JP2013122548A - Optical deflection element and optical deflector - Google Patents

Optical deflection element and optical deflector Download PDF

Info

Publication number
JP2013122548A
JP2013122548A JP2011271398A JP2011271398A JP2013122548A JP 2013122548 A JP2013122548 A JP 2013122548A JP 2011271398 A JP2011271398 A JP 2011271398A JP 2011271398 A JP2011271398 A JP 2011271398A JP 2013122548 A JP2013122548 A JP 2013122548A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
optical
optical waveguide
waveguide layer
electrode
voltage
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2011271398A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Atsushi Nakagawa
淳 中川
Tsuyoshi Hashiguchi
強 橋口
Kazuhiko Tsukamoto
和彦 塚本
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ricoh Co Ltd
Original Assignee
Ricoh Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ricoh Co Ltd filed Critical Ricoh Co Ltd
Priority to JP2011271398A priority Critical patent/JP2013122548A/en
Publication of JP2013122548A publication Critical patent/JP2013122548A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical deflection element having an optical waveguide layer made of an electrooptical material on which a laser beam is incident and an electrode for applying voltage to the optical waveguide layer so as to deflect the laser beam, and allowing two dimensional deflection without using a prism or using two separately manufactured optical deflection elements, and to provide an optical deflector having the optical deflection element.SOLUTION: An optical deflection element includes: an optical waveguide layer 21 made of an electrooptical material; and voltage application parts 31, 41 provided in a direction Y of travel of a laser beam L in the optical waveguide layer 21 and configured to apply voltage to the optical waveguide layer 21. The voltage application part 31 has an electrode 32 configured to apply voltage to the optical waveguide layer 21 to form a refractive index modulation area 33 that deflects the laser beam L in a direction X intersecting the direction Y. The voltage application part 41 has an electrode 42 configured to apply voltage to the optical waveguide layer 21 to form an electric field distribution in a direction Z intersecting a plane XY inside the optical waveguide layer 21 so as to deflect the laser beam L in the direction Z.

Description

本発明は、電気光学材料によって形成されレーザ光を入射される光導波層とこの光導波層に電圧を印加してレーザ光を偏向させるための電極とを備えた光偏向素子及びこれを有する光偏向装置に関する。   The present invention relates to an optical deflecting element comprising an optical waveguide layer formed of an electro-optic material and receiving laser light, and an electrode for deflecting the laser light by applying a voltage to the optical waveguide layer, and light having the same The present invention relates to a deflection apparatus.

レーザプリンタ、レーザ加工、ディスプレイ、計測、光通信等の様々な分野で、レーザ光であるレーザビームを走査する光偏向装置である光ビームスキャナが用いられている。
光ビームスキャナは、一般的に、光源となるレーザ発振装置と、レーザビームを走査する光偏向素子とを有している。光ビームスキャナはさらに、必要に応じて、レーザ光源から発生したレーザビームである光ビームを光偏向素子である光ビーム偏向素子に適したビーム形状に成形する光結合光学系や、光ビーム偏向素子から出力された光ビームプロファイルを成形したり光ビーム偏向素子で与えられた偏向角を拡大または縮小したりするような出力光学系を備えることもある。
In various fields such as a laser printer, laser processing, display, measurement, optical communication, and the like, a light beam scanner that is a light deflection device that scans a laser beam that is laser light is used.
The light beam scanner generally includes a laser oscillation device serving as a light source and a light deflection element that scans the laser beam. The light beam scanner further includes an optical coupling optical system for shaping a light beam, which is a laser beam generated from a laser light source, into a beam shape suitable for the light beam deflecting element, which is a light deflecting element, and a light beam deflecting element. In some cases, an output optical system for shaping the light beam profile output from the light source or for expanding or reducing the deflection angle given by the light beam deflecting element may be provided.

光ビーム偏向素子である光ビーム偏向器として従来から一般的に用いられているものとしては、回転ポリゴンミラーやガルバノミラー、MEMSミラーのような光ビームの反射角を制御して光走査を行うものの他、音響光学(Acousto−Optical:AO)効果や電気光学(Electro−Optical:EO)効果による材料の屈折率変化を利用したものが知られている。   Conventionally used light beam deflectors that are light beam deflecting elements include those that perform light scanning by controlling the reflection angle of a light beam, such as a rotating polygon mirror, galvanometer mirror, and MEMS mirror. In addition, there are known ones that utilize a change in the refractive index of a material due to an acousto-optic (AO) effect or an electro-optic (EO) effect.

これらのなかでもEO効果は原理的に応答速度が極めて速く、電気光学材料を利用した光ビーム偏向素子(たとえば、〔特許文献1〕、〔特許文献2〕参照)は高速なビーム走査に有効である。またEO材料によって形成されレーザ光を入射される光導波層に印加する電圧に応じて、走査角度を任意に制御可能であるため、光ビームに対して瞬時に所望の偏向角度を与えることが可能である。なお、光偏向素子の光源としては、光偏向素子の用途に応じて様々な波長および光強度のものが用いられるが、特にレーザ加工やレーザレーダによる距離計測用、またはレーザプロジェクション用途の光偏向素子の光源としては、数100mWから1W以上の高強度のレーザ光源が選択される。   Among these, the EO effect has an extremely high response speed in principle, and a light beam deflecting element using an electro-optic material (see, for example, [Patent Document 1] and [Patent Document 2]) is effective for high-speed beam scanning. is there. In addition, the scanning angle can be controlled arbitrarily according to the voltage applied to the optical waveguide layer that is made of EO material and receives laser light, so that a desired deflection angle can be instantaneously given to the light beam. It is. The light source of the light deflecting element has various wavelengths and light intensities depending on the use of the light deflecting element. In particular, the light deflecting element is used for distance measurement by laser processing or laser radar, or for laser projection. As the light source, a high-intensity laser light source of several hundred mW to 1 W or more is selected.

このように、電気光学材料によって形成されレーザ光を入射される光導波層とこの光導波層に電圧を印加してレーザ光を偏向させるための電極とを備えた光偏向素子が知られているが、従来のこの光偏向素子は、1次元にのみ偏向を行うことが可能となっているにすぎず(たとえば、〔特許文献1〕、〔特許文献2〕参照)、2次元に偏向を行うものはいまだ提案されていない。   As described above, there is known an optical deflection element that includes an optical waveguide layer that is formed of an electro-optic material and receives laser light, and an electrode that deflects the laser light by applying a voltage to the optical waveguide layer. However, this conventional optical deflection element can only deflect in one dimension (see, for example, [Patent Document 1] and [Patent Document 2]) and deflects in two dimensions. Nothing has been proposed yet.

電気光学材料を利用した光偏向素子を一部に用いて2次元に偏向可能とした構成も提案されているが、この構成も、電気光学材料を利用した光偏向素子では1次元にのみ偏向を行うことが可能となっているにすぎず、プリズムとの組み合わせによって2次元に偏向としたものである(たとえば、〔特許文献1〕参照)。   A configuration has been proposed in which an optical deflecting element using an electro-optic material can be used for a two-dimensional deflection, but this configuration can also be deflected only in one dimension by an optical deflecting device using an electro-optic material. This is only possible, and is two-dimensionally deflected in combination with a prism (see, for example, [Patent Document 1]).

光偏向素子とプリズムとを組み合わせる構成では、光軸調整を行うためのプリズムの位置決めが必要となり、位置決め精度の確保に困難が予想される、位置決めの時間がかかるなどの製造上の問題があるほか、プリズムが高価であるため高コスト化の懸念があり、また集積化に適していない、構成が複雑になるという問題や、この問題に起因して小型化が困難であるという問題もある。   In the configuration combining the optical deflection element and the prism, it is necessary to position the prism to adjust the optical axis, and there are manufacturing problems such as difficulty in securing positioning accuracy and the time required for positioning. In addition, there is a concern that the cost is increased because the prism is expensive, there is a problem that it is not suitable for integration, the configuration becomes complicated, and the size reduction is difficult due to this problem.

プリズムを用いることなく、電気光学材料を利用した光偏向素子によって2次元に偏向可能とするために、電気光学材料を利用して別々に製作された光偏向素子を2つ用いて2次元に偏向可能とすることも考えられるが、この場合も、同様に、光軸調整を行うための位置決めが必要となり、位置決め精度の確保に困難が予想される、位置決めの時間がかかるなどの製造上の問題があるほか、高コスト化の懸念があり、また集積化に適していない、構成が複雑になるという問題や、この問題に起因して小型化が困難であるという問題も生じることが予想される。   In order to be able to deflect two-dimensionally by using an optical deflecting element using an electro-optic material without using a prism, two optical deflecting elements manufactured separately using an electro-optic material are used for two-dimensional deflection. However, in this case as well, it is necessary to perform positioning for optical axis adjustment, and it is expected that it will be difficult to secure positioning accuracy, and it will take time for positioning. In addition, there are concerns about higher costs, problems that are not suitable for integration, that the configuration becomes complicated, and that miniaturization is difficult due to this problem. .

本発明は、電気光学材料によって形成されレーザ光を入射される光導波層とこの光導波層に電圧を印加してレーザ光を偏向させるための電極とを備えた光偏向素子であって、プリズムを用いることなく、また別々に製作された光偏向素子を2つ用いることなく、2次元に偏向可能な光偏向素子及びこの光偏向素子を有する光偏向装置を提供することを目的とする。   The present invention is an optical deflecting element comprising an optical waveguide layer formed of an electro-optic material and receiving laser light, and an electrode for deflecting the laser light by applying a voltage to the optical waveguide layer. It is an object of the present invention to provide an optical deflection element that can be deflected two-dimensionally and an optical deflection apparatus having the optical deflection element without using two optical deflection elements manufactured separately.

上記目的を達成するため、本発明は、レーザ光源によって出射されたレーザ光を入射される、電気光学材料によって形成された光導波層と、この光導波層における前記レーザ光の進行方向に沿って設けられた、同光導波層に電圧を印加する第1の電圧印加部及び第2の電圧印加部とを備え、第1の電圧印加部は、前記光導波層に入射した前記レーザ光を前記進行方向と交わる第1の方向に偏向する屈折率変調領域を形成するために前記光導波層に電圧を印加する第1の電極を有し、第2の電圧印加部は、前記光導波層に入射した前記レーザ光が前記進行方向及び第1の方向によって形成される平面と交わる第2の方向に偏向するように同光導波層内に第2の方向に沿った電界分布を形成するために同光導波層に電圧を印加する第2の電極を有する光偏向素子にある。   In order to achieve the above object, the present invention is directed to an optical waveguide layer formed of an electro-optic material that receives laser light emitted from a laser light source, and a traveling direction of the laser light in the optical waveguide layer. A first voltage application unit configured to apply a voltage to the optical waveguide layer; and a second voltage application unit, wherein the first voltage application unit transmits the laser light incident on the optical waveguide layer to the optical waveguide layer. A first electrode that applies a voltage to the optical waveguide layer to form a refractive index modulation region that deflects in a first direction that intersects the traveling direction; and a second voltage application unit is provided on the optical waveguide layer. In order to form an electric field distribution along the second direction in the optical waveguide layer so that the incident laser light is deflected in a second direction intersecting the plane formed by the traveling direction and the first direction. A second electrode for applying a voltage to the optical waveguide layer is provided. There in that light deflection element.

本発明は、レーザ光源によって出射されたレーザ光を入射される、電気光学材料によって形成された光導波層と、この光導波層における前記レーザ光の進行方向に沿って設けられた、同光導波層に電圧を印加する第1の電圧印加部及び第2の電圧印加部とを備え、第1の電圧印加部は、前記光導波層に入射した前記レーザ光を前記進行方向と交わる第1の方向に偏向する屈折率変調領域を形成するために前記光導波層に電圧を印加する第1の電極を有し、第2の電圧印加部は、前記光導波層に入射した前記レーザ光が前記進行方向及び第1の方向によって形成される平面と交わる第2の方向に偏向するように同光導波層内に第2の方向に沿った電界分布を形成するために同光導波層に電圧を印加する第2の電極を有する光偏向素子にあるので、プリズムを用いることなく、また別々に製作された光偏向素子を2つ用いることなく、第1の電圧印加部と第2の電圧印加部とを用いることで、各方向への偏向を行う部分の位置決め精度を向上であるとともに位置決めの時間を短縮可能であるとともに、低コスト化、大型化を抑制可能であり、集積化に適した、2次元に偏向可能な光偏向素子を提供することができる。   The present invention relates to an optical waveguide layer formed of an electro-optic material that receives laser light emitted from a laser light source, and the optical waveguide provided along the traveling direction of the laser light in the optical waveguide layer. A first voltage applying unit that applies a voltage to the layer, and a second voltage applying unit, wherein the first voltage applying unit intersects the traveling direction of the laser light incident on the optical waveguide layer. A first electrode that applies a voltage to the optical waveguide layer in order to form a refractive index modulation region that deflects in a direction, and the second voltage application unit includes the laser beam incident on the optical waveguide layer. A voltage is applied to the optical waveguide layer to form an electric field distribution along the second direction in the optical waveguide layer so as to be deflected in a second direction intersecting the plane formed by the traveling direction and the first direction. Since it is in the optical deflection element having the second electrode to be applied By using the first voltage application unit and the second voltage application unit without using a prism and without using two separately manufactured light deflecting elements, the deflection of each part is performed. It is possible to provide a two-dimensionally deflectable optical deflecting element suitable for integration, which can improve positioning accuracy and shorten positioning time, and can reduce cost and increase in size. .

本発明を適用した光偏向装置の一例の概略正面図である。It is a schematic front view of an example of the optical deflection apparatus to which the present invention is applied. 図1に示した光偏向装置に搭載可能な光偏向素子の第1の構成例の概略斜視図である。It is a schematic perspective view of the 1st structural example of the optical deflection | deviation element which can be mounted in the optical deflection | deviation apparatus shown in FIG. 図1に示した光偏向装置に搭載可能な光偏向素子の第2の構成例の概略図である。FIG. 6 is a schematic diagram of a second configuration example of an optical deflection element that can be mounted on the optical deflection apparatus shown in FIG. 1. 図1に示した光偏向装置に搭載可能な光偏向素子の第3の構成例の概略平面図である。FIG. 7 is a schematic plan view of a third configuration example of an optical deflection element that can be mounted on the optical deflection apparatus shown in FIG. 1. 図1に示した光偏向装置に搭載可能な光偏向素子の第2の電圧印加部において偏向が行われる原理を説明するための概念図である。It is a conceptual diagram for demonstrating the principle in which deflection | deviation is performed in the 2nd voltage application part of the optical deflection | deviation element which can be mounted in the optical deflection | deviation apparatus shown in FIG. 本発明を適用した光偏向装置の他の例の概略正面図である。It is a schematic front view of the other example of the optical deflection apparatus to which this invention is applied. 図1に示した光偏向装置に搭載可能な光偏向素子の第4の構成例の概略斜視図である。It is a schematic perspective view of the 4th structural example of the optical deflection | deviation element which can be mounted in the optical deflection | deviation apparatus shown in FIG. 本発明を適用した光偏向素子の一例の性能評価結果である。It is a performance evaluation result of an example of the optical deflection | deviation element to which this invention is applied.

図1に本発明を適用した光偏向装置である光学装置の一例の概略を示す。
光学装置100は、レーザ光Lを出射するレーザ光原である光源10と、光源10から出射されたレーザ光Lを入射される光偏向素子20と、光源10、光偏向素子20をその内部に収容した筐体50と、光源10から出射され光偏向素子20を透過したレーザ光Lを筐体50の外部に出力する、筐体50に設けられた出力孔51とを有している。
光学装置100はまた、図2に示すように、光偏向素子20に電圧を印加する第1の電圧印加手段としての電源30と、第2の電圧印加手段としての電源40とを有している。
FIG. 1 shows an outline of an example of an optical device which is an optical deflecting device to which the present invention is applied.
The optical device 100 includes a light source 10 that is a laser beam source that emits a laser beam L, a light deflection element 20 that receives the laser beam L emitted from the light source 10, a light source 10, and a light deflection element 20 therein. The housing 50 has a housing 50 and an output hole 51 provided in the housing 50 for outputting the laser light L emitted from the light source 10 and transmitted through the light deflection element 20 to the outside of the housing 50.
As shown in FIG. 2, the optical device 100 also includes a power source 30 as a first voltage applying unit that applies a voltage to the optical deflection element 20, and a power source 40 as a second voltage applying unit. .

図1において、矢印Yは、光源10から出射されたレーザ光Lの進行方向であって、光偏向素子20内においてレーザ光Lの偏向が行われないとした場合の光偏向素子20におけるレーザ光Lの進行方向を示している。同図において、矢印Xは、同図の紙面に垂直な方向であって、Y方向と垂直な方向を示している。同図において、矢印Zは、同図における上下方向であって、X方向及びY方向に垂直な方向すなわちX方向及びY方向によって形成される平面であるXY平面に垂直な方向を示している。   In FIG. 1, an arrow Y indicates the traveling direction of the laser light L emitted from the light source 10, and the laser light in the light deflecting element 20 when the laser light L is not deflected in the light deflecting element 20. The traveling direction of L is shown. In the figure, an arrow X indicates a direction perpendicular to the paper surface of the figure and perpendicular to the Y direction. In the figure, an arrow Z indicates the vertical direction in the figure and the direction perpendicular to the X direction and the Y direction, that is, the direction perpendicular to the XY plane, which is a plane formed by the X direction and the Y direction.

図2以下において示されている矢印X、Y、Zはそれぞれ図1におけるX方向、Y方向、Z方向と同じ方向を示すものとする。また、図2以下において、図1等の、既出の図において示された符号と同じ符号が付されているものは、当該既出の図に沿って説明されたものと同様のものであることとし、適宜説明を省略する。また、電源30、40等については適宜図示を省略する。   Arrows X, Y, and Z shown in FIG. 2 and the following indicate the same directions as the X direction, the Y direction, and the Z direction in FIG. 1, respectively. Further, in FIG. 2 and subsequent figures, the same reference numerals as those shown in the above-mentioned figures such as FIG. 1 are the same as those described along the above-mentioned figures. The description will be omitted as appropriate. Further, the illustration of the power supplies 30 and 40 is omitted as appropriate.

光源10は、レーザダイオードを用いたものであり、Y方向に波長650nmのレーザ光Lを伝播させるように構成されている。レーザ光Lの偏光方向はZ方向である。
光偏向素子20は、レーザ光Lを透過するコア層である光導波層21を有する光導波路構造としての光導波部22と、光導波層21に電圧を印加するためにY方向に沿って設けられた第1の領域である第1の電圧印加部としての電圧印加部31及び第2の領域である第2の電圧印加部としての電圧印加部41とを有している。
The light source 10 uses a laser diode and is configured to propagate a laser beam L having a wavelength of 650 nm in the Y direction. The polarization direction of the laser light L is the Z direction.
The optical deflection element 20 is provided along the Y direction in order to apply a voltage to the optical waveguide layer 21 and an optical waveguide portion 22 as an optical waveguide structure having an optical waveguide layer 21 that is a core layer that transmits the laser light L. The first voltage application unit 31 as a first voltage application unit, which is the first region, and the voltage application unit 41 as a second voltage application unit, which is a second region.

光導波層21、光導波部22は、XY平面に平行な平面状をなしている。光導波部21は、光源10から出射されたレーザ光Lを入射し、出力孔51に向けて透過する。光導波層21は、電気光学材料であるニオブ酸リチウム(LiNbO)にマグネシウムをドープしたマグネシウム添加ニオブ酸リチウム(山寿セラミクス製:Z−cut)である。ただし、光導波層21の材料はこれに限らず、電気光学材料としてタンタル酸リチウム(LiTaO)を用いても良いし、ドープする材料は鉄であっても良い。 The optical waveguide layer 21 and the optical waveguide unit 22 have a planar shape parallel to the XY plane. The optical waveguide unit 21 receives the laser beam L emitted from the light source 10 and transmits the laser beam L toward the output hole 51. The optical waveguide layer 21 is magnesium-added lithium niobate (manufactured by Yamato Ceramics: Z-cut) in which magnesium is doped in lithium niobate (LiNbO 3 ), which is an electro-optic material. However, the material of the optical waveguide layer 21 is not limited to this, and lithium tantalate (LiTaO 3 ) may be used as the electro-optic material, and the doping material may be iron.

ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウムは、電圧をかけずに光を透過させてもビームが歪むフォトリフラクティブ効果を生ずることが知られているが、安価でロバスト性が高く、安定した材料であるため有用であり、マグネシウム等をドープすることでフォトリフラクティブ効果が抑制される。マグネシウム添加ニオブ酸リチウム(MgO添加LiNbO)は光損傷耐性を向上させることで知られている。マグネシウムをドープする場合、マグネシウム濃度は4.5mol%〜5.5mol%の範囲が好ましく、とくに5.0mol%であることが最適である。 Lithium niobate and lithium tantalate are known to produce a photorefractive effect that distorts the beam even when light is transmitted without applying voltage, but they are useful because they are inexpensive, highly robust, and stable. In addition, the photorefractive effect is suppressed by doping with magnesium or the like. Magnesium-added lithium niobate (MgO-added LiNbO 3 ) is known to improve photodamage resistance. When doping with magnesium, the magnesium concentration is preferably in the range of 4.5 mol% to 5.5 mol%, and particularly preferably 5.0 mol%.

このような電気光学材料は強誘電体であり、外部電場を加えなくても自発分極を持っている。自発分極の向きが一方向に揃った領域は分域言い換えるとドメインと言われる。光導波層21は、全体において自発分極の向きが一方向に揃うように形成されている。なお、自発分極の向きが一方向に揃った領域と、自発分極の向きが180°異なるドメインとの領域はドメイン壁と言われる。   Such an electro-optic material is a ferroelectric, and has spontaneous polarization without applying an external electric field. A region where the directions of spontaneous polarization are aligned in one direction is called a domain. The optical waveguide layer 21 is formed so that the direction of spontaneous polarization is aligned in one direction as a whole. Note that a region having a region in which the direction of spontaneous polarization is aligned in one direction and a domain in which the direction of spontaneous polarization is different by 180 ° is called a domain wall.

光導波部22は、図2に示した例では光導波層21のみによって構成されており、光導波層21が光導波部22そのものとなっているが、電圧印加部31における光導波部22については、図7に示して後述するように、Z方向において光導波層21を挟むように設けられる絶縁層23を有していても良い。   In the example shown in FIG. 2, the optical waveguide unit 22 is configured only by the optical waveguide layer 21, and the optical waveguide layer 21 is the optical waveguide unit 22 itself. 7 may include an insulating layer 23 provided so as to sandwich the optical waveguide layer 21 in the Z direction, as will be described later with reference to FIG.

図2に示すように、電圧印加部31は、光導波層21に入射したレーザ光Lを、Y方向と交わる第1の方向であるX方向に偏向する屈折率変調領域を形成するために光導波層21に電圧を印加する第1の電極として、Z方向において光導波部22の両側に設けられ電源30に接続された電極32を有している。   As shown in FIG. 2, the voltage applying unit 31 is used to form a refractive index modulation region that deflects the laser light L incident on the optical waveguide layer 21 in the X direction, which is the first direction intersecting the Y direction. As a first electrode for applying a voltage to the wave layer 21, an electrode 32 provided on both sides of the optical waveguide portion 22 in the Z direction and connected to the power supply 30 is provided.

電極32は、Z方向において光導波部22を挟むように対をなして設けられており、電源30にそれぞれ接続され、光導波部22の表面と裏面とにそれぞれ一体化された上面電極である上部電極32aと下面電極である下部電極32bとを有している。上部電極32aは、Y方向に沿って並ぶように設けられたプリズム型、具体的には正三角形の複数の電極によって構成されている。下部電極32bは、XY平面において上部電極32aの配置領域を含むように、方形、具体的は長方形の平面状に設けられている。   The electrodes 32 are provided as a pair so as to sandwich the optical waveguide unit 22 in the Z direction, are respectively connected to the power supply 30 and are integrated with the front and back surfaces of the optical waveguide unit 22 respectively. It has the upper electrode 32a and the lower electrode 32b which is a lower surface electrode. The upper electrode 32a is composed of a plurality of prism-shaped electrodes, specifically, equilateral triangle electrodes provided so as to be arranged along the Y direction. The lower electrode 32b is provided in a rectangular shape, specifically, a rectangular planar shape so as to include the arrangement region of the upper electrode 32a in the XY plane.

電源30は、外部電圧源によって電力を供給される交流電源であり、電極32に交流電圧による電圧信号を印加する。光導波層21は、電極32に電圧が印加されることによって、光導波層21の結晶内部に1次の電気光学効果すなわちEO効果が発現し、結晶内の屈折率が変化することによって屈折率変調領域33が形成される。屈折率変調領域33は、プリズム型の上部電極32aに対応して、プリズム型、具体的には正三角形状に形成される。このように、上部電極32aの形状がプリズム形状であることにより、光導波層21に擬似的なプリズムが形成される。   The power source 30 is an AC power source supplied with power from an external voltage source, and applies a voltage signal based on the AC voltage to the electrode 32. In the optical waveguide layer 21, when a voltage is applied to the electrode 32, a primary electro-optic effect, that is, an EO effect appears in the crystal of the optical waveguide layer 21, and the refractive index in the crystal changes. A modulation region 33 is formed. The refractive index modulation region 33 is formed in a prism shape, specifically an equilateral triangle shape, corresponding to the prism type upper electrode 32a. Thus, a pseudo prism is formed in the optical waveguide layer 21 because the shape of the upper electrode 32a is a prism shape.

よって、光偏向素子20は、電源30によって電極32に交流電圧が印加されると、光導波層21に形成されるプリズム型の屈折率変調領域33を用いて、光導波層21を透過するレーザ光Lの位相を変調し、図2において矢印で示すように、レーザ光LをX方向に偏向して出射する。   Therefore, the optical deflection element 20 uses a prism-type refractive index modulation region 33 formed in the optical waveguide layer 21 when an AC voltage is applied to the electrode 32 by the power supply 30. The phase of the light L is modulated, and the laser light L is deflected in the X direction and emitted as indicated by an arrow in FIG.

これは、光偏向素子20は、電気光学効果によって光導波層21の結晶内の屈折率を変調することが可能であり、かかる結晶内のレーザ光Lの位相を変調する位相変調素子として機能するようになっているためである。   This is because the optical deflection element 20 can modulate the refractive index in the crystal of the optical waveguide layer 21 by the electro-optic effect, and functions as a phase modulation element that modulates the phase of the laser light L in the crystal. It is because it has become.

なお、図2においては、レーザ光Lを示す矢印が上部電極32aを透過するように図示されているが、実際には、レーザ光Lは、光導波層21内を透過する。このとき電源30によって電圧が印加されていれば、上部電極32aの形状とほぼ同形状で光導波部22内に形成される屈折率変調領域33を、レーザ光Lが透過し、レーザ光Lは、屈折率変調領域33の境界位置で屈折してX方向に偏向される。   In FIG. 2, the arrow indicating the laser beam L is illustrated so as to pass through the upper electrode 32 a, but actually, the laser beam L passes through the optical waveguide layer 21. If a voltage is applied by the power supply 30 at this time, the laser light L is transmitted through the refractive index modulation region 33 formed in the optical waveguide portion 22 with substantially the same shape as the upper electrode 32a, and the laser light L The light is refracted at the boundary position of the refractive index modulation region 33 and deflected in the X direction.

光偏向素子20による、X方向へのレーザ光Lの偏向角は、電源30による電極32への印加電圧に応じて変化する。よって、電源30が交流電圧を電極32に印加することで、光偏向素子20から出射するレーザ光Lは、電源30の交流電圧の周期に応じた周期で、X方向に走査される。
なお、X方向への偏向角が一定で良ければ、電源30は直流電源であっても良い。
The deflection angle of the laser beam L in the X direction by the light deflection element 20 changes according to the voltage applied to the electrode 32 by the power supply 30. Therefore, when the power supply 30 applies an AC voltage to the electrode 32, the laser light L emitted from the light deflection element 20 is scanned in the X direction at a cycle corresponding to the cycle of the AC voltage of the power supply 30.
The power source 30 may be a DC power source as long as the deflection angle in the X direction is constant.

図2に示した構成例では、電極32の形状によって、屈折率変調領域33の形状がプリズム型とされているが、図3に示すように、電極32の形状は上部電極32a、下部電極32bの何れも方形とし、同図(a)に示すように、光導波層21にプリズム型、具体的には正三角形状の分極反転領域21aを形成することによって、屈折率変調領域33の形状がプリズム型、具体的には正三角形状とされるようにしても良い。   In the configuration example shown in FIG. 2, the shape of the refractive index modulation region 33 is a prism type depending on the shape of the electrode 32. However, as shown in FIG. 3, the shape of the electrode 32 is the upper electrode 32a and the lower electrode 32b. As shown in FIG. 5A, the refractive index modulation region 33 is shaped by forming a prism-type, specifically equilateral triangular domain-inverted region 21a in the optical waveguide layer 21, as shown in FIG. You may make it be a prism type, specifically a regular triangle shape.

分極反転領域21aは、自発分極の向きが180°反転されたドメインであり、自発分極の向きがこのように反転されていないドメインである非分極反転領域21bとの間にドメイン壁を形成する。図3において、分極反転領域21aの分極軸の向きは−Z方向であり、非分極反転領域21bの分極軸の向きは+Z方向である。上部電極32a、下部電極32bは、分極反転領域21a及び非分極反転領域21bを覆うように形成する。   The domain-inverted region 21a is a domain in which the direction of spontaneous polarization is inverted by 180 °, and forms a domain wall between the domain-inverted region 21b, which is a domain in which the direction of spontaneous polarization is not inverted in this way. In FIG. 3, the direction of the polarization axis of the polarization inversion region 21a is the -Z direction, and the direction of the polarization axis of the non-polarization inversion region 21b is the + Z direction. The upper electrode 32a and the lower electrode 32b are formed so as to cover the domain-inverted region 21a and the non-domain-inverted region 21b.

電極32を方形とし、分極反転領域21aを用いて屈折率変調領域33を形成すると、非分極反転領域21bによっても屈折率変調領域33が形成される。よって、光導波部23内には、分極反転領域21aによる屈折率変調領域33と、非分極反転領域21bによる屈折率変調領域33とが形成され、これらの屈折率変調領域33の境界位置であるドメイン壁においてレーザ光Lが屈折するため、電極32の形状によって屈折率変調領域33を形成する場合の2倍の偏向角が得られる。この理由について、以下詳細に説明する。   When the electrode 32 is rectangular and the refractive index modulation region 33 is formed using the polarization inversion region 21a, the refractive index modulation region 33 is also formed by the non-polarization inversion region 21b. Therefore, a refractive index modulation region 33 formed by the polarization inversion region 21 a and a refractive index modulation region 33 formed by the non-polarization inversion region 21 b are formed in the optical waveguide unit 23, and is a boundary position between these refractive index modulation regions 33. Since the laser beam L is refracted at the domain wall, a deflection angle twice as large as that in the case where the refractive index modulation region 33 is formed by the shape of the electrode 32 can be obtained. The reason for this will be described in detail below.

まず、EO効果を利用した具体的な光偏向素子の動作原理をより詳細に説明する。
上述の構成のように、電気光学材料の表面および裏面に、電界を形成するための電極層を対面して配置すると、電極層を通じて電圧を偏向素子に印加することで、電気光学材料の分極軸に平行な電界が形成され、電気光学効果によりその屈折率が変化する。ポッケルス効果による屈折率変化を利用する場合、電気光学材料の屈折率変化量Δnは、式(1)で与えられる。
First, a specific operation principle of the optical deflection element using the EO effect will be described in more detail.
When the electrode layers for forming an electric field are arranged facing each other on the front and back surfaces of the electro-optic material as in the above-described configuration, a voltage is applied to the deflection element through the electrode layers, so that the polarization axis of the electro-optic material Is formed, and its refractive index changes due to the electro-optic effect. When the refractive index change due to the Pockels effect is used, the refractive index change amount Δn of the electro-optic material is given by Expression (1).

Figure 2013122548
Figure 2013122548

式(1)において、nは電気光学材料の屈折率であり、rijは電気光学定数であり、Vは印加電圧であり、dは結晶厚である。 In Equation (1), n is the refractive index of the electro-optic material, r ij is the electro-optic constant, V is the applied voltage, and d is the crystal thickness.

次に、電極32の形状によって屈折率変調領域33を形成する場合の偏向角について説明する。
光ビームが伝播する領域上の電極形状が複数の三角形からなるようにしてプリズム電極を複数形成すると、出射光の偏向角は各分極反転領域での屈折角の足し合わせとなるため、出射光の偏向角が増加する。これは、電極に電圧を印加すると、屈折率変化領域も三角形状となり、それぞれが伝播ビームに対してプリズムとして機能するためである。すなわち屈折率変化領域を伝播するにしたがって、伝播光ビームはX軸方向に偏向角を与えられる。光ビーム偏向素子から出力されるレーザビームが与えられる偏向角θは電気光学材料の屈折率変化量に比例し、以下の式で表される。
Next, the deflection angle when the refractive index modulation region 33 is formed according to the shape of the electrode 32 will be described.
If a plurality of prism electrodes are formed so that the electrode shape on the region where the light beam propagates is composed of a plurality of triangles, the deflection angle of the emitted light is the sum of the refraction angles in each polarization inversion region. The deflection angle increases. This is because when a voltage is applied to the electrodes, the refractive index change region also has a triangular shape and each functions as a prism for the propagating beam. In other words, the propagating light beam is given a deflection angle in the X-axis direction as it propagates through the refractive index changing region. The deflection angle θ to which the laser beam output from the light beam deflection element is given is proportional to the amount of change in the refractive index of the electro-optic material, and is expressed by the following equation.

Figure 2013122548
Figure 2013122548

式(2)において、Lは複数のプリズム部全体の長さであり、Dはプリズム幅である。式(1)および式(2)より、光偏向素子から出射される偏向角は印加電圧に比例する。したがって光偏向素子への印加電圧を制御することにより、任意の偏向角にレーザビームを出力させることが可能である。   In Expression (2), L is the length of the entire plurality of prism portions, and D is the prism width. From equations (1) and (2), the deflection angle emitted from the optical deflection element is proportional to the applied voltage. Therefore, by controlling the voltage applied to the optical deflection element, it is possible to output the laser beam at an arbitrary deflection angle.

そして、分極反転領域21aの形状によって屈折率変調領域33を形成する場合の偏向角は次のようになる。
コア層となる光導波層を形成する電気光学材料は一般的にその分極軸を制御することが可能であるため、図3(a)に示したように、コア層内部にプリズムドメインを形成することが可能となる。このように、コア層内部に複数のプリズム形状を並べた分極反転領域を持たせることにより、分極反転プリズム領域全体を覆った電極層を通じて素子に電圧を印加することによって、電気光学材料にプリズム状の屈折率変化領域が形成される。
The deflection angle when the refractive index modulation region 33 is formed according to the shape of the domain-inverted region 21a is as follows.
Since the polarization axis of the electro-optic material forming the optical waveguide layer to be the core layer can generally be controlled, a prism domain is formed inside the core layer as shown in FIG. It becomes possible. In this way, by providing a domain-inverted region in which a plurality of prism shapes are arranged inside the core layer, a voltage is applied to the element through the electrode layer covering the entire domain-inverted prism region. Are formed.

分極反転領域とその他の領域で屈折率変化の符号が異なることから、電気光学材料の内部に複数のプリズムが備わることと同じ効果が発現する。偏向素子端面から入力された光ビームはプリズム部によってその伝播方向がX軸方向に傾けられ、素子出射端において偏向したビームが出力される。分極反転による屈折率変化の符号の反転により、屈折率変化量はプリズム状電極の屈折率変化量の2倍となり、素子からの出射角θは、   Since the sign of the refractive index change is different between the domain-inverted region and the other regions, the same effect as that provided with a plurality of prisms inside the electro-optic material is exhibited. The light beam input from the deflecting element end face is tilted in the X-axis direction by the prism portion, and a beam deflected at the element exit end is output. By reversing the sign of the refractive index change due to polarization reversal, the refractive index change amount becomes twice the refractive index change amount of the prismatic electrode, and the exit angle θ from the element is

Figure 2013122548
Figure 2013122548

で与えられる。すでに述べたように、電極32は、プリズムドメインを覆うように長方形に形成する。分極反転領域21aの形状によって屈折率変調領域33をプリズム型とすることで、電極32を四角形状で作成することが可能となり、電極32の作成が容易となる。 Given in. As described above, the electrode 32 is formed in a rectangular shape so as to cover the prism domain. By making the refractive index modulation region 33 into a prism type depending on the shape of the domain-inverted region 21a, the electrode 32 can be formed in a square shape, and the electrode 32 can be easily formed.

図2、図3に示したように、Y方向に沿ってプリズム型の屈折率変調領域25を複数形成する場合、各屈折率変調領域33は、図4に示すように、Y方向の下流側に向けて面積が漸増するようにしても良い。各屈折率変調領域33は、互いに相似形とすることが好ましい。同図に示した構成においては、図3に示した例のように、分極反転領域21aの形状により、屈折率変調領域33をプリズム型としており、また、電極32を四角形状としているが、図2に示した例のように、電極32の形状により、屈折率変調領域33をプリズム型としても良い。   As shown in FIGS. 2 and 3, when a plurality of prism-type refractive index modulation regions 25 are formed along the Y direction, each refractive index modulation region 33 is located downstream in the Y direction as shown in FIG. The area may be gradually increased toward. The refractive index modulation regions 33 are preferably similar to each other. In the configuration shown in the figure, as in the example shown in FIG. 3, the refractive index modulation region 33 is a prism type and the electrode 32 is a square shape due to the shape of the domain-inverted region 21a. As in the example shown in FIG. 2, the refractive index modulation region 33 may be a prism type depending on the shape of the electrode 32.

図4に示すように、プリズムサイズを段階的に大きくし、分極反転領域21aのサイズを、レーザ光Lの入射側から段階的に大きくしていく、ホーン型に形成することで、偏向角をより大きくすることが可能である。   As shown in FIG. 4, the prism size is gradually increased, and the polarization inversion region 21 a is gradually increased from the incident side of the laser light L so that the deflection angle is increased. It is possible to make it larger.

非特許文献(Yi Chiu,et al,Journal of Lightwave Technology,VOL17,No.1 Jan 1999)によると、進行距離z、入射側プリズム幅D、最大屈折変化量Δnmax、屈折率nを用いて、プリズム幅D(z)は、 According to non-patent literature (Yi Chiu, et al, Journal of Lightwave Technology, VOL17, No. 1 Jan 1999), the traveling distance z, the incident side prism width D 0 , the maximum refractive change Δn max , and the refractive index n 0 are used. The prism width D (z) is

Figure 2013122548
Figure 2013122548

から求めることが可能である。また、このときの外部偏向角θ(z)は It is possible to obtain from The external deflection angle θ (z) at this time is

Figure 2013122548
Figure 2013122548

で与えられる。 Given in.

図4に示した構成では、D=0.5mm、Δnmax=3.83×10−3、屈折率n=2.203、プリズム長L=20mmとして、式(4)、(5)からプリズム幅D(z)を逐次計算によって計算し、出射側プリズム幅は1.56mmとなっている。 In the configuration shown in FIG. 4, assuming that D 0 = 0.5 mm, Δn max = 3.83 × 10 −3 , refractive index n = 2.203, and prism length L = 20 mm, the equations (4) and (5) The prism width D (z) is calculated by sequential calculation, and the exit side prism width is 1.56 mm.

式(4)、(5)によって求めたプリズム幅は、図4においてで示す2つの包絡線の距離で表される。これらの包絡線は、ホーン型プリズムの包絡線となっている。ホーン型の分極反転領域を作製するには、正三角形の分極反転領域のサイズをこの包絡線により入射側から順次決めていき、同図に示されているように分極反転領域21aを隙間無く形成していくのが好ましい。   The prism width obtained by the equations (4) and (5) is represented by the distance between the two envelopes shown in FIG. These envelopes are envelopes of the horn prism. In order to produce a horn-type domain-inverted region, the size of the equilateral triangular domain-inverted region is sequentially determined from the incident side by this envelope, and the domain-inverted region 21a is formed without a gap as shown in FIG. It is preferable to do.

図2に示すように、電圧印加部41は、光導波層21に入射したレーザ光Lを、XY平面と交わる第2の方向であるZ方向に偏向するように光導波層21内にZ方向に沿った電界分布を形成するために光導波層21に電圧を印加する第2の電極として、Z方向において光導波部22の両側に設けられ電源40に接続された電極42を有している。   As shown in FIG. 2, the voltage application unit 41 has a Z direction in the optical waveguide layer 21 so as to deflect the laser light L incident on the optical waveguide layer 21 in the Z direction that is the second direction intersecting the XY plane. As a second electrode for applying a voltage to the optical waveguide layer 21 in order to form an electric field distribution along the optical axis, an electrode 42 provided on both sides of the optical waveguide portion 22 in the Z direction and connected to the power supply 40 is provided. .

電極42は、Z方向において光導波部22を挟むように対をなして設けられており、電源40にそれぞれ接続され、光導波部22の表面と裏面とにそれぞれオーミック接触によって一体化された上面電極である上部電極42aと下面電極である下部電極42bとを有している。上部電極42a、下部電極42bは、XY平面において電圧印加部31において偏向されたレーザ光Lの透過範囲を含むように、方形、具体的は長方形の平面状に設けられている。   The electrodes 42 are provided as a pair so as to sandwich the optical waveguide 22 in the Z direction, are connected to the power source 40 and are integrated with the front and back surfaces of the optical waveguide 22 by ohmic contact, respectively. It has the upper electrode 42a which is an electrode, and the lower electrode 42b which is a lower surface electrode. The upper electrode 42a and the lower electrode 42b are provided in a rectangular plane, specifically, a rectangular plane so as to include the transmission range of the laser light L deflected by the voltage application unit 31 in the XY plane.

電源40は、外部電圧源によって電力を供給される交流電源であり、電極42に交流電圧による電圧信号を印加する。光導波層21は、電極42に電圧が印加されることによって、上部電極42aと下部電極42bとのうち陰極として機能している側から電子を注入され、空間電荷制限電流による屈折率変化を誘起される。光導波層21は、このような電荷注入効果により、光導波層21を透過するレーザ光LをZ方向に偏向して出射する。   The power source 40 is an AC power source supplied with power from an external voltage source, and applies a voltage signal based on the AC voltage to the electrode 42. When a voltage is applied to the electrode 42, the optical waveguide layer 21 is injected with electrons from the side of the upper electrode 42a and the lower electrode 42b that function as the cathode, and induces a refractive index change due to the space charge limiting current. Is done. The optical waveguide layer 21 emits the laser light L transmitted through the optical waveguide layer 21 by deflecting it in the Z direction by such a charge injection effect.

この電荷注入効果を効率よく得るために、電極42は、電子を注入しやすい、言い換えれば仕事関数の低い金属材料である材料で形成することが好ましく、本例ではTiによって形成されているが、同じ理由により、Alなどを用いて電極42を形成しても良い。また、これらの材料を用いると、スパッタによる成膜が容易であるという利点もある。   In order to efficiently obtain this charge injection effect, the electrode 42 is preferably formed of a material that is easy to inject electrons, in other words, a metal material having a low work function. In this example, the electrode 42 is formed of Ti. For the same reason, the electrode 42 may be formed using Al or the like. In addition, when these materials are used, there is an advantage that film formation by sputtering is easy.

なお、図2においては、レーザ光Lを示す矢印が上部電極42aを透過するように図示されているが、実際には、レーザ光Lは、光導波層21内を透過する。このとき電源40によって電圧が印加されていれば、電荷注入効果の作用領域を、レーザ光Lが透過し、この過程で、レーザ光LはZ方向に偏向される。   In FIG. 2, the arrow indicating the laser beam L is illustrated as passing through the upper electrode 42 a, but actually the laser beam L passes through the optical waveguide layer 21. At this time, if a voltage is applied by the power supply 40, the laser light L is transmitted through the region where the charge injection effect is applied, and in this process, the laser light L is deflected in the Z direction.

光偏向素子20による、Z方向へのレーザ光Lの偏向角は、電源40による電極42への印加電圧に応じて変化する。よって、電源40が交流電圧を電極42に印加することで、光偏向素子20から出射するレーザ光Lは、電源40の交流電圧の周期に応じた周期で、X方向に走査される。
なお、Z方向への偏向角が一定で良ければ、電源40は直流電源であっても良い。
The deflection angle of the laser beam L in the Z direction by the optical deflecting element 20 changes according to the voltage applied to the electrode 42 by the power source 40. Therefore, when the power supply 40 applies an AC voltage to the electrode 42, the laser light L emitted from the light deflection element 20 is scanned in the X direction at a cycle corresponding to the cycle of the AC voltage of the power supply 40.
The power source 40 may be a DC power source as long as the deflection angle in the Z direction is constant.

電荷注入効果を利用した具体的な光偏向素子の動作原理言い換えるとビーム偏向の原理をより詳細に説明する。   A specific principle of operation of the optical deflection element utilizing the charge injection effect, in other words, the principle of beam deflection will be described in more detail.

上述の構成のように、電極と光導波層がオーミック接触している光偏向素子に電圧を印加すると、電極から光導波層に電子が注入され、これにより光導波層のZ方向に電界分布が生じ、この電界分布により光が偏向する。   As described above, when a voltage is applied to the optical deflection element in which the electrode and the optical waveguide layer are in ohmic contact, electrons are injected from the electrode into the optical waveguide layer, thereby causing an electric field distribution in the Z direction of the optical waveguide layer. This electric field distribution causes light to be deflected.

Z方向は電気光学結晶の厚さ方向に対応している。電気光学結晶の厚さ方向に線形に変化する屈折率n(z)は、z=0における屈折率をnとし、zにおける屈折率nからの変化量をΔn(z)として、n(z)=n+Δn(z)で表されるものとする。
光軸に対して垂直な断面における直径がDであるビームが、電気光学結晶の中を通過する場合、ビームの上端と下端での屈折率差はΔn(D)−Δn(0)である。
The Z direction corresponds to the thickness direction of the electro-optic crystal. The refractive index n (z) that changes linearly in the thickness direction of the electro-optic crystal is n (z), where n is the refractive index at z = 0, and Δn (z) is the amount of change from the refractive index n at z. = N + Δn (z).
When a beam having a diameter D in a cross section perpendicular to the optical axis passes through the electro-optic crystal, the refractive index difference between the upper end and the lower end of the beam is Δn (D) −Δn (0).

ビームが通過する屈折率に傾斜がある部分の長さとなる相互作用長をLとすると、長さLを伝搬後のビームの上端と下端とでの等位相面にずれが生じる。その上端と下端の等位相面のずれの長さは、   If the interaction length, which is the length of the part where the refractive index through which the beam passes, is L, the length L is shifted in the equiphase plane between the upper end and the lower end of the beam after propagation. The length of the deviation of the top and bottom equiphase surfaces is

Figure 2013122548
Figure 2013122548

である。この時のビームの伝搬方向の傾きθは、ずれの量がビームの光軸に対して垂直な断面における直径より十分小さく、かつ電気光学結晶の端面から屈折率が1と近似できる外部に出射すると、電気光学結晶と外部の境界面で屈折し、入射光の光軸からの全偏向角は、 It is. The inclination θ of the beam propagation direction at this time is such that the amount of deviation is sufficiently smaller than the diameter in the cross section perpendicular to the optical axis of the beam, and the refractive index is approximately 1 from the end face of the electro-optic crystal. Refracted at the interface between the electro-optic crystal and the outside, and the total deflection angle from the optical axis of the incident light is

Figure 2013122548
Figure 2013122548

となる。ここで、電気光学効果による屈折率変化は式(1)で表せることから、 It becomes. Here, since the refractive index change due to the electro-optic effect can be expressed by Equation (1),

Figure 2013122548
Figure 2013122548

で表される。この式(8)は、電界E(z)がzに依存する場合は、ゼロでない偏向角がZ方向に発生することを表す。図5(a)に示すように、電荷注入の発生無き場合は、結晶内に発生する電界は一般に、 It is represented by This equation (8) indicates that when the electric field E (z) depends on z, a non-zero deflection angle is generated in the Z direction. As shown in FIG. 5 (a), when no charge injection occurs, the electric field generated in the crystal is generally

Figure 2013122548
Figure 2013122548

で一定であるため、Z方向に偏向することは無い。一方、図5(b)に示すように、陰極からの電子注入がある場合には、空間電荷制限電流が結晶内に発生し、電界は、 Therefore, there is no deflection in the Z direction. On the other hand, as shown in FIG. 5B, when there is electron injection from the cathode, a space charge limited current is generated in the crystal, and the electric field is

Figure 2013122548
Figure 2013122548

と表せる。それにより、z方向の偏向角は、 It can be expressed. Thereby, the deflection angle in the z direction is

Figure 2013122548
Figure 2013122548

で表される。 It is represented by

以上により、印加電圧により電極から電気光学結晶内に電子注入が起きると、電気光学結晶内が空間電荷制限状態となり、Z方向に電界分布が生じ、この電界分布によって屈折率分布が発生し、光がZ方向に偏向することが説明される。   As described above, when electrons are injected from the electrode into the electro-optic crystal by the applied voltage, the inside of the electro-optic crystal is in a space charge limited state, an electric field distribution is generated in the Z direction, and a refractive index distribution is generated by this electric field distribution. Is deflected in the Z direction.

以上のような電圧印加部31及び電圧印加部41を有する光偏向素子20と、電源30及び電源40とを備えた光学装置100は、光導波層21に入射したレーザ光Lを、電圧印加部31においてX方向に偏向するとともに電圧印加部41においてZ方向に偏向し、2次元に走査可能な偏向光として出射する光偏向装置として機能する。このように、光学装置100は、2次元光偏向装置となっており、光偏向素子20は、2次元光偏向素子となっている。また、光導波層21がマグネシウム添加ニオブ酸リチウムであることで、光偏向素子20は可視光域でも利用可能な光ビーム偏向素子としての光偏向素子となっている。   The optical device 100 including the optical deflection element 20 having the voltage application unit 31 and the voltage application unit 41 as described above, the power supply 30 and the power supply 40, converts the laser light L incident on the optical waveguide layer 21 into the voltage application unit. It functions as an optical deflecting device that deflects in the X direction at 31 and deflects in the Z direction at the voltage application unit 41 and emits it as deflected light that can be scanned two-dimensionally. Thus, the optical device 100 is a two-dimensional light deflection device, and the light deflection element 20 is a two-dimensional light deflection device. Further, since the optical waveguide layer 21 is made of magnesium-added lithium niobate, the optical deflection element 20 is an optical deflection element that can be used in the visible light range.

光学装置100は、光偏向装置としての光学特性を向上すべく、図6に示すように、光源10と光偏向素子20との間と、光偏向素子20と出力孔51との間とにそれぞれ、光学素子としてのレンズ11、レンズ12を備えていることが望ましい。   As shown in FIG. 6, the optical device 100 is provided between the light source 10 and the light deflection element 20 and between the light deflection element 20 and the output hole 51 in order to improve the optical characteristics as the light deflection device. It is desirable that the lens 11 and the lens 12 are provided as optical elements.

レンズ11は、光源10から出射されたレーザ光Lを光導波層21に入射させる焦点距離8mmのレンズである。レンズ12は、光偏向素子20から出射されたレーザ光Lである偏向光をコリメートさせて出力孔51から光走査装置100外に出射させるレンズである。   The lens 11 is a lens having a focal length of 8 mm that allows the laser light L emitted from the light source 10 to enter the optical waveguide layer 21. The lens 12 is a lens that collimates the deflected light, which is the laser light L emitted from the light deflecting element 20, and emits it out of the optical scanning device 100 from the output hole 51.

図7に示すように、電圧印加部31における光導波部22への電荷注入により電圧印加部31においてレーザ光LのZ方向への偏向が生じることを防止ないし抑制し、電圧印加部41における光導波部22への電荷注入により電圧印加部41においてレーザ光LのZ方向への偏向を行うことで、光偏向素子20によるZ方向への偏向精度を確保するために、Z方向において電圧印加部41における光導波層21の両側に絶縁層23を設け、光導波部22が、光導波層21と絶縁層23とを有するようにしても良い。   As shown in FIG. 7, the voltage application unit 31 prevents or suppresses the deflection of the laser light L in the Z direction due to the charge injection into the optical waveguide unit 22. In order to ensure the deflection accuracy of the optical deflection element 20 in the Z direction by deflecting the laser light L in the Z direction by the voltage application unit 41 by charge injection into the wave unit 22, the voltage application unit in the Z direction. Insulating layers 23 may be provided on both sides of the optical waveguide layer 21 in 41, and the optical waveguide unit 22 may include the optical waveguide layer 21 and the insulating layer 23.

絶縁層23は、上部電極32aと一体の上部絶縁層23aと、下部電極32bと一体の下部絶縁層23bとを有している。絶縁層23の材質は、Taであるが、他の材質であっても良い。上部絶縁層23a、下部絶縁層23bのそれぞれの厚みは、1.5umであるが、適宜変更可能である。 The insulating layer 23 includes an upper insulating layer 23a that is integral with the upper electrode 32a, and a lower insulating layer 23b that is integral with the lower electrode 32b. The material of the insulating layer 23 is Ta 2 O 5 , but other materials may be used. Each thickness of the upper insulating layer 23a and the lower insulating layer 23b is 1.5 μm, but can be changed as appropriate.

絶縁層23は、レーザ光Lの光利用効率を向上するクラッド層としても機能し得る。クラッド層は、導波光の光損失を低減するものであり、光導波層21よりも屈折率の低い材質によって、光導波層21と電極32との間に形成される。   The insulating layer 23 can also function as a cladding layer that improves the light utilization efficiency of the laser light L. The cladding layer is for reducing the optical loss of the guided light, and is formed between the optical waveguide layer 21 and the electrode 32 by a material having a refractive index lower than that of the optical waveguide layer 21.

なお、同図に示した構成においては、図3に示した例のように、電極23を四角形状としており、また、図3、図4に示した例のように、分極反転領域21aの形状により、屈折率変調領域33をプリズム型としているが、図2に示した例のように、電極32の形状により、屈折率変調領域33をプリズム型としても良い。   In the configuration shown in the figure, the electrode 23 has a rectangular shape as in the example shown in FIG. 3, and the shape of the domain-inverted region 21a as in the example shown in FIGS. Thus, the refractive index modulation region 33 is a prism type, but the refractive index modulation region 33 may be a prism type depending on the shape of the electrode 32 as in the example shown in FIG.

図示を省略するが、光偏向素子20は、支持基板を一体に有していても良い。支持基板を一体化されることで、コア層である光導波層21や光導波部22を薄くすることが可能となる。光導波層21が薄いと、低電圧で駆動可能となる利点がある。支持基板は、Z方向において上部電極32aの上側、下部電極32bの下側の少なくとも一方に設けられれば良い。   Although not shown, the light deflection element 20 may integrally have a support substrate. By integrating the support substrate, it is possible to make the optical waveguide layer 21 and the optical waveguide portion 22 which are core layers thinner. When the optical waveguide layer 21 is thin, there is an advantage that it can be driven at a low voltage. The support substrate may be provided on at least one of the upper side of the upper electrode 32a and the lower side of the lower electrode 32b in the Z direction.

支持基板を一体に有する場合、光偏向素子20は、支持基板の他、支持基板と上部電極や下部電極との間に接着層を有し、接着層によって支持基板を一体化する構成とすることが可能である。   When the support substrate is integrally formed, the optical deflection element 20 has a structure in which an adhesive layer is provided between the support substrate and the upper electrode and the lower electrode in addition to the support substrate, and the support substrate is integrated by the adhesive layer. Is possible.

光偏向素子20の実施例及びその製造方法について述べる。
まず、光導波層21を構成するウエハー基板としてマグネシウム添加ニオブ酸リチウム(山寿セラミクス製φ3“ Z板 t=0.5mm)を用いてプリズム型の分極反転を形成した。
An embodiment of the optical deflection element 20 and a manufacturing method thereof will be described.
First, as a wafer substrate constituting the optical waveguide layer 21, prism-type polarization inversion was formed using magnesium-added lithium niobate (φ3 “Z plate t = 0.5 mm manufactured by Yamato Ceramics).

分極反転をする方法すなわち分極反転領域を形成する方法について述べると、かかるφ3”ウエハー基板である電気光学基板の分極反転プロセスは、この基板にスピンコーティングでフォトレジスト膜厚さ2umを作製した。レジストパターンは基板の+Z面、そしてフォトリソグラフィーで正三角形列(長さ20mm)のレジストパターンを作製した。このとき、光が入出射する正三角形の2辺はドメイン壁と平行になるように作製した。その後、直接電界印加法で、抗電界に対応する電圧を分極反転基板に印加して、正三角形の分極反転領域を作製した。   A method for inversion of polarization, that is, a method for forming a domain inversion region will be described. In the inversion process of an electro-optic substrate which is such a φ3 ″ wafer substrate, a photoresist film thickness of 2 μm was formed on this substrate by spin coating. As the pattern, a resist pattern of an equilateral triangle array (length: 20 mm) was prepared by + Z plane of the substrate and by photolithography, and at this time, the two sides of the equilateral triangle where light enters and exits were made parallel to the domain wall. Thereafter, a voltage corresponding to the coercive electric field was applied to the domain-inverted substrate by a direct electric field application method to produce an equilateral triangular domain-inverted region.

直接電界印加では、レジスト境界から30um程度、分極反転領域が外側に広がる結果が得られた。そのため、レジストパターンは所望のプリズムドメインよりも30um小さく作製するのが望ましい。また、プリズムドメイン領域を精度良く作製するために、始めにスパイク電界をかけて、反転核を均一に発生させて、続けて一定電界をかけることで反転核のドメイン壁を広げるのが好ましい。具体的には9kV/mmのスパイク電界を5ms、5.5kV/mmの一定電界を5secかけると、プリズムドメイン領域のプリズムドメイン境界辺は直線となり、頂角はシャープなプリズムドメイン領域を形成することが可能となった。   With direct electric field application, the result was obtained that the domain-inverted region spreads outward by about 30 μm from the resist boundary. For this reason, it is desirable that the resist pattern be made 30 μm smaller than the desired prism domain. In order to produce the prism domain region with high accuracy, it is preferable to first apply a spike electric field to uniformly generate inversion nuclei, and then apply a constant electric field to widen the domain wall of the inversion nuclei. Specifically, when a spike electric field of 9 kV / mm is applied for 5 ms and a constant electric field of 5.5 kV / mm is applied for 5 seconds, the prism domain boundary side of the prism domain region becomes a straight line, and a prism domain region having a sharp apex angle is formed. Became possible.

次に、電圧印加部31に絶縁層23としてTa(厚さ1.5um)をスパッタで成膜した。絶縁層23は、既に述べたように、電圧印加部31での電荷注入効果を抑制して、X方向のみの偏向機能を持たせるために形成したものである。 Next, Ta 2 O 5 (thickness: 1.5 μm) was formed as the insulating layer 23 on the voltage application unit 31 by sputtering. As already described, the insulating layer 23 is formed to suppress the charge injection effect in the voltage application unit 31 and to have a deflection function only in the X direction.

続いて、電圧印加部31と電圧印加部41とにスパッタで上下電極である上部電極32a、下部電極32b、上部電極42a、下部電極42bを成膜した。電極材料は、電圧印加部31、電圧印加部41ともにTiである。   Subsequently, the upper electrode 32a, the lower electrode 32b, the upper electrode 42a, and the lower electrode 42b, which are upper and lower electrodes, were formed on the voltage application unit 31 and the voltage application unit 41 by sputtering. The electrode material is Ti for both the voltage application unit 31 and the voltage application unit 41.

上部電極32a、下部電極32b、上部電極42a、下部電極42bの厚さは200nmであり、上部電極32aの大きさはX=3mm、Y=21mmであり、上部電極42aの大きさは、X=3mm、Y=3mmである。
基板からダイシングソーによって5mm×25mmを切り出し、端面を研磨、反射コートの工程を経て、光偏向素子20を製作した。
The thicknesses of the upper electrode 32a, the lower electrode 32b, the upper electrode 42a, and the lower electrode 42b are 200 nm, the sizes of the upper electrode 32a are X = 3 mm, Y = 21 mm, and the size of the upper electrode 42a is X = 3 mm and Y = 3 mm.
5 mm × 25 mm was cut out from the substrate by a dicing saw, the end face was polished, and the optical deflection element 20 was manufactured through a reflective coating process.

図8に、このようにして作成した光偏向素子20の、Z方向とX方向とにおける、印加電圧に対する偏向角度の測定結果を示す。同図に示されているように、この光偏向装置20により、200Vppの電圧印加でZ方向全角1.16mrad、X方向1.31mradの結果が得られている。   FIG. 8 shows a measurement result of the deflection angle with respect to the applied voltage in the Z direction and the X direction of the optical deflection element 20 thus produced. As shown in the figure, this optical deflecting device 20 obtains a result of a full angle of 1.16 mrad in the Z direction and 1.31 mrad in the X direction when a voltage of 200 Vpp is applied.

以上本発明の好ましい実施の形態について説明したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、上述の説明で特に限定していない限り、特許請求の範囲に記載された本発明の趣旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。   The preferred embodiments of the present invention have been described above. However, the present invention is not limited to the specific embodiments, and the present invention described in the claims is not specifically limited by the above description. Various modifications and changes are possible within the scope of the above.

たとえば、第1の電圧印加部による偏向方向と第2の電圧印加部による偏向方向とは、上述の例における第1の電圧印加部による偏向方向と第2の電圧印加部による偏向方向と入れ替えても良い。
本発明を適用した光学装置、光偏向装置、光変調装置は、レーザプリンタ、レーザ加工、ディスプレイ、計測、光通信等の様々な分野に用いることが可能である。
For example, the deflection direction by the first voltage application unit and the deflection direction by the second voltage application unit are interchanged with the deflection direction by the first voltage application unit and the deflection direction by the second voltage application unit in the above example. Also good.
An optical device, a light deflection device, and a light modulation device to which the present invention is applied can be used in various fields such as a laser printer, laser processing, display, measurement, and optical communication.

本発明の実施の形態に記載された効果は、本発明から生じる最も好適な効果を列挙したに過ぎず、本発明による効果は、本発明の実施の形態に記載されたものに限定されるものではない。   The effects described in the embodiments of the present invention are only the most preferable effects resulting from the present invention, and the effects of the present invention are limited to those described in the embodiments of the present invention. is not.

10 レーザ光源
20 光偏向素子
21 光導波層
21a 分極反転領域
23 絶縁層
31 第1の電圧印加部
32 第1の電極
33 屈折率変調領域
41 第2の電圧印加部
42 第2の電極
100 光学装置、光偏向装置、光変調装置
L レーザ光
X 第1の方向
Y レーザ光の進行方向
Z 第2の方向
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Laser light source 20 Optical deflecting element 21 Optical waveguide layer 21a Polarization inversion area | region 23 Insulating layer 31 1st voltage application part 32 1st electrode 33 Refractive index modulation area | region 41 2nd voltage application part 42 2nd electrode 100 Optical apparatus , Light deflection device, light modulation device L laser light X first direction Y traveling direction of laser light Z second direction

特開2000−330143号公報JP 2000-330143 A 特許第4663604号公報Japanese Patent No. 4663604

Claims (8)

レーザ光源によって出射されたレーザ光を入射される、電気光学材料によって形成された光導波層と、
この光導波層における前記レーザ光の進行方向に沿って設けられた、同光導波層に電圧を印加する第1の電圧印加部及び第2の電圧印加部とを備え、
第1の電圧印加部は、前記光導波層に入射した前記レーザ光を前記進行方向と交わる第1の方向に偏向する屈折率変調領域を形成するために前記光導波層に電圧を印加する第1の電極を有し、
第2の電圧印加部は、前記光導波層に入射した前記レーザ光が前記進行方向及び第1の方向によって形成される平面と交わる第2の方向に偏向するように同光導波層内に第2の方向に沿った電界分布を形成するために同光導波層に電圧を印加する第2の電極を有する光偏向素子。
An optical waveguide layer made of an electro-optic material that receives laser light emitted from a laser light source; and
A first voltage applying unit and a second voltage applying unit, which are provided along the traveling direction of the laser light in the optical waveguide layer and apply a voltage to the optical waveguide layer;
A first voltage application unit configured to apply a voltage to the optical waveguide layer in order to form a refractive index modulation region that deflects the laser light incident on the optical waveguide layer in a first direction intersecting the traveling direction; 1 electrode,
The second voltage application unit includes a second voltage application unit in the optical waveguide layer so that the laser light incident on the optical waveguide layer is deflected in a second direction intersecting a plane formed by the traveling direction and the first direction. An optical deflection element having a second electrode for applying a voltage to the optical waveguide layer in order to form an electric field distribution along the direction of 2.
請求項1記載の光偏向素子において、
第1の電極と前記光導波層との間に絶縁層を有することを特徴とする光偏向素子。
The optical deflection element according to claim 1, wherein
An optical deflection element comprising an insulating layer between a first electrode and the optical waveguide layer.
請求項1または2記載の光偏向素子において、
第2の電極は、TiまたはAlであることを特徴とする光偏向素子。
The optical deflection element according to claim 1 or 2,
The optical deflection element, wherein the second electrode is Ti or Al.
請求項1ないし3の何れか1つに記載の光偏向素子において、
前記屈折率変調領域は、プリズム型であり、前記光導波層における前記進行方向に複数形成されることを特徴とする光偏向素子。
The optical deflection element according to any one of claims 1 to 3,
The refractive index modulation region is a prism type, and a plurality of the refractive index modulation regions are formed in the traveling direction in the optical waveguide layer.
請求項4記載の光偏向素子において、
前記屈折率変調領域は、前記進行方向の下流側に向けて面積が漸増することを特徴とする光偏向素子。
The optical deflection element according to claim 4, wherein
The optical deflection element, wherein the refractive index modulation region gradually increases in area toward the downstream side in the traveling direction.
請求項4または5記載の光偏向素子において、
前記電極の形状によって、前記屈折率変調領域の形状がプリズム型とされることを特徴とする光偏向素子。
The optical deflection element according to claim 4 or 5,
The optical deflection element according to claim 1, wherein the refractive index modulation region has a prism shape depending on the shape of the electrode.
請求項4ないし6の何れか1つに記載の光偏向素子において、
前記光導波層に設けられた分極反転領域の形状によって、前記屈折率変調領域の形状がプリズム型とされることを特徴とする光偏向素子。
The light deflection element according to any one of claims 4 to 6,
The optical deflecting element, wherein the shape of the refractive index modulation region is a prism type depending on the shape of the domain-inverted region provided in the optical waveguide layer.
請求項1ないし7の何れか1つに記載の光偏向素子を有する光偏向装置。   An optical deflecting device comprising the optical deflecting element according to claim 1.
JP2011271398A 2011-12-12 2011-12-12 Optical deflection element and optical deflector Pending JP2013122548A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2011271398A JP2013122548A (en) 2011-12-12 2011-12-12 Optical deflection element and optical deflector

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2011271398A JP2013122548A (en) 2011-12-12 2011-12-12 Optical deflection element and optical deflector

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2013122548A true JP2013122548A (en) 2013-06-20

Family

ID=48774530

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2011271398A Pending JP2013122548A (en) 2011-12-12 2011-12-12 Optical deflection element and optical deflector

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2013122548A (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110446972A (en) * 2017-12-26 2019-11-12 松下知识产权经营株式会社 Optical scanning device, optical receiving device and optical detection system

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110446972A (en) * 2017-12-26 2019-11-12 松下知识产权经营株式会社 Optical scanning device, optical receiving device and optical detection system
CN110446972B (en) * 2017-12-26 2023-11-10 松下知识产权经营株式会社 Optical scanning device, optical receiving device, and optical detection system

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8620117B2 (en) Optical device, optical deflection device, and optical modulation device
TW390965B (en) Electric field controllable beam-directing structures
US8463082B2 (en) Manufacturing method for electrooptic element and optical deflector including electrooptic element
US10416468B2 (en) Light field generator devices with series output couplers
JP2014126599A (en) Beam scanner and deflected light source
JP2014211528A (en) Optical switch element and laser oscillator
JPH09146128A (en) Electrooptic element
JPH10288798A (en) Optical deflector
US3887885A (en) Electrooptic modulator
JP2013044762A (en) Electro-optical element and manufacturing method thereof, and optical deflection device using electro-optical element
JP2013122548A (en) Optical deflection element and optical deflector
JP6300209B2 (en) Optical deflection element and optical deflection apparatus
EP1990677A1 (en) Device and method for modulating light
US7646531B1 (en) Wavelength conversion devices having multi-component output faces and systems incorporating the same
JP5249008B2 (en) Light modulator
JP6322883B2 (en) Optical deflection element
JPH10307307A (en) Optical deflector
JP5218564B2 (en) Optical switch, image display device, image forming apparatus, and method of manufacturing optical switch
JP2013238758A (en) Light deflection device
JP2015041041A (en) Diffracting grating and optical module
JP2016142996A (en) Optical element and terahertz wave generation optical device
US20170269394A1 (en) Light modulator and image display device
JPS6035653B2 (en) light modulator
TW201426056A (en) Optical coupler
JPS58130327A (en) Two-dimensional optical deflector