JP6059627B2 - 光偏向器および光偏向器の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、光偏向器および光偏向器の制御方法装置に関し、より詳細には、電気光学結晶としてＫＴＮ結晶、ＫＬＴＮ結晶を用いた光偏向器およびその制御方法に関する。

光の進行方向を変える光偏向器として、電気光学結晶であるＫＴＮ（ＫＴａ_１−ｘＮｂ_ｘＯ_３）結晶またはＫＬＴＮ結晶（Ｋ_１−ｙＬｉ_ｙＴａ_１−ｘＮｂ_ｘＯ_３）(以下、特に断りのない限り、総称して「ＫＴＮ結晶」と言う)を用いた光偏向器（以下、「ＫＴＮ光偏向器」と言う）が知られている。ＫＴＮ光偏向器は、ガルバノミラー、ポリゴンミラー、ＭＥＭＳミラー等と異なり、可動部を持たない固体素子にて構成されている（例えば、特許文献１参照）。ＫＴＮ結晶は、低い電圧で屈折率が大きく変わる電気光学効果が大きい物質として知られている。さらに、Ｔi、Ｃrからなる電極を用いると、ＫＴＮ結晶内に電荷を注入することができ、注入された電荷によって生じる内部電界を利用して、高速・広角な光偏向器を実現することができる。

したがって、ＫＴＮ光偏向器は、高速な光偏向ないしは光掃引（スキャン）の動作をさせることができる（例えば、特許文献２参照）。このような高速性を利用して、近年、ＫＴＮ光偏向器を外部共振器に組み込んだ高速の波長掃引光源を用いた医療用光断層撮像システムに注目が集まっている。医療用光断層撮像システムにおいて、ＫＴＮ光偏向器は高速性を実現するためのキーデバイスであり、高速性とともに安定に動作することが求められている。

図１に、従来のＫＴＮ光偏向器の構成を示す。ＫＴＮ結晶１１は、通常、図中のｘ軸方向の辺の長さが、ｙ軸、ｚ軸方向の辺の長さに比べて短いような、直方体の結晶が用いられる。一般に、ＫＴＮ結晶は温度によってその物理的性質が変動することから、ＫＴＮ結晶１１は、温調器１３によって温度制御されている。ＫＴＮ結晶１１の最も広い２つの対向する面上（図中の上下面）には、ＫＴＮ結晶１１に制御電圧を印加するための電極１２ａ，１２ｂが形成されている（下面の電極１２ｂは不図示）。２つの電極間には、制御電圧源１４から、ＫＴＮ結晶に入射された光の偏向動作を制御するための制御電圧が印加される。

ＫＴＮ光偏向器１０への入射光１６は、ＫＴＮ結晶１１の図面左側端面から、ｚ軸方向の光軸１５に入射される。電極１２を介してＫＴＮ結晶１１に印加された制御電圧により、入射光１６は、ＫＴＮ結晶１１内において偏向される。その結果、出射光１７は、ｘ軸方向に進行方向を変え、ＫＴＮ結晶１１より出射される。詳細は後述するが、出射光の偏向角θは、制御電圧の電圧値に依存する。

従来のＫＴＮ光偏向器の偏向動作について、詳述する。ＫＴＮ結晶には、不純物や格子欠陥などが作るエネルギー準位である「トラップ準位」が存在する。オーミック接触となる材料からなる電極を用いてＫＴＮ結晶に電圧を印加すると、ＫＴＮ結晶のトラップ準位に電子をトラップ（捕捉）させることができる。その結果、ＫＴＮ結晶内に空間電荷が発生する。ここで、ＫＴＮ結晶のトラップ準位に捕捉された電子の電子密度を、Ｎ_ｔｒａｐとすると、このＫＴＮ結晶への入射光に与えられる偏向角θは、次式で表される（例えば、非特許文献１参照）。

ここで、ｎはＫＴＮの屈折率、ｇ_１１は電気光学定数、ｅは電気素量、εは誘電率、ＶはＫＴＮ結晶に印加された電圧値、ＬはＫＴＮ結晶の光が透過する方向の長さ（図１におけるｚ軸方向の長さ）、ｄはＫＴＮ結晶の電圧が印加される方向の長さ（図１におけるｘ軸方向の厚さ）である。式（１）から、偏向角θは、ＫＴＮ結晶へ印加される電圧値Ｖのみならず、トラップ準位に捕捉された電子の電子密度Ｎ_ｔｒａｐに比例することが分かる。

ＫＴＮ結晶に、伝導帯での電子の移動よりも速い高周波の制御電圧のみを印加した場合、電子が十分にトラップ準位に捕捉されないため、大きな電子密度Ｎ_ｔｒａｐが得られない。すなわち、大きな偏向角を得ることができない。そこで、ＫＴＮ光偏向器を「伝導帯での電子の移動よりも速い」程度の高速にスキャン動作させるために、従来、以下のような制御電圧を印加するようにしていた（例えば、非特許文献１参照）。

図２を参照して、ＫＴＮ結晶に印加する制御電圧について説明する。横軸に時間を示し、縦軸に電圧値を示している。制御電圧としては、トラップ準位に電子を充填させるための「トラップ充填電圧」と、それに引き続き、入射光の偏向動作ないしはスキャン動作を制御するための「駆動電圧」とが印加される。図２では、トラップ充填電圧として、正負の一定の直流電圧（ＤＣ電圧）を交互に印加している。図２における駆動電圧としては、正弦波の交流電圧（ＡＣ電圧）としているが、偏向動作ないしはスキャン動作に応じた種々の波形の交流電圧とされる場合もある。

ＫＴＮ光偏向器にて最大の偏向角を生じさせるために、駆動電圧の振幅は、一般的に、数百Ｖ程度に設定される。図２に示したように、偏向動作を行う駆動電圧を印加する前に、トラップ充填電圧を印加するようにしたことにより、駆動電圧印加時には、ＫＴＮ結晶のトラップ準位に十分に電子が捕捉され、理想的な空間電荷が生成されるようになるため、高速な駆動電圧を印加しても、高速で広角な偏向動作が可能なＫＴＮ光偏向器を実現することができる。

国際公開ＷＯ２００６／１３７４０８号 特開２０１２−０７４５９７号公報

J. Miyazu et al.: "New beam scanning model for high-speed operation using KTa1-xNbxO3 Crystals", APEX, Vol. 4, Issue 11, pp. 115101-1-111501-3, 2011

しかしながら、ＫＴＮ結晶に印加する制御電圧として、駆動電圧を印加する前にトラップ充填電圧を印加するようにしたとしても、長時間にわたり駆動電圧を印加していると、徐々に偏向角が減少するという問題があった。あるいは、駆動電圧を、その振幅を異ならせながら長時間にわたり印加し続けていると、駆動電圧の振幅値に対して一定の偏向角が得られない、すなわち、偏向角の再現性が悪いという問題があった。

図３は、図２に示す制御電圧が印加された際の、ＫＴＮ結晶内のトラップ準位に捕捉された電子の電子密度Ｎ_ｔｒａｐに関する経時変化を表す。横軸は時間であり、縦軸は電子密度である。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Ｎ_１まで増加する（時刻：〜Ｔ_ｔｒａｐ）。その後、正弦波状の駆動電圧を印加して偏向動作を継続すると、電子密度は次第に減少する。これは、トラップ準位に捕捉された電子が熱的に励起され、トラップ準位への束縛状態から解放されることにより、捕捉された電子が減少するためと考えられている。この結果、式（１）に従い、偏向角も減少する。

従来のＫＴＮ光偏向器は、たとえトラップ充填電圧を印加したとしても、長時間にわたり偏向動作させた場合、徐々に偏向角が減少するという課題があった。本発明の目的は、偏向角の時間的安定性に優れたＫＴＮ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ことにある。

本発明は、このような目的を達成するために、電気光学結晶と、前記電気光学結晶の対向する面に形成された少なくとも２つの電極と、前記電極を介して前記電気光学結晶内に電界を形成するための制御電圧を出力する制御電圧源とを備え、前記制御電圧により形成される電界の方向に垂直な光軸に沿って入射される入射光を、前記電界に平行な方向に偏向させる光偏向器において、前記制御電圧源は、前記制御電圧として、正極性または負極性の直流バイアス電圧が重畳された交流電圧からなる駆動電圧であって、伝導帯での電子の移動よりも速い高周波の駆動電圧を出力することを特徴とする。

前記電気光学結晶は、ＫＴＮ（ＫＴａ_１−ｘＮｂ_ｘＯ_３（０＜ｘ＜１）：タンタル酸ニオブ酸カリウム）結晶、またはＫＴＮ結晶にリチウムを添加したＫＬＴＮ（Ｋ_１−ｙＬｉ_ｙＴａ_１−ｘＮｂ_ｘＯ_３（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１））結晶である。

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、制御電圧として、伝導帯での電子の移動よりも速い高周波のＡＣ電圧を印加中に、ＤＣバイアスを印加することにより、常に電気光学結晶に電子を供給し、熱的に励起されてトラップからの束縛状態から解放される残留電子を極力無くすことを特徴とする。さらに伝導帯にも電子を供給することにより、ＡＣ電圧の振幅値が同じであっても、ＤＣバイアスを印加することにより偏向特性を改善することできる。

以上説明したように、本発明によれば、偏向動作を制御する制御電圧として、ＤＣバイアスを重畳したＡＣ電圧を印加することによって、長時間にわたり偏向動作を継続しても、偏向角の時間的変動が極めて少ない光偏向器を実現することができる。

従来のＫＴＮ光偏向器の構成を示す図である。 従来のＫＴＮ結晶に印加する制御電圧を説明するための図である。 従来のＫＴＮ光偏向器におけるＫＴＮ結晶内のトラップ準位に捕捉された電子の電荷密度の経時変化を示す模式図である。 本発明の実施例１に係る制御電圧の電圧波形を示す図である。 本発明の実施例１の作用効果を説明するための図である。

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。本実施形態のＫＴＮ光偏向器の構成は、図１に示した従来のＫＴＮ光偏向器の構成と同じである。すなわち、ＫＴＮ光偏向器は、直方体の電気光学結晶であるＫＴＮ結晶と、ＫＴＮ結晶の最も広い２つの対向する面上に形成された、ＫＴＮ結晶に制御電圧を印加するための少なくとも２つの電極とを備える。電極は、オーミック接触となる材料、例えば、Ｔｉ、Ｃｒなどで構成されることが望ましい。その場合、ＫＴＮ結晶のトラップ準位に電子を十分に捕捉させることができ、捕捉された電子による内部電界を利用して、高速・広角な光偏向器を実現することができる。

さらに、ＫＴＮ光偏向器は、２つの電極間に接続され、ＫＴＮ結晶に入射された光の偏向動作を制御するために、ＫＴＮ結晶内に電界を形成するための制御電圧を出力する制御電圧源を備える。制御電圧源は、後述する制御電圧を出力可能な構成であればよく、典型的には、中央演算装置（ＣＰＵ）、主記憶装置、補助記憶装置からなり、所定のプログラムを実行可能することにより、後述の制御電圧を出力可能とする構成であればよい。

ＫＴＮ結晶は、温度によってその物理的性質が変動することから、ＫＴＮ結晶を所望の温度になるように温度制御するための温調器を備えてもよい。その場合、ＫＴＮ結晶の温度を制御するための制御回路を備えてもよい。図１に示したように、温調器がＫＴＮ結晶を保持するような構成としてもよい。

具体的なＫＴＮ光偏向器の構成例を以下に示す。

ＫＴＮ結晶１１は、４．０ｘ３．２ｘ１．２ｍｍ^３となるように加工されている。ＫＴＮ結晶１１の４．０ｘ３．２ｍｍ^２の両面に、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕを蒸着した電極１２ａ，１２ｂを備える。ＫＴＮ結晶１１の誘電率は、立方晶領域で１７，５００となるように温調器により温度設定する。

ＫＴＮ偏向器１０への入射光は、図１に示したように、制御電圧により形成される電界の方向（ｘ軸方向）に垂直なｚ軸方向の光軸１５に沿って入射される。電極１２ａ，１２ｂを介してＫＴＮ結晶１１に印加された制御電圧により、入射光１６は、ＫＴＮ結晶１１内において偏向され、電界に平行なｘ軸方向に進行方向を変え、出射光１７としてＫＴＮ結晶１１より出射される。次に、本実施形態のＫＴＮ光偏向器における制御電圧について、詳細に説明する。

図４に、本発明の実施例１に係る制御電圧の電圧波形を示す。横軸は経過時間を示し、縦軸は電圧値を示している。偏向動作を制御する駆動電圧を印加する前に、トラップ準位に電子を充填させるための「トラップ充填電圧」を、時間Ｔ_ｔｒａｐだけ印加する。「トラップ充填電圧」は、例えば、Ｔ_ｔｒａｐ／２の時間だけ正極性の直流電圧（ＤＣ電圧）を印加し、引き続いてＴ_ｔｒａｐ／２の時間だけ負極性のＤＣ電圧を印加する。ここで、Ｔ_ｔｒａｐは、ＫＴＮ結晶のトラップ準位に電子が十分に捕捉されるだけの時間であればよい。なお、図４ではトラップ充填電圧として、正負交互に同じ絶対値のＤＣ電圧を同じ時間だけ印加したが、正負のＤＣ電圧の絶対値、印加時間が異なるようにしてもよい。さらには、正のＤＣ電圧のないし負のＤＣ電圧のみであってもよい。

続いて、偏向動作を制御するための「駆動電圧」を印加する。駆動電圧としては、直流電圧（ＤＣバイアス）が重畳された交流電圧（ＡＣ電圧）を用いる。典型的には、駆動電圧は、図４に示したように、正極性のＤＣバイアスが重畳された正弦波状の交流電圧である。しかし、正弦波状のものだけでなく、偏向動作ないしはスキャン動作に応じた種々の交流電圧に、ＤＣバイアスを重畳するようにしてもよい。駆動電圧は、負極性のＤＣバイアスが重畳された交流電圧であってもよい。本実施形態の特徴は、ＡＣ電圧に、正または負のＤＣバイアスが重畳されていることにある。

なお、駆動電圧に重畳するＤＣバイアスの電圧値は、好ましくは、ＫＴＮ結晶のトラップ準位に電子を捕捉しうる最低限の電圧値以上であることが望ましい。上述のとおり、トラップ準位とは「不純物や格子欠陥などが作るエネルギー準位」であり、この準位に電子を捕捉させるためには、結晶の組成や製造方法によって決まる一定の電圧値以上の電圧を印加する必要がある。このような電圧値以上のＤＣバイアスを、駆動電圧に重畳することにより、効果的にＫＴＮ結晶のトラップ準位に電子を捕捉させることができる。

本実施例の制御電圧を印加したＫＴＮ光偏向器の偏向動作を確認した。トラップ充填電圧としては、＋３００ＶのＤＣ電圧を３０秒印加し、引き続いて−３００ＶのＤＣ電圧を３０秒印加した。すなわち、Ｔ_ｔｒａｐ＝６０秒とした。駆動電圧としては、ＤＣバイアスとして＋３００Ｖを重畳した正弦波波形の交流電圧とし、その振幅を３００Ｖ、周波数を２００ｋＨｚとした。以上のような制御電圧をＫＴＮ光偏向器に印加して、偏向動作させたところ、５時間以上にわたってほぼ一定の偏向角が得られた。

従来技術と比較すると、図２に示したように、駆動電圧としてＤＣバイアスを重畳しない場合には、５時間の駆動電圧印加時において徐々に偏向角が減少した。具体的には、駆動電圧印加直後の偏向角は、波長１．３μｍにおいて１００ｍｒａｄであったが、５時間後の偏向角は７０ｍｒａｄに減少していた。

一方、本実施例の駆動電圧印加直後の偏向角も、波長１．３μｍにおいて１００ｍｒａｄであり、駆動電圧として、ＤＣバイアス＋３００Ｖを重畳した場合は、前述のとおり５時間以上にわたりほぼ一定の偏向角が得られた。さらに、５時間後の偏向角は１２０ｍｒａｄと、従来の駆動電圧を印加した場合に比べて増加していた。これは、伝導帯にも電子が注入され、これらの電子も偏向角に寄与していると考えられる。

図５を参照して、駆動電圧にＤＣバイアスを重畳することの意義を説明する。トラップ充填電圧により、負極側の電極よりＫＴＮ結晶に注入された電子は、ＫＴＮ結晶のある準位のトラップサイト（トラップ準位）に捕捉される。この状態でトラップ充填電圧をオフにすると、この捕捉された電子は、熱再放出によって束縛状態から解放されて、捕捉された電子は消失してしまう。しかし、駆動電圧にＤＣバイアスを重畳して印加し続けることにより、熱再放出される電子を補うように電子が負電極からＫＴＮ結晶に供給される。このため、長時間にわたり偏向動作を継続しても、十分な電子がＫＴＮ結晶内に残留することになる。このような理由により、長時間にわたり偏向動作を継続しても、偏向角の時間的変動が極めて少ないＫＴＮ光偏向器を実現することができる。

なお、駆動電圧に重畳するＤＣバイアスの電圧値は、トラップ充填電圧と同じ電圧値に設定したが、より低い電圧でもよい。その場合であっても、偏向角の時間的安定性は向上する。

実施例１では、制御電圧として、トラップ充填電圧を印加の後、ＤＣバイアスが重畳された交流電圧である駆動電圧を印加するようにした。本実施例では、制御電圧にトラップ充填電圧を用いず、ＤＣバイアスが重畳された交流電圧である駆動電圧のみを印加するものである。それ以外は、実施例１と同様の構成である。

本実施例の制御電圧を印加したＫＴＮ光偏向器の偏向動作を確認した。制御電圧である駆動電圧としては、ＤＣバイアスとして＋３００Ｖを重畳した正弦波波形の交流電圧とし、その振幅を３００Ｖ、周波数を２００ｋＨｚとした。このような制御電圧でＫＴＮ光偏向器を動作させたところ、制御電圧の印加直後から数分程度は、偏向角が徐々に増加する初期変動が確認されたが、その後は、実施例１の結果と同様、５時間以上にわたってほぼ一定の偏向角（１２０ｍｒａｄ）が得られた。

このように、本実施例に係る発明においても、長時間にわたり偏向動作を継続しても、偏向角の時間的変動が極めて少ないＫＴＮ光偏向器を実現することができる。

１０ ＫＴＮ偏向器
１１ ＫＴＮ結晶
１２ａ，１２ｂ 電極
１３ 温調器
１４ 制御電圧源
１５ 光軸
１６ 入射光
１７ 出射光

Claims (7)

1. 電気光学結晶と、前記電気光学結晶の対向する面に形成された少なくとも２つの電極と、前記電極を介して前記電気光学結晶内に電界を形成するための制御電圧を出力する制御電圧源とを備え、前記制御電圧により形成される電界の方向に垂直な光軸に沿って入射される入射光を、前記電界に平行な方向に偏向させる光偏向器において、
   前記制御電圧源は、前記制御電圧として、正極性または負極性の直流バイアス電圧が重畳された交流電圧からなる駆動電圧であって、伝導帯での電子の移動よりも速い高周波の駆動電圧を出力することを特徴とする光偏向器。
2. 前記制御電圧源は、前記制御電圧として、前記電気光学結晶のトラップ準位に電子を捕捉させるためのトラップ充填電圧として直流電圧を出力した後、前記直流バイアス電圧が重畳された交流電圧からなる前記駆動電圧を出力することを特徴とする請求項１に記載の光偏向器。
3. 前記直流バイアス電圧の電圧値は、前記トラップ充填電圧の電圧値以上であることを特徴とする請求項２に記載の光偏向器。
4. 前記電気光学結晶は、ＫＴＮ（ＫＴａ_1-xＮｂ_xＯ₃（０＜ｘ＜１）：タンタル酸ニオブ酸カリウム）結晶、またはＫＴＮ結晶にリチウムを添加したＫＬＴＮ（Ｋ_1-yＬｉ_yＴａ_1-xＮｂ_xＯ₃（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に記載の光偏向器。
5. 電気光学結晶と、前記電気光学結晶の対向する面に形成された少なくとも２つの電極と、前記電極を介して前記電気光学結晶内に電界を形成するための制御電圧を出力する制御電圧源とを備え、前記制御電圧により形成される電界の方向に垂直な光軸に沿って入射される入射光を、前記電界に平行な方向に偏向させる光偏向器の制御方法において、
   前記制御電圧として、正極性または負極性の直流バイアス電圧が重畳された交流電圧からなる駆動電圧であって、伝導帯での電子の移動よりも速い高周波の駆動電圧を、前記制御電圧源から出力させる駆動ステップを備えたことを特徴とする光偏向器の制御方法。
6. 前記駆動ステップの前に、前記制御電圧として、前記電気光学結晶のトラップ準位に電子を捕捉させるためのトラップ充填電圧として直流電圧を、前記制御電圧源から出力させるトラップ充填ステップをさらに備えたことを特徴とする請求項５に記載の光偏向器の制御方法。
7. 前記直流バイアス電圧の電圧値は、前記トラップ充填電圧の電圧値以上であることを特徴とする請求項６に記載の光偏向器の制御方法。

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