JP2015018175A - 光偏向器およびその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光偏向器において、高周波数かつ高電圧の駆動信号をＫＴＮ結晶に印加すると、発熱により温度が上昇し、誘電率εが低下して偏向特性の劣化が生じる。偏向特性を安定化するためには、ＫＴＮ結晶の温度をモニターして、所望の温度にコントロールする必要があるが、ＫＴＮ結晶に温度センサを直接取り付けることはできない。サーモビューワーなどの温度モニターは、装置が巨大となるため実用性に乏しかった。ＫＴＮ結晶の温度を直接測定するのとは他の方法によって、ＫＴＮ結晶の温度を調整する必要があった。【解決手段】本発明の電気光学結晶を用いた光偏向器は、結晶の温度を直接モニターせず、結晶を流れる変位電流値をモニターし、その電流値に基づいて結晶の誘電率を推定する。推定された誘電率が所望の値になるよう、電気光学結晶の温度を制御する。偏向動作を行うための駆動電圧であるＡＣ電圧をＫＴＮ結晶に印加する前に、ＤＣ電圧をＫＴＮ結晶に印加して電子を注入（プリチャージ）し、誘電率および偏向角を増大させる。【選択図】図１

Description

本発明は、ＫＴＮ結晶やＫＬＴＮ結晶などの電気光学効果を有する結晶に電圧を印加することで、これらの結晶に入射された光を偏向する光偏向器に関する。

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ＫＬＴＮ結晶（Ｋ_１−ｙＬｉ_ｙＴａ_１−ｘＮｂ_ｘＯ_３）を用いた光偏器は、ガルバノミラーやポリゴンミラー、ＭＥＭＳミラー等と異なり、可動部を持たない固体素子である（特許文献１）。以下簡単のため、明示して区別しない限り、ＫＴＮ結晶およびＫＬＮ結晶の２種類を合わせて、ＫＴＮ結晶と呼ぶ。

ＫＴＮ結晶は、比較的低い電圧を印加することによってその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、ＫＴＮ結晶内に電荷を注入することができる。その電荷によって生じる内部電界を利用することで、高速・広角な光偏向器を実現することができる。したがって、レンズ、プリズム、ミラーといったごく一般的な光学部品を、それらが高速で動く必要がある用途では、ＫＴＮに置き換えることができる（特許文献２）。

近年、このＫＴＮ結晶における屈折率制御の高速性を利用して、光偏向器を外部共振器に組み込んだ高速の波長掃引光源を用いた医療用光断層撮像システムに注目が集まっている。この光断層撮像システムの中で、ＫＴＮ光偏向器は高速性を実現するためのキーデバイスであって、高速性とともに安定に動作することが求められている。特に、必要十分な最大偏向角が安定して得られることが重要である。

ＷＯ２００６/１３７４０８ 国際公開公報 明細書 特開２０１２−０７４５９７号公報 明細書

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年 上野他、ＫＴＮ結晶を用いたＯＣＴ用２００ｋＨｚ光偏向器の消費電力,信ソ大会,C-3-7,p.124 ，２０１２年

ＫＴＮ光偏向器の高速動作原理は、最初に直流（ＤＣ）電圧を結晶に印加して（トラップ充電期間）注入された電荷が形成する残留屈折率分布に対し、さらに交流（ＡＣ）電圧を印加すること（偏向電圧印加期間）によって偏向動作を実現する駆動方式に基づいている（非特許文献１）。この駆動方式でのＫＴＮ光偏向器の偏向角θは、下式によって表される。

ここで、ｎ_０は電圧印加前屈折率を、Ｌは光路長を、ｇ_１１は電気光学定数を、εは誘電率、ρは残留電荷を、Ｖは印加電圧を、ｄは結晶厚をそれぞれ表す。式（１）から明らかなように、偏向角θの大きさは、誘電率εに比例する。したがって、偏向角θを増大させるためには、誘電率εを増大させる必要がある。

最近、ＫＴＮ結晶を利用している光偏向器において、高周波数でかつ高電圧の駆動信号を結晶に印加すると、発熱により温度が上昇して、偏向特性の劣化、具体的には最大偏向角が低下することが明らかとなった（非特許文献２）。ＫＴＮ結晶は、温度変化に伴って相異なる相が次々に出現する、いわゆる逐次相転移を示す。上述の偏向特性の劣化は、光偏向器として使用する立法晶系において、温度が上昇すると誘電率εが低下することによる。従って、偏向特性を安定化するためには、ＫＴＮ結晶の温度をモニターして、結晶を所望の温度にコントロールする必要がある。

しかしながら、ＫＴＮ結晶には数１００Ｖを超える高電界が印加されているため、温度センサを結晶に直接取り付けることができない。また、サーモビューワーなどの温度モニターは、装置が巨大となるため、小型の電子装置内に搭載される光偏向器に対して使用しても、実用性に乏しかった。したがって、ＫＴＮ結晶の温度を直接測定するのとは他の方法によって、ＫＴＮ結晶の温度を調整する必要があった。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、ＫＴＮ結晶などの電気光学結晶を用いた光偏向器において、結晶温度の変動に伴って、結晶の誘電率が変化するために、所望の偏向角が得られなくなり、偏向特性が不安定となる問題を解決するところにある。

本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、対向する面に少なくとも２つの電極を形成した電気光学結晶であって、前記電極に制御電圧を印加して、前記制御電圧により形成される電界に概ね垂直に、前記電気光学結晶の１つの端面へ入射する入射光を偏向させる電気光学結晶と、前記電極に印加する前記制御電圧を生成する制御電圧電源であって、前記電気光学結晶に、直流電圧または正極性および負極性の直流電圧を含む交番電圧からなるトラップ充填電圧と、前記トラップ充填電圧を印加した後に印加する前記制御電圧として、入射光を偏向させる交流偏向電圧とを生成するよう構成された制御電圧電源と、前記電気光学結晶の温度を制御する温度調節手段であって、前記電気光学結晶を初期温度に設定し、前記交流偏向電圧を印加したときに、前記制御電圧電源から前記電気光学結晶に流れる変位電流を測定し、前記変位電流が前記電気光学結晶の所望の誘電率に対応する目標変位電流となるように前記電気光学結晶の温度を調節するよう構成された温度調節手段とを備えたことを特徴とする光偏向器である。

請求項２に記載の発明は、請求項１の光偏向器であって、前記直流電圧または正極性および負極性の直流電圧を含む前記交番電圧を印加し、さらに前記交流偏向電圧を印加して、前記変位電流を測定することを特徴とする。上述の交番電圧からなるトラップ充填電圧は、第１の時間区間のＤＣ電圧に対応する。変位電流は、電流プローブによって測定することができる。また、変位電流は、第２の時間区間の交流偏向電圧を電気光学結晶に印加して測定できる。また、トラップ充電電圧を印加する前に、電気光学結晶に、小振幅ＡＣ電圧（温度初期設定電圧）を印加した状態で、電気光学結晶の誘電率を所定の値となるように、ＫＴＮ結晶を温度調節手段（温度調節器）によって温度調整しても良い。また、電気光学結晶を、トラップ充電電圧の印加の前後における誘電率の関係に基づいて、予め決定したデフォルト値の目標誘電率に対応する結晶温度に初期設定をしても良い。

請求項３に記載の発明は、請求項１の光偏向器であって、前記温度調節手段によって、前記変位電流の測定値が前記目標変位電流に一致した後で、前記入射光の偏向動作を開始することを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３いずれかの光偏向器であって、前記電気光学結晶は、タンタル酸ニオブ酸カリウム（ＫＴａ_１-ｘＮｂ_ｘＯ_３（０＜ｘ＜１）結晶、またはリチウムを添加したＫ_１−ｙＬｉ_ｙＴａ_１-ｘＮｂ_ｘＯ_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５に記載の発明は、電気光学結晶の対向する面に形成した少なくとも２つの電極に制御電圧を印加して、前記制御電圧により形成される電界に概ね垂直に、前記電気光学結晶の１つの端面へ入射する入射光を偏向させる光偏向器の制御方法において、前記電気光学結晶に、直流電圧または正極性および負極性の直流電圧を含む交番電圧からなるトラップ充填電圧を印加するステップと、前記印加するステップに引き続き、前記制御電圧として、交流電圧を印加して、前記制御電圧電源から前記電気光学結晶に流れる変位電流を測定するステップと、前記変位電流が前記電気光学結晶の所望の誘電率に対応する目標変位電流となるように前記電気光学結晶の温度を調節するステップとを備えることを特徴とする光偏向器の制御方法である。

請求項６に記載の発明は、請求項５の方法であって、前記印加するステップに先立って、前記電気光学結晶の温度を上昇させない振幅値および周波数を持つ温度初期設定電圧を印加して、このときに測定される初期変位電流に基づいて、前記電気光学結晶の初期温度を設定するステップをさらに備えることを特徴とする。電気光学結晶の初期温度は、初期変位電流の測定することなしに、トラップ充電電圧の印加の前後における誘電率の関係に基づいて、予め決定したデフォルト値の目標誘電率に対応する結晶温度に初期設定をしても良い。
請求項７に記載の発明は、請求項５の方法であって、前記変位電流が前記目標変位電流に一致した後で、前記入射光の偏向動作を開始するステップをさらに備えることを特徴とする。

上述の方法では、前記電気光学結晶は、タンタル酸ニオブ酸カリウム（ＫＴａ_１-ｘＮｂ_ｘＯ_３（０＜ｘ＜１）結晶、またはリチウムを添加したＫ_１−ｙＬｉ_ｙＴａ_１-ｘＮｂ_ｘＯ_３（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）結晶のいずれかであり得る。

本発明の光偏向器および光偏向器の制御方法では、変位電流をモニターすることによって、結晶の誘電率を推定し、所望の偏向角を維持するように結晶温度を制御する。さらに、偏向動作の前にＤＣ電圧を印加することによって、ＫＴＮ結晶の誘電率を増大させ、これによって偏向角を大幅に増大させることができる。

図１は、本発明に係る光偏向器の構成を示す模式図である。 図２は、光偏向器の動作に用いた、光偏向器への印加電圧波形の例を示す図である。 図３は、本発明の光偏向器におけるＫＴＮ結晶の静電容量の駆動電圧依存性（１０ｋＨｚ）を示す図である。 図４は、本発明の光偏向器における偏向角のＡＣ電圧Ｖｐｐ依存性を示す図である。 図５は、本発明の光偏向器におけるＫＴＮ結晶の静電容量の駆動電圧依存性（２００ｋＨｚ）を示す図である。 図６は、図５に示したデータを使用して計算した誘電率に基づく偏向角を実測値と比較して示した図である。 図７は、光偏向器を特定の駆動条件で偏向動作させる場合について、初期設定状態の結晶温度を変えた時の偏向角の変化を示す図である。 図８は、本発明の光偏向器において、一定の所望の偏向角でＫＴＮ偏向器を偏向動作させる制御フローを示す図である。

本発明の光偏向器は、電気光学結晶を用いた光偏向器において、電気光学結晶の温度を直接にモニターせず、電気光学結晶を流れる電流値をモニターして、その電流値に基づいて結晶の誘電率を推定する。推定された誘電率が所望の値になるよう、電気光学結晶の温度を制御することを特徴とする。さらに、偏向動作を行うための駆動電圧であるＡＣ電圧をＫＴＮ結晶に印加する前に、ＤＣ電圧をＫＴＮ結晶に印加（プリチャージ）して電子を注入することによって、ＫＴＮ結晶の誘電率を大きく増大させ、偏向角を増大させることを特徴とする。

以下の説明においては、電気光学結晶として、タンタル酸ニオブ酸カリウム（ＫＴａ_１−ｘＮｂ_ｘＯ_３（０＜ｘ＜１）：以下ＫＴＮ）、またはリチウムを添加したＫ_１−ｙＬｉ_ｙＴａ_１−ｘＮｂ_ｘＯ_３（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１：ＫＬＴＮ）を例として説明する。しかしながら、本発明はこれらと同様の性質を持つ他の電気光学結晶にも適用可能であって、ＫＴＮおよびＫＴＬＮだけに限定されるものではない。最初に、電気光学結晶を用いた光偏向器の基本的な動作原理とともに本発明の構成について説明する。

図１は、本発明に係る光偏向器の構造を示す模式図である。光偏向器１は、直方体状のＫＴＮ結晶２と、ＫＴＮ結晶２の対向する２つの面上に金属を蒸着してそれぞれ形成した同面積の２つの電極８ａ、８ｂとを備えたＫＴＮ偏向器から構成される。図１では、ＫＴＮ結晶２の上面電極８ａおよび下面電極８ｂ（図１では見えない）の２つの電極がそれぞれ形成されている。２つの電極８ａ、８ｂは、偏向動作のための駆動電圧（ＡＣ電圧）およびプリチャージ（電荷トラップ）のためのＤＣ電圧を印加する電源３が接続される。さらに、ＫＴＮ結晶２に流れた電流７をモニターするための電流プローブ４を備えている。また、ＫＴＮ結晶２の温度を制御するための、ＫＴＮ偏向器全体に近接して配置された温度調節器５を備えている。

本発明において誘電率を推定する方法を説明するために、図１に示したＫＴＮ偏向器に、偏向動作のための駆動電圧として高周波ＡＣ電圧を印加した時の、ＫＴＮ結晶内を流れる変位電流７を考える。変位電流Ｉは、ＫＴＮ結晶の各パラメータを用いて、下式によって与えられる。

ここで、ＩはＫＴＮ結晶内を流れる変位電流（Ａ）を、Ｃは２つの電極間の静電容量（Ｆ）を、Ｓは電極面積（ｍ^２）を、εはＫＴＮ結晶の誘電率を、Ｖは高周波ＡＣ電圧の振幅電圧（Ｖ）を、ｆは高周波ＡＣ電圧の周波数（Ｈｚ）を、ｄは結晶厚（ｍ）を、それぞれ示す。

式（２）および式（３）から明らかなように、ＫＴＮ結晶および電極構造（Ｓ、ｄ）、印加するＡＣ電圧（Ｖ、ｆ）が分かれば、ＫＴＮ結晶に流れる変位電流Ｉを測定することによって、誘電率εを求めることができる。逆に、所望の誘電率εを与える変位電流Ｉ（プローブ電流値とも言う）を、式（２）および式（３）から予め計算することもできる。

したがって、高周波ＡＣ電圧を印加することによる発熱によってＫＴＮ結晶温度が上昇して例えば誘電率εが減少したとしても、変位電流Ｉの値から誘電率εの低下を検知することができる。さらに、測定される変位電流Ｉが、所望の誘電率εに対応する電流となるよう温度調節器５の設定温度を変化させることによって、ＫＴＮ結晶の誘電率εを所望の値に回復させることができる。ＫＴＮ結晶の誘電率εを安定化することによって、偏向器における偏向角も安定した所望の値を得ることができる。これによって、偏向動作のための高周波ＡＣ電圧の電圧レベルや周波数に関係なく、誘電率εの変動に起因した偏向特性の劣化のない動作を実現することができる。以下、本発明の光偏向器の実際の動作について、種々の側面の確認結果とともに説明する。

図２は、以下に説明する本発明の光偏向器の動作評価のために用いた、光偏向器への印加電圧波形の例を示す図である。図２では、横軸に時間ｔを取り、図１に示した電源３から印加される電圧の時間変化を示す。本発明の光偏向器では、偏向動作のための駆動電圧であるＡＣ電圧を印加する前に、まずＤＣ電圧を印加する。すなわち、第１の時間区間２０にＤＣ電圧を印加し、引き続いて、第２の時間区間２１にＡＣ電圧を印加する。ＤＣ電圧の印加により、ＫＴＮ結晶内に存在するトラップに、一様に残留電荷（電子）を分布させることができる。第１の時間区間２０におけるこのＤＣ電圧の印加を、プリチャージまたはトラップ充填とも言う。従って、第１の時間区間２０をトラップ充填時間とも呼ぶ。

ＫＴＮ結晶の上下面のいずれの電極８ａ、８ｂからもそれぞれ電子を注入できることから、第１の時間区間２０において正のＤＣ電圧２２および負のＤＣ電圧２３を順次交互に、ＫＴＮ結晶に印加する。それぞれ所定の時間、正のＤＣ電圧２２および負のＤＣ電圧２３を印加した後に、第２の時間区間２１において駆動電圧であるＡＣ電圧２１を印加して偏向器を高速に偏向動作させる。図２において、横軸の時間軸は各時間区間を通じて一定のものとして描かれていない。すなわち、第１の時間期間２０の時間と、第２の時間期間２１における周期（周波数の逆数）は異なっており、図２の時間波形は、概念的に説明するための図である。第１の時間区間２０におけるＤＣ電圧は、正または負のどちらか一方でもかまわないし、正の電圧と負の電圧の順序も、また印加する回数も図２の構成に限定されない。

図３は、本発明の光偏向器におけるＫＴＮ結晶の静電容量の駆動電圧依存性（１０ｋＨｚ）を示す図である。第１の時間期間におけるプリチャージのためのＤＣ電圧として、±３００Ｖおよび±４００Ｖを印加して電荷を注入させた各場合について、第２の時間期間に１０ｋＨｚのＡＣ電圧で駆動したときの、静電容量（キャパシタンス）のＡＣ電圧（Ｖｐｐ）依存性を示す。ここで、ＡＣ電圧値（Ｖｐｐ）は、ピークトゥーピーク（Peak to Peak）のＡＣ電圧振幅値を示す。

本発明の光偏向器ではＫＴＮ結晶の温度を制御するので、ＫＴＮ結晶の基準となる初期温度を決定しおよび設定する必要がある。そこで、第１の時間期間のＤＣ電圧を印加する前の初期設定温度の状態を形成するために、ＫＴＮ結晶に、周波数１０ｋＨｚで、Ｖｐｐ＝±１Ｖの小振幅ＡＣ電圧を印加した。この初期設定温度の状態において、静電容量が１．６５ｎＦ、すなわちε＝１７，５００となるように、ＫＴＮ結晶を温度調節器５によって温度調整した。図３の静電容量依存性は、最初にＫＴＮ結晶をこの初期設定温度の状態にした後で、以降は温度調整を行わずに、静電容量の変化を見た。

図３のグラフに示した２つのＤＣ電圧の場合の各静電容量値は、前述の式（２）および式（３）を用いて、ＫＴＮ結晶を流れる変位電流から求めた。図３に示すように、ＡＣ電圧の周波数が１０ｋＨｚの場合、変位電流から求めた電気容量値は、小振幅ＡＣ電圧印加時の静電容量（１．６５ｎＦ）と比べて２倍以上に増大した。これは、第１の時間期間のＤＣ電圧印加（プリチャージ）による電荷の注入によって、ＫＴＮ結晶の誘電率が飛躍的に増大することを示している。誘電率の増大のメカニズムは詳細に検討をしているが、ＫＴＮ結晶中にトラップされた電子がＫＴＮ結晶の誘電率の値に重大な影響を与えていることを示している。このような現象は、電気光学結晶においてはほとんど知られていない。

図４は、本発明の光偏向器における偏向角のＡＣ電圧Ｖｐｐ依存性を示す図である。第２の時間期間のＡＣ電圧の周波数が１０ｋＨｚの場合における、ＫＴＮ偏向器の偏向角のＡＣ電圧Ｖｐｐ依存性を示す。丸のプロットが実際の偏向角の測定値を、四角のプロットが初期設定温度の状態の誘電率ε＝１７，５００であるとして式（１）に従って計算した偏向角を、三角のプロットが図３より導かれる静電容量を用いて計算した偏向角を示す。図４から、本発明の光偏向器における偏向角の大きさは、第２の時間期間のＤＣ電圧をＫＴＮ結晶へ印加した結果として増大した誘電率に従うことがわかる。また、第２の時間期間のＤＣ電圧によってＫＴＮ結晶に電子を注入させて誘電率を２倍以上に増大できた結果、それに応じて偏向角も２倍以上に増大させることができた。

図５は、本発明の光偏向器におけるＫＴＮ結晶の静電容量の駆動電圧依存性（２００ｋＨｚ）を示す図である。図５では、ＤＣ電圧によって電荷を注入させた後に、２００ｋＨｚのＡＣ電圧で駆動した時の、静電容量のＡＣ電圧Ｖｐｐ依存性を示す。第１の時間期間のＤＣ電圧を、±０Ｖから±４００Ｖまで１００Ｖ間隔で変化させた各場合について測定した。図３に示したＡＣ電圧の周波数が１０ｋＨｚの場合とは異なり、ＡＣ電圧の周波数２００ｋＨｚの場合は、その振幅Ｖｐｐを増大させるに従って、静電容量が減少することがわかった。これは、式（３）から明らかなように、ＡＣ電圧の振幅増大に従ってＫＴＮ結晶の誘電率が減少していることを意味する。ＫＴＮの発熱の影響のため誘電率が減少したものと考えられる。サーモビューワーでＫＴＮ結晶の温度を確認したところ、Ｖｐｐ＝７２０Ｖの場合で、ＫＴＮ結晶に５〜７℃の温度上昇が確認された。

図６は、図５に示したデータを使用して計算した誘電率に基づく偏向角の計算値を、偏向角の実測値と比較して示した図である。図５のデータのうち、第１の時間期間のＤＣ電圧が±４００（Ｖ）、ＡＣ電圧Ｖｐｐ＝７２０（Ｖ）の場合の結果を用いて電荷注入時の誘電率を求め、式（１）に基づき算定した偏向角の計算値を三角プロット（△）で示す。同時に、測定により得られた偏向角の実測値を丸プロット（○）によって示す。両者はほぼ一致していることが確認できる。ＡＣ電圧の周波数が２００ｋＨｚの図５および図６の場合、ＡＣ電圧の振幅（Ｖｐｐ）が大きくなると偏向角が飽和するのは、ＫＴＮ結晶の自己発熱による誘電率εの低下が主要因である。この発熱による誘電率の低下は、次の実験によっても確かめられる。

図７は、光偏向器を特定の駆動条件で偏向動作させた場合について、初期設定状態の結晶温度を変えた時の偏向角の変化を示す図である。特定の駆動条件は、第１の時間期間のＤＣ電圧を±４００Ｖ、第２の時間期間のＡＣ電圧の振幅をＶｐｐ＝７２０Ｖ、ＡＣ電圧の周波数を２００ｋＨｚとした。初期設定温度の状態は、ＫＴＮ結晶に、周波数１０ｋＨｚで、Ｖｐｐ＝±１Ｖの小振幅ＡＣ電圧を印加した状態として、このときの変位電流から静電容量を求めた。次に、初期設定温度の状態からＫＴＮ結晶の温度を温度調節器５によって３℃下げた状態を、第１の設定温度状態とした。同様に、初期設定温度の状態からＫＴＮ結晶の温度を５℃下げた状態を、第２の設定温度状態とした。さらに、初期設定温度の状態からＫＴＮ結晶の温度を７℃下げた状態を、第３の設定温度状態とした。初期設定温度の状態および第１の設定温度状態〜第３の設定温度状態の各状態において、プリチャージ前の変位電流を測定して、式（１）から偏向角を計算した。

図７は、横軸に各状態における静電容量の計算値を、縦軸には、ＫＴＮ結晶の温度を各状態に設定した上で上記特定の駆動条件で偏向動作を行ったときの偏向角の実測値を示す。グラフ上のプロット点７１は、初期設定温度から３℃下げた第１の設定温度状態の場合の偏向角を示す。プロット点７２は、初期設定温度から５℃下げた第２の設定温度状態の場合の偏向角を、プロット点７３は、初期設定温度から７℃下げた第３の設定温度状態の場合の偏向角を示す。図７から、ＫＴＮ結晶の温度調節を行っている場合、静電容量および偏向角の間には、ほぼ直線関係が確認できる。式（２）に示したように、静電容量は誘電率に比例するので、偏向角が誘電率εに比例する式（１）に従っていることもわかる。

図７から、非常に振幅が大きく高い周波数のＡＣ電圧の場合であっても、ＫＴＮ結晶の温度を温度調節器によって制御することによって、静電容量（誘電率）と偏向角との間の直線関係が成り立つ。本来、ＡＣ電圧の周波数が２００ｋＨｚと高い場合は、ＫＴＮ結晶の発熱の影響によって誘電率増大の効果が相殺されてしまう。ここで、温度調節器の設定温度を低下させることによって、ＫＴＮ結晶を所望の温度に維持することができる。何らかの理由で、ＫＴＮ結晶の温度が下がった場合も、温度調節器の設定温度を逆に上昇させることによって、ＫＴＮ結晶を所望の温度に維持することができる。

既に述べたように、ＫＴＮ結晶の変位電流を測定することによって、ＫＴＮ結晶の誘電率は式（２）でから求められる。従って、この測定された変位電流が所望の誘電率に対応する電流値に一致するように、ＫＴＮ結晶の温度を制御することによって、２００ｋＨｚのような高い周波数の駆動電圧（ＡＣ電圧）の場合においても、一定の所望の偏向角を有する偏向器として動作させることができる。以上述べたように、本発明の光偏向器では、変位電流をモニターすることによって、結晶の誘電率を推定し、所望の偏向角を維持するように結晶温度を制御する。

したがって、本発明の光偏向器は、対向する面に少なくとも２つの電極８ａ、８ｂを形成した電気光学結晶２であって、前記電極に制御電圧を印加して、電気光学効果により内部の屈折率分布の傾斜を生成することによって、前記制御電圧により形成される電界に概ね垂直に、前記電気光学結晶の１つの端面へ入射する入射光６を偏向させる電気光学結晶と、前記電極に印加する前記制御電圧を生成する制御電圧電源３であって、前記電気光学結晶に、直流電圧または正極性および負極性の直流電圧２２、２３を含む交番電圧からなるトラップ充填電圧と、前記トラップ充填電圧を印加した後に印加する前記制御電圧として、入射光を偏向させる交流偏向電圧とを生成するよう構成された制御電圧電源と、前記電気光学結晶の温度を制御する温度調節手段５であって、前記電気光学結晶を初期温度に設定し、前記交流偏向電圧を印加したときに、前記制御電圧電源から前記電気光学結晶に流れる変位電流７を測定し、前記変位電流が前記電気光学結晶の所望の誘電率に対応する目標変位電流となるように前記電気光学結晶の温度を調節するよう構成された温度調節手段とを備えている。

変位電流は、電流プローブ４などによって検出される。また、直流電圧または正極性および負極性の直流電圧を含む交番電圧をまず印加し、さらに交流偏向電圧を印加して、前記変位電流を測定することで、ＫＴＮ結晶の誘電率を増大させ、これによって偏向角を増大させることができる。

次に、本発明の光偏向器における、電流プローブおよび温度調節器を使用した、より具体的な偏向角の制御方法および制御手順を説明する。

図８は、本発明の光偏向器において、一定の所望の偏向角でＫＴＮ偏向器を偏向動作させるための制御フローを示す図である。本フローに基づく制御を行うことによって、第２の時間区間の駆動電圧であるＡＣ電圧が、２００ｋＨｚにおよぶ高周波数の場合であっても、所望の一定の偏向角を維持したままで偏向動作をさせることができる。

制御フローでは、最初に、ＫＴＮ結晶の駆動を開始する前に、ＫＴＮ結晶の誘電率が所定の値になるように、ＫＴＮ結晶を初期温度に設定する。既に述べたように、例えば、１０ｋＨｚで±１Ｖ程度の小振幅ＡＣ電圧をＫＴＮ結晶に印加する。この小振幅のＡＣ電圧を温度初期設定電圧とする。温度初期設定電圧は、変位電流が測定可能であってＫＴＮ結晶の温度が、その印加によって変化しないような小振幅のＡＣ電圧であれば良い。温度初期設定電圧を印加して電流プローブなどを使用してＫＴＮ結晶を流れる初期変位電流Ｉを測定する。

初期変位電流Ｉから、式（２）および式（３）を使用して、初期誘電率を求める。既知の結晶材料ならびに特定の大きさ、形状の結晶および電極を持ち、プリチャージされていないＫＴＮ結晶については、所定の初期誘電率に対応する初期変位電流を予め特定することができる。また、プリチャージの前後における誘電率の増大量（増大比）が予めわかっていれば、プリチャージ前の初期誘電率と、プリチャージ後の駆動状態で設定したい目標誘電率との関係も知ることができる。初期誘電率に対応する初期変位電流値Ｉとなるように、温度調節器５によってＫＴＮ結晶の温度を設定する（第１のステップ８００）。このときＫＴＮ結晶温度を初期結晶温度とする。

また、駆動信号の周波数および振幅などから、偏向動作を行うときのおおよそのＫＴＮ結晶の温度が予めわかっていれば、初期変位電流を測定せずに、直接、温度調節器５によってデフォルト値の設定温度にＫＴＮ結晶を温度設定しても良い。すなわち、電気光学結晶を、トラップ充電電圧の印加（プリチャージ）の前後における誘電率の関係に基づいて、予め決定したデフォルト値の目標誘電率に対応する結晶温度に初期設定をしても良い
次に第２のステップ８０１において、図２に示したように、第１の時間区間のＤＣ電圧を印加する。その後、第３のステップ８０２において、第２の時間区間のＡＣ電圧を印加する。この状態では、未だ偏向動作を始めてはおらず、ＫＴＮ結晶へのプリチャージによって、図３に示したような誘電率が大きく増大した状態になっている。

第４のステップ８０３において、電流プローブなどによって変位電流を測定する。このとき、このプローブ電流の測定値と式（２）および式（３）から、ＫＴＮ結晶の誘電率を求める。第５のステップ８０４において、誘電率が所望の値（目標誘電率）と異なっている場合（Ｙｅｓ）は、第６のステップ８０５において所望の誘電率となるようにＫＴＮ結晶の温度を温度調節器５によって変更する。すなわち、プローブ電流が、所望の誘電率（目標誘電率）に対応する電流値となるように、ＫＴＮ結晶の温度を制御する。プローブ電流の測定値が所望の誘電率（目標誘電率）に対応する電流値と一致したとき、ＫＴＮ結晶の温度変更を停止する（第６のステップの終了）。

第５のステップ８０４において、誘電率が所望の値（目標誘電率）に一致している場合（Ｎｏ）、および、第６のステップを終了してＫＴＮ結晶の誘電率が所望の値（目標誘電率）に一致している場合は、第７のステップ８０６において、偏向動作を開始する。このような制御によって、ＫＴＮ結晶に高電圧かつ高周波数のＡＣ電圧を印加して発熱による誘電率の低下などが生じた場合であっても、誘電率を一定に維持して、所望の偏向角を有する光偏向器を実現することができる。

したがって、本発明は、光偏向器の制御方法としても実施できる。すなわち、電気光学結晶の対向する面に形成した少なくとも２つの電極に制御電圧を印加して、電気光学効果により前記結晶内の屈折率分布の傾斜を生成することによって、前記制御電圧により形成される電界に概ね垂直に、前記電気光学結晶の１つの端面へ入射する入射光を偏向させる光偏向器の制御方法として実施できる。

本発明の方法は、前記電気光学結晶に、直流電圧または正極性および負極性の直流電圧を含む交番電圧からなるトラップ充填電圧を印加するステップ（８０１）と、前記印加するステップに引き続き、前記制御電圧として、交流電圧を印加して（８０２）、前記制御電圧電源から前記電気光学結晶に流れる変位電流を測定するステップ（８０３）と、前記変位電流が前記電気光学結晶の所望の誘電率に対応する目標変位電流となるように前記電気光学結晶の温度を調節するステップ（８０５）と、前記変位電流が前記目標変位電流に一致したあとで、偏向動作を開始するステップ（８０６）とを備える。

図８に示した制御フローは、光偏向器をどのような応用で使用するかによって様々な変形が可能である。例えば、ある一定時間の間に偏向動作を１度だけ行うような応用例では、図８の制御フローのように偏向動作開始（８０６）の前に、一度だけ、第１のステップ８００から第６のステップ８０５までを実行すれば良い。また、複数回の偏向動作を繰り返すような応用例の場合には、偏向動作開始の後で、偏向動作を停止している間に、第２のステップ８０１から第６のステップ８０５までを実行しても良い。また、各繰り返しの偏向動作８０６中に測定できるプローブ電流を利用して、偏向動作を停止している間に第５のステップ８０５の温度変更のみを実行しても良い。また、入射光の偏向動作８０６を行っている最中に、ＫＴＮ結晶の温度変更を実行しても良い。従って本発明では、結晶を流れる変位電流（プローブ電流）に基づいて、電気光学結晶の現在の推定誘電率を求めて、推定誘電率と目標誘電率との比較に基づいて、ＫＴＮ結晶の温度を制御する点が重要である。

上述のように、本発明の光偏向器では、駆動電圧であるＡＣ電圧（例えば、１０ｋＨｚまたは２００ｋＨｚ）を印加するのに先立って、第１の時間区間にＤＣ電圧を印加することによりＫＴＮ結晶の誘電率を増大させ、これによって偏向角を増大させることができる。さらに、図８に示したようなＫＴＮ結晶の温度の制御フローを偏向器の駆動動作前または駆動動作中に含めることによって、２００ｋＨｚに達するような高い周波数のＡＣ電圧を印加した場合においても、所望の偏向角を有する光偏向器を実現することができる。ＫＴＮ結晶の発熱により結晶温度が上昇し、それに伴って誘電率が減少することは避けられない。そこで、ＫＴＮ結晶を流れる変位電流をモニターし、所望の電流値になるよう温度調整器の設定温度をコントロールすることによって、所望の偏向角を有する光偏向器を実現することができる。なお、本発明の光偏向器における誘電率の制御は、上述の説明におけるＡＣ電圧の周波数が１０ｋＨｚおよび２００ｋＨｚの場合に限られず、ＤＣからＫＴＮの電気光学効果が低下しない数百ＭＨｚまで同様の効果を有する。以下、より具体的な実施例について説明する。

図１を再び参照すると、図１は、本発明の実施例１のＫＴＮ偏向器を備えた光偏向器１の構造を示す。温度調節器５としてペルチェ素子を用いたが、ヒータでもかまわない。図２には、本実施例の光偏向器に印加したＤＣ電圧およびＡＣ電圧波形の一例を示した。尚、図２のＡＣ電圧２１にはＤＣバイアス電圧が掛ってはいないが、任意のＤＣ電圧バイアスが重畳されたＡＣ電圧を印加しても良い。ＫＴＮ結晶２は、４×３.２×１．２ｍｍ^３のサイズを持ち、上下の電極は４×３．２ｍｍ^２のサイズを持つ。まず、ＤＣ電圧を印加して結晶に電荷をプリチャージする前に、ＫＴＮ結晶が立方晶において誘電率が１７，５００となるように、温度調節器５によって結晶の温度調節を行った。このときの温度初期設定電圧は、１０ｋＨｚで±１Ｖ程度の小振幅ＡＣ電圧である（図８の８００に対応）。

続いて図２に示したように、正のＤＣ電圧４００Ｖを所定の時間印加した後、引き続き負のＤＣ電圧−４００Ｖを所定の時間印加して電荷を注入させた（図８の８０１に対応）。その後に、１０ｋＨｚのＡＣ電圧でＫＴＮ偏向器を駆動し図８の８０２に対応）、プローブ電流値をモニターした（図８の８０３に対応）。実施例１の場合、周波数１０ｋＨｚのＡＣ電圧を印加しても、発熱はほとんど生じない。したがって、初期設定温度とほぼ同じ温度で、所望の偏向角を与える光偏向器を実現できる（図８の８０４でＮｏの場合に対応）。

外部環境の影響によりプローブ電流値が所望の値と異なった場合は、所望の電流値と同じになるようにＫＴＮ結晶を温度調節した（図８の８０５に対応）。これにより所望の偏向角を与える光偏向器を実現できた。本発明の光偏向器では、第１の時間区間におけるＤＣ電圧の印加によって結晶内に電子を注入させて、誘電率を２倍以上にできた。その結果、偏向角も２倍以上に増大させることができた。１７０ｍｒａｄ以上の極めて大きい偏向角を実現することができた。

本発明の実施例２のＫＴＮ偏向器は、図８に示すフロチャートに従って、初期設定温度を設定後、さらにＫＴＮ結晶の温度を幅広く調整し、所望の偏向角を実現するものである。図５は、本実施例の光偏向器におけるＫＴＮ結晶の静電容量の駆動電圧依存性（２００ｋＨｚ）を示す図である。図５では、ＤＣ電圧によって電荷を注入させた後（図８の８０１に対応）に、２００ｋＨｚのＡＣ電圧で駆動した時（図８の８０２に対応）の、静電容量のＡＣ電圧Ｖｐｐ依存性を示す。

本実施例でも、温度初期設定電圧は、１０ｋＨｚで±１Ｖ程度の小振幅ＡＣ電圧である（図８の８００に対応）。このときの初期静電容量が１．６５ｎＦ（ε＝１７，５００）となるように温度調節した（図８の８００に対応）。温度調節を行わない場合、駆動電圧であるＡＣ電圧の周波数が比較的低い１０ｋＨｚの実施例１とは異なり、図５に示すように、静電容量すなわち誘電率の減少が見られた。すなわち、第１の時間区間において電荷を注入するＤＣ電圧が高いときに（例えば±４００Ｖ）は、ＡＣ電圧振幅（図５の横軸のＶｐｐ）を増大させるにしたがって、静電容量すなわち誘電率（図５の縦軸）の値が減少する。これはＫＴＮの発熱の影響のため誘電率が減少したものと考えられる。サーモビューワーでＫＴＮ結晶の温度を確認したところ５〜７℃の温度上昇が確認された。本実施例のようにＡＣ電圧の周波数が２００ｋＨｚに達する場合は、結晶の発熱の影響のために、プリチャージによる誘電率増大の効果が相殺されていると考えられる。

そこで、図８に示した制御フローに従って、ＫＴＮ結晶を初期設定温度に設定後、さらにＫＴＮ結晶の温度を調整して、偏向動作においてもＫＴＮ結晶が所定の誘電率となるように制御する。具体的には、ＡＣ電圧印加後に、ＫＴＮ結晶のプローブ電流をモニターしながらＫＴＮ結晶の温度を制御した。

具体的には、図２に示したように、正のＤＣ電圧４００Ｖを所定の時間印加した後、引き続き負のＤＣ電圧−４００Ｖを所定の時間印加して、ＫＴＮ結晶に電荷を注入した（図８の８０１に対応）。さらに、振幅Ｖｐｐ＝７２０ＶのＡＣ電圧を印加した後に（図８の８０２に対応）、プローブ電流によりＫＴＮ結晶の変位電流をモニターする（図８の８０３に対応）。ここで、測定されたプローブ電流が、所望の誘電率（目標誘電率）に対応する所望の電流値に達していない場合は、プローブ電流の測定値が所望の電流値になるよう、光偏向器の温度調整器の設定温度を変更した（図８の８０５に対応）。偏向電圧であるＡＣ電圧の周波数が２００ｋＨｚの場合においても、偏向角は１５０ｍｒａｄ以上の極めて大きい、一定値の所望の偏向角を実現することができた。

上述の図８に示した制御フローは制御装置または制御システムによって実行できる。すなわち、図１には示されていない中央処理装置（ＣＰＵ）またはコンピュータ装置などの制御の下で、プローブ電流（変位電流７）の検出手段、電源３の各電圧の制御手段、および、温度調節器５の制御装置などを介して、ＫＴＮ結晶２の誘電率を制御する装置またはシステムとして構成することができる。

本発明により、高速性とともに、必要十分な最大偏向角が安定して得られる光偏向器が実現される。

本発明は、偏向機能を持つ光学装置に利用することができる。特に、光偏向器に利用することができる。

１ 光偏向器
２ 電気光学結晶
３ 電源
４ 電流プローブ
５ 温度調節器
８ａ、８ｂ 電極

Claims (7)

1. 対向する面に少なくとも２つの電極を形成した電気光学結晶であって、前記電極に制御電圧を印加して、前記制御電圧により形成される電界に概ね垂直に、前記電気光学結晶の１つの端面へ入射する入射光を偏向させる電気光学結晶と、
   前記電極に印加する前記制御電圧を生成する制御電圧電源であって、
   前記電気光学結晶に、直流電圧または正極性および負極性の直流電圧を含む交番電圧からなるトラップ充填電圧と、
   前記トラップ充填電圧を印加した後に印加する前記制御電圧として、入射光を偏向させる交流偏向電圧と
   を生成するよう構成された制御電圧電源と、
   前記電気光学結晶の温度を制御する温度調節手段であって、
   前記電気光学結晶を初期温度に設定し、
   前記交流偏向電圧を印加したときに、前記制御電圧電源から前記電気光学結晶に流れる変位電流を測定し、
   前記変位電流が前記電気光学結晶の所望の誘電率に対応する目標変位電流となるように前記電気光学結晶の温度を調節するよう構成された温度調節手段と
   を備えたことを特徴とする光偏向器。
2. 前記直流電圧または正極性および負極性の直流電圧を含む前記交番電圧を印加し、さらに前記交流偏向電圧を印加して、前記変位電流を測定することを特徴とする請求項１に記載の光偏向器。
3. 前記温度調節手段によって、前記変位電流の測定値が前記目標変位電流に一致した後で、前記入射光の偏向動作を開始することを特徴とする請求項１に記載の光偏向器。
4. 前記電気光学結晶は、タンタル酸ニオブ酸カリウム（ＫＴａ_１-ｘＮｂ_ｘＯ_３（０＜ｘ＜１）結晶、またはリチウムを添加したＫ_１−ｙＬｉ_ｙＴａ_１-ｘＮｂ_ｘＯ_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乃至３いずれかに記載の光偏向器。
5. 電気光学結晶の対向する面に形成した少なくとも２つの電極に制御電圧を印加して、前記制御電圧により形成される電界に概ね垂直に、前記電気光学結晶の１つの端面へ入射する入射光を偏向させる光偏向器の制御方法において、
   前記電気光学結晶に、直流電圧または正極性および負極性の直流電圧を含む交番電圧からなるトラップ充填電圧を印加するステップと、
   前記印加するステップに引き続き、前記制御電圧として、交流電圧を印加して、前記制御電圧電源から前記電気光学結晶に流れる変位電流を測定するステップと、
   前記変位電流が前記電気光学結晶の所望の誘電率に対応する目標変位電流となるように前記電気光学結晶の温度を調節するステップと
   を備えることを特徴とする光偏向器の制御方法。
6. 前記印加するステップに先立って、前記電気光学結晶の温度を上昇させない振幅値および周波数を持つ温度初期設定電圧を印加して、このときに測定される初期変位電流に基づいて、前記電気光学結晶の初期温度を設定するステップ
   をさらに備えることを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 前記変位電流が前記目標変位電流に一致した後で、前記入射光の偏向動作を開始するステップをさらに備えることを特徴とする請求項５に記載の方法。

Images