JP6487835B2 - Optical deflector and control method thereof - Google Patents

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本発明は、光偏向器およびその制御方法に関し、より詳細には、電気光学効果を有するKTN結晶を使用した光偏向器およびその制御方法に関する。   The present invention relates to an optical deflector and a control method thereof, and more particularly to an optical deflector using a KTN crystal having an electro-optic effect and a control method thereof.

光の進行方向を変える光偏向器には、ポリゴンミラーを回転させる技術、ガルバノミラーにより光の偏向方向を制御する技術、音響光学効果を利用した光回折技術、MEMSと呼ばれるマイクロマシン技術などが適用されている。近年、電気光学効果を有する電気光学結晶、具体的にはタンタル酸ニオブ酸カリウム(KTa1-xNbx3(0<x<1))結晶(KTN結晶)またはリチウムを添加したK1-yyTa1-xNbx3(0<x<1、0<y<1)結晶(KLTN結晶)を用いた光偏向器が提案されている(例えば、特許文献1参照)。電気光学効果を利用した光偏向器は、前述した光偏向器と異なり、可動部を持たない固体素子であり、高速の光偏向が可能である。以下、簡単のため、明示して区別しない限り、KTN結晶およびKLTN結晶の2種類を合わせて、KTN結晶と呼ぶ。 For the optical deflector that changes the traveling direction of light, a technology that rotates a polygon mirror, a technology that controls the deflection direction of light using a galvanometer mirror, a light diffraction technology that uses the acousto-optic effect, a micromachine technology called MEMS, etc. are applied. ing. In recent years, an electro-optic crystal having an electro-optic effect, specifically, potassium tantalate niobate (KTa 1-x Nb x O 3 (0 <x <1)) crystal (KTN crystal) or K 1− added with lithium y L y Ta 1-x Nb x O 3 (0 <x <1,0 <y <1) crystal (KLTN crystal) optical deflector using the have been proposed (e.g., see Patent Document 1). Unlike the optical deflector described above, the optical deflector utilizing the electro-optic effect is a solid element having no movable part, and can deflect light at high speed. Hereinafter, for simplicity, two types of KTN crystal and KLTN crystal are collectively referred to as KTN crystal unless explicitly distinguished.

KTN結晶は、比較的低い電圧を印加することによってその屈折率が大きく変わる、電気光学効果が大きい物質として知られている。さらに、印加電極としてTi、Crを用いると、KTN結晶内に電荷を注入することができる。その電荷によって生じる内部電界を利用することにより、高速・広角な光偏向器を実現することができる。したがって、レンズ、プリズム、ミラーといったごく一般的な光学部品を、それらが高速で動く必要がある用途では、KTN結晶を用いた光偏向器(KTN光偏向器)に置き換えることができる(例えば、特許文献2参照)。   A KTN crystal is known as a substance having a large electro-optic effect, the refractive index of which changes greatly when a relatively low voltage is applied. Furthermore, when Ti or Cr is used as the application electrode, charges can be injected into the KTN crystal. By utilizing the internal electric field generated by the charge, a high-speed and wide-angle optical deflector can be realized. Therefore, it is possible to replace very common optical components such as lenses, prisms, and mirrors with an optical deflector (KTN optical deflector) using a KTN crystal in applications where they need to move at high speed (for example, patents). Reference 2).

近年、このKTN結晶における屈折率制御の高速性を利用して、KTN光偏向器を外部共振器に組み込んだ高速の波長掃引光源を適用した医療用光断層撮像システムに注目が集まっている。医療用光断層撮像システムは、MHz単位の高周波数により光偏向器を駆動することができれば、より鮮明な画像や範囲の広い画角の画像を取得することができる。このため、高速性を実現するためのキーデバイスであるKTN偏向器のさらなら高周波数駆動が期待されている。   In recent years, attention has been focused on a medical optical tomographic imaging system using a high-speed wavelength swept light source in which a KTN optical deflector is incorporated in an external resonator by utilizing the high-speed property of refractive index control in the KTN crystal. The medical optical tomographic imaging system can acquire a clearer image or an image with a wide field angle if the optical deflector can be driven at a high frequency in MHz. For this reason, further high frequency driving is expected for the KTN deflector, which is a key device for realizing high speed.

図1に、従来のKTN結晶を用いた光偏向器の構成を示す。KTN結晶101の上面および下面には、電極102、103が形成されている。2つの電極間には、制御電圧源104から制御電圧が印加される。入射光105は、KTN結晶101の左側の側面に入射され、z軸(光軸)方向に進みながら、KTN結晶101内において偏向を受ける。光は、x軸方向に進行方向を変えて、出射光106として、KTN結晶101の右側の側面から出射される。このとき、印加電圧に応じた偏向角θが得られる。   FIG. 1 shows a configuration of an optical deflector using a conventional KTN crystal. Electrodes 102 and 103 are formed on the upper and lower surfaces of the KTN crystal 101. A control voltage is applied from the control voltage source 104 between the two electrodes. Incident light 105 is incident on the left side surface of the KTN crystal 101 and is deflected in the KTN crystal 101 while traveling in the z-axis (optical axis) direction. The light is emitted from the right side surface of the KTN crystal 101 as outgoing light 106 while changing the traveling direction in the x-axis direction. At this time, a deflection angle θ corresponding to the applied voltage is obtained.

制御電圧源104からは、光偏向器の用途に応じた制御信号が与えられる。例えば、正弦波、鋸波状の制御信号が、光偏向器の用途に応じて印加される。適切な最大偏向角を得るためには、KTN結晶101へは、概ね数百V程度の駆動電圧を印加する。   A control signal corresponding to the application of the optical deflector is given from the control voltage source 104. For example, a sine wave or sawtooth control signal is applied according to the application of the optical deflector. In order to obtain an appropriate maximum deflection angle, a drive voltage of about several hundred volts is applied to the KTN crystal 101.

国際公開第2006/137408号International Publication No. 2006/137408 特開2012−074597号公報JP 2012-074597 A 特開2012−242612号公報JP2012-242612A

しかしながら、KTN結晶などの電気光学結晶を用いた従来の光偏向器において、印加電圧を変調することにより高速で駆動すると、結晶の誘電損失または機械損失にもとづく発熱のために、所望の偏向角が得られなかった。特に、制御信号がMHzを超える周波数では、発熱による誘電率の低下により、偏向角の劣化が著しかった。   However, when a conventional optical deflector using an electro-optic crystal such as a KTN crystal is driven at high speed by modulating an applied voltage, a desired deflection angle is reduced due to heat generation based on dielectric loss or mechanical loss of the crystal. It was not obtained. In particular, at a frequency where the control signal exceeds MHz, the deflection angle is greatly deteriorated due to a decrease in the dielectric constant due to heat generation.

また、KTN結晶は、駆動時には大きい誘電率を有するため、電極間の容量が高くなり、制御電圧源が大型で高価なものとなった。制御信号を、正弦波ではなく三角波などの高い周波成分も含む信号とし、KTN結晶に印加する応用例もある。この場合には、上記の発熱の問題にのみならず、制御電圧源の仕様によって、制御信号の出力が制限される問題もあった。   Further, since the KTN crystal has a large dielectric constant during driving, the capacitance between the electrodes is increased, and the control voltage source is large and expensive. There is also an application example in which the control signal is a signal including a high frequency component such as a triangular wave instead of a sine wave and applied to the KTN crystal. In this case, there is a problem that the output of the control signal is limited depending on the specification of the control voltage source as well as the above-described problem of heat generation.

さらに、KTN光偏向器の偏向角の解像点数を改善しようとすれば、結晶厚を増やす必要があり、偏向器特性の改善に大きな支障となっていた。   Furthermore, if the resolution point of the deflection angle of the KTN optical deflector is to be improved, it is necessary to increase the crystal thickness, which has been a major obstacle to improving the deflector characteristics.

本発明の目的は、KTN結晶を高速の制御信号で駆動する場合に、発熱による誘電率の低下が無く、所望の偏向角が得られる光偏向器を提供することにある。   An object of the present invention is to provide an optical deflector in which when a KTN crystal is driven by a high-speed control signal, there is no decrease in dielectric constant due to heat generation, and a desired deflection angle can be obtained.

本発明は、このような目的を達成するために、KTN結晶などの電気光学結晶を用いた光偏向器において、電気光学結晶に直流電圧を印加して電気光学結晶内に電荷を注入するとともに、入射光の波長より短い波長の照射光を強度変調して、電気光学結晶に照射することにより、入射光の光偏向を制御することを特徴とする。   In order to achieve such an object, the present invention, in an optical deflector using an electro-optic crystal such as a KTN crystal, injects a charge into the electro-optic crystal by applying a DC voltage to the electro-optic crystal, The light deflection of the incident light is controlled by modulating the intensity of the irradiation light having a wavelength shorter than the wavelength of the incident light and irradiating the electro-optic crystal.

以上説明したように、本発明によれば、照射光の強度を変調するだけで電気光学結晶に入射される光を偏向させることができるため、高電圧のAC電圧を印加する必要がないため、電気光学結晶の発熱の問題を回避することができる。   As described above, according to the present invention, the light incident on the electro-optic crystal can be deflected only by modulating the intensity of the irradiation light, so that it is not necessary to apply a high voltage AC voltage. The problem of heat generation of the electro-optic crystal can be avoided.

また、照射光の駆動用電源は、変調電圧が低いために、小型で安価な電源でよいので、経済的な光偏向器を実現することができる。   In addition, since the driving power source for the irradiation light has a low modulation voltage, a small and inexpensive power source may be used, so that an economical optical deflector can be realized.

従来のKTN結晶を用いた光偏向器の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the optical deflector using the conventional KTN crystal | crystallization. 屈折率分布からトラップ電子密度を求める方法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the method of calculating | requiring a trap electron density from refractive index distribution. 本発明の第1の実施形態にかかる光偏向器の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the optical deflector concerning the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施形態にかかる光偏向器の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the optical deflector concerning the 2nd Embodiment of this invention.

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

KTN結晶のトラップに充填された電子密度をNtrapとすると、このKTN結晶を入射光が通過するときに得られる偏向角は、次式で表される(特許文献3)。   When the electron density filled in the trap of the KTN crystal is Ntrap, the deflection angle obtained when incident light passes through the KTN crystal is expressed by the following equation (Patent Document 3).

図1を参照してパラメータを説明すると、偏向角θp-pは、制御信号として正弦波を印加したとき、出射光106のx軸方向の最大偏向角の振れ幅である。nはKTN結晶101の屈折率であり、Lはz軸方向のKTN結晶101の長さである。g11は電気光学定数であり、eは電気素量、εは誘電率である。Vは制御信号の最大振幅電圧であり、dはz軸方向のKTN結晶の厚さである。式(1)からわかるように、偏向角θp-pは、KTN結晶内部のトラップに充填された電子密度Ntarpに比例する。このように、偏向角はトラップに充填された電荷注入量と駆動する印加電圧の積で決まる。   The parameters will be described with reference to FIG. 1. The deflection angle θp-p is the deflection width of the maximum deflection angle in the x-axis direction of the emitted light 106 when a sine wave is applied as a control signal. n is the refractive index of the KTN crystal 101, and L is the length of the KTN crystal 101 in the z-axis direction. g11 is an electro-optic constant, e is an elementary electric quantity, and ε is a dielectric constant. V is the maximum amplitude voltage of the control signal, and d is the thickness of the KTN crystal in the z-axis direction. As can be seen from the equation (1), the deflection angle θp-p is proportional to the electron density Ntarp filled in the trap inside the KTN crystal. Thus, the deflection angle is determined by the product of the amount of charge injected into the trap and the applied voltage to be driven.

図2は、屈折率分布からトラップ電子密度を求める方法を説明するための概念図である。特許文献3に記載された方法により、電気光学結晶(KTN結晶)のリタデーション分布を、LEDの照射前後で測定し、次の式に従って屈折率分布に換算した結果である。
Δn = Retardation/L (2)
FIG. 2 is a conceptual diagram for explaining a method of obtaining the trap electron density from the refractive index distribution. It is the result of measuring the retardation distribution of the electro-optic crystal (KTN crystal) before and after irradiation of the LED by the method described in Patent Document 3, and converting it into a refractive index distribution according to the following formula.
Δn = Retardation / L (2)

上式で、Δnは屈折率変化量であり、Lは光軸方向の電極の長さである。図2で説明するトラップ電子密度の測定において使用した電気光学結晶における電極の長さは、3.4mmである。上式(2)の関係を用いて、リタデーション測定値から屈折率分布を求めることができる。図2のグラフに示した2次関数曲線から、結晶中のトラップに、一様に電子が充填されていると仮定して、下式からトラップ電子密度を求めることができる(特許文献3)。   In the above equation, Δn is the amount of change in refractive index, and L is the length of the electrode in the optical axis direction. The length of the electrode in the electro-optic crystal used in the measurement of the trap electron density described in FIG. 2 is 3.4 mm. The refractive index distribution can be obtained from the retardation measurement value using the relationship of the above equation (2). From the quadratic function curve shown in the graph of FIG. 2, assuming that the traps in the crystal are uniformly filled with electrons, the trap electron density can be obtained from the following equation (Patent Document 3).

図2に示した残留屈折率分布において、LED光源からKTN結晶に対して紫外光を照射する前(図中のLED照射前)では、概ね2次関数の屈折率分布曲線が得られている。これは、トラップされた電子が結晶中に一様に存在する場合の屈折率分布である。次に、紫外光を照射した後(図中のLED照射後)には、上記のような屈折率分布がなくなっており、トラップされた電子が解放され、結晶内に電子がなくなっていることを示している。   In the residual refractive index distribution shown in FIG. 2, a refractive index distribution curve having a substantially quadratic function is obtained before the KTN crystal is irradiated with ultraviolet light from the LED light source (before LED irradiation in the figure). This is a refractive index distribution when trapped electrons are uniformly present in the crystal. Next, after irradiating with ultraviolet light (after LED irradiation in the figure), the refractive index distribution as described above disappears, the trapped electrons are released, and there are no electrons in the crystal. Show.

すなわち、KTN結晶に対してLED光源から紫外光を照射することにより、結晶中の電荷の注入量を可変することができることが確認された。なお、この測定において、電荷の注入量は、DC電圧を一定時間KTN結晶に付与した後、DC電圧をOFFしたときの残留電荷を測定した。KTN結晶に紫外光を照射している時には、DC電圧をOFFしている。   That is, it was confirmed that the amount of charge injected into the crystal can be varied by irradiating the KTN crystal with ultraviolet light from the LED light source. In this measurement, the charge injection amount was measured by applying the DC voltage to the KTN crystal for a certain time and then measuring the residual charge when the DC voltage was turned off. When the KTN crystal is irradiated with ultraviolet light, the DC voltage is turned off.

(第1の実施形態)
電気光学結晶(KTN結晶)への電荷の注入量は、印加するDC電圧の大きさで決まる。一方で、上述したように、KTN結晶に対してLED光源から照射する光の波長や照射強度によって、注入された電荷の抜けの量が決まる。ここで、KTN結晶に対してDC電圧を印加しながら、LED光源から紫外光を照射すると、KTN結晶への電荷の入りと出のバランスで決まる電荷量が、残留電荷として結晶内に残ることになる。
(First embodiment)
The amount of charge injected into the electro-optic crystal (KTN crystal) is determined by the magnitude of the applied DC voltage. On the other hand, as described above, the amount of injected charge is determined by the wavelength and intensity of light irradiated from the LED light source to the KTN crystal. Here, when the LED light source is irradiated with ultraviolet light while applying a DC voltage to the KTN crystal, the amount of charge determined by the balance between the charge entering and exiting the KTN crystal remains in the crystal as residual charge. Become.

さらに、LED光源による光の照射強度を、電流を変調することによって制御して、KTN結晶に残るべき電荷量を高速に可変することができる。光偏向器の偏向量は、DC電圧と残留電荷の電荷量で決まるため、DC電圧のみを印加したたまま、LED光源による光の照射強度を変調して、偏向角を制御するという、全く新しい原理の光偏向器を実現することができる。   Furthermore, the amount of charge that should remain in the KTN crystal can be varied at high speed by controlling the light irradiation intensity by the LED light source by modulating the current. Since the deflection amount of the optical deflector is determined by the DC voltage and the residual charge amount, the deflection angle is controlled by modulating the light irradiation intensity of the LED light source while only the DC voltage is applied. The principle optical deflector can be realized.

従来、KTNなどの電気光学結晶を用いた光偏向器において、高速で駆動する場合には、結晶の誘電損失または機械損失にもとづく発熱のため、制御信号がMHzを超える周波数では、発熱による誘電率の低下により、偏向角が劣化していた。本実施形態によれば、高電圧のAC電圧を印加する必要がないため、ほとんど電気光学結晶の発熱が問題とならない。   Conventionally, when an optical deflector using an electro-optic crystal such as KTN is driven at a high speed, the dielectric constant due to the heat is generated at a frequency where the control signal exceeds MHz because of heat generation based on the dielectric loss or mechanical loss of the crystal. The deflection angle was deteriorated due to the decrease in. According to this embodiment, since it is not necessary to apply a high AC voltage, the heat generation of the electro-optic crystal hardly poses a problem.

また、KTN結晶のように、駆動時に大きい誘電率を有するため、電極間の容量が高くなり、大型で高価な制御電圧源が必要であった。本実施形態によれば、LEDの駆動用電源は、変調電圧が低いために、小型で安価な電源でよい。制御信号を、正弦波ではなく三角波などの高い周波成分も含む信号であっても、LEDの駆動用電源においては、適用が容易である。   Further, like KTN crystal, since it has a large dielectric constant at the time of driving, the capacitance between the electrodes is increased, and a large and expensive control voltage source is required. According to the present embodiment, the power source for driving the LED may be a small and inexpensive power source because the modulation voltage is low. Even if the control signal is a signal including not only a sine wave but also a high frequency component such as a triangular wave, it can be easily applied to an LED driving power source.

上述したように、高速で駆動する場合には、発熱により、印加電圧に対する所望の偏向角が小さくなってしまう。すなわち、解像点数も減少してしまう。本実施形態によれば、LEDによる光の照射強度を変調することにより発熱の問題を回避できるため、印加電圧に対する所望の偏向角を大きく取れるので、結晶厚を増やすことなく、解像点数も改善することができる。   As described above, when driving at a high speed, a desired deflection angle with respect to the applied voltage becomes small due to heat generation. That is, the number of resolution points also decreases. According to this embodiment, since the problem of heat generation can be avoided by modulating the light irradiation intensity by the LED, a desired deflection angle with respect to the applied voltage can be increased, so that the number of resolutions can be improved without increasing the crystal thickness. can do.

図3に、本発明の第1の実施形態にかかる光偏向器の構成を示す。電気光学結晶であるKTN結晶201の上面および下面には、結晶内部に電界を発生させるための正極と負極とからなる電極対として、電極202、203が形成されている。2つの電極間には、制御電圧源204から制御電圧(DC電圧)が印加される。入射光205(1.3μm帯)は、電界の方向と直交するように、KTN結晶201の左側の側面(xy平面)から入射され、z軸(光軸)方向に進みながら、KTN結晶201内において偏向を受ける。光は、x軸方向に進行方向を変えて、出射光206として、KTN結晶201の右側の側面から出射される。さらに、KTN結晶201の光軸に沿った側面(xz平面)に対して、10mm離れた位置に、波長405nmの紫外光を照射するLED光源207を配置している。   FIG. 3 shows the configuration of the optical deflector according to the first embodiment of the present invention. Electrodes 202 and 203 are formed on the upper and lower surfaces of the KTN crystal 201, which is an electro-optic crystal, as an electrode pair composed of a positive electrode and a negative electrode for generating an electric field inside the crystal. A control voltage (DC voltage) is applied from the control voltage source 204 between the two electrodes. Incident light 205 (1.3 μm band) is incident on the left side surface (xy plane) of the KTN crystal 201 so as to be orthogonal to the direction of the electric field, and travels in the Z-axis (optical axis) direction to enter the KTN crystal 201. Be biased at. The light is emitted from the right side surface of the KTN crystal 201 as outgoing light 206 by changing the traveling direction in the x-axis direction. Further, an LED light source 207 that irradiates ultraviolet light having a wavelength of 405 nm is disposed at a position 10 mm away from the side surface (xz plane) along the optical axis of the KTN crystal 201.

KTN結晶201のサイズは、4mm(z軸方向の長さ)×3mm(y軸方向の幅)×1mm(x軸方向の厚さ)である。KTN結晶201の上面および下面には、電極として、銅などの金属膜を形成しておく。なお、電極203の下部には、KTN結晶の温度を制御するためのペルチェ素子(不図示)を熱的に結合してある。ここでは、30度でKTN結晶の比誘電率が20000になるように、KTN結晶の相転移温度が設定されている。   The size of the KTN crystal 201 is 4 mm (length in the z-axis direction) × 3 mm (width in the y-axis direction) × 1 mm (thickness in the x-axis direction). A metal film such as copper is formed as an electrode on the upper and lower surfaces of the KTN crystal 201. A Peltier element (not shown) for controlling the temperature of the KTN crystal is thermally coupled to the lower portion of the electrode 203. Here, the phase transition temperature of the KTN crystal is set so that the relative dielectric constant of the KTN crystal is 20000 at 30 degrees.

このような構成により、LED光源207から紫外光を照射した後で、制御電圧源204からDC電圧−240Vを印加する。制御電圧源204からDC電圧のみを印加したまま、LED光源207から、20kHzの三角波の強度変調された光変調信号を照射する。LED光源207においては、ファンクションジェネレータを用いて、20kHzの三角波となるように、駆動電流0〜10mAの範囲でLEDを駆動している。DC電圧に応じた偏向角と、光変調信号に応じた偏向角とにより、100mradの偏光角を実現した。このようにして、偏向角の劣化がなく、高速(MHzを超える周波数)の光偏向が可能となる。   With such a configuration, after irradiating ultraviolet light from the LED light source 207, a DC voltage of −240 V is applied from the control voltage source 204. While applying only the DC voltage from the control voltage source 204, the LED light source 207 irradiates a 20 kHz triangular wave intensity-modulated light modulation signal. In the LED light source 207, a function generator is used to drive the LED in a drive current range of 0 to 10 mA so as to obtain a 20 kHz triangular wave. A polarization angle of 100 mrad was realized by the deflection angle according to the DC voltage and the deflection angle according to the light modulation signal. In this way, there is no deterioration of the deflection angle, and high-speed (frequency exceeding MHz) light deflection is possible.

また、制御電圧源204は、DC電圧の印加のみでよいので、高電圧のAC電圧を印加する必要がない。LED光源207は、既存の光源を用いて簡便な構成により、高い周波成分も含む変調信号によるLEDの駆動が容易であるので、経済的な光偏向器を実現することができる。   Further, since the control voltage source 204 only needs to apply a DC voltage, it is not necessary to apply a high AC voltage. Since the LED light source 207 can easily drive the LED by a modulation signal including a high frequency component with a simple configuration using an existing light source, an economical optical deflector can be realized.

(第2の実施形態)
図4に、本発明の第2の実施形態にかかる光偏向器の構成を示す。第1の実施形態の光偏向器がx軸方向の1軸の光偏向を行うのに対して、第2の実施形態では、x軸とy軸の2軸の光偏向を行う。前段の光偏向素子の構成は、第1の実施形態の光偏向器の構成と同じである。KTN結晶301の上面および下面には、電極302、303が形成されている。2つの電極間には、制御電圧源304から制御電圧(DC電圧)が印加される。入射光305(1.3μm帯)は、KTN結晶301の左側の側面(xy平面)に入射され、z軸(光軸)方向に進みながら、KTN結晶301内において偏向を受ける。KTN結晶301の光軸に沿った側面(xz平面)に対して、波長405nmの紫外光を照射するLED光源307が備えられている。
(Second Embodiment)
FIG. 4 shows a configuration of an optical deflector according to the second embodiment of the present invention. The optical deflector of the first embodiment performs uniaxial light deflection in the x-axis direction, whereas the second embodiment performs biaxial light deflection of the x-axis and the y-axis. The configuration of the optical deflection element in the previous stage is the same as the configuration of the optical deflector of the first embodiment. Electrodes 302 and 303 are formed on the upper and lower surfaces of the KTN crystal 301. A control voltage (DC voltage) is applied from the control voltage source 304 between the two electrodes. Incident light 305 (1.3 μm band) is incident on the left side surface (xy plane) of the KTN crystal 301 and is deflected in the KTN crystal 301 while traveling in the z-axis (optical axis) direction. An LED light source 307 that irradiates ultraviolet light having a wavelength of 405 nm is provided on a side surface (xz plane) along the optical axis of the KTN crystal 301.

前段の光偏向素子と後段の光偏向素子との間には、半波長板321が挿入され、それぞれ同一の光軸上に配置され、前段の光偏向素子と後段の光偏向素子とは、光軸を中心軸として90度の角度を成すように、設置されている。前段の光偏向素子からの出射光は、半波長板321を透過して、後段の光偏向素子に入射される。   A half-wave plate 321 is inserted between the front-stage optical deflection element and the rear-stage optical deflection element, and is disposed on the same optical axis. The front-stage optical deflection element and the rear-stage optical deflection element It is installed so as to form an angle of 90 degrees with the axis as the central axis. The outgoing light from the front stage light deflection element passes through the half-wave plate 321 and enters the rear stage light deflection element.

後段の光偏向素子の構成も、第1の実施形態の光偏向器の構成と同じである。KTN結晶311の両側面には、電極312、313が形成されている。2つの電極間には、制御電圧源314から制御電圧(DC電圧)が印加される。前段の光偏向素子からの入射した光は、x軸方向に進行方向を変えて、出射光316として、KTN結晶311の右側の側面から出射される。KTN結晶301の光軸に沿った上面(yz平面)に対して、波長405nmの紫外光を照射するLED光源317が備えられている。   The configuration of the optical deflection element at the subsequent stage is the same as the configuration of the optical deflector of the first embodiment. Electrodes 312 and 313 are formed on both side surfaces of the KTN crystal 311. A control voltage (DC voltage) is applied from the control voltage source 314 between the two electrodes. Incident light from the preceding optical deflection element changes its traveling direction in the x-axis direction and is emitted from the right side surface of the KTN crystal 311 as outgoing light 316. An LED light source 317 that irradiates ultraviolet light having a wavelength of 405 nm is provided on the upper surface (yz plane) along the optical axis of the KTN crystal 301.

2つのKTN結晶301,311のサイズは、4mm(z軸方向の長さ)×3mm(y軸方向の幅)×1mm(x軸方向の厚さ)である。第1の実施形態と同様に、KTN結晶301,311には電極が形成されており、ペルチェ素子(不図示)を熱的に結合してある。ここでは、30度でKTN結晶の比誘電率が20000になるように、KTN結晶の相転移温度が設定されている。   The size of the two KTN crystals 301 and 311 is 4 mm (length in the z-axis direction) × 3 mm (width in the y-axis direction) × 1 mm (thickness in the x-axis direction). As in the first embodiment, electrodes are formed on the KTN crystals 301 and 311 and Peltier elements (not shown) are thermally coupled. Here, the phase transition temperature of the KTN crystal is set so that the relative dielectric constant of the KTN crystal is 20000 at 30 degrees.

このような構成により、LED光源307,317から、それぞれKTN結晶301,311に紫外光を照射した後で、制御電圧源304,314からDC電圧−240Vを印加する。制御電圧源304,314からDC電圧のみを印加したまま、LED光源307において、LEDの駆動電流を20kHzの三角波で変調し、LED光源317において、LEDの駆動電流を200kHzの三角波で変調した。前後段の光偏向素子において、それぞれDC電圧に応じた偏向角と、変調信号に応じた偏向角とにより、偏向角の劣化がなく、高速(MHzを超える周波数)の2次元の光偏向が可能となる。   With such a configuration, after the ultraviolet light is irradiated from the LED light sources 307 and 317 to the KTN crystals 301 and 311 respectively, a DC voltage of −240 V is applied from the control voltage sources 304 and 314. While only the DC voltage was applied from the control voltage sources 304 and 314, the LED light source 307 modulated the LED drive current with a 20 kHz triangular wave, and the LED light source 317 modulated the LED drive current with a 200 kHz triangular wave. In the front and rear optical deflection elements, the deflection angle according to the DC voltage and the deflection angle according to the modulation signal, respectively, do not deteriorate the deflection angle and enable high-speed (frequency exceeding MHz) two-dimensional optical deflection. It becomes.

本実施形態では、入射光として1.3μm帯の光を、LED光源からの照射光として波長405nmの紫外光を用いたが、他の波長帯の入射光であっても、入射光の波長より短い波長の照射光を用いることにより、本願発明の作用効果を奏することができる。   In the present embodiment, 1.3 μm band light is used as incident light, and ultraviolet light having a wavelength of 405 nm is used as irradiation light from the LED light source. By using irradiation light having a short wavelength, the effects of the present invention can be achieved.

101,201,301,311 KTN結晶
102,103,202,203,302,303,312,313 電極
104,204,304,314 制御電圧源
105,205,305 入射光
106,206,316 出射光
207,307,317 LED光源
321 半波長板
101, 201, 301, 311 KTN crystal 102, 103, 202, 203, 302, 303, 312, 313 Electrode 104, 204, 304, 314 Control voltage source 105, 205, 305 Incident light 106, 206, 316 Emission light 207 , 307, 317 LED light source 321 half-wave plate

Claims (4)

タンタル酸ニオブ酸カリウム(KTa 1-x Nb x 3 (0<x<1))結晶、またはリチウムを添加したK 1-y y Ta 1-x Nb x 3 (0<x<1、0<y<1)結晶のいずれかである電気光学結晶と、前記電気光学結晶の内部に電界を発生させる、正極と負極とからなる少なくとも1つの電極対とを備え、前記電界の方向と直交するように入射光の光軸が設定され、前記電極対の間に電圧を印加して、前記入射光を偏向させる光偏向器であって、
前記入射光の波長より短い波長の照射光を、前記電気光学結晶に照射するための光源を備え、
前記電極対の間に直流電圧を印加するとともに、前記照射光の照射強度を変調して前記入射光を偏向させることを特徴とする光偏向器。
Potassium tantalate niobate (KTa 1-x Nb x O 3 (0 <x <1)) crystal K 1-y or that the addition of lithium, L y Ta 1-x Nb x O 3 (0 <x <1, 0 <y <1) an electro-optic crystal that is one of the crystals, and at least one electrode pair including a positive electrode and a negative electrode that generate an electric field inside the electro-optic crystal, and orthogonal to the direction of the electric field An optical deflector for deflecting the incident light by setting an optical axis of incident light and applying a voltage between the electrode pair,
A light source for irradiating the electro-optic crystal with irradiation light having a wavelength shorter than the wavelength of the incident light;
An optical deflector characterized in that a DC voltage is applied between the electrode pair, and the incident light is deflected by modulating an irradiation intensity of the irradiation light.
タンタル酸ニオブ酸カリウム(KTa 1-x Nb x 3 (0<x<1))結晶、またはリチウムを添加したK 1-y y Ta 1-x Nb x 3 (0<x<1、0<y<1)結晶のいずれかである電気光学結晶と、前記電気光学結晶の内部に電界を発生させる、正極と負極とからなる少なくとも1つの電極対とを備え、前記電界の方向と直交するように入射光の光軸が設定され、前記電極対の間に電圧を印加して、前記入射光を偏向させる光偏向器の制御方法であって、
前記電極対の間に直流電圧を印加して、前記電気光学結晶内に電荷を注入するステップと、
前記入射光の波長より短い波長の照射光を、前記電気光学結晶に照射するステップであって、前記照射光の照射強度を変調して前記入射光を偏向させるステップと
を備えたことを特徴とする光偏向器の制御方法。
Potassium tantalate niobate (KTa 1-x Nb x O 3 (0 <x <1)) crystal K 1-y or that the addition of lithium, L y Ta 1-x Nb x O 3 (0 <x <1, 0 <y <1) an electro-optic crystal that is one of the crystals, and at least one electrode pair including a positive electrode and a negative electrode that generate an electric field inside the electro-optic crystal, and orthogonal to the direction of the electric field An optical deflector control method for deflecting the incident light by setting an optical axis of incident light and applying a voltage between the electrode pair,
Applying a DC voltage between the electrode pair to inject charges into the electro-optic crystal;
Irradiating the electro-optic crystal with irradiation light having a wavelength shorter than the wavelength of the incident light, comprising: modulating the irradiation intensity of the irradiation light to deflect the incident light. Control method of optical deflector.
タンタル酸ニオブ酸カリウム(KTa 1-x Nb x 3 (0<x<1))結晶、またはリチウムを添加したK 1-y y Ta 1-x Nb x 3 (0<x<1、0<y<1)結晶のいずれかである電気光学結晶、および前記電気光学結晶の内部に電界を発生させる、正極と負極とからなる少なくとも1つの電極対を備え、前記電界の方向と直交するように入射光の光軸が設定され、前記電極対の間に電圧を印加して、前記入射光を偏向させる光偏向素子である第1の光偏向素子および第2の光偏向素子と、前記第1の光偏向素子および前記第2の光偏向素子の間に挿入された半波長板とが、同一の光軸上に配置された光偏向器であって、
前記第1および前記第2の光偏向素子の各々は、前記入射光の波長より短い波長の照射光を、前記電気光学結晶に照射するための光源を備え、
前記第1および前記第2の光偏向素子の各々は、前記電極対の間に直流電圧を印加するとともに、前記照射光の照射強度を変調して前記入射光を偏向させることを特徴とする光偏向器。
Potassium tantalate niobate (KTa 1-x Nb x O 3 (0 <x <1)) crystal K 1-y or that the addition of lithium, L y Ta 1-x Nb x O 3 (0 <x <1, 0 <y <1) An electro-optic crystal that is one of the crystals, and at least one electrode pair including a positive electrode and a negative electrode that generate an electric field inside the electro-optic crystal, and orthogonal to the direction of the electric field The optical axis of the incident light is set, and a voltage is applied between the electrode pair to deflect the incident light, and the first and second optical deflection elements, which are optical deflection elements, A half-wave plate inserted between the first optical deflection element and the second optical deflection element is an optical deflector disposed on the same optical axis,
Each of the first and second light deflection elements includes a light source for irradiating the electro-optic crystal with irradiation light having a wavelength shorter than the wavelength of the incident light,
Each of the first and second light deflection elements applies a DC voltage between the electrode pair, and modulates the irradiation intensity of the irradiation light to deflect the incident light. Deflector.
タンタル酸ニオブ酸カリウム(KTa 1-x Nb x 3 (0<x<1))結晶、またはリチウムを添加したK 1-y y Ta 1-x Nb x 3 (0<x<1、0<y<1)結晶のいずれかである電気光学結晶、および前記電気光学結晶の内部に電界を発生させる、正極と負極とからなる少なくとも1つの電極対を備え、前記電界の方向と直交するように入射光の光軸が設定され、前記電極対の間に電圧を印加して、前記入射光を偏向させる光偏向素子である第1の光偏向素子および第2の光偏向素子と、前記第1の光偏向素子および前記第2の光偏向素子の間に挿入された半波長板とが、同一の光軸上に配置された光偏向器の制御方法であって、
前記第1および前記第2の光偏向素子の各々において、前記電極対の間に直流電圧を印加して、前記電気光学結晶内に電荷を注入するステップと、
前記第1および前記第2の光偏向素子の各々において、前記入射光の波長より短い波長の照射光を、前記電気光学結晶に照射するステップであって、前記照射光の照射強度を変調して前記入射光を偏向させるステップと
を備えたことを特徴とする光偏向器の制御方法。
Potassium tantalate niobate (KTa 1-x Nb x O 3 (0 <x <1)) crystal K 1-y or that the addition of lithium, L y Ta 1-x Nb x O 3 (0 <x <1, 0 <y <1) An electro-optic crystal that is one of the crystals, and at least one electrode pair including a positive electrode and a negative electrode that generate an electric field inside the electro-optic crystal, and orthogonal to the direction of the electric field The optical axis of the incident light is set, and a voltage is applied between the electrode pair to deflect the incident light, and the first and second optical deflection elements, which are optical deflection elements, A half-wave plate inserted between the first optical deflection element and the second optical deflection element is a method of controlling an optical deflector disposed on the same optical axis,
In each of the first and second optical deflection elements, applying a direct current voltage between the electrode pair to inject electric charge into the electro-optic crystal;
In each of the first and second light deflecting elements, the step of irradiating the electro-optic crystal with irradiation light having a wavelength shorter than the wavelength of the incident light, wherein the irradiation intensity of the irradiation light is modulated. A method of controlling an optical deflector, comprising: deflecting the incident light.
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