JP4557894B2 - ディフレクタ - Google Patents

Description

本発明は、ディフレクタに関し、より詳細には、偏光無依存のディフレクタに関する。

電界を印加することによって光の向きを変えるディフレクタは、プロジェクタの表示素子など様々な分野において用いられている。ディフレクタとしては、MEMS(Micro Electro Mechanical System)を用いたものが広く使用されているが、これは電圧を印加することによって物質を機械的に動かすため、あまり高速で偏向方向を変化させることができない。そこで、電界を印加することにより偏向を行う、電気光学効果を有する材料を用いた光スイッチ、光変調器やディフレクタが考案されている。

図６に、従来の電気光学素子を用いたディフレクタを示す。図６に示すように、三角形電極１２−１、１２−２を用いて電気光学素子１１に電界を印加し、屈折率勾配を生じさせる方法が知られている(特許文献１参照)。

最近、KTa_1-xNb_xO₃(KTN)という材料が、その大きな電気光学係数のために注目され、調べられている。この物質では、電気光学係数の温度依存性が非常に強く、またピークの電気光学係数が非常に大きいという特色がある。この材料を用いて、電気光学係数が大きな値をとる温度で使用すれば、通常の物質よりは小さなサイズでディフレクタを実現できる。

特許第３１４４２７０号明細書

しかしながら、従来の方法では偏向の量が偏光に依存するため、偏光無依存の偏向を行うには別に２つの素子（不図示）が必要であり、さらにこの２つの素子のばらつきによる偏光依存性が生じるため、調整が必要になるという問題があった。また、この方法では偏向の向きは常に一定で、変えることができない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、偏向方向を変えることが可能であり、および偏光に依存しないディフレクタ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、請求項１に記載の発明は、ディフレクタにおいて、電気光学結晶からなる素子と、素子に対して電界を印加する電極とを備え、電気光学結晶が有する互いに直交する３つの結晶軸を、それぞれｘ軸、ｙ軸、ｚ軸とし、電極は、電気光学結晶のｚ軸方向に電界を印加するよう素子に配置され、素子に入射する光の進行方向は、ｚ軸方向で電界と平行であり、電気光学結晶のｘ軸方向とｙ軸方向は結晶として等価であり、電気光学結晶の結晶軸であるｘ軸、ｙ軸のうちの少なくとも一つの軸方向における電気光学結晶の電気光学係数は、入射する光が透過する領域において、一様でなく、場所依存性が線形であるまたは線形近似が成り立つものであることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のディフレクタにおいて、素子の温度分布を変化させる温度調整部をさらに備え、電気光学係数の場所依存性が素子の温度分布によって生じたことを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載のディフレクタにおいて、電気光学係数の場所依存性は、場所によって電気光学結晶の組成比率が連続的に変化することによって生じたことを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載のディフレクタにおいて、電気光学結晶の材料がKTa_1-xNb_xO₃であることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載のディフレクタにおいて、電気光学結晶の材料がK_1-yLi_yTa_1-xNb_xO₃であることを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項１乃至５のいずれかに記載のディフレクタにおいて、電極は、透明電極であることを特徴とする。

本発明によれば、電気光学係数の分布を変えることにより偏向方向を変えることができ、および原理的には全く偏光に依存しないディフレクタが可能となる。

（実施形態１）
図１（ａ）、（ｂ）に、本発明の実施形態１に係るディフレクタを示す。図１（ａ）が全体図であり、図１（ｂ）が断面図である。透明電極２−１、２−２は、直方体の電気光学素子１の対向する２つの面にそれぞれ取り付けられている。この場合、電気光学素子１に入射する光は、透明電極２−１、２−２が取り付けられた面に対して垂直な方向から入射するものとする。更に、電気光学素子の各辺のうち、透明電極２−１、２−２が取り付けられた面に垂直な辺、すなわち、入射光の光軸方向と平行な４つの辺と、それらの辺を構成する面の一部を覆うようにペルチェ素子３−１〜３−４が取り付けられている。これらのペルチェ素子３−１〜３−４によって電気光学素子の温度を制御することができる。透明電極２−１、２−２、ペルチェ素子３−１〜３−４は、電源を含む制御部（不図示）と接続されている。この制御部によって、透明電極２−１、２−２間の電圧およびペルチェ素子３−１〜３−４のそれぞれの電圧を個別に制御することができる。

また、本願明細書では結晶は常誘電相にあるものとし、ｘ軸、ｙ軸はそれぞれ結晶軸の方向にとり、ｚ軸を光の進行方向とは逆の方向にとるものとする。

例えば、ペルチェ素子３−１、３−２を５０℃に、ペルチェ素子３−３、３−４を３０℃に設定すると、電気光学素子１の内部に温度勾配が生じ、電気光学素子１の電気光学係数が図２のような温度依存性を示すものとする。そうすると、電気光学素子１は、ペルチェ素子３−１、３−２周辺ではＡ５０、ペルチェ素子３−３、３−４周辺ではＡ３０というように、電気光学係数が異なることになる。

電界を印加していない電気光学素子１に電界を印加したときの屈折率の変化量Δｎは、電気光学素子１内の場所をｙとすると、場所依存性を持つ一次の電気光学係数Ａ（ｙ）を用いて以下のようにかける。
Δｎ（ｙ）＝−０．５ｎ^３Ａ（ｙ）×｛Ｖ／Ｌ｝ ・・・（１）
ここで、Ｖは透明電極２−１、２−２間の電圧、Ｌは電気光学素子の光の進行方向の長さを表す。このような場合、電気光学素子１に印加する電界Ｅ＝Ｖ／Ｌは同じでも、場所ｙによって電気光学係数Ａ（ｙ）の値が異なるため、電界による屈折率の変化量Δｎは場所ｙにより異なる。すなわち、変化量Δｎは、場所ｙの陽関数であって、Δｎ（ｙ）と表される。

上述の例のように、ｙ軸の上方のペルチェ素子３−１、３−２の温度が５０℃、下方のペルチェ素子３−３、３−４の温度が３０℃であり、かつ電気光学素子１は、図２に示すように、温度が高くなると電気光学定数が小さくなるものとする。そしてここで、透明電極２−１、２−２間に電圧をかけて電気光学素子１内に電界を印加する。すると、ｙ軸の上方のペルチェ素子３−１、３−２周辺の屈折率よりも、ｙ軸の下方のペルチェ素子３−３、３−４周辺の屈折率の方が大きく減少し、その結果、ｙ軸の正の方向に光が屈曲する。

以下では、一次の電気光学効果と、二次の電気光学効果の２つの場合について、屈折角度がどうなるかについて示す。

（一次の効果の場合）
例えば、図２の一次の電気光学係数Ａ（ｙ）の場所依存性が
Ａ（ｙ）＝αｙ＋Ａ_０ （α、Ａ_０：定数） ・・・（２）
と場所ｙの一次の関数として記述できる場合、式（１）は
Δｎ（ｙ）＝−０．５ｎ^３（αｙ＋Ａ_０）×｛Ｖ／Ｌ｝
となり、屈折率の場所による変化率は、
ｄｎ（ｙ）／ｄｙ＝−０．５ｎ^３αＶ／Ｌ ・・・（３）
となる。なお、図２の場合ではα＜０である。

ここで、図３に、電気光学素子１を透過する光の行路Ｐ、Ｑを示す。図３においても図１と同様に、入射光の進行方向は、電気光学素子１の入射する面に対して垂直である。また、行路Ｐと行路Ｑは、電気光学係数Ａ（ｙ）の変化方向、つまりｙ軸方向にΔｙだけ互いに離れている。このとき電気光学素子１内の行路Ｐ、Ｑに入射光の進行方向と同じ向きの電界が印加されると、光が行路Ｐ、Ｑにおいて電気光学素子１を透過中に感じる屈折率の違いΔｎ_Ｐ−Ｑは、電気光学係数Ａ（ｙ）の変化方向における行路Ｐと行路Ｑ間の距離Δｙと（３）を用いて、
Δｎ_Ｐ−Ｑ＝−０．５ｎ^３αＶ／Ｌ×Δｙ
と表せる。

電気光学素子１の光の進行方向の長さをＬとすると、光が電気光学素子１を透過するとき、その透過光の位相はｎ×Ｌだけ変化する。この場合、屈折率ｎは場所ｙに依存するので、行路の位置ｙによってそこを通る光の位相に差が生じる。電気光学素子１から出射する光の進行方向は、この位相差Δｎ_Ｐ−Ｑ×Ｌを埋めるように屈曲するため、行路ＰのΔＬ_１は以下のように書ける。
ΔＬ_１＝Ｌ×Δｎ_Ｐ−Ｑ＝−０．５ｎ^３Ｌ×α｛Ｖ／Ｌ｝Δｙ
＝−０．５ｎ^３αＶΔｙ
曲がり角θは、これらの量を用いて以下のように書ける。
ｓｉｎθ＝ΔＬ_１／Δｙ＝−０．５ｎ^３αＶ
さらに、θがπ／２よりも十分に小さい場合であれば、ｓｉｎθ≒θだから、
θ≒−０．５ｎ^３αＶ
と表すことができる。

（二次の効果の場合）
次に、二次の電気光学効果を有する電気光学素子１を用いた場合における屈折角の計算を示す。二次の電気光学効果を有する電気光学素子１の場合、電界印加時の屈折率の変化量Δｎ（ｙ）は、二次の電気光学係数Ｂ（ｙ）を用いて以下のように記述できる。
Δｎ（ｙ）＝−０．５ｎ^３Ｂ（ｙ）｛Ｖ／Ｌ｝^２
Ｂ（ｙ）の場所依存性がＢ（ｙ）＝βｙ＋Ｂ_０（β、Ｂ_０：定数）と線形に記述できる状況を考えると、
Δｎ（ｙ）＝−０．５ｎ^３（βｙ＋Ｂ_０）｛Ｖ／Ｌ｝^２
となり、屈折率ｎ（ｙ）の場所ｙによる変化率は、
ｄｎ（ｙ）／ｄｙ＝−０．５ｎ^３β｛Ｖ／Ｌ｝^２
である。従って、光が行路Ｐ、Ｑにおいて電気光学素子１を透過中に感じる屈折率の違いΔｎ_Ｐ−Ｑは、電気光学係数Ｂ（ｙ）の変化方向における行路Ｐと行路Ｑとの間の距離Δｙを用いて、
Δｎ_Ｐ−Ｑ＝−０．５ｎ^３β｛Ｖ／Ｌ｝^２×Δｙ
と書ける。この場合、行路ＰのΔＬ_１は以下のように記述される。
ΔＬ_１＝Ｌ×Δｎ_Ｐ−Ｑ＝−０．５ｎ^３Ｌ×β｛Ｖ／Ｌ｝^２Δｙ
＝−０．５ｎ^３βΔｙ｛Ｖ^２／Ｌ｝
曲がり角θは、これらの量を用いて以下のように書ける。
ｓｉｎθ＝ΔＬ_１／Δｙ＝−０．５ｎ^３β｛Ｖ^２／Ｌ｝
さらに、θがπ／２よりも十分に小さい場合であれば、ｓｉｎθ≒θだから、
θ≒−０．５ｎ^３β｛Ｖ^２／Ｌ｝
と書くことができる。以上では、二次の電気光学係数Ｂ（ｙ）が場所ｙに対して完全に線形な場合を仮定した。場所ｙに対する関係が完全に線形でない場合は、行路Ｐ、Ｑが、出射側でそれぞれ異なる方向に出射することになる。しかし、線形でない場合であっても、行路間の距離Δｙを狭く取って線形近似の成り立つ条件下で使用することにより、実効的にディフレクタとして利用することができる。

以上のように、一次・二次の電気光学効果のいずれの場合であっても、透明電極２−１、２−２に印加する電圧に応じた屈折角を得ることができる。また、いずれの場合であっても、電界の方向は、光の進行方向と平行であり、かつ常に光の偏光方向と垂直である。そのため本発明では、同じ行路を通る光は、その偏光の向きによらず同じ電気光学係数をとるため、同じ屈折角を得ることができる。

ここで、電気光学素子１は常誘電相にあるものとし、また、ｘ軸、ｙ軸は、結晶軸の方向にとっているが、ｘ軸方向とｙ軸方向は結晶として等価である。ｙ軸方向には温度分布があるが、光の波長程度の範囲で局所的にみた電気光学係数は、どの場所でも、ｘ軸、ｙ軸の方向によって変化しない。

すなわち、偏光がｘ軸方向である場合に屈折率変化を支配する電気光学係数は一次の場合Ａ、二次の場合Ｂである。電界は、光の進行方向、すなわちｚ軸方向に印加されているので、ｙ軸方向に偏光をとった場合でも全く等価であるから、一次の電気光学効果、二次の電気光学効果のどちらの場合も、ｘ軸方向に偏光をとった場合と同じく電気光学係数はＡ、Ｂである。

さらに具体的に述べれば、電気光学係数Ａ、Ｂは、それぞれ
Ａ＝ｇε、 Ｂ＝ｇε^２
のように、温度や構造で殆ど変化しないｇ係数と、その温度や組成によって変化する誘電率εとから決まる。そのためこの場合、電気光学係数Ａ、Ｂは位置や温度によっては変わるが、偏光に依存して変化することはない。

任意の偏光は、ｘ軸、ｙ軸方向に偏光をしたものを強度、位相を変えて合成したものである。また、光は、線形な状況で重ね合わせの原理が成立する。よって、任意の偏光に対して上記電気光学係数Ａ、Ｂを用いて電気光学効果を記述することができる。すなわち、本発明では、光を原理的に偏光無依存に位相変化させることが可能である。

上述の説明で例えば、ペルチェ素子３−２、３−４を５０℃に、ペルチェ素子３−１、３−３を３０℃に設定したものとする。そうすると、ペルチェ素子３−１、３−３周辺（ｘ軸の負の側）の方がペルチェ素子３−２、３−４周辺（ｘ軸の正の側）よりも屈折率が小さくなる為、ｘ軸の正の方に光が屈曲する。このように、まずｘ軸、ｙ軸を決めて、その後は印加する電界の強さによって連続的に光の向きを変えることができる。

更に、例えばペルチェ素子３−１を５０℃、ペルチェ素子３−２、３−３を４０℃、ペルチェ素子３−４を３０℃のように設定することによって、光を斜めに屈曲させることも可能であり、温度分布及び電界を変化させることにより、さまざまな方向に光を屈曲させることが可能である。

本発明では、温度変化にペルチェ素子３−１〜３−４を用いたが、これはマイクロヒータや、あるいはレーザ加熱や、空冷等の方法を用いてもよい。すなわち、局所的に温度を変化させる方法であれば他のどのような方法でもよい。

また、電気光学素子１は、温度依存性のある電気光学係数を有する材料であれば何でもよいが、素子のサイズを実用的な大きさにする為には、KTa_1-xNb_xO₃(KTN)、K_1-yLi_yTa_1-xNb_xO₃（KLTN）、PLZTなど、温度依存性があり、かつ大きな電気光学係数を有する材料が適している。

また、ここまでは常誘電相の材料を想定し、電気光学結晶は方向性を持たないものとして説明を行ったが、強誘電相の材料であっても、分極の方向を光の進行方向にとったとき、電気光学係数は光の偏光方向によらなくなる為、同様の効果が得られる。

（実施形態２）
実施形態１では温度勾配を利用した方法を示したが、実施形態２は、組成の勾配を利用することで、実施形態１と同様に、偏光無依存の偏向が可能である。

図４に、本発明の実施形態２に係るディフレクタを示す。この実施形態２のディフレクタが備える電気光学素子１は、電気光学係数に勾配が生じるように組成比率が場所によって異なっている。ここで電気光学素子１の組成比率に勾配のついた方向をｙ軸方向にあわせ、場所ｙにおけるKTa_1-xNb_xO₃(KTN)のNbの濃度をｐ（ｙ）とする。

例えば、電気光学素子１の下端をｙ＝０として

のように組成が線形に変化するものとする。図５に、KTNのNbの濃度ｐとそのKTNの電気光学係数との関係を示す。ここで、Nb比が増えるほど電気光学係数は増加するので、電気光学係数はKTNの組成の変化に応じて変化し、このNbの濃度ｐとそのときのKTNの一次の電気光学係数Ａとを関連付ける係数をφとし、Δｐ＝γｙとする。さらに、ｙの陽関数としての電気光学係数Ａ（ｙ）は

と表される。このため、電気光学素子１の内部において電気光学係数に勾配が生じる。これは、式（２）においてα＝φγとした場合に相当する。つまり、組成比率の連続的な変化によって生じた電気光学係数の勾配は、温度差によって生じた電気光学係数の勾配と定性的に同じ効果を奏する。よって、実施形態１と同様に偏光無依存の偏向が可能となる。

（ａ）は本発明の実施形態１に係るディフレクタを示す全体図であり、（ｂ）は本発明の実施形態１に係るディフレクタを示すｚ軸の負の方向から見た断面図である。 本発明の実施形態１に係る電気光学素子における電気光学係数の温度依存性を示す図である。 ディフレクタにおける屈折率の差による光の屈曲を説明する図である。 本発明の実施形態２に係るディフレクタを示す図である。 KTNのNbの濃度ｐとそのKTNの電気光学係数との関係を示す図である。 従来のディフレクタを示す図である。

符号の説明

１、１１ 電気光学素子
２−１、２−２ 透明電極
３−１〜３−４ ペルチェ素子
１２−１、１２−２ 三角形電極

Claims (6)

1. 電気光学結晶からなる素子と、
   前記素子に対して電界を印加する電極とを備え、
   前記電気光学結晶が有する互いに直交する３つの結晶軸を、それぞれｘ軸、ｙ軸、ｚ軸とし、
   前記電極は、前記電気光学結晶のｚ軸方向に前記電界を印加するよう前記素子に配置され、
   前記素子に入射する光の進行方向は、前記ｚ軸方向で前記電界と平行であり、
   前記電気光学結晶のｘ軸方向とｙ軸方向は結晶として等価であり、
   前記電気光学結晶の前記結晶軸であるｘ軸、ｙ軸のうちの少なくとも一つの軸方向における前記電気光学結晶の電気光学係数は、前記入射する光が透過する領域において、一様でなく、場所依存性が線形であるまたは線形近似が成り立つものであることを特徴とするディフレクタ。
2. 請求項１に記載のディフレクタにおいて、前記素子の温度分布を変化させる温度調整部をさらに備え、前記電気光学係数の場所依存性が前記素子の温度分布によって生じたことを特徴とするディフレクタ。
3. 請求項１に記載のディフレクタにおいて、前記電気光学係数の場所依存性は、場所によって前記電気光学結晶の組成比率が連続的に変化することによって生じたことを特徴とするディフレクタ。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載のディフレクタにおいて、前記電気光学結晶の材料がKTa_1-xNb_xO₃であることを特徴とするディフレクタ。
5. 請求項１乃至３のいずれかに記載のディフレクタにおいて、前記電気光学結晶の材料がK_1-yLi_yTa_1-xNb_xO₃であることを特徴とするディフレクタ。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載のディフレクタにおいて、前記電極は、透明電極であることを特徴とするディフレクタ。

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