JP6335113B2

JP6335113B2 - 偏向器

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Publication number: JP6335113B2
Application number: JP2014253200A
Authority: JP
Inventors: 詔子辰己; 雄三佐々木
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2014-12-15
Filing date: 2014-12-15
Publication date: 2018-05-30
Anticipated expiration: 2034-12-15
Also published as: JP2016114774A

Description

本発明は、電気光学結晶に駆動電圧を印加することにより光の進行方向を変化させる光偏向器に関する。

光偏向器は、プリンタ、ディスプレイ、医療機器、顕微鏡など様々な分野で用いられている。このうち光偏向器を用いる医療機器については、近年光干渉断層計（Optical coherence tomography : OCT）が広く診断で使用されている。OCTの干渉による画像取得にはいくつかの手法がある。このうち、入射する波長を連続的に変化させるSwept-source(SS)-OCTについてはその動作原理から高速なデータ取得が可能であると期待されている。SS-OCTによる検査時間は入射する波長の変化の速さ（波長掃引速度）が現在律速となっており、掃引速度の高速化により検査時間を短縮することができ患者負担の軽減につながると期待されている。

また、光偏向器を用いる顕微鏡については、レーザを用いる蛍光顕微鏡が生化学の分野で研究に広く用いられている。レーザを用いる蛍光顕微鏡は光偏向器により２次元に励起光となるレーザを掃引することで試料中の蛍光物質を励起し、試料からの蛍光を得ることで画像を取得する。画像の取得時間は、レーザの掃引速度が律速の一つとなっており、掃引速度の高速化に伴う画像取得時間の短縮により、より高速な生体現象の観察が可能になると期待されている。

電気光学効果により屈折率を変化させることで光の偏向が可能な電気光学結晶タンタル酸ニオブ酸カリウム（KTa_1-xNb_xO₃：KTN）を用いた光偏向器は、光の方向を機械的に変えるガルバノミラーやMEMSミラーと比較すると高速に動作すると期待されている。KTNは電気光学効果が大きい物質として知られている。特許文献１には、KTNの電気光学効果を用いた光強度変調器等が開示されている。KTNは電圧印加により内部に屈折率分布が生じ、KTNに入射した光は屈折率分布により結晶内部を透過すに伴い連続的に偏向する。すなわち偏向角はKTNを透過するにつれ蓄積されるため、KTNは原理上結晶内部に光が曲がるための空間を必要とする。

ＫＴＮを偏向動作させるためには、ＫＴＮ結晶に制御電圧を加える必要がある。例えば、一定の期間内で光をスキャンするような応用の場合には、交流信号が印加される。さらに、ＫＴＮ結晶において高速に偏向動作を行うためには、駆動電圧を印加する前に、バースト電圧を印加して、ＫＴＮ結晶中への電子の注入、およびトラップへの電子の捕獲を行うことが好ましい。

図１は、一般的なＫＴＮ結晶２００の駆動方法の一例を説明するための図である。

図１において、バースト電圧は正の定電圧と負の定電圧とを一定時間ずつ印加し、その電圧の振幅２０１は、正負ともに同じＶ´＝４００Ｖとし、正と負の電圧印加時間２０２の合計ｔ´は例えば５ｍｓｅｃとした。駆動電圧の振幅２０３は、Ｖ＝４００Ｖのサイン波で継続時間を３０ｍｓｅｃとした場合、バースト電圧と駆動電圧を繰り返し印加することで、十分な偏向角の振れ幅を維持できる。

図１に示したように、駆動電圧の前にバースト電圧を印加することによって、バースト電圧を印加中に結晶中への電子の注入、及びトラップへの電子の捕獲が行われる。駆動電圧印加期間２０４中には電子の注入をしなくても、トラップに捕獲された電子により電界の傾斜が発生し、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、駆動電圧を高速化しても広角な光偏向を実現することが可能となる。

ここで、電気光学結晶を用いた偏向器において、光が曲がるための空間を確保するため、図２に示すように、大きな電気光学結晶が用いられる。図２の偏向器１０００は、電極１０１，１０２と、ＫＴＮ１１２とを備える。ＫＴＮ１１２のＹＺ面には、対向する２つの電極１００１，１００２が配置される。電極１００２は接地され、電極間には電圧ｖが印加される。

また、特許文献２に開示の電気光学素子１０００は、図３に示すように、偏向角が大きくなるに従い電極間距離が大きくなるように電極が設けられた構造となっている。電気光学素子１０００は、内部に生じる電界の大きさに応じて屈折率分布が変化することによって入射されたレーザ光を走査する光学素子１３，２３と、該光学素子１３，２３の対向する２つの面にそれぞれ配置された第１電極１１，２１及び第２電極１２，２２とを備え、光学素子１３，２３が射出端面２０ｂから入射端面１０ａに向かって第１電極１１，２１と前記第２電極１２，２２との間の電極間距離Ｑ，Ｐが連続的または段階的に小さくなるようになっている。なお、図３は特許文献２の図１と同一である。

国際特許公開２００６-１３７４０８特開２００８-１２２５７２

図２および図３に示した従来の偏向器は、ｙｚ座標系に電極が設けられた電気光学結晶が用いられている。この偏向器では、電気光学結晶への印加する電界が大きくなるに従い偏向角が大きくなっている。しかし、偏向角が大きくなると、電圧も大きくなり、結果として消費電力が増大し得るという問題があった。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、電圧を印加する電極間の距離を出射側で大きくすることなく光を偏向することができる偏向器を提供することにある。

上記の課題を解決するための本発明は、入射光を所定の角度に偏向する出射光として出射する電気光学結晶と、前記電気光学結晶表面において前記入射光と出射光とのなす面に平行な前記電気光学結晶表面の少なくとも一面に配置され、前記電気光学結晶に電圧を印加する複数の印加用電極とを備え、前記電気光学結晶表面において、入射方向および前記入射方向に垂直な方向の各々に沿ってマトリクス状に設けられた電極群からなる電極アレイをさらに備え、前記複数の印加用電極は、前記電極アレイの前記電極群のうち、前記偏向される光線の経路に沿って、電圧の印加されない電極を挟むように設けられた複数の一対電極からなる、偏向器である。

本発明は、電子注入用のバースト電圧を印加する電子注入用電極をさらに備えるようにしてもよい。

本発明は、前記電気光学結晶の少なくとも一方の面に、当該電気光学結晶よりも屈折率の低い材料を有するクラッド層をさらに備えるようにしてもよい。

前記電極アレイ中の前記電極は、入射光の波長に対して透明であるようにしてもよい。

前記電気光学結晶の厚さは、前記複数の印加用電極間の間隔の１／１０以下となるように設定してもよい。

本発明によれば、電圧を印加する電極間の距離を出射側で大きくことなく光を偏向することができる。

一般的なＫＴＮ結晶の駆動方法の一例を説明するための図である。従来の電気光学結晶を用いた偏向器を説明するための図である。偏向角が大きくなるに従い電極間距離が大きくなるようにした従来の偏向器を説明するための図である。第１実施形態の偏向器の構成例を示す図である。第１実施形態の偏向器内のビームの大きさを従来のものと関連付けて説明するための図である。第１実施形態の偏向器において、ＫＴＮの厚みと電界強度との関係の一例を示す図である。第２実施形態の偏向器の構成例を示す図である。第２実施形態の変形例に係る偏向器の構成例を示す図である。第３実施形態の偏向器の構成例を示す図である。第４実施形態の偏向器の構成例を示す図である。第５実施形態の偏向器の構成例を示す図である。

＜第１実施形態＞
以下、本発明の一実施形態における偏向器１００について図面を参照して説明する。

図４は、第１実施形態の偏向器１００の構成例を示す図であって、（ａ）は偏向方向と垂直となる方向から見た図、（ｂ）は光の入射方向から見た図、を示す。なお、以下の説明において、偏向方向はＸ方向に相当し、光の入射方向（光線方向）はＹ方向に相当する。

図４（ａ）および（ｂ）に示すように、偏向器１００は、電極１０１，１０２と、ＫＴＮ１１２とを備える。ＫＴＮ１１２の上面には、対向する２つの電極１０１，１０２が所定の距離（図４（ｂ）の例では、ｈ）離れて配置される。電極１０２は接地され、電極１０１，１０２間には電圧ｖが印加されるように構成される。

この偏向器１００では、ＫＴＮ１１２によって、入射光ｄ１は所定の角度に偏向する出射光ｄ２として出射される。つまり、入射光ｄ１は、Ｙ方向に伝搬したのち、印加電圧ｖに応じて偏向し、出射光ｄ２として出射される。例えば、印加電圧ｖが正の場合、光は、図４（ａ）に示すように、ＧＮＤ方向に偏向される。

この偏向器１００内の光は、図５（ａ）に示すように、例えば０．８（Ｘ方向）×０．０８（Ｚ方向）ｍｍφからなるビーム（光線）ｂとして与えられる。

一方、従来のこの偏向器１０００内の光は、図５（ｂ）に示すように、０．８ｍｍφからなるビームｂ１００として与えられる。

すなわち、本実施形態の偏向器１００において、ビームｂは、従来のものよりもＺ方向の径が小さくなる。

ここで、２つの電極１０１，１０２の間の電界強度Ｅは、後述する電子注入を考慮しない場合、Ｅ＝Ｖ／ｄで表される（式（１））。なお、ｄは電極間の距離を表すので、図４の例では、ｄ＝ｈとなる。

ＫＴＮ１１２は、２次の電気光学効果であるKerr効果により内部に屈折率変化が生じる。この屈折率変化は、下記式（２）で表される。

上記式（２）において、ｎは結晶の屈折率、ｇは電気光学定数、ε_０は真空の誘電率、ε_ｒは結晶の比誘電率、Ｅは電界強度、を示す。

ＫＴＮ１１２は、電極１０１，１０２との接触をオーミック接触にすることで内部へ電子注入ができる。オーミック接触とさせるための電極材料として、ＫＴＮ１１２側から順に、Ti/Pt/Auが用いられる。結晶内部に注入された電荷と外部から印加される電界とにより、電界分布が形成されることで、結晶中に屈折率分布を生ずる。

陰極をx = 0とする位置xでの電界をE(x)、電子密度分布をN(x)、誘電率をε、電気素量をeとすると、ガウスの法則は、ｘ＞０において、下記式（３）で表される。

ＫＴＮ１１２中に電子が密度Nで一様に分布していると仮定し、結晶厚（ｚ方向結晶長さ）をｄとし、電圧Ｖを印加すると、Ｖは、下記式（４）で表される。

上記式（４）において、E(x)は、下記式（５）のように求められる。

この電界分布とKerr効果の式とから、結晶中の屈折率変化は下記式（６）で表される。

以上が、注入電子による電界分布と電気光学効果による屈折率変化によって結晶内に生じる屈折率分布である。この屈折率分布による偏向角は、結晶内を伝搬するに伴い蓄積される。また、結晶出射端での屈折による偏向により位置ｘでの偏向角は、下記式（７）で表される。

上記式（７）において、ＬはＸ方向すなわち光線方向の結晶長さを示す。

電子注入を考慮していない場合の偏向器１００について再度図４を参照して説明する。例えば、電極１０１，１０２間に例えば電圧ｖ＝２０ｖを印加した場合、図３（ｂ）に示した位置Ｐ（電極間の中心でかつ電極面からみてＫＴＮ結晶の最深位置）での電界強度は、ＫＴＮ１１２の厚みに応じて、図６に示すような値をとる。

この図６に示す関係から、ＫＴＮ１１２の結晶厚（Ｚ方向の結晶長さ）が１００μｍ以下、即ち電極間の距離の例えば１／１０以下（所定値以下）の厚みである場合、電界強度Ｅは、図３に示したものと同様に、Ｅ＝Ｖ／ｄで表される。

前述の図５において、２つの偏向器１００，１０００の電極間隔はともに、１ｍｍである。図５（ｂ）では、偏向器１０００のビーム径は円形で０．８ｍｍである。偏向方向はｘ方向である。

一般に、Ｘ方向のビーム径がＺ方向よりも大きいほうがレンズでより小さく集光することができるので、ビーム偏向の結果としての解像点数を増やすことができる。このことから、Ｘ方向のビーム径を小さくするのは好ましくない。

この観点から、本実施形態の偏向器１００では、ＫＴＮ１１２の結晶の厚みは、２つの電極間の１／１０以下になるように設定している。例えば図５（ａ）の偏向器１００においては、Ｘ方向のビーム径を０．８ｍｍに設定する一方、Ｚ方向に関しては、ＫＴＮ１１２の結晶厚を１００μｍとしたため、ビーム径を８０μｍ程度に設定している。

以上説明したように、本実施形態の偏向器１００によれば、電極１０１，１０２は、ＸおよびＹ平面上に配置されるので、電極間の距離を出射側で大きくことなく光を偏向することができる。

＜第２実施形態＞
図７は、本実施形態の偏向器１００Ａの構成例を示す図であって、（ａ）は偏向方向と垂直となる方向から見た図、（ｂ）は光の入射方向から見た図、を示す。なお、本実施形態の以下の説明では、特に記述しない限り、第１実施形態の説明で用いた符号等をそのまま用いる。

第１実施形態の偏向器１００は、２つの電極が設けられていたが、変更することができる。本実施形態の偏向器１００Ａは、第１実施形態のものと同様のビーム偏向を実現するものであるが、ＫＴＮ１１２上には、ＸＹ平面においてマトリクス状に配置された複数の電極からなる電極アレイ１９０が備えられる。

電極アレイ１９０は、入射光ｄ１と出射光ｄ２とのなす面に平行なＫＴＮ１１２表面の少なくとも一面に配置され、ＫＴＮ１１２に電圧を印加する複数の印加用電極、すなわち、電極対１１５ａ，１１５ｂを有する（図７では、電極対の位置を黒塗りで示してある）。

ＫＴＮ１１２の結晶の厚みは、２つの電極１１５ａ，１１５ｂ間の１／１０以下になるように設定されている。この場合、ＫＴＮ結晶内の電界強度Ｅは、図４に示したものと同様に、Ｅ＝Ｖ／ｄで表される。これは、電子注入の有無にかかわらずに成立する関係である。

この偏向器１００Ａにおいて、入射光ｄ１はＹ方向に伝搬したのち、電極対１１５ａ，１１５ｂのそれぞれに印加される電圧に応じて偏向していき、出射光ｄ２として出射される。これにより、Ｘ方向に連続的に光を偏向させることができる。

ここで、本実施形態の偏向器１００Ａにおいて、図５で示したものと同様に、Ｘ方向のビーム径を０．８ｍｍ、Ｙ方向のＫＴＮ結晶の長さを４ｍｍとした場合、例えば１００ｍｒａｄの偏向角を得るには、偏向のための空間を確保するために１．２ｍｍの電極間距離（図７では、電極対１１５ａ，１１５ｂ）が必要となる。

これに対して、従来の偏向器１０００では、それぞれの電極間において偏向するための空間が確保されていればよいので、電極間距離は、０．８０５ｍｍ程度あれば十分である。つまり、ビーム径の０．８ｍｍよりわずかにでも広ければ良い。この場合、ＫＴＮ１１２の結晶の厚みは８０μm程度になり、Ｚ方向のビーム径は７０μm程度になる。この電極間距離から偏向に必要な電圧を偏向角の式から計算すると、図７の例では754V、図１の例では１１２４ｖとなる。これは、本実施形態の偏向器１００Ａの構造が、従来のものよりも低電圧で光を偏向できることがわかる。

なお、本実施形態の偏向器１００Ａの構造は変更するようにしてもよい。

以上では、図７を参照して、同一の形状およびサイズの電極を配置する場合について説明したが、電極対１１５ａ，１１５ｂの形状および／またはサイズは、電極ごとに変えるようにしてもよい。

ＸおよびＹ方向の電極の長さは、偏向角の蓄積が小さい入射付近においてＹ方向に伸長するなど、同一でなくても良い。同様に、電極対の数も入射側で必要に応じて減少させるなど、光線方向および偏向方向について同数でなくてもよい。

上記の電極間距離は、隣り合う電極間の距離とする必要はない。例えば図８（ａ）および（ｂ）は、隣り合う電極でなくとも、電圧が印加される正負の電極１１７ａ，１１７ｂ間の間隔を０.８０５ｍｍとなるように設定した偏向器１００Ｂを示している。このようにしても、偏向器１００Ｂは、図７に示したものと同様に、従来のものよりも低電圧で光を偏向できる。

＜第３実施形態＞
第３実施形態の偏向器１００Ｃは電子注入用電極を備えている点が、上記各実施形態と異なる。

図９は、第３実施形態の偏向器１００Ｃの構成例を示す図であって、（ａ）は偏向方向と垂直となる方向から見た図、（ｂ）は入射方向から見た図、を示す。

図９に示すように、偏向器１００Ｃは、光路に被らない位置に電子注入用電極１１８ａ，１１８ｂが配置される。

なお、電子注入用電極１１８ａ，１１８ｂは、複数の偏向用電極からなる電極アレイ１９０ＡとＫＴＮ１１２と同じ面に配置されているが、光路に被らない位置であれば、異なる面に配置するようにしてもよい。

この偏向器１００Ｃでは、電子注入用電極１１８ａ，１１８ｂ間に電圧を印加することによりＫＴＮ１１２内に電子を注入したのち、電極１１７ａ，１１７ｂに電圧を印加する。これにより、図７に示したものと同様に、光を偏向させることができる。つまり、本実施形態の偏向器１００Ｃでは、図１に示したバースト電圧を電子注入用電極１１８ａ，１１８ｂから印加し、さらには駆動電圧を偏向用電極１１７ａ，１１７ｂに印加するようになっている。

このように構成しても、駆動電圧は上記実施形態と同様に印加されるため、上記実施形態と同様に従来のものよりも低電圧で光を偏向できる。

＜第４実施形態＞
第４実施形態の偏向器１００Ｄは、ＫＴＮを保護するため、ＫＴＮの上下面を２つのクラッド層で挟む構造としている点に特徴がある。なお、この偏向器１００Ｄの他の構造は、図４および図５で示したものと同様である。

図１０は、ＫＴＮ１１２が２つのクラッド層１９２，１９３で挟むように構成された偏向器１００Ｄが示してある。なお、図１０は、図５（ａ）に対応している。

図１０の例では、ＫＴＮ１１２の厚さは、例えば０．１ｍｍと薄くなっている。一般に、ＫＴＮの結晶が薄すぎると、結晶が物理的に破壊されるおそれがあるが、図１０の偏向器１００Ｄでは、ＫＴＮ１１２をクラッド層１９２，１９３で挟むことによって、ＫＴＮ１１２が十分な強度を保つようにしている。

また、偏向器１００Ｄの他の構造は、第１実施形態で示したものと同様であるので、偏向器１００Ｄは、従来のものよりも低電圧で光を偏向できる。

ＫＴＮ１１２において入射光が導波モードするために、クラッド層１９２，１９３は、ＫＴＮ１１２より屈折率の低い材料を使用する必要がある。クラッド層１９２，１９３の材料としては、例えばKT（KTaO₃）があり、これは接着剤によってＫＴＮ１１２と接着される。

なお、誘電体材料を、スピンコートによって塗布することでクラッド層１９２，１９３とＫＴＮ１１２とを接着することもできる。

＜第５実施形態＞
第５実施形態の偏向器１００Ｅは、ＫＴＮを保護するため、ＫＴＮの下面にクラッド層を形成している点に特徴がある。なお、この偏向器１００Ｅの他の構造は、図８で示したものと同様である。

図１１は、ＫＴＮ１１２の下面にクラッド層１９４が形成された偏向器１００Ｅが示してある。なお、図１１は、図８（ｂ）に対応している。

図１１の例では、ＫＴＮ１１２の厚さは、例えば０．１ｍｍと薄くなっている。このため、本実施形態の偏向器１００Ｅでは、ＫＴＮ１１２の下面を補強するために、クラッド層１９４を有する。

この場合、第４実施形態で説明したとおり、クラッド層１９４は、ＫＴＮ１１２より屈折率の低い材料を使用する必要があるので、クラッド層１９４の材料としては、例えばKT（KTaO₃）があり、これは接着剤によってＫＴＮ１１２と接着される。

なお、マトリクス状の偏向用電極上において、第４実施形態で説明したように、誘電体材料をスピンコートによって塗布するようにしてもよい。

なお、上記各実施形態および変形例は変更するようにしてもよい。例えば、第１〜第５実施形態および第２実施形態の変形例において、偏向用電極は、入射光の波長に対して透明な電極としてもよい。このようにすると、電極面において光が吸収されるような、ＫＴＮ１１２の厚みよりもビーム径が大きくなる場合、または、何らかの原因によりビームがＫＴＮ１１２のＸ方向の中心部に入力されずに電極にかかってしまうような場合に、（電極による）ビームの光損失を防ぐことができて、有効である。

また、上記各実施形態および上記変形例において、電気光学結晶としてのＫＴＮ１１２の場合について説明したが、変更するようにすることができる。例えば、結晶の主成分が、周期律表Ia族とVa族から構成されており、Ia族はカリウムであり、Va族はニオブまたはタンタルの少なくとも1つを含むようにすることができ、さらに、添加不純物としてカリウムを除く周期律表Ia族、例えばリチウムまたはIIa族の1または複数種を含むもの（例えばＫＴＬＮ）とすることもできる。

上記各実施形態および上記変形例において、ＫＴＮ１１２の結晶厚（Ｚ方向の結晶長さ）は、印加電圧用の電極間の距離の１／１０以下の場合で説明したが、この１／１０の値は、従来のものよりも低電圧で光を偏向できるという効果を奏するのであれば、変更することができる。

上記各実施形態および各実施形態の中で説明した変形例等は、すべての実施形態の偏向器と組み合わせて実施することができる。

１００，１００Ａ〜１００Ｅ偏向器
１１２ＫＴＮ
１０１，１０２，１１７ａ，１１７ｂ電極
１９０電極アレイ
１９２，１９３，１９４クラッド層

Claims

入射光を所定の角度に偏向する出射光として出射する電気光学結晶と、
前記電気光学結晶表面において前記入射光と出射光とのなす面に平行な前記電気光学結晶表面の少なくとも一面に配置され、前記電気光学結晶に電圧を印加する複数の印加用電極とを備え、
前記電気光学結晶表面において、入射方向および前記入射方向に垂直な方向の各々に沿ってマトリクス状に設けられた電極群からなる電極アレイをさらに備え、
前記複数の印加用電極は、前記電極アレイの前記電極群のうち、前記偏向される光線の経路に沿って、電圧の印加されない電極を挟むように設けられた複数の一対電極からなることを特徴とする偏向器。
電子注入用のバースト電圧を印加する電子注入用電極をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の偏向器。
前記電気光学結晶の少なくとも一方の表面に、当該電気光学結晶よりも屈折率の低い材料を有するクラッド層をさらに備えることを特徴とする請求項１または２に記載の偏向器。
前記電極アレイ中の前記電極は、入射光の波長に対して透明であることを特徴とする請求項１に記載の偏向器。
前記電気光学結晶の前記結晶表面に垂直な方向の厚さは、前記複数の印加用電極間の間隔の１／１０以下となるように設定される請求項１ないし４のいずれか１項に記載の偏向器。