JP4663604B2

JP4663604B2 - 電気光学素子

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Publication number: JP4663604B2
Application number: JP2006234415A
Authority: JP
Inventors: 敏洋伊藤; 和夫藤浦
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2006-08-30
Filing date: 2006-08-30
Publication date: 2011-04-06
Anticipated expiration: 2026-08-30
Also published as: JP2008058529A

Description

本発明は、電気光学素子に関し、より詳細には、電気光学結晶を用いて電気信号により光の方向を変える電気光学素子に関する。

現在、様々な光機能素子が実用に供されている。その光機能素子の中でも、光の向きを変える偏向素子は、レーザプリンタや表示装置など様々な装置に利用されている。また、従来の偏向素子にはＬｉＮｂＯ_３などの電気光学材料が用いられている。

図１に、従来の偏向素子を示す。この偏向素子は、電気光学材料の電気光学効果による屈折率の変化を利用した偏向素子である。三角形電極１０２を用いて電気光学素子１０１に電界を印加することによって、電気光学材料に屈折率勾配を生じさせている（特許文献１参照）。すなわち、従来の偏向素子では、互いに平行でない二辺を持つプリズム形状の電極を備え、プリズム形状の電極間に電圧を印加することによって、電気光学結晶内に屈折率が変化している領域と、電圧が印加されておらず屈折率が変化していない領域とを作り出し、これら２つの領域の境界にできる屈折率の差により、入射光を偏向させていた。なお、電気光学効果とは、物質の屈折率が電界を印加することにより変化する現象のことをいう。

特開平９−５７９７号公報

しかしながら、従来の偏向素子の電気光学材料は電気光学係数が低いため、屈折率の変化は小さく、屈折率の変化による光の偏向角度も小さかった。また、偏向角度を大きくできたとしても、非常に高い電界を印加しなければならないという問題があった。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、偏向角度が大きい電気光学素子を提供することにある。

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、電気光学材料を用いた電気光学素子であって、前記電気光学材料はＫＴａ_１−ｘＮｂ_ｘＯ_３（０＜ｘ＜１）、または、Ｋ _１−ｙＬｉ _ｙＴａ _１−ｘＮｂ _ｘＯ _３（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜０．１）であり、光の進行方向に平行な電界を印加し、前記電気光学材料に電子を注入する第一の一組の透明電極と、光の進行方向に垂直に電界を印加し、偏向を発生させる第二の一組の電極とを備えたことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の電気光学素子を複数個、光の進行方向に並べたことを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の電気光学素子であって、前記電気光学材料は常誘電相にあることを特徴とする。

本発明によれば、偏向角度が大きく、かつ、光の広がりを抑えた電気光学素子を提供することが可能となる。

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２に、ＫＴＮを用いた電気光学素子の構成を示す。ＫＴＮとは、化学式ＫＴａ_１−ｘＮｂ_ｘＯ_３（０＜ｘ＜１）で表される電気光学材料であり、従来の電気光学材料と比較して大きな電気光学係数を持つ物質である。つまり、従来の電気光学材料と比較して、より大きな電気光学効果により、より大きな屈折率の変化を生じさせることができる。また、この電気光学素子２０１は、方形の電気光学材料の対向する面に、陽極２０２と陰極２０３とが形成されている。ここで、電圧を印加する方向をｘ軸方向とし、電圧を印加する方向に垂直、かつ、光の進行方向に垂直な方向をｙ軸方向とし、光の進行方向をｚ軸方向とする。

したがって、ＫＴＮを用いた電気光学素子２０１においては、電界を印加すると素子の電気光学特性が一様でなくなり、偏向などの現象が起こる。これは、図２に示されるように、陰極２０３からの電子が電気光学材料内部の局在準位に入るためと考えられる。電気光学材料内部に電子が入ると、印加した電界が一様でなくなり、そのために分極も非一様になる。その結果、図２のように光が入射した場合、陰極２０３からの距離によって光の光路長が変化する。このため、光の波面が揃わなくなり、入射した光の向きが変化する。

まず、電気光学素子に入射した光が偏向する原理を、簡単に以下に説明する。
ポアソン方程式より、ｘ軸方向の電界をｘの関数としてＥ（ｘ）とすると、電荷密度ρ及び誘電率εに対して次式が成立する。
ｄＥ／ｄｘ＝ρ／ε

また、陰極から入った電子がほぼ一様に分布したものとして、電荷ρが一様な負の定数であるとすると、電界Ｅ（ｘ）は次式のように表すことができる。
Ｅ（ｘ）＝Ｅ_ｘ０＋ρ（ｘ−ｘ_０）／ε

ここで、Ｅ_ｘ０はｘ＝ｘ_０での電界Ｅ（ｘ）である。また、電気光学効果による屈折率の変化△ｎ（ｘ）は、上述の式及び２次の電気光学係数ｓを用いて次式のように表すことができる。
△ｎ（ｘ）＝−０．５ｎ^３×ｓＥ（ｘ）^２＝−０．５ｎ^３×ｓ｛Ｅ_ｘ０＋ρ（ｘ−ｘ_０）／ε｝^２

また、屈折率のｘ＝ｘ_０近傍でのｘ軸方向の勾配は、次式のように表すことができる。
ｄ△ｎ／ｄｘ[ｘ＝ｘ_０]＝−ｎ^３ｓＥ_ｘ０ρ／ε
陽極と陰極との間で電界Ｅ（ｘ）は常に正だからＥ_ｘ０＞０であり、ｓ＞０かつρ＜０の場合、△ｎ（ｘ）は増加関数になる。つまり、入射した光はｘ軸の正の方向に偏向する。

図３は、偏向素子に入射した光の偏向を表す模式図である。偏向角度が小さい場合、屈折率の場所による変化率は、次式のように表すことができる（ただし、α＞０とする。）。
ｄ△ｎ（ｘ）／ｄｘ＝α

偏向素子３０１の長さをＬとすると、光が通過するときの位相はｎ×Ｌだけ変化する。したがって、光が偏向素子を通過する場合の光路Ｐ及び光路Ｑの二つの光路における屈折率の違い△ｎ_Ｐ−Ｑは、入射位置の違い△ｘを使って、次式のように表すことができる。
△ｎ_Ｐ−Ｑ＝α×△ｘ

ここで、△ｘは十分に微小な量とする。光の進行方向は、光の位相差を埋めるように図３のように屈曲する。従って、図３における△Ｌ_１は、次式のように表すことができる。
△Ｌ_１＝Ｌ×△ｎ_Ｐ−Ｑ＝Ｌ×α△ｘ＝αＬ△ｘ

また、光の屈曲する角度θは次式のように表すことができる。
ｓｉｎθ＝△Ｌ_１／△ｘ＝αＬ
以上示したように、光はｘ軸の正の方向に屈曲する。

図８に、ＫＴＮを用いた電気光学素子２０１に入射した光の偏向を示す。図８に示すように、ＫＴＮを用いた電気光学素子２０１においては、陰極２０３からの距離によって入射した光の偏向角度θ_１と偏向角度θ_２とが異なってしまう。すなわち、ＫＴＮを用いた電気光学素子２０１においては、注入された電子のために、陰極２０３からの距離によって電界が異なるために、入射した光の偏向角度が１つに定まらず様々な角度で屈曲してしまい、光が広がってしまう。また、この光の広がりは高電界であるほど大きくなってしまう。

図４に、陰極から注入された電子の密度分布を示す。電子が電気光学材料の内部に注入される量は、電界が高くなるほど多くなる。しかし、注入された電子は電極近傍の局在準位から順に埋めていくため、電荷の密度は陰極に近いほど高く、陰極から遠いほど低くなる。このように電荷の密度が不均一だと、入射した光は一定の角度で屈曲せず、陰極からの距離によってその角度が変化するため、光が広がってしまう。つまり、電子の密度の高い、陰極に近い部分では光はより大きく屈曲し、電子の密度の低い、陰極から遠い部分では光はより小さく屈曲することになる。

（第１の実施形態）
図５に、本発明の一実施形態にかかる電気光学素子を示す。ＫＴＮ結晶５０１は一辺が１ｍｍの立方体である。ＫＴＮ結晶５０１の対向する面に、一組の透明電極である陽極５０２及び陰極５０３が設置されている。陽極５０２は光の入射する面に、陰極５０３は光の出射する面にそれぞれ設置され、光の進行方向であるｘ軸方向に電界を印加する。また、陽極５０２と陰極５０３との間には３００Ｖの電圧が印加されている。さらに、ｘ軸方向に垂直に電界を印加する電極Ａ５０４及び電極Ｂ５０５が設けられ、電極Ａ５０４及び電極Ｂ５０５には、例えば２００Ｖ_ｐｐの正弦波（０Ｖ〜＋２００Ｖ）が相補的に加えられている。また、電気光学材料ＫＴＮの転移温度は０度とし、２０度で動作するように温度が保持されている。従って、電気光学材料ＫＴＮは、常誘電相の状態で保持されている。

陰極５０３からは、陽極５０２に向かって電子が注入される。電子の密度は図４と同様の分布をｘ軸方向に持って分布する。より具体的には、上述の温度ではＫＴＮの比誘電率は６０００程度であり、一辺が１ｍｍの立方体の場合の電気容量は５０ｐＦ程度であり、電極が立方体の一面全面に付加され、かつ、電子が結晶内部に入らず電極に留まっている場合には、３００Ｖの電圧で蓄えられる電荷は１５ｎＣである。

図６に、本発明の一実施形態にかかる、陰極５０２から注入された電子の密度分布を示す。注入された電子の密度は、電子が電気光学材料の内部に注入されて、陽極５０３との距離が１ｍｍよりも近づいた分大きくなるが、電子の密度としては、電極が立方体の一面全面に付加されている場合と同程度の値なので、図６のようになる。また、ｙ及びｚ軸方向については、電子はほぼ一様に分布する。

電極Ａ５０４及び電極Ｂ５０５には信号電圧が印加されているから、陽極５０２と陰極５０３との間にあり、かつ電極Ａ５０４及び電極Ｂ５０５との間にある領域Ｐは、電極Ａ５０４及び電極Ｂ５０５からの距離によって電子の密度が変化せず、光はほぼ一定の角度で偏向することになる。より詳細には、電極Ａ５０４と電極Ｂ５０５との間に印加された電界によって、陰極５０３から入射した電子の密度は変化し、これによって、電子密度はｙ軸方向に分布を持つことになる。例えば、電極Ａ５０４に＋電圧、電極Ｂ５０５に−電圧を印加した場合、電極Ａ５０４に近い部分については電子密度が増加し、電極Ｂ５０５に近い部分については電子密度が減少する。しかし、この電子は陰極５０３から注入されたものであって電極Ａ５０４及び電極Ｂ５０５と比べて、陰極５０３の近くにある。このため、ｘ軸方向については大きな電子密度の変化を持つが、ｙ軸方向についてはより小さな変化に留まる。

したがって、領域Ｐを通るようにｘ軸と平行に光を入射すれば、ｙ及びｚ軸方向には電子の密度の変化は小さいから、光はあまり広がることなく偏向することができる。

すなわち、電気光学係数が高い電気光学材料を用いて、電子を注入する電極と、偏向を発生させる電極とを別個に設けることにより、偏向角度が大きく、かつ、光の広がりを抑えた電気光学素子を提供することが可能となる。

本実施形態では、電気光学材料としてＫＴＮを用いて説明してきたが、Ｋ_１−ｙＬｉ_ｙＴａ_１−ｘＮｂ_ｘＯ_３（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜０．１）などの電気光学材料を代わりに用いることもできる。

（第２の実施形態）
図７に、本発明の一実施形態にかかる電気光学素子を示す。本実施形態では、第１の実施形態に相当する電気光学素子を、光の進行方向に複数個並べている。

光の進行方向に電気光学素子の長さが長い場合、長さが短い場合と比較して、同じ高さの電界を印加するためにより高い電圧が必要になる。例えば、長さが１ｃｍである電気光学素子に１００Ｖ／ｍｍの電界を印加するためには、１０００Ｖの高電圧が必要になる。しかし、長さが１ｃｍである電気光学素子を１０個に分割し、一つの電気光学素子の長さを１ｍｍとすれば、同じ電界を印加するとしても１００Ｖの電圧で実現することができる。すなわち、電気光学素子を複数個並べることにより、より低い電圧で所望の電界を印加することができる。

さらに、電子が、陰極を通過する回数が増加するために、注入された電子の部分を通過する回数が増加し、それにより、全体として同じ長さでも、より多くの偏向を得ることができるようになる。

以上のように、本発明にかかる電気光学素子は、光が広がらない範囲でより多くの電界を印加して電子を注入して利用することができる。そのため、偏向角度が大きく、かつ、光の広がりを抑えた電気光学素子を実現することができる。

従来の偏向素子を示した図である。ＫＴＮを用いた電気光学素子の構成を示した図である。偏向素子に入射した光の偏向を表した模式図である。陰極から注入された電子の密度分布を示した図である。本発明の一実施形態にかかる電気光学素子を示した図である。本発明の一実施形態にかかる、陰極から注入された電子の密度分布を示した図である。本発明の一実施形態にかかる電気光学素子を示した図である。ＫＴＮを用いた電気光学素子に入射した光の偏向を示した図である。

符号の説明

５０１ＫＴＮ結晶
５０２陽極
５０３陰極
５０４電極Ａ
５０５電極Ｂ

Claims

電気光学材料を用いた電気光学素子であって、
前記電気光学材料はＫＴａ_１−ｘＮｂ_ｘＯ_３（０＜ｘ＜１）、または、Ｋ _１−ｙＬｉ _ｙＴａ _１−ｘＮｂ _ｘＯ _３（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜０．１）であり、
光の進行方向に平行な電界を印加し、前記電気光学材料に電子を注入する第一の一組の透明電極と、
光の進行方向に垂直に電界を印加し、偏向を発生させる第二の一組の電極と
を備えたことを特徴とする電気光学素子。
請求項１に記載の電気光学素子を複数個、光の進行方向に並べたことを特徴とする電気光学素子。
請求項１または２に記載の電気光学素子であって、前記電気光学材料は常誘電相にあることを特徴とする電気光学素子。