JP2015212734A

JP2015212734A - 光偏向器の製造方法および光偏向器

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Publication number: JP2015212734A
Application number: JP2014094724A
Authority: JP
Inventors: 純宮津; Jun Miyatsu; 今井　欽之; Kaneyuki Imai; 欽之今井; 豊田　誠治; Seiji Toyoda; 誠治豊田; 小林　潤也; Junya Kobayashi; 潤也小林
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2014-05-01
Filing date: 2014-05-01
Publication date: 2015-11-26
Anticipated expiration: 2034-05-01
Also published as: JP6291339B2

Abstract

【課題】偏向効率の低下を抑制することができる光偏向器の製造方法を提供する。【解決手段】電気光学効果を有する電気光学結晶と、前記電気光学結晶の対向する面に形成された電極対とを含む光偏向器の製造方法であって、前記電極対の間に電圧を印加したとき、印加電圧による電界と垂直な偏波方向の光が感じる第１の屈折率変化量を算出するステップと、前記印加電圧による光弾性効果により発生する屈折率変化量であって、前記印加電圧による電界と垂直な偏波方向の光が感じる第２の屈折率変化量を算出するステップと、前記第１の屈折率変化量と前記第２の屈折率変化量との和が０となるように、前記電気光学結晶を透過する光の光軸と垂直な方向の前記電極対の幅を決定するステップとを備えた。【選択図】図２

Description

本発明は、電気光学効果を有する電気光学結晶を用いた光偏向器の製造方法および光偏向器に関する。

電気光学結晶を用いた様々な光学素子が検討されている。このような光学素子は、電気光学結晶に電圧を印加すると、電気光学効果により結晶内の屈折率が変化することを利用して、結晶内を透過する光を制御している。電気光学結晶として、ＫＴａ_１−ｘＮｂ_ｘＯ_３（ＫＴＮ）結晶、ＫＴＮにリチウムを添付したＫ_１−ｙＬｉ_ｙＴａ_１−ｘＮｂ_ｘＯ_３（ＫＬＴＮ）結晶が知られている。ＫＴＮ結晶、ＫＬＴＮ結晶を用いた光学素子は、電圧印加により結晶中に注入される空間電荷によって電界の分布を結晶内に発生させ、その結果、電気光学効果によって屈折率分布が形成され、光を偏向している（例えば、特許文献１、非特許文献１参照）。ＫＴＮ結晶、ＫＬＴＮ結晶を用いた光偏向器の応用範囲は、レーザー加工、顕微鏡、プリンタ、ディスプレイ、光通信、センシング、計測などと幅広い分野に及ぶ。

ＫＬＴＮ結晶を用いた光偏向器は、単体で使用すると、原理的に偏波依存性を示す。そこで、ＫＬＴＮ結晶の対向する面に１対の電極対を形成し、電圧を印加する場合、印加電圧の方向に平行な偏波方向の光のみを入力していた。すなわち、直線偏波のレーザー光源と組み合わせて使用されていた。より幅広い応用のために、光源の偏波に依存しないことが望ましく、ＫＬＴＮ光偏向器の偏波無依存化が望まれている。

図１に、従来の偏波無依存型のＫＬＴＮ光偏向器の構成を示す。ＫＬＴＮ光偏向器は、ＫＬＴＮ結晶の対向する面（ｘｚ平面）に１対の電極対が形成された２つの単位光偏向器１１，１２を、半波長板１３を挟んで、光軸（ｚ軸）上に配置している。単位光偏向器１１，１２の電極を形成した面は同一であり、電圧の印加方向（ｙ軸）も同一である。単位光偏向器１１，１２の間の光路上に半波長板を配置することにより、２つの単位光偏向器が、それぞれ異なる偏波の光に作用することにより、偏波無依存化を達成していた。

国際公開第ＷＯ２００６／１３７４０８号

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.

ＫＬＴＮ結晶に電圧を印加した際の屈折率変化は、印加電圧により形成される電界の方向によって異なることが知られている。すなわち、印加電圧による電界と平行な偏波方向の光が感じる屈折率変化Δｎ_１は（式１）で表され、この電界と垂直な偏波方向の光が感じる屈折率変化Δｎ_２は（式２）で表される。

ここで、ｎは屈折率、ｇ_１１は電界に平行な偏波方向の電気光学係数、ｇ_１２は電界に垂直な偏波方向の電気光学係数、εは電気光学結晶の誘電率、Ｅは電気光学結晶に印加される電界である。（式１）におけるｇ_１１は正の値、ｇ_１２は負の値となる。従って、図１の単位光偏向器１１に入射された入射光のうち、印加電圧による電界の方向（ｙ軸）と垂直な偏波方向（ｘ軸）の光は、負の電気光学係数による屈折率変化の影響を受ける。次に、入射光は、半波長板１３を透過すると、単位光偏向器１２では、正の電気光学係数による屈折率変化の影響を受ける。一方、入射光のうち、印加電圧による電界の方向（ｙ軸）と平行な偏波方向の光は、逆に、正の電気光学係数による屈折率変化を受けた後、負の電気光学係数による屈折率変化を受ける。

すなわち、いずれの偏波の光も、２つの単位光偏向器において互いに逆向きに偏向されることになるため、ＫＬＴＮ光偏向器として出力される光の偏向角が減少してしまう。従って、従来のＫＬＴＮ光偏向器では、印加電圧に対する偏向効率が低下するという問題があった。

本発明の目的は、偏向効率の低下を抑制することができる光偏向器の製造方法を提供することにある。具体的には、電気光学結晶への印加電圧によって生じる光弾性効果により、電気光学結晶を透過する光のうち、印加電圧による電界に垂直な偏波の光の実効的な屈折率変化を低減することにある。

本発明は、このような目的を達成するために、一実施態様は、電気光学効果を有する電気光学結晶と、前記電気光学結晶の対向する面に形成された電極対とを含む光偏向器の製造方法であって、前記電極対の間に電圧を印加したとき、印加電圧による電界と垂直な偏波方向の光が感じる第１の屈折率変化量を算出するステップと、前記印加電圧による光弾性効果により発生する屈折率変化量であって、前記印加電圧による電界と垂直な偏波方向の光が感じる第２の屈折率変化量を算出するステップと、前記第１の屈折率変化量と前記第２の屈折率変化量との和が０となるように、前記電気光学結晶を透過する光の光軸と垂直な方向の前記電極対の幅を決定するステップ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、電気光学結晶に形成する電極の形状を変化させることにより、電気光学結晶の変形量を制御し、変形に伴い発生する光弾性効果による屈折率変化を制御して、光偏向器の印加電圧の方向と垂直な方向の屈折率変化を打ち消すことが可能となる。

従来の偏波無依存型のＫＬＴＮ光偏向器の構成を示す図である。本発明の一実施形態にかかる光偏向器の電気光学結晶を示す図である。本実施形態にかかる電気光学結晶の光軸に垂直な断面を示す図である。電気光学結晶の屈折率分布測定系の構成を示す図である。本実施形態にかかる電気光学結晶の残留屈折率分布を示す図である。電気光学結晶内の屈折率差の計算結果を示す図である。

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。本実施形態では、電気光学結晶に電圧を印加することにより、電気光学結晶に歪が生成される光弾性効果に着目し、光偏向器の印加電圧の方向と垂直な方向の屈折率変化を打ち消す程度の光弾性効果を生じさせる。

図２に、本発明の一実施形態にかかる光偏向器の電気光学結晶を示す。電気光学効果を有する電気光学結晶１０１の対向する面（ｘｚ平面）に電極１０２，１０３からなる１対の電極対を形成する。電気光学結晶１０１は、長さ１０６（光軸＝ｚ軸方向）、厚さ１０５（電圧の印加方向＝ｙ軸方向）、幅１０４（ｘ軸方向）を有している。ここで、電気光学結晶に発生させる光弾性効果は、電極対のサイズ、特に電気光学結晶１０１の幅１０４（光軸と垂直なｘ軸方向）と電極１０２，１０３の幅（ｘ軸方向）とを規定することにより制御する。入射光の偏波のうち電気光学結晶に印加される電界に平行な偏波方向を、第１の偏波の光１０７とし、電界に垂直な偏波方向を、第２の偏波の光１０８とする。

図３に、本実施形態にかかる電気光学結晶の光軸に垂直な断面を示す。電気光学結晶１０１の光軸上の任意の位置における光軸に垂直な断面（ｘｙ平面）である。電極１０２，１０３の幅（ｘ軸方向）２０１を変更することにより、光弾性効果を制御する。

２次の電気光学効果による屈折率変化量は、電気光学結晶に印加される電界に平行な偏波方向の光の屈折率変化量はΔｎ_１で表され、電気光学結晶に印加される電界に垂直な偏波方向の光の屈折率変化量はΔｎ_２で表され、それぞれ（式１）、（式２）の通りである。一方、電圧印加に伴う光弾性効果により発生する屈折率変化量Δｎ_１およびΔｎ_２は、以下の式で表される。

ここで、ｐ_１１、ｐ_１２は光弾性係数、ｘ_１は厚さ方向の歪、ｘ_２は幅方向の歪、ｘ_３は長さ方向の歪をそれぞれ表している。

図３において、電極１０２，１０３の幅方向（ｘ軸方向）の中心２０２では、電極１０２，１０３の幅２０１を変えても、厚さ方向（ｙ軸方向）の電界分布は変化しない。このため、厚さ方向（ｙ軸方向）では、（式１）、（式２）で表される電気光学効果による屈折率分布には変化がない。一方、電極１０２，１０３の幅２０１を変えると、電気光学結晶１０１に発生する歪分布が変化することにより、厚さ方向（ｙ軸方向）では、（式３）、（式４）で表される光弾性効果による屈折率分布は変化する。

従って、光弾性効果を考慮すると、
ａ）印加電圧による電界と平行な偏波方向の第１の偏波の光１０７が感じる屈折率変化Δｎ_１は、（式１）＋（式３）となり、
ｂ）印加電圧による電界と垂直な偏波方向の第２の偏波の光１０８が感じる屈折率変化Δｎ_２は（式２）＋（式４）となる。
ここで、後者の（式２）＋（式４）による屈折率変化Δｎ_２＝０とすれば、印加電圧による電界と垂直な偏波方向の光は偏向しないことになる。

そこで、以下のような工程により光偏向器を製造すればよい。
工程１）略直方体形状の電気光学結晶１０１を用意する。必要に応じて、電気光学結晶における光の入出射端面を光学研磨する工程を含めてもよい。
工程２）電気光学結晶の対向する面に、それぞれ同じ幅の電極１０２，１０３を形成する。このとき、同じ材料、同じサイズの電気光学結晶を複数用意し、それぞれ幅の異なる電極を形成しておき、後述する屈折率分布測定系を使用して、
（式２）に基づく屈折率変化量を算出し、
（式４）に基づく屈折率変化量を算出する。
この中から（式２）＋（式４）＝０となる電極の幅２０１を選択する。
工程３）電極１０２，１０３に電圧源を接続する。

電気光学結晶の材料は、高効率な光偏向器の実現のために、２次の電気光学定数であるカー定数ｓ_ｉｊが大きい電気光学結晶を用いることが望ましい。このような気光学結晶としては、例えば、ペロブスカイト型単結晶であり、大きなカー定数ｓ_ｉｊを有する常誘電相のＫＴＮ結晶、ＫＬＴＮ結晶が挙げられる。

図４に、電気光学結晶の屈折率分布測定系の構成を示す。レーザー３０１から出射されたレーザー光は、ビームイクスパンダー３０２によりビーム径が拡大され、ビームスプリッター３０３により参照光と被検光とに２分岐される。参照光は、ミラー３０４を経て、ビームスプリッター３０８に入射される。被検光は、ミラー３０６と光偏向器（電極が形成された電気光学結晶）３０７を経て、ビームスプリッター３０８に入射される。ビームスプリッター３０８で合波された参照光と被検光とは、結像レンズ３０９を介して、撮像素子３１０に入射され、撮像素子３１０で結像した干渉縞が観測される。

ミラー３０４に取り付けられたピエゾ素子３０５により、参照光の光路長をレーザー光の波長の１／４の長さづつ変化させながら４回干渉縞を撮影する。４つの干渉縞間で演算を行い、マッハツェンダー干渉計の両光路間の位相差を求める（位相シフト法）。この位相差は、結晶中の屈折率変化に伴い発生するため、位相差から屈折率変化量に換算することができる。

レーザー３０１から出射されるレーザー光の偏波を、光偏向器３０７の印加電圧による電界に平行となるように設定した場合には屈折率変化量Δｎ_１が測定され、電界に垂直となるように設定した場合には屈折率変化量Δｎ_２が測定される。このようにして測定されたΔｎ_２がゼロ近傍となるような電極１０２，１０３の幅２０１を決定し、上記の工程２において電極を形成すればよい。

本実施形態の光偏向器を２つ用意し、２つの光偏向器の間の光路上に半波長板を配置すれば、偏向効率が向上した偏波無依存型の光偏向器を実現することができる。すなわち、図１で示した偏波無依存型のＫＬＴＮ光偏向器においては、後段の単位光偏向器において逆向きに偏向されることが無くなるため、印加電圧に対する偏向効率の低下を抑制することができる。

なお、光弾性効果による屈折率変化量を制御するためには、電気光学結晶に形成する電極の形状を変化させればよい。しかしながら、光偏向器の応用では、偏向効率を低下させないために、電気光学結晶を透過する光の光軸方向の電極の長さ（ｚ軸方向）は変えず、光軸と垂直な方向（ｘ軸方向）の電極の幅を変える。また、本実施形態では、長さ方向に渡って一律に同じ幅としたが、偏向効率を低下させない程度に形状を変えてもよい。

本実施形態の光偏向器は、電気光学結晶１０１としてＫＬＴＮ結晶を用いた。電気光学結晶１０１の対向する面に、それぞれ幅の異なる電極を形成した複数の光偏向器を作製し、電圧印加後の残留屈折率分布を測定した。ＫＬＴＮ結晶の大きさは、長さ１０６＝４．０ｍｍ×幅１０４＝３．２ｍｍ×厚さ１０５＝１．０ｍｍであり、ｘｚ平面（４．０ｍｍ×３．２ｍｍの面）の対向する２面に電極を形成した。電極１０２，１０３の幅２０１は、１．５ｍｍ、２．０ｍｍ、２．５ｍｍ、３．２ｍｍの４種類を形成し比較を行った。なお、屈折率分布を測定するため、入出射端面となる３．２ｍｍ×１．０ｍｍの２面は、光学研磨を行った。

ＫＬＴＮ結晶は、温度を徐々に上げると強誘電相から常誘電相へ相転移を起こす。本実施形態においては常誘電相となるようにし、そのときの比誘電率は１７５００であった。常誘電相においては、最低次の電気光学効果は２次の電気光学効果（カー効果）であり、以下の測定では、カー効果による屈折率変化を測定し、電界に垂直な方向の偏波の結果を示す。

図５に、残留屈折率分布の測定結果を示す。電気光学結晶１０１の厚さ１０５方向に４００Ｖの電圧印加を行い、その後、電圧を切った後の残留屈折率分布を示す。ＫＬＴＮ結晶中の電子トラップに電子が捕獲された結果、電圧を切った後も電子が結晶中に残り、残留屈折率分布が存在する。実線が電気光学効果による屈折率分布の計算結果であり、電極１０２，１０３の幅２０１を、１．５ｍｍ、２．０ｍｍ、２．５ｍｍ、３．２ｍｍとしたときの測定結果である。電気光学効果による屈折率分布の計算結果と、光弾性効果により発生する屈折率分布の影響を受けた測定結果とが大きく異なることがわかる。

残留屈折率分布の測定結果から、電気光学結晶内の屈折率差を計算した結果を、図６に示す。電気光学結晶１０１の厚さ１０５方向の端部、すなわち、電極１０２，１０３近傍の屈折率と、厚さ１０５方向の中心２０２の屈折率との差を計算した。点線ｄは、電気光学効果による屈折率変化のみを考えた場合の屈折率差の計算結果である。実際の測定結果であるプロットとは、大きく異なることがわかる。

図６によれば、電極１０２，１０３の幅２０１＝１．５ｍｍとすることにより、電界に垂直な方向の偏波の屈折率分布が実効的にゼロになっていることがわかる。すなわち、電気光学結晶に形成する電極の形状を変化させることにより、電気光学結晶の変形量を制御し、変形に伴い発生する光弾性効果による屈折率変化を制御して、光偏向器の印加電圧の方向と垂直な方向の屈折率変化を打ち消すことが可能となる。

１１，１２単位光偏向器
１３半波長板
１０１電気光学結晶
１０２，１０３電極
３０１レーザー
３０２ビームイクスパンダー
３０３，３０８ビームスプリッター
３０４，３０６ミラー
３０５ピエゾ素子
３０７光偏向器
３０９結像レンズ
３１０撮像素子

Claims

電気光学効果を有する電気光学結晶と、前記電気光学結晶の対向する面に形成された電極対とを含む光偏向器の製造方法であって、
前記電極対の間に電圧を印加したとき、印加電圧による電界と垂直な偏波方向の光が感じる第１の屈折率変化量を算出するステップと、
前記印加電圧による光弾性効果により発生する屈折率変化量であって、前記印加電圧による電界と垂直な偏波方向の光が感じる第２の屈折率変化量を算出するステップと、
前記第１の屈折率変化量と前記第２の屈折率変化量との和が０となるように、前記電気光学結晶を透過する光の光軸と垂直な方向の前記電極対の幅を決定するステップと
を備えたことを特徴とする光偏向器の製造方法。
前記電気光学結晶は、ＫＴａ_１−ｘＮｂ_ｘＯ_３（ＫＴＮ）結晶、またはＫＴＮにリチウムを添付したＫ_１−ｙＬｉ_ｙＴａ_１−ｘＮｂ_ｘＯ_３（ＫＬＴＮ）結晶であり、前記第１の屈折率変化量を算出するステップは、２次の電気光学効果による屈折率変化量を計算することを特徴とする請求項１に記載の光偏向器の製造方法。
電気光学効果を有する電気光学結晶と、
前記電気光学結晶の対向する面に形成された電極対とを備え、
前記電気光学結晶を透過する光の光軸と垂直な方向の前記電極対の幅は、前記電極対の間に電圧を印加したとき、印加電圧による電界と垂直な偏波方向の光が感じる第１の屈折率変化量と、前記印加電圧による光弾性効果により発生する屈折率変化量であって、前記印加電圧による電界と垂直な偏波方向の光が感じる第２の屈折率変化量との和が０となるように決定されていることを特徴とする光偏向器。
請求項３に記載の２つの光偏向器と、
前記２つの光偏向器の間の光路上に配置された半波長板と
を備えたことを特徴とする光偏向器。