JP2018136460A - 光偏向器の使用方法および光偏向器 - Google Patents

Abstract

【課題】コリメート光を入射する空間電荷型ＥＯ光偏向器を使用するのに好適な偏向器構造を提供する。【解決手段】本発明は、光偏向器であって、反転対称性を有する単結晶からなる電気光学材料と、電気光学材料の対向する２平面に形成された一対の電極とを備え、一対の電極により電子または正孔を注入して電気光学材料内部に空間電荷を形成し、一対の電極の間の印加電圧を変えることによって電気光学材料を透過する光の進行方向を変える光偏向器であって、電気光学材料の光の入射側に配置された入射側シリンドリカル凸レンズと、電気光学材料の光の出射側に配置された出射側シリンドリカル凸レンズとを備え、入射側シリンドリカル凸レンズの焦点が、電気光学材料の入射端面よりも出射側に配置されている。【選択図】図１

Description

本発明は、光偏向器に関し、より詳細には、電気信号によって光線を曲げる機能を有する光偏向器に関する。

レーザ光等の光ビームの進行方向を高速で変化させる（偏向させる）装置、いわゆる光偏向器としては、ガルバノミラー及びポリゴンミラー等、鏡を電磁誘導で回転させる形式のものが多く用いられてきた。しかし、これらの光偏向器は、質量を有する鏡を動かすため、鏡の慣性力によって動作速度が制限される。このような鏡を電磁誘導で回転させる形式の光偏向器に比較して、電気光学効果（ＥＯ効果）を用いた光偏向器（ＥＯ光偏向器）は、電気光学材料に電界を印加させるため、可動部分がない。したがって、光の偏向の著しい高速化が可能となる。ＥＯ光偏向器の偏向速度は、駆動電源の速度に制限されることが多いが、原理的には数１００ＭＨｚ以上の応答も期待できる。

ここで、ＥＯ効果とは、ある種の物質に電界を印加すると、その物質の屈折率が変化する現象であり、この物質を電気光学材料と呼ぶ。従来、ＥＯ光偏向器には、電気光学材料をプリズム上に成型したものがあった。このプリズムに電界を印加すると、電気光学材料の屈折率が全体的に変わるため、入射する光の屈折角が変化し、入射光線を偏向することができる。しかし、ＥＯ効果による屈折率変化は、大きくて１０^-3程度と小さく、偏向角も小さいのが難点である。

近年、電気光学材料に電子を注入し、電気光学材料中において形成された空間電荷を利用する空間電荷型のＥＯ光偏向器が開発された（非特許文献１）。マクスウェル方程式によると、電界分布の勾配が電荷密度に比例することから、空間電荷が存在すると、電界の分布が発生することがわかる。このため、ＥＯ効果によって屈折率の分布が発生し、この屈折率分布によって光線の向きを変えることができる。このタイプのＥＯ光偏向器では、電気光学材料中の光路長を長くすることによって、偏向角を大きくすることが可能で、全幅で１０度以上偏向することができる。

Jun Miyazu, Tadayuki Imai, Seiji Toyoda, Masahiro Sasaura, Shogo Yagi,Kazutoshi Kato, Yuzo Sasaki1, and Kazuo Fujiura1, "New Beam Scanning Model for High-Speed OperationUsing KTa1-xNbxO3 Crystals," Applied Physics Express 4 (2011) 111501

しかしながら、上述の空間電荷型のＥＯ光偏向器は、一種のレンズ効果を持つことから、光線の解析が複雑で、偏向角や解像点数と言った、偏向器に重要な性能指数を十分に高めることができていないという課題があった。

上述の課題を解決するために、本発明の第１の態様は、反転対称性を有する単結晶からなる電気光学材料と、前記電気光学材料の対向する２平面に形成された一対の電極とを備え、前記一対の電極により電子または正孔を注入して前記電気光学材料内部に空間電荷を形成し、前記一対の電極の間の印加電圧を変えることによって前記電気光学材料を透過する光の進行方向を変える光偏向器であって、前記電気光学材料の光の入射側に配置された入射側シリンドリカル凸レンズと、前記電気光学材料の光の出射側に配置された出射側シリンドリカル凸レンズとを備え、前記入射側シリンドリカル凸レンズの焦点が、前記電気光学材料の入射端面よりも出射側に配置されていることを特徴とする光偏向器。

また、本発明の第２の態様は、第１の態様の光偏向器であって、前記電気光学材料に入射する光の広がり角をφ_i、前記電気光学材料の入射端面上における入射光の全幅をａ_i、前記一対の電極間の距離をｄ、前記電気光学材料の屈折率をｎ₀、前記電気光学材料に注入された電子または正孔の電荷密度をρ、前記電気光学材料の光進行方向の長さをＬ、及び前記電気光学材料の２次の電気光学係数をｇとし、Ａを

としたときに、パラメータｆ_G、ｄ_pおよびｄ_cを

と設定した場合において、

のとき、解像点数

が最大となるようにφ_iが設定され、

のとき、解像点数

が最大となるようφ_iが設定されることを特徴とする。

また、本発明の第３の態様は、第１または第２の態様の光偏向器であって、前記一対の電極は、前記電気光学材料とオーミック接合が形成される材料からなることを特徴とする。

また、本発明の第４の態様は、第１から第３のうちの一つの態様の光偏向器であって、前記電気光学材料は、結晶の主成分が、周期律表Ｉａ族とＶａ族から構成されており、Ｉａ族はカリウムであり、Ｖａ族はニオブ、タンタルの少なくとも１つを含むことを特徴とする。

また、本発明の第５の態様は、第４の態様の光偏向器であって、前記電気光学材料は、さらに、添加不純物としてカリウムを除く周期律表Ｉａ族またはＩＩａ族の１または複数種を含むことを特徴とする。

また、本発明の第６の態様は、光偏向器を使用する方法であって、反転対称性を有する単結晶からなる電気光学材料と、前記電気光学材料の対向する２平面に形成された一対の電極とを備え、前記電気光学材料に入射する光の広がり角をφ_i、前記電気光学材料の入射端面上における入射光の全幅をａ_i、前記一対の電極間の距離をｄ、前記電気光学材料の屈折率をｎ₀、前記電気光学材料に前記一対の電極から注入された電子または正孔の電荷密度をρ、前記電気光学材料の光進行方向の長さをＬ、及び前記電気光学材料の２次の電気光学係数をｇとし、Ａを

としたときに、パラメータｆ_G、ｄ_pおよびｄ_cを

と設定した場合において、

ののとき、解像点数

が最大となるようにφ_iが設定され、

ののとき、解像点数

が最大となるようφ_iが設定される光偏向器において、前記一対の電極により電子または正孔を注入して前記電気光学材料内部に空間電荷を形成し、光を前記電気光学材料に入射し、前記一対の電極間の印加電圧を変えることによって、前記電気光学材料に入射した前記光の進行方向を変えることを特徴とする。

本発明により、コリメート光を入射する空間電荷型ＥＯ光偏向器を使用するのに好適な偏向器構造を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る光偏向器の全体構造を示す側面図である。 本発明の一実施形態に係る光偏向器の構成の一部を示す斜視図である。 本発明の一実施形態に係る光偏向器のレンズ機能を説明する側面図である。 本発明の一実施形態に係る光偏向器の解像点数を示す図である。

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。

図１は、本発明の一実施形態に係る光偏向器の全体の構造を示す側面図である。光偏向器１００は、空間電荷型ＥＯ光偏向器であり、光軸１０６上に、入射側シリンドリカル凸レンズ１１０と、電気光学材料基板１０１と、出射側シリンドリカル凸レンズ１１１とが直列に配置されている。電気光学材料基板１０１の上下面には、基板外形に合わせた電極１０２及び１０３が形成されている。電気光学材料基板１０１は、反転対称性を有する単結晶からなり、電子または正孔が注入され、電気光学材料内部に空間電荷が形成されている。入射側シリンドリカル凸レンズ１１０は、焦点が電気光学材料基板１０１の入射端面１０７よりも出射側に配置されている。左側から進行してきたコリメート光は、入射側シリンドリカル凸レンズ１１０に入射して収束光となり、電気光学材料基板１０１に入射する。電気光学材料基板１０１から出射した光は、焦点Ｑを通過して、出射側シリンドリカル凸レンズ１１１を透過してコリメート光となる。なお、凸レンズ１１０を設置せず、入射コリメート光を直接、電気光学材料基板１０１に入射してもよい。

（空間電荷型ＥＯ光偏向器の動作原理について）
ここでまず、本実施形態の光偏向器１００の説明をする前に、空間電荷型ＥＯ光偏向器の動作原理について説明する。図２は、図１の光偏向器１００の電気光学材料基板１０１の部分を示す斜視図である。電気光学材料基板１０１の部分は、電気光学材料基板１０１の上下面に、基板外形に合わせた電極１０２及び１０３を形成した構造である。本実施形態において、ＥＯ効果の大きい材料として、後述するタンタル酸ニオブ酸カリウム（ＫＴＮ）を用いる。ＫＴＮのＥＯ効果は、１次電気光学効果（ポッケルス効果）ではなくて２次電気光学効果（カー効果）である。したがって、屈折率変化分Δｎは、ＫＴＮの屈折率をｎ₀、電気光学係数をｇ、誘電率をε、電界をＥとして、

となる。入射光線１０４が電気光学材料基板１０１を透過する時の光路長ｓは、この屈折率に電気光学材料基板１０１の光進行方向の長さＬをかけることによって得られる。元の光路長をｓ₀とすると、

となる。光線が偏向するのは、この光路長ｓが、電極間の位置座標ｘに依存するからである。偏向角は、

で得られる。したがって、図２の構成で偏向を起こすためには、電界Ｅの微分の項がゼロでないようにする必要があり、このためには、この光偏向器に、電圧を印加するなどの方法でキャリア（電子または正孔）を注入する。簡単のため、注入されたキャリアによる電荷が均一に分布し、従って電荷密度ρを一定とする。電磁気学のガウスの法則より、

であるから、電荷密度ρを一定とすると、電界を積分して符号を変えたものが電位になる、という条件を用いて、

が得られる。ｄは電極１０２及び１０３の間の距離であり、電気光学材料基板１０１の厚さである。座標ｘの原点は、電極１０３の位置に置いた。またＶは、電極１０３の電位を基準とした電極１０２までの電圧である。これより、偏向角

が得られる。（３）式から偏向角θは位置ｘに依存することがわかる。光線の位置を電極間の中点ｄ／２にとると、

なる簡単な形が得られる。つまり、偏向角θが電圧Ｖに比例する。

また、偏向角θは電気光学材料基板１０１の長さＬにも比例する。これは、偏向現象が電気光学材料基板１０１の表面での屈折によって発生するのではなく、電気光学材料基板１０１内部の屈折率分布により、光が電気光学材料基板１０１の内部を進行するうちに徐々に偏向を蓄積し、偏向角を増大していくためである。これが空間電荷型ＥＯ光偏向器の大きな特長であり、長さＬを増やすことにより、従来の電気光学効果を使った光偏向器よりも、はるかに大きな偏向角を実現することができる。

また、偏向角θは電荷密度ρにも比例することが分かる。電荷密度ρは、電極から注入されたキャリアが電気光学材料基板１０１中に蓄積されて発生した空間電荷の密度である。ＫＴＮなどの電気光学材料では、キャリアの動きは非常に緩慢である。このため、ρはほぼ固定されている。電圧による偏向角制御は、電圧によって（４）式のρを変えることによって行うのではなく、同じく（４）式に電圧も含まれることから、電圧によって直接偏向角を制御することによる。電気光学効果は高速であり、電圧の印加から遅く見積もっても１μｓ以下（周波数では５００ｋＨｚ以上）の時間で応答する、高速動作の光偏向器を実現することができる。

（解像点数）
次に、空間電荷型ＥＯ光偏向器の解像点数について説明する。光偏向器において速度と並んで重要な性能は偏向角である。しかし、偏向角の性能指数には解像点数もあり、場合によっては偏向角よりも解像点数の方が重要となることがある。光偏向器を透過した光ビームには有限のビーム幅がある。解像点数とは、偏向によって光ビームを走査する範囲の中に、このビーム幅がいくつ入るかを評価する指数である。光偏向器から出射する光ビームの１／ｅ²直径をｗ_oとすると、偏向器から出てから進行するにしたがって光ビームは回折によって広がる。広がり角Δθは、

で近似することができる。ただし、λは光の波長である。したがって、偏向角の全幅をθ_ppとするとき、解像点数Ｎ_cは、

と書くことができる。偏向角が大きいほど解像点数が増えることは当然であるが、解像点数は光ビーム直径ｗ_oにも比例する。これは、ビーム直径が大きいほど回折が小さく、ビーム広がり角が小さく抑制されるためである。

偏向角全幅θ_ppについては、（４）式より、電圧の振れ幅Ｖ_ppを大きくすればそれに比例して大きくなるので、解像点数を増やすことができる。しかし、偏向角を決定するのは、実際には電圧だけではない。前述したように、空間電荷型ＥＯ光偏向器１００では、電気光学材料基板１０１の内部で、徐々に偏向角を増やしていく。つまり、徐々に光線は曲がっていく。そのため、電圧を大きくしすぎて光線を曲げすぎると、光線は電気光学材料基板１０１の出射端から外部へ出ていく前に電気光学材料基板１０１の壁に当たり、電気光学材料基板１０１外部へ出射させることができなくなる。空間電荷型ＥＯ光偏向器１００は、偏向角が電気光学材料基板１０１の長さＬに比例することについては前述したが、Ｌがあまりに長いと、偏向角が小さい場合であっても、光線が電気光学材料基板１０１の壁に当たりやすい。また、一般的な電気光学素子と同様に、空間電荷型ＥＯ光偏向器１００においても電気光学材料基板１０１の厚さを薄くした方が電界が強くなる。したがって、電気光学材料基板１０１の厚さを薄くした場合、同じ印加電圧に対する偏向性能は高い。このことは、（４）式にも表れている。ところが薄くしすぎると、先ほどと同様の理由から光線が壁に当たりやすくなる。さらに偏向角とは別に、薄いと、大きなビーム直径の光を入れることができないため、解像点数を大きく取ることはできなくなる。このため、良好な解像点数を実現するためには、（４）式のみならず、光線が壁に当たらないよう（以降、ケラレが起きないよう、と言い換える）に構造やρなどを設定する必要がある。

空間電荷型ＥＯ光偏向器の設計においてもう一つ注意しなければならないのが、空間電荷型ＥＯ光偏向器に付随するレンズ効果である。（３）式に示すように、空間電荷型ＥＯ光偏向器の偏向角は電極間の位置ｘに依存する。（３）式において電圧Ｖを０とおくと、光線が電極間の中央、つまりｘ＝ｄ／２に入射する場合、偏向角はゼロである。しかし、電極間の中央以外の位置に光線が入射した場合、偏向角はゼロではない。ｘ＞ｄ／２の位置に入射する場合、偏向角は負となり、ｘ＜ｄ／２の位置に入射する場合、偏向角は正となる。ｘ＞ｄ／２の位置に入射する場合であっても、ｘ＜ｄ／２の位置に入射する場合であっても、光線はｘ＝ｄ／２の方へ向いて進む。つまり、ｘ＝ｄ／２にある光軸へ集光され、シリンドリカル凸レンズの機能を果たす。このように、空間電荷型ＥＯ光偏向器は、偏向機能と同時に凸レンズ機能を発現する。一般には、偏向器は平行ビーム（コリメート光）を偏向する用途で使うことが多く、このような場合は、この偏向器のレンズ機能を補償し、入射するコリメート光に対し、同じくコリメート光を出射させるため、ガラスの補償レンズを併用する。

以下、空間電荷型ＥＯ光偏向器のレンズ機能を詳述する。図３は、図２の電気光学材料基板１０１のレンズ機能を説明する側面図である。電気光学材料基板１０１の光軸１０６の上にある点Ｐから上下対称に発散する光が、電気光学材料基板１０１の左側の面（入射端面１０７）に入射する。この時の入射する光の広がり角はφ_iとし、また、点Ｐは入射端面１０７から距離ｄ_ciだけ離れているとする。またこの入射する光は、入射端面１０７上にて全幅ａ_iであったとする。この光を構成する光線は入射端面１０７において屈折したのち、電気光学材料基板１０１内部を進行する。電気光学材料基板１０１内部を進行しているうちに、電気光学材料基板１０１内の屈折率分布によって光が進む方向が連続的に曲げられていく。屈折率分布は、（１）式と（２）式とを用いて、

と表される。光が出射端面１０９に達すると、出射端面１０９において再び屈折して、電気光学材料基板１０１外部に出射される。

（５）式の電圧Ｖがゼロの場合、出射後の光は、光軸１０６の上の点Ｑに収束する。つまり、電気光学効果によって（５）式のような屈折率分布を有する電気光学材料基板１０１のレンズ効果により、点Ｐにある光源からの光は電気光学材料基板１０１を透過して点Ｑに結像される。ここで出射端面１０９と点Ｑとの距離はｄ_coとする。電圧Ｖがゼロではない場合、（５）式の屈折率分布は図３のｘ軸方向（紙面上下方向）にずれる。これにより、集光点Ｑもｘ軸方向にずれる。出射光は、点Ｑに収束し、その後は発散してゆく光であるが、電圧印加によってＱが上下にずれていることは、全体的には上下に偏向されている状態を意味する。以下では、説明の便宜のため、電圧Ｖはゼロとしておく。

（５）式の屈折率分布は、graded indexレンズ（ＧＲＩＮレンズ）と同一の形をしていることから、この結像はＧＲＩＮレンズと同様に解析することができる。このとき、一般的な薄肉レンズの公式から、２つのパラメータｆ_Gとｄ_pとを使用して、

という式を立てる。このとき、（６）式において、パラメータｆ_Gは、この電気光学材料基板１０１の焦点距離、つまり、キャリア注入によってシリンドリカル凸レンズ効果を示すようになった電気光学材料基板の焦点距離を示している。（６）式は一般的な薄肉レンズの公式と同じ形をしており、比較により、ｄ_ci＋ｄ_pは点光源Ｐからレンズの入射側の主平面までの距離であり、ｄ_co＋ｄ_pは、レンズの出射側の主平面と、点光源Ｐからレンズに入射した光がレンズを透過して集光する位置Ｑとの距離と解釈できる。したがって、（６）式より、パラメータｄ_pは、焦点距離ｆ_Gを有する仮想的なレンズの入射側および出射側の両主平面と電気光学材料基板の入出射端面との距離と解釈できる。

ｆ_G及びｄ_pについては、

となる定数Ａを定義し、これを用いると、

である。

また、

なるパラメータｄ_cを定義すると、図３で入射側と出射側とが対称となる場合、ｄ_ci＝ｄ_co＝ｄ_cとなる。

以上説明したように、空間電荷型ＥＯ光偏向器はシリンドリカル凸レンズの機能を有する。したがって、入射光がコリメート光である場合は、ガラスなどのシリンドリカル凹レンズ、または凸レンズを用いて図３の点Ｐから発散する（または発散したとみなせる）光に変換して電気光学材料基板１０１に入射させる。また出射光をコリメート光にするためには、図３の点Ｑに収束する光がコリメートできるように、シリンドリカル凹レンズまたは凸レンズを設置する。

電圧を印加して偏向させた時の解像点数は、以上説明したパラメータを用いて計算することができる。前述の解像点数の説明では、コリメートされた出射光を想定し、解像点数を求めた。しかし、実際には、光の入射の条件を決めると、それによってケラレのない範囲での最大限の解像点数が決まる。図３において、入射端面１０７上での光の全幅ａ_iを一定に決めると、あとはｄ_ciかまたはφ_iを決めれば光の入射の条件は決まる。図３の配置で、一般的な使用条件では、

という近似が十分に高い精度で成り立つ。ａ_iとφ_iとを決めた場合のケラレのない範囲での最大の解像点数Ｎ_cは、下記の式で求められる。

の場合：

の場合：

図４は、図１の光偏向器１００の解像点数を示す図である。図４に示すグラフは、（１１）式から（１３）式を使用して作成している。横軸は入射光広がり角φ_iである。ここで、典型的な値として、Ｌは２０ｍｍ、ｄは１．２ｍｍ、ｎ₀は２．１５、ｇは０．１１ｍ⁴／Ｃ²とし、また、ａ_iは０．８ｍｍに固定している。４本の曲線はそれぞれρ：６０Ｃ／ｍ³、７０Ｃ／ｍ³、８０Ｃ／ｍ³、９０Ｃ／ｍ³の場合に対応している（電気光学材料がＫＴＮの場合は、注入されるキャリアは電子なので、電荷密度はマイナスとなる）。

このグラフでは、Ｎ_cが高いほど性能がよく、そうなるように入射光広がり角φ_iを選ぶのがよい。電荷密度ρは、電気光学材料基板１０１の物理的性質によっておおむね決まっているので、例えばρが７０Ｃ／ｍ³の電気光学材料基板を用いる場合、ρ：７０Ｃ／ｍ³の曲線上で最大のＮ_cが得られるように、φ_iを決める。注意すべきなのは、最大のＮ_cが得られるのは、どの曲線でも負のφ_iにおいてであることである。図３で描かれている点Ｐから光が発散しているのとは少しイメージが異なるが、負のφ_iは、発散光ではなくて収束光を意味している。このとき、（１１）式によってｄ_ciも負となるので、図３に描かれている点Ｐのように電気光学材料基板１０１の入射端面１０７よりも入射側にあるのではなく、入射端面１０７よりも出射側にあり、その点に向かって集光する光を入射することになる。図４においては、ρが高い場合ほど、最適なφ_iは右側に位置するが、９０Ｃ／ｍ³の場合でも−３．８ｍｒａｄとなり負の値となる。実際に電気光学材料基板１０１として好適に用いられるＫＴＮにて、ρ：９０Ｃ／ｍ²を超える電荷密度を実現するのは困難であり、通常はρ：９０Ｃ／ｍ³未満の材料を電気光学材料基板１０１として用いることになるので、最適なφ_iは必然的に負の値となる。φ_i＝−３．８ｍｒａｄの場合、ｄ_ci＝−２１０ｍｍとなるので、このような光は、入射端面１０７における波面が曲率半径２１０ｍｍの収束光、ということもできる。つまり、入射端面１０７から出射側へ２１０ｍｍ進んだ位置に集光する光である。なお、ρ：６０Ｃ／ｍ³の場合は−４０ｍｒａｄが最適である。あまり電荷密度が小さいと、偏向角が小さくなり、実際に図４でも解像点数が小さくなっていくことから、ρ：６０Ｃ／ｍ³の−４０ｍｒａｄが実質的な下限となると考えられる。この場合、入射端面１０７における波面の曲率半径が２０ｍｍの収束光となる。

（本実施形態の光偏向器について）
以上説明したような収束光を入射する用い方の場合、（５）式を参照すると、ｄ_coは非常に小さくなり、集光点Ｑは出射端面１０９に近接するか、または電気光学材料基板１０１の内側にまで入り込むことがある。このような場合、出射光を凹レンズを用いてコリメートすることは困難である。このため、図１の本実施形態の光偏向器１００においては、シリンドリカル凸レンズを用いてコリメートしている。

前述したように、入射光も出射光もコリメート光とするのが便利である。この条件下で、図１の本実施形態の光偏向器１００は、以上説明したような光の入射方法にて空間電荷型ＥＯ光偏向器を使用するのに好適な偏向器構造である。左側から進行してきたコリメート光を、収束光として電気光学材料基板１０１に入射するのには、シリンドリカル凸レンズ１１０を設置するのが好適である。また、出射側にもシリンドリカル凸レンズ１１１を設置してコリメート光を出力するのが好適である。なお、前述のように、電気光学材料基板１０１に形成する空間電荷の密度がρ：９０Ｃ／ｍ³に及ぶ場合、入射収束光の波面の曲率半径の最適値は、非常に大きく、φ_iに直すと非常に小さく、０であってもほぼ同等の解像点数が得られる。これは、入射光がコリメート状態であることを意味する。したがって、シリンドリカル凸レンズ１１０を設置せず、入射コリメート光を直接、電気光学材料基板１０１に入射してもよい。

（電気光学材料）
次に、電気光学材料の電気光学効果（ＥＯ効果）について説明する。電気光学効果には、いくつかの次数の異なる電気光学効果が含まれるが、一般的には、１次電気光学効果（ポッケルス効果）が利用されている。ポッケルス効果は、屈折率変化が電界に比例する。 これに対して、２次電気光学効果（カー効果という）を利用すると、屈折率変化は電界の二乗に比例する。本発明は、電気光学材料基板がレンズ効果を有することを前提としている。このレンズ効果とは、（５）式で表される屈折率分布が光線を曲げて集光する効果のことである。この（５）式は、カー効果の屈折率変化を表す（１）式から導かれたものであり、ポッケルス効果では、キャリアを注入しても（５）式のようなレンズ効果を発現しない。したがって本発明は、ポッケルス効果を有せず、カー効果を発現する電気光学材料を使用することを前提としている。

多くの電気光学材料は、反転対称性を有しておらず、ポッケルス効果を発現する。これに対して、一部の電気光学材料は、反転対称性を有しており、ポッケルス効果を発現せず、カー効果が支配的となる。従って、本実施形態の電気光学材料基板１０１を構成する電気光学材料としては、反転対称性を有する材料を用いる。

一般に誘電体は、外部から電界を印加すると、印加した電界に比例した分極が発生するが、電界を取り去ると、分極は０に戻る。しかし、電界を取り去っても有限の分極が残る物質が存在する。外部電界がなくても存在する分極を自発分極という。この自発分極を、外部電界によって向きを反転させることができる物質が存在し、これを強誘電体という。

反転対称性を有する単結晶とは、原子の配列を、ある原点を中心としてｘ，ｙ，ｚ座標系で反転したとき、元の原子の配列と完全に同じ配列となる結晶をいう。自発分極を有する結晶を、座標軸上で反転すると、自発分極の向きが反転するので、このような結晶は反転対称性を有するとはいえない。従って、強誘電体は自発分極を有するので、反転対称性を有していない。

一方、自発分極を有していても、それを外部電界で反転することができない物質も存在する。このような物質は、反転対称性を有していないが、強誘電体でもないので、反転対称性を有していない物質が全て強誘電体であるわけではない。また、強誘電体であって、かつ反転対称性を有するということは、ありえない。

反転対称性を有する電気光学材料としては、ペロブスカイト型の結晶構造を有する単結晶材料がある。ペロブスカイト型単結晶材料は、使用温度を適切に選択すれば、使用状態において反転対称性を有する立方晶相となる。立方晶相においては、ポッケルス効果を発現せず、カー効果が支配的となる。例えば、最もよく知られたチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ₃、以下ＢＴという）でも、１２０℃付近において正方晶相から立方晶相へ相転移する温度（以下、相転移温度という）を超えた温度であれば、立方晶相となり、カー効果を発現する。

また、タンタル酸ニオブ酸カリウム（ＫＴＮ：ＫＴａ_1-xＮｂ_xＯ₃、０＜ｘ＜１）を主成分とする単結晶材料は、より好適な特徴を有する。ＢＴは相転移温度が決まっているのに対し、ＫＴＮは、タンタルとニオブの組成比により、相転移温度を選択することができる。これにより、室温付近に相転移温度を設定することができる。ＫＴＮは、相転移温度よりも高い温度であれば立方晶相となり、反転対称性を有し、大きなカー効果を有する。同じ立方晶相にあっても、より相転移温度に近い方が、カー効果が圧倒的に大きくなる。このため、室温付近に相転移温度を設定することは、大きなカー効果を簡便に実現する上で、非常に重要である。

さらに、ＫＴＮに関連する単結晶材料として、結晶の主成分が、周期律表Ｉａ族とＶａ族から構成されており、Ｉａ族はカリウムであり、Ｖａ族はニオブ、タンタルの少なくとも１つを含む材料を用いることができる。また、添加不純物としてカリウムを除く周期律表Ｉａ族、例えばリチウム、またはＩＩａ族の１または複数種を含むこともできる。例えば、立方晶相のＫＬＴＮ（Ｋ_1-yＬｉ_yＴａ_1-xＮｂ_xＯ₃、０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）結晶を用いることもできる。

その他に、ＰｂＴｉ_1-xＺｒ_xＯ₃（ＰＺＴ）や、これにＬａを添加したＰＬＺＴも、ペロブスカイト型結晶であり、組成と使用温度の選択により、反転対称性を持たせることができる。これらは、単結晶でなくても、多結晶の焼結体としても用いることができる。

（電極材料）
次に、電気光学材料基板に形成する電極の材料について説明する。電気光学材料に高い電圧を印加すると、電極から電荷が注入され、結晶内に空間電荷が発生しうる。この空間電荷により電圧の印加方向に電界の大きさの傾斜が生じるために、屈折率の変調にも傾斜が生じることは、前述のとおりである。従って、電気光学材料を本実施形態である空間電荷型のＥＯ光偏向器として機能させるための所望の屈折率分布を得るためには、電気光学材料基板１０１に電圧を印加した際に、電気光学材料基板１０１の内部に高密度の空間電荷が形成されるのがよい。

空間電荷の量は、キャリアの注入効率に依存する量である。電気光学結晶において電気伝導に寄与するキャリアが電子の場合には、電極材料の仕事関数が小さくなるにつれて、電極と基板との間はオーミック接合に近づき、キャリアの注入効率は増加する。逆に、電極材料の仕事関数が大きくなるにつれて、電極と基板との間はショットキー接合に近づき、キャリアの注入効率は減少する。従って、本実施形態である空間電荷型のＥＯ光偏向器として機能させるためには、電極は、電気光学材料とオーミック接合が形成される材料であることが好ましい。具体的には、電極材料の仕事関数は、５．０ｅＶ未満であることが好ましい。例えば、仕事関数が５．０ｅＶ未満の電極材料として、Ｔｉ（３．８４）等を用いることができる。（）内は仕事関数を示し、単位はｅＶである。なお、Ｔｉの単層電極は酸化して高抵抗になるので、一般的には、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕを順に積層した電極を用いて、Ｔｉの層と電気光学結晶とを接合させる。さらに、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）、ＺｎＯなどの透明電極を用いることもできる。

一方、電気光学結晶において電気伝導に寄与するキャリアが正孔の場合には、正孔を効率よく注入するために、電極材料の仕事関数は、５．０ｅＶ以上であることが好ましい。例えば、仕事関数が５．０ｅＶ以上の電極材料として、Ｃｏ（５．０）、Ｇｅ（５．０）、Ａｕ（５．１）、Ｐｄ（５．１２）、Ｎｉ（５．１５）、Ｉｒ（５．２７）、Ｐｔ（５．６５）、Ｓｅ（５．９）を用いることができる。

（実施例１）
図１に示したように、電気光学材料を板状に加工した電気光学材料基板１０１の上面および下面に、陽極となる電極１０２、陰極となる電極１０３を形成する。電気光学材料基板１０１は、ＫＴＮ単結晶から、ブロックを切り出し、４ｍｍ×３．２ｍｍ×（厚さＴ＝）１．2ｍｍの形状に成形する。電気光学材料基板１０１の６面とも、結晶の（１００）面に平行とし、光学研磨を行っている。また、３．２ｍｍ×１．２ｍｍの１対の面を光入出射面とし、反射防止膜を施したほか、これらの面の一部を光学窓として残して他の部分を高反射膜で覆い、入射光をＫＴＮブロックの内部で反射を繰り返し、４ｍｍ長を５回透過するようにした。ＫＴＮ単結晶は、相転移温度３５℃であったので、相転移温度を少し上回る３７℃で使用する。この温度（３７℃）での比誘電率は１７，５００である。２つの電極（１０２，１０３）は、電気光学材料基板１０１の４ｍｍ×３．２ｍｍの２面を、ほぼ全面的に覆うように、チタン（Ｔｉ）を蒸着して形成されている。Ｔｉ電極膜の上には、白金と金を続けて成膜して保護した。このＫＴＮブロックに電圧４００Ｖを印加すると、内部に電荷密度９０Ｃ／ｍ³の空間電荷が形成された。

電気光学材料基板１０１を、３７℃で温度制御した状態で、１／ｅ²直径０．８ｍｍのコリメートしたレーザ光を入射する。したがって入射端面でのこの光の波面の曲率半径は無限大であった。光の偏光は直線で、振動電界の方向はｘ軸方向である。ＫＴＮブロック内を５回透過して出射された光は出射端面に近接した場所で集光されたため、焦点距離７．５ｍｍのシリンドリカル凸レンズを設置してコリメートした。コリメート後の１／ｅ²直径は、約０．８ｍｍであった。解像点数は最大で８４点であった。

（実施例２）
実施例１で用いた電気光学材料基板と同じ基板を、図１のように二つのシリンドリカル凸レンズ１１０及び１１１で挟んだ構造の光偏向器を作製した。入射側の凸レンズ１１０の焦点距離は２００ｍｍ、出射側の凸レンズ１１１の焦点距離は７．５ｍｍとした。凸レンズ１１０は電気光学材料基板に近接して設置した。次に、電気光学材料基板１０１の温度を３７℃に制御した状態で、コリメートしたレーザ光を入射した。したがって電気光学材料基板に入射する光は収束光であった。光の偏光は直線で、振動電界の方向はｘ軸方向である。ＫＴＮブロック内を５回透過して出射された光は出射端面に近接した場所で集光され、出射側の凸レンズ１１１の位置を微調整したコリメートした。コリメート後の１／ｅ²直径は、約０．８ｍｍであった。解像点数は最大で８７点であった。

１００ 光偏向器
１０１ 電気光学材料基板
１０２、１０３ 電極
１０４ 入射光線
１０５ 出射光線
１０６ 光軸
１０７ 入射端面
１０８ 光線
１０９ 出射端面
１１０、１１１ シリンドリカル凸レンズ

Claims (6)

1. 反転対称性を有する単結晶からなる電気光学材料と、
   前記電気光学材料の対向する２平面に形成された一対の電極と
   を備え、前記一対の電極により電子または正孔を注入して前記電気光学材料内部に空間電荷を形成し、前記一対の電極の間の印加電圧を変えることによって前記電気光学材料を透過する光の進行方向を変える光偏向器であって、
   前記電気光学材料の光の入射側に配置された入射側シリンドリカル凸レンズと、
   前記電気光学材料の光の出射側に配置された出射側シリンドリカル凸レンズと
   を備え、前記入射側シリンドリカル凸レンズの焦点が、前記電気光学材料の入射端面よりも出射側に配置されていることを特徴とする光偏向器。
2. 前記電気光学材料に入射する光の広がり角をφ_i、前記電気光学材料の入射端面上における入射光の全幅をａ_i、前記一対の電極間の距離をｄ、前記電気光学材料の屈折率をｎ₀、前記電気光学材料に注入された電子または正孔の電荷密度をρ、前記電気光学材料の光進行方向の長さをＬ、及び前記電気光学材料の２次の電気光学係数をｇとし、Ａを
   

   

   としたときに、パラメータｆ_G、ｄ_pおよびｄ_cを
   

   

   

   

   と設定した場合において、
   

   

   のとき、解像点数
   

   

   が最大となるようにφ_iが設定され、
   

   

   のとき、解像点数
   

   

   が最大となるようφ_iが設定されることを特徴とする請求項１に記載の光偏向器。
3. 前記一対の電極は、前記電気光学材料とオーミック接合が形成される材料からなることを特徴とする請求項１または２に記載の光偏向器。
4. 前記電気光学材料は、結晶の主成分が、周期律表Ｉａ族とＶａ族から構成されており、Ｉａ族はカリウムであり、Ｖａ族はニオブ、タンタルの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の光偏向器。
5. 前記電気光学材料は、さらに、添加不純物としてカリウムを除く周期律表Ｉａ族またはＩＩａ族の１または複数種を含むことを特徴とする請求項４に記載の光偏向器。
6. 反転対称性を有する単結晶からなる電気光学材料と、
   前記電気光学材料の対向する２平面に形成された一対の電極と
   を備え、
   前記電気光学材料に入射する光の広がり角をφ_i、前記電気光学材料の入射端面上における入射光の全幅をａ_i、前記一対の電極間の距離をｄ、前記電気光学材料の焦点距離をｆ_G、前記電気光学材料の屈折率をｎ₀、前記電気光学材料に前記一対の電極から注入された電子または正孔の電荷密度をρ、前記電気光学材料の光進行方向の長さをＬ、及び前記電気光学材料の２次の電気光学係数をｇとし、Ａを
   

   

   としたときに、パラメータｆ_G、ｄ_pおよびｄ_cを
   

   

   

   

   と設定した場合において、
   

   

   ののとき、解像点数
   

   

   が最大となるようにφ_iが設定され、
   

   

   のとき、解像点数
   

   

   が最大となるようφ_iが設定される光偏向器において、
   前記一対の電極により電子または正孔を注入して前記電気光学材料内部に空間電荷を形成し、
   光を前記電気光学材料に入射し、
   前記一対の電極間の印加電圧を変えることによって、前記電気光学材料に入射した前記光の進行方向を変えることを特徴とする方法。

Images