、122、123 制御電極
110 substrates
111 Optical input section
112 Light distributor
113 Optical waveguide array
114 Light output section
116, 117, 118, 119 Core of optical waveguide constituting optical waveguide array 115 Bent optical waveguide formed in optical waveguide 120, 121, 122, 123 Control electrode

Claims (13)

基板上に、光入力部と、光分配部と、光導波路アレイと、光出力部と、制御電極とを有し、上記光入力部に入力した光を上記光分配部により、上記光導波路アレイの各光導波路に分配し、上記制御電極により、上記光導波路アレイを導波する光に、光導波路間で位相差を与えて上記光出力部から射出させる光偏向素子において、
上記光導波路アレイが、コアとクラッドが異なる材料で形成される高屈折率差光導波路による2本以上の光導波路のアレイ配列であり、少なくとも上記コアが電気光学効果を有する材料で形成され、かつ、上記各光導波路が曲率をもつ曲がり光導波路部分を持つ位相変調構造を有し、
上記制御電極が、上記光導波路アレイにおける位相変調構造に対し、電気光学効果により、光導波路間で異なる位相差を導波光に与える位相変調を行うものであることを特徴とする光偏向素子。
A light input section, a light distribution section, an optical waveguide array, a light output section, and a control electrode are provided on the substrate, and the light input to the light input section is input to the optical waveguide array by the light distribution section. In the optical deflection element that distributes to each of the optical waveguides and gives a phase difference between the optical waveguides to the light guided through the optical waveguide array by the control electrode and emits the light from the optical output unit.
The optical waveguide array is an array arrangement of two or more optical waveguides by a high refractive index difference optical waveguide formed of a material having a different core and clad, and at least the core is formed of a material having an electro-optic effect, and And each optical waveguide has a phase modulation structure having a curved optical waveguide portion having a curvature,
An optical deflecting element characterized in that the control electrode performs phase modulation on the phase modulation structure in the optical waveguide array by applying a phase difference different between the optical waveguides to the guided light by an electro-optic effect.
請求項1記載の光偏向素子において、
光導波路アレイにおける各光導波路のコアの断面積:Sが、伝搬光波長:λに対して、
S≦(1.5λ)
の条件を満たすことを特徴とする光偏向素子。
The optical deflection element according to claim 1, wherein
The cross-sectional area of the core of each optical waveguide in the optical waveguide array: S is the propagation light wavelength: λ,
S ≦ (1.5λ) 2
An optical deflecting element satisfying the following condition:
請求項1または2記載の光偏向素子において、
光導波路アレイの位相変調構造を構成する複数の曲がり光導波路部分に対し、制御電極が、曲がり光導波路部分ごとに個別に電界を作用させる構成となっていることを特徴とする光偏向素子。
The optical deflection element according to claim 1 or 2,
An optical deflecting element, wherein a control electrode is configured to individually apply an electric field to each bent optical waveguide portion with respect to a plurality of bent optical waveguide portions constituting the phase modulation structure of the optical waveguide array.
請求項1〜3の任意の1に記載の光偏向素子において、
光入力部が光結合構造を有することを特徴とする光偏向素子。
The optical deflection element according to any one of claims 1 to 3,
An optical deflection element, wherein the optical input section has an optical coupling structure.
請求項1〜4の任意の1に記載の光偏向素子において、
光出力部の出力端が、モード変換光導波路構造を有することを特徴とする光偏向素子。
The optical deflection element according to any one of claims 1 to 4,
An optical deflection element having an output end of a light output portion having a mode conversion optical waveguide structure.
請求項1〜5の任意の1に記載の光偏向素子において、
光出力部の光導波路が位相調整構造を有することを特徴とする光偏向素子。
In the optical deflection element given in any 1 of Claims 1-5,
An optical deflection element, wherein an optical waveguide of an optical output unit has a phase adjustment structure.
請求項1〜6の任意の1に記載の光偏向素子において、
光分配部が1入力多出力の光導波路スラブであることを特徴とする光偏向素子。
In the optical deflection element given in any 1 of Claims 1-6,
An optical deflecting element, wherein the optical distribution unit is a single-input multiple-output optical waveguide slab.
請求項1〜7の任意の1に記載の光偏向素子において、
光分配部が多段分岐構造を有することを特徴とする光偏向素子。
The optical deflection element according to any one of claims 1 to 7,
An optical deflecting element, wherein the optical distribution unit has a multistage branch structure.
請求項1〜8の任意の1に記載の光偏向素子の光入力部側および/または光出力部側に他の光学要素を有する光偏向モジュール。   An optical deflection module having another optical element on the light input part side and / or the light output part side of the light deflection element according to any one of claims 1 to 8. 請求項1〜8の任意の1に記載の光偏向素子と、この光偏向素子からの出力光を、上記光偏向素子による偏向平面に交わる方向へ偏向させる偏向手段を有することを特徴とする光偏向モジュール。   9. A light comprising: the optical deflection element according to claim 1; and deflecting means for deflecting output light from the optical deflection element in a direction intersecting a deflection plane of the optical deflection element. Deflection module. 請求項10記載の光偏向モジュールにおいて、
光偏向素子の光入力部側および/または光出力部側に他の光学要素を有する光偏向モジュール。
The optical deflection module according to claim 10.
An optical deflection module having another optical element on the optical input unit side and / or optical output unit side of the optical deflection element.
請求項1〜8の任意の1に記載の光偏向素子を複数個、一体的にアレイ配列してなる光偏向モジュール。   An optical deflection module comprising a plurality of the optical deflection elements according to any one of claims 1 to 8 integrally arranged in an array. 請求項12記載の光偏向モジュールにおいて、
アレイ配列された複数個の光偏向素子の入力側が結合用光導波路により結合されたことを特徴とする光偏向モジュール。
The optical deflection module according to claim 12, wherein
An optical deflection module, wherein input sides of a plurality of optical deflection elements arranged in an array are coupled by a coupling optical waveguide.
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