JP2014206582A - 偏波無依存型光偏向器 - Google Patents

Abstract

【課題】偏向器に対して異なる偏波の入射光を入射しても、偏光方向の向きも大きさも等しい出射光を得る。
【解決手段】電気光学結晶からなり、光軸に対して垂直方向に電界を印加するために、対向する面に形成された第１の電極対を有する第１の偏向器と、電気光学結晶からなり、前記光軸に対して垂直方向に電界を印加するために、対向する面に形成された第２の電極対を有する第２の偏向器と、前記第１の偏向器と前記第２の偏向器との間の前記光軸上に挿入された半波長板とを備えた。前記第１の偏向器における光路長と前記第２の偏向器における光路長とが等しく、前記第１の電極対に印加する電圧と前記第２の電極対に印加する電圧とが等しい。
【選択図】図１

Description

本発明は、偏波無依存型光偏向器に関し、より詳細には、電気光学効果を有するＫＴＮ結晶またはＫＬＴＮ結晶を用いた光偏向器の偏波無依存化に関する。

光の進行方向を変える光偏向器のうち、ＫＴＮ（ＫＴａ_１−ｘＮｂ_ｘＯ_３）結晶、またはＫＴＮ結晶にリチウムを添加したＫＬＴＮ（Ｋ_１−ｙＬｉ_ｙＴａ_１−ｘＮｂ_ｘＯ_３）結晶（以下、合わせてＫＴＮ結晶という）を用いた光偏向器は、ガルバノミラー、ポリゴンミラー、ＭＥＭＳミラー等と異なり、可動部を持たない固体素子からなる偏向器である（例えば、特許文献１参照）。

ＫＴＮ結晶は、低い電圧で屈折率が大きく変わる電気光学効果が大きい物質として知られている。さらに、ＴｉやＣｒ電極を用いると、結晶内に電荷を注入することができ、その電荷が生じる内部電界を利用して、高速、広角な光偏向器を実現することができる。レンズ、プリズム、ミラーといったごく一般的な光学部品であって、光学部品自体の向き、または位置を高速で動かす必要がある装置において、可動部を有する光学部品を、ＫＴＮ結晶を用いた光学部品に置き換えることにより、可動部を持たない装置を構成することができる（例えば、特許文献２参照）。応用範囲としては、レーザ加工、顕微鏡、プリンタ、ディスプレイ、光通信、センシング、計測などの幅広い分野におよぶ。

ところで、ＫＴＮ結晶からなる光偏向器（以下、ＫＴＮ光偏向器という）は、原理的には偏波依存性を示す。このため、従来、直線偏波のレーザ光源とＫＴＮ結晶からなる光偏向器とを組み合わせた装置のみが知られていた。従って、より幅広い応用に適用するためには、偏波に依存しない光源にも適用できるように、偏波無依存型光偏向器の実現が望まれていた。

国際公開第０６／１３７４０８号 特開２０１２−０７４５９７号公報

J. Miyazu et al.: "New beam scanning model for high-speed operation using KTa1-xNbxO3 Crystals", APEX, Vol. 4, Issue 11, pp. 115101-1-111501-3, 2011

ＫＴＮ光偏向器の高速動作の原理は、最初にＫＴＮ結晶にＤＣ電圧を印加（プレチャージ）して、注入された電荷によって残留屈折率分布を形成する。これに対してＡＣ電圧を印加することによって偏向動作を実現する（例えば、非特許文献１参照）。電界に平行な偏波（偏波１）を入射したときのＫＴＮ光偏向器の偏向角θは、下式となる。

ここで、ｎ_０は電圧印加前屈折率、Ｌは光路長、ｇ_１１は電気光学定数、εは誘電率、ρは残留電荷、Ｖは印加電圧、ｄはＫＴＮ結晶厚である。一方、電界に垂直な偏波（偏波２）については、下式で与えられる。

ここで、ｇ_１２は電気光学定数である。ｇ_１１とｇ_１２とは物性値であって、波長６３３ｎｍにおいてはｇ_１１＝０．１３８ｍ^４／Ｃ^２、ｇ_１２＝−０．０３８ｍ^４／Ｃ^２である。ｇ_１１とｇ_１２とは符号が逆で、ｇ_１１の絶対値がｇ_１２より約３倍以上大きい。従って、両偏波を同時に入射した場合は、偏向角の大きさが異なり、偏向の向きがお互いに逆向きとなって、大きな偏波依存性を示す。

従って、従来のＫＴＮ光偏向器の応用としては、直線偏波を入射し、偏向角が大きくなるように偏波１の動作のみを利用していた。

本発明の目的は、偏波１および偏波２の両方を入射しても、偏光方向の向きも大きさも等しく動作する偏波無依存型光偏向器を提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するために、第１の実施態様は、電気光学結晶からなり、光軸に対して垂直方向に電界を印加するために、対向する面に形成された第１の電極対を有する第１の偏向器と、電気光学結晶からなり、前記光軸に対して垂直方向に電界を印加するために、対向する面に形成された第２の電極対を有する第２の偏向器と、前記第１の偏向器と前記第２の偏向器との間の前記光軸上に挿入された半波長板とを備え、前記第１の偏向器における光路長と前記第２の偏向器における光路長とが等しく、前記第１の電極対に印加する電圧と前記第２の電極対に印加する電圧とが等しいことを特徴とする。

第２の実施態様は、電気光学結晶からなり、光軸に対して垂直に形成された溝を有する偏向器と、前記溝に挿入された半波長板とを備え、前記偏向器は、前記溝を境界として、入射光を入射する側の対向する面に、前記光軸に対して垂直方向に電界を印加するため第１の電極対を有し、出射光を出射する側の対向する面に、前記光軸に対して垂直方向に電界を印加するため第２の電極対を有し、前記入射光を入射する側の光路長と前記出射光を出射する側の光路長とが等しく、前記第１の電極対に印加する電圧と前記第２の電極対に印加する電圧とが等しいことを特徴とする。

第３の実施態様は、第２の実施態様において、前記入射光を入射する入射端面の一部の領域にＡＲコートが付され、前記入射端面の他の領域にＨＲコートが付され、前記出射光を出射する出射端面の一部の領域にＡＲコートが付され、前記出射端面の他の領域にＨＲコートが付されていることを特徴とする。

第４の実施態様は、電気光学結晶からなり、光軸に対して垂直方向に電界を印加するために、対向する面に形成された電極対を有する偏向器と、該偏向器の前記光軸上の一方の端面に接続された１／４波長板であって、前記偏向器の前記光軸上の他方の端面から入射された入射光を反射し、出射光として再び他方の端面から出射するように、前記偏向器と接続された面と対向する面にＨＲコートが付された１／４波長板とを備えたことを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、偏向器に対して異なる偏波の入射光を入射しても、偏光方向の向きも大きさも等しい出射光を得ることができる。また、電気光学結晶と半波長板または１／４波長板とを組み合わせるだけで、偏波無依存型の光偏向器を実現することができ、光偏向器の適用領域を増大させることとができる。

本発明の第１の実施形態にかかるＫＴＮ光偏向器の構造を示す図である。 本発明の第２の実施形態にかかるＫＴＮ光偏向器の構造を示す図である。 本発明の第３の実施形態にかかるＫＴＮ光偏向器の構造を示す図である。 本発明の第４の実施形態にかかるＫＴＮ光偏向器の構造を示す図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。ＫＴＮ結晶は、相転移温度を境に立方晶から正方晶へ相転移する結晶であり、以下の実施形態においては、ＫＴＮ結晶を立方晶を保つように温度制御を行い、所望の誘電率を保つようにする。

（第１の実施形態）
図１に、本発明の第１の実施形態にかかるＫＴＮ光偏向器の構造を示す。ＫＴＮ光偏向器１０は、第１の偏向器１１と半波長板１３と第２の偏向器１２とが、光軸方向（ｘ軸）に沿って直列に配置されている。第１の偏向器１１は、ＫＴＮ結晶からなり、光軸に対して垂直方向（ｚ軸）に電界を印加するために、対向する面に電極１１ａ，１１ｂ（第１の電極対）が形成されている。第２の偏向器１２は、ＫＴＮ結晶からなり、同様に光軸に対して垂直方向（ｚ軸）に電界を印加するために、対向する面に電極１２ａ，１２ｂ（第２の電極対）が形成されている。ＫＴＮ光偏向器１０に、入射光１４として、電界に平行（ｚ軸方向）な偏波（偏波１）と電界に垂直（ｙ軸方向）な偏波（偏波２）とを入射したときの偏向角を、それぞれ下記に示す。

ここで、Ｌ_１は第１の偏向器１１の光路長、Ｌ_２は第２の偏向器１２の光路長、Ｖ_１は第１の偏向器１１の印加電圧、Ｖ_２は第２の偏向器１２の印加電圧である。偏波１においては、前段の第１の偏向器１１においては、偏波の方向は電界の方向と一致するので、（数３）の第１項に従う。偏向しながら第１の偏向器１１を透過した光は、半波長板１３によって直交する偏波に変換される。後段の第２の偏向器１２においては、偏波の方向が電界の方向と直交する偏波になるため（数３）の第２項に従う。

一方、偏波２においては、前段の第１の偏向器１１においては、偏波の方向は電界の方向と直交するので、（数４）の第１項に従う。偏向しながら第１の偏向器１１を透過した光は、偏波１と同様に半波長板１３によって直交する偏波に変換される。後段の第２の偏向器１２においては、電界と平行な偏波のため（数４）の第２項に従う。ここで、Ｌ_１とＬ_２の長さを等しく、Ｖ_１とＶ_２の値を等しくした場合、偏波１と偏波２の偏向角θの値は等しくなり偏波無依存動作を実現することができる。

入射光１４の波長を１．３μｍとし、第１および第２の偏向器１１，１２の光路長Ｌ_１，Ｌ_２（ＫＴＮ結晶のｘ軸方向の長さ）を４ｍｍとし、ＫＴＮ結晶の厚さ（ｚ軸方向の長さ）を１ｍｍとする。半波長板１３は、波長１．３μｍに最適化されている。ＫＴＮ結晶が立方晶であり、誘電率が１７５００になるようにペルチェ素子を用いて、第１および第２の偏向器１１，１２の温度を制御する。上部電極１１ａ，１２ａ同士および下部電極１１ｂ，１２ｂ同士を外部ラインを用いて接続し、第１および第２の偏向器１１，１２に同位相の電圧を印加する。最初に、ＤＣ電圧Ｖ_ＤＣ＝±３００Ｖでプレチャージした後、１０ｋＨｚ〜４００ｋＨｚまでの周波数において、ＡＣ電圧Ｖ_ｐｐ＝６００Ｖを印加する。入射光１４として偏波１および偏波２を入射したとき、出射光１５は、同一方向に２５ｍｒａｄの同一の偏向角を示し、偏波無依存で動作する。

（第２の実施形態）
図２に、本発明の第２の実施形態にかかるＫＴＮ光偏向器の構造を示す。ＫＴＮ光偏向器２０は、ＫＴＮ結晶１チップの構成とする。ＫＴＮ光偏向器２０の偏向器２１は、ＫＴＮ結晶からなり、結晶基板の中央に、光軸（ｘ軸）に対して垂直に溝２６が形成され、半波長板２３が挿入されている。光軸に対して垂直方向（ｚ軸）に電界を印加するために、入射光２４を入射する側の対向する面に電極２１ａ，２１ｂ（第１の電極対）が、出射光２５を出射する側の対向する面に電極２２ａ，２２ｂ（第２の電極対）が、それぞれ独立に形成されている。すなわち、溝２６を境界として、入射光２４を入射する側に第１の実施形態の第１の偏向器を形成し、出射光２５を出射する側に第１の実施形態の第２の偏向器を形成することに相当する。

半波長板２３を隔てて、入射側の光路長と出射側の光路長とは、（数３）および（数４）のＬ_１，Ｌ_２に相当し、電極２１ａ，２１ｂの印加電圧が、（数３）および（数４）のＶ_１に相当し、電極２２ａ，２２ｂの印加電圧が、（数３）および（数４）のＶ_２に相当する。従って、偏波１と偏波２の偏向角θの値は、（数３）および（数４）と同様に記述することができるため、第１の実施形態のＫＴＮ光偏向器と同様に、偏波無依存動作を実現することができる。

入射光２４の波長を１．３μｍとし、偏向器２１のｘ軸方向の長さを４．１ｍｍ、厚さ（ｚ軸方向の長さ）を１ｍｍとする。結晶基板の中央に光軸（ｘ軸）に対して垂直に、幅０．１ｍｍの溝２６を形成し、波長１．３μｍに最適化された半波長板２３を挿入する。電極２１ａ，２１ｂおよび電極２２ａ，２２ｂに挟まれた光路長Ｌ_１，Ｌ_２は、それぞれ２ｍｍとする。ＫＴＮ結晶が立方晶であり、誘電率が１７５００になるようにペルチェ素子を用いて、偏向器２１の温度を制御する。上部電極２１ａ，２２ａ同士および下部電極２１ｂ，２２ｂ同士を外部ラインを用いて接続し、偏向器２１に同位相の電圧を印加する。最初に、ＤＣ電圧Ｖ_ＤＣ＝±３００Ｖでプレチャージした後、１０ｋＨｚ〜４００ｋＨｚまでの周波数において、ＡＣ電圧Ｖ_ｐｐ＝６００Ｖを印加する。入射光２４として偏波１および偏波２を入射したとき、出射光２５は、同一方向に２５ｍｒａｄの同一の偏向角を示し、偏波無依存で動作する。

（第３の実施形態）
図３（ａ）に、本発明の第３の実施形態にかかるＫＴＮ光偏向器の構造を示す。第２の実施形態のＫＴＮ光偏向器においては、単一の光路で、入射光を偏向させていた。第３の実施形態では、内部反射を利用して複数の光路で入射光を偏向させる。偏向器３１は、ＫＴＮ結晶からなり、結晶基板の中央に、光軸（ｘ軸）に対して垂直に溝３６が形成され、半波長板３３が挿入されている。光軸に対して垂直方向（ｚ軸）に電界を印加するために、入射光３４を入射する側の対向する面に電極３１ａ，３１ｂが、出射光３５を出射する側の対向する面に電極３２ａ，３２ｂが、それぞれ独立に形成されている。

図３（ｂ）は、入射側から見た入射端面と出射側から見た出射端面を表している。入射光３４を入射する一部の領域と出射光３５を出射する一部の領域にはＡＲコート３７を付し、その他の領域にはＨＲコート３８を付す。ＡＲコート領域から入射された入射光３４は、出射端面のＨＲコートと入射端面のＨＲコートとの間を複数回往復し、出射端面のＡＲコート領域から出射光３５として出射される。

半波長板３３を隔てて、入射側の光路長と出射側の光路長とは、（数３）および（数４）のＬ_１，Ｌ_２に相当し、電極３１ａ，３１ｂの印加電圧が、（数３）および（数４）のＶ_１に相当し、電極３２ａ，３２ｂの印加電圧が、（数３）および（数４）のＶ_２に相当する。従って、偏波１と偏波２の偏向角θの値は、（数３）および（数４）と同様に記述することができるため、第２の実施形態のＫＴＮ光偏向器と同様に、偏波無依存動作を実現することができる。

入射光３４の波長を１．３μｍとし、偏向器３１のｘ軸方向の長さを４．１ｍｍ、厚さ（ｚ軸方向の長さ）を１ｍｍとした。結晶基板の中央に光軸（ｘ軸）に対して垂直に、幅０．１ｍｍの溝３６を形成し、波長１．３μｍに最適化された半波長板３３を挿入する。電極３１ａ，３１ｂおよび電極３２ａ，３２ｂに挟まれた光路長Ｌ_１，Ｌ_２は、それぞれ２ｍｍとする。入射端面および出射端面には、図３（ｂ）に示したように、波長１．３μｍ用のＡＲコートおよびＨＲコートを付す。ＫＴＮ結晶が立方晶であり、誘電率が１７５００になるようにペルチェ素子を用いて、偏向器３１の温度を制御する。上部電極３１ａ，３２ａ同士および下部電極３１ｂ，３２ｂ同士を外部ラインを用いて接続し、偏向器３１に同位相の電圧を印加する。最初に、ＤＣ電圧Ｖ_ＤＣ＝±３００Ｖでプレチャージした後、１０ｋＨｚ〜４００ｋＨｚまでの周波数において、ＡＣ電圧Ｖ_ｐｐ＝６００Ｖを印加する。入射光３４として偏波１および偏波２を入射したとき、出射光３５は、同一方向に８０ｍｒａｄの同一の偏向角を示し、偏波無依存で動作する。

（第４の実施形態）
図４に、本発明の第４の実施形態にかかるＫＴＮ光偏向器の構造を示す。第１〜３の実施形態では、２組の電極対を用いたが、第４の実施形態では、１組の電極対のみで偏波無依存での動作を実現する。ＫＴＮ光偏向器４０は、ＫＴＮ結晶からなる偏向器４１と、偏向器４１の光軸上の一方の端面に接続された１／４波長板４３とから構成されている。偏向器４１は、光軸に対して垂直方向（ｚ軸）に電界を印加するために、対向する面に電極４１ａ，４１ｂが形成されている。１／４波長板４３は、偏向器４１の光軸上の他方の端面から入射された入射光４４を反射し、出射光４５として再び他方の端面から出射するように、偏向器４１と接続された面と対向する面にＨＲコート４８が付されている。

ＫＴＮ光偏向器４０に、入射光４４として、電界に平行（ｚ軸方向）な偏波（偏波１）と電界に垂直（ｙ軸方向）な偏波（偏波２）とを入射したときの偏向角を、それぞれ下記に示す。

ここで、Ｌは偏向器４１の光路長、Ｖは偏向器４１への印加電圧である。偏波１においては、１／４波長板４３に到達するまでは、偏向器４１において、偏波の方向は電界の方向と一致するので、（数５）の第１項に従う。１／４波長板４３を透過してＨＲコートで反射し、再び１／４波長板４３を透過するので、直交する偏波に変換される。折り返した後は、偏波の方向が電界の方向と直交する偏波になるため（数５）の第２項に従う。

一方、偏波２においては、１／４波長板４３に到達するまでは、偏向器４１において、偏波の方向は電界の方向と直交するので、（数６）の第１項に従う。１／４波長板４３を透過して直交する偏波に変換される。折り返した後は、偏波の方向が電界の方向と一致するため（数６）の第２項に従う。従って、偏波１と偏波２の偏向角θの値は等しくなり偏波無依存動作を実現することができる。

入射光４４の波長を１．３μｍとし、偏向器４１のｘ軸方向の長さを４ｍｍ、厚さ（ｚ軸方向の長さ）を１ｍｍとした。波長１．３μｍに最適化された半波長板４３に、ＨＲコート４８を付して、偏向器４１に接続する。ＫＴＮ結晶が立方晶であり、誘電率が１７５００になるようにペルチェ素子を用いて、偏向器４１の温度を制御する。最初に、電極４１ａ，４１ｂに、ＤＣ電圧Ｖ_ＤＣ＝±３００Ｖでプレチャージした後、１０ｋＨｚ〜４００ｋＨｚまでの周波数において、ＡＣ電圧Ｖ_ｐｐ＝６００Ｖを印加する。入射光４４として偏波１および偏波２を入射したとき、出射光４５は、同一方向に５０ｍｒａｄの同一の偏向角を示し、偏波無依存で動作する。

本発明は、レーザ加工、顕微鏡、プリンタ、ディスプレイ、光通信、センシング、計測などの分野における光学機器に利用することができる。

１０，２０，３０，４０ ＫＴＮ光偏向器
１１，１２，２１，３１，４１ 偏向器
１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂ，２１ａ，２１ｂ，２２ａ，２２ｂ，３１ａ，３１ｂ，３２ａ，３２ｂ，４１ａ，４１ｂ 電極
１３，２３，３３，４３ 半波長板
１４，２４，３４，４４ 入射光
１５，２５，３５，４５ 出射光
２６，３６ 溝
３７ ＡＲコート
３８，４８ ＨＲコート

Claims (5)

1. 電気光学結晶からなり、光軸に対して垂直方向に電界を印加するために、対向する面に形成された第１の電極対を有する第１の偏向器と、
   電気光学結晶からなり、前記光軸に対して垂直方向に電界を印加するために、対向する面に形成された第２の電極対を有する第２の偏向器と、
   前記第１の偏向器と前記第２の偏向器との間の前記光軸上に挿入された半波長板とを備え、
   前記第１の偏向器における光路長と前記第２の偏向器における光路長とが等しく、前記第１の電極対に印加する電圧と前記第２の電極対に印加する電圧とが等しいことを特徴とする偏波無依存型光偏向器。
2. 電気光学結晶からなり、光軸に対して垂直に形成された溝を有する偏向器と、
   前記溝に挿入された半波長板とを備え、
   前記偏向器は、前記溝を境界として、入射光を入射する側の対向する面に、前記光軸に対して垂直方向に電界を印加するため第１の電極対を有し、出射光を出射する側の対向する面に、前記光軸に対して垂直方向に電界を印加するため第２の電極対を有し、
   前記入射光を入射する側の光路長と前記出射光を出射する側の光路長とが等しく、前記第１の電極対に印加する電圧と前記第２の電極対に印加する電圧とが等しいことを特徴とする偏波無依存型光偏向器。
3. 前記入射光を入射する入射端面の一部の領域にＡＲコートが付され、前記入射端面の他の領域にＨＲコートが付され、
   前記出射光を出射する出射端面の一部の領域にＡＲコートが付され、前記出射端面の他の領域にＨＲコートが付されていることを特徴とする請求項２に記載の偏波無依存型光偏向器。
4. 電気光学結晶からなり、光軸に対して垂直方向に電界を印加するために、対向する面に形成された電極対を有する偏向器と、
   該偏向器の前記光軸上の一方の端面に接続された１／４波長板であって、前記偏向器の前記光軸上の他方の端面から入射された入射光を反射し、出射光として再び他方の端面から出射するように、前記偏向器と接続された面と対向する面にＨＲコートが付された１／４波長板と
   を備えたことを特徴とする偏波無依存型光偏向器。
5. 前記電気光学結晶は、ＫＴＮ（ＫＴａ_１−ｘＮｂ_ｘＯ_３（０＜ｘ＜１））結晶、またはＫＴＮ結晶にリチウムを添加したＫＬＴＮ（Ｋ_１−ｙＬｉ_ｙＴａ_１−ｘＮｂｘＯ_３（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１））結晶のいずれかであることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の偏波無依存型光偏向器。

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