JP2017111262A - 光偏向器およびその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＫＴＮ結晶を高速の制御信号で駆動する場合に、発熱による誘電率の低下が無く、所望の偏向角が得られる光偏向器を提供する。
【解決手段】電気光学結晶を用いた光偏向器において、電気光学結晶に直流電圧を印加して電気光学結晶内に電荷を注入するとともに、入射光の波長より短い波長の照射光を強度変調して、電気光学結晶に照射することにより、入射光の光偏向を制御することを特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、光偏向器およびその制御方法に関し、より詳細には、電気光学効果を有するＫＴＮ結晶を使用した光偏向器およびその制御方法に関する。

光の進行方向を変える光偏向器には、ポリゴンミラーを回転させる技術、ガルバノミラーにより光の偏向方向を制御する技術、音響光学効果を利用した光回折技術、ＭＥＭＳと呼ばれるマイクロマシン技術などが適用されている。近年、電気光学効果を有する電気光学結晶、具体的にはタンタル酸ニオブ酸リチウム（ＫＴａ_1-xＮｂ_xＯ₃（０＜ｘ＜１））結晶（ＫＴＮ結晶）またはリチウムを添加したＫ_1-yＬ_yＴａ_1-xＮｂ_xＯ₃（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）結晶（ＫＬＴＮ結晶）を用いた光偏向器が提案されている（例えば、特許文献１参照）。電気光学効果を利用した光偏向器は、前述した光偏向器と異なり、可動部を持たない固体素子であり、高速の光偏向が可能である。以下、簡単のため、明示して区別しない限り、ＫＴＮ結晶およびＫＬＴＮ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、印加電極としてＴｉ、Ｃｒ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により、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結晶を用いた光偏向器（ＫＴＮ光偏向器）に置き換えることができる（例えば、特許文献２参照）。

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、ＫＴＮ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適用した医療用光断層撮像システムに注目が集まっている。医療用光断層撮像システムは、ＭＨｚ単位の高周波数により光偏向器を駆動することができれば、より鮮明な画像や範囲の広い画角の画像を取得することができる。このため、高速性を実現するためのキーデバイスであるＫＴＮ偏向器のさらなら高周波数駆動が期待されている。

図１に、従来のＫＴＮ結晶を用いた光偏向器の構成を示す。ＫＴＮ結晶１０１の上面および下面には、電極１０２、１０３が形成されている。２つの電極間には、制御電圧源１０４から制御電圧が印加される。入射光１０５は、ＫＴＮ結晶１０１の左側の側面に入射され、ｚ軸（光軸）方向に進みながら、ＫＴＮ結晶１０１内において偏向を受ける。光は、ｘ軸方向に進行方向を変えて、出射光１０６として、ＫＴＮ結晶１０１の右側の側面から出射される。このとき、印加電圧に応じた偏向角θが得られる。

制御電圧源１０４からは、光偏向器の用途に応じた制御信号が与えられる。例えば、正弦波、鋸波状の制御信号が、光偏向器の用途に応じて印加される。適切な最大偏向角を得るためには、ＫＴＮ結晶１０１へは、概ね数百Ｖ程度の駆動電圧を印加する。

国際公開第２００６／１３７４０８号 特開２０１２−０７４５９７号公報 特開２０１２−２４２６１２号公報

しかしながら、ＫＴＮ結晶などの電気光学結晶を用いた従来の光偏向器において、印加電圧を変調することにより高速で駆動すると、結晶の誘電損失または機械損失にもとづく発熱のために、所望の偏向角が得られなかった。特に、制御信号がＭＨｚを超える周波数では、発熱による誘電率の低下により、偏向角の劣化が著しかった。

また、ＫＴＮ結晶は、駆動時には大きい誘電率を有するため、電極間の容量が高くなり、制御電圧源が大型で高価なものとなった。制御信号を、正弦波ではなく三角波などの高い周波成分も含む信号とし、ＫＴＮ結晶に印加する応用例もある。この場合には、上記の発熱の問題にのみならず、制御電圧源の仕様によって、制御信号の出力が制限される問題もあった。

さらに、ＫＴＮ光偏向器の偏向角の解像点数を改善しようとすれば、結晶厚を増やす必要があり、偏向器特性の改善に大きな支障となっていた。

本発明の目的は、ＫＴＮ結晶を高速の制御信号で駆動する場合に、発熱による誘電率の低下が無く、所望の偏向角が得られる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、ＫＴＮ結晶などの電気光学結晶を用いた光偏向器において、電気光学結晶に直流電圧を印加して電気光学結晶内に電荷を注入するとともに、入射光の波長より短い波長の照射光を強度変調して、電気光学結晶に照射することにより、入射光の光偏向を制御することを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、照射光の強度を変調するだけで電気光学結晶に入射される光を偏向させることができるため、高電圧のＡＣ電圧を印加する必要がないため、電気光学結晶の発熱の問題を回避することができる。

また、照射光の駆動用電源は、変調電圧が低いために、小型で安価な電源でよいので、経済的な光偏向器を実現することができる。

従来のＫＴＮ結晶を用いた光偏向器の構成を示す図である。 屈折率分布からトラップ電子密度を求める方法を説明するための図である。 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光偏向器の構成を示す図である。

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結晶のトラップに充填された電子密度をＮtrapとすると、このＫＴＮ結晶を入射光が通過するときに得られる偏向角は、次式で表される（特許文献３）。

図１を参照してパラメータを説明すると、偏向角θp-pは、制御信号として正弦波を印加したとき、出射光１０６のｘ軸方向の最大偏向角の振れ幅である。ｎはＫＴＮ結晶１０１の屈折率であり、Ｌはｚ軸方向のＫＴＮ結晶１０１の長さである。ｇ11は電気光学定数であり、ｅは電気素量、εは誘電率である。Ｖは制御信号の最大振幅電圧であり、ｄはｚ軸方向のＫＴＮ結晶の厚さである。式（１）からわかるように、偏向角θp-pは、ＫＴＮ結晶内部のトラップに充填された電子密度Ｎtarpに比例する。このように、偏向角はトラップに充填された電荷注入量と駆動する印加電圧の積で決まる。

図２は、屈折率分布からトラップ電子密度を求める方法を説明するための概念図である。特許文献３に記載された方法により、電気光学結晶（ＫＴＮ結晶）のリタデーション分布を、ＬＥＤの照射前後で測定し、次の式に従って屈折率分布に換算した結果である。
Δn = Retardation/L （２）

上式で、Δｎは屈折率変化量であり、Ｌは光軸方向の電極の長さである。図２で説明するトラップ電子密度の測定において使用した電気光学結晶における電極の長さは、３．４ｍｍである。上式（２）の関係を用いて、リタデーション測定値から屈折率分布を求めることができる。図２のグラフに示した２次関数曲線から、結晶中のトラップに、一様に電子が充填されていると仮定して、下式からトラップ電子密度を求めることができる（特許文献３）。

図２に示した残留屈折率分布において、ＬＥＤ光源からＫＴＮ結晶に対して紫外光を照射する前（図中のＬＥＤ照射前）では、概ね２次関数の屈折率分布曲線が得られている。これは、トラップされた電子が結晶中に一様に存在する場合の屈折率分布である。次に、紫外光を照射した後（図中のＬＥＤ照射後）には、上記のような屈折率分布がなくなっており、トラップされた電子が解放され、結晶内に電子がなくなっていることを示している。

すなわち、ＫＴＮ結晶に対してＬＥＤ光源から紫外光を照射することにより、結晶中の電荷の注入量を可変することができることが確認された。なお、この測定において、電荷の注入量は、ＤＣ電圧を一定時間ＫＴＮ結晶に付与した後、ＤＣ電圧をＯＦＦしたときの残留電荷を測定した。ＫＴＮ結晶に紫外光を照射している時には、ＤＣ電圧をＯＦＦしている。

（第１の実施形態）
電気光学結晶（ＫＴＮ結晶）への電荷の注入量は、印加するＤＣ電圧の大きさで決まる。一方で、上述したように、ＫＴＮ結晶に対してＬＥＤ光源から照射する光の波長や照射強度によって、注入された電荷の抜けの量が決まる。ここで、ＫＴＮ結晶に対してＤＣ電圧を印加しながら、ＬＥＤ光源から紫外光を照射すると、ＫＴＮ結晶への電荷の入りと出のバランスで決まる電荷量が、残留電荷として結晶内に残ることになる。

さらに、ＬＥＤ光源による光の照射強度を、電流を変調することによって制御して、ＫＴＮ結晶に残るべき電荷量を高速に可変することができる。光偏向器の偏向量は、ＤＣ電圧と残留電荷の電荷量で決まるため、ＤＣ電圧のみを印加したたまま、ＬＥＤ光源による光の照射強度を変調して、偏向角を制御するという、全く新しい原理の光偏向器を実現することができる。

従来、ＫＴＮなどの電気光学結晶を用いた光偏向器において、高速で駆動する場合には、結晶の誘電損失または機械損失にもとづく発熱のため、制御信号がＭＨｚを超える周波数では、発熱による誘電率の低下により、偏向角が劣化していた。本実施形態によれば、高電圧のＡＣ電圧を印加する必要がないため、ほとんど電気光学結晶の発熱が問題とならない。

また、ＫＴＮ結晶のように、駆動時に大きい誘電率を有するため、電極間の容量が高くなり、大型で高価な制御電圧源が必要であった。本実施形態によれば、ＬＥＤの駆動用電源は、変調電圧が低いために、小型で安価な電源でよい。制御信号を、正弦波ではなく三角波などの高い周波成分も含む信号であっても、ＬＥＤの駆動用電源においては、適用が容易である。

上述したように、高速で駆動する場合には、発熱により、印加電圧に対する所望の偏向角が小さくなってしまう。すなわち、解像点数も減少してしまう。本実施形態によれば、ＬＥＤによる光の照射強度を変調することにより発熱の問題を回避できるため、印加電圧に対する所望の偏向角を大きく取れるので、結晶厚を増やすことなく、解像点数も改善することができる。

図３に、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。電気光学結晶であるＫＴＮ結晶２０１の上面および下面には、結晶内部に電界を発生させるための正極と負極とからなる電極対として、電極２０２、２０３が形成されている。２つの電極間には、制御電圧源２０４から制御電圧（ＤＣ電圧）が印加される。入射光２０５（１．３μｍ帯）は、電界の方向と直交するように、ＫＴＮ結晶２０１の左側の側面（ｘｙ平面）から入射され、ｚ軸（光軸）方向に進みながら、ＫＴＮ結晶２０１内において偏向を受ける。光は、ｘ軸方向に進行方向を変えて、出射光２０６として、ＫＴＮ結晶２０１の右側の側面から出射される。さらに、ＫＴＮ結晶２０１の光軸に沿った側面（ｘｚ平面）に対して、１０ｍｍ離れた位置に、波長４０５ｎｍの紫外光を照射するＬＥＤ光源２０７を配置している。

ＫＴＮ結晶２０１のサイズは、４ｍｍ（ｚ軸方向の長さ）×３ｍｍ（ｙ軸方向の幅）×１ｍｍ（ｘ軸方向の厚さ）である。ＫＴＮ結晶２０１の上面および下面には、電極として、銅などの金属膜を形成しておく。なお、電極２０３の下部には、ＫＴＮ結晶の温度を制御するためのペルチェ素子（不図示）を熱的に結合してある。ここでは、３０度でＫＴＮ結晶の比誘電率が２００００になるように、ＫＴＮ結晶の相転移温度が設定されている。

このような構成により、ＬＥＤ光源２０７から紫外光を照射した後で、制御電圧源２０４からＤＣ電圧−２４０Ｖを印加する。制御電圧源２０４からＤＣ電圧のみを印加したまま、ＬＥＤ光源２０７から、２０ｋＨｚの三角波の強度変調された光変調信号を照射する。ＬＥＤ光源２０７においては、ファンクションジェネレータを用いて、２０ｋＨｚの三角波となるように、駆動電流０〜１０ｍＡの範囲でＬＥＤを駆動している。ＤＣ電圧に応じた偏向角と、光変調信号に応じた偏向角とにより、１００ｍｒａｄの偏光角を実現した。このようにして、偏向角の劣化がなく、高速（ＭＨｚを超える周波数）の光偏向が可能となる。

また、制御電圧源２０４は、ＤＣ電圧の印加のみでよいので、高電圧のＡＣ電圧を印加する必要がない。ＬＥＤ光源２０７は、既存の光源を用いて簡便な構成により、高い周波成分も含む変調信号によるＬＥＤの駆動が容易であるので、経済的な光偏向器を実現することができる。

（第２の実施形態）
図４に、本発明の第２の実施形態にかかる光偏向器の構成を示す。第１の実施形態の光偏向器がｘ軸方向の１軸の光偏向を行うのに対して、第２の実施形態では、ｘ軸とｙ軸の２軸の光偏向を行う。前段の光偏向素子の構成は、第１の実施形態の光偏向器の構成と同じである。ＫＴＮ結晶３０１の上面および下面には、電極３０２、３０３が形成されている。２つの電極間には、制御電圧源３０４から制御電圧（ＤＣ電圧）が印加される。入射光３０５（１．３μｍ帯）は、ＫＴＮ結晶３０１の左側の側面（ｘｙ平面）に入射され、ｚ軸（光軸）方向に進みながら、ＫＴＮ結晶３０１内において偏向を受ける。ＫＴＮ結晶３０１の光軸に沿った側面（ｘｚ平面）に対して、波長４０５ｎｍの紫外光を照射するＬＥＤ光源３０７が備えられている。

前段の光偏向素子と後段の光偏向素子との間には、半波長板３２１が挿入され、それぞれ同一の光軸上に配置され、前段の光偏向素子と後段の光偏向素子とは、光軸を中心軸として９０度の角度を成すように、設置されている。前段の光偏向素子からの出射光は、半波長板３２１を透過して、後段の光偏向素子に入射される。

後段の光偏向素子の構成も、第１の実施形態の光偏向器の構成と同じである。ＫＴＮ結晶３１１の両側面には、電極３１２、３１３が形成されている。２つの電極間には、制御電圧源３１４から制御電圧（ＤＣ電圧）が印加される。前段の光偏向素子からの入射した光は、ｘ軸方向に進行方向を変えて、出射光３１６として、ＫＴＮ結晶３１１の右側の側面から出射される。ＫＴＮ結晶３０１の光軸に沿った上面（ｙｚ平面）に対して、波長４０５ｎｍの紫外光を照射するＬＥＤ光源３１７が備えられている。

２つのＫＴＮ結晶３０１，３１１のサイズは、４ｍｍ（ｚ軸方向の長さ）×３ｍｍ（ｙ軸方向の幅）×１ｍｍ（ｘ軸方向の厚さ）である。第１の実施形態と同様に、ＫＴＮ結晶３０１，３１１には電極が形成されており、ペルチェ素子（不図示）を熱的に結合してある。ここでは、３０度でＫＴＮ結晶の比誘電率が２００００になるように、ＫＴＮ結晶の相転移温度が設定されている。

このような構成により、ＬＥＤ光源３０７，３１７から、それぞれＫＴＮ結晶３０１，３１１に紫外光を照射した後で、制御電圧源３０４，３１４からＤＣ電圧−２４０Ｖを印加する。制御電圧源３０４，３１４からＤＣ電圧のみを印加したまま、ＬＥＤ光源３０７において、ＬＥＤの駆動電流を２０ｋＨｚの三角波で変調し、ＬＥＤ光源３１７において、ＬＥＤの駆動電流を２００ｋＨｚの三角波で変調した。前後段の光偏向素子において、それぞれＤＣ電圧に応じた偏向角と、変調信号に応じた偏向角とにより、偏向角の劣化がなく、高速（ＭＨｚを超える周波数）の２次元の光偏向が可能となる。

本実施形態では、入射光として１．３μｍ帯の光を、ＬＥＤ光源からの照射光として波長４０５ｎｍの紫外光を用いたが、他の波長帯の入射光であっても、入射光の波長より短い波長の照射光を用いることにより、本願発明の作用効果を奏することができる。

１０１，２０１，３０１，３１１ ＫＴＮ結晶
１０２，１０３，２０２，２０３，３０２，３０３，３１２，３１３ 電極
１０４，２０４，３０４，３１４ 制御電圧源
１０５，２０５，３０５ 入射光
１０６，２０６，３１６ 出射光
２０７，３０７，３１７ ＬＥＤ光源
３２１ 半波長板

Claims (6)

1. 電気光学結晶と、前記電気光学結晶の内部に電界を発生させる、正極と負極とからなる少なくとも１つの電極対とを備え、前記電界の方向と直交するように入射光の光軸が設定され、前記電極対の間に電圧を印加して、前記入射光を偏向させる光偏向器であって、
   前記入射光の波長より短い波長の照射光を、前記電気光学結晶に照射するための光源を備え、
   前記電極対の間に直流電圧を印加するとともに、前記照射光の照射強度を変調して前記入射光を偏向させることを特徴とする光偏向器。
2. 前記電気光学結晶は、タンタル酸ニオブ酸リチウム（ＫＴａ_1-xＮｂ_xＯ₃（０＜ｘ＜１））結晶、またはリチウムを添加したＫ_1-yＬ_yＴａ_1-xＮｂ_xＯ₃（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に記載の光偏向器。
3. 電気光学結晶と、前記電気光学結晶の内部に電界を発生させる、正極と負極とからなる少なくとも１つの電極対とを備え、前記電界の方向と直交するように入射光の光軸が設定され、前記電極対の間に電圧を印加して、前記入射光を偏向させる光偏向器の制御方法であって、
   前記電極対の間に直流電圧を印加して、前記電気光学結晶内に電荷を注入するステップと、
   前記入射光の波長より短い波長の照射光を、前記電気光学結晶に照射するステップであって、前記照射光の照射強度を変調して前記入射光を偏向させるステップと
   を備えたことを特徴とする光偏向器の制御方法。
4. 電気光学結晶、および前記電気光学結晶の内部に電界を発生させる、正極と負極とからなる少なくとも１つの電極対を備え、前記電界の方向と直交するように入射光の光軸が設定され、前記電極対の間に電圧を印加して、前記入射光を偏向させる光偏向素子である第１の光偏向素子および第２の光偏向素子と、前記第１の光偏向素子および前記第２の光偏向素子の間に挿入された半波長板とが、同一の光軸上に配置された光偏向器であって、
   前記第１および前記第２の光偏向素子の各々は、前記入射光の波長より短い波長の照射光を、前記電気光学結晶に照射するための光源を備え、
   前記第１および前記第２の光偏向素子の各々は、前記電極対の間に直流電圧を印加するとともに、前記照射光の照射強度を変調して前記入射光を偏向させることを特徴とする光偏向器。
5. 前記第１および前記第２の光偏向素子の各々の前記電気光学結晶は、タンタル酸ニオブ酸リチウム（ＫＴａ_1-xＮｂ_xＯ₃（０＜ｘ＜１））結晶、またはリチウムを添加したＫ_1-yＬ_yＴａ_1-xＮｂ_xＯ₃（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４に記載の光偏向器。
6. 電気光学結晶、および前記電気光学結晶の内部に電界を発生させる、正極と負極とからなる少なくとも１つの電極対を備え、前記電界の方向と直交するように入射光の光軸が設定され、前記電極対の間に電圧を印加して、前記入射光を偏向させる光偏向素子である第１の光偏向素子および第２の光偏向素子と、前記第１の光偏向素子および前記第２の光偏向素子の間に挿入された半波長板とが、同一の光軸上に配置された光偏向器の制御方法であって、
   前記第１および前記第２の光偏向素子の各々において、前記電極対の間に直流電圧を印加して、前記電気光学結晶内に電荷を注入するステップと、
   前記第１および前記第２の光偏向素子の各々において、前記入射光の波長より短い波長の照射光を、前記電気光学結晶に照射するステップであって、前記照射光の照射強度を変調して前記入射光を偏向させるステップと
   を備えたことを特徴とする光偏向器の制御方法。