JP2013044762A - 電気光学素子及びその製造方法、並びに、電気光学素子を用いた光偏向装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】電気光学材料からなる光導波層11は、屈折率を電気的に制御可能な少なくとも一つの屈折プリズムが形成された第一の領域101と、光導波層11を伝播する光に対する回折を電気的に制御可能な回折格子が形成された第二の領域とを有する。上部電極12及び下部電極13は、第一の領域101における屈折プリズムと第二の領域102における回折格子とに対し、互いに独立に電圧を印加可能に形成されている。
【選択図】図1
Description
図1は本発明の一実施形態に係る電気光学素子としての光偏向素子の概略構成例を示す斜視図である。本実施形態に係る光偏向素子10は、電気光学材料である強誘電体からなる光導波層11と、光導波層11の上面及び下面それぞれに形成された上部電極(上部電極層)12(121、122)及び下部電極(下部電極層)13と、上部電極12(121、122)と下部電極13との間に所定の電圧を印加する電源15とを備えている。
上記酸化マグネシウム添加二オブ酸リチウム等の強誘電体は、前述のように外部電場を加えなくても分極した自発分極を有している。一般に、強誘電体において分極の方向が一方向に揃った領域を「分域」(ドメイン)という。特に、一つの強誘電体の結晶が全体にわたって一方向に分極している結晶構造を「単分域構造」といい、一つの強誘電体の結晶の中に分極の方向が互いに異なる複数の分域が存在している結晶構造を「多分域構造」という。例えば、本実施形態に係る電気光学素子10の光導波層11に用いる強誘電体の結晶基板は、分極反転領域を形成する前の状態では基板全体にわたって分極方向が一方向に揃った単分域構造をしている。一方、分極反転領域を形成した後の状態では、基板中に形成された分極反転領域とその周囲の領域は分極方向が互いに異なる別々の分域を形成し、結晶基板は多分域構造になる。一般に、分極方向が互いに異なる二つの分域の境界は、「分域壁」(ドメイン壁)と呼ばれる。
(1)酸化マグネシウム添加ニオブ酸リチウムの結晶からなる電気光学基板(例えば、株式会社山寿セラミックス製の直径φ3mmのZ板,厚さ:t=300μm)の+Z面(上面)に、スピンコーティングにより、厚さ2μmのフォトレジスト膜を作製する。
(2)フォトリソグラフィーにより、正三角形の分極反転領域110A〜110Cに対応する部分に、フォトレジスト膜の開口を形成したレジストパターンを形成する。このレジストパターンは、光入射面及び光出射面に対応する2つの辺が酸化マグネシウム添加ニオブ酸リチウムの結晶面(X面)と平行になるように形成される。
(3)直接電界印加法により、酸化マグネシウム添加ニオブ酸リチウム結晶に分極反転領域を形成する。具体的な手順としては、例えば、次にa〜dのように行う。
a.結晶を分極反転用の冶具に取り付けて、結晶の上下面(±Z面)を液体電極で浸す。結晶の周囲に液体電極が漏れると結晶に正確な電圧がかからないため、結晶の周囲を絶縁油(フロリナートに浸し、上下面が導通しないようにする。
b.反転核の発生確率を上げるために結晶の温度を所定温度(例えば、45℃)に上げる。
c.+Z面の液体電極をHOT側の電極、−Z面の液体電極をGND側の電極として電圧発生源を接続し、酸化マグネシウム添加ニオブ酸リチウムの抗電界に対応する電圧を結晶に印加する。
d.電圧印加中は結晶に流れる電流を計測しておく。酸化マグネシウム添加ニオブ酸リチウムの自発分極は0.78μC/mm2であることが一般的に知られており、この値と所望の分極反転面積から分極反転時に流れる流入電荷量を決定できる。計測した電流を積分して流入電荷量をリアルタイムで算出していき、それが所望の値を超えたら電圧をOFFにする。
以上により、基板内に正三角形の分極反転領域110A〜110Cが形成され、光導波層11として用いることができる。
例えば、第一の領域101の電極121’への電圧印加をONにした状態で、第二の領域102の電極122及び第三の領域103の電極123への電圧印加をOFFにした場合は、第一の領域101のホーン型の分極反転プリズム領域111によって入射光Linを屈折させて光走査を行なうことができる(第一の光走査工程)。
また、第一の領域101の電極121’への電圧印加をONにした状態で、第二の領域102の電極122への電圧印加をONにし、第三の領域103の電極123への電圧印加をOFFにした場合は、第二の領域102の回折格子116によって図中+X方向に回折した光を、第一の領域101の分極反転プリズム領域111によって屈折させて走査することができる(第二の光走査工程)。
また、第一の領域101の電極121’への電圧印加をONにした状態で、第二の領域102の電極122への電圧印加をOFFにし、第三の領域103の電極123への電圧印加をONにした場合は、第三の領域103の回折格子117によって図中−X方向に回折した光を、第一の領域101の分極反転プリズム領域111によって屈折させて走査することができる(第三の光走査工程)。
以上の3つの光走査工程をシーケンシャルに行なうことによって、従来の電気光学材料の結晶を用いた光偏向素子よりも解像点数を増大させることができる。
導波光の光損失を低減させるため、コア層21の上下面には、コア層21よりも屈折率の低いクラッド層22、23を形成するのが好ましい。上部クラッド層22及び下部クラッド層23の材料としては、SiO2、Ta2O5、TIO2、Si3N4、Al2O3、HfO2等の誘電体が好適である。上部電極24及び下部電極25の電極材料として、Au、Pt、Ti、Al、Ni、Crなどの金属材料の他に、ITOなどの透明電極が好ましい。
実際に作製した実施例では、下部クラッド層23はTa2O5を1μmの厚さにスパッタ法で製膜し、続けて下部電極25としてTiを200nmの厚さに製膜した。
下部電極25を作製した後、接着剤を用いて下部電極25と支持基板27との接着を行う。接着層26は面精度が1μm以下となる均一な厚みである。その後、研磨によるコア層21の薄膜化を行った。支持基板27はコア層21に用いる材料と熱膨張係数が等しい基板が好ましい。熱膨張係数が異なる材料を用いると、接着後に熱膨張が発生した際、コア層21に内部応力による歪みが生じて、クラックが発生する原因になる。
実際に作製した実施例では、接着層26にはUV硬化性の樹脂接着剤を用い、支持基板27には厚さ300μmのニオブ酸リチウム基板を用いて接着を行った。その後、研磨によって300μmの厚さから10μmのコア層21を作製した。
ニオブ酸リチウムのX軸方向の熱膨張率は1.54×10−5/Kであり、SUS303の熱膨張率は1.46×10−5/Kである。そのため、熱膨張率がほぼ等しいため、支持基板27にSUS303を使用することも可能である。
接着剤による支持基板27の貼り付け以外に、支持基板27に金属材料を用いて、下部電極25と支持基板27とを直接接合することも可能である。
研磨の後、上部クラッド層22と上部電極24を作製する。製膜方法は下部クラッド層23及び下部電極25と同じ方法である。
上部電極24は上部クラッド層22上の全面に作製するよりは、上部電極22の面積は光偏向器として機能する範囲でできるだけ小さい方が望ましい。電気光学素子の光偏向器では、静電容量と駆動動作周波数はトレードオフの関係になるため、静電容量が小さいほど低電力での高周波動作が可能となるためである。よって、上部電極24は、屈折率を変化させる領域すなわち光が偏向して透過する領域のみに作製するのが好適である。
実際に作製した実施例では、上部クラッド層22は、Ta2O5を1μmの厚さにスパッタ法で製膜し、続けて上部電極24は、Tiを200nmの厚さにスパッタ法で製膜した。
下部電極25との導通を取るため、上部電極面の端に引き出し電極28を作製し、それを導電性材料で埋める。これによって、支持基板27の面積をコア層21の面積よりも大きくすることなく下部電極の取り出しが可能となり、導波路型電気光学素子の小型化が可能となる。
実際に作製した実施例では、上部電極24と側端部との間に、引き出し電極28として深さ30μmのV溝をダイシングソーにより形成した。そのV溝をTiで製膜し、引き出し電極28を作製した。なお、引き出し電極形成手段として、ドライエッチング法やエキシマアブレーション等も好適である。
(態様A)
電気光学材料からなる光導波層11と、光導波層11の上面及び下面それぞれに形成された上部電極12(121、121’、122)及び下部電極13とを備え、光導波層11を光が伝播可能な電気光学素子であって、光導波層11は、屈折率を電気的に制御可能な少なくとも一つの屈折プリズム110A〜110Cが光伝播方向に並ぶように形成された第一の領域101と、光導波層11を伝播する光に対する回折を電気的に制御可能な回折格子14が形成された第二の領域102とを有し、上部電極12(121、121’、122)及び下部電極13は、第一の領域101における複数の屈折プリズム110A〜110Cと、第二の領域102における回折格子14とに対し、互いに独立に電圧を印加可能に形成されている。これによれば、上記実施形態について説明したように、光導波層11の第一の領域101における上部電極12(121、121’、122)と下部電極13との間の所定の電圧を印加することにより、その第一の領域101に形成された複数の屈折プリズム110A〜110Cそれぞれの屈折率を制御する。この屈折率が制御された複数の屈折プリズム110A〜110Cに光を通過させることにより、所定の偏向角で光を偏向させることができる。更に、光導波層11の第二の領域102における上部電極122と下部電極13との間の所定の電圧を印加することにより、その第二の領域102に形成された回折格子115、116、117によって回折される光の回折を制御する。このように光導波層11に入射してきた光を、第2の領域102の回折格子115、116、117でビームの広がりを抑えながら回折するとともに第1の領域101の屈折プリズム110A〜110Cで屈折させて偏向することができるので、偏向光の偏向角の増大を図りつつ偏向光の解像点数を高めることができる。
(態様B)
上記態様Aにおいて、光導波層11は強誘電体材料で構成され、屈折プリズム110A〜110C及び回折格子114(115、116)はそれぞれ、強誘電体材料の分極反転した分極反転領域で形成されている。これによれば、屈折プリズム110A〜110Cにおける屈折率変化量及び光偏向素子10からの出射角(偏向角)θを、プリズム状電極121を形成した場合に比してほぼ2倍にすることができ光の偏向角をより大きくすることができる。更に、回折格子114(115、116)の分極反転領域とその周辺の領域との間の屈折率差を大きくすることができるため、回折格子114(115、116)による光回折効率を高めることができる。
(態様C)
上記態様A又は態様Bにおいて、第一の領域101は屈折プリズムが複数形成され、光導波層11の厚さ方向と直交する断面における複数の屈折プリズムそれぞれの形状は正三角形であり、その断面における光入射側から第n+1番目(n:自然数)の屈折プリズムの面積は第n番目の屈折プリズムの面積よりも大きい。これによれば、複数の屈折プリズムをホーン型に形成し、偏向角を更に大きくすることができる。
(態様D)
上記態様A、態様B又は態様Cにおいて、光導波層11の厚さ方向と直交する断面における回折格子116、117の形状は直角三角形である。これによれば、回折格子116、117の光伝播方向における側端面の断面形状を鋸歯状にすることができ、回折格子116、117による光回折効率を更に高めることができる。
(態様E)
上記態様A、態様B、態様C又は態様Dにおいて、前記電気光学材料は、ニオブ酸リチウム、酸化マグネシウム添加二オブ酸リチウム又はタンタル酸リチウムである。これによれば、安価でロバスト性が高い電気光学素子(光偏向素子)を形成することができる。
(態様F)
上記態様A、態様B、態様C、態様D又は態様Eにおいて、光導波層11は、その光導波層11を伝播する光に対する回折を電気的に制御可能な回折格子117が形成された第三の領域103を、更に有し、その第三の領域103の回折格子117の形状は、光導波層11の厚さ方向と光伝播方向とに平行な面に関して、第二の領域102の回折格子116の形状と対称な形状であり、上部電極121、122、123及び下部電極13は、第一の領域101における複数の屈折プリズムと、第二の領域102における回折格子116と、第三の領域103における回折格子117とに対し、互いに独立に電圧を印加可能に形成されている。これによれば、各領域101、102、103の電極に印加する電圧を互いに独立に制御することにより、回折格子116、117による回折を伴わない第一の光偏向と、回折格子116による+X方向の回折を伴う第二の光偏向と、回折格子117による−X方向の回折を伴う第三の光偏向とをシーケンシャルに行うことができる。よって、解像点数をさらに増大させることができる。
(態様G)
上記態様A、態様B、態様C、態様D、態様E又は態様Fにおいて、支持基板27と、下部電極25と支持基板27との間に形成された接着層26とを更に備え、光導波層11は、コア層21と、そのコア層21と上部電極24及び下部電極25との間それぞれに形成されたクラッド層22、23とを有するように形成されている。これによれば、光導波層11を導波路構造にすることで、バルク型よりも低電圧で駆動させることができる。その結果、光偏向機能を有する電気光学素子を用いた光偏向器の消費電力を低減させることができる。また、コア層21の下面に下部電極25を形成した後、その下部電極25と支持基板27とを接着層26で接着し、上面側にコア層21を研磨などで容易に薄膜化することができる。
(態様H)
上記態様A、態様B、態様C、態様D、態様E、態様F又は態様Gの光偏向素子(電気光学素子)10の製造方法であって、強誘電体材料からなる基板の上面及び下面の少なくとも一方の面に、前記屈折プリズム及び回折格子それぞれを構成する複数の分極反転領域110A〜110Cの形状に対応する開口を有するレジストパターンを形成し、そのレジストパターンを介して基板に電界を印加する直接電界印加法により、その基板に複数の分極反転領域110A〜110Cを形成し、複数の分極反転領域110A〜110Cを形成した基板を光導波層11とし、その光導波層11の上面及び下面それぞれに電極を形成する。これによれば、光導波層11に所望の形状の複数の分極反転領域110A〜110Cを精度よく形成することができる。
(態様I)
光源42と、光源42から入射される光を偏向可能な電気光学素子と、電気光学素子の光入射側及び光出射側の少なくとも一方に設けられた光学系43、45と、光源42及び電気光学素子を駆動する駆動手段としての駆動装置46とを備えた光偏向装置であって、前記電気光学素子として、上記態様A、態様B、態様C、態様D、態様E、態様F、態様G又は態様Hの光偏向素子(電気光学素子)10を用いる。これによれば、偏向光の偏向角の増大を図りつつ偏向光の解像点数を高めることができる。
10a 光入射面
10b 光出射面
11 光導波層
12 上部電極
13 下部電極
15 電源
20 導波路型電気光学素子
21 コア層
22 上部クラッド層
23 下部クラッド層
24 上部電極
25 下部電極
26 接着層
27 支持基板
28 引き出し電極
41 光偏向装置
42 光源
43 入射光学系
44 光偏向素子(電気光学素子)
45 出射光学系
46 駆動装置
101 第一の領域
102 第二の領域
103 第三の領域
110(110A〜110C) 屈折プリズム
111 ホーン型の分極反転プリズム領域
111−1、111−2、111−3、・・・屈折プリズム(分極反転領域)
114〜117 回折格子
116a 回折格子の分極反転領域
121 上部電極(プリズム電極)
121’ 上部電極
122、123 上部電極
Lin 入射光
Lout 出射光
Claims (9)
- 電気光学材料からなる光導波層と、前記光導波層の上面及び下面それぞれに形成された上部電極及び下部電極とを備え、前記光導波層を光が伝播可能な電気光学素子であって、
前記光導波層は、屈折率を電気的に制御可能な少なくとも一つの屈折プリズムが形成された第一の領域と、該光導波層を伝播する光に対する回折を電気的に制御可能な回折格子が形成された第二の領域とを有し、
前記上部電極及び下部電極は、前記第一の領域における複数の屈折プリズムと、前記第二の領域における回折格子とに対し、互いに独立に電圧を印加可能に形成されていることを特徴とする電気光学素子。 - 請求項1の電気光学素子において、
前記光導波層は強誘電体材料で構成され、
前記屈折プリズム及び前記回折格子はそれぞれ、前記強誘電体材料の分極反転した領域で形成されていることを特徴とする電気光学素子。 - 請求項1又は2の電気光学素子において、
前記第一の領域は、前記屈折プリズムが複数形成され、
前記光導波層の厚さ方向と直交する断面における前記複数の屈折プリズムそれぞれの形状は正三角形であり、該断面における光入射側から第n+1番目(n:自然数)の屈折プリズムの面積は第n番目の屈折プリズムの面積よりも大きいことを特徴とする電気光学素子。 - 請求項1、2又は3の電気光学素子において、
前記光導波層の厚さ方向と直交する断面における前記回折格子の形状は直角三角形であることを特徴とする電気光学素子。 - 請求項1、2、3又は4の電気光学素子において、
前記電気光学材料は、ニオブ酸リチウム、酸化マグネシウム添加二オブ酸リチウム又はタンタル酸リチウムであることとする電気光学素子。 - 請求項1、2、3、4又は5の電気光学素子において、
前記光導波層は、その光導波層を伝播する光に対する回折を電気的に制御可能な回折格子が形成された第三の領域を、更に有し、
前記第三の領域の回折格子の形状は、前記光導波層の厚さ方向と光伝播方向とに平行な面に関して、前記第二の領域の回折格子の形状と対称な形状であり、
前記上部電極及び下部電極は、前記第一の領域における屈折プリズムと、前記第二の領域における回折格子と、前記第三の領域における回折格子とに対し、互いに独立に電圧を印加可能に形成されていることを特徴とする電気光学素子。 - 請求項1、2、3、4、5又は6の電気光学素子において、
支持基板と、前記下部電極と前記支持基板との間に形成された接着層と、を更に備え、
前記光導波層は、コア層と、そのコア層と前記上部電極及び前記下部電極との間それぞれに形成されたクラッド層とを有するように形成されていることを特徴とする電気光学素子。 - 請求項1、2、3、4、5、6又は7の電気光学素子の製造方法であって、
強誘電体材料からなる基板の上面及び下面の少なくとも一方の面に、前記屈折プリズム及び回折格子それぞれを構成する複数の分極反転領域の形状に対応する開口を有するレジストパターンを形成する工程と、
前記レジストパターンを介して前記基板に電界を印加する直接電界印加法により、その基板に前記複数の分極反転領域を形成する工程と、
前記複数の分極反転領域を形成した前記基板を前記光導波層とし、その光導波層の上面及び下面それぞれに電極を形成する工程と、を含むことを特徴とする電気光学素子の製造方法。 - 光源と、前記光源から入射される光を偏向可能な電気光学素子と、前記電気光学素子の光入射側及び光出射側の少なくとも一方に設けられた光学系と、前記光源及び前記電気光学素子を駆動する駆動手段と、を備えた光偏向装置であって、
前記電気光学素子として、請求項1、2、3、4、5、6又は7の電気光学素子を用いたことを特徴とする光偏向装置。
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