JP5357210B2 - Optical deflector and optical deflector control method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光偏向器の制御方法に関する。より詳細には、KTNを使用した光偏向器およびその制御方法に関する。 The present invention relates to a method for controlling an optical deflector. More specifically, the present invention relates to an optical deflector using KTN and a control method thereof.
現在、プロジェクタをはじめとする映像機器、レーザプリンタ、高分解能な共焦点顕微鏡、バーコードリーダ等において、レーザ光を偏向するための光制御素子に対する要求が高まっている。従来より、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ー技術が提案されている。 Currently, there is an increasing demand for light control elements for deflecting laser light in projectors and other video equipment, laser printers, high-resolution confocal microscopes, barcode readers, and the like. Conventionally, a technique for rotating a polygon mirror, a technique for controlling the deflection direction of light using a galvanometer mirror, a light diffraction technique using an acoustooptic effect, and a micromachine technique called MEMS have been proposed.
さらに近年では、電気光学結晶への電荷注入により空間電荷制御状態を実現して電界の傾斜を発生させ、電気光学効果により屈折率の傾斜を生じさせた結果、光偏向させる光偏向器が提案されている(特許文献1)。この電気光学結晶を用いた光偏向器は、ガルバノミラーやポリゴンミラー、MEMSミラー等と異なり可動部を持たないため、高速の光偏向が可能となる。上述の電気光学結晶としては、タンタル酸ニオブ酸カリウム(KTa1−xNbxO3(0<x<1):以下KTN)結晶、またはKTNと同様な効果を持つ材料として、他にさらにリチウムを添加したK1−yLiyTa1−xNbxO3(0<x<1、0<y<1)などが知られている。以下では、上述のような電気光学結晶として、KTNを用いた光偏向器を例に説明する。 In recent years, an optical deflector that deflects light as a result of realizing a space charge control state by injecting charges into an electro-optic crystal to generate an electric field gradient and an electro-optic effect to cause a refractive index gradient has been proposed. (Patent Document 1). Unlike a galvano mirror, a polygon mirror, a MEMS mirror, or the like, this optical deflector using an electro-optic crystal does not have a movable part, so that high-speed light deflection is possible. As the above-mentioned electro-optic crystal, potassium tantalate niobate (KTa 1-x Nb x O 3 (0 <x <1): hereinafter referred to as KTN) crystal, or a material having the same effect as KTN, lithium K 1-y Li y Ta 1-x Nb x O 3 (0 <x <1, 0 <y <1) and the like are known. Hereinafter, an optical deflector using KTN will be described as an example of the electro-optic crystal as described above.
図1は、KTNを用いた光偏向器の構成を示す図である。KTN結晶101の上下面には、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結晶の図面左側端面からz方向に進み、KTN結晶101内において偏向を受けて、x軸方向に進行方向を変えた出射光106が得られる。詳細は後述するが、印加電圧に応じた偏向角が得られる。
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an optical deflector using KTN.
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、KTNへは、概ね数百V程度の駆動電圧を印加する。しかしながら、偏向を生じさせるための駆動電圧のみで光偏向器を制御する場合、駆動速度の高速化に伴う問題が生じてきた。すなわち、駆動電圧によって電極から注入された電子の移動距離が電極間の距離より短いために理想的な空間電荷制御状態が実現されず、偏向角が減少するという問題があった。
A control signal corresponding to the application of the optical deflector is given from the
この問題点に対しては、偏向を生じさせるための駆動電圧を印加する前に、KTNにバースト状電圧を印加することによって、バースト状電圧印加中に結晶中へ電子を注入し、トラップに電子を捕獲させる制御法が提案されている。すなわち、結晶中のトラップに電子を充填することによって、結晶中に電界の分布または 傾斜を生じさせることが可能となり光偏向を実現できる。 To solve this problem, by applying a burst voltage to KTN before applying a drive voltage for causing deflection, electrons are injected into the crystal during the burst voltage application, and electrons are trapped in the trap. A control method that captures the water has been proposed. In other words, by filling the traps in the crystal with electrons, it is possible to generate an electric field distribution or inclination in the crystal, thereby realizing light deflection.
図2は、KTN結晶にトラップ充填時間を設けた制御電圧の印加方法を説明する図である。横軸に時間を示し、縦軸に制御電圧を示している。制御電圧を印加する時間は、トラップ充填電圧を印加する時間202と、偏向を生じさせるための偏向電圧を印加する時間204に分けられる。本例では、トラップ充填のためのバースト状電圧として、正の一定電圧201を印加する駆動方法の例を示している。偏向電圧203は、正弦波信号としているが、鋸波状信号でも他の任意の波形の信号でも良い。なお、図2では、正の一定電圧201を印加する例を示したが、負の一定電圧を印加するものとしても良い。また、バースト状電圧として、三角波や鋸波を印加することもできる。
FIG. 2 is a diagram for explaining a method of applying a control voltage in which a trap filling time is provided in the KTN crystal. The horizontal axis represents time, and the vertical axis represents control voltage. The time for applying the control voltage is divided into a
図2に示したように、トラップ充填時間202を設けたことで、偏向電圧印加動作204中に電子の注入が無くても、トラップ充填動作202中にトラップに捕獲された電子により電界の傾斜が発生する。その結果、電気光学効果による屈折率の傾斜が生じるため、高速で広角な光偏向を実現することが可能となる。トラップ充填が十分に行われ、また必要な偏向角が維持できる限り、上述のトラップ充填時間および偏向時間の長さに何ら制限は無い。また、図2に示したように、必ずしもトラップ充填時間および偏向時間が繰り返される必要性はない。繰り返しを行わずに単一の偏向時間に対して、その前にトラップ充填時間を設ければ良い。
As shown in FIG. 2, by providing the
しかしながら、図2に示したように、KTNに印加する制御電圧としてトラップ充填時間および偏向時間を設けて制御する場合、偏向時間の長さによってまたは実際に制御電圧が印加される偏向動作の繰り返し数によって、偏向角に変動が生じ、偏向角の再現性が悪いという問題があった。これは、偏向動作の終了後、偏向電圧の印加を停止しても、トラップ中に電子が残っているためと考えられている。結晶内にトラップされた電子の量に、時間的なまたは結晶内の空間的なばらつきや変動が生じるため、偏向角にばらつきが生じる問題があった。以下、さらに具体的にこの問題を説明する。 However, as shown in FIG. 2, when control is performed by providing a trap filling time and a deflection time as the control voltage applied to the KTN, the number of repetitions of the deflection operation in which the control voltage is actually applied depending on the length of the deflection time. As a result, the deflection angle fluctuates and the reproducibility of the deflection angle is poor. This is considered to be because electrons remain in the trap even if the application of the deflection voltage is stopped after the end of the deflection operation. Since the amount of electrons trapped in the crystal varies temporally or spatially in the crystal, the deflection angle varies. Hereinafter, this problem will be described more specifically.
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結晶を光信号が通過するときに得られる偏向角は、次式で表される。 When the electron density filled in the trap of the KTN crystal is N trap , the deflection angle obtained when the optical signal passes through the KTN crystal is expressed by the following equation.
上式において、偏向角θp-pは、図1を参照すると、偏向電圧として正弦波を印加したときのx軸方向についての最大偏向角振れ幅である。nはKTNの屈折率であり、Lは図1におけるz軸方向のKTN結晶の長さである。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。また、Vは偏向電圧の最大振幅電圧であり、dは図1におけるz方向のKTN結晶の厚さである。 In the above equation, the deflection angle θ pp is the maximum deflection angle deflection width in the x-axis direction when a sine wave is applied as the deflection voltage, with reference to FIG. n is the refractive index of KTN, and L is the length of the KTN crystal in the z-axis direction in FIG. g 11 is an electro-optic constant, e is an elementary electric quantity, and ε is a dielectric constant. V is the maximum amplitude voltage of the deflection voltage, and d is the thickness of the KTN crystal in the z direction in FIG.
式(1)からわかるように、偏向角θp-pは、トラップに充填された電子密度Ntarpに比例する。 As can be seen from Equation (1), the deflection angle θ pp is proportional to the electron density N tarp charged in the trap.
図3は、トラップ電子密度の時間変動を表す図である。図3の横軸は時間であって、縦軸はKTN結晶内のトラップに充填された電子密度Ntrapである。図3では、トラップ充填動作(Ttrap)と、偏向動作(Tscan)とが交互に3回(i=1、2、3)繰り返される状況を示している。このとき、トラップ電子密度Ntrapは、各曲線304、301、305、302、306、303で示したように変化する。
FIG. 3 is a diagram illustrating the temporal variation of the trap electron density. The horizontal axis in FIG. 3 is time, and the vertical axis is the electron density N trap filled in the trap in the KTN crystal. FIG. 3 shows a situation in which the trap filling operation (T trap ) and the deflection operation (T scan ) are alternately repeated three times (i = 1, 2, 3). At this time, the trap electron density N trap changes as indicated by the
最初のトラップ充填動作中(Ttrap)では、トラップ電子密度は、トラップ充填電圧が印加されることによって0からN1まで増加する。その後、最初の偏向動作中(Tscan)において、例えば正弦波の制御電圧を印加して偏向すると、トラップ電子密度は次第に減少する。次に、2回目のトラップ充填動作中(Ttrap)では、トラップ電子密度は、トラップ充填電圧が印加されることによって、曲線301の最後の値からN2まで増加する。その後、2回目の偏向動作中(Tscan)において、制御電圧を印加して偏向すると、トラップ電子密度は次第に減少する。3回目のトラップ充填動作中(Ttrap)では、トラップ電子密度は、トラップ充填電圧が印加されることによって、曲線302の最後の値からN3まで増加する。
During the initial trap filling operation (T trap ), the trap electron density increases from 0 to N 1 by applying the trap filling voltage. Thereafter, during the first deflection operation (T scan ), for example, when a sine wave control voltage is applied for deflection, the trap electron density gradually decreases. Next, during the second trap filling operation (T trap ), the trap electron density increases from the last value of the
図3からわかるように、最初にKTN内のトラップ電子密度が0である場合は、トラップ電子密度Ntrapは、トラップ充填動作および偏向動作の1つの制御サイクルを経る毎に、N1、N2,N3と次第に増加する。これは、1回の偏向動作(Tscan)が終了してもトラップに電子が残っているためである。したがって、1つ前の制御サイクルでトラップ電子が残存している状態に対して、引き続いてトラップ充填させた場合、その新たな充填動作中に充填されて結果的に得られるトラップ電子密度は、1つ前の制御サイクルのときのトラップ電子密度とは異なることになる。 As can be seen from FIG. 3, when the trap electron density in the KTN is initially zero, the trap electron density N trap becomes N 1 , N 2 every time one control cycle of the trap filling operation and the deflection operation is performed. , N 3 and gradually increase. This is because electrons remain in the trap even after one deflection operation (T scan ) is completed. Therefore, when trap trapping is continued in the state in which trap electrons remain in the previous control cycle, trap electron density obtained as a result of filling during the new filling operation is 1 This is different from the trap electron density in the previous control cycle.
図4は、制御サイクルを繰り返したときのトラップ電子密度の変化を概念的に示した図である。横軸は制御サイクルの繰り返し数iを示しており、縦軸は各制御サイクルのトラップ充填動作の最後の時点におけるトラップ電子密度Niを示す。図4では、最初のサイクル開始時点で、一定量のトラップ電子密度が既に存在していた場合を示しており、Niはある回数のサイクルを繰り返すと、平衡値に達している。図4の場合では、所定の回数の制御サイクルを経ない限り、トラップ電子密度が安定しない。したがって、式(1)で示したように得られる偏向角も変動することになる。 FIG. 4 is a diagram conceptually showing changes in the trap electron density when the control cycle is repeated. The horizontal axis represents the number i of iterations of the control cycle, the vertical axis represents the trap electron density N i in the last point in the trap filling operation of each control cycle. In Figure 4, the first cycle start time, shows a case where a certain amount of trapped electron density is already present, the N i repeats the cycle number that has reached the equilibrium value. In the case of FIG. 4, the trap electron density is not stable unless a predetermined number of control cycles are passed. Therefore, the deflection angle obtained as shown in the equation (1) also varies.
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、偏向角の安定性に優れた電気光学結晶を用いた光偏向器および光偏向器の制御方法を提供する。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to provide an optical deflector using an electro-optic crystal having excellent deflection angle stability and an optical deflector control method. To do.
本発明は、このような目的を達成するために、請求項1の発明は、電気光学結晶の対向する面に形成した少なくとも2つの電極に制御電圧を印加して、電気光学効果により前記結晶内の屈折率分布の傾斜を生成することによって、前記制御電圧により形成される電界に概ね垂直に入射する入射光を偏向させる光偏向器の制御方法において、前記電気光学結晶に、直流電圧または正極性および負極性の直流電圧を含む交番電圧からなるトラップ充填電圧を印加する第1の駆動ステップと、前記第1の駆動ステップに引き続き、前記制御電圧として、入射光を偏向させる偏向電圧を印加する第2の駆動ステップと、前記第2の駆動ステップに引き続き、前記電気光学結晶の温度を上昇させるステップであって、前記結晶内のトラップに捕獲された電子を除去するステップとを備えることを特徴とする光偏向器の制御方法である。 In order to achieve the above object, the present invention is characterized in that a control voltage is applied to at least two electrodes formed on opposite surfaces of an electro-optic crystal, and the electro-optic effect is applied to the inside of the crystal. In the method of controlling an optical deflector that deflects incident light that is incident substantially perpendicular to the electric field formed by the control voltage by generating a gradient of the refractive index distribution of the electro-optic crystal, a DC voltage or a positive polarity is applied to the electro-optic crystal. And a first driving step for applying a trap filling voltage composed of an alternating voltage including a negative DC voltage, and a second voltage for applying a deflection voltage for deflecting incident light as the control voltage following the first driving step. and second driving step, subsequent to said second driving step, a step of increasing the temperature of the electrooptic crystal, which is captured by the trap in the crystal A method of controlling an optical deflector, characterized in that it comprises the steps of removing a child.
請求項2の発明は、請求項1の方法であって、前記第2の駆動ステップにおいて、前記電気光学結晶内の電子密度の時間変動を相殺するように、前記偏向電圧の振幅を変化させて、前記光偏向器によって得られる出射光の最大偏向角を一定に保つことを特徴とする。
The invention according to
請求項3の発明は、請求項1の方法において、前記第1の駆動ステップ、前記第2の駆動ステップおよび前記温度を上昇させるステップを繰り返すことを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in the method of the first aspect, the first driving step, the second driving step, and the step of raising the temperature are repeated.
請求項4の発明は、請求項1の方法において、前記電気光学結晶は、タンタル酸ニオブ酸カリウム(KTa1−xNbxO3(0<x<1))結晶、またはリチウムを添加したK1−yLiyTa1−xNbxO3(0<x<1、0<y<1)のいずれかであることを特徴とする。
K The invention according to
請求項5の発明は、対向する面に少なくとも2つの電極を形成した電気光学結晶であって、前記電極に制御電圧を印加して、電気光学効果により内部の屈折率分布の傾斜を生成することによって、前記制御電圧により形成される電界に概ね垂直に入射する入射光を偏向させる電気光学結晶と、前記電極に印加する前記制御電圧を生成する制御電圧電源であって、前記電気光学結晶に、直流電圧または正極性および負極性の直流電圧を含む交番電圧からなるトラップ充填電圧と、前記トラップ充填電圧を印加した後に印加する前記制御電圧として、入射光を偏向させる偏向電圧とを生成するよう構成された制御電圧電源と、前記偏向電圧の印加に引き続き、前記電気光学結晶の温度を上昇させて、前記電気光学結晶内のトラップに捕獲された電子を除去する温度可変手段とを備えたことを特徴とする光偏向器である。 The invention according to claim 5 is an electro-optic crystal in which at least two electrodes are formed on opposing surfaces, and a control voltage is applied to the electrodes to generate a gradient of an internal refractive index distribution by an electro-optic effect. An electro-optic crystal that deflects incident light that is incident substantially perpendicular to the electric field formed by the control voltage, and a control voltage power source that generates the control voltage to be applied to the electrode, the electro-optic crystal A trap filling voltage composed of a DC voltage or an alternating voltage including a positive polarity and a negative polarity DC voltage, and a deflection voltage for deflecting incident light are generated as the control voltage applied after the trap filling voltage is applied. Subsequently to the application of the control voltage power supply and the deflection voltage, the temperature of the electro-optic crystal is raised and the electric power captured by the trap in the electro-optic crystal is increased. An optical deflector, characterized in that a temperature varying means for removing.
請求項6の発明は、請求項5の光偏向器において、前記制御電圧電源は、前記電気光学結晶内の電子密度の時間変動を相殺するように、前記偏向電圧の振幅を変化させて、出射光に与えられる最大偏向角を一定に保つことを特徴とする。 According to a sixth aspect of the present invention, in the optical deflector according to the fifth aspect, the control voltage power supply changes the amplitude of the deflection voltage so as to cancel out the time fluctuation of the electron density in the electro-optic crystal, and outputs it. The maximum deflection angle given to the incident light is kept constant.
請求項7の発明は、請求項5の光偏向器において、前記電気光学結晶は、タンタル酸ニオブ酸カリウム(KTa1−xNbxO3(0<x<1))結晶、またはリチウムを添加したK1−yLiyTa1−xNbxO3(0<x<1、0<y<1)のいずれかであることを特徴とする。 According to a seventh aspect of the invention, the optical deflector according to claim 5, wherein the electro-optical crystal, potassium tantalate niobate (KTa 1-x Nb x O 3 (0 <x <1)) doped crystal, or lithium K 1-y Li y Ta 1-x Nb x O 3 (0 <x <1, 0 <y <1) .
以上説明したように、本発明により、偏向角の再現性に優れた光偏向器を実現することができる。 As described above, according to the present invention, an optical deflector with excellent reproducibility of the deflection angle can be realized.
本発明は、KTNなどの電気光学結晶を用いた光偏向器において、ある一定時間の偏向動作の後であって、トラップへの電子充填を行う前に、電気光学結晶を加熱し残留しているトラップ電子を熱的に励起してトラップからの束縛状態から解放することによって残留電子を極力無くすことを特徴とする。その結果、偏向動作の電圧履歴が消去される。本発明が適用できる電気光学結晶には、タンタル酸ニオブ酸カリウム(KTa1−xNbxO3(0<x<1):以下KTN)結晶、またはKTNと同様な効果を持つ材料として、リチウムを添加したK1−yLiyTa1−xNbxO3(0<x<1、0<y<1)などが含まれる。 According to the present invention, in an optical deflector using an electro-optic crystal such as KTN, the electro-optic crystal is heated and remains after a certain period of deflection operation and before filling the trap with electrons. It is characterized in that residual electrons are eliminated as much as possible by thermally exciting the trapped electrons to release them from the bound state from the traps. As a result, the voltage history of the deflection operation is deleted. The electro-optic crystal to which the present invention can be applied includes potassium tantalate niobate (KTa 1-x Nb x O 3 (0 <x <1): hereinafter referred to as KTN) crystal, or lithium as a material having the same effect as KTN. 1-y Li y Ta 1-x Nb x O 3 (0 <x <1, 0 <y <1) and the like added.
上述の電圧履歴消去動作中では、偏向動作後に残っているトラップに充填された電子をトラップから解放することによって、それまでの残留電子の履歴を消去し、制御サイクル毎に、結晶内のトラップ電子の状態を初期状態に戻す。この履歴消去動作を設けることで、光偏向器における偏向角の再現性を向上させる。以下、詳細に本発明の構成および動作について説明する。 During the above-described voltage history erasing operation, the electrons remaining in the trap remaining after the deflection operation are released from the trap, thereby erasing the history of the remaining electrons so far, and in each control cycle, trap electrons in the crystal. Return the state to the initial state. By providing this history erasing operation, the reproducibility of the deflection angle in the optical deflector is improved. Hereinafter, the configuration and operation of the present invention will be described in detail.
図5は、本発明の光偏向器の構成を示す概念図である。本発明の光偏向器600は、電気光学結晶601と、結晶601の上下面に形成された電極602a、602bからなる。図5では、下面の電極602bは表示されていない。具体的には、本発明の光偏向器600は矩形状のKTN結晶チップを用いた光偏向器である。2つの電極間には、KTNに印加する制御電圧を供給する制御電圧電源604が接続される。この制御電圧電源604は、図2とともに説明したような様々な制御電圧信号を出力できるものである。また、KTNに対して実用的な偏向角を生じ得るような数百V程度の電圧を印加できる駆動能力を持つ。入射光605は、電気光学結晶601の1つの面から入射され、偏向を受けて、対向する端面から出射する。
FIG. 5 is a conceptual diagram showing the configuration of the optical deflector of the present invention. The
本発明の光偏向器600は、さらに、温度制御ステージ603を有している。温度制御ステージは、電気光学結晶601の温度を任意の温度に設定することが可能なものであって、所定の温度変化速度で、電気光学結晶601の温度を制御できる。図5では、電気光学結晶601を物理的に保持するものとして記載されているが、電気光学結晶601の温度を制御できるものである限り、どのような構成であっても良い。したがって、電気光学結晶601と接触をしていなくても良い。また、図5では、温度制御ステージ603は電気光学結晶601を保持する機構物として示しているが、電気光学結晶の温度を制御するための付随する制御回路なども当然に存在する。次に、本発明の光偏向器における制御電圧の制御方法について詳細に説明する。
The
図6は、結晶温度をパラメータとしたトラップ電子密度の時間変動のグラフである。最初に所定の時間(図6のAの期間)でトラップ充填を行った後に、電気光学結晶を所定の時間で所定の温度に設定し(図6のBの期間)、その後トラップ電子密度の時間変化を測定した(図6のCの期間)。横軸は、経過時間を秒で示し、縦軸はトラップ量(トラップ電子密度)を示している。 FIG. 6 is a graph of the time variation of the trap electron density with the crystal temperature as a parameter. First, after trap filling is performed for a predetermined time (period A in FIG. 6), the electro-optic crystal is set to a predetermined temperature for a predetermined time (period B in FIG. 6), and then the trap electron density time is reached. The change was measured (period C in FIG. 6). The horizontal axis indicates the elapsed time in seconds, and the vertical axis indicates the trap amount (trap electron density).
測定条件をより詳細に説明すれば、以下の通りである。最初に、図6のAの期間において、300Vのトラップ充填直流電圧を60秒間印加して、KTN結晶を初期トラップ充填状態に設定した。図6のグラフの横軸0秒の時点でトラップ充填電圧を停止し、その6秒後に最初のトラップ電子密度を測定した。その後、図6のBの期間において、60秒までの間にKTNを所定の温度に設定した。KTN結晶を所定の温度に設定後、図6のCの期間において、60秒毎にトラップ電子密度を繰り返し測定した。 The measurement conditions will be described in more detail as follows. First, in the period A in FIG. 6, a trap filling DC voltage of 300 V was applied for 60 seconds to set the KTN crystal to the initial trap filling state. The trap filling voltage was stopped when the horizontal axis of the graph of FIG. 6 was 0 second, and the initial trap electron density was measured 6 seconds later. Thereafter, in the period B in FIG. 6, KTN was set to a predetermined temperature within 60 seconds. After setting the KTN crystal to a predetermined temperature, the trap electron density was repeatedly measured every 60 seconds in the period C of FIG.
図6の測定に用いたKTNは、チップサイズが 幅W3.20×長さL(光の進行方向)4.00×厚さT(電圧の印加方向)1.00 mm3で、電極サイズは、W3.15×L3.4mm2、通常のKTNの動作温度は51.2℃(εr=17500)である。 The KTN used in the measurement of FIG. 6 has a chip size of width W 3.20 × length L (light traveling direction) 4.00 × thickness T (voltage application direction) 1.00 mm 3 , and the electrode size is W3.15 × L3.4 mm 2 , the operating temperature of a normal KTN is 51.2 ° C. (εr = 17500).
図6において、四角のプロットは、KTNを通常動作温度51.2℃に維持したままでトラップ電子密度を測定したものである。丸のプロットおよび三角のプロットは、KTNをそれぞれ60℃および70℃に温度を設定してトラップ電子密度を測定したものである。図6から明らかなように、KTNの温度をより高く上昇させることによって、トラップ電子密度はより早く減少し、飽和下限値に達している。また、トラップ電子密度が、1×1020(m-3)程度の下限値で飽和しているが、これは、トラップ電子密度の測定系の限界によるものである。 In FIG. 6, a square plot is obtained by measuring the trap electron density while maintaining the KTN at the normal operating temperature of 51.2 ° C. The circle plot and the triangle plot are obtained by measuring the trap electron density by setting the temperature of KTN to 60 ° C. and 70 ° C., respectively. As is apparent from FIG. 6, by increasing the temperature of KTN higher, the trap electron density decreases more quickly and reaches the saturation lower limit. The trap electron density is saturated at a lower limit of about 1 × 10 20 (m −3 ), which is due to the limit of the trap electron density measurement system.
図7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概念図である。トラップ電子密度は、リタデーション分布を測定することによって求めることができる。(リタデーション分布の測定方法については、非特許文献1を参照)。リタデーション分布と屈折率変化量(Δn)の分布との間には、以下の式で表される関係がある。 FIG. 7 is a conceptual diagram illustrating a method for obtaining the trap electron density from the refractive index distribution. The trap electron density can be determined by measuring the retardation distribution. (For the measurement method of retardation distribution, see Non-Patent Document 1). There is a relationship represented by the following formula between the retardation distribution and the refractive index change amount (Δn) distribution.
上式で、Δnは屈折率変化量であり、nは屈折率(リタデーション測定波長(633nm)で2.265)、Lは電極長であり図6で示した測定における使用サンプルでは電極長は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7に示した残留屈折率分布の図において、温度上昇前では、概ね2次関数の屈折率分布曲線が得られる。この2次関数曲線から、結晶中に一様にトラップに電子が充填されていると仮定して、トラップ電子密度を求めることができる。詳細は、以下の通りである。 In the above equation, Δn is the amount of change in refractive index, n is the refractive index (2.265 at the retardation measurement wavelength (633 nm)), L is the electrode length, and in the sample used in the measurement shown in FIG. 4 mm. The refractive index distribution can be obtained from the retardation measurement value using the relationship of the above equation (2). In the graph of residual refractive index distribution shown in FIG. 7, a refractive index distribution curve of a quadratic function is obtained before the temperature rises. From this quadratic function curve, it is possible to obtain the trap electron density on the assumption that the trap is uniformly filled with electrons in the crystal. Details are as follows.
結晶内に一様に、トラップされた電子が存在していると仮定する。このトラップ量をNtrapとすると、結晶内の電界分布は、ガウスの法則より次式で表される。 Assume that there are uniformly trapped electrons in the crystal. When this trap amount is N trap , the electric field distribution in the crystal is expressed by the following equation from Gauss's law.
上式(3)において、2つの電極の陰極を原点0として、0からxまで積分すると次式が得られる。ここで、eは電子素量であり、εは電気光学結晶の誘電率である。
In the above equation (3), the following equation is obtained by integrating from 0 to x with the cathode of the two electrodes as the
電界を位置で積分すると電圧が得られるので、駆動電圧をVとして2つの電極間の距離をdとすると、駆動電圧が0のときの状態について、さらに次式が得られる。 Since the voltage is obtained by integrating the electric field at the position, when the driving voltage is V and the distance between the two electrodes is d, the following equation is further obtained for the state when the driving voltage is 0.
上式(5)より、E(0)は、次式で表される。 From the above equation (5), E (0) is expressed by the following equation.
上式(6)を式(5)に代入して、さらに次式を得る。 Substituting the above equation (6) into equation (5), the following equation is obtained.
電気光学結晶が2次の電気光学効果(カー効果)を持つ場合、屈折率の変化量Δn(x)は、次式で表される。 When the electro-optic crystal has a secondary electro-optic effect (Kerr effect), the refractive index change Δn (x) is expressed by the following equation.
結晶中に一様に密度Nのトラップされた電子がある場合の屈折率分布は、以下のように、結晶の厚さ方向の中心(x=d/2)を中心とした2次関数となる。 The refractive index distribution in the case where there are uniformly trapped electrons of density N in the crystal is a quadratic function centered on the center (x = d / 2) in the thickness direction of the crystal as follows. .
図7で示したような残留屈折率分布のグラフを求められれば、式(9)を用いて、グラフからトラップされた電子密度Ntrapを見積もることができる。 If the graph of the residual refractive index distribution as shown in FIG. 7 is obtained, the electron density N trap trapped from the graph can be estimated using the equation (9).
上述のように、KTN結晶の温度を上昇させることによって、偏向動作後に残っていたトラップ充填された電子をトラップから解放することができる。KTN結晶の温度を上昇させる動作を設けて、それまでのトラップ充填の履歴を消去することで、制御サイクル毎に、結晶内のトラップ電子の状態を初期状態に戻すことができる。次に、この履歴消去時間を加えた、光偏向器の制御方法について説明する。 As described above, by raising the temperature of the KTN crystal, trap-filled electrons remaining after the deflection operation can be released from the trap. By providing an operation for increasing the temperature of the KTN crystal and erasing the history of trap filling so far, the state of trapped electrons in the crystal can be returned to the initial state every control cycle. Next, a method for controlling the optical deflector to which the history erasing time is added will be described.
図8は、本発明における履歴消去動作を含む制御電圧を使用した場合の、トラップ電子密度の時間変動を表す概念図である。図3に示した従来のトラップ充填動作のみを設けた制御電圧の場合のトラップ電子密度の時間変動と対比しながら、図8を説明する。図8では、横軸に時間を、縦軸にトラップ電子密度を示している。トラップ充填動作(Ttrap)と、偏向動作(Tscan)とが交互に3回(i=1、2、3)繰り返される状況を示している。このとき、トラップ電子密度Ntrapは、各曲線404、401、405、402、406、403で示したように変化する。最初のトラップ充填動作中(Ttrap)では、トラップ電子密度は、トラップ充填電圧が印加されることによって0からN1まで増加する。その後、最初の偏向動作中(Tscan)において、例えば正弦波の制御電圧を印加して偏向すると、トラップ電子密度は次第に減少する。本発明の光偏向器の制御方法では、最初の偏向動作(Tscan)の終了とともに、電圧履歴消去動作中に、光偏向器の電気光学結晶の温度を上昇させて、トラップに残っていた電子を一旦トラップから解放する。したがって、偏向動作(Tscan)の終了後、速やかにトラップ電子密度は0に戻る。
FIG. 8 is a conceptual diagram showing temporal variation of the trap electron density when a control voltage including a history erasing operation according to the present invention is used. FIG. 8 will be described in comparison with the time variation of the trap electron density in the case of the control voltage provided with only the conventional trap filling operation shown in FIG. In FIG. 8, the horizontal axis represents time, and the vertical axis represents trap electron density. This shows a situation where the trap filling operation (T trap ) and the deflection operation (T scan ) are alternately repeated three times (i = 1, 2, 3). At this time, the trap electron density N trap changes as indicated by the
最初の制御サイクルに引き続き、2回目の制御サイクルは、2回目のトラップ充填動作(Ttrap)で始まるが、トラップ電子密度は、トラップ充填電圧が印加されることによって再び0からN1まで増加する。したがって、2回目の偏向動作(Tscan)の開始時点でのトラップ電子密度は、最初の制御サイクルと同じN1となる。同様に、3回目の制御サイクルでも、3回目の偏向動作(Tscan)の開始時点でのトラップ電子密度は、最初のサイクルと同じN1となる。したがって、制御サイクルを繰り返しても、トラップ電子密度は概ね一定に保たれる。 Subsequent to the first control cycle, the second control cycle begins with a second trap filling operation (T trap ), but the trap electron density increases again from 0 to N 1 by applying the trap filling voltage. . Therefore, the trap electron density at the start of the second deflection operation (T scan ) is the same N 1 as in the first control cycle. Similarly, in the third control cycle, the trap electron density at the start of the third deflection operation (T scan ) is the same as N 1 in the first cycle. Therefore, even when the control cycle is repeated, the trap electron density is kept substantially constant.
図9は、本発明における、制御サイクルを繰り返したときのトラップ電子密度の変化を概念的に示した図である。横軸は制御サイクルの繰り返し数iを示しており、縦軸は各サイクルの充填動作の最後の時点におけるトラップ電子密度Niを示す。図9では、プロット410によって、最初のサイクル開始時点で、一定量のトラップ電子密度が既に存在していた従来技術の場合を示してある。本発明の電圧履歴消去動作を含む制御電圧の制御方法によれば、トラップ電子密度Niは以前の制御サイクルの有無や繰り返し数に関係なく、最初のトラップ電子密度を維持したまま一定値に保たれる。 FIG. 9 is a diagram conceptually showing changes in the trap electron density when the control cycle is repeated in the present invention. The horizontal axis represents the number i of iterations of the control cycle, the vertical axis represents the trap electron density N i in the last point in the filling operation of each cycle. In FIG. 9, plot 410 shows the prior art case where a certain amount of trapped electron density already existed at the beginning of the first cycle. According to the control voltage control method including the voltage history erasing operation of the present invention, the trap electron density Ni is maintained at a constant value while maintaining the initial trap electron density regardless of the presence or the number of repetitions of the previous control cycle. Be drunk.
図9における偏向動作中(Tscan)の時刻tの偏向角θ(t)は、式(1)を参照すれば、次式で表される。 The deflection angle θ (t) at time t during the deflection operation (T scan ) in FIG. 9 is expressed by the following equation with reference to equation (1).
ここで、nはKTNの屈折率であり、Lは図1におけるz軸方向のKTN結晶長さである。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。また、V(t)は偏向電圧であり、dは、図1におけるz方向のKTN結晶厚さである。 Here, n is the refractive index of KTN, and L is the KTN crystal length in the z-axis direction in FIG. g 11 is an electro-optic constant, e is an elementary electric quantity, and ε is a dielectric constant. V (t) is the deflection voltage, and d is the KTN crystal thickness in the z direction in FIG.
ここで、偏向電圧を正弦波信号とすると、得られる偏向角も正弦波状となる。 Here, when the deflection voltage is a sine wave signal, the obtained deflection angle is also a sine wave.
式(11)、式(12)より、偏向角は次式で表される。 From the equations (11) and (12), the deflection angle is expressed by the following equation.
式(13)において、Ntrap(t)は、トラップ充填が終了して偏向動作(Tscan)を開始した時からのトラップ電子密度は、次式で表される。 In equation (13), N trap (t) is expressed by the following equation as the trap electron density from when the trap filling is completed and the deflection operation (T scan ) is started.
式(14)に着目すれば、従来のトラップ充填動作のみを設けた制御電圧の制御方法の場合、Niは制御サイクル毎に変動する。一方、図8に示した電圧履歴消去動作を含む制御電圧の制御方法によれば、Niが一定値に保たれることになる。また、偏向動作(Tscan)内では、ある時定数τiを持った自然対数カーブで、電子密度は次第に僅かずつ減少する。 Paying attention to equation (14), when the control method of the control voltage provided only conventional trap filling operation, N i varies in each control cycle. On the other hand, according to the control method of the control voltage including a voltage history erase operation shown in FIG. 8, so that N i is maintained at a constant value. Further, in the deflection operation (T scan ), the electron density gradually decreases gradually with a natural logarithmic curve having a certain time constant τ i .
しかしながら、偏向動作(Tscan)に印加する偏向電圧の振幅を補正することによって、偏向角を一定に維持することができる。次に、図9で示した、本発明の履歴消去動作を含む制御電圧を使用した光偏向器の制御方法で、偏向角の安定性をさらに改善する方法を説明する。 However, the deflection angle can be kept constant by correcting the amplitude of the deflection voltage applied to the deflection operation (T scan ). Next, a method of further improving the stability of the deflection angle in the optical deflector control method using the control voltage including the history erasing operation of the present invention shown in FIG. 9 will be described.
図10は、偏向動作中(Tscan)に印加する偏向電圧振幅を補正した制御電圧の制御方法を示す概念図である。図10では、偏向動作中(Tscan)において、トラップ電子密度Ni(t)501に加えて、偏向電圧信号の包絡線V0(t)503および偏向角θ0(t)504も示している。図10に示した改善した方法では、式(14)で示したトラップ電子密度の漸減を相殺するように、偏向電圧の包絡線を漸増させている。例えば、偏向電圧信号の包絡線V0を次式のように変化させる。 FIG. 10 is a conceptual diagram showing a control voltage control method in which the deflection voltage amplitude applied during the deflection operation (T scan ) is corrected. FIG. 10 also shows an envelope V 0 (t) 503 and a deflection angle θ 0 (t) 504 of the deflection voltage signal in addition to the trap electron density N i (t) 501 during the deflection operation (T scan ). Yes. In the improved method shown in FIG. 10, the envelope of the deflection voltage is gradually increased so as to cancel the gradual decrease in the trap electron density shown in Equation (14). For example, the envelope V 0 of the deflection voltage signal is changed as follows:
この偏向電圧の補正によって、偏向動作中(Tscan)における偏向角も一定値に保つことができる。 By correcting the deflection voltage, the deflection angle during the deflection operation (T scan ) can be maintained at a constant value.
上述の説明では、偏向動作中(Tscan)のトラップ電子密度変化が、概ね自然対数の漸減カーブとしたが、何らかの原因で他の変化パターンに従う場合がある。このような場合には、この変化パターンに応じて、トラップ電子密度変化を相殺するように、偏向電圧の包絡線を補正すれば良い。このような補正した制御電圧は、任意波形発生器で包絡線信号を生成し、正弦波を変調することなどによって簡単に得られる。 In the above description, the trap electron density change during the deflection operation (T scan ) is generally a natural logarithmic decrease curve, but may follow other change patterns for some reason. In such a case, the envelope of the deflection voltage may be corrected so as to cancel the trap electron density change according to this change pattern. Such a corrected control voltage can be easily obtained by generating an envelope signal with an arbitrary waveform generator and modulating a sine wave.
図11は、本発明の電気光学結晶を温度上昇させる電圧履歴消去動作を含めた、光偏向器の実際的な制御タイミングを説明する図である。図5に示した本発明の光偏向器では、温度制御ステージ603を有している。温度制御ステージ603は、電気光学結晶601の温度を任意の温度に設定することができるが、一般に温度設定にはある程度の時間が必要となる。温度設定は、温度制御ステージ603における温度可変手段の構成に依る。
FIG. 11 is a diagram for explaining the actual control timing of the optical deflector including the voltage history erasing operation for raising the temperature of the electro-optic crystal of the present invention. The optical deflector of the present invention shown in FIG. 5 has a
図11において、横軸の時間軸は、温度可変手段の温度設定時間も考慮したリニアな実時間で表現している。本発明では、KTNに印加される制御電圧の制御サイクルは、その制御内容によって次の3つの期間に分けられる。 In FIG. 11, the horizontal time axis is expressed in linear real time considering the temperature setting time of the temperature variable means. In the present invention, the control cycle of the control voltage applied to KTN is divided into the following three periods according to the control contents.
第1の期間はトラップ充填動作を行なう時間(Ttrap)507であり、この期間では、図2で示したように、バースト状電圧として、例えば正の一定電圧201を印加する。次に述べる偏向電圧印加動作中に電子の注入が無くても、トラップ充填期間中にトラップに捕獲された電子により電界の傾斜が発生する。その結果、電気光学効果による屈折率の傾斜が生じるため、高速で広角な光偏向を実現する。トラップ充填電圧としては、単極性の直流電圧だけに限らない。例えば、正極性および負極性の2つの電圧値を一定時間ずつ含む交番電圧を与えても良い。交番電圧を与えることによって、2つの電極近傍の双方に均等に電子がトラップ可能となり、空間的なトラップ電子の不均一を避けることができる。また、偏向動作に用いられる高速信号よりも低周波数の交流信号を与えても良い。
The first period is a time (T trap ) 507 for performing the trap filling operation. In this period, for example, a positive
第2の期間は、偏向電圧を印加する偏向動作を行なう時間(Tscan)505であり、電気光学結晶に高周波の偏向電圧が印加されて、偏向動作が行なわれる。この偏向期間においては、図11のV0(t)に示すようにトラップ電子密度変化Ni(t)に対応して、トラップ電子密度の変化を相殺するように偏向電圧の振幅値(包絡線)を変調して補正するのが好ましい。これによって、偏向角θ0(t)を一定値に保つことができる。 The second period is a time (T scan ) 505 for performing a deflection operation for applying a deflection voltage, and a deflection operation is performed by applying a high-frequency deflection voltage to the electro-optic crystal. In this deflection period, as shown by V 0 (t) in FIG. 11, the deflection voltage amplitude value (envelope) so as to cancel the trap electron density change corresponding to the trap electron density change N i (t). ) Is preferably corrected by modulation. As a result, the deflection angle θ 0 (t) can be maintained at a constant value.
第3の期間は、電圧履歴消去動作を行なう時間(Tclear)506であり、電気光学結晶を温度上昇させて、トラップに残存している電子を解放して、電気光学結晶内にトラップ電子がない初期状態に戻す。制御サイクルを繰り返す場合には、電圧履歴消去動作には電気光学結晶を元の通常動作の温度に戻す動作も含める。上述の3つの期間をこの順に配置して、偏向電圧および電気光学結晶温度を制御することで、偏向角の再現性に優れた光偏向器を実現することができる。 The third period is a time (T clear ) 506 for performing the voltage history erasing operation. The temperature of the electro-optic crystal is raised to release the electrons remaining in the trap so that the trapped electrons are generated in the electro-optic crystal. Return to no initial state. When the control cycle is repeated, the voltage history erasing operation includes an operation of returning the electro-optic crystal to the original normal operation temperature. By arranging the above three periods in this order and controlling the deflection voltage and the electro-optic crystal temperature, an optical deflector with excellent reproducibility of the deflection angle can be realized.
本発明のような制御方法は、次のような分野に適用するのが好ましい。すなわち、電圧履歴消去期間に10秒程度のある程度の長い時間が必要であり、充填トラップをゼロにするのに時間がかかる(温度を上昇させない場合よりは短縮されるが)ので、1日数回、数分程度の偏向器を動作させない期間がある場合に有効である。すなわち、1つの制御サイクルが比較的長い時間に応用できる。また、短期間での繰り返しを必要としない応用に適当である。各制御サイクルiの時間が長く、トラップ電子密度Ni(t)の減少が比較的大きいため、偏向電圧の上昇幅が大きくなる。偏向角の絶対値は大きく保てないが、偏向角の安定度は高い。 The control method as in the present invention is preferably applied to the following fields. That is, a certain long time of about 10 seconds is required for the voltage history erasing period, and it takes time to make the filling trap zero (although it is shortened compared with the case where the temperature is not increased). This is effective when there is a period in which the deflector is not operated for several minutes. That is, one control cycle can be applied to a relatively long time. It is also suitable for applications that do not require repetition in a short period. Since the time of each control cycle i is long and the decrease of the trap electron density N i (t) is relatively large, the increase width of the deflection voltage becomes large. The absolute value of the deflection angle cannot be kept large, but the stability of the deflection angle is high.
より具体的には、電気光学結晶の電気光学特性の評価方法に使用できる。 More specifically, it can be used in a method for evaluating electro-optical characteristics of an electro-optical crystal.
以上詳細に説明したように、本発明により、偏向角の再現性に優れた光偏向器を実現することができる。 As described above in detail, according to the present invention, an optical deflector excellent in reproducibility of the deflection angle can be realized.
本発明は、光学機器に利用することができる。 The present invention can be used for optical instruments.
100、600 光偏向器
101、601 電気光学結晶
102、103、602a 電極
104、604 制御電圧電源
105、605 入射光
603 温度制御ステージ
100, 600
Claims (7)
前記電気光学結晶に、直流電圧または正極性および負極性の直流電圧を含む交番電圧からなるトラップ充填電圧を印加する第1の駆動ステップと、
前記第1の駆動ステップに引き続き、前記制御電圧として、入射光を偏向させる偏向電圧を印加する第2の駆動ステップと、
前記第2の駆動ステップに引き続き、前記電気光学結晶の温度を上昇させるステップであって、前記結晶内のトラップに捕獲された電子を除去するステップと
を備えることを特徴とする光偏向器の制御方法。 By applying a control voltage to at least two electrodes formed on opposite surfaces of the electro-optic crystal and generating a gradient of the refractive index distribution in the crystal by the electro-optic effect, an electric field formed by the control voltage is generated. In a method of controlling an optical deflector that deflects incident light that is incident substantially perpendicularly,
A first driving step of applying a trap filling voltage comprising a DC voltage or an alternating voltage including a positive polarity and a negative polarity DC voltage to the electro-optic crystal;
Subsequent to the first driving step, a second driving step of applying a deflection voltage for deflecting incident light as the control voltage;
The step of raising the temperature of the electro-optic crystal subsequent to the second driving step, and the step of removing electrons trapped in the traps in the crystal. Method.
前記電極に印加する前記制御電圧を生成する制御電圧電源であって、
前記電気光学結晶に、直流電圧または正極性および負極性の直流電圧を含む交番電圧からなるトラップ充填電圧と、
前記トラップ充填電圧を印加した後に印加する前記制御電圧として、入射光を偏向させる偏向電圧と
を生成するよう構成された制御電圧電源と、
前記偏向電圧の印加に引き続き、前記電気光学結晶の温度を上昇させて、前記電気光学結晶内のトラップに捕獲された電子を除去する温度可変手段と
を備えたことを特徴とする光偏向器。 An electro-optic crystal in which at least two electrodes are formed on opposite surfaces, and formed by the control voltage by applying a control voltage to the electrodes and generating a gradient of the internal refractive index distribution by the electro-optic effect. An electro-optic crystal that deflects incident light that is incident substantially perpendicular to the applied electric field;
A control voltage power supply for generating the control voltage to be applied to the electrode,
The electro-optic crystal has a trap filling voltage consisting of a DC voltage or an alternating voltage including a positive polarity and a negative polarity DC voltage;
A control voltage power supply configured to generate a deflection voltage for deflecting incident light as the control voltage applied after applying the trap filling voltage;
An optical deflector comprising: temperature changing means for increasing the temperature of the electro-optic crystal following application of the deflection voltage and removing electrons trapped in the traps in the electro-optic crystal.
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