JP2013205472A - 光偏向素子 - Google Patents

Abstract

【課題】光スポットを高速で偏向させることを可能にする光偏向素子を提供することである。
【解決手段】実施形態の光偏向素子は、誘電体と、第１の電極部と、第２の電極部及び第３の電極部と、を有する。誘電体は、互いに対向した第１の面及び第２の面を備え、電気光学効果を有する。また、第２の電極部は、誘電体を通過する光の入射側に設けられ、光の入射方向に略直交する辺と、光の入射方向に略平行な辺と、光の出射側に設けられ、光の入射方向に対して交差する辺と、に囲まれる形状の１つ以上の電極からなる。また、第３の電極部は、光の入射側に第２の電極部と揃えて設けられ、光の入射方向に略直交する辺と、光の入射方向に略平行な辺と、光の出射側に設けられ、光の入射方向に対して第２の電極部とは逆方向に交差する辺と、に囲まれる形状の１つ以上の電極からなる。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、光偏向素子に関する。

従来、電気光学効果を有する材料を用いて光偏向素子を形成し、機械的な可動部を設けることなく入射光を偏向させて出射することが知られている。

特開平９−５７９７号公報 特開平１０−２３９７１８号公報 特開平１０−１８６４１９号公報 特開２００３−９８５５９号公報

しかしながら、従来技術においては、光スポットのように集められた光を高速で偏向させることはできないという問題があった。本発明が解決しようとする課題は、光スポットを高速で偏向させることを可能にする光偏向素子を提供することである。

実施形態の光偏向素子は、誘電体と、第１の電極部と、第２の電極部及び第３の電極部と、を有する。誘電体は、互いに対向した第１の面及び第２の面を備え、電気光学効果を有する。第１の電極部は、第１の面側に設けられる。第２の電極部及び第３の電極部は、第２の面側に設けられ、第１の電極部とともに誘電体を挟み込むことにより、誘電体に対して電圧を印加可能にされる。また、第２の電極部は、誘電体を通過する光の入射側に設けられ、光の入射方向に略直交する辺と、光の入射方向に略平行な辺と、光の出射側に設けられ、光の入射方向に対して交差する辺と、に囲まれる形状の１つ以上の電極からなる。また、第３の電極部は、光の入射側に第２の電極部と揃えて設けられ、光の入射方向に略直交する辺と、光の入射方向に略平行な辺と、光の出射側に設けられ、光の入射方向に対して第２の電極部とは逆方向に交差する辺と、に囲まれる形状の１つ以上の電極からなる。

第１の実施形態にかかる光偏向素子の概要を示す構成図。 光偏向素子がレーザー光を偏向する機能を模式的に示した模式図。 光偏向素子に対する比較例の光偏向素子の概要を示す構成図。 比較例の光偏向素子がレーザー光を偏向した状態を示した模式図。 第２の実施形態にかかる光偏向素子の概要を示す構成図。 光偏向素子がレーザー光を偏向する機能を模式的に示した模式図。 第３の実施形態にかかる光偏向素子の概要を示す構成図。 第４の実施形態にかかる光偏向素子の概要を示す構成図。 第５の実施形態及び第６の実施形態にかかる光偏向素子を示す構成図。 光スポットを移動させる第１の構成例を示す図。 光スポットを移動させる第２の構成例を示す構成図。

光偏向素子の実施の形態を説明するにあたり、まず、光偏向素子と光スポットとの関係について説明する。

例えば、レーザー光を集光すると光スポットが形成される。光スポットは、波長の回折限界に近づけられてサイズが小さくされると、広い用途に利用可能となる。また、レーザー光を集光した光スポットを偏向させる場合、一般にレーザー光を収束させる対物レンズと、対物レンズに対して入射するレーザー光と、対物レンズに入射するレーザー光の入射角を調節する光偏向素子が必要になる。

即ち、光偏向素子によって対物レンズに対するレーザー光の入射角を調節することにより、対物レンズによって集光された光スポットの位置を変えることが可能になる。ここで、レーザー光を波長の略回折限界となる光スポットにするためには、対物レンズとして開口数（ｎａ：numerical aperture）の大きなレンズを用いる必要がある。ｎａは、下式１によって表される。

このとき、光スポットのサイズｄは、下式２で表されることが知られている。

つまり、ｎａが大きいほど、小さな光スポットを形成することが可能になる。言い換えれば、対物レンズの焦点距離ｆが一定の場合、レンズの直径φが大きいほど光スポットを小さく絞ることが可能になる。

一方、上式２で表されるサイズの光スポットを形成するためには、対物レンズに入射するレーザー光が対物レンズの瞳全面に入射している必要がある。つまり、入射するレーザー光の直径は、レンズの直径φ以上あることが必要である。以上のことから、小さなサイズの光スポットを形成するためには、対物レンズに入射するレーザー光の直径を大きくする必要があることがわかる。

また、光スポットの焦点を結ぶことができる範囲（スキャン距離）ｓは、対物レンズに入射するレーザー光の主光線の傾き（光偏向素子によるレーザー光の偏向角）をθとすると、下式３により表される。

つまり、偏向角θが大きいほど、及び焦点距離ｆが長いほど、大きなスキャン距離ｓを得ることができる。

ここで、単純化のためにコリメートされたレーザー光を用いて、スキャン距離ｓについて説明する。直径φ１のレーザー光が、光偏向素子によって偏向角θだけ偏向され、その後に直径φ２にエクスパンドされて、直径φ２，焦点距離ｆの対物レンズで集光されたとすると、スキャン距離ｓは下式４により表される。

特に、θ・φ１／φ２が小さい場合には、スキャン距離ｓは、近軸近似を用いると下式５のように表される。

従って、対物レンズのｎａが一定である場合、光スポットのスキャン距離ｓの値を大きくするためには、光偏向素子の偏向角θが大きく、偏向されるレーザー光の直径φ１が大きいほどよいことが分かる。

次に、光偏向素子の周波数特性について説明する。現在、光の方向を変える光偏向素子には、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）スキャナ、レゾナントスキャナ、電気光学スキャナ、音響光学スキャナなどがある。しかしながら、ＭＥＭＳスキャナ、レゾナントスキャナなどは、機械的に鏡を振って光の方向を変える光偏向素子であるため、高速で光を偏向させることは困難であり、変調可能な周波数が１ＭＨｚ程度までとなっている。

また、一般的なバルク型の電気光学素子は、機械的な稼動部分が存在しないために原理的にはより高速に駆動できる。しかし、実際には、光を偏向させるために数１００Ｖから数ｋＶの高い電圧が必要になる。このように高い電圧では、高速で変調することは困難である。また、高い電圧で高速化を行うためには大規模な電源回路が必要となる。従って、一般には、変調可能な周波数は数ＭＨｚ程度にとどまっている。

また、音響光学偏向素子は、音波によるブラッグ反射を用いて光を偏向させる。この方法では、レーザー光を１００μｍ以下に絞る等、条件によっては数十ＭＨｚ程度で変調を行うことが可能となる。しかしながら、音速の限界から、これ以上に高速に偏向制御をすることは困難となっている。また、高速化のためには原理的にレーザー光を１００μｍ以下に細く絞る必要があるため、解像点数が少なくなる。また、回折効率が落ちて光の利用効率が悪くなってしまうという問題もあり、これ以上の高速化は困難となっている。

現在、高速で光の偏向を行うことができる素子としては、導波路型電気光学偏向素子（光偏向素子）が知られている。この素子は電気光学素子の一種である。この素子では、電気光学効果を有する材料をコアとして、その上下にクラッド層を設けて平面型導波路を形成しており、光はコア層に閉じ込められて導波される。そして、素子の下面全面にはグランド電極が形成されており、上面にはプリズム型電極が形成されている。

この素子では、電極間に電圧がかけられると、グランド電極とプリズム型電極の間に挟まれた電気光学材料のコア部分に電界がかけられ、電極に挟まれた部分の屈折率が電気光学効果によって変化する。つまり、この素子は、電極間に電圧がかけられることにより、プリズム型の屈折率が異なる領域がコア部分にできるため、導波されている光を屈折により曲げることが可能な光偏向素子として機能する。

ここで、光偏向素子は、電気光学材料にかけられる電界に比例して電気光学材料の屈折率が変化するため、電界に比例して光を偏向させることが可能になる。また、電極間隔が近いほど、低電圧で大角度の偏向を行うことが可能になる。

導波路型電気光学偏向素子では、平面型導波路構造を有するため、グランド電極とプリズム型電極の間隔を１０μｍ以下に近接させることが可能となる。従って、光を偏向させるために必要な電圧を数１０Ｖ以下まで低くすることが可能である。よって、導波路型電気光学偏向素子は、高速に変調をかけることが可能となり、条件によっては１ＧＨｚ程度の動作速度を実現することも可能である。

即ち、導波路型電気光学偏向素子によって、直径φの大きな光を低電圧で偏向することができれば、小さな光スポットを高速で広い範囲に移動させることができる。

ただし、導波路型電気光学偏向素子は、光偏向素子自体が平面型導波路構造をしているため、ガウシアンビーム形状のレーザー光をそのまま偏向することはできない。つまり、小さな光スポットを高速で広い範囲に移動させるためには、一旦、レーザー光を平面型導波路に入射し、偏向して出射されるシート状のレーザー光を、断面が略円形となるレーザー光に整形する必要がある。

具体的には、ガウシアンビーム形状のレーザー光をシリンドリカル・レンズによってシート状に絞り、平面型導波路に入射して、偏向して出射されるシート状のレーザー光を、シリンドリカルレンズやアナモルフィック・レンズ等を用いて断面が略円形となるレーザー光に整形する必要がある。この場合、レーザー光の直径φは、平面型導波路におけるレーザー幅ｗとみなすことができ、ｗ＝φとなる。従って、例えば、ｎａ＝０．８５である場合、スキャン距離ｓを±５μｍにするためには、下式６が成り立つようにする。

従って、光偏向素子の偏向角θが２°である場合には、必要な光偏向素子の素子幅ｗは、下式７のように表される。

このように、十分に小さな光スポットに対し、十分な距離の移動をさせるためには、光偏向素子として数１００μｍ以上の幅広のレーザー光を偏向することが必須となる。ところが、従来の導波路型電気光学偏向素子では、幅の広いレーザー光を偏向するためには電極を大きくする必要があり、高速動作との両立ができなくなるという問題がある。

具体的には、導波路型電気光学偏向素子における動作周波数を決定している要因として、電極間の電気容量がある。即ち、導波路型電気光学偏向素子は、構造がコンデンサーのようになっているため、その等価回路が、電極の持つ電気容量と、それに直列接続される寄生抵抗とで表される。導波路型電気光学偏向素子に対し、高周波をかけて駆動する場合には、カットオフ周波数（ｆｃ）が下式８のように表される。

ここで、Ｃは電極間容量、Ｒは直列抵抗成分であり、Ｃは下式９のように表される。

なお、９式においては、εは電極間の誘電率であり、Ｓは電極面積、ｄは電極間隔である。電界をできるだけ電気光学材料であるコア層に集中させるためには、クラッド層が導電性を有する材料であることが好ましい。クラッド層が導電性を有する材料である場合には、εは実質的にコア層の誘電率となる。

従って、導波路型電気光学偏向素子では、幅の広いレーザー光を偏向させるために電極面積を大きくすると、カットオフ周波数が小さくなってしまい、高速変調が困難になる。また、導波路型電気光学偏向素子は、電極間隔を小さくすると、電極間容量が増えるため、やはりカットオフ周波数が小さくなってしまう。

上述した例のように、ｎａ＝０．８５である場合、スキャン距離ｓを±５μｍにするためには、幅が約５００μｍのレーザー光を低電圧で約２°偏向する必要がある。この場合、例えばコア材料にＬｉＮｂＯ_３を用いると、幅が約５００μｍのレーザー光を約２°偏向するために必要な３角形電極（プリズム型電極）のサイズは約５００μｍ×５０００μｍとなる。そして、そのカットオフ周波数は約５ＭＨｚと非常に小さな値になってしまう。

（第１の実施形態）
以下に、添付図面を参照して、光偏向素子の実施の形態を説明する。図１は、第１の実施形態にかかる光偏向素子１の概要を示す構成図である。図１（ａ）は、光偏向素子１の概要を上方から示す上面図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）に示した光偏向素子１の概要を示すＡ−Ａ’線断面の模式図である。

光偏向素子１は、電気光学効果を有する誘電体からなるコア１０と、コア１０の上下にクラッド層１２がそれぞれ形成された平面型導波路構造を備える。また、光偏向素子１は、下面側にグランド電極１４が形成されており、上面側には直角三角形のプリズム電極１６，１８が複数形成されている。つまり、光偏向素子１は、導波路型電気光学偏向素子となっている。

光偏向素子１において、コア１０は、自発分極方向が平面型導波路構造の厚さ方向に設定されている。具体的には、コア１０は、全体が均一に厚さ方向に対して上、又は下向きに分極するように分極処理がなされている。コア１０は、例えばＬｉＮｂＯ_３、ＬｉＴａＯ_３及びこれらにＭｇＯが添加された材料からなる。また、コア１０は、ＰＬＺＴ（（ＰｂＬａ）（ＺｒＴｉ）Ｏ_３）などであってもよい。

クラッド層１２の上に形成された、プリズム電極１６，１８は、例えばそれぞれの長辺が平行になるように配置され、光偏向素子１に入射されるレーザー光に対してもそれぞれの長辺が平行になるようにされる。なお、プリズム電極１６,１８は、それぞれの短辺、又はそれぞれの短辺と長辺が平行になるように配置されてもよい。また、プリズム電極１６，１８は、レーザー光の入射方向に交差する方向に交互に並べられている。

プリズム電極１６,１８は、光偏向素子１に対して入射されるレーザー光の入射方向に対し、それぞれの斜辺（傾斜部）が傾斜している。また、プリズム電極１６，１８は、レーザー光の入射方向に延びる軸を挟んで、それぞれの斜辺の傾斜が逆方向になるように設けられている。プリズム電極１６，１８は、それぞれ直角三角形の鋭角が例えばψになるように設計されている。

プリズム電極１８には、プリズム電極１６に印加される電圧とは符号が反対で絶対値が例えば同じである電圧が印加されるものとする。この場合、例えばプリズム電極１６は、グランド電極１４との間に挟むコア１０の領域に対し、コア１０の自発分極の方向と同じ方向の電界を形成する。すると、プリズム電極１８は、コア１０の自発分極の方向が均一であるため、グランド電極１４との間に挟むコア１０の領域に対し、コア１０の自発分極の方向とは逆方向の電界を形成する。

即ち、プリズム電極１６に自発分極と同じ向きの電界がかかっているときには、プリズム電極１８には自発分極と逆向きの電界がかかるようになる。逆に、プリズム電極１６に自発分極と逆向きの電界がかかっているときには、プリズム電極１８には自発分極と同じ向きの電界がかかるようになる。

このため、プリズム電極１６とグランド電極１４とに挟まれた領域（第１の領域）のコア１０の屈折率は、電気光学効果により、下式１０に示すように変化する。

ただし、１０式においては、Δｎは屈折率変化量、ｎ_０はコア１０の電界ゼロにおける屈折率、ｒ_３３は電気光学定数、Ｖは電極電圧、ｄは電極間距離とする。

一方、プリズム電極１８とグランド電極１４とに挟まれた領域（第２の領域）のコア１０の屈折率は、第１の領域とは逆符号の−Δｎだけ変化する。

図１に示したように、プリズム電極１６とプリズム電極１８の斜辺の傾きは入射されるレーザー光に対して互いに逆である。従って、第１の領域及び第２の領域のいずれの領域を通過したレーザー光も同じ方向に偏向される。即ち、第１の領域及び第２の領域のいずれの領域を通過したレーザー光も偏向角θは、下式１１に示される値となる。

図２は、第１の実施形態にかかる光偏向素子１がレーザー光を偏向する機能を上方から模式的に示した模式図である。なお、図２（ａ）と図２（ｂ）とは、プリズム電極１６,１８に印加される電圧がそれぞれ逆になっている。図２に示すように、プリズム電極１６とグランド電極１４とに挟まれる領域（第１の領域）に入射されたレーザー光と、プリズム電極１８とグランド電極１４とに挟まれる領域（第２の領域）に入射されたレーザー光は、同一方向に偏向される。

また、プリズム電極１６，１８の斜辺が互いに逆に傾斜しているため、第１の領域で偏向されたレーザー光と、第２の領域で偏向されたレーザー光は、互いに干渉しない。また、プリズム電極１６それぞれは、例えば合同な直角三角形の電極に形成されるている。また、プリズム電極１８それぞれは、例えば合同な直角三角形の電極に形成されるている。このように、光偏向素子１は、１つの大きな直角三角形からなる電極よりも小さな電極面積で幅ｗの広いレーザー光を略均一に偏向させるので、小さな光スポットに対して、高速で長い距離の移動をさせることを可能にする。

サイズの具体例として、例えば、プリズム電極１６は、短辺が２０μｍ、長辺が１２０μｍ、鋭角ψが９．４６°である直角三角形の電極に設定される。プリズム電極１８は、レーザー光の入射方向に延びる軸を対象の軸としてプリズム電極１６に線対称な直角三角形の電極に設定される。光偏向素子１は、プリズム電極１６,１８がレーザー光の入射方向に交差する方向に交互に並べてそれぞれ１５個ずつ配置され、５００μｍ幅のレーザー光を偏向することを可能にされる。ここで、光偏向素子１において、例えばプリズム電極１６に対して５０Ｖ、プリズム電極１８に対して−５０Ｖの電圧が印加されると、光偏向素子１に入射される幅５００μｍのレーザー光は、１．４°の偏向がなされる。このレーザー光をｎａが０．８５のレンズで光スポットに集光すれば、±３．８μｍの幅のスキャン量を得ることができる。また、プリズム電極１６，１８とグランド電極１４とによる容量は７ｐＦとなり、カットオフ周波数は３２５ＭＨｚとなっている。

また、サイズの他の具体例として、例えば、プリズム電極１６は、短辺が２０μｍ、長辺が６０μｍ、鋭角ψが１８．４°である直角三角形の電極に設定される。プリズム電極１８は、レーザー光の入射方向に延びる軸を対象の軸としてプリズム電極１６に線対称な直角三角形の電極に設定される。光偏向素子１は、プリズム電極１６,１８がレーザー光の入射方向に交差する方向に交互に並べてそれぞれ１０個ずつ配置され、３００μｍ幅のレーザー光を偏向することを可能にされる。ここで、光偏向素子１において、例えばプリズム電極１６に対して５０Ｖ、プリズム電極１８に対して−５０Ｖの電圧が印加されると、光偏向素子１に入射される幅３００μｍのレーザー光は、０．７°の偏向がなされる。このレーザー光をｎａが０．８５のレンズで光スポットに集光すれば、±１．１μｍの幅のスキャン量を得ることができる。また、プリズム電極１６，１８とグランド電極１４とによる容量は２．３ｐＦとなり、カットオフ周波数は９７２ＭＨｚとなっている。つまり、光偏向素子１は、±１．１μｍのスキャン量では略１ＧＨｚの周波数でレーザー光を偏向することも可能とする。

（第１の比較例）
図３は、光偏向素子１に対する比較例の光偏向素子の概要を示す構成図である。なお、図３に示した比較例の光偏向素子において、図１に示した光偏向素子１の構成と実質的に同一の構成には、同一の符号が付してある。図３に示すように、比較例の光偏向素子は、１種類の例えばプリズム電極１６が上面に並べられた構成になっている。つまり、第１の比較例では、直角三角形に形成された電極の斜辺が１方向にのみ傾斜している。

図４は、図３に示した比較例の光偏向素子がレーザー光を偏向した状態を上方から模式的に示した模式図である。なお、図４（ａ）と図４（ｂ）とは、プリズム電極１６に印加される電圧がそれぞれ逆になっている。図４（ａ）に示すように、比較例の光偏向素子は、１つのプリズム電極１６が形成する第１の領域が偏向したレーザー光が、他のプリズム電極１６が形成する第１の領域に再び入射される。また、図４（ｂ）に示すように、比較例の光偏向素子では、レーザー光を偏向する方向によっては、偏向したレーザー光に暗部（影）が生じる。つまり、比較例の光偏向素子では、全体として均一なレーザー光の偏向状態を得ることができず、回折限界に近いスポットサイズにレーザー光を収束させることが困難となる。

（第２の比較例）
第２の比較例では、図３に示した第１の比較例と同様に、直角三角形に形成された電極の斜辺が１方向にのみ傾斜しているものとする。ただし、第２の比較例においては、１つの直角三角形の電極のみ（図示せず）によって、入射されるレーザー光を偏向するものとする。具体的には、プリズム電極１６として短辺が６００μｍ、長辺が３６００μｍ、鋭角ψが９．４６°である１つの直角三角形の電極が設けられ、５００μｍ幅のレーザー光を偏向することを可能にされる。ここで、第２の比較例において、例えば１つのプリズム電極１６に対して５０Ｖの電圧が印加されると、入射される幅５００μｍのレーザー光は、１．４°の偏向がなされる。このレーザー光をｎａが０．８５のレンズで光スポットに集光すれば、±３．８μｍの幅のスキャン量を得ることができる。しかしながら、プリズム電極１６とグランド電極１４とによる容量は２１０ｐＦと大きくなってしまい、カットオフ周波数は１０．８ＭＨｚとなって、第１の実施形態にかかる光偏向素子１に対して１桁から２桁近く遅くなってしまう。

（第２の実施形態）
図５は、第２の実施形態にかかる光偏向素子２の概要を示す構成図である。図５（ａ）は、光偏向素子２の概要を上方から示す上面図である。図５（ｂ）は、図５（ａ）に示した光偏向素子２の概要を示すＢ−Ｂ’線断面の模式図である。図５（ｃ）は、図５（ａ）に示した光偏向素子２のプリズム電極１６,１８を取り除いた状態を模式的に示す図である。なお、図５に示した光偏向素子２において、図１に示した光偏向素子１の構成と実質的に同一の構成には、同一の符号が付してある。

光偏向素子２は、基本構造が光偏向素子１と同様に導波路型電気光学偏向素子となっている。コア１０は、自発分極方向が平面型導波路構造の厚さ方向に設定されている。ただし、プリズム電極１６とグランド電極１４とに挟まれる領域を含む逆分極領域２０は、コア１０の他の領域とは逆向きに分極するように分極処理がなされている。

例えば、プリズム電極１６とグランド電極１４とに挟まれる領域は、上向きに分極処理が施され、プリズム電極１８とグランド電極１４とに挟まれる領域は、下向きに分極処理が施されている。プリズム電極１６，１８は、レーザー光の入射方向に対して交差する方向に交互に並べられ、いずれもプリズム電極１８とグランド電極１４とに挟まれる領域の自発分極の方向と同じ方向の同じ電圧が印加されるものとする。

つまり、プリズム電極１８とグランド電極１４とに挟まれる領域には、自発分極の方向と同じ方向の電圧が印加されるが、プリズム電極１６とグランド電極１４とに挟まれる領域には、自発分極の方向とは逆方向の電圧が印加される。

このため、プリズム電極１８とグランド電極１４とに挟まれた領域のコア１０の屈折率がΔｎだけ変化した場合には、プリズム電極１６とグランド電極１４とに挟まれた領域のコア１０の屈折率は−Δｎだけ変化する。

図６は、第２の実施形態にかかる光偏向素子２がレーザー光を偏向する機能を上方から模式的に示した模式図である。なお、図６（ａ）と図６（ｂ）とは、プリズム電極１６,１８に印加される電圧がそれぞれ逆になっている。図６に示すように、プリズム電極１６とグランド電極１４とに挟まれる領域に入射されたレーザー光と、プリズム電極１８とグランド電極１４とに挟まれる領域に入射されたレーザー光は、同一方向に偏向される。つまり、光偏向素子２は、光偏向素子１と同様に、幅ｗの広いレーザー光を略均一に偏向させる。

（第３の実施形態）
図７は、第３の実施形態にかかる光偏向素子３の概要を示す構成図である。図７（ａ）は、光偏向素子３の概要を上方から示す上面図である。図７（ｂ）は、図７（ａ）に示した光偏向素子３の概要を示すＣ−Ｃ’線断面の模式図である。なお、図７に示した光偏向素子３において、図１に示した光偏向素子１の構成と実質的に同一の構成には、同一の符号が付してある。また、図７（ａ）においては、図７（ｂ）に示した埋込層２６は記載していない。

光偏向素子３は、コア１０となる例えばＬｉＮｂＯ_３：ＭｇＯ単結晶基板に対し、熱膨張率の差が小さいステンレス基板２４が貼り付けられた後、研磨によって厚さ２μｍまで薄く削られて形成される。なお、光偏向素子３は、図１に示したクラッド層１２が設けられておらず、ＬｉＮｂＯ_３：ＭｇＯの単一スラブ導波路構造となっている。また、光偏向素子３は、ステンレス基板２４がグランド電極となっている。

また、光偏向素子３は、２μｍまで削られた後に、リフトオフ・プロセスによってコア１０の上面にプリズム電極１６,１８が複数形成されている。プリズム電極１６は、例えば短辺が５０μｍ、長辺が３００μｍ、鋭角ψが９．４６°である直角三角形の電極である。プリズム電極１８は、レーザー光の入射方向に延びる軸を対象の軸としてプリズム電極１６に線対称な直角三角形の電極である。プリズム電極１６,１８は、レーザー光の入射方向に交差する方向に交互に並べて配置されている。

光偏向素子３は、プリズム電極１６,１８が例えばそれぞれ６個ずつ配置されて構成され、５００μｍ幅のレーザー光を偏向することを可能にされている。プリズム電極１６，１８それぞれは、例えば１０ｎｍのＣｒと、５０ｎｍのＡｕとの２層構造にされている。

また、光偏向素子３は、プリズム電極１６，１８が例えば１μｍのＳｉＯ_２からなる埋込層２６によって埋め込まれ、埋込層２６の表面が平坦化された後に、埋込層２６上に配線２８,３０が配置されて形成されている。配線２８は、プリズム電極１６それぞれに対してビア・ホール３２を介して接続されている。配線３０は、プリズム電極１８それぞれに対してビア・ホール３４を介して接続されている。

光偏向素子３において、例えばプリズム電極１６に対して５０Ｖ、プリズム電極１８に対して−５０Ｖの電圧が印加されると、光偏向素子３に入射される幅５００μｍのレーザー光は、１．４°の偏向がなされる。このレーザー光をｎａが０．８５のレンズで光スポットに集光すれば、±３．８μｍの幅のスキャン量を得ることができる。また、プリズム電極１６，１８とグランド電極１４とによる容量は１７．５ｐＦとなり、カットオフ周波数は１３０ＭＨｚとなっている。

（第４の実施形態）
図８は、第４の実施形態にかかる光偏向素子４の概要を示す構成図である。図８（ａ）は、光偏向素子４の概要を上方から示す上面図である。図８（ｂ）は、図８（ａ）に示した光偏向素子４の概要を示すＤ−Ｄ’線断面の模式図である。図８（ｃ）は、図８（ａ）に示した光偏向素子４のプリズム電極１６,１８及び配線２８を取り除いた状態を模式的に示す図である。なお、図８に示した光偏向素子４において、図７に示した光偏向素子３の構成と実質的に同一の構成には、同一の符号が付してある。また、図８（ａ）、（ｃ）においては、図８（ｂ）に示した埋込層２６は記載していない。

光偏向素子４は、コア１０となる例えばＬｉＮｂＯ_３：ＭｇＯ単結晶基板に対し、熱膨張率の差が小さいステンレス基板２４が貼り付けられた後、研磨によって厚さ２μｍまで薄く削られて形成される。なお、光偏向素子４は、図１に示したクラッド層１２が設けられておらず、ＬｉＮｂＯ_３：ＭｇＯの単一スラブ導波路構造となっている。また、光偏向素子４は、ステンレス基板２４がグランド電極となっている。

また、光偏向素子４には、上方から見た形状が５０μｍ×３００μｍの矩形状である逆分極領域（分極反転領域）２０が１００μｍ周期でコア１０に６個形成されている。逆分極領域２０は、光偏向素子４が２μｍまで削られた後に、分極反転用の電極がコア１０に対してリフトオフ・プロセスにより形成され、形成された分極反転用の電極を用いて形成される。分極反転用の電極は、逆分極領域２０を形成する分極反転処理がなされた後に、コア１０から剥離されている。

光偏向素子４は、逆分極領域２０が形成された後に、リフトオフ・プロセスによってコア１０の上面にプリズム電極１６,１８が複数形成されている。プリズム電極１６は、例えば短辺が５０μｍ、長辺が３００μｍ、鋭角ψが９．４６°である直角三角形の電極である。プリズム電極１８は、レーザー光の入射方向に延びる軸を対象の軸としてプリズム電極１６に線対称な直角三角形の電極である。プリズム電極１６,１８は、レーザー光の入射方向に交差する方向に交互に並べて配置されている。

ここで、プリズム電極１６は、逆分極領域２０が形成されたコア１０の上面に設けられている。プリズム電極１８は、逆分極領域２０が形成されていないコア１０の上面に設けられている。光偏向素子４は、プリズム電極１６,１８が例えばそれぞれ６個ずつ配置されて構成され、５００μｍ幅のレーザー光を偏向することを可能にされている。プリズム電極１６，１８それぞれは、例えば１０ｎｍのＣｒと、５０ｎｍのＡｕとの２層構造にされている。

また、光偏向素子４は、プリズム電極１６，１８が例えば１μｍのＳｉＯ_２からなる埋込層２６によって埋め込まれ、埋込層２６の表面が平坦化された後に、埋込層２６上に配線２８が配置されて形成されている。配線２８は、プリズム電極１６，１８それぞれに対してビア・ホール３２を介して接続されている。

光偏向素子４において、例えばプリズム電極１６，１８に対して５０Ｖの電圧が印加されると、光偏向素子４に入射される幅５００μｍのレーザー光は、１．４°の偏向がなされる。このレーザー光をｎａが０．８５のレンズで光スポットに集光すれば、±３．８μｍの幅のスキャン量を得ることができる。また、プリズム電極１６，１８とグランド電極１４とによる容量は１７．５ｐＦとなり、カットオフ周波数は１３０ＭＨｚとなっている。

（第５の実施形態及び第６の実施形態）
図９は、第５の実施形態及び第６の実施形態にかかる光偏向素子５，６の概要を示す構成図である。図９（ａ）は、光偏向素子５の概要を上方から示す上面図である。図９（ｂ）は、光偏向素子６の概要を上方から示す上面図である。なお、図９に示した光偏向素子５，６において、図５に示した光偏向素子２の構成と実質的に同一の構成には、同一の符号が付してある。

図９（ａ）に示すように、光偏向素子５は、プリズム電極１６及びプリズム電極１８が、それぞれ対となって同一の電圧が印加されるように一体に形成されている。つまり、プリズム電極１６及びプリズム電極１８は、それぞれ１つの二等辺三角形を構成し、図５に示した光偏向素子２と略同様にレーザー光を偏向する。

また、図９（ｂ）に示すように、光偏向素子６は、図９（ａ）に示した光偏向素子５の全てのプリズム電極１６及びプリズム電極１８に代えて電極部３６が設けられている。電極部３６は、一体に形成されたプリズム電極１６及びプリズム電極１８がそれぞれ少しずつ重ねられた形状の１つの電極である。電極部３６は、レーザー光の入射方向に対して異なる方向に傾斜する傾斜部（斜辺に相当）が交互に設けられ、図５に示した光偏向素子２と略同様にレーザー光を偏向する。

次に、光偏向素子１（光偏向素子２〜６）を用いて、光スポットを移動させる（スキャンさせる）構成例について説明する。

図１０は、光スポットを移動させる第１の構成例を示す図である。図１０に示すように、例えば青色ＬＤ（レーザーダイオード）４０が射出したレーザー光は、アナモルフィック・レンズ４２により直径５００μｍのビーム状にコリメートされる。コリメートされたレーザー光は、シリンドリカル・レンズ４４によりシート状に絞られて偏向器４６に入射される。

偏向器４６は、光偏向素子１（光偏向素子２〜６）を有し、図示しない電源部から正負を反転されつつ印加される電圧に応じてレーザー光を偏向させて出射する。偏向器４６が出射したレーザー光は、シート状であり、光偏向素子１の平面導波路に対して垂直方向に発散している。アナモルフィック・レンズ４８は、偏向器４６が出射したレーザー光を断面が略円形になるように整形する。アナモルフィック・レンズ４８が整形したレーザー光は、コリメータレンズ５０を通ってｎａが０．８５の対物レンズ５２に入射される。対物レンズ５２は、焦点面上に光スポットを形成する。

例えば、光偏向素子１を備えた偏向器４６は、５０Ｖの駆動電圧で直径５００μｍにコリメートされたレーザー光を１．４°偏向することができるため、焦点面上では±３．８μｍのスキャン距離を実現する。

図１１は、光スポットを移動させる第２の構成例としての光ディスク装置（光ディスクドライブ）の概要を示す構成図である。光ディスク装置は、図示しないスピンドルモータなどの回転機構によって回転させられるＢＤ（Blue-ray Disc）などの光ディスクのトラックに対し、データの書込み又は読出しを行う。

光ディスク装置は、ＬＤ６０、カップリング・レンズ６２、偏向器６４、凹レンズ６６、ビームスプリッタ６８、コリメータ７０、立上げミラー７２、ホログラムレンズ７４、アパーチャ７６、対物レンズ７８、光量モニタ８０、ホログラムフィルタ８２、集光レンズ８４及びフォトダイオード列８６を有する。

ＬＤ６０は、例えば青色レーザーダイオードであり、レーザー光を発生させ、カップリング・レンズ６２に対して照射する。カップリング・レンズ６２は、例えばシリンドリカル・レンズなどであり、ＬＤ６０が照射したレーザー光をシート状（線状）に絞り、偏向器６４へ導く。

偏向器６４は、光偏向素子１（光偏向素子２〜６）を有し、図示しない電源部から印加される電圧に応じてレーザー光を偏向する。凹レンズ６６は、偏向器６４が偏向したレーザー光を断面が円形になるように整形し、ビームスプリッタ６８へ導く。

ビームスプリッタ６８は、凹レンズ６６から導かれたレーザー光の一部をコリメータ７０に向けて反射させる。また、ビームスプリッタ６８は、ＬＤ６０からのレーザー光と、光ディスクにより反射されたレーザー光との分離も行う。コリメータ７０は、ビームスプリッタ６８から入射されるレーザー光を平行光線にする。

立上げミラー７２は、コリメータ７０から出射されるレーザー光を光ディスク（ＯＤ：optical disk）に向けて反射させる。ホログラムレンズ７４は、ＬＤ６０からのレーザー光と、光ディスクにより反射されたレーザー光との分離を行う。アパーチャ７６は、レーザー光を絞るように設定されている。対物レンズ７８は、光ディスクのトラックに対して、レーザー光を収束させ、データの書込み又は読出しに用いる光スポットを形成する。光量モニタ８０は、レーザー光の光量のモニタリングを行う。

光ディスクにより反射されたレーザー光は、立上げミラー７２により反射され、コリメータ７０、ビームスプリッタ６８を通ってホログラムフィルタ８２へ導かれる。ホログラムフィルタ８２は、光ディスクにより反射されたレーザー光の整形を行い、光ディスクにより反射されたレーザー光を集光レンズ８４に導く。集光レンズ８４は、ホログラムフィルタ８２から入射されたレーザー光をフォトダイオード列８６に収束させる。フォトダイオード列８６が受光したレーザー光は、電気信号に変換されて、偏向器６４の制御などに用いられる。

図１１に示した光ディスク装置は、図１０に示した対物レンズ５２と同様に、対物レンズ７８のｎａが０．８５とされており、光ディスク上では±３．８μｍのスキャンを行うことが可能にされている。よって、０．３μｍピッチで記録されている記録トラックを１スキャンで２５トラック分読出すことが可能にされている。

つまり、光偏向素子１を有する光ディスク装置は、ブルーレイディスクの２倍速に相当する７２Ｍｂｐｓを単一トラックから得られる速度で光ディスクを回転させておきながら、２５トラックをスキャンして並列に読出すことにより、１．８Ｇｂｐｓの読出し速度を可能にしている。

以上説明した実施形態によれば、１つの大きな直角三角形からなる電極よりも小さな電極面積で幅の広いレーザー光を干渉させることなく偏向させることができるので、光スポットを高速で偏向させることが可能になる。

また、本発明の実施形態を複数の組み合わせによって説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規の実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１〜６ 光偏向素子
１０ コア
１２ クラッド層
１４ グランド電極
１６，１８ プリズム電極
２０ 逆分極領域
２４ ステンレス基板
２６ 埋込層
２８，３０ 配線
３６ 電極部
４６ 偏向器
６０ ＬＤ
６２ カップリング・レンズ
６４ 偏向器
６６ 凹レンズ
６８ ビームスプリッタ
７０ コリメータ
７２ 立上げミラー
７４ ホログラムレンズ
７６ アパーチャ
７８ 対物レンズ
８０ 光量モニタ
８２ ホログラムフィルタ
８４ 集光レンズ
８６ フォトダイオード列

Claims (10)

1. 互いに対向した第１の面及び第２の面を備え、電気光学効果を有する誘電体と、
   前記第１の面側に設けられた第１の電極部と、
   前記第２の面側に設けられ、前記第１の電極部とともに前記誘電体を挟み込むことにより、前記誘電体に対して電圧を印加可能にされた第２の電極部及び第３の電極部と、
   を有し、
   前記第２の電極部は、
   前記誘電体を通過する光の入射側に設けられ、前記光の入射方向に略直交する辺と、
   前記光の入射方向に略平行な辺と、
   前記光の出射側に設けられ、前記光の入射方向に対して交差する辺と、
   に囲まれる形状の１つ以上の電極からなり、
   前記第３の電極部は、
   前記光の入射側に前記第２の電極部と揃えて設けられ、前記光の入射方向に略直交する辺と、
   前記光の入射方向に略平行な辺と、
   前記光の出射側に設けられ、前記光の入射方向に対して前記第２の電極部とは逆方向に交差する辺と、
   に囲まれる形状の１つ以上の電極からなる
   光偏向素子。
2. 前記第２の電極部は、
   前記第１の電極部との間に挟まれる前記誘電体の第１の領域に対し、前記第１の領域の分極方向の第１の電圧が印加された場合に、前記第１の電圧に対応する屈折率で前記光を屈折させる１つ以上の第１の屈折面を前記誘電体に形成し、
   前記第３の電極部は、
   前記第１の電極部との間に挟まれる前記誘電体の第２の領域に対し、前記第２の領域の分極方向とは逆方向の第２の電圧が印加された場合に、前記光の入射方向に延びる軸を挟んで前記第１の屈折面とは逆方向に傾斜して、前記第２の電圧に対応する屈折率で前記光を屈折させる１つ以上の第２の屈折面を、前記光の入射方向に交差する方向に前記第１の屈折面と交互に並ぶように前記誘電体に形成する
   請求項１に記載の光偏向素子。
3. 前記第２の電極部は、
   前記光の入射方向に対して交差する方向に傾斜する１つ以上の第１の傾斜部を有し、
   前記第１の傾斜部の傾斜に応じて前記第１の屈折面を形成し、
   前記第３の電極部は、
   前記光の入射方向に対して交差する方向に傾斜する１つ以上の第２の傾斜部を有し、
   前記第２の傾斜部の傾斜に応じて前記第２の屈折面を形成する
   請求項２に記載の光偏向素子。
4. 前記第２の電極部及び前記第３の電極部それぞれは、
   前記光の入射方向に略平行な辺を備えた１つ以上の直角三角形の電極からなる
   請求項１に記載の光偏向素子。
5. 前記第１の領域は、
   前記第２の領域と分極の方向が同じであり、
   前記第１の電圧が前記第２の電圧とは逆方向の電圧となる
   請求項２に記載の光偏向素子。
6. 前記第１の領域は、
   前記第２の領域と分極の方向が逆であり、
   前記第１の電圧が前記第２の電圧と同方向の電圧となる
   請求項２に記載の光偏向素子。
7. 前記第２の電極部及び前記第３の電極部は、
   一体に形成されている
   請求項６に記載の光偏向素子。
8. 前記誘電体は、
   予め定められた幅の光を通過させる導波路となっている
   請求項１に記載の光偏向素子。
9. 前記直角三角形の電極は、
   それぞれ合同である
   請求項４に記載の光偏向素子。
10. 前記第１の電圧が前記第２の電圧に対して逆方向の絶対値が同じ電圧である場合、前記第１の屈折面で屈折される前記光と、前記第２の屈折面で屈折される前記光とが略平行となる
    請求項２に記載の光偏向素子。

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