JP2011186219A - 内部反射型光偏向器 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、金属ミラーや誘電体多層膜ミラーの欠点に鑑み、ＫＴＮやＫＬＴＮ結晶内での全反射による折返しによる相互作用長延伸を基本原理とする内部反射型光偏向器を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明の内部反射型光偏向器は、ＫＴＮ（ＫＴａ_1-xＮｂ_xＯ₃）結晶、若しくは、ＫＬＴＮ（Ｋ_1-yＬｉ_yＴａ_1-xＮｂ_xＯ₃）結晶を使用した光偏向器において、上記ＫＴＮ結晶若しくは上記ＫＬＴＮ結晶が互いに平行な一対の電極面と、上記電極面対に垂直で、かつ、少なくとも３対の互いに平行な側面からなることを特徴とする。これによれば、外部ミラー使用時に問題となる偏向方向へのビーム移動距離を浪費することも、誘電体多層膜ミラー形成に伴うコスト上昇や応力発生を生じることもなく、結晶と光の相互作用長を延伸させ、偏向角を増大させることが可能となる。
【選択図】図１

Description

光の方向を変える光偏向器に関する。

光の進行方向を変える光偏向器のうち、２次の電気光学効果を利用するＫＴＮ光偏向器やＫＬＴＮ光偏向器、１次の電気光学効果を利用する電気光学光偏向器、および、超音波と光弾性効果を利用する音響光学光偏向器は、ガルバノミラーやポリゴンミラー、ＭＥＭＳミラー等と異なり、可動部を有さない固体素子である。従って、偏向角度を変更する際に慣性質量を有するミラーの加速減速の必要が無く、従って、剛性も要求しない為、小型で高速の光偏向器となる。これら固体素子の光偏向器は、振れ角が小さく、解像度を大きくすることができないという欠点があるが、ＫＴＮ光偏向器やＫＬＴＮ光偏向器には、素子内での相互作用長が長いほど偏向角が大きくなると言う特徴があり、光を素子内で複数回往復させることにより相互作用長を伸ばす工夫がなされている。（特許文献１参照）

国際公開第０６／１３７４０８号パンフレット

しかしながら、素子内を複数回往復させるための手段として反射ミラーを使用する場合、ミラーが金属である場合は素子に電圧を印加する為に、放電や電圧降下を避けるためには素子から離してミラーを設置せざるを得ず、高屈折率のＫＴＮやＫＬＴＮから偏向して出射される光がスネルの法則により空気中でさらに大きく偏向され、ミラーに達するまで空気中を伝搬することになる。光は偏向により電圧印加方向に位置も移動するが、その位置は素子の厚みにより制限されており、空気中を伝搬することにより無駄に移動可能距離を消費していることになる。

ミラーを誘電体多層膜にする場合、電圧降下や放電の危険は避けられる。しかし、誘電体多層膜ミラーは、膜形成に先立ち、使用波長や入射角度を予め決定しておく必要があり、特定の波長用途以外には使用しづらくなる。汎用品としての一般性を失うことを意味する。さらには、分光器など複数の波長に亘って同時に入射するような場合には、狭い波長帯域のミラーでは使用ができない。一方、波長範囲や入射角度範囲を広くすればするほど、多層膜の層数が増加し成膜コストが高くなる。特に、空気中での光の伝搬を避けるために、ＫＴＮやＫＬＴＮの側面に誘電体多層膜ミラーを直に成膜する場合、総膜厚が増加することは膜によるＫＴＮやＫＬＴＮへの応力の増加を避けられず、電歪を伴う該素子の性能を下げることを意味する。さらには、応力に伴い、誘電体多層膜が剥がれやすくなることも懸念される。

本発明は、金属ミラーや誘電体多層膜ミラーの欠点に鑑み、ＫＴＮやＫＬＴＮ結晶内での全反射による折返しによる相互作用長延伸を基本原理とする内部反射型光偏向器を提供することを目的とする。

ＫＴＮやＫＬＴＮは、０．４μｍ〜４μｍの波長範囲で透明であり、２μｍ以下の波長では、その屈折率は２．１８を下回ることはない。屈折率が２．１８の時、空気との界面において全反射条件は、θ＞２７．３゜であるから、ＫＴＮやＫＬＴＮ結晶の内部の光が壁面の法線と２７．３゜以上の角度をなす場合、２μｍ以下の波長の光は全反射され、結晶内で再び相互作用を繰り返すことになる。その様な状況を作り出すため、光の入出力を行う請求項１に関わる斜めカット面が必要になる。

従って、上述の目的を達成するために、本発明の請求項１に記載の内部反射型光偏向器は、ＫＴＮ（ＫＴａ_1-xＮｂ_xＯ₃）結晶、若しくは、ＫＬＴＮ（Ｋ_1-yＬｉ_yＴａ_1-xＮｂ_xＯ₃）結晶を使用した光偏向器において、上記ＫＴＮ結晶若しくは上記ＫＬＴＮ結晶が互いに平行な一対の電極面と、上記電極面対に垂直で、かつ、少なくとも３対の互いに平行な側面からなることを特徴とする。

また、本発明の請求項２に記載の内部反射型光偏向器は、１対の上記側面が光の入出力面であり、他の対の上記側面において、ＫＴＮもしくはＫＬＴＮ結晶内で上記光が全反射することを特徴とする。

また、本発明の請求項３に記載の内部反射型光偏向器は、入射光が入射面に垂直入射することを特徴とする。

また、本発明の請求項４に記載の内部反射型光偏向器は、上記電極面に投影した入射光の光軸と出射光の光軸が一致するよう、上記側面の角度と上記入射光の方向が調整されていることを特徴とする。

本発明によれば、全反射構造を採用することにより、外部ミラー使用時に問題となる偏向方向へのビーム移動距離を浪費することも、誘電体多層膜ミラー形成に伴うコスト上昇や応力発生を生じることもなく、結晶と光の相互作用長を延伸させ、偏向角を増大させることが可能となる。あるいは、偏向角を増大させない場合でも、必要な偏向角度を得るのに必要な印加電圧が減少し、電源コストの低下を期待できる。

本発明の請求項１に記載の光偏向器の基本構成を示す図であり、図１（ａ）は、従来のＫＴＮ若しくはＫＬＴＮ結晶の直方体を示す図であり、図１（ｂ）は、本発明の請求項１に記載の基本形状を示す図であり、図１（ｃ）は、本発明の光入出力方向を説明する説明図である。 本発明の請求項２に記載の光偏向器の基本構成図である。 本発明の全反射回数が多い場合の光路図を示す図であり、図３（ａ）は、８回の全反射を繰り返す場合の光路図３００を示す図であり、図３（ｂ）は、１４回の全反射を繰り返す場合の光路図３１０を示す図である。 ６回の全反射を繰り返し、結晶長を４ｍｍに固定し、全反射角を変化させたときの結晶幅と入射可能ビーム幅の全反射角度依存性を示す図である。 ６回の全反射を繰り返し、結晶長を４ｍｍに固定し、全反射角を変化させたときの相互作用長および相互作用長／結晶長比の全反射角度依存性を示す図である。 本発明の請求項３，４に記載の光偏向器の構成を示す図であり、図６（ａ）は、入射光が入射面に垂直に入射する場合の光路図６００を示す図であり、図６（ｂ）は、入射光と出射光の光軸が一致している場合の光路図６１０を示す図である。 本発明の実施例１の光偏向器の構成を示す図である。 本発明の実施例２の光偏向器の構成を示す図である。

図１は、本発明の請求項１に記載の光偏向器の基本構成を示す図であり、図１（ａ）は、従来のＫＴＮ若しくはＫＬＴＮ結晶の直方体１００を示す図であり、図１（ｂ）は、本発明の請求項１に記載の基本形状１１０を示す図であり、図１（ｃ）は、本発明の光入出力方向と電圧印加方向を説明する説明図１２０である。従来のＫＴＮ／ＫＬＴＮデバイスは、図１（ａ）に示すような、直方体１００であって、その表面は、１対の電極面と、電極面に垂直でかつ互いに平行な２対の側面の計６面から構成されている。本発明において、最も簡単な構成は、電極面１０１に垂直で互いに平行な面１０２、１０３を追加形成することである。

結果として、計８面からなる立体１１０が形成される。新たに形成された面１１２、１１３は、電極面１１１とは直交するが、従来の側面１１４、１１５、１１６、１１７とは直交しない。図１（ｃ）に示すように、直方体１００の一部を切り取って新たに追加された１対の平行面１１２及び１１３のいずれかの１面に入射光１２２を入射し、内部で全反射を繰り返して出射光１２３を出射する。平行な電極面１２１に印加電圧１２４を印加するので、電圧印加方向にビームが偏向する。

図２に、全反射の様子を示す。図２は、光路を電極面方向に投影したものであって、電圧印加による偏向は見えない。入射光２０１は入射面２０２において、スネルの法則に従って屈折し、ＫＴＮもしくはＫＬＴＮ結晶内に入っていく。全反射を起こすのは２１１、２１２、２１３、２１４面である。入射光は、まず全反射部２０４において全反射する。２１１面の法線と光のなす角θは全反射条件であるｓｉｎθ＞ｎでなければならない。ｎは、ＫＴＮもしくはＫＬＴＮ結晶の屈折率である。前述のように、２μｍ以下の波長ではｎ＞２．１８であるから、θ＞２７．３゜であることが要請される。次いで、全反射した光は２１３面の全反射部２０５で全反射される。この例の場合、２１１面と２１３面は直交しているから、２１３面の法線と光のなす角φは、φ＝９０゜−θである。２１３面での全反射条件は、φ＞２７．３゜であるから、θ＜９０゜−２７．３゜＝６２．７゜でなければならない。従って、
２７．３゜＜θ＜６２．７゜ （１）
が満足されなければならない。

入射面２０２から入射された光は、引き続き、全反射部２０６、２０７、２０８、２０９で全反射を繰り返し、最後に出射面２０３から結晶外に放出される。２０２面と２０３面は平行であるから、電圧印加の有無に関わらず入射光２０１と出射光２１０を電極面へ投影した場合、その角度は投影面内では平行である。電極面の法線方向に、電圧が印加されている場合には平行ではない。この図では、６回の全反射を繰り返すが、反射を伴わない場合に比較して、ほぼ５倍の距離を結晶内で透過することになり、結果として同じ印加電圧であるなら、ほぼ５倍の偏向角をもたらすことになる。

図３は、全反射回数が多い場合の光路図を示す図であり、図３（ａ）は、８回の全反射を繰り返す場合の光路図３００を示す図であり、図３（ｂ）は、１４回の全反射を繰り返す場合の光路図３１０を示す図である。それぞれ、入射光３０１と３１１が入射され、出射光３０２と３１２が出射される。ここで、図３（ａ）、図３（ｂ）ともに、全反射位置に番号が順番に振られている。この図のように、必要に応じて全反射回数、ひいては偏向角度を大きくすることは容易である。

図４は、図２における結晶長（Ｌ）を４ｍｍに、全反射回数を６回に固定し、全反射角度（θ）を３１゜から４５゜まで変化させたときの、最適結晶幅（Ｗ）と入射可能ビーム幅の全反射角度依存性４００を示す図である。この場合、それぞれの全反射角度において、入出力面２０２、２０３の角度、長さは入射可能ビーム幅が最大になるように調節されている。図４によれば、全反射角度が大きい場合には、入射可能ビーム幅が大きくなることが分かる。しかし、同時に結晶幅（Ｗ）も大きくなり、より大きな結晶が必要とされることが分かる。

図５は、同上の条件で結晶内を光が通過する距離、即ち結晶と光との相互作用長、および、相互作用長／結晶幅比の全反射角度依存性５００を示す図である。相互作用長は、θが大きくなると長くなるが、相互作用長／結晶幅比は逆に小さくなっていることが分かる。即ち、結晶単位大きさあたりの偏向角度は全反射角度が小さいほど大きく有利であることが分かる。

しかし、結晶内で６回の反射を繰り返しているので、側面の角度や長さが設計値からずれていると出射位置で大きくビーム位置が変わってしまい、ケラレが生じてしまう。光偏向器としての性能指数（Ξ）はビームの直径（Ｄ）と最大偏向角（ξ）を使用して、
Ξ＝Ｄｔａｎξ （２）
で表されるから、本発明による全反射構造によって偏向角ξを大きくしたとしても、製造誤差によるビームのケラレによってＤが小さくなってしまうと性能向上は難しい。従って、全反射角度の大きさの決定には、実現可能なＫＴＮもしくはＫＬＴＮ結晶の研磨精度を勘案しなければならない。

さらに、入射光と入射面との関係において、光学的に特別な配置が少なくとも２種類存在する。１つは請求項３に記載されている入射光が入射面に垂直に入射する場合である。この場合、入射面における屈折に伴う波長分散が存在しない。偏向方向への波長分散、即ち、偏向角度の波長依存性は避けられないが、少なくとも、電極面に投影した光路に波長依存性は存在しない。

もう１つは請求項４に記載されている入射光と出射光の光軸が電極面への投影において一致している場合である。これは、光軸が一致するよう屈折角を調整する必要があるため、設計時の屈折率である波長のときのみ実現される。

これら請求項３および４に関わる図を図６に示す。図６（ａ）は、請求項３に記載されているものに対応する光路図であって、入射光が入射面に垂直に入射する場合の光路図６００を示す図である。この図は電極面への投影である。太い実線がＫＴＮもしくはＫＬＴＮ結晶の側面を示している。破線が光路である。この場合、全反射条件を満たす限り、電極面に投影された光路に波長依存性はない。しかし、出射光は一点鎖線で示された入射光軸に対して平行移動しており、用途によっては扱いづらいことがある。図６（ｂ）は、光軸一致を優先させた構成であり請求項４に関する光路図６００を示す図である。入射光が単色であれば、破線で示される光路をたどり、入射光と出射光の光軸を一致させることが可能である。しかし、複数の波長を含んだ光を入射させた場合、屈折率の波長分散に伴い、入射面での角度ずれが生じる。その結果、太い破線で示される出射光１と細い実線で示される出射光２のように、出射点が異なってしまうことがあるので、複数波長を偏向させる場合には注意が必要である。また、必要に応じて入出力面に無反射コートを施すことも可能である。

（実施例１）
図７に、入射光が入射面に垂直入射する場合の実施例７００を示す。図面は、電極面への投影図である。電極面間、即ち、紙面に垂直な方向へのＫＴＮもしくはＫＬＴＮ結晶の厚みは２ｍｍである。全反射角度θは３１゜である。結晶長（Ｌ）は４ｍｍ、結晶幅（Ｗ）は４．１９７ｍｍ、入射面の傾斜角は全反射角度と同じ３１゜である。入射面と出射面の形状は同じであり、面間隔は４．６６５ｍｍである。この場合、出射光は入射光軸に対して１．０４ｍｍずれることになる。相互作用長は２２．７ｍｍである。１５０Ｖ／ｍｍの電界印加により１ｍｍの相互作用長あたり０．２５度の偏向角度を使用すると、±３００Ｖの印加によって、±１１．３゜の偏向角度が得られる。

（実施例２）
図８に、入射光と出射光の光軸が一致する場合の実施例８００を示す。図面は、電極面への投影図である。電極面間、即ち、紙面に垂直な方向へのＫＴＮもしくはＫＬＴＮ結晶の厚みは２ｍｍである。全反射角度θは３５゜である。結晶長（Ｌ）は４ｍｍ、結晶幅（Ｗ）は４．９２ｍｍ、入射面の傾斜角は２４．２゜であり、入出射角度は図に示されるように側面に対して４７．４゜である。屈折率は、２．２５である。この場合、相互作用長は２３．８ｍｍである。１５０Ｖ／ｍｍの電界印加により１ｍｍの相互作用長あたり０．２５゜の偏向角度を使用すると、±３００Ｖの印加によって、±１１．９゜の偏向角度が得られる。

以上説明したように、本発明による全反射構造を採用することにより、外部ミラー使用時に問題となる偏向方向へのビーム移動距離を浪費することも、誘電体多層膜ミラー形成に伴うコスト上昇や応力発生を生じることもなく、結晶と光の相互作用長を延伸させ、偏向角を増大させることが可能となる。あるいは、偏向角を増大させない場合でも、必要な偏向角度を得るのに必要な印加電圧が減少し、電源コストの低下を期待できる。

Claims (4)

1. ＫＴＮ（ＫＴａ_1-xＮｂ_xＯ₃）結晶、若しくは、ＫＬＴＮ（Ｋ_1-yＬｉ_yＴａ_1-xＮｂ_xＯ₃）結晶を使用した光偏向器において、
   前記ＫＴＮ結晶若しくは前記ＫＬＴＮ結晶が互いに平行な一対の電極面と、
   前記電極面対に垂直で、かつ、少なくとも３対の互いに平行な側面からなることを特徴とする内部反射型光偏向器。
2. １対の前記側面が光の入出力面であり、他の対の前記側面において、ＫＴＮもしくはＫＬＴＮ結晶内で前記光が全反射することを特徴とする請求項１に記載の内部反射型光偏向器。
3. 入射光が入射面に垂直入射することを特徴とする請求項１または２のいずれか１項に記載の内部反射型光偏向器。
4. 前記電極面に投影した入射光の光軸と出射光の光軸が一致するよう、前記側面の角度と前記入射光の方向が調整されていることを特徴とする請求項１または２のいずれか１項に記載の内部反射型光偏向器。

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