JP5416022B2

JP5416022B2 - 周波数無依存光偏向器

Info

Publication number: JP5416022B2
Application number: JP2010092361A
Authority: JP
Inventors: 純宮津; 和則長沼; 生剛八木
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2010-04-13
Filing date: 2010-04-13
Publication date: 2014-02-12
Anticipated expiration: 2030-04-13
Also published as: JP2011221396A

Description

本発明は、周波数無依存光偏向器に関し、より詳細には、電気光学結晶内部の屈折率分布の変化を用いた光偏向器であって、駆動周波数の変化に伴う偏向角の変化を抑制した周波数無依存光偏向器に関する。

現在、プロジェクター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。光を偏向する技術として、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（Micro Electro Mechanical System）と呼ばれるマイクロマシーン技術が提案されている。しかしながら、これらの技術は、機械的な制御を伴うことから、高速な光偏向、小型化、消費電力低減の点で限界があった。

一方、電気光学結晶を用いた様々な光機能部品が実用化されている。これら光機能部品は、電気光学結晶に電圧を印加すると、電気光学効果により結晶の屈折率が変化することを利用している。電気光学結晶に対してオーミック接触となるような電極を形成し、この電極に電圧を印加すると、電気光学結晶に電荷が注入され、空間電荷制御状態となり、結晶内部に電界の傾斜が生ずる。電界の傾斜は、屈折率の傾斜を生じさせ、結晶を透過する光のビームを偏向させることができる（例えば、特許文献１参照）。電気光学効果を利用した光偏向器は、機械的な可動部を持たないため、高速の光偏向が可能となる。

国際公開第２００６／１３７４０８号パンフレット

しかしながら、電荷の注入により空間電荷制御状態を実現する場合、電荷の移動速度が光偏向器の応答速度を制限する。すなわち、光偏向器への印加電圧の駆動周期が短くなるにつれ、直流電圧印加時に実現されていた理想的な空間電荷制御状態を実現することができなくなり、光偏向器からの出射光の偏向角が減少してしまう。本来、電気光学結晶の電気光学効果の応答周波数は、ＧＨｚのオーダーであるが、駆動周波数が高くなるにつれ、ｋＨｚオーダーに達するまでに、理想的な空間電荷制御状態を実現することができなくなる（過渡空間電荷制御状態という）。さらに、ＭＨｚオーダーに達するまでに、偏向角が０になってしまう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、駆動周波数の変化に伴う偏向角の変化を抑制した周波数無依存光偏向器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、本発明の一実施態様は、電気光学効果を有し、直方体に加工された電気光学結晶（１）と、前記電気光学結晶の対向する一対の面を通る光軸を設定したとき、前記光軸に対して直交し、前記電気光学結晶の内部に電荷を注入するための第１の電極対（２ａ，２ｂ）と、前記光軸に対して直交し、前記第１の電極対の印加方向と互いに直交し、前記電気光学結晶の内部に電界を発生させる第２の電極対（３ａ，３ｂ）とを備え、前記第１の電極対へ印加する電圧と前記第２の電極対へ印加する電圧とを交互に印加することを特徴とする。

前記第１の電極対は、前記電気光学結晶の電気伝導に寄与するキャリアに対してオーミック接触となる材料からなり、例えば、前記電気光学結晶の電気伝導に寄与するキャリアが電子の場合に、チタン（Ｔｉ）とすることができる。

前記第２の電極対は、前記電気光学結晶の電気伝導に寄与するキャリアに対してショットキー接触となる材料からなり、例えば、前記電気光学結晶の電気伝導に寄与するキャリアが電子の場合に、白金（Ｐｔ）とすることができる。

前記電気光学結晶は、例えば、Ｋ_1-yＬｉ_yＴａ_1-xＮｂ_xＯ₃（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）結晶を用いることができる。

以上説明したように、本発明によれば、直方体の電気光学結晶に、電荷を注入するための第１の電極対と、電荷の注入を行なわず電界を発生させる第２の電極対とを備えたので、電気光学結晶内部の電界を傾斜させる第２の電極対による駆動電圧の印加は、電荷の移動速度によって影響を受けないので、電気光学効果の応答周波数に至るまで、駆動電圧の駆動周波数に依存しない偏向角で出射させることが可能となる。

本発明の一実施形態にかかる光偏向器の構成を示す図である。光偏向器の電極対に印加する電圧を示す図である。光偏向器の偏向角の電圧依存性を示す図である。

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に、本発明の一実施形態にかかる光偏向器の構成を示す。ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸は図１のように定める。直方体の電気光学結晶１内部を入射光が透過する方向（光軸）をｚ軸とする。電気光学結晶１の対向する面に、光軸に対して直交するｙ軸方向に電圧を印加し、電荷を注入するための電極対２ａ，２ｂを設ける（電極間の距離ｄ’、ｚ軸方向の長さＬとする）。さらに、光軸に対して直交するｘ軸方向に電圧を印加し、電荷の注入を行なわず電界を発生させる電極対３ａ，３ｂ（電極間の距離ｄ、ｚ軸方向の長さＬとする）を設ける。電極対２，３の電圧の印加方向は、互いに直交する。

本実施形態においては、図２を参照して後述するように、最初に、電極対２ａ，２ｂから電気光学結晶１内に電荷を注入しておく。次に、電極対３ａ，３ｂに電圧を印加することにより、電界を傾斜させ、屈折率の変化量に傾斜を生じさせる。結果として、入射光が結晶中を伝搬する間、光の進行方向は、屈折率の傾斜に応じて連続的に変化させられ、ｘ軸方向に偏向角を累積し、出射光として電気光学結晶１から出射される。

本実施形態における偏向特性を詳しく説明する。電極対２に電圧（Ｖ’）を印加すると、電気光学結晶中へ電荷が注入されることにより、空間電荷制限状態、あるいは過渡空間電荷制限状態が実現され、結晶中のトラップへ電荷が捕獲される。トラップされた電荷は真電荷となり、その電荷密度Ｎ（ｘ，ｙ，ｚ）は、ここでは空間的に一様であると仮定する（Ｎ（ｘ，ｙ，ｚ）＝Ｎ）。

次に、電極対３へ駆動電圧（Ｖ）を印加する。結晶中に真電荷が存在しない場合（Ｎ＝０）は、電極間に生じる電界Ｅ（ｘ）はＶ／ｄとなり、ｘ軸方向に一様になる。一方、真電荷が存在する場合（Ｎ≠０）は、真電荷により電界が終端されるため（空間電荷効果）、電極間に生じる電界Ｅ（ｘ）は、位置（ｘ）に対して依存性をもち、電気光学結晶１内に電界の傾斜が生じる。この電界分布はガウスの法則より、

という微分方程式で記述される。ここでｘは陰極からの距離、ｅは電子素量、εは電気光学結晶の誘電率である。これを積分すると、

となる。Ｅ（０）は陰極での電界である。電界を位置で積分すると電圧になるので、

と表せ、Ｅ（０）は次の式で表される。

式（４）を式（２）へ代入すると電界分布は、

と表される。

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、

となる。ｎは結晶の屈折率、ｇ_ijは電気光学係数である。式（６）に式（５）を代入すると、

となる。したがって、電荷の注入を行なわない電極対３の直下に入射された光の偏向角θ（ｘ）は、次式となる。

特に、この電極対３の間の中心に光を通す場合、ｘ＝ｄ／２となり、偏向角θは、

となる。

本実施形態においては、電荷の注入を電極対２で行い、電荷を注入しない電極対３により電界を傾斜させ、入射光を偏向させている。つまり、電極対２により電気光学結晶１内に注入した電荷量が決まると、電極対３により駆動する駆動周波数によらず、式（９）で表される偏向角が得られる。従来、電荷の注入と電界の傾斜とを同時に行っていたため、偏向動作は、電荷の移動速度によって影響を受けていた。本実施形態によれば、電極対３による電圧印加は、電荷の移動速度によって影響を受けないので、電気光学効果の応答周波数（〜ＧＨｚ）に至るまで、駆動周波数に依存しない偏向角で出射させることが可能となる。

（電気光学結晶の材料）
ビームの偏向を効率的に大きくするためには、１次の電気光学係数であるポッケルス係数、または２次の電気光学係数であるカー係数が大きい電気光学結晶を用いることが望ましい。そのような電気光学定数の大きい電気光学結晶としては、例えば、大きなポッケルス定数ｒ_ijを有する強誘電相のＫＬＴＮ結晶、大きなカー定数ｓ_ijを有する常誘電相のＫＬＴＮ結晶が挙げられる。ＫＬＴＮ結晶とは、Ｋ_1-yＬｉ_yＴａ_1-xＮｂ_xＯ₃（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）なる結晶であり、ＫＴａ_1-xＮｂ_xＯ₃（０＜ｘ＜１、ＫＴＮ）、ＫＴａＯ₃（ＫＴ）、ＫＮｂＯ₃、ＬｉＴａＯ₃、ＬｉＮｂＯ₃（ＬＮ）も含まれる。

その他に電気光学定数の大きい電気光学結晶としては、ＬｉＩＯ₃、ＫＴｉＯＰＯ₄、ＢａＴｉＯ₃、ＳｒＴｉＯ₃、Ｂａ_1-xＳｒ_xＴｉＯ₃（０＜ｘ＜１）、Ｂａ_1-xＳｒ_xＮｂ₂Ｏ₆（０＜ｘ＜１）、Ｓｒ_0.75Ｂａ_0.25Ｎｂ₂Ｏ₆、Ｐｂ_1-yＬａ_yＴｉ_1-xＺｒ_xＯ₃（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）、Ｐｂ（Ｍｇ_1/3Ｎｂ_2/3）Ｏ₃−ＰｂＴｉＯ₃、ＫＨ₂ＰＯ₄、ＫＤ₂ＰＯ₄、（ＮＨ₄）Ｈ₂ＰＯ₄、ＢａＢ₂Ｏ₄、ＬｉＢ₃Ｏ₅、ＣｓＬｉＢ₆Ｏ₁₀、ＧａＡｓ、ＣｄＴｅ、ＧａＰ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、およびＺｎＯが挙げられる。

（電極の材料）
電気光学結晶の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いほど理想的なオーミック接触が実現され、電気光学結晶への電荷の注入効率が最大となる。一方、電極材料の仕事関数が大きくなるにつれて、ショットキー接触に近づき、キャリアの注入効率は減少する。このことから、電荷を注入するための電極対２は、電極材料の仕事関数が５．０ｅＶ未満であることが好ましい。反対に、電荷の注入を行なわない電極対３は、電極材料の仕事関数が５．０ｅＶ以上であることが好ましい。

電気光学結晶の電気伝導に寄与するキャリアが正孔の場合には、電荷を注入するための電極対２は、電極材料の仕事関数が５．０ｅＶ以上であることが好ましい。反対に、電荷の注入を行なわない電極対３は、電極材料の仕事関数が５．０ｅＶ未満であることが好ましい。

仕事関数が５．０ｅＶ未満の電極材料として、Ｃｓ（２．１４）、Ｒｂ（２．１６）、Ｋ（２．３）、Ｓｒ（２．５９）、Ｂａ（２．７）、Ｎａ（２．７５）、Ｃａ（２．８７）、Ｌｉ（２．９）、Ｙ（３．１）、Ｓｃ（３．５）、Ｌａ（３．５）、Ｍｇ（３．６６）、Ａｓ（３．７５）、Ｔｉ（３．８４）、Ｈｆ（３．９）、Ｚｒ（４．０５）、Ｍｎ（４．１）、Ｉｎ（４．１２）、Ｇａ（４．２）、Ｃｄ（４．２２）、Ｂｉ（４．２２）、Ｔａ（４．２５）、Ｐｂ（４．２５）、Ａｇ（４．２６）、Ａｌ（４．２８）、Ｖ（４．３）、Ｎｂ（４．３）、Ｔｉ（４．３３）、Ｚｎ（４．３３）、Ｓｎ（４．４２）、Ｂ（４．４５）、Ｈｇ（４．４９）、Ｃｒ（４．５）、Ｓｉ（４．５２）、Ｓｂ（４．５５）、Ｗ（４．５５）、Ｍｏ（４．６）、Ｃｕ（４．６５）、Ｆｅ（４．７）、Ｒｕ（４．７１）、Ｏｓ（４．８３）、Ｔｅ（４．９５）、Ｒｅ（４．９６）、Ｂｅ（４．９８）、Ｒｈ（４．９８）のいずれかを用いることができる。（）内は仕事関数（単位ｅＶ）を示す。また、上記材料を複数用いた合金であってもよい。例えば、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。

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。また、上記材料を複数用いた合金であってもよい。

（実施例）
図１に示した構成において、電気光学結晶１として、１ｍｍ×１ｍｍ×１ｍｍに切り出したＫＴＮ結晶を用いる。ＫＴＮ結晶は、測定温度４７．７℃において常誘電体（比誘電率は２００００）であり、最低次の電気光学効果は２次のカー効果である。電荷を注入するための電極対２は、ＫＴＮ結晶へ電子の注入が可能なＴｉ／Ｐｔ／Ａｕを積層した電極を用い、その形状は１ｍｍ（ｘ軸方向）×１ｍｍ（ｚ軸方向）とする。電荷の注入を行なわない電極対３は、ＫＴＮ結晶へ電子の注入を行なわないＰｔ電極を用い、その形状は０．９ｍｍ（ｙ軸方向）×１ｍｍ（ｚ軸方向）とした。ｙｚ平面の一部の領域には、Ｐｔ電極を形成していない。固体レーザにより波長５３２ｎｍのレーザ光を電気光学結晶１に入射する。入射時のビーム直径を４００μｍとして、両電極対間の中心に入射する。

図２に、光偏向器の電極対に印加する電圧を示す。電荷を注入するための電極対２へは、正の定電圧と負の定電圧を一定時間ずつ印加する。印加電圧の振幅４は、正負ともに同じＶ’＝４００Ｖとし、正と負の電圧印加時間５の合計は、ｔ’＝５ｍｓｅｃとした（図２（ａ））。

電荷の注入を行なわない電極対３に対しては、印加電圧の振幅６は、正負ともに同じＶ＝４００Ｖとし、周波数１００ｋＨｚのサイン波を、継続時間７を３０ｍｓｅｃとして印加する（図２（ｂ））。電極対２への電圧印加と電極対３への電圧印加とを、交互に繰り返す。なお、印加電圧の振幅４と振幅６とは、所望の偏向角に応じて異なる振幅としてもよい。

図３に、光偏向器の偏向角の電圧依存性を示す。ＫＴＮ結晶の測定温度を変化させることにより、比誘電率（ε_r）を変化させることが可能である。そこで、５２℃においてε_r＝１５０００と、４８．５℃においてε_r＝２００００の場合を図に示した。横軸は、電極対２の印加電圧と電極対３への印加電圧であり、縦軸は、出射光のｘ軸方向の偏向角である。

いずれの誘電率においても、式（８）で記述されるように、偏向角が電圧に対して非常に良い線形性を示している（ε_r＝２００００の２５０Ｖ以上でのずれは分極の飽和のよるもの）。このことから、本発明で提案した動作原理による光偏向が実現されており、この偏向角は、駆動周波数に依存しないことがわかる。

１電気光学結晶
２ａ，２ｂ電荷を注入するための電極対
３ａ，３ｂ電荷の注入を行なわない電極対

Claims

電気光学効果を有し、直方体に加工された電気光学結晶と、
前記電気光学結晶の対向する一対の面を通る光軸を設定したとき、前記光軸に対して直交し、前記電気光学結晶の内部に電荷を注入するための第１の電極対と、
前記光軸に対して直交し、前記第１の電極対の印加方向と互いに直交し、前記電気光学結晶の内部に電界を発生させる第２の電極対とを備え、
前記第１の電極対は、前記電気光学結晶の電気伝導に寄与するキャリアに対してオーミック接触となる材料からなり、
前記第２の電極対は、前記電気光学結晶の電気伝導に寄与するキャリアに対してショットキー接触となる材料からなり、
前記第１の電極対へ印加する電圧と前記第２の電極対へ印加する電圧とを交互に印加することを特徴とする周波数無依存光偏向器。
前記電気光学結晶の電気伝導に寄与するキャリアが電子の場合に、
前記第１の電極対の電極材料は、チタン（Ｔｉ）であり、
前記第２の電極対の電極材料は、白金（Ｐｔ）であることを特徴とする請求項１に記載の周波数無依存光偏向器。
前記第１の電極対へ印加する電圧と、前記第２の電極対へ印加する電圧とが異なることを特徴とする請求項１または２に記載の周波数無依存光偏向器。
前記電気光学結晶が、Ｋ_１−ｙＬｉ_ｙＴａ_１−ｘＮｂ_ｘＯ_３（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）結晶であることを特徴とする請求項１、２または３に記載の周波数無依存光偏向器。