JP2014081575A - 電気光学結晶を用いた光学装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電圧印加による素子の寿命の低下を抑制することができる電気光学結晶を用いた光学装置を提供すること。
【解決手段】反転対称性を有する単結晶からなる電気光学材料１０１と、該電気光学材料１０１の第１の面と該面に対向する第２の面とに形成された一対の電極とを有する光偏向器と、前記光偏向器へ光を入射するための入射用窓１０４ａと、前記光偏向器からの出射光を外部へ取り出すための出射用窓１０４ｂと有し、前記光偏向器を気密に封入した気密容器１０３とを備え、前記１対の電極に電圧を印加することにより前記電気光学材料１０１に電子または正孔を注入して電気光学材料１０１内部に空間電荷を形成し、前記１対の電極間の印加電圧を変えることによって、前記電気光学材料１０１を透過する光の進行方向を変えることを特徴とする電気光学結晶を用いた光学装置である。
【選択図】図５

Description

本発明は、電気信号によって光線を曲げる広義の光偏向器を備えた電気光学結晶を用いた光学装置に関し、入射する平行ビームを平行ビームのままで向きを変える狭義の光偏向器や、入射位置によって偏向角が変わる焦点可変のレンズなども包含する電気光学結晶を用いた光学装置に関する。

レーザ光などの光ビームの進行方向を高速に変える装置、いわゆる光偏向器としては、ガルバノミラーやポリゴンミラーなど、鏡を電磁誘導で回転させるものが多く用いられてきた。しかし、これらの光偏向器は、有限の質量の鏡を動かすため、慣性によって動作速度が制限される。これに比較して、電気光学効果（ＥＯ効果）を使う光偏向器は、可動部分がないので、著しい高速化が可能となる。駆動電源の速度に制限されることが多いが、原理的には数１００ ＭＨｚ以上の応答も期待できる。ＥＯ効果とは、ある種の物質に電界を印加すると、その物質の屈折率が変化する現象であり、この物質を電気光学材料と呼ぶこともある。ＥＯ光偏向器には、従来電気光学材料をプリズム上に成型したものがある。このプリズムに電界を印加すると、全体的に屈折率が変わるため、入射する光の屈折角が変化し、入射光線を偏向することができる。しかし、ＥＯ効果による屈折率変化は、大きくて１３程度と小さく、偏向角も小さいのが難点である。近年、電気光学材料に電子を注入し、材料中で形成された空間電荷を利用する空間電荷型のＥＯ光偏向器が開発された。マクスウェル方程式によると、電界分布の勾配が電荷密度に比例することから、空間電荷が存在すると、電界の分布が発生することがわかる。このため、ＥＯ効果によって屈折率の分布が発生し、この屈折率分布によって光線の向きを変えることができる。このタイプのＥＯ光偏向器では、電気光学材料中の光路長を長くすることによって、偏向角を大きくすることが可能で、全幅で１０度以上偏向することができる。

一方、焦点距離が可変である、いわゆる可変焦点レンズも、光偏向器の一種と考えることもできる。レンズに、光軸に沿って光線を入射すると、その光線はレンズ透過後も直進する。しかし、光軸に平行ではあるが、光軸から外れた直線に沿って光線を入射すると、レンズによって光線は屈折し、焦点を通るように進む。可変焦点レンズであれば、焦点の位置が可変であるので、軸外の光線の進行方向も、焦点位置と同時に変わる。つまり、光偏向器の一種とみなすことが可能である。従来の可変焦点レンズは、レンズそのものを動かしたり、変形させたりするために応答が遅く、せいぜい１ ｍｓ程度までであったが、ＥＯ効果を用いると著しい速度改善が可能であるのは、上述の光偏向器と同じ事情である。ＥＯ可変焦点レンズでは、上述の空間電荷型のＥＯ効果を使う必要はなく、電子を注入しなくてもよい。電極の工夫によって、電気光学材料中に電界分布を生成し、これによってレンズに好適な屈折率分布を発生させる。

八木生剛「新たな可能性を拓くKTN結晶とその応用技術」ＮＴＴ技術ジャーナル、pp.12-15, 2009.11

しかしながら、上述の可変焦点レンズを含むＥＯ光偏向器は、１方向だけに電圧をかけ続けると、偏向角や焦点位置が場所にずれていき、この劣化が、電圧印加をやめても元に戻らず、劣化したままとなる、「焼きつき」現象が問題となり、素子としての寿命を縮めていた。長寿命化するためには、この焼きつき現象を抑制する必要があった。

本発明の目的は、電圧印加による素子の寿命の低下を抑制することができる電気光学結晶を用いた光学装置を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明の一実施態様は、反転対称性を有する単結晶からなる電気光学材料と、該電気光学材料の第１の面と該面に対向する第２の面とに形成された一対の電極とを有する光偏向器と、前記光偏向器へ光を入射するための入射用窓と、前記光偏向器からの出射光を外部へ取り出すための出射用窓と有し、前記光偏向器を気密に封入した気密容器とを備え、前記１対の電極に電圧を印加することにより前記電気光学材料に電子または正孔を注入して電気光学材料内部に空間電荷を形成し、前記１対の電極間の印加電圧を変えることによって、前記電気光学材料を透過する光の進行方向を変えることを特徴とする電気光学結晶を用いた光学装置である。

本発明の他の実施態様は、反転対称性を有する単結晶からなる電気光学材料と、該電気光学材料の第１の面上に形成された第１の電極と、前記第１の面に対向する第２の面上に形成され前記第１の電極と向かい合う位置に形成された第２の電極の、２つの電極からなる第１の電極対と、前記第１の面上に形成され、前記第１の電極とは間隔をおいて配置された第３の電極と、前記第２の面上に形成され、前記第３の電極と向かい合う位置に形成され前記第２の電極とは間隔をおいて配置された第４の電極の、２つの電極からなる第２の電極対とを備え、前記第１の電極と前記第３の電極との間の前記第１の面に光を入射させたき、前記電気光学材料の内部を透過してから、前記第２の電極と前記第４の電極との間の前記第２の面から光が出射するように光軸が設定され、前記第１の電極対と第２の電極対のそれぞれに印加電圧を変えることにより、前記電気光学材料の前記第２の面から出射された光の焦点を可変することを特徴とするシリンドリカル可変焦点レンズと、前記シリンドリカル可変焦点レンズへ光を入射するための入射用窓と、該基本単位素子からの出射光を外部へ取り出すための出射用窓とを有し、前記シリンドリカル可変焦点レンズを封入した気密容器とを備え、前記電極対への印加電圧を変えることにより、前記電気光学材料を透過する光の焦点を可変することを特徴とする電気光学結晶を用いた光学装置である。

本発明の第１の実施形態にかかる光偏向器の構成を示す図である。 本発明の第２の実施形態にかかる可変焦点レンズの構成を示す図である。 本発明の第２の実施形態にかかる可変焦点レンズの原理を説明するための図である。 本発明の第４の実施形態にかかる可変焦点レンズの構成を示す図である。 本発明の第１の実施形態の光偏向器の構成を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。

（空間電荷型ＥＯ光偏向器の動作原理）
図１に、本発明の第１の実施形態の空間電荷型ＥＯ光偏向器の構成を示す。電気光学材料基板１１の上下面に、基板の上下面の外形に合わせた電極１２、１３を形成しただけの単純な構造である。ＥＯ効果が１次である場合、すなわちポッケルス効果である場合、屈折率変化分Δｎは、元の屈折率をｎ_０、電気光学係数をｒとして、

である。入射光線１４がこの素子を透過する時の光路長ｓは、元の光路長をｓ_０、電気光学材料基板１１の光進行方向の長さをＬとして、

となる。光線が偏向するのは、この光路長Ｓが、位置座標Ｘに依存するからである。偏向角は、

となる。図１の構成で偏向を起こすためには、この電気光学材料基板１１に、電圧を印加するなどの方法でキャリア（電子または正孔）を注入して、電気光学材料基板１１内部に空間電荷を形成する。簡単のため、注入されたキャリアによる電荷が均一に分布し、従って電荷密度ρを一定とする。電界をＥ、位置座標をｘ、電荷密度をρ、誘電率をεとすると、マクスウェル方程式より、

であるから、結局偏向角は

となる。これより、偏向角は長さＬに比例し、したがって長い基板を用いることにより、大きな偏向角が得られることが分かる。

また、当然のことながらＥＯ効果が大きい方が偏向角が大きく、ＥＯ効果の大きい材料として、後述するタンタル酸ニオブ酸カリウム（ＫＴＮ）を好適に用いることができる。ＫＴＮの場合はＥＯ効果は１次ではなくて２次のいわゆるカー効果であるので、

となる。この場合は上述の例と同じく電荷密度ρを一定とすると、

が得られ、偏向角は位置に依存する。ただし、ｄは電気光学材料基板１１の厚さであって電極間距離であり、Ｖは印加電圧である。位置を電極間の中点ｄ／２にとると、

なる簡単な形が得られる。

ＥＯ効果が１次である場合、（１）式より偏向角が電荷密度ρに比例するので、電圧によって電荷密度を変化させて、偏向角を制御する。電荷密度を変化させるので、電子の移動速度が偏向角の制御速度を限定する要因となる。一方、ＥＯ効果が２次であるＫＴＮの場合は（２）式より偏向角が電圧Ｖにも比例する。この場合は、電子が電圧に応答して動かなくても、電圧によって直接、偏向角の制御が可能であり、電圧の印加から遅く見積もっても１μｓ以下（周波数では５００ｋＨｚ以上）の時間で応答する、高速動作の光偏向器を実現することができる。このため、２次のＥＯ効果を有する電気光学材料は、本発明の光偏向器を構成する材料として好適である。２次のＥＯ効果を有する電気光学材料は、反転対称性を有する電気光学材料と言い換えることもでき、本発明のもう一つの形態である可変焦点レンズにおいても好適な材料である。反転対称性を有する材料については、後述する。

（陽子の移動による劣化）
ＫＴＮをはじめ、多くの電気光学材料は、酸化物の結晶からなる。これら酸化物結晶の多くには、濃度としては低いが、イオン化した水素、すなわち陽子が何らかの形で含有される。陽子は、電子・正孔のようなキャリアと比べると結晶の中を動きにくいが、それでも僅かずつならば移動する。さらに陽子は、正電荷を持っている。最初、陽子は結晶の中を薄く、しかし均一に分布しているとしても、結晶に電圧を印加した場合、この陽子は生成された電界によってクーロン力で移動する。多くの場合、陽子は陽極付近では濃度が薄くなり、陰極付近に集まる。その結果、電子・正孔のようなキャリアとは別に、陽子による空間電荷が形成され、電荷分布が乱され、望ましい屈折率分布を得ることができなくなる。陽子は、通常の条件では数時間から数日かけてゆっくりと移動するため、これは素子の性能が劣化したと同じことになる。

結晶中の陽子の発生要因は、空気中の水蒸気である。結晶の原料にわずかに水分が吸収されているのが結晶中に取り込まれたり、結晶成長中や成長後の冷却中に空気中から直接、水分子として酸素とともに取り込まれたりする。そこで本発明の光偏向素子では、陽子による劣化を防ぐため、これらの過程の水分子を取り除いた結晶を用いる。このためには、水蒸気を排除した環境で結晶の作製を行う方法がある。また他に、入ってしまった水分子を熱処理で取り除くことも可能である。例えば、７００℃から９００℃程度の温度で、水蒸気を排除した環境で熱処理すればよい。水蒸気を排除した環境とは、液体窒素トラップなど、極低温の容器の中をくぐらせることによって水を固化させ、水蒸気を取り除いたガスを雰囲気とする環境などであるが、真空引きした環境も、好適に用いることができる。

しかし、このような方法で陽子を排除した電気光学材料結晶であっても、空気中に放置すると、表面には水蒸気が容易に吸着され、その一部は時間をかけて、結晶内部に拡散していき、結晶は劣化する。さらに、電界を印加して使用すると、この陽子の内部への進行は加速される。そこで本発明の光偏向器では、水分子の吸着を防ぐため、図１の光偏向器全体を、気密性の容器、いわゆるハーメチックシールに封入する。封入するための気密容器、すなわち封入容器の内部は、上記の脱水処理をしたガスでもよいし、真空でもよい。

封入容器には、壁を介して電気信号のやり取りをするための電極端子を備えることが必要であるし、また、光のための入り口と出口が必要である。このような部分には、従来ガラスが用いられ、一方で封入容器の全体の材質は、ガラスと熱膨張係数が近い理由で、コバール金属が好適に用いられてきた。本発明でもコバールを封入容器材料として好適に用いることができるが、この材料に限定されるものではない。

また、本発明に好適に用いる電気光学材料であるＫＴＮは、後述するように温度を一定に保って用いることが多い。温度調節のため、ペルチェ素子などを用いて内部へ熱を送り込んだり、逆に内部から熱を排出したりすることがある。この場合は、熱伝導率の高い金属を封入容器の壁の一部に用いて、熱の出入りを助けることが望ましい。コバールは熱伝導率が高くはないので、このための金属として、銅や銅とタングステンの合金を好適に用いることができる。

（可変焦点レンズの基本単位素子の構成と動作原理）
前述のように、可変焦点レンズは光偏向器の一種とみなすことが可能であり、ＥＯ可変焦点レンズでも、上述した水蒸気の排除が効果的である。以下、図２を用いて、ＥＯ可変焦点レンズについて詳述する(第２の実施形態)。

電気光学材料を板状に加工した基板２１の上面（第１の面）および下面（第２の面）に、帯状の電極４つが形成されている。光２６の入射側の上部電極として陽極２２（第１の陽極）、基板２１を挟んで下部電極として陰極２３（第１の陰極）が配置されている。さらに、これら電極対とは間隔を置き、光２７の出射側にもう一対の電極が配置されており、上部電極が陰極２４（第２の陰極）であり、下部電極が陽極２５（第２の陽極）である。帯状の４つ電極は、長手方向の辺がすべて平行となる形状を有している。

光は、電極を配置した面と直交する面（第３の面）から入射され、基板２１の内部をｘ軸方向に進行し、陽極２２と陰極２３の間を、これらの帯状電極の長手方向とは垂直な方向に透過する。次いで、陰極２４と陽極２５との間を透過してから、入射した面と対向する面（第４の面）から空気中へと出射するように設定する。

このような構成において、陽極と陰極との間に電圧を印加する。光２６の入射側の電極対と光２７の出射側の電極対とは、電圧をかける向き（ｚ軸方向）が互いに逆になっている。陽極２２と陽極２５との電位は異なっていてもよく、陰極２３と陰極２４の電位も同様である。なお、陽極２２，２５の低いほうの電位は、陰極２３，２４の高いほうの電位よりも高くなるように設定する。

このとき、これら電極の間には電界の分布が発生し、基板２１の有する電気光学効果によって屈折率が変調される。図３は、図２に示した可変焦点レンズの側面をｙ軸方向から見た様子を示している。基板２１は、４つの電極に電圧を印加しない時には、屈折率が均一であるため、光はそのまま変調を受けずに透過する。従って、レンズの機能はない。しかし、平面波を入射したときには、基板２１から出射される光の波面は平面のままで、曲率半径は無限大であることを考慮すると、焦点距離無限大のレンズとみなすこともできる。

４つの電極に電圧を印加した時には、これらの電極の間に、図３に示したような電気力線２８で示される電界が発生する。電気力線２８で示される電界は、陽極２２と陰極２３との間、陰極２４と陽極２５との間のみならず、これらの電極の外側にも大きく広がって生成される。このとき、基板２１が電気光学効果を有するため、基板２１内部の電界が発生している箇所では屈折率が変調される。基板２１の内部において、４つの電極の付近、すなわち基板２１の表面付近では、電界が大きく、屈折率変化が大きい。これに対して基板２１の中央部分（すべての軸方向における中央付近）では、電界が比較的小さく、屈折率変化が小さい。

図３の右側には、屈折率変化分の分布を表す屈折率変調曲線２９を模式的に示している。屈折率変調曲線の縦軸は、ｚ軸の座標、横軸は電圧をかけないときからの屈折率の変化分Δｎである。図３においては、屈折率は、全体的にマイナス方向に変化している様子が示されているが、基板２１の表面付近では変調が大きく、したがって屈折率変化分Δｎとしては小さくなる。一方、中央部付近では変調が小さく、したがって屈折率変化分Δｎとしては、表面付近ほどには小さくなっていない。このような屈折率分布の中を光が透過すると、基板２１の中央部の光の速度に比べて表面付近の光の速度が速いため、凸レンズとして機能する。すなわち、電圧をかけていない場合の無限大の焦点距離から、有限の焦点距離へと、焦点が移動する。また、印加する電圧によって光の屈曲の度合いが変化するので、焦点距離を電圧によって制御することができる。ＥＯ効果は、電圧の印加から遅く見積もっても１μｓ以下（周波数では５００ｋＨｚ以上）の時間で応答するので、従来の可変焦点レンズよりも著しく高速に応答する可変焦点レンズを実現することができる。

図２に示した素子はシリンドリカル可変焦点レンズであり、様々なレンズを構成する基本単位となる。例えば、通常の球面レンズと同様な動作を実現するためには、この基本単位素子を２つ組み合わせればよい。すなわち、２つの基本単位素子を、光軸を中心に互いに９０度の角度をなすように配置することにより、球面レンズと同様な２次元レンズ機能を実現することができる。なお、本実施形態では基板２１の材料として、電気光学効果を有する材料の中でも、特に反転対称性を有する結晶からなる材料を用いることを特徴としており、その理由については後述する。

以上説明したように、この実施形態では電子またはホールの注入は行わない。しかし、電気光学材料に電圧をかけることは、第１の実施形態の空間電荷型のＥＯ光偏向器と同じであり、電気光学材料内にて陽子が動き、不均一に分布することは避けなければならない。したがって、陽子の移動による劣化を防ぐために、基本単位素子を上述したように水蒸気の排除をすることや気密性の容器で封入することは重要である。

（可変焦点レンズにおける電極の配置）
ここまでで説明した、可変焦点レンズの実施形態では、基本単位素子は、基板２１の上面に陽極２２と陰極２４を配置し、下面に陰極２３と陽極２５とを配置した構成をとっている。しかし、この基本単位素子において、上面の電極を双方ともに陽極とし、下面の電極を双方ともに陰極にした構成でも、第２の実施形態ほどレンズの効果は大きくないが、機能は同様である（第３の実施形態）。また、電極の配置に関しては図２と同様であるが、光の入射方向を変えもよい。図４に示すように、上方から発した光２６を、陽極２２と陰極２４との間の空隙において、基板２１の上面に入射させ、陰極２３と陽極２５との間の空隙において、基板２１の下面から光２７を出射させる構造でも、同様な機能を実現できる（第４の実施形態）。さらに、図４に示した、光を縦方向に進行させる構造においても、上面の電極を双方ともに陽極とし、下面の電極を双方ともに陰極にしてもよく、逆に上面を陰極・下面を陽極とする構造でもよい（第５の実施形態）。

（電気光学材料）
電気光学効果には、いくつかの次数の異なる電気光学効果が含まれるが、一般的には、１次の電気光学効果（以下、ポッケルス効果という）が利用されている。ポッケルス効果は、屈折率変化が電界に比例する。図２、３に示した構成においては、陽極２２と陰極２３との間と、陰極２４と陽極２５との間では、電界の向きが逆になり、屈折率分布も逆になる。従って、ポッケルス効果を利用すると、光がこれら２つの電極対の間を透過すると、屈折率分布による光の偏向が正負で相殺されてしまい、レンズとしての機能を奏さない。

これに対して、２次のＥＯ効果（以下、カー効果という）を利用すると、屈折率変化は電界の二乗に比例する。従って、陽極２２と陰極２３との間と、陰極２４と陽極２５との間とで、電界の向きが逆になっても、屈折率分布は同じになるので、光の偏向が相殺されることなく、強めあう。これが、第２の実施形態である可変焦点レンズの材料として、２次のＥＯ効果を有する材料が好適である理由である。また、本発明の第１の実施形態である、空間電荷型のＥＯ光偏向器についても、２次の電気光学光効果を有する材料が好適に用いられることは、前述したとおりである。

多くの電気光学材料は、反転対称性を有しておらず、ポッケルス効果を発現する。これに対して、一部の電気光学材料は、反転対称性を有しており、ポッケルス効果を発現せず、カー効果が支配的となる。従って、本実施形態の基板２１を構成する電気光学材料としては、反転対称性を有する材料を用いることが重要である。

一般に誘電体は、外部から電界を印加すると、それに比例した分極が発生するが、電界を取り去ると、分極はゼロに戻る。しかし、電界を取り去っても有限の分極が残る物質が存在する。外部電界がなくても存在する分極を自発分極という。この自発分極を、外部電界によって向きを反転させることができる物質が存在し、これを強誘電体という。

反転対称性を有する単結晶とは、原子の配列を、ある原点を中心としてｘ，ｙ，ｚ座標系で反転したとき、元の原子の配列と完全に同じ配列となる結晶をいう。自発分極を有する結晶を、座標軸上で反転すると、自発分極の向きが反転するので、このような結晶は反転対称性を有するとはいえない。従って、強誘電体は自発分極を有するので、反転対称性を有していない。

一方、自発分極を有していても、それを外部電界で反転することができない物質も存在する。このような物質は、反転対称性を有していないが、強誘電体でもないので、反転対称性を有していない物質が全て強誘電体であるわけではない。また、強誘電体であって、かつ反転対称性を有するということは、ありえない。

反転対称性を有する電気光学材料としては、ペロブスカイト型の結晶構造を有する単結晶材料がある。ペロブスカイト型単結晶材料は、使用温度を適切に選択すれば、使用状態において反転対称性を有する立方晶相となる。立方晶相においては、ポッケルス効果を発現せず、カー効果が支配的となる。例えば、最もよく知られたチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３、以下ＢＴという）でも、１２０℃付近において正方晶相から立方晶相へ相転移する温度（以下、相転移温度という）を超えた温度であれば、立方晶相となり、カー効果を発現する。

また、タンタル酸ニオブ酸カリウム（ＫＴＮ：ＫＴａ_１−ｘＮｂ_ｘＯ_３、０＜ｘ＜１）を主成分とする単結晶材料は、より好適な特徴を有する。ＢＴは相転移温度が決まっているのに対し、ＫＴＮは、タンタルとニオブの組成比により、相転移温度を選択することができる。これにより、室温付近に相転移温度を設定することができる。ＫＴＮは、相転移温度よりも高い温度であれば立方晶相となり、反転対称性を有し、大きなカー効果を有する。同じ立方晶相にあっても、より相転移温度に近い方が、カー効果が圧倒的に大きくなる。このため、室温付近に相転移温度を設定することは、大きなカー効果を簡便に実現する上で、非常に重要である。

さらに、ＫＴＮに関連する単結晶材料として、結晶の主成分が、周期律表Ｉａ族とＶａ族から構成されており、Ｉａ族はカリウムであり、Ｖａ族はニオブ、タンタルの少なくとも１つを含む材料を用いることができる。また、添加不純物としてカリウムを除く周期律表Ｉａ族、またはＩＩａ族の１または複数種を含むこともできる。なお、Ｉａ族としては例えばリチウムが上げられる。またＫＴＮに関連する単結晶材料として、例えば、立方晶相のＫＬＴＮ（Ｋ_１−ｙＬｉ_ｙＴａ_１−ｘＮｂ_ｘＯ_３、０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）結晶を用いることもできる。（非特許文献１参照）

（電極材料）
電気光学材料に高い電圧を印加すると、電極から電荷が注入され、結晶内に空間電荷が発生しうる。この空間電荷により電圧の印加方向に電界の大きさの傾斜が生じるために、屈折率の変調にも傾斜が生じることは、前述のとおりである。従って、電気光学材料を第１の実施形態である空間電荷型のＥＯ光偏向器として機能させるための所望の屈折率分布を得るためには、基板１１に電圧を印加した際に、基板１１の内部に高密度の空間電荷が形成されるのがよい。一方、第２の実施形態ないし第５の実施形態として示した可変焦点レンズとして機能させるための所望の屈折率分布を得るため、または、電気光学材料を透過する光が偏向しないようにするためには、基板２１に電圧を印加した際に、基板２１の内部に空間電荷が形成されない方がよい。

空間電荷の量は、キャリアの注入効率に依存する量である。電気光学結晶において電気伝導に寄与するキャリアが電子の場合には、電極材料の仕事関数が小さくなるにつれて、電極と基板との間はオーミック接合に近づき、キャリアの注入効率は増加する。逆に、電極材料の仕事関数が大きくなるにつれて、電極と基板との間はショットキー接合に近づき、キャリアの注入効率は減少する。従って、第１の実施形態である空間電荷型のＥＯ光偏向器として機能させるためには、電極は、電気光学材料とオーミック接合が形成される材料であることが好ましい。具体的には、電極材料の仕事関数は、５．０ｅＶ未満であることが好ましい。例えば、仕事関数が５．０ｅＶ未満の電極材料として、Ｔｉ（３．８４）等を用いることができる。（）内は仕事関数を示し、単位はｅＶである。なお、Ｔｉの単層電極は酸化して高抵抗になるので、一般的には、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕを順に積層した電極を用いて、Ｔｉの層と電気光学結晶とを接合させる。さらに、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）、ＺｎＯなどの透明電極を用いることもできる。

一方、電気光学結晶において電気伝導に寄与するキャリアが正孔の場合には、正孔を効率よく注入するために、電極材料の仕事関数は、５．０ｅＶ以上であることが好ましい。例えば、仕事関数が５．０ｅＶ以上の電極材料として、Ｃｏ（５．０）、Ｇｅ（５．０）、Ａｕ（５．１）、Ｐｄ（５．１２）、Ｎｉ（５．１５）、Ｉｒ（５．２７）、Ｐｔ（５．６５）、Ｓｅ（５．９）を用いることができる。

しかし、第１の実施形態である空間電荷型のＥＯ光偏向器ではなく、第２ないし第５の実施形態である可変焦点レンズとして機能させるためには、電極は、電気光学材料とショットキー接合が形成される材料であることが好ましい。これに相当する電極材料は、上述の材料とは全く逆に考えればよい。具体的には、電気光学結晶において電気伝導に寄与するキャリアが電子の場合には、電極材料の仕事関数は、５．０ｅＶ以上であることが好ましく、Ｃｏ（５．０）、Ｇｅ（５．０）、Ａｕ（５．１）、Ｐｄ（５．１２）、Ｎｉ（５．１５）、Ｉｒ（５．２７）、Ｐｔ（５．６５）、Ｓｅ（５．９）を用いることができる。一方、電気光学結晶において電気伝導に寄与するキャリアが正孔の場合には、電極材料の仕事関数は、５．０ｅＶ未満であることが好ましく、Ｔｉ（３．８４）や、ＩＴＯ、ＺｎＯなどの透明電極を用いることができる。

図１に示したように、電気光学材料を板状に加工した基板１１の上面および下面に、陽極１２，陰極２３を形成する。基板２１は、ＫＴＮ単結晶から、ブロックを切り出し、４ｍｍ×３．２ｍｍ×（厚さＴ＝）１ｍｍの形状に成形する。基板２１の６面とも、結晶の（１００）面に平行とし、光学研磨を行っている。このＫＴＮ単結晶は、相転移温度３５℃であったので、これを少し上回る４０℃で使用する。この温度での比誘電率は１７，５００である。２つの電極は、基板１１の４ｍｍ×３．２ｍｍの２面を、ほぼ全面的に覆うように、チタン（Ｔｉ）を蒸着して形成されている。Ｔｉ電極膜の上には、白金と金を続けて成膜して保護した。

図５に示したように、このＥＯ光偏向器本体１０１を、ペルチェ素子１０２の１面に接着し、ペルチェ素子１０２の反対側を、気密容器１０３の内壁に接着した。気密容器１０３は、窓１０４ａ、１０４ｂを二つ備えている。すなわち、外部から内部のＥＯ光偏向器本体１０１に光を入射できるよう配置された入射用の窓１０４ａと、ＥＯ光偏向器本体１０１からの出射光を外部に出力できるように配置された出射用の窓１０４ｂとを備えている。気密容器１０３は、コバール製である。しかし、気密容器１０３の壁の中で、ペルチェ素子１０２を接着する壁のみについては、銅―タングステン合金の壁１０５を用いている。気密容器を溶接によって封入した後も、銅―タングステン合金壁１０５を通して、外部の熱を容器内に送り込み、電気端子１０６を通した電気信号のやり取りによってペルチェ素子１０２を制御し、これによって内部の可変焦点レンズ基本単位素子の温度を一定に保つことができた。気密容器内には、１気圧の窒素ガスを充填した。窒素ガスの露点は、−４０℃であった。

この光偏向器を、４０℃で温度制御した状態で、コリメートしたレーザ光を入射する。光の偏光は直線で、振動電界の方向はｘ軸方向である。上下電極間に３００Ｖの電圧を印加すると、１．８度、偏向した。ここで、印加電圧を１５０Ｖにすると、偏向角は小さくなり、０．９度となった。また、電圧を印加しない場合は、当然偏向効果はなく、偏向角は０度であった。従って、印加電圧を０Ｖから３００Ｖまで変化させることにより、偏向角を０度から１．８度まで変化させることができた。

また、この光偏向器は、電圧を印加する駆動状態を１年以上継続しても、同じ電圧においての偏向角の変動は１％以内であった。

図２に示したように、電気光学材料を板状に加工した基板２１の一端の上面および下面に、陽極２２と陰極２３とを形成し、他端の上面および下面に、陰極２４と陽極２５とを形成した。基板２１は、ＫＴＮ単結晶から、ブロックを切り出し、７ｍｍ×７ｍｍ×（厚さＴ＝）４ｍｍの形状に成形した。基板２１の６面とも、結晶の（１００）面に平行とし、光学研磨を行った。このＫＴＮ単結晶は、相転移温度３６℃であったので、これを少し上回る４０℃で使用した。この温度での比誘電率は２０，０００である。上述した４つの電極２２、２３、２４、２５は、０．８ｍｍ×７ｍｍの帯状で、同一面上の電極の間隔は４ｍｍとする。２つの電極対は、基板１の７ｍｍ×７ｍｍの面上に、白金（Ｐｔ）を蒸着して形成されている。電極の各辺は、基板２１の辺に平行である。この可変焦点レンズの基本単位素子を、実施例１とまったく同様にして、ペルチェ素子１０２、１対の窓１０４ａ、１０４ｂ、銅―タングステン壁１０５、電気端子１０６とを備えた、コバール製の気密容器１０３の内部に固定した。

これらの装備により、内部の可変焦点レンズ基本単位素子の温度を一定に保つことができ、外部からの光入出射も実現できた。気密容器内に、露点は−４０℃で１気圧の窒素ガスを充填したことも同様である。

この可変焦点レンズを、４０℃で温度制御した状態で、コリメートしたレーザ光を入射する。光の偏光は直線で、振動電界の方向はｚ軸方向である。上下電極間に２０００Ｖの電圧を印加すると、基板１１から出射する光は、ｚ軸方向に集光され、シリンドリカル凸レンズとして機能する。焦点距離は１８ｃｍである。ここで、印加電圧を１０００Ｖにすると、集光効果は小さくなり、焦点距離は７２ｃｍになる。また、電圧を印加しない場合は、当然集光効果はなく、焦点距離は無限大である。従って、印加電圧を０Ｖから２０００Ｖまで変化させることにより、焦点距離を無限大から１８ｃｍまで変化させることができる。焦点距離の変更は、印加電圧を変更するだけなので、応答時間は１μｓ以下であり、従来の可変焦点レンズの応答時間と比較して、３桁以上改善されている。

また、この可変焦点レンズは、電圧を印加する駆動状態を１年以上継続しても、同じ電圧においての焦点距離の変動は１％以内であった。

１１、２１ 電気光学材料基板
１２、１３ 電極
２２、２５ 陽極
２３、２４ 陰極
２８ 電気力線
２９ 屈折率変調曲線
１０１ 光偏向器本体
１０２ ペルチェ素子
１０３ 気密容器
１０４ 窓
１０５ 銅―タングステン合金の壁
１０６ 電気端子

Claims (13)

1. 反転対称性を有する単結晶からなる電気光学材料と、該電気光学材料の第１の面と該面に対向する第２の面とに形成された一対の電極とを有する光偏向器と、
   前記光偏向器へ光を入射するための入射用窓と、前記光偏向器からの出射光を外部へ取り出すための出射用窓と有し、前記光偏向器を気密に封入した気密容器とを備え、
   前記１対の電極に電圧を印加することにより前記電気光学材料に電子または正孔を注入して電気光学材料内部に空間電荷を形成し、前記１対の電極間の印加電圧を変えることによって、前記電気光学材料を透過する光の進行方向を変えることを特徴とする電気光学結晶を用いた光学装置。
2. 前記一対の電極は、前記電気光学材料とオーミック接合が形成される材料からなることを特徴とする請求項１に記載の電気光学結晶を用いた光学装置。
3. 前記電気光学材料は、ペロブスカイト型単結晶材料であることを特徴とする請求項１または２に記載の電気光学結晶を用いた光学装置。
4. 前記電気光学材料は、タンタル酸ニオブ酸カリウム（ＫＴＮ：ＫＴａ_1-xＮｂ_xＯ₃、０＜ｘ＜１）であることを特徴とする請求項３に記載の電気光学結晶を用いた光学装置。
5. 前記電気光学材料は、結晶の主成分が、周期律表Ｉａ族とＶａ族から構成されており、Ｉａ族はカリウムであり、Ｖａ族はニオブ、タンタルの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項３に記載の電気光学結晶を用いた光学装置。
6. 前記電気光学材料は、さらに、添加不純物としてカリウムを除く周期律表Ｉａ族またはＩＩａ族の１または複数種を含むことを特徴とする請求項５に記載の電気光学結晶を用いた光学装置。
7. 反転対称性を有する単結晶からなる電気光学材料と、
   該電気光学材料の第１の面上に形成された第１の電極と、前記第１の面に対向する第２の面上に形成され前記第１の電極と向かい合う位置に形成された第２の電極の、２つの電極からなる第１の電極対と、
   前記第１の面上に形成され、前記第１の電極とは間隔をおいて配置された第３の電極と、前記第２の面上に形成され、前記第３の電極と向かい合う位置に形成され前記第２の電極とは間隔をおいて配置された第４の電極の、２つの電極からなる第２の電極対とを備え、
   前記第１の電極と前記第３の電極との間の前記第１の面に光を入射させたき、前記電気光学材料の内部を透過してから、前記第２の電極と前記第４の電極との間の前記第２の面から光が出射するように光軸が設定され、
   前記第１の電極対と第２の電極対のそれぞれに印加電圧を変えることにより、前記電気光学材料の前記第２の面から出射された光の焦点を可変することを特徴とするシリンドリカル可変焦点レンズと、
   前記シリンドリカル可変焦点レンズへ光を入射するための入射用窓と、該基本単位素子からの出射光を外部へ取り出すための出射用窓とを有し、前記シリンドリカル可変焦点レンズを封入した気密容器とを備え、
   前記電極対への印加電圧を変えることにより、前記電気光学材料を透過する光の焦点を可変することを特徴とする電気光学結晶を用いた光学装置。
8. 前記電気光学材料は、ペロブスカイト型単結晶材料であることを特徴とする請求項７に記載の電気光学結晶を用いた光学装置。
9. 前記電気光学材料は、タンタル酸ニオブ酸カリウム（ＫＴＮ：ＫＴａ_1-xＮｂ_xＯ₃、０＜ｘ＜１）であることを特徴とする請求項８に記載の電気光学結晶を用いた光学装置。
10. 前記電気光学材料は、結晶の主成分が、周期律表Ｉａ族とＶａ族から構成されており、Ｉａ族はカリウムであり、Ｖａ族はニオブ、タンタルの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項８に記載の電気光学結晶を用いた光学装置。
11. 前記電気光学材料は、さらに、添加不純物としてカリウムを除く周期律表Ｉａ族またはＩＩａ族の１または複数種を含むことを特徴とする請求項１０に記載の電気光学結晶を用いた光学装置。
12. 前記２組の電極対は、前記電気光学材料とショットキー接合が形成される材料からなることを特徴とする請求項７ないし１１のいずれかに記載の電気光学結晶を用いた光学装置。
13. 前記２組の電極対とは、帯状の形状を有し、その長手方向の辺は、すべて平行であることを特徴とする請求項１２に記載の電気光学結晶を用いた光学装置。

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