JP6322883B2 - Optical deflection element - Google Patents
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Description
本発明は電気光学効果を利用した光偏向素子に関する。 The present invention relates to an optical deflection element utilizing an electro-optic effect.
レーザビームを走査する光ビームスキャナは、レーザプリンタ、レーザ加工、ディスプレイ、計測、光通信等、様々な分野で用いられている。その光ビームスキャナは一般的に光源となるレーザ発振装置とレーザビームを走査する光偏向素子を備えている。さらに必要に応じて、レーザ光源から発生した光ビームを光偏向素子に適したビーム形状に成形する光結合光学系や、光偏向素子から出力された光ビームプロファイルを成形したり、光偏向素子で与えられた偏向角を拡大または縮小したりするような出力光学系を備えることもある。 A light beam scanner that scans a laser beam is used in various fields such as a laser printer, laser processing, display, measurement, and optical communication. The light beam scanner generally includes a laser oscillation device serving as a light source and a light deflection element that scans the laser beam. Furthermore, if necessary, an optical coupling optical system that shapes the light beam generated from the laser light source into a beam shape suitable for the optical deflection element, an optical beam profile output from the optical deflection element, or an optical deflection element An output optical system that enlarges or reduces a given deflection angle may be provided.
光偏向素子として従来から一般的に用いられているものとしては、回転ポリゴンミラーやガルバノミラー、MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)ミラーのような光ビームの反射角を制御して光走査を行うものの他、音響光学(Acousto-Optical:AO)効果や電気光学(Electro-Optical:EO)効果による材料の屈折率変化を利用したものが知られている。 Conventionally used as an optical deflection element are optical scanning by controlling the reflection angle of a light beam such as a rotating polygon mirror, a galvanometer mirror, and a MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) mirror. In addition to the above, there are known materials that use a change in the refractive index of a material due to an acousto-optic (AO) effect or an electro-optic (EO) effect.
特に電気光学効果は原理的に応答速度が極めて速く、これを利用した光偏向素子は高速なビーム走査に有効である。また電気光学材料に印加する電圧に応じて、走査角度を任意に制御できるため、光ビームに対して瞬時に所望の偏向角度を与えることができる。 In particular, the electro-optic effect has a very high response speed in principle, and an optical deflection element utilizing this is effective for high-speed beam scanning. In addition, since the scanning angle can be arbitrarily controlled according to the voltage applied to the electro-optic material, a desired deflection angle can be instantaneously given to the light beam.
光ビームスキャナの光源には用途に応じて様々な波長および光強度のものが用いられる。特にレーザ加工やレーザレーダによる距離計測用、またはレーザプロジェクション用の光源においては、数100mWから1W以上の高強度のレーザ光源が用いられることが知られている。 Light sources of light beam scanners having various wavelengths and light intensities are used depending on applications. In particular, it is known that a high-intensity laser light source of several hundred mW to 1 W or more is used for a light source for distance measurement by laser processing or laser radar, or for laser projection.
電気光学材料について一般的に知られている問題点としてフォトリフラクション(光損傷)がある。これは材料に高エネルギーの光ビームが照射されると、そのビーム形状が大きく乱される(ビーム歪み)現象である。フォトリフラクションの原因としては、光エネルギー励起によって材料内部に発生した自由電子がドリフトし、材料内にランダムな内部電界が形成されることと、この自由電子による内部電界が電気光学効果によって材料内部に不規則な屈折率変化を引き起こすことが考えられている。上述のレーザプロジェクション用の光源では、この問題点は顕著に現れてくる。 A commonly known problem with electro-optic materials is photorefraction. This is a phenomenon in which the beam shape is greatly disturbed (beam distortion) when a material is irradiated with a high energy light beam. Photo refraction is caused by the fact that free electrons generated inside the material due to light energy excitation drift and a random internal electric field is formed in the material. It is thought to cause irregular refractive index changes. In the above-described light source for laser projection, this problem appears remarkably.
上記のフォトリフラクションの問題を解決するために材料の組成を最適化することが試みられている。例えば一般的な電気光学材料及び非線形光学材料であるニオブ酸リチウム及びタンタル酸リチウムに対して、マグネシウムをドープして材料の光導電率を高めることで、光によって励起されたキャリアが形成する内部電界を下げることで、フォトリフラクションの耐性を高める手法が知られている(非特許文献1)。 Attempts have been made to optimize the composition of the material in order to solve the above photorefractive problem. For example, in contrast to common electro-optic materials and non-linear optical materials lithium niobate and lithium tantalate, magnesium is doped to increase the photoconductivity of the material, thereby generating an internal electric field formed by carriers excited by light. A technique is known in which the resistance of photorefractive is increased by lowering (Non-patent Document 1).
これにより、外部電圧を印加する必要がない波長変換素子や、必要な外部電圧が低い(動作に必要な外部電界値がおよそ0.1kV/mm)光変調素子に用いた場合はビーム歪みを抑制することは可能である。 This suppresses beam distortion when used for wavelength conversion elements that do not require the application of an external voltage or light modulation elements that require a low external voltage (the external electric field value required for operation is approximately 0.1 kV / mm). It is possible to do.
しかしながら、光偏向素子に用いる場合、動作に必要な外部電界値はおよそ1kV/mm〜10kV/mmと高いため、マグネシウムをドープしたニオブ酸リチウム及びタンタル酸リチウムであってもビームが歪む現象が生じる。これは、電圧印加に伴う外部電界によって、光励起キャリアのドリフトが大幅に促進され、キャリアによる空間電荷電場の形成を助長するからである。 However, when used for an optical deflecting element, the external electric field value required for operation is as high as about 1 kV / mm to 10 kV / mm, so that a phenomenon that the beam is distorted occurs even with magnesium-doped lithium niobate and lithium tantalate. . This is because the drift of photoexcited carriers is greatly promoted by the external electric field accompanying voltage application, and the formation of a space charge electric field by the carriers is promoted.
このビーム歪みは交流電圧よりも直流電圧動作の際に顕著に現れる。その理由は常に同じ極性で電圧印加が継続すると、外部電界によるキャリアのドリフトが進み、局所的な電界分布を形成するためである。このビーム歪みによって、光偏向素子における解像点数などの性能を著しく低下させるという問題が生じている。 This beam distortion is more noticeable when operating with a DC voltage than with an AC voltage. The reason is that when voltage application is always continued with the same polarity, carrier drift due to an external electric field advances and a local electric field distribution is formed. This beam distortion causes a problem that the performance such as the number of resolution points in the optical deflecting element is remarkably lowered.
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、その目的は、電気光学効果を利用した光偏向素子において、高い電圧を印加した際に発生するビーム歪みを抑制し、良好なプロファイルを有する出力ビームが得られるようにすることである。 The present invention has been made to solve such a problem, and the object of the present invention is to suppress beam distortion generated when a high voltage is applied in an optical deflection element utilizing the electro-optic effect, and to To obtain an output beam having a profile.
本発明に係る光偏向素子は、電気光学材料からなるコア層を備えた光導波路と、前記コア層を挟む前記光導波路の一対の表面に配置され、所定の電圧が印加される第1の電極対と、前記一対の表面に配置され、前記第1の電極対に印加される電圧と逆極性の電圧が印加される第2の電極対と、を有し、前記第1の電極対を構成する電極は、同一の前記表面における第2の電極対を構成する電極に向かって伸びる複数の突出部を有し、前記第2の電極対を構成する電極は、同一の前記表面における第1の電極対に向かって伸びる複数の突出部を有し、同一の前記表面においては、前記第1の電極対が有する前記複数の突出部の各々と、前記第2の電極対が有する前記複数の突出部の各々とが、光の入射方向に交互に並んでおり、前記複数の突出部の各々は、台形状であり、同一の前記表面における前記第1の電極対を構成する電極と前記第2の電極対を構成する電極との間隔が前記コア層の厚さより大きい、光偏向素子である。 An optical deflection element according to the present invention includes an optical waveguide having a core layer made of an electro-optic material, and a first electrode to which a predetermined voltage is applied, disposed on a pair of surfaces of the optical waveguide sandwiching the core layer A first electrode pair, and a second electrode pair disposed on the pair of surfaces and to which a voltage having a polarity opposite to a voltage applied to the first electrode pair is applied. The electrodes having a plurality of protrusions extending toward the electrodes constituting the second electrode pair on the same surface, and the electrodes constituting the second electrode pair are the first on the same surface. Each of the plurality of protrusions included in the first electrode pair and the plurality of protrusions included in the second electrode pair have a plurality of protrusions extending toward the electrode pair on the same surface. And the plurality of protrusions are alternately arranged in the light incident direction. Each trapezoidal der is, the same distance is greater than the thickness of the core layer of the electrode constituting the the electrodes constituting the first electrode to said second electrode pair in said surface, the light deflecting It is an element.
本発明によれば、電気光学効果を利用した光偏向素子において、高い電圧を印加した際に発生するビーム歪みを抑制し、良好なプロファイルを有する出力ビームが得られる。 According to the present invention, in an optical deflection element using the electro-optic effect, beam distortion generated when a high voltage is applied is suppressed, and an output beam having a good profile can be obtained.
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
〈光偏向素子の概略構成〉
図1は本発明の実施形態に係る光偏向素子の概略構成を示す斜視図であり、図2は図1における光導波路及び電極を示す斜視図である。ここで、図2Aは上面側の斜視図であり、図2Bは下面側の斜視図である。図2Aにおいて、図1における引き出し電極18は省略した。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
<Schematic configuration of light deflection element>
FIG. 1 is a perspective view showing a schematic configuration of an optical deflection element according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a perspective view showing an optical waveguide and electrodes in FIG. 2A is a perspective view of the upper surface side, and FIG. 2B is a perspective view of the lower surface side. In FIG. 2A, the
図1に示すように、この光偏向素子は、光導波路型の光偏向素子であり、光導波路10と、上部電極14と、下部電極15と、接着層16と、支持基板17と、引き出し電極18から構成されている。
As shown in FIG. 1, this optical deflecting element is an optical waveguide type optical deflecting element, and includes an
この光偏向素子は全体として直方体形状を呈している。また、図のXYZ直交座標系における+Y方向は光の伝播方向、+Z方向は支持基板17の下面から光導波路10の上面に垂直に向かう方向、+X方向はYZ平面に直交し、かつ紙面上方に向かう方向である。
This light deflection element has a rectangular parallelepiped shape as a whole. In the XYZ orthogonal coordinate system in the figure, the + Y direction is the light propagation direction, the + Z direction is a direction perpendicular to the upper surface of the
光導波路10は、コア層11と、コア層11を挟む一対のクラッド層、即ちコア層11の上面に形成された上部クラッド層12と、コア層11の下面に形成された下部クラッド層13からなる。
The
コア層11を挟む光導波路10の一対の表面の一方である上部クラッド層12の上面には、上部電極14及び引き出し電極18が配置されており、コア層11を挟む光導波路10の一対の表面の他方である下部クラッド層13の下面には、下部電極15が配置されている。
An
コア層11は電圧を印加することによって屈折率が変化する電気光学材料であり、上部電極14と下部電極15の間に電圧を印加することで屈折率を変化させることができる。本実施形態に係る光偏向素子は導波路構造をとるため、コア層11の屈折率は上部クラッド層12及び下部クラッド層13の屈折率よりも高くなるように選択する。
The
コア層11に用いる材料として、ニオブ酸リチウム(LiNbO3)、タンタル酸リチウム(LiTaO3)、KTP(KTiOPO4)、SBN、KTNなどの電気光学材料がある。LN及びLTを用いるのがビーム歪み抑制の観点から好ましい。本実施形態ではLN(山寿セラミクス optグレード Z−cut 厚さ0.3mm)を用いている。このLNには+Z方向に自発分極が形成されている。
Examples of the material used for the
上部クラッド層12、下部クラッド層13の材料としてはSiO2、Ta2O5、TIO2、Si3N4、Al2O3、HfO2等の誘電体などが挙げられる。本実施形態ではTa2O5 (厚さ1.5μm)を用いている。
Examples of the material of the
上部電極14、下部電極15の材料としてAu、Pt、Ti、Al、Ni、Crなどが挙げられる。本実施形態ではTi(厚さ200nm)をスパッタで形成した。
Examples of the material of the
支持基板17の材料にはコア層11に用いる材料と熱膨張係数が等しい材料が好ましい。その理由は、支持基板17の材料とコア層11の材料の熱膨張係数が異なると、接着後の温度変化による熱膨張の際、コア層11に内部応力による歪みが生じて、コア層11にクラックが発生する原因となるからである。本実施形態ではニオブ酸リチウム基板を用いた。
The material of the
この光偏向素子は以下のプロセスで製造される。コア層11を研磨によって薄膜化するため、コア層11に下部電極15及び下部クラッド層13を成膜した後、支持基板17を接着層16によりコア層11に接着する。その後、コア層11を研磨により薄膜化し、上部電極14と上部クラッド層12を成膜する。下部電極15を取り出すため、下部クラッド層13から上部クラッド層12まで貫通するホールを形成し、引き出し電極18まで導体で接続する。コア層11を薄膜化して光導波路型にすることで、駆動電圧を低減した光偏向素子を提供することができる。
This optical deflection element is manufactured by the following process. In order to reduce the thickness of the
光導波路10の上、下に形成されている上部電極14、下部電極15は、光導波路10に光偏向機能を付加するため、三角形の形状を有するものとした。上部電極14と下部電極15の間に電圧を印加すると、電気光学効果によって電気光学材料の屈折率が変化し、その結果、コア層11内にプリズム構造を作ることができる。コア層11内を伝播する光はプリズムの境界で屈折し、入射光の進行方向が異なって出射される結果、光が偏向される。
The
上部電極14は第1の上部電極14−1及び第2の上部電極14−2からなり、下部電極15は第1の下部電極15−1及び第2の下部電極15−2からなる。上部電極14を構成する第1の上部電極14−1、第2の上部電極14−2は、それぞれが複数(ここでは5個)の三角形をY軸方向(光の伝播方向)に連ねた形状の部分を有している。さらに詳しくは、隣り合う三角形の底辺の端点同士を接続し、底辺の外側に矩形の引き出し部を付加した形状を有している。また、第1の上部電極14−1の三角形の部分と、第2の上部電極14−2の三角形の部分とが互い違いに配列されている。下部電極15を構成する第1の下部電極15−1と、第2の下部電極15−2についても同様である。
The
この三角形としては、素子サイズを小さくして偏向角度を最大にするためには二等辺三角形が好ましいが、三辺の長さが異なる三角形でもよい。また、光の入射方向(図3Bにおいて一点鎖線が延びる方向)に対して電極の輪郭(外周線)が垂直でなければよいので、三角形以外の形状、例えば図8に示すような台形でもよい。要は、上部電極同士、下部電極同士が、相手に向かって伸びる複数の突出部を有するとともに、互いの複数の突出部の各々が光の入射方向に交互に配列されていればよいのである。 This triangle is preferably an isosceles triangle in order to reduce the element size and maximize the deflection angle, but it may be a triangle having three different sides. In addition, since the electrode outline (peripheral line) need not be perpendicular to the light incident direction (the direction in which the alternate long and short dash line extends in FIG. 3B), it may have a shape other than a triangle, for example, a trapezoid as shown in FIG. In short, it is only necessary that the upper electrodes and the lower electrodes have a plurality of protrusions extending toward each other, and each of the plurality of protrusions is alternately arranged in the light incident direction.
また、第1の上部電極14−1と、第1の下部電極15−1は同形状、同サイズであり、同じ二次元位置(図2ではXYZ直交座標系における同じX座標及びY座標の位置)に形成されている。同様に、第2の上部電極14−2と、第2の下部電極15−2も同形状、同サイズであり、同じ二次元位置に形成されている。このように構成した理由は、電圧印加時にコア層11内に垂直(Z軸方向)な電界を形成するためである。この位置精度が悪いと、形成される電界がZ軸方向に垂直ではなくなるため、電圧印加時に発生する1次のポッケルス効果によって生成される屈折率が低下し、その結果、光偏向性能の劣化につながることになる。
Further, the first upper electrode 14-1 and the first lower electrode 15-1 have the same shape and the same size, and have the same two-dimensional position (the positions of the same X coordinate and Y coordinate in the XYZ orthogonal coordinate system in FIG. 2). ). Similarly, the second upper electrode 14-2 and the second lower electrode 15-2 have the same shape and the same size, and are formed at the same two-dimensional position. The reason for this configuration is to form a vertical (Z-axis direction) electric field in the
電極間のショートの発生確率を低減するため、第1の上部電極14−1と第2の上部電極14−2との間隔、及び第1の下部電極15−1と第2の下部電極15−2との間隔はコア層11の厚さより大きいことが好ましい。
In order to reduce the probability of occurrence of a short circuit between the electrodes, the distance between the first upper electrode 14-1 and the second upper electrode 14-2, and the first lower electrode 15-1 and the second lower electrode 15- 2 is preferably larger than the thickness of the
引き出し電極18は第1の引き出し電極18−1及び第2の引き出し電極18−2からなり、それぞれ第1の下部電極15−1及び第2の下部電極15−2と光導波路10を上下に貫通するホールを通して接続されている。
The
〈光偏向の原理〉
図3は本発明の実施形態に係る光偏向素子における光偏向の原理を説明するための図である。ここで、図3Aは、上部電極14と下部電極15との間に交流電源21から電圧を印加し(ここでは第1の上部電極14−1にのみ印加した場合を図示)、入射光が偏向されて出射する様子を示す図である、図3Bは第1の上部電極14−1及び第2の上部電極14−2の平面図である。
<Principle of light deflection>
FIG. 3 is a view for explaining the principle of light deflection in the light deflection element according to the embodiment of the present invention. Here, in FIG. 3A, a voltage is applied from the
図3Aに示すように、外部の交流電源21から、光偏向素子に電圧信号を印加すると、電気光学材料の分極軸に平行な電界(Z軸方向の電界)が形成され、電気光学効果によりその屈折率が変化する。ポッケルス効果による屈折率変化を利用する場合、電気光学材料の屈折率変化量Δnは下記の式〔1〕で与えられる。
As shown in FIG. 3A, when a voltage signal is applied from the external
Δn=−(1/2)n3rij(V/d) …式〔1〕 Δn = − (1/2) n 3 r ij (V / d) Formula [1]
式〔1〕において、nは電気光学材料の屈折率、rijは電気光学定数、Vは印加電圧、dは電気光学材料の厚さである。この式は分極Pと外部電界Eが同方向、即ち、Eが+Z方向のときに形成される。一方、外部電界Eが−Z方向の場合は式〔1〕の符号が反転する。 In equation [1], n is the refractive index of the electro-optic material, r ij is the electro-optic constant, V is the applied voltage, and d is the thickness of the electro-optic material. This equation is formed when the polarization P and the external electric field E are in the same direction, that is, when E is in the + Z direction. On the other hand, when the external electric field E is in the −Z direction, the sign of the formula [1] is inverted.
前述したように、第1の上部電極14−1、第2の上部電極14−2、第1の下部電極15−1、及び第2の下部電極15−2は、複数の三角形の部分(以下、三角電極)を備えている。上下の電極間に電圧を印加すると、屈折率変化領域も三角形状となり、それぞれが伝播する光ビームに対してプリズムとして機能する。このため、屈折率変化領域を伝播するにしたがって、伝播光ビームはX軸方向に偏向角を与えられる。出射光の偏向角は各三角電極での屈折角の足し合わせとなるため、出射光の偏向角を増加させることができる。 As described above, the first upper electrode 14-1, the second upper electrode 14-2, the first lower electrode 15-1, and the second lower electrode 15-2 are formed of a plurality of triangular portions (hereinafter referred to as “parts”). , A triangular electrode). When a voltage is applied between the upper and lower electrodes, the refractive index change region also has a triangular shape, and functions as a prism for the light beams that propagate through each region. For this reason, the propagating light beam is given a deflection angle in the X-axis direction as it propagates through the refractive index changing region. Since the deflection angle of the emitted light is the sum of the refraction angles at the respective triangular electrodes, the deflection angle of the emitted light can be increased.
後述するように、第1の上部電極14−1と第1の下部電極15−1との間に印加する電圧と、第2の上部電極14−2と第2の下部電極15−2との間に印加する電圧とは逆極性であるため、コア層11に分極反転領域を形成しなくても、分極の方向を光路に沿って交互に反転させた構造と同等の偏向角を得ることができる。
As will be described later, the voltage applied between the first upper electrode 14-1 and the first lower electrode 15-1, the second upper electrode 14-2 and the second lower electrode 15-2 Since the polarity is opposite to the voltage applied between them, the polarization angle equivalent to the structure in which the polarization direction is alternately reversed along the optical path can be obtained without forming the domain-inverted region in the
出射光に与えられる偏向角θは電気光学材料の屈折率変化量に比例し、以下の式〔2〕で表される。 The deflection angle θ given to the emitted light is proportional to the amount of change in the refractive index of the electro-optic material, and is expressed by the following equation [2].
θ=Δn(L/D) …式〔2〕 θ = Δn (L / D) (2)
式〔2〕において、Lは複数のプリズム部全体の長さ、Dはプリズム幅(X軸方向の長さ)である。本実施形態の場合、Lは図3Bにおいて三角電極と一点鎖線が重なる部分の長さであり、Dは三角電極における三角形の高さである。 In Expression [2], L is the length of the entire plurality of prism portions, and D is the prism width (length in the X-axis direction). In this embodiment, L is the length of the portion where the triangular electrode and the one-dot chain line overlap in FIG. 3B, and D is the height of the triangle in the triangular electrode.
式〔1〕及び〔2〕より、光偏向素子から出射される偏向角は印加電圧に比例することが判る。従って、光偏向素子への印加電圧を制御することにより、任意の偏向角で光ビームを出射させることができる。 From equations [1] and [2], it can be seen that the deflection angle emitted from the optical deflection element is proportional to the applied voltage. Therefore, by controlling the voltage applied to the light deflection element, the light beam can be emitted at an arbitrary deflection angle.
本実施形態では、光偏向素子はX:10mm、Y:24mm、Z:0.3mmのサイズで作製されており、図3Bに一点鎖線で示すように、光ビーム(He−Ne 633nm)をX軸方向の中心位置に入射させる。この光偏向素子は、X軸方向の中心位置における三角電極の透過部分(図3Bにおいて一点鎖線と三角形が重なる部分)が等間隔になるように構成されている。 In the present embodiment, the light deflection element is manufactured in a size of X: 10 mm, Y: 24 mm, and Z: 0.3 mm, and a light beam (He—Ne 633 nm) is emitted from the X as shown by a one-dot chain line in FIG. Incident at the center position in the axial direction. This light deflection element is configured such that the transmission part of the triangular electrode at the center position in the X-axis direction (the part where the alternate long and short dash line and the triangle overlap in FIG. 3B) is equally spaced.
〈ビーム歪みが発生するメカニズム〉
図4は電気光学素子においてビーム歪みが発生する物理的メカニズムを説明するための模式図であり、図5は電気光学素子においてビーム歪みが発生する物理的メカニズムをエネルギーバンドにより説明するための図である。
<Mechanism of beam distortion>
FIG. 4 is a schematic diagram for explaining a physical mechanism in which beam distortion occurs in the electro-optic element, and FIG. 5 is a diagram for explaining a physical mechanism in which beam distortion occurs in the electro-optic element by an energy band. is there.
図4及び図5に示すように、ニオブ酸リチウムに代表される電気光学結晶100に可視光のレーザビーム101が入射すると、結晶内の光照射部に光励起キャリアが発生する(図5の(i))。この理由は、結晶中には格子欠陥、及びFeやCrなどの不純物によってエネルギーバンドにおける伝導帯31と価電子帯32との間に不純物準位34が形成されており、光励起によってキャリアが不純物準位34から伝導帯31に遷移するためである。
As shown in FIGS. 4 and 5, when a
さらに、電気光学結晶100の上下の電極102、103に外部の直流電源104の電圧を印加すると、この電圧により形成された外部電界によって光励起キャリアが電気光学結晶100の内部をドリフトする(図5の(ii))。ドリフトしたキャリアは、結晶内に形成されているトラップ準位33によって捕獲される(図5の(iii))。その結果、光励起に寄与した不純物準位34はイオン化ドナーとして働き、キャリアであった電子と局所的な空間電荷電場Eiを形成する(図5の(iv))。
Further, when a voltage of an external
この局所的な空間電荷電場Eiから生じる電気光学効果によって、電圧を印加した屈折率変調領域内の屈折率に不均一な分布を与えていると考えられる。そして、この不均一な屈折率分布がビーム歪みを発生させる原因となっている。 The electro-optic effect generated from the local space charge electric field Ei is considered to give an uneven distribution to the refractive index in the refractive index modulation region to which a voltage is applied. This non-uniform refractive index distribution causes beam distortion.
〈ビーム歪みの抑制〉
次に、本発明の実施形態に係る光偏向素子において、ビーム歪みを抑制するための手段について説明する。
<Suppression of beam distortion>
Next, means for suppressing beam distortion in the optical deflection element according to the embodiment of the present invention will be described.
図6は本発明の実施形態に係る光偏向素子に印加される電圧の波形を示す図である。ここで、図6Aは交流電圧の波形を示しており、波形41は第1の上部電極14−1と第1の下部電極15−1との間に印加する電圧であり、波形42は第2の上部電極14−2と第2の下部電極15−2との間に印加する電圧である。また、図6Bは直流電圧の波形を示しており、波形43は第1の上部電極14−1と第1の下部電極15−1との間に印加する電圧であり、波形44は第2の上部電極14−2と第2の下部電極15−2との間に印加する電圧である。
FIG. 6 is a diagram showing a waveform of a voltage applied to the optical deflection element according to the embodiment of the present invention. Here, FIG. 6A shows a waveform of an alternating voltage, a
つまり、交流電圧印加時、直流電圧印加時ともに、第1の上部電極14−1と第1の下部電極15−1との間に印加する電圧と、第2の上部電極14−2と第2の下部電極15−2との間に印加する電圧とは、振幅が同一であり、極性が反対である。 That is, the voltage applied between the first upper electrode 14-1 and the first lower electrode 15-1, the second upper electrode 14-2, and the second voltage both when applying the AC voltage and when applying the DC voltage. The voltage applied between the lower electrode 15-2 and the lower electrode 15-2 has the same amplitude and the opposite polarity.
このように逆極性の電圧を印加することでビーム歪みが抑制される原理について図7を用いて説明する。ここで、図7Aは、第1の上部電極14−1と第1の下部電極15−1との間に印加されている電圧のレベルが−Va(Va≠0)であり、第2の上部電極14−2と第2の下部電極15−2との間に印加されている電圧のレベルがVaであることを示す図であり、図7Bは、図7AにおけるF−F’断面図、即ちX軸方向の中心位置でXY平面に垂直に切断した断面図である。 The principle of suppressing the beam distortion by applying the reverse polarity voltage will be described with reference to FIG. Here, FIG. 7A shows that the voltage level applied between the first upper electrode 14-1 and the first lower electrode 15-1 is −Va (Va ≠ 0), and the second upper electrode FIG. 7B is a diagram showing that the level of the voltage applied between the electrode 14-2 and the second lower electrode 15-2 is Va, and FIG. 7B is a cross-sectional view taken along the line FF ′ in FIG. It is sectional drawing cut | disconnected perpendicularly to XY plane in the center position of a X-axis direction.
図7Aに示す極性の電圧が印加されると、図7Bに示すように、第1の上部電極14−1と第1の下部電極15−1との間では、第1の下部電極15−1から第1の上部電極14−1へ向かう電界(+Z方向の電界)E1が形成され、第2の上部電極14−2と第2の下部電極15−2との間では、第2の上部電極14−2から第2の下部電極15−2へ向かう電界(−Z方向の電界)E2が形成される。 When the voltage having the polarity shown in FIG. 7A is applied, as shown in FIG. 7B, the first lower electrode 15-1 is interposed between the first upper electrode 14-1 and the first lower electrode 15-1. An electric field (electric field in the + Z direction) E1 from the first upper electrode 14-1 to the second upper electrode 14-2 is formed between the second upper electrode 14-2 and the second lower electrode 15-2. An electric field (an electric field in the −Z direction) E <b> 2 from 14-2 toward the second lower electrode 15-2 is formed.
電界E1と電界E2は、Y軸方向に交互に形成されるので、ドリフトする光励起キャリアが電気的に中和されて空間電荷電場Ei(図5)の形成を抑制することができ、その結果、ビーム歪みを抑制した光偏向機能を有する光偏向素子として動作可能となる。 Since the electric field E1 and the electric field E2 are alternately formed in the Y-axis direction, the drifting photoexcited carriers can be electrically neutralized to suppress the formation of the space charge electric field Ei (FIG. 5). It becomes possible to operate as an optical deflection element having an optical deflection function with suppressed beam distortion.
10…光導波路、14…上部電極、14−1…第1の上部電極、14−2…第2の上部電極、15…下部電極、15−1…第1の下部電極、15−2…第2の下部電極。
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記コア層を挟む前記光導波路の一対の表面に配置され、所定の電圧が印加される第1の電極対と、
前記一対の表面に配置され、前記第1の電極対に印加される電圧と逆極性の電圧が印加される第2の電極対と、を有し、
前記第1の電極対を構成する電極は、同一の前記表面における第2の電極対を構成する電極に向かって伸びる複数の突出部を有し、
前記第2の電極対を構成する電極は、同一の前記表面における第1の電極対に向かって伸びる複数の突出部を有し、
同一の前記表面においては、前記第1の電極対が有する前記複数の突出部の各々と、前記第2の電極対が有する前記複数の突出部の各々とが、光の入射方向に交互に並んでおり、
前記複数の突出部の各々は、台形状であり、
同一の前記表面における前記第1の電極対を構成する電極と前記第2の電極対を構成する電極との間隔が前記コア層の厚さより大きい、
光偏向素子。 An optical waveguide having a core layer made of an electro-optic material;
A first electrode pair disposed on a pair of surfaces of the optical waveguide sandwiching the core layer, to which a predetermined voltage is applied;
A second electrode pair disposed on the pair of surfaces, to which a voltage having a polarity opposite to a voltage applied to the first electrode pair is applied;
The electrodes constituting the first electrode pair have a plurality of protrusions extending toward the electrodes constituting the second electrode pair on the same surface,
The electrodes constituting the second electrode pair have a plurality of protrusions extending toward the first electrode pair on the same surface,
On the same surface, each of the plurality of protrusions included in the first electrode pair and each of the plurality of protrusions included in the second electrode pair are alternately arranged in the light incident direction. And
Each of said plurality of projections, Ri trapezoidal der,
The distance between the electrode constituting the first electrode pair and the electrode constituting the second electrode pair on the same surface is larger than the thickness of the core layer;
Optical deflection element.
前記第1の電極対を構成する電極同士、及び前記第2の電極対を構成する電極同士は同じ形状であり、かつ同じ二次元位置に配置されている光偏向素子。 The light deflection element according to claim 1,
The optical deflection elements in which the electrodes constituting the first electrode pair and the electrodes constituting the second electrode pair have the same shape and are arranged at the same two-dimensional position.
前記第1の電極対を構成する電極と前記第2の電極対を構成する電極の前記一対の表面上の間隔は、前記コア層の厚さより大きい光偏向素子。 In the light deflection element according to claim 1 or 2,
An optical deflection element in which an interval between the pair of surfaces of the electrode constituting the first electrode pair and the electrode constituting the second electrode pair is larger than the thickness of the core layer.
前記電気光学材料は、ニオブ酸リチウム、酸化マグネシウム添加ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウムからなる群より選択される一のリチウム化合物である光偏向素子。 In the optical deflection element given in any 1 paragraph of Claims 1 thru / or 3,
The electro-optic material is an optical deflection element that is one lithium compound selected from the group consisting of lithium niobate, magnesium oxide-added lithium niobate, and lithium tantalate.
前記一対の表面の他方を支持する支持基板を有し、
前記支持基板の熱膨張係数と前記コア層の熱膨張係数とが等しい光偏光素子。 In the light polarizing element according to any one of claims 1 to 4,
A support substrate that supports the other of the pair of surfaces;
A light polarizing element in which a thermal expansion coefficient of the support substrate is equal to a thermal expansion coefficient of the core layer.
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