JP3144270B2 - 光偏向素子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光導波路中の光ビーム
を電気光学効果によって偏向するための電極が備えら
れ、レーザー・プリンター、デジタル複写機、ファクシ
ミリ等に利用される光偏向素子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】レーザー・ビーム・プリンター、デジタ
ル複写機、ファクシミリ等に用いられているレーザー・
ビーム光走査装置は、気体レーザーや半導体レーザーか
らのビームを偏向するポリゴンミラーと呼ばれる回転多
面鏡と、その回転多面鏡により反射されたレーザー・ビ
ームを感光体などの結像面上において等速度直線運動の
状態に集光させるｆ・θレンズとにより構成されたもの
が代表的なものとして使用されている。このようなポリ
ゴンミラーを用いる光走査装置は、ポリゴンミラーをモ
ーターによって高速回転させるために、耐久性に劣ると
ともに騒音が発生するという問題を有し、また光走査速
度がモーターの回転数によって制限されるという問題が
ある。

【０００３】一方、固体型のレーザー・ビーム光偏向装
置としては、音響光学効果を利用した光偏向素子があ
り、なかでも光導波路型素子が期待されている（Ｃ．
Ｓ．Ｔｓａｉ，ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ｃｉｒｃｕｉｔ
ｓ ａｎｄ Ｓｙｓｔ．ｖｏｌ．ＣＡＳ−２６（１９７
９）１０７２等）。この光導波路素子は、ポリゴンミラ
ーを用いたレーザー・ビーム光走査装置の欠点を解決す
るレーザー・ビーム光走査素子として、プリンター等へ
の応用が検討されている［野崎他，信学技報，ＯＱＥ８
５−１７７（１９８６）４３および羽鳥他，信学技報，
ＯＱＥ８８−１３９（１９８９）９等］。このような光
導波路型の光偏向素子は、特開昭５２−６８３０７号公
報及び特公昭６３−６４７６５号公報等に示されるよう
に、ＬｉＮｂＯ₃ やＺｎＯ等よりなる光導波路と、この
光導波路内にレーザー・ビームをカップリング（入射）
させる手段を有し、さらにその光導波路中の光ビームを
音響光学効果により偏向するための表面弾性波を励起す
る櫛形の電極と偏向された光ビームを光導波路中より出
射させる手段が備えられたものであり、その他に必要に
応じて薄膜レンズ等が素子に付加されたものである。こ
れらの光導波路型の光偏向素子は、無騒音であって信頼
性に優れたものであり、かつ小型であるという利点を有
している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、この種の光
導波路型の光偏向素子は、音響光学効果による偏向にお
いて、一般に表面弾性波の励起をデジタル変調によって
行うものであり、この変調方式ではレーザー・プリンタ
ー、デジタル複写機、ファクシミリ等に使用できる実用
的なレーザー・ビームの走査速度を得ることはできない
という問題があった。一方、デジタル変調よりも高速な
アナログ変調が知られているが、この変調方式において
は、変調後のレーザー光は集光されてしまうことから、
やはりレーザー・プリンター、デジタル複写機、ファク
シミリ等に利用する実用的なレーザー・ビームの形状は
得られないという問題があった。また、このアナログ変
調の場合には、用途によっては応答速度の遅いことが問
題となる。

【０００５】さらに、音響光学効果と比較して変調速度
の速い電気光学効果を有する材料を用いたプリズム型光
偏向素子が知られている［Ａ．Ｙａｒｉｖ，Ｏｐｔｉｃ
ａｌＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，４ｔｈ ｅｄ．（Ｎｅｗ
Ｙｏｒｋ，Ｒｉｎｅｈａｒｔ ａｎｄ Ｗｉｎｓｔｏ
ｎ，１９９１）ｐ．３３６〜３３９］。この種の素子と
しては、セラミックや単結晶を用いたバルク素子が知ら
れているが、これらのバルク素子は、その大きさが大き
く、また駆動電圧がかなり高いために実用的な偏向角度
を得ることができないという問題があった。また、Ｔｉ
拡散型光導波路やプロトン交換型光導波路を作製したＬ
ｉＮｂＯ₃単結晶ウエハーを用いたプリズム型ドメイン
反転光偏向素子またはプリズム型電極光偏向素子が知ら
れている［Ｑ．Ｃｈｅｎ，ｅｔ ａｌ．，Ｊ．Ｌｉｇｈ
ｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈ．ｖｏｌ．１２（１９９４）１４
０１、特開昭６２−４７６２７号公報等］。しかしなが
ら、これらの光偏向素子は、ＬｉＮｂＯ₃ 単結晶ウエハ
ーの厚さである０．５ｍｍ程度の電極間隔が必要となる
ために依然として駆動電圧が高く、上記した「Ｊ．Ｌｉ
ｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈ．」第１２巻第１４０１頁に
おいては、駆動電圧を±６００Ｖとしても、偏向角度は
僅かに０．５度程度が得られているにすぎず、実用的な
偏向角度は得られないという問題があった。

【０００６】そこで、本発明は、従来の技術における上
記した問題を解決するためになされたものである。した
がって、本発明の目的は、電気光学効果を利用した高速
変調可能な光導波路型の光偏向素子において、低い駆動
電圧のもとで偏向角度を拡大させることにより、レーザ
ー・プリンター、デジタル複写機、ファクシミリ等に利
用可能なレーザー光偏向素子及び光ディスク用のピック
アップ、光通信や光コンピューター用の光スイッチ等を
含むオプト・エレクトロニクス全般に利用可能な光偏向
素子を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、電気光学効果
を有する光導波路と、この光導波路上には導電性または
半導電性の上部電極及び光導波路下には上部電極に対向
する下部電極が設置され、上部電極と下部電極との間に
電圧を印加することにより異なる屈折率を有する領域を
発生させて前記光導路内に入射した光ビームを電圧に応
じて偏向させる光偏向素子において、該光導波路は、導
電性または半導電性の単結晶基板上に作製されたエピタ
キシャルまたは配向性の強誘電体薄膜により形成されて
なり、該導電性または半導電性の単結晶基板は、導電性
または半導電性の酸化物で形成され、該光導波路下に設
置された下部電極として作用することを特徴とする。

【０００８】本発明においては、光導波路が、互いに平
行でない二辺を持つプリズム形状の分極ドメイン反転領
域を有することにより、上部電極と下部電極との間に電
圧を印加したときに、プリズム形状の分極ドメイン反転
領域とそれ以外の領域において異なる屈折率を発生させ
る構成を採用することが望ましい。また、上部電極が、
互いに平行でない二辺を持つプリズム形状パターンを有
し、その電極間に電圧を印加することにより電極パター
ンに対応する異なる屈折率を持つ領域を発生させる構成
を採用することも有効である。

【０００９】本発明に用いる強誘電体薄膜としては、Ａ
ＢＯ₃ 型のペロブスカイト型酸化物では、正方晶、斜方
晶または擬立方晶系として、例えば、ＢａＴｉＯ₃ 、Ｐ
ｂＴｉＯ₃ 、Ｐｂ_1-x Ｌａ_x （Ｚｒ_y Ｔｉ_1-y ）_{1-x /4}
Ｏ₃ （ただし、x 及びy の値によりＰＺＴ、ＰＬＴ又は
ＰＬＺＴとなる。）、Ｐｂ（Ｍｇ_1/3 Ｎｂ_2/3 ）Ｏ₃、
ＫＮｂＯ₃ 等、六方晶系として、例えば、ＬｉＮｂ
Ｏ₃ 、ＬｉＴａＯ₃ 等に代表される強誘電体、タングス
テンブロンズ型酸化物では、Ｓｒ_x Ｂａ_1-x Ｎｂ
₂Ｏ₆ 、Ｐｂ_x Ｂａ_1-x Ｎｂ₂ Ｏ₆ 等、またその他に、
Ｂｉ₄ Ｔｉ₃ Ｏ₁₂、Ｐｂ₂ＫＮｂ₅ Ｏ₁₅、Ｋ₃ Ｌｉ₂ Ｎ
ｂ₅ Ｏ₁₅、さらにこれらの置換誘導体等より適宜選ばれ
る。また、上部電極としては、Ｐｔ、Ａｌ等の金属電極
及び上記光導波路よりも小さい屈折率を有するＩＴＯ等
の透明酸化物電極を用いることが可能である。さらに、
光導波路と上部電極との間に、光導波路よりも小さい屈
折率を有するクラッド層を設ける場合には、上部電極に
は任意の材料を用いることができるが、駆動電圧の増加
を招かないＩＴＯ等の透明酸化物電極を用いることが望
ましい。

【００１０】本発明において、導電性または半導電性の
単結晶基板は、光導波路よりも小さい屈折率を有するＮ
ｂドープのＳｒＴｉＯ₃ 、ＡｌドープのＺｎＯ、Ｉｎ₂
Ｏ₃、ＲｕＯ₂ 、ＢａＰｂＯ₃ 、ＳｒＲｕＯ₃ 、ＹＢａ
₂ Ｃｕ₃ Ｏ_7-x 、ＳｒＶＯ₃、ＬａＮｉＯ₃ 、Ｌａ_0.5
Ｓｒ_0.5 ＣｏＯ₃ 等の酸化物で形成される。これらの導
電性または半導電性の単結晶基板は、強誘電体薄膜の結
晶構造に応じて選ぶことが望ましい。また、上部電極ま
たは下部電極として用いる導電性または半導電性の薄膜
または単結晶基板には、その抵抗率として１０^-6Ω・ｃ
ｍ〜１０³ ３Ω・ｃｍ程度の範囲のものが有効である
が、電圧降下が無視できる程度の抵抗率のものであれば
上部電極または下部電極として利用可能である。また、
偏向速度または変調速度によっては、キャリア・モビリ
ティが適当な上部電極材料または下部電極材料を選択す
ることができる。

【００１１】本発明に使用する強誘電体薄膜の製造方法
としては、電子ビーム蒸着、フラッシュ蒸着、イオン・
プレーティング、Ｒｆ−マグネトロン・スパッタリン
グ、イオン・ビーム・スパッタリング、レーザー・アブ
レーション、ＭＢＥ、ＣＶＤ、プラズマＣＶＤ、ＭＯＣ
ＶＤ等から選ばれる気相成長法及びゾルゲル法、ＭＯＤ
法等のウエット・プロセスにより作製された薄膜の固相
成長法によって作製される。また、光源としては、単数
のレーザー・ビームを発振するレーザー、あるいは複数
のレーザー・ビームを発振する単一の基板上に形成され
たレーザー・アレイが使用される。具体的には、Ｈｅ−
Ｎｅなどの気体レーザーや、ＡｌＧａＡｓ等の化合物半
導体レーザーまたはこれらのレーザー・アレイ等を用い
ることができる。さらに、レーザーの発振によるレーザ
ー光は、プリズム・カップリング、バット・カップリン
グ（またはエンド・カップリング）、グレーティング・
カップリング、エバーネッセント・フィールド・カップ
リング等から選ばれる方法によって光導波路に導入され
る。薄膜レンズとしては、モード・インデックス・レン
ズ、ルネブルク・レンズ、ジオデシック・レンズ、フレ
ネル・レンズ、グレーティング・レンズ等が適してい
る。出射手段としては、プリズム・カップラー、グレー
ティング・カップラー、フォーカシング・カップラー、
ＳＡＷグレーティング・カップラー等が適している。

【００１２】次に、電気光学効果の原理について説明す
る。一般に、ある材料に電場を加えると、電場方向に分
極が生じ、電場方向の光速は小さくなる。真空中の光速
をｃ、屈折率がｎであり、比誘電率がε_r の媒体中の光
速をｃ_i とすると、次の［１］式で表される。 ｎ＝ｃ／ｃ_i ＝（ε_r μ_r ）^1/2 ［１］ ［１］式より明らかなように、これは電場方向において
屈折率が増大し、電場と垂直方向においては屈折率が低
下する電気光学効果につながる。この電気光学効果にお
いて、屈折率ｎと電場Ｅとの関係は、次の［２］式で与
えられる。 ｎ＝ｎ₀ ＋ａＥ＋ｂＥ² ＋ｃＥ³ ＋・・・・・ ［２］ そして、結晶構造が対称心を有する物質の場合には、 ｎ＝ｎ₀ −ａＥ＋ｂＥ² −ｃＥ³ ＋・・・・・ ［３］ ｎ＝ｎ₀ ＋ａＥ＋ｂＥ² ＋ｃＥ³ ＋・・・・・ ［４］ とが等しくならなければならない。したがって、 ｎ＝ｎ₀ ＋ｂＥ² ＋・・・・・ ［５］ となり、電場による屈折率変化は、次のように奇数項が
消えてしまう。 Δｎ＝ｎ₀ −ｎ＝−ｂＥ² − ・・・・・ ［６］ この中で、二次の項がＫｅｒｒ効果と呼ばれ、一般に次
のように示される。 Δｎ＝−１／２Ｒｎ³ Ｅ² ［７］ 一方、結晶構造が対称心のない物質の場合には、奇数項
が残ることになる。 Δｎ＝ｎ₀ −ｎ＝−ａＥ−ｂＥ² −・・・・・ ［８］ この中で、一次の項がＰｏｃｋｅｌｓ効果と呼ばれ、一
般に次のように示される。 Δｎ＝−１／２ｒｎ³ Ｅ ［９］ この効果は、対称心のない結晶構造を持つ物質、すなわ
ち圧電体や強誘電体にのみ見られるものである。実際に
は、電場を大きくしていくと、Ｋｅｒｒ効果は、次第に
Ｐｏｃｋｅｌｓ効果に重畳する形で屈折率の変化が起こ
る。

【００１３】そこで、このような電気光学効果を利用す
る際には、対称心のない結晶構造を有するとともに、高
い係数を有する強誘電体を用いることとなり、その代表
的なものとしてはＬｉＮｂＯ₃ 及びＰＬＺＴである。ま
たこの際、電気光学効果におけるＩ−Ｅ特性には、メモ
リー性のない材料を選択することが望ましい。このため
にはＰ−Ｅヒステリシス・ループがスリムな特性を持
ち、実用上Ｉ−Ｅ特性にメモリー性のない材料を選択す
る必要があるが、使用方法によってはこの限りではな
い。なお、電気光学効果に対する係数行列は３階のテン
ソルである。

【００１４】ＰＬＺＴ薄膜のような強誘電体に局所電場
を印加すると、上記のようにその領域の屈折率の低下が
起こり、図１に示すブラッグ反射や図２に示す全反射に
よって、レーザー・ビームの方向を切り替えることがで
きる。このＥＯ（電気光学効果）変調の場合には、音響
光学効果を利用した光偏向素子のようなフォノンの移動
時間による制限を受けず分極によるために、スポット移
動時間（スイッチング時間）はピコ秒オーダーと極めて
速い。図１に示すように、櫛形電極等に電場を印加する
ことにより薄膜の屈折率を周期的に変化させると、入射
するレーザー光は、次式［１０］のブラッグ条件のもと
でブラッグ反射を起こす。 ｍλ＝２Λｓｉｎθ_B ［１０］ ここで、ｍは回折されたレーザーの次数、λはレーザー
の波長、Λは屈折率の変化周期、θ_B はブラッグ角であ
る。この際、レーザー・ビームを偏向（走査）するため
には、数多くの電極を配置し、偏向角に応じて屈折率の
変化周期を変えるべくアドレッシングを行う必要があ
る。図１において、１は入射レーザー・ビーム、２は出
射レーザー・ビーム、３は電場による屈折率変化によっ
て生じたグレーティング領域である。

【００１５】図２に示すように、角度θの全反射は、次
式［１１］の全反射条件を満たす際に起こるものであ
る。図２において、４は電場における屈折率変化領域で
ある。 θ≧θ_T ＝ｓｉｎ^-1（ｎ₂ ／ｎ₁ ） ［１１］ 式中、θ_T は入射角（臨界角）、ｎ₁ は導波路材料の屈
折率、ｎ₂ は屈折率の低下領域の屈折率であり、ｎ₂ ＜
ｎ₁ でなければならない。屈折率の低下がＰｏｃｋｅｌ
ｓ効果による際には、上述のとおり、Δｎ＝−１／２ｒ
ｎ³ Ｅとなることから、［１０］式は、 θ_T ＝ｓｉｎ^-1（ｎ₂ ／ｎ₁ ）＝ｓｉｎ^-1｛（ｎ₁ −Δｎ）／ｎ₁ ｝ ＝ｓｉｎ^-1（１−１／２ｒｎ² Ｅ） となる。ここで、屈折率ｎ₀ ＝２．２８６（６３３ｎ
ｍ）のＬｉＮｂＯ₃ におけるＰｏｃｋｅｌｓ係数は、ｒ
₃₃＝３０．８×１０^-12 ｍ／Ｖ程度である。これに１０
０ｋＶ／ｃｍを印加すると、２×１０^-3の屈折率変化と
なり、レーザー光の最大の進行方向の変化θ_max は、臨
界角θ_T において次のように得ることができる。 θ_max ＝（９０−θ_T ）×２＝｛９０−ｓｉｎ^-1（ｎ₂ ／ｎ₁ ）｝×２ ＝（９０°−８７．６０°）×２＝２．４０°×２＝４．８０° しかし、全反射では、レーザー・ビームを偏向（走査）
するためにはレーザー・ビームに対する全反射面の角度
を変化させなくてはならず、レーザー光を偏向（走査）
することは容易ではない。

【００１６】さらに、図３に示すように、プリズム型光
偏向素子が知られている。図３において、長さがｌ、高
さがＤの屈折率が異なる二つのプリズム（５）及び
（６）からなる媒質があるとする。ここに入射する光Ａ
は、屈折率ｎ_a のプリズム（５）を通過し、その通過時
間τ_a は、プリズム（５）における光速をｃ_a とする
と、 τ_a ＝ｌ／ｃ_a ［１２］ であり、ｃを真空中の光速とすると［１］式より、 τ_a ＝ｌ／ｃ_a ＝ｌ／ｃ・ｎ_a ［１３］ 同様に、屈折率ｎ_b のプリズム（６）を通過する光Ｂの
通過時間τ_b は、 τ_b ＝ｌ／ｃ_b ＝ｌ／ｃ・ｎ_b ［１４］ 従って、光Ａおよびｂの通過時間の差はｎ_a ＝ｎ＋Δｎ
＞ｎ_b ＝ｎとすると、 Δτ＝ｌ／ｃ・（ｎ_a −ｎ_b ）＝ｌ／ｃ・Δｎ ［１５］ となる。この通過時間の差により、プリズムを出射前の
波面の位置の差は、 Δｙ＝ｃ_b ・Δτ＝ｃ／ｎ_b ・ｌ／ｃ・Δｎ＝ｌΔｎ／ｎ ［１６］ であり、これはプリズム内のビーム軸の屈折と等価で、
その角度は、 θ_D ＝ｔａｎ（θ_D ）＝−Δｙ／Ｄ＝−ｌΔｎ／（Ｄｎ） ［１７］ さらに、Ｓｎｅｌｌ則によってプリズムから出射した際
の角度は、 ｎ_air ・ｓｉｎθ_O ＝ｓｉｎθ_O ＝ｎ・ｓｉｎθ_D ［１８］ であり、 θ_O ＝ｓｉｎ^-1（ｎ・ｓｉｎθ_D ）−ｎ・θ_D ＝−ｎ・ｌΔｎ／（Ｄｎ） ＝−ｌΔｎ／Ｄ

【００１７】ここで、二つのプリズムが反対向きの分極
軸を持ち、電場がｚ軸に平行方向に印加されるとする
と、［９］式のΔｎ＝−１／２ｒｎ³ Ｅにより、 ｎ_a ＝ｎ−１／２ｒｎ³ Ｅ ［１９］ ｎ_b ＝ｎ＋１／２ｒｎ³ Ｅ ［２０］ であり、Δｎ＝ｎａ−ｎｂより、 Δｎ＝−ｒｎ³ Ｅ ［２１］ 従って、印加電圧をＶ、プリズムの厚さをｄとすると、 θ_O ＝−ｌΔｎ／Ｄ＝ｌ／Ｄ・ｒｎ³ Ｅ ＝ｌ／Ｄ・ｒｎ³ （Ｖ／ｄ） ［２２］ となり、電場または電圧に比例してレーザー・ビームを
偏向できる。図３のプリズム（ａ）の位置に、三角形の
電極が二つのプリズムの代わりに配置され、電場がｚ軸
に平行方向に印加されるとすると、 ｎ_a ＝ｎ−１／２ｒｎ³ Ｅ ［２３］ ｎ_b ＝ｎ ［２４］ であり、Δｎ＝ｎ_a −ｎ_b より、 Δｎ＝−１／２ｒｎ³ Ｅ ［２５］ 従って、印加電圧をＶ、媒質の厚さをｄとすると、次の
ようになる。 θ_O ＝−ｌΔｎ／Ｄ＝ｌ／Ｄ・１／２ｒｎ³ Ｅ ＝ｌ／（２Ｄ）・ｒｎ³ （Ｖ／ｄ） ［２６］ また、Ｋｅｒｒ効果による場合は［２６］式は、［９］
式により次の［２７］のようになる。 θ_O ＝−ｌΔｎ／Ｄ＝ｌ／Ｄ・１／２ｒｎ³ Ｅ² ＝ｌ／（２Ｄ）・ｒｎ³ （Ｖ／ｄ）² ［２７］

【００１８】従来、このような素子としては、セラミッ
クや単結晶を用いたバルク素子が知られているが、これ
らは大きさが大きく、また、駆動電圧がかなり高いため
に実用的な偏向角度を得ることができなかった。また、
図４及び図５に示すような分極ドメイン反転領域（７）
を有する光導波路（１０）構造を持った、Ｔｉ拡散型の
単結晶ＬｉＮｂＯ₃ からなる光導波路やプロトン交換型
の単結晶ＬｉＮｂＯ₃からなる光導波路による光変調素
子が検討されている。しかし、上部電極（８）と下部電
極（１２）との間には、ＬｉＮｂＯ₃ 単結晶基板（１
１）の厚さに匹敵する０．５ｍｍ程度の電極間隔が必要
となるために、従来の素子では、依然として駆動電圧が
高く、実用的な偏向角度を得ることはできない。

【００１９】

【実施例】

実施例１ 図６及び図７に示す光偏向素子において、抵抗率が５〜
５００ｍΩ・ｃｍ程度のＮｂをドープしたＳｒＴｉＯ₃
の導電性単結晶基板（１３）の（１００）面上に、エピ
タキシャルＰＬＺＴ（１２／４０／６０）からなる薄膜
光導波路（１０）を成長させる。層の厚さｄ_w ＝６００
ｎｍ、ε_w ＝１３００、ｒ＝１２０×１０^-12 ｍ／Ｖの
ＰＬＺＴ層はゾルゲル法を用いた固相エピタキシャル成
長によって作製する。このＰＬＺＴ層の作製は、まず、
無水酢酸鉛Ｐｂ（ＣＨ₃ ＣＯＯ）₂ 、ランタン・イソプ
ロポキシドＬａ（Ｏ−ｉ−Ｃ₃ Ｈ₇ ）₃ 、ジルコニウム
・イソプロポキシドＺｒ（Ｏ−ｉ−Ｃ₃ Ｈ₇ ）₄ 、及び
チタン・イソプロポキシドＴｉ（Ｏ−ｉ−Ｃ₃ Ｈ₇ ）₄
を出発原料とし、これらを２−メトキシエタノールに溶
解し、６時間の蒸留を行った後、１８時間の還流を行う
ことにより、最終的にＰｂ濃度で０．６ＭのＰＬＺＴ
（１２／４０／６０）用の前駆体溶液を得、その後、こ
の前駆体溶液を基板上にスピンコーティングを行う。以
上の工程はすべてＮ₂ 雰囲気中で行い、次に、加湿した
Ｏ₂ 雰囲気中、１０°Ｃ／ｓｅｃにて昇温して３５０°
Ｃに保持した後、６５０°Ｃに保持し、最後に電気炉の
電源を切ることにより冷却する。これにより膜厚約１０
０ｎｍの第一層目のＰＺＴ薄膜を固相エピタキシャル成
長した。これをさらに５回繰り返すことにより総膜厚６
００ｎｍのエピタキシャルＰＬＺＴ薄膜が得られる。こ
れは、結晶学的関係としてはＰＬＺＴ（１００）／／Ｎ
ｂ−ＳｒＴｉＯ₃ （１００）、面内方位ＰＬＺＴ［００
１］／／Ｎｂ−ＳｒＴｉＯ₃ ［００１］の構造を有して
いる。

【００２０】次に、ＰＬＺＴ薄膜光導波路（１０）上
に、抵抗率が約１ｍΩ・ｃｍ、膜厚が約１００ｎｍのＩ
ＴＯ透明導電性酸化物薄膜による底辺３．３ｍｍ、高さ
２．０ｍｍの３つの三角形電極アレー（１４）を作製す
る。光源としては、波長７８０ｎｍ、出力２０ｍＷのレ
ーザー・ダイオードを用いてレーザー・ビーム幅２ｍｍ
にコリメートした後、ＰＬＺＴ薄膜光導波路にグレーテ
ィング（１５）を介して導入する。ＰＬＺＴ薄膜光導波
路は、ＩＴＯ透明導電性酸化物薄膜及びＮｂドープＳｒ
ＴｉＯ₃ （１００）単結晶基板よりも屈折率が高いため
に、レーザー・ビーム（１）はＰＬＺＴ薄膜光導波路中
に閉じ込められる。入射したレーザー・ビーム（１）
は、ＩＴＯ薄膜三角形電極アレー（１４）及びＮｂドー
プＳｒＴｉＯ₃ 単結晶基板（１３）からなる電極の間に
印加電圧することによって偏向される。この偏向された
レーザー・ビームは端面より出射レーザー・ビーム
（２）として出射され、Ｆ・θレンズ等の光学系を経て
感光体の露光等に応用することができる。得られた光偏
向素子は、［２６］式において、ｎ＝２．５０、ｒ＝１
２０×１０^-12 ｍ／Ｖ、ｌ＝１０ｍｍ、Ｄ＝２ｍｍ、ｄ
＝６００ｎｍとすることができる。図８に示すように、
この光偏向素子に印加電圧１２Ｖを印加すると、偏向角
度θは５．４となり、印加電圧を−１２Ｖから＋１２Ｖ
に掃引することにより、偏向角度１０．８度を得ること
が可能となり、実用的な印加電圧で実用的な偏向角度を
実現させることができる。

【００２１】比較例１ 図５を用いて説明すると、ＭｇＯ（１００）単結晶基板
（１１）上に、エピタキシャルＰＬＺＴ（１２／４０／
６０）薄膜光導波路（１０）を成長させた。厚さｄ_w ＝
６００ｎｍ、ε_w ＝１３００、ｒ＝１２０×１０^-12 ｍ
／ＶのＰＬＺＴ層は、ゾルゲル法を用いた固相エピタキ
シャル成長によって、実施例１と同様にして作製する。
得られた薄膜光導波路の結晶学的関係としては、ＰＬＺ
Ｔ（１００）／／ＭｇＯ（１００）、面内方位ＰＬＺＴ
［００１］／／ＭｇＯ［００１］の構造を有している。
このＰＬＺＴ薄膜光導波路上には、金属電極の光導波路
における光伝搬の損失を抑制するために、約２００ｎｍ
の厚さのＳｉＯ₂ クラッド層（９）を介して約１００ｎ
ｍの厚さのＡｌ薄膜からなる上部電極（８）を有する底
辺３．３ｍｍ、高さ２．０ｍｍの三角形の３つの電極ア
レーを作製する。この光源としては、波長７８０ｎｍ、
出力２０ｍＷのレーザー・ダイオードを用いて、レーザ
ー・ビーム幅Ｄ＝２ｍｍにコリメートした後、ＰＬＺＴ
薄膜光導波路にグレーティングを介して導入する。入射
したレーザー・ビームは、三角形電極アレーからなる上
部電極（８）と下部電極（１２）の間に電圧を加えるこ
とによって偏向される。この偏向された各光ビームは、
端面より出射される。

【００２２】得られた光偏向素子は、薄膜光導波路がク
ラッド層と絶縁性基板とによって挟まれてしまうため
に、薄膜光導波路には、上部電極と下部電極間に印加電
圧Ｖをそのまま与えることはできず、その部分電圧（実
効電圧Ｖ_w ）のみが与えられることになる。この素子の
各層の厚さを、それぞれバッファ層ｄ_b 、光導波路層ｄ
_w 、クラッド層ｄ_c とし、また比誘電率を、それぞれε
_b 、ε_w 、ε_c とすると、式（２６）の印加電圧Ｖは、
次のように、実効電圧Ｖ_w となる。 Ｖ_w ＝Ｖ・（ε_b ε_c ／ｄ_b ｄ_c ）／（ε_w ε_c ／ｄ_w ｄ_c ＋ε_b ε_w ／ ｄ_b ｄ_w ＋ε_b ε_c ／ｄ_b ｄ_c ） ［２７］ さらに、ｎ＝２．５０、ｒ＝１２０×１０^-12 ｍ／Ｖ、
ｌ＝１０ｍｍ、Ｄ＝２ｍｍ、ｄ_b ＝２００ｎｍ、ε_b ＝
４、ｄ_w ＝６００ｎｍ、ε_w ＝１３００、ｄ_c＝５００
μｍ、ε_c ＝８となる。したがって、この光偏向素子
は、比誘電率の比較的小さいＭｇＯ基板を用いているに
もかかわらず、印加電圧１２Ｖにおいて光導波路にかか
る実効電圧Ｖ_w は、８．９×１０^-5Ｖが得られるにすぎ
ない。その結果、偏向角度θは、僅かに４．０×１０^-5
度であり、印加電圧をー１２Ｖから＋１２Ｖに掃引して
も、偏向角度は僅か８．０×１０^-5度であって、偏向角
度及び印加電圧とも実用的なものではない。

【００２３】実施例２ 実施例１の偏向角を拡大させるために、分極ドメイン反
転プリズム・アレーを形成させた。図９及び図１０に示
すように、ＮｂドープＳｒＴｉＯ₃ （１００）の単結晶
基板（１３）上にエピタキシャルＰＬＺＴ（１２／４０
／６０）薄膜光導波路（１０）を成長させた。層の厚さ
ｄ_w ＝６００ｎｍ、ε_w ＝１３００、ｒ＝１２０×１０
^-12 ｍ／ＶのＰＬＺＴ層は、ゾルゲル法を用いた固相エ
ピタキシャル成長によって実施例１と同様にして作製す
る。このＰＬＺＴ薄膜光導波路に２５個の底辺２ｍｍ、
高さ１．０ｍｍのプリズム形状の分極ドメイン反転領域
（７）を形成した後、このＰＬＺＴ薄膜光導波路の上に
は層厚約１００ｎｍのＩＴＯ透明導電性酸化物薄膜から
なる上部電極（８）を作製する。この光源としては、波
長７８０ｎｍ、出力２０ｍＷのレーザー・ダイオードを
用いてレーザー・ビーム幅５ｍｍにコリメートした後、
ＰＬＺＴ薄膜光導波路に入射用プリズム（１６）を介し
て導入する。入射したレーザー・ビーム（１）は、ＩＴ
Ｏ薄膜からなる上部電極（８）及びＮｂドープＳｒＴｉ
Ｏ₃ の単結晶電極（１３）の間に印加電圧することによ
って偏向される。この偏向されたレーザー・ビームは、
出射プリズム（１７）を介して出射される。得られた光
偏向素子は、式［２２］において、ｎ＝２．５０、ｒ＝
１２０×１０^-12 ｍ／Ｖ、ｌ＝１０ｍｍ、Ｄ＝１ｍｍ、
ｄ＝６００ｎｍとすることができる。図１３に示すよう
に、印加電圧１２Ｖを与えると、偏向角度θは２１．５
を得ることができ、この印加電圧を−１２Ｖから＋１２
Ｖに掃引することにより、偏向角度は４３．０度とする
ことが可能となり、実用的な印加電圧で実用的な偏向角
度を実現させることができる。

【００２４】

【００２５】実施例３ 実施例１および２においてはＰｏｃｋｅｌｓ効果を用い
たのに対し、本実施例においてはＫｅｒｒ効果を示すＰ
ＬＺＴ（８．５／６５／３５）用いた。図１１及び図１
２に示すように、抵抗率が５〜５００ｍΩ・ｃｍ程度の
ＮｂをドープしたＳｒＴｉＯ₃ （１００）導電性単結晶
基板（１３）上に、厚さｄ_w ＝５００ｎｍ、ε_w ＝１３
００、Ｒ＝３８６０×１０^-18 ｍ² ／Ｖ² のエピタキシ
ャルＰＬＺＴ（８．５／６５／３５）薄膜光導波路（１
０）を，実施例１と同様にゾルゲル法を用いた固相エピ
タキャシャル成長によって作製する。これは、結晶学的
関係としてはＰＬＺＴ（１００／／Ｎｂ−ＳｒＴｉＯ₃
（１００）、面内方位ＰＬＺＴ［００１］／／Ｎｂ−Ｓ
ｒＴｉＯ₃ ［１００］の構造を有している。次に、この
ＰＬＺＴ薄膜光導波路（１０）上に、抵抗率が約１ｍΩ
・ｃｍ、膜厚が約１００ｎｍのＩＴＯ透明導電性酸化物
薄膜による底辺１．０ｍｍ、高さ２．０ｍｍの８個の三
角形電極アレー（１４）を作製する。光源としては、波
長７８０ｎｍ、出力２０ｍＷのレーザー・ダイオードを
用いてレーザー・ビーム幅８ｍｍにコリメートした後、
ＰＬＺＴ薄膜光導波路にグレーティング（１５）を介し
て導入する。ＰＬＺＴ薄膜光導波路は、ＩＴＯ透明導電
性酸化物薄膜およびＮｂドープＳｒＴｉＯ₃ （１００）
単結晶基板よりも屈折率が高いために、レーザー・ビー
ム（１）はＰＬＺＴ薄膜光導波路中に閉じ込められる。
入射したレーザー・ビーム（１）は、ＩＴＯ薄膜三角形
電極アレー（１４）およびＮｂドープＳｒＴｉＯ₃ 単結
晶電極（１３）の間に印加電圧することによって偏向さ
れる。この偏向されたレーザー・ビームは端面より出射
され（２）、Ｆ・θレンズ等の光学系を経て感光体の露
光等に応用することができる。本実施例で得られた光偏
向素子は、式（２７）において、ｎ＝２．５０、Ｒ＝３
８６０×１０^-18 ｍ² ／Ｖ² 、ｌ＝２ｍｍ、Ｄ＝１ｍ
ｍ、ｄ＝５００ｎｍとすることができる。図１４に示す
ように、印加電圧１．２Ｖを印加すると偏向角度θは２
０度となり、印加電圧を−１．２Ｖから＋１．２Ｖに掃
引することにより、角度４０度にわって偏向可能とな
り、実用的な印加電圧で実用的な偏向角度を実現させる
ことができる。

【００２６】

【発明の効果】本発明は、電気光学効果を利用した高速
変調が可能な光導波路型の光偏向素子であって、レーザ
ー・ビームの偏向角度を拡大させるとともに、駆動電圧
または印加電圧の大幅な低減化を実現したものであるか
ら、従来の可動部分を有する光偏向素子と比較して、小
型化、低コスト化、高効率化、高速化、低騒音化等が可
能であり、したがって、レーザー・プリンター、デジタ
ル複写機、ファクシミリ等に用いられるレーザー光偏向
素子及び光ディスク用のピックアップ、光通信や光コン
ピューター用の光スイッチ等の広範囲のオプト・エレク
トロニクス分野において利用可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】 電気光学効果によるブラッグ回折の原理を示
す説明図である。

【図２】 電気光学効果による全反射の原理を示す説明
図である。

【図３】 プリズム型偏向素子の原理を示す説明図であ
る。

【図４】 従来の光導波路型プリズム偏向素子の平面図
である。

【図５】 従来の光導波路型プリズム偏向素子の断面図
である。

【図６】 実施例１による光偏向素子の平面図である。

【図７】 実施例１による光偏向素子の断面図である。

【図８】 実施例１における光偏向素子について、印加
電圧と偏向角度との関係を示すグラフである。

【図９】 実施例２による光偏向素子の平面図である。

【図１０】 実施例２による光偏向素子の断面図であ
る。

【図１１】 実施例３による光偏向素子の平面図であ
る。

【図１２】 実施例３による光偏向素子の断面図であ
る。

【図１３】 実施例２における光偏向素子について、印
加電圧と偏向角度との関係を示すグラフである。

【図１４】 実施例３における光偏向素子について、印
加電圧と偏向角度との関係を示すグラフである。

【符号の説明】

（１）…入射レーザー・ビーム、（２）…出射レーザー
・ビーム、 （３）…電場による屈折率変化によって生じたグレーテ
ィング領域、 （４）…電場による屈折率変化領域、（５）…屈折率ｎ
_a のプリズム、 （６）…屈折率ｎ_b のプリズム、（７）…分極ドメイン
反転領域、 （８）…上部電極、（９）…クラッド層、（１０）…光
導波路、 （１１）…単結晶基板、（１２）…下部電極、（１３）
…単結晶基板、 （１４）…三角形電極アレー、（１５）…入射用グレー
ティング、 （１６）…入射用プリズム、（１７）…出射用プリズ
ム、 （１８）…出射用グレーティング。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G02F 1/03 - 1/055 G02F 1/29 - 1/313 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ) ＷＰＩ（ＤＩＡＬＯＧ)

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電気光学効果を有する光導波路と、この
   光導波路上には導電性または半導電性の上部電極及び光
   導波路下には上部電極に対向する下部電極が設置され、
   上部電極と下部電極との間に電圧を印加することにより
   異なる屈折率を有する領域を発生させて前記光導路内に
   入射した光ビームを電圧に応じて偏向させる光偏向素子
   において、該光導波路は、導電性または半導電性の単結
   晶基板上に作製されたエピタキシャルまたは配向性の強
   誘電体薄膜により形成されてなり、該導電性または半導
   電性の単結晶基板は、導電性または半導電性の酸化物で
   形成され、該光導波路下に設置された下部電極として作
   用することを特徴とする光偏向素子。
2. 【請求項２】 該導電性または半導電性の単結晶基板
   が、前記光導波路より小さい屈折率を有することを特徴
   とする請求項１記載の光偏向素子。
3. 【請求項３】 前記上部電極が、透明酸化物であること
   を特徴とする請求項１記載の光偏向素子。
4. 【請求項４】 前記上部電極が、前記光導波路上に密着
   して設けられてなることを特徴とする請求項３記載の光
   偏向素子。
5. 【請求項５】 前記導電性または半導電性の単結晶基板
   が、ＮｂドープのＳｒＴｉＯ ₃ であり、前記上部電極が
   ＩＴＯであることを特徴とする請求項４記載の光偏向素
   子。