JP2012014119A - 光偏向器 - Google Patents

Abstract

【課題】解像点数の大きな光偏向器を提供する。
【解決手段】１次元に光を偏向する光偏向器において、２次元に光を偏向する光偏向手段と、光を伝搬させるコアを複数備え、コアが入射端面において２次元に配置され、出射端面において１次元に配置されたマルチコア導波路と、光偏向手段から出射された光を、マルチコア導波路の入射端面に結合するレンズとを備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、光偏向器に関し、より詳細には、電気光学効果、音響光学効果を利用した光偏向器に関する。

従来、電気光学結晶を用いた様々な光機能部品が実用化されている。これら光機能部品は、電気光学結晶に電圧を印加すると、電気光学効果により結晶の屈折率が変化することを利用している。例えば、ＫＴａ_1-xＮｂ_xＯ₃（０＜ｘ＜１、以下ＫＴＮ）結晶、Ｋ_1-yＬｉ_yＴａ_1-xＮｂ_xＯ₃（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、以下ＫＬＴＮ）結晶を用いた光偏向器は、空間電荷制限電流と２次の電気光学効果を利用して、光の進行方向を変えることができる（例えば、特許文献１参照）。また、１次の電気光学効果を利用する電気光学光偏向器、超音波と光弾性効果を利用する音響光学光偏向器なども知られている。これら光偏向器は、ガルバノミラー、ポリゴンミラー、ＭＥＭＳミラー等と異なり、可動部を持たない固体素子である。従って、固体素子からなる光偏向器は、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、剛性も要求されないため、小型で高速の光偏向器を構成することができる。

しかし、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。光偏向器で言うところの解像点数とは、光をスキャンする幅を光のスポットの直径で割った値である。光のスポット径は、光の波長にも依存するので、光偏向器単体での性能指数は、Φｔａｎθで与えられる。ここで、Φは光偏向器に入射可能なビーム径であり、θは最大偏向半角である。偏向可能な全角度、すなわち振れ角は２θである。

光偏向器の出射端から距離ｆの位置に、焦点距離ｆの凸レンズを置いたとする。光偏向器から出射したコリメート光は、出射端から２ｆの位置で集光されることになる。このとき、スポット径は、波長をλとして、概ね２λｆ／Φで表され、集光点は２ｆｔａｎθが移動範囲となる。すなわち、移動範囲をスポット径で割った値、Φｔａｎθ／λが、解像点数を表すことになる。波長λは用途によって変わるので、波長に依存しないΦｔａｎθが、光偏向器に関わる指標となる。

例えば、１次の電気光学効果を利用するプリズム型電気光学光偏向器の典型例として、振れ角±１５ｍｒａｄ、ビーム径１ｍｍφとすると、波長λ＝５３２ｎｍにおいて、解像点数は２８点になる。空間電荷制限電流と２次の電気光学効果を利用するＫＴＮ光偏向器の典型例として、振れ角±１２５ｍｒａｄ、ビーム径０．５ｍｍφとすると、波長λ＝５３２ｎｍにおいて、解像点数は１１８点になる。超音波と光弾性効果を利用する音響光学光偏向器を含め、これら固体素子は、解像点数が大きくない。このため、印刷装置、表示装置などの分野では使用されず、光ディスクのマスタリング、レーザーのスイッチングなど、適用分野は産業用・研究用の分野に限られている。

国際公開第ＷＯ２００６／１３７４０８号明細書

振れ角を大きくするためには、レンズや回折素子のような光学部品によって大きくすることが可能である。しかしながら、レンズの場合には、光ビームそのものの広がり角も同時に大きくしてしまうために、解像点数は不変である。回折素子の場合には、回折格子の設計にも依存するが、量産可能なレリーフ型ホログラムの場合、入射角を変化させても回折が起きるためにクロストークは不可避であり、結果として解像点数を大きくすることはできない。このことは、散逸を含まない光学素子は、入射光の情報を増やしも減らしもしないという、より根本的な原理に由来する。

そこで、本発明の目的は、電気光学効果、音響光学効果を利用した光偏向器であっても、解像点数の大きな光偏向器を提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、１次元に光を偏向する光偏向器において、２次元に光を偏向する光偏向手段と、光を伝搬させるコアを複数備え、前記コアが入射端面において２次元に配置され、出射端面において１次元に配置されたマルチコア導波路と、前記光偏向手段から出射された光を、前記マルチコア導波路の入射端面に結合するレンズとを備えたことを特徴とする。

前記マルチコア導波路の出射端面から出射された光を、コリメート光に変換するレンズをさらに備えることができる。

前記光偏向手段は、１次元に光を偏向する第１の光偏向素子と、該第１の光偏向素子の偏向方向と直交するように、１次元に光を偏向する第２の光偏向素子と、前記第１および第２の光偏向素子の間に挿入され、偏光方向を垂直方向に回転する半波長板とを含む構成とすることができる。

以上説明したように、本発明によれば、光偏向手段の偏向の次元を犠牲にすることにより、偏向角度を大きくし、解像点数を増やすことが可能となる。

本発明の一実施形態にかかる光偏向器の構成を示す図である。 本発明の一実施形態にかかるマルチコア導波路の入出射端面を示す図である。 本発明の一実施形態にかかるマルチコア導波路の内部構造を示す図である。 本発明の他の実施形態にかかるマルチコア導波路の内部構造を示す図である。

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。本発明は、解像点数がＮ点である１次元の光偏向器を２つ用意し、偏向方向を互いに直交させてタンデムに接続して、２次元光偏向器とする。これにより、解像点数を２次元でＮ²点とする。そして、２次元方向への偏向を閉じ込め性能の高いマルチモードの導波路または光ファイバを用いて、１次元に変換する。例えば、ＫＴＮ偏向器単体の解像点数を５０点とすると、本発明によって２５００点の解像点数を有する一次元偏向器を実現することができる。

図１に、本発明の一実施形態にかかる光偏向器の構成を示す。光偏向器は、光の進行方向（ｚ軸方向）に沿って、第１のＫＴＮ光偏向器１−２、半波長板１−３、第２のＫＴＮ光偏向器１−４、第１のレンズ１−６、マルチコア導波路１−１０、第２のレンズ１−１２の順に、光学的に接続されている。

第１のＫＴＮ光偏向器１−２および第２のＫＴＮ光偏向器１−４は、方形のＫＴＮ結晶の対向する面に、正極と負極とが形成されており、ＫＴＮ結晶に電圧を印加できるように構成されている。第１のＫＴＮ光偏向器１−２は、入射光を水平方向（ｙ軸方向）に偏向させ、第２のＫＴＮ光偏向器１−４は、入射光を垂直方向（ｘ軸方向）に偏向させる。

水平方向に直線偏光している入射光１−１は、第１のＫＴＮ光偏向器１−２により水平方向に偏向され、半波長板１−３により偏光方向が垂直方向に回転され、第２のＫＴＮ光偏向器１−４により垂直方向に偏向される。２つのＫＴＮ光偏向器を透過することにより、２次元の自由度をもって偏向された出射光１−５は、レンズ１−６によってマルチコア導波路１−１０の入射端面１−８で集光される。

図２に、本発明の一実施形態にかかるマルチコア導波路の入出射端面を示す。マルチコア導波路１−１０の入射端面１−８は、図２（ａ）に示すように、２次元平面（ｘ，ｙ）内に複数のコアが配置されている。ここでは、図示の便宜上、８×８＝６４本のコアが配置されている。マルチコア導波路１−１０の出射端面１−９では、図２（ｂ）に示すように、６４本のコアが１列（１次元）に配置されている。

マルチコア導波路１−１０からの出射光１−１１は、閉じ込め効果の高いマルチモード導波路からの出射光であるため、広い発散角を有する。この出射光１−１１をレンズ１−１２により平行光にコリメートする。レンズ１−１２から出射されるコリメート光１−１３の進行方向は、６４本のコアの各々に対応して、一意に決まる方向である。

図３に、本発明の一実施形態にかかるマルチコア導波路の内部構造を示す。マルチコア導波路２−１は、ポリマー製マルチモード導波路を用いて作製することができる。ここでは、図示の便宜上、入射端面２−１１には、８×５＝４０本のコアが配置されている。マルチコア導波路２−１は、図３（ａ）に示すように、入射端面２−１１の側から見ると、８本のコアが１列に配置された単層マルチコア導波路２−２〜２−６が積み重ねられている。図３（ｂ）は、このうち単層マルチコア導波路２−６のみを取り出して示している。単層マルチコア導波路は、それぞれ異なる曲率で展開され、出射端面２−１２においては、４０本のコアが１列に配置されている。

図３（ｃ）は、単層マルチコア導波路２−６の出射端面を示す。単層マルチコア導波路２−６は、ベースフィルム２−２１上に複数（８個）のコア２−２３を等間隔に形成した後、クラッド２−２２を形成する。コア２−２３の屈折率は、クラッド２−２２および、ベースフィルム２−２１の屈折率のどちらよりも大きい。

これら単層マルチコア導波路の出射端面２−１２は、図３（ｄ）に示すように配置される。互いに隣接する単層マルチコア導波路は、段違いに配置される。理想的には、マルチコア導波路の出射端面でのコアは段差が無く、図２（ｂ）に示したように、一列に配置されていることが望ましい。しかしながら、コアを同じ高さに揃えると、強度の観点から望ましくない。一般的には、１次元の光偏向器では、図１に示したｙ軸方向の偏向角が正確であれば、直線性を問われることはない。そこで、図３（ｄ）に示すように、単層マルチコア導波路を段違いに配置して、接着剤により固定する。

例えば、レーザープリンタ、レーザースキャンディスプレイ、レーザー顕微鏡等では２次元での偏向が必要である。この場合は、本実施形態の１次元光偏向器と垂直方向の偏向器とを組み合わせることにより、蛇行を補正することができる。

図４に、本発明の他の実施形態にかかるマルチコア導波路の内部構造を示す。マルチコア導波路３−１は、ポリマー製マルチモード導波路を用いて作製され、入射端面３−１１には、８×５＝４０本のコアが配置されている。入射端面３−１１の側から見ると、８本のコアが１列に配置された単層マルチコア導波路３−２〜３−６が下から順に積み重ねられている（図４（ａ））。

入射光が最も高速に全てのコアを網羅する順番は、図４（ｂ）に示されるような軌跡で実現される。このとき、最下層の単層マルチコア導波路３−２においては、入射光は、左から右に順にコアに結合され、下から２層目の単層マルチコア導波路３−３においては、右から左へと結合が進む。そこで、単層マルチコア導波路を積層するときに、単層マルチコア導波路３−３及び３−５を、入射端面と出射端面とでコアの順番が反転するように、１８０度捻っておく。すなわち、反転されない単層マルチコア導波路（図４（ｅ））と反転した単層マルチコア導波路（図４（ｄ））とを、交互に積層しておく。これにより、マルチコア導波路３−１の出射端面３−１２では、単層マルチコア導波路３−２のコアから単層マルチコア導波路３−６のコアまで、左から右へと順番に光が出射されることになる（図４（ｆ））。

本実施形態によれば、光偏向器の偏向の次元を犠牲にすることにより、偏向角度を大きくし、解像点数を増やすことが可能となる。ガルバノミラー、ポリゴンミラー、ＭＥＭＳミラー等の機械式光偏向器に対して、高速であり、かつ同等の解像点数を有する光偏向器を実現することができる。

（実施例）
図１を参照して、実施例について説明する。ここでは、図４に示したマルチコア導波路を用いる。第１のＫＴＮ光偏向器１−２として、長さ１０ｍｍ、入射面が１．２×１．２ｍｍ²のＫＴＮ結晶を用いる。入射光１−１は、断面が直径０．５ｍｍの円形であり、波長６３３ｎｍのＨｅ−Ｎｅレーザー光を用いる。波長板１−３は、波長６３３ｎｍ用のフィルム型半波長板を用いる。第２のＫＴＮ光偏向器１−４として、長さが６ｍｍ、入射面が１．２×１．２ｍｍ²のＫＴＮ結晶を用いる。

レンズ１−６の焦点距離は４ｍｍであり、第２のＫＴＮ光偏向器１−４の出射端面から４ｍｍの位置に配置する。マルチコア導波路１−１０の入射端面１−８は、レンズ１−６の主点から４ｍｍの位置に配置する。

マルチコア導波路１−１０の各層のコアは、一辺１０μｍの正方形の断面を有し、硬化後の屈折率が１．６の紫外線硬化型透明エポキシ樹脂で作られている。コアのピッチは１５μｍで、単層マルチコア導波路に５０個のコアが形成されている。隣接するコア間は５μｍの幅となり、クラッド材料が充填されている。クラッド材料は、硬化時の屈折率が１．４５の紫外線硬化型透明エポキシ樹脂である。単層マルチコア導波路のベースフィルムは、屈折率１．４５、厚さ５μｍのアクリルフィルムである。単層マルチコア導波路は、厚さ１５μｍ、幅が１ｍｍのフィルムに成形され、フィルムの中心部０．７５ｍｍの幅に５０個のコアが等間隔に配置されている。

このような単層マルチコア導波路を２１枚作製し、３ｃｍの長さに切って、図３（ａ）に示したように、それぞれの片端を２１層分揃えて積層し接着する。次に、単層マルチコア導波路の他端は、図４（ｆ）に示したように、例えば、奇数番目の単層マルチコア導波路を反転して揃えて接着する。接着に用いる接着剤は、硬化時の屈折率が１．４５の紫外線硬化型透明エポキシ樹脂である。マルチコア導波路１−１０の出射端面１−９は、長さが１６ｍｍに達し、２１×５０＝１０５０個のコアが１列に配置される。

レンズ１−１２は、焦点距離が２ｃｍのレンズであり、主点がマルチコア導波路１−１０の出射端面１−９から２ｃｍの位置に配置される。この結果、解像点数が１０５０点の一次元偏向器が実現されたことになる。

なお、１次元の光偏向器として、ＫＴＮ結晶を用いて説明したが、上述したＫＬＴＮ結晶の他に、１次の電気光学効果を利用するＬＮ（ＬｉＮｂＯ₃）、ＢＴ（ＢａＴｉＯ₃）、ＳＢＮ（Ｓｒ_1-xＢａ_xＮｂ₂Ｏ₆）を用いることができる。また、超音波と光弾性効果を利用する音響光学光偏向器を用いてもよい。

１−２ 第１のＫＴＮ光偏向器
１−３ 半波長板
１−４ 第２のＫＴＮ光偏向器
１−６ 第１のレンズ
１−１０ マルチコア導波路
１−１２ 第２のレンズ

Claims (6)

1. １次元に光を偏向する光偏向器において、
   ２次元に光を偏向する光偏向手段と、
   光を伝搬させるコアを複数備え、前記コアが入射端面において２次元に配置され、出射端面において１次元に配置されたマルチコア導波路と、
   前記光偏向手段から出射された光を、前記マルチコア導波路の入射端面に結合するレンズと
   を備えたことを特徴とする光偏向器。
2. 前記マルチコア導波路の出射端面から出射された光を、コリメート光に変換するレンズをさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の光偏向器。
3. 前記光偏向手段は、
   １次元に光を偏向する第１の光偏向素子と、
   該第１の光偏向素子の偏向方向と直交するように、１次元に光を偏向する第２の光偏向素子と、
   前記第１および第２の光偏向素子の間に挿入され、偏光方向を垂直方向に回転する半波長板と
   を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の光偏向器。
4. 前記光偏向素子は、空間電荷制限電流と２次の電気光学効果を利用するＫＴＮ（ＫＴａ_1-xＮｂ_xＯ₃、０＜ｘ＜１）結晶、またはＫＬＴＮ（Ｋ_1-yＬｉ_yＴａ_1-xＮｂ_xＯ₃、０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）結晶を用いることを特徴とする請求項３に記載の光偏向器。
5. 前記光偏向素子は、１次の電気光学効果を利用するＬＮ（ＬｉＮｂＯ₃）結晶、ＢＴ（ＢａＴｉＯ₃）結晶、またはＳＢＮ（Ｓｒ_1-xＢａ_xＮｂ₂Ｏ₆）結晶を用いることを特徴とする請求項３に記載の光偏向器。
6. 前記光偏向素子は、超音波と光弾性効果を利用する音響光学効果を用いることを特徴とする請求項３に記載の光偏向器。

Images