JP2004145317A - Optical deflector, optical switch composed of the optical deflector, optical scanning device and method of deflecting light - Google Patents
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Description
本発明は、光偏向装置、該光偏向装置によって構成した光スイッチ、光走査装置、および光偏向方法に関するものである。 The present invention relates to an optical deflecting device, an optical switch constituted by the optical deflecting device, an optical scanning device, and an optical deflecting method.
近年、屈折率の異なる物質を波長程度の間隔で周期的に配列した「フォトニック結晶」と呼ばれる新しい人工結晶が提案され(非特許文献1)、注目を集めている。この人工結晶は、半導体のバンド構造に類似した、いわゆるフォトニックバンド構造に起因する光の禁制帯、見かけ上の屈折率異常といった特異な光学的特性を示し、その特性を構造やスケールで人為的に設計可能なことから、光学素子としての研究開発が盛んに行われるようになっている。
これら光学特性の中で注目されるものの1つとして、スーパープリズム効果と呼ばれる現象が挙げられる。これは、前述した見かけ上の屈折率異常に起因する現象で、波長や入射角の変化に対し、光学ガラスで作製された通常のプリズムの数〜数100倍の屈折角を示すというものである。
In recent years, a new artificial crystal called “photonic crystal” in which substances having different refractive indices are periodically arranged at intervals of about a wavelength has been proposed (Non-Patent Document 1) and has attracted attention. This artificial crystal exhibits unique optical characteristics, such as the band gap of light and apparent refractive index anomalies caused by the so-called photonic band structure, similar to the band structure of semiconductors. Therefore, research and development as an optical element have been actively conducted.
One of the optical characteristics that attracts attention is a phenomenon called a super prism effect. This is a phenomenon caused by the above-mentioned apparent refractive index abnormality, and shows a refraction angle that is several to several hundred times that of a normal prism made of optical glass with respect to a change in wavelength or incident angle. .
上述した現象の応用例として、フォトニック結晶に入射するレーザ光の波長を変化させることで偏向角を制御する方法が提案されている(特許文献1、特許文献2参照)。
また、入射するレーザ光に対し、アクチュエータを用いてフォトニック結晶の角度を変化させることで偏向角を制御する方法も提案されている(特許文献3、特許文献4参照)。
Further, there has been proposed a method of controlling the deflection angle by changing the angle of a photonic crystal using an actuator with respect to incident laser light (see Patent Documents 3 and 4).
しかしながら、レーザ光の波長を変化させるためには、波長可変レーザを光源に用いる必要があるが、このようなレーザは一般に高価である。また、一定波長を要求する用途には原理的に不向きである。
また、フォトニック結晶の角度を変化させる場合は、結晶全体を動かすため機構が大きくなり、また、動作周波数が低下するという点等にも課題を有している。
However, in order to change the wavelength of laser light, it is necessary to use a wavelength tunable laser as a light source, but such a laser is generally expensive. Further, it is not suitable in principle for applications requiring a constant wavelength.
Further, when the angle of the photonic crystal is changed, there is a problem in that the mechanism for moving the entire crystal becomes large, and the operating frequency decreases.
そこで、本発明は、上記課題を解決し、コンパクトな構成で、高速動作が可能となる光偏向装置、該光偏向装置によって構成した光偏向装置、該光偏向装置によって構成した光スイッチ、光走査装置、および光偏向方法を提供することを目的とするものである。 In view of the above, the present invention has been made to solve the above-described problems, and has an optical deflecting device capable of high-speed operation with a compact configuration, an optical deflecting device including the optical deflecting device, an optical switch including the optical deflecting device, It is an object to provide an apparatus and a light deflection method.
本発明は、つぎのように構成した、光偏向装置、該光偏向装置によって構成した光スイッチ、光走査装置、および光偏向方法を提供するものである。
本発明の光偏向装置は、フォトニック結晶部と、前記フォトニック結晶部に光を導入する光導入手段と、前記フォトニック結晶部を機械的外力により変形させ、前記光導入手段により導入された光の前記フォトニック結晶部における屈折角を変化させる外力印加手段と、を有することを特徴とする。
また本発明は、前記の光偏向装置に、前記光偏向装置によって所望の光導出方向に偏向された光を導出するための光導出手段を加えた光スイッチもしくは光走査装置である。
また本発明の光偏向方法は、フォトニック結晶部に対して、光を導入し、前記フォトニック結晶部に機械的外力を印加して変形させることにより、前記導入された光の該フォトニック結晶部における屈折角を変化させ、該導入された光を偏向することを特徴とする。
屈折角は、フォトニック結晶の周期によって変化する。また、周期を固定し、1周期内の屈折率分布を変えることによっても屈折角を変えることができる。
The present invention provides an optical deflecting device, an optical switch, an optical scanning device, and an optical deflecting method constituted by the optical deflecting device configured as follows.
The light deflecting device of the present invention is a photonic crystal part, a light introducing means for introducing light into the photonic crystal part, and the photonic crystal part is deformed by a mechanical external force, and is introduced by the light introducing means. External force applying means for changing a refraction angle of the light in the photonic crystal portion.
Further, the present invention is an optical switch or an optical scanning device in which light deriving means for deriving light deflected in a desired light deriving direction by the light deflector is added to the light deflector.
Further, the light deflection method of the present invention is characterized in that light is introduced into a photonic crystal portion, and a mechanical external force is applied to the photonic crystal portion to deform the photonic crystal portion. Changing the refraction angle at the portion and deflecting the introduced light.
The refraction angle changes depending on the period of the photonic crystal. The refraction angle can also be changed by fixing the cycle and changing the refractive index distribution within one cycle.
本発明によれば、コンパクトな構成で、高速動作が可能となる光偏向装置、該光偏向装置によって構成した光スイッチ、光走査装置、および光偏向方法を実現することができる。 According to the present invention, it is possible to realize an optical deflecting device capable of high-speed operation with a compact configuration, an optical switch, an optical scanning device, and an optical deflecting method configured by the optical deflecting device.
本発明の実施の形態においては、上記構成を適用することにより、例えば、変形可能な材質で構成したフォトニック結晶に機械的外力を加えるアクチュエータを取り付け、これにレーザ光を入射した状態で、アクチュエータを使用してフォトニック結晶を変形させることにより、レーザ光の波長を変調することなく、屈折角を変化させて、レーザ光を偏向することができる。
また、フォトニック結晶を透過したレーザ光の出射位置を前述した屈折角により変化させることで、所望の経路にレーザ光を導出するようにした光スイッチを実現することができる。
また、フォトニック結晶を透過したレーザ光の出射角度を前述した屈折角により変化させることで、所望の角度にレーザ光を走査するようにした光走査装置を実現することができる。
また、上記したようにフォトニック結晶を直接変形させる本構成によれば、コンパクトな構成で、高速動作を実現することが可能となる。
In the embodiment of the present invention, by applying the above configuration, for example, an actuator that applies a mechanical external force to a photonic crystal made of a deformable material is attached, and the Is used to deform the photonic crystal, whereby the laser light can be deflected by changing the refraction angle without modulating the wavelength of the laser light.
Further, by changing the emission position of the laser light transmitted through the photonic crystal by the above-described refraction angle, an optical switch that guides the laser light to a desired path can be realized.
Further, by changing the emission angle of the laser light transmitted through the photonic crystal by the above-described refraction angle, it is possible to realize an optical scanning device that scans the laser light at a desired angle.
Further, according to the present configuration in which the photonic crystal is directly deformed as described above, a high-speed operation can be realized with a compact configuration.
以下に、本発明の実施例について、図面を用いて説明する。
[実施例1]
本実施例は、フォトニック結晶に周期方向の力を加えて機械的変形を生じさせることにより屈折率を変えるものである。
図1は、本発明の実施例1における光スイッチの装置構成を説明する図である。図1に示すように、筐体103内に圧電素子からなるアクチュエータ101とPMMA(ポリメチルメタクリレート)からなるフォトニック結晶102とが接続されて収められている。フォトニック結晶102は、板状のPMMA113に貫通孔114を設けたもので、貫通孔はX線リソグラフィーにより作製される。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[Example 1]
In this embodiment, the refractive index is changed by applying a periodic force to the photonic crystal to cause mechanical deformation.
FIG. 1 is a diagram illustrating a device configuration of an optical switch according to a first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, an actuator 101 made of a piezoelectric element and a photonic crystal 102 made of PMMA (polymethyl methacrylate) are connected and housed in a housing 103. The photonic crystal 102 is a plate-shaped PMMA 113 provided with a
アクチュエータ101の動作方向は、伸縮方向112で示す矢印の方向であり、同方向にフォトニック結晶102を伸縮させる。筐体103には光路を確保するため、フォトニック結晶102を挟んで3つの穴があいている。各々の穴にはレーザ光を導入あるいは導出するための光ファイバーが取り付けられており、第3の光ファイバー108に対し、フォトニック結晶102を挟んで反対側に、第1の光ファイバー106と第2の光ファイバー107とが配置される。
制御回路104は、制御量を駆動回路105に送り、アクチュエータ101を駆動させる。
第3の光ファイバー108からの入射光111は、制御回路104の出力する制御量に応じて第1の光路109あるいは第2の光路110を通ってフォトニック結晶102中を透過し、第1の光ファイバー106あるいは第2の光ファイバー107に入射する。
The operation direction of the actuator 101 is the direction of the arrow indicated by the expansion and contraction direction 112, and causes the photonic crystal 102 to expand and contract in the same direction. The housing 103 has three holes with the photonic crystal 102 interposed therebetween to secure an optical path. Each of the holes is provided with an optical fiber for introducing or extracting a laser beam. The first optical fiber 106 and the second optical fiber 106 are located opposite to the third optical fiber 108 with the photonic crystal 102 therebetween. 107 are arranged.
The
The incident light 111 from the third optical fiber 108 passes through the photonic crystal 102 through the first optical path 109 or the second optical path 110 according to the control amount output from the
以上の説明においては、連続体である板状のPMMA113に貫通孔114を形成してフォトニック結晶102を形成した。フォトニック結晶の構造はこれに限るものではなく、柱状の部材を基板に垂直に立てて規則的に配列させた周期構造を形成してもよい。この場合は、アクチュエータによって基板に水平方向の力を加えて伸縮させ、それによって間接的に柱状部材の周期性を変えることができる。さらに、基板を圧電体で形成することにより基板自身が伸縮するように構成すれば,アクチュエータや筐体が不要になる。
In the above description, the photonic crystal 102 was formed by forming the through-
なお、フォトニック結晶102の材質は前述の例に限るものではなく、屈折率、ヤング率といった物理的特性や、作製時のプロセス適合性、温度、湿度といった使用環境に対する適合性等から、適宜選択可能である。
また、本実施例においては、アクチューエータ101として圧電素子を用いたが、送りねじ機構、ボイスコイル等、他の駆動機構を選択することも可能である。
The material of the photonic crystal 102 is not limited to the above-described example, and may be appropriately selected from physical characteristics such as a refractive index and a Young's modulus, process compatibility at the time of fabrication, and compatibility with a use environment such as temperature and humidity. It is possible.
In the present embodiment, a piezoelectric element is used as the actuator 101, but other driving mechanisms such as a feed screw mechanism and a voice coil can be selected.
[実施例2]
本実施例では、フォトニック結晶の周期を固定し、1周期内の屈折率分布を変えて屈折角を変化させ、この変化を連続的に生じさせることにより光の偏向方向を連続可変とする。これにより光スキャナを実現する。
図2は、本発明の実施例2における光スキャナの装置構成を説明する図である。図2に示すように、筐体103内に圧電素子からなるアクチュエータ101とフォトニック結晶102とが積層されて収められている。ここでのフォトニック結晶102は、図2に示すように周期構造202を構成する変形可能な柱状の独立部材を配列した該柱状部材の配列方向に対して、垂直な方向に配された平行な2枚の基板203で挟み込んで形成されている。
[Example 2]
In the present embodiment, the period of the photonic crystal is fixed, the refractive index is changed by changing the refractive index distribution within one period, and the change is made to occur continuously, thereby making the light deflection direction continuously variable. This realizes an optical scanner.
FIG. 2 is a diagram illustrating a device configuration of an optical scanner according to a second embodiment of the present invention. As shown in FIG. 2, an actuator 101 made of a piezoelectric element and a photonic crystal 102 are stacked and housed in a housing 103. As shown in FIG. 2, the photonic crystal 102 here is a parallel structure arranged in a direction perpendicular to the arrangement direction of the columnar members in which the deformable columnar independent members constituting the periodic structure 202 are arranged. It is formed so as to be sandwiched between two substrates 203.
アクチュエータ101の動作方向は、基板203面の法線方向であり、同方向にフォトニック結晶102を伸縮させる。筐体103には光路を確保するため、フォトニック結晶102を挟んで2つの穴があいている。レーザ204からのレーザ光は、一方の穴より素子内に入り、フォトニック結晶102中を透過し、走査方向に広く開けられた他方の穴から出射する。制御回路104は所望の角度に偏向されたレーザ光が出射されるように、制御量を演算して駆動回路105に送り、アクチュエータ101を駆動させる。
動作 The operation direction of the actuator 101 is the direction of the normal to the surface of the substrate 203, and causes the photonic crystal 102 to expand and contract in the same direction. The housing 103 has two holes with the photonic crystal 102 interposed therebetween to secure an optical path. Laser light from the laser 204 enters the element through one hole, passes through the photonic crystal 102, and exits from the other hole that is widely opened in the scanning direction. The
フォトニック結晶102は、例えば以下のようにして作製する。まずレーザ光の透過率向上のため、Siからなる基板203上に多層膜を蒸着により作製し、反射膜201を形成する。次に反射膜201上にPMMA(ポリメチルメタクリレート)を塗布し、X線リソグラフィーにより周期構造202を作製する。周期構造202を構成する個々の柱状部材は孤立し、反射膜201上、基板203面と平行な面内において2次元の周期構造をなす。
次に、Siからなる基板203上に反射膜201を形成したものをもう1枚用意し、反射膜201をPMMAからなる周期構造202側にして重ね合わせる。さらに、出射側の端面を弧を描いた形状に研削加工し、図3に示す形状とする。なお、この図は基板203面の法線方向から見たものである。
The photonic crystal 102 is manufactured, for example, as follows. First, in order to improve the transmittance of laser light, a multilayer film is formed on a substrate 203 made of Si by vapor deposition, and a reflective film 201 is formed. Next, PMMA (polymethyl methacrylate) is applied on the reflective film 201, and a periodic structure 202 is manufactured by X-ray lithography. The individual columnar members constituting the periodic structure 202 are isolated and form a two-dimensional periodic structure on the reflective film 201 in a plane parallel to the substrate 203 surface.
Next, another one in which the reflective film 201 is formed on the substrate 203 made of Si is prepared, and the reflective film 201 is overlapped on the periodic structure 202 made of PMMA. Further, the end face on the emission side is ground into an arc-shaped shape to obtain the shape shown in FIG. This drawing is viewed from the normal direction of the surface of the substrate 203.
このようにして形成されたフォトニック結晶102に対し、基板203面の法線方向から外力を加えることにより、周期構造102を構成する個々の柱状部材が変形する。駆動回路105は連続的な電圧をアクチュエータに印加するように制御回路104によってコントロールされる。その結果アクチュエータは連続的な伸縮変位を生じて、柱状部材を変形させ、柱状部材の径が連続的に変化することで、その屈折角を制御することが可能となる。したがって、レーザ204からフォトニック結晶102に入射した入射光111は、制御回路104の指示した変形量に応じた角度に屈折してフォトニック結晶102を透過し、図3に示すようにその出射光301は偏向範囲302に示す角度範囲において走査される。
外 By applying an external force to the photonic crystal 102 thus formed in a direction normal to the surface of the substrate 203, the individual columnar members constituting the periodic structure 102 are deformed. The
なお、反射膜201、周期構造202、基板203等の材質は前述の例に限るものではなく、屈折率、ヤング率といった物理的特性や、作製時のプロセス適合性、温度、湿度といった使用環境に対する適合性等から、適宜選択可能である。また、本実施例においては、アクチューエータ101として圧電素子を用いたが、送りねじ機構、ボイスコイル等、他の駆動機構を選択することも可能である。 The materials of the reflective film 201, the periodic structure 202, the substrate 203, and the like are not limited to the above-described examples. It can be appropriately selected from the suitability and the like. In the present embodiment, a piezoelectric element is used as the actuator 101, but other driving mechanisms such as a feed screw mechanism and a voice coil can be selected.
101:アクチュエータ
102:フォトニック結晶
103:筐体
104:制御回路
105:駆動回路
106:第1の光ファイバー
107:第2の光ファイバー
108:第3の光ファイバー
109:第1の光路
110:第2の光路
111:入射光
112:伸縮方向
113:板状のPMMA
114:貫通孔
201:反射膜
202:周期構造
203:基板
204:レーザ
301:出射光
302:偏向範囲
101: Actuator 102: Photonic crystal 103: Housing 104: Control circuit 105: Drive circuit 106: First optical fiber 107: Second optical fiber 108: Third optical fiber 109: First optical path 110: Second optical path 111: incident light 112: expansion / contraction direction 113: plate-shaped PMMA
114: through hole 201: reflective film 202: periodic structure 203: substrate 204: laser 301: emitted light 302: deflection range
Claims (9)
前記フォトニック結晶部に光を導入する光導入手段と、
前記フォトニック結晶部を機械的外力により変形させ、前記光導入手段により導入された光の前記フォトニック結晶部における屈折角を変化させる外力印加手段と、
を有することを特徴とする光偏向装置。 A photonic crystal part,
Light introducing means for introducing light into the photonic crystal part,
An external force applying unit that deforms the photonic crystal unit by a mechanical external force and changes a refraction angle of the light introduced by the light introducing unit in the photonic crystal unit,
An optical deflecting device comprising:
光偏向装置。 The external force applying means applies a mechanical external force to the photonic crystal unit in a direction perpendicular to the direction of the period of the periodic structure of the photonic crystal unit, and changes the refraction angle in the photonic crystal unit. The optical deflecting device according to claim 1, comprising:
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