JP2015045732A - Ｋｌｔｎ光偏向器 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、入射光の波長の短波長化や入射光の光強度の増加による偏向特性の劣化が抑制されたＫＬＴＮ光偏向器を提供する。
【解決手段】本発明のＫＬＴＮ光偏向器は、電子トラップを有するＫ_1-yＬｉ_yＴａ_1-xＮｂ_xＯ₃（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、ＫＬＴＮ）結晶と、前記ＫＬＴＮ結晶に電圧を印加するための電極対とを備え、前記電極対の間に電圧を印加することにより、前記ＫＬＴＮ結晶に入射した光を偏向させるＫＬＴＮ光偏向器であって、カリウムＫとリチウムＬｉの割合を示すｙの値が０．００２以下であることを特徴とする。
【選択図】図７

Description

本発明は、ＫＬＴＮ光偏向器に関し、より詳細には、入射光波長の短波長化と入射光の光出力の増加に伴う偏向特性の変化が抑制されたＫＬＴＮ光偏向器に関する。

Ｋ_1-yＬｉ_yＴａ_1-xＮｂ_xＯ₃（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、ＫＬＴＮ）結晶は、電界の大きさに応じて屈折率が変化する電気光学効果が非常に大きいことから、ＫＬＴＮ結晶を使用することにより高効率な光デバイスを実現することが可能である。

ＫＬＴＮ結晶を用いた光偏向器は、ＫＬＴＮ結晶にオーミック接触するような電極材料を取り付けてＫＬＴＮ結晶に電圧を印加する。ＫＬＴＮ結晶に電圧を印加すると、ＫＬＴＮ結晶中へ電子が注入され、空間電荷制限状態となる。空間電荷制限状態では、電界強度が空間分布を持つため、電気光学効果により空間的な屈折率の分布が発生し、その結果光偏向が実現される（特許文献１）。

高速で光偏向器を動作させる場合（例えば、１０ｋＨｚ以上の場合）には、高周波の駆動電圧をＫＬＴＮ結晶に印加する前に、直流電圧あるいは駆動電圧より低周波の電圧をＫＬＴＮ結晶に印加し、予めＫＬＴＮ結晶中の電子トラップに電子を捕獲させておく。これにより、電子の移動速度が駆動電圧に追従できない場合でも、ＫＬＴＮ結晶内に屈折率の傾斜を生成することが可能となり、高速な光偏向が実現できる（特許文献２）。

国際公開第２００６／１３７４０８号パンフレット 特開２０１１−１８６２１８号公報

しかしながら、ＫＬＴＮ結晶を用いた光偏向器への入射光の波長を短波長化する、あるいは入射光の光強度を増加することにより、ＫＬＴＮ結晶中の電子トラップに捕獲された電子が入射光で励起される。ＫＬＴＮ結晶を用いた光偏向器において、偏向角は時間の経過に従って小さくなっていくが、ＫＬＴＮ結晶中の電子トラップに捕獲された電子が励起されることによりこの小さくなる度合がより早くなるため、光偏向器の偏向特性が劣化してしまうという問題があった。

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、Ｌｉの添加量を変化させることにより、ＫＬＴＮ光偏向器への入射光の波長が短波長化されたり、入射光の光強度が増加されたりすることによる、偏向特性の劣化が抑制されたＫＬＴＮ光偏向器を提供することにある。

本発明の請求項１に記載のＫＬＴＮ光偏向器は、電子トラップを有するＫ_1-yＬｉ_yＴａ_1-xＮｂ_xＯ₃（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、ＫＬＴＮ）結晶と、前記ＫＬＴＮ結晶に電圧を印加するための電極対とを備え、前記電極対の間に電圧を印加することにより、前記ＫＬＴＮ結晶に入射した光を偏向させるＫＬＴＮ光偏向器であって、カリウムＫとリチウムＬｉの割合を示すｙの値が０．００２以下であることを特徴とする。

本発明の請求項２に記載のＫＬＴＮ光偏向器は、本発明の請求項１に記載のＫＬＴＮ光偏向器であって、前記ＫＬＴＮ光偏向器に入射される光は、可視光であることを特徴とする。

本発明に係る光偏向器によると、ＫＬＴＮ結晶のＫに比したＬｉの添加量を０．００２以下とすることにより、高速動作時において、ＫＬＴＮ光偏向器への入射光の波長が短波長化されたり、入射光の光強度が増加されたりすることによる偏向特性の劣化を抑制することが可能となる。

本発明に係るＫＬＴＮ光偏向器で高速光偏向動作を実現するための基本的な電圧印加方法の説明図である。 本発明の実施例に係るＫＬＴＮ光偏向器の偏向角を測定するための評価系を示す図である。 Ｌｉ添加量ｙ＝０．０５のサンプルに波長６５８ｎｍの光を入射した場合における、電子トラップに捕獲された電子密度の時間変化を表すグラフである。 Ｌｉ添加量ｙ＝０．０５のサンプルに波長４８８ｎｍの光を入射した場合における、電子トラップに捕獲された電子密度の時間変化を表すグラフである。 Ｌｉ添加量ｙ＝０．００２のサンプルに波長６５８ｎｍの光を入射した場合における、電子トラップに捕獲された電子密度の時間変化を表すグラフである。 Ｌｉ添加量ｙ＝０．００２のサンプルに波長４８８ｎｍの光を入射した場合における、電子トラップに捕獲された電子密度の時間変化を表すグラフである。 本発明に係るＫＬＴＮ光偏向器を示す図である。

図７は、本発明に係るＫＬＴＮ光偏向器を示す。図７には、光を入出射するための研磨面を備えたＫ_1-yＬｉ_yＴａ_1-xＮｂ_xＯ₃（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、ＫＬＴＮ）結晶７０１と、ＫＬＴＮ結晶７０１に設けられた電極対７０２とを備えたＫＬＴＮ光偏向器７００が示されている。電極対７０２には電圧発生器７０３が接続されており、電極対７０２は、ＫＬＴＮ結晶７０１に対向して設けられている。ＫＬＴＮ結晶７０１は電極対７０２を介して電圧発生器７０３から電圧が印加される。

図７に示されるように、入射光は、電極対７０２による電圧印加によってＫＬＴＮ結晶７０１に発生した電界の方向と直交するようにＫＬＴＮ光偏向器７００に入射し、ＫＬＴＮ結晶７０１において光偏向を受けて出射光としてＫＬＴＮ光偏向器７００から出射する。

ＫＬＴＮ結晶７０１は、電子トラップを有している。高速でＫＬＴＮ光偏向器７００を動作させる場合には、電極対７０２によってＫＬＴＮ結晶７０１に高周波の駆動電圧を印加する前に、後述する図１に示されるようにＫＬＴＮ結晶７０１に直流電圧を所定期間印加することにより、ＫＬＴＮ結晶７０１中の電子トラップで電子を捕獲してＫＬＴＮ結晶７０１中に電界分布を形成する。ＫＬＴＮ結晶７０１は、高速動作時におけるＫＬＴＮ光偏向器７００の偏向特性の劣化を抑制するために、以下で詳細に説明するように、カリウムＫとリチウムＬｉとの割合を示すｙの値が０．００２以下となっている。

以下、本発明のＫＬＴＮ光偏向器に係る各要素について、詳細に説明する。

（ＫＬＴＮ結晶）
ＫＬＴＮ結晶は、ペロブスカイト構造であり、低温から温度を上昇させるに従って、逐次相転移をおこし、菱面体相、斜方相、正方相、立方相と変化するが、その相転移温度はいずれもＬｉの割合ｙ及びＮｂの割合ｘを増やすことで上昇する。光偏向器としてＫＬＴＮ結晶を用いる場合、立方相で用いるため、正方相から立方相への相転移温度が０〜１００℃程度となるように、結晶育成時にＬｉ及びＮｂの量を調整することが好ましい。

ＫＬＴＮ結晶はｙ＝０．０２〜０．０５とすると、大型で高品質な結晶を得やすいが、後述するように、Ｌｉの添加量が少ない方が入射光の短波長化や高出力化による特性変化を抑制できるため、本発明に係るＫＬＴＮ結晶はｙ≦０．００２とする。

育成されたＫＬＴＮ結晶は、光偏向器として用いるために、直方体に切り出され、光の入出射面の対向する２面が光学研磨される。切り出されたＫＬＴＮ結晶において電極対を形成する対向する２面は研磨してもしなくてもよい。

立方相のＫＬＴＮ結晶の電気光学効果は、印加電界の２乗に比例して屈折率が変化する２次の電気光学効果であるが、その比例係数は誘電率の２乗に比例するため、誘電率が大きい温度領域でＫＬＴＮ結晶を用いることにより、高効率な光偏向器を実現することができる。正方相から立方相へ相転移する温度をＴｃとすると、ＫＬＴＮ結晶を使用する温度領域は通常Ｔｃ〜Ｔｃ＋１０（℃）程度である。

（ＫＬＴＮ光偏向器への入射光の波長）
ＫＬＴＮ結晶のバンドギャップ波長は４００ｎｍであり、これ以下の波長の光はＫＬＴＮ結晶中で吸収されてしまうため、入射光として使用できない。波長が４００ｎｍ以上でも、後述する電子トラップに捕獲された電子が励起される影響により光偏向器の特性に波長依存性が生じる。波長依存性は可視光領域で顕著に現れるため、本明細書において短波長化とは、特に可視光領域において波長が短くなることを指す。

（電極対の電極材料）
ＫＬＴＮ結晶で光偏向動作をさせるには、ＫＬＴＮ結晶への電圧印加に伴って電極からＫＬＴＮ結晶に電子が注入される必要がある。電極材料の仕事関数が小さいほど、電極とＫＬＴＮ結晶との界面に形成されるエネルギー障壁は小さいため、オーミック接触が形成され電子が注入されやすくなるが、電極対７０２の電極材料の仕事関数は５．０ｅＶ以下であればよい。また、ＫＬＴＮ結晶に接触する電極材料が仕事関数５．０ｅＶ以下の金属であれば、さらにその上に別の金属やその他の材料を積層させてもよい。

（電子トラップ）
電子トラップは、結晶中において価電子帯と伝導帯との間にエネルギー準位を持つ欠陥サイトのうち、熱平衡状態で電子が充填されていないサイトを指す。電圧印加によって電子はＫＬＴＮ結晶の伝導帯に注入されるが、その伝導帯の電子は、ある確率で電子トラップに捕獲される。一旦捕獲された電子は、電圧印加終了後も電子トラップに留まるため、結晶中で真電荷として働き、電界分布を形成する。捕獲された電子は、熱や光などの外的刺激によって伝導帯へと励起された後、結晶の外へと放出されるため、その密度は時間の経過とともに減少していく。

ＫＬＴＮ光偏向器の高速光偏向動作時は、後述するように、ＫＬＴＮ光偏向器の偏向角がＫＬＴＮ結晶中の電子トラップに捕獲された電子の密度に比例するため、電子トラップに捕獲された電子の密度が大きく、かつ時間変化が小さいことが望ましい。光偏向器として実用的な偏向角（ここでは解像点数にして５点程度とした）を得るには、電子トラップに捕獲された電子の密度が１０^２０［ｍ^−３］以上である必要がある。

（高速光偏向）
図１に、本発明に係るＫＬＴＮ光偏向器７００において高速光偏向動作を実現するための基本的な電圧印加方法を示す。図１に示されるように、駆動電圧の印加前に、正の直流電圧１０１を印加時間１０３の間印加した後、負の直流電圧１０２を印加時間１０４の間印加する。これによりＫＬＴＮ結晶中の電子トラップに電子が捕獲され、正負の直流電圧を切った後も電界の分布が残る。

電子トラップに捕獲された電子が結晶中で一様となるように正の直流電圧１０１及び負の直流電圧１０２の大きさと印加時間１０３及び１０４とを調整する。この場合、正負の電圧印加後に結晶中に残る電界分布をＥ（ｘ）とし、ｅを電子素量、εを誘電率、ＫＬＴＮ結晶中の電子トラップに捕獲される電子の密度をＮとすると、ガウスの法則は以下の（式１）のように表すことができる。

ここで、正の直流電圧１０１を印加した時の陰極を位置の基準とし、その基準から他方の電極に向かった距離をｘとする。（式１）を積分すると、以下の（式２）となる。

Ｅ（０）はｘ＝０での電界である。電界を位置で積分すると電極間の電圧Ｖになるので、電極間の距離をｄとすると、以下の（式３）のように表すことができる。

ここでは、駆動電圧印加前における正負の電圧印加直後の電界分布を考えているので、（式３）においてＶ＝０とすると、Ｅ（０）は以下の（式４）のように表わすことができる。

（式４）を（式２）に代入すると、駆動電圧印加前にＫＬＴＮ結晶中に生成された電界分布Ｅ（ｘ）を示す（式５）が得られる。

次に、この状態のＫＬＴＮ結晶に駆動電圧１０５を印加しているときにおけるＫＬＴＮ光偏向器の偏向角の式を導出する。駆動電圧１０５の変調周波数が十分に大きい場合、駆動電圧印加により注入される電子は移動距離が十分に小さいため、その影響を無視することができる。つまり、ＫＬＴＮ結晶中の真電荷の量は予め電子トラップに捕獲されているＮだけであり、駆動電圧の印加中も（式１）及び（式２）は成り立つことになる。駆動電圧印加による電子の注入が無視できるほど小さくなるのは、例えば駆動電圧の振幅が１００Ｖ、その変調周波数が１０ｋＨｚ以上の場合である。

駆動電圧１０５のある時刻における値がＶのとき、Ｅ（０）は（式３）から以下の（式６）のように表すことができる。

（式６）を（式２）へ代入すると、電界分布Ｅ（ｘ）は以下の（式７）のように表すことができる。

ＫＬＴＮ結晶は、立方相で２次の電気光学効果（カー効果）を有するため、ｎをＫＬＴＮ結晶の屈折率、ｇ_ｉｊをＫＬＴＮ結晶の電気光学係数とすると、ＫＬＴＮ結晶の屈折率の変化量Δｎ（ｘ）は以下の（式８）のように表すことができる。

（式８）に（式７）を代入すると、以下の（式９）となる。

従って、ＫＬＴＮ結晶の長手方向の長さをＬとすると、偏向角θ（ｘ）は以下の（式１０）となる。

特に、電極間の中心に光を通す場合、ｘ＝ｄ／２となり、偏向角θは以下の（式１１）となる。

よって、ＫＬＴＮ光偏向器の偏向特性の時間変化は、上述したようにＮの時間変化により引き起こされる。駆動電圧１０５を印加する前に、正の直流電圧１０１及び負の直流電圧１０２を印加しなかった場合、あるいはその印加時間１０３、１０４が短かった場合、電子トラップに捕獲される電子密度が０となってしまい、当然、駆動電圧１０５を印加しても光偏向は起こらない。

（実施例）
図２は、本発明の実施例に係るＫＬＴＮ光偏向器において、ＫＬＴＮ光偏向器の偏向角を測定するための評価系を示す。図２には、レーザー２０１と、可変ＮＤフィルタ２０２と、偏光子２０３と、ピンホール２０４と、ＫＬＴＮチップ２０５と、電極対２０６と、ＣＣＤカメラ２０７とからなる評価系２００が示されている。

ＫＬＴＮチップ２０５としては、Ｌｉ添加量がｙ＝０．０５とｙ＝０．００２のＫＬＴＮ結晶であって、長手方向（光入射方向）の長さが４ｍｍ、幅方向の長さが３．２ｍｍ、厚みが１ｍｍのＫＬＴＮ結晶を作製した。ＫＬＴＮチップ２０５の光入射面（３．２×１ｍｍ^２の２面）と電極面（４×３．２ｍｍ^２の２面）の４面は研磨されている。

ＫＬＴＮ結晶の電極面と接触するようにチタンを蒸着し、蒸着したチタンに積層するように白金と金を蒸着することにより、長手方向に３．４ｍｍ、幅方向に３．１５ｍｍの電極対２０６をＫＬＴＮチップ２０５に形成した。チタンがＫＬＴＮ結晶と接触することにより、電極とＫＬＴＮ結晶はオーミック接触となり、電圧印加によりＫＬＴＮ結晶に電子を注入することができる。

図２に示される評価系２００でＫＬＴＮチップ２０５の偏向角θを測定し、（式１１）を用いて、ＫＬＴＮチップ２０５の電子トラップに捕獲された電子密度Ｎに換算し、その時間変化を調べた。

評価系２００において、ＫＬＴＮチップ２０５の比誘電率が１５０００となるように温度制御した状態で測定を行うため、ｙ＝０．０５のＫＬＴＮチップ２０５の温度は３６．８℃とし、ｙ＝０．００２のＫＬＴＮチップ２０５の温度は５３．２℃とした。駆動電圧は、振幅が１００Ｖで周波数が１０ｋＨｚのサイン波とし、その駆動電圧を印加する前に、ＫＬＴＮチップ２０５に、正の直流電圧４００Ｖを０．５秒印加し、負の直流電圧−４００Ｖを０．５秒印加した。

レーザー２０１から出力されたレーザー光は、光パワーが可変ＮＤフィルタ２０２により調整されて偏光子２０３に入射し、偏光子２０３で電極対２０６による印加電界と平行な偏波が選択されて、直径２００μｍのピンホール２０４を通過してＫＬＴＮチップ２０５に入射し、ＫＬＴＮチップ２０５において光偏向を受けて出射し、ＣＣＤカメラ２０７により観測される。レーザー２０１として波長４８８ｎｍのレーザー及び波長６５８ｎｍのレーザーをそれぞれ用い、ピンホール２０４通過後のレーザー光の光パワーが１０ｎＷ又は１００ｎＷの場合について、駆動電圧印加中にＫＬＴＮチップ２０５から出射した光の軌跡をＣＣＤカメラ２０７で観測することにより、偏向角の時間変化を測定した。

図３乃至図６に、図２に示される評価系２００を用いて測定した、ＫＬＴＮチップ２０５の電子トラップに捕獲された電子の密度（グラフではＮ_ｔｒａｐと表記）の時間変化を示した。図３はｙ＝０．０５のサンプルに波長６５８ｎｍの光を入射した時の結果、図４はｙ＝０．０５のサンプルに波長４８８ｎｍの光を入射した時の結果、図５はｙ＝０．００２のサンプルに波長６５８ｎｍの光を入射した時の結果、図６はｙ＝０．００２のサンプルに波長４８８ｎｍの光を入射した時の結果を示す。

図３及び図４から理解されるように、Ｌｉ添加量の多いｙ＝０．０５のサンプルは、いずれの波長の光でも光パワーが１０ｄＢ増大することに伴って、電子の密度Ｎ_ｔｒａｐの時間変化が加速されている。例えば、電子の密度Ｎ_ｔｒａｐが１．０×１０^２０［ｍ^−３］以下になる時間は、図３において光パワーが１００ｎＷの場合は１０ｎＷの場合と比較して約１／４、図４において光パワーが１００ｎＷの場合は１０ｎＷの場合と比較して約１／７と大幅に短縮されており、時間変化が加速している様子がわかる。また、図３及び図４の１０ｎＷ同士及び１００ｎＷ同士を比較すると、電子の密度Ｎ_ｔｒａｐが１．０×１０^２０［ｍ^−３］以下になる時間は、図４に示される波長４８８ｎｍでより短波長の場合の方が短く、時間変化が加速している様子がわかる。

一方、図５及び図６に示されるように、Ｌｉ添加量の少ないｙ＝０．００２のサンプルは、波長が６５８ｎｍおよび４８８ｎｍのいずれの場合であっても、電子の密度Ｎ_ｔｒａｐの時間変化は、光パワーを１０ｄＢ増加してもほとんど変化しない。また、図５及び図６の１０ｎＷ同士及び１００ｎＷ同士を比較しても、電子の密度Ｎ_ｔｒａｐの時間変化はほとんど変化しない。

ＫＬＴＮ光偏向器では、偏向角の再現性の観点から、入射光の波長や光強度が変化しても、偏向角に変化がないことが望ましいため、図３及び図４のようにＬｉ添加量ｙを０．００５とした場合よりも、図５及び図６のように０．００２以下とした場合の方が有利な効果を奏することができる。

以上により、Ｌｉ添加量を０．００２以下とすることで、入射される光の波長が短波長化されたり、入射光の光出力が増加されたりすることによる、偏向特性の変化が抑制されるという効果が確認できた。

評価系 ２００
レーザー ２０１
可変ＮＤフィルタ ２０２
偏光子 ２０３
ピンホール ２０４
ＫＬＴＮチップ ２０５
電極対 ２０６、７０２
ＣＣＤカメラ ２０７
ＫＬＴＮ光偏向器 ７００
ＫＬＴＮ結晶 ７０１
電圧発生器 ７０３

Claims (2)

1. 電子トラップを有するＫ_1-yＬｉ_yＴａ_1-xＮｂ_xＯ₃（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、ＫＬＴＮ）結晶と、
   前記ＫＬＴＮ結晶に電圧を印加するための電極対と
   を備え、前記電極対の間に電圧を印加することにより、前記ＫＬＴＮ結晶に入射した光を偏向させるＫＬＴＮ光偏向器であって、
   カリウムＫとリチウムＬｉの割合を示すｙの値が０．００２以下であることを特徴とするＫＬＴＮ光偏向器。
2. 前記ＫＬＴＮ光偏向器に入射される光は、可視光であることを特徴とする請求項１に記載のＫＬＴＮ光偏向器。

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