JP6491615B2 - Optical deflector - Google Patents
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Description
本発明は、電気信号によって光線を曲げる光偏向器に関する。 The present invention relates to an optical deflector that bends a light beam by an electric signal.
レーザ光などの光ビームの進行方向を高速に変える装置、いわゆる光偏向器として、ガルバノミラー、ポリゴンミラーなど、鏡を電磁誘導で回転させる装置が多く用いられてきた。しかし、これらの光偏向器は、有限の質量の鏡を動かすため、慣性によって動作速度が制限される。これに比較して、電気光学効果(EO効果)を利用した光偏向器(EO光偏向器)は、可動部分がないので、著しい高速化が可能となる。 As devices that change the traveling direction of a light beam such as laser light at high speed, so-called optical deflectors, devices that rotate a mirror by electromagnetic induction, such as galvanometer mirrors and polygon mirrors, have been often used. However, since these optical deflectors move a mirror with a finite mass, the operation speed is limited by inertia. Compared to this, an optical deflector (EO optical deflector) using the electro-optic effect (EO effect) has no movable part, and thus can be remarkably increased in speed.
EO効果とは、ある種の物質に電界を印加すると、その物質の屈折率が変化する現象であり、この物質を電気光学材料と呼ぶこともある。EO光偏向器は、電界を印加するための駆動電源の速度に制限されることが多いが、原理的には数100MHz以上の応答も期待できる。 The EO effect is a phenomenon in which the refractive index of a substance changes when an electric field is applied to the substance, and this substance is sometimes called an electro-optic material. The EO optical deflector is often limited by the speed of the drive power supply for applying the electric field, but in principle, a response of several hundred MHz or more can be expected.
従来、電気光学材料をプリズム上に成型したEO光偏向器が知られている。このプリズムに電界を印加すると、全体的に屈折率が変わるため、入射する光の屈折角が変化し、入射光線を偏向することができる。しかし、EO効果による屈折率変化は、大きくて10-3程度と小さく、偏向角も小さいのが難点である。 Conventionally, an EO optical deflector in which an electro-optic material is molded on a prism is known. When an electric field is applied to this prism, the refractive index changes as a whole, so that the angle of refraction of incident light changes, and incident light can be deflected. However, the refractive index change due to the EO effect is as small as about 10 −3 and the deflection angle is also difficult.
近年、電気光学材料に電子を注入し、電気光学材料中で形成された空間電荷を利用する空間電荷型のEO光偏向器が開発された(例えば、特許文献1参照)。ガウスの法則によると、電界分布の勾配が電荷密度に比例することから、空間電荷が存在すると、電界の分布が発生することがわかる。このため、EO効果によって屈折率の分布が発生し、この屈折率分布によって光線の向きを変えることができる。空間電荷型のEO光偏向器では、電気光学材料中の光路長を長くすることによって、偏向角を大きくすることが可能で、全幅で10度以上偏向することができる。 In recent years, a space charge type EO optical deflector that injects electrons into an electrooptic material and uses the space charge formed in the electrooptic material has been developed (see, for example, Patent Document 1). According to Gauss's law, since the gradient of the electric field distribution is proportional to the charge density, it can be seen that the distribution of the electric field occurs when space charge exists. For this reason, a refractive index distribution is generated by the EO effect, and the direction of the light beam can be changed by the refractive index distribution. In the space charge type EO optical deflector, by increasing the optical path length in the electro-optic material, the deflection angle can be increased and the entire width can be deflected by 10 degrees or more.
上述したEO光偏向器は、電気光学材料の長さを長くすることにより、屈折率の変調の効果が蓄積され、偏向角を大きくすることができる。しかし、電気光学材料の長さを長くすると、偏向角が大きくなるものの、偏向された光が電気光学材料から出射される端面に収まりきれず、端面とは異なる面に当たって、外部に出射されないという問題があった。すなわち、電気光学材料の光の偏向方向の厚さによって、偏向角が制限されていた。 In the EO optical deflector described above, by increasing the length of the electro-optic material, the effect of refractive index modulation is accumulated, and the deflection angle can be increased. However, when the length of the electro-optic material is increased, the deflection angle increases, but the deflected light cannot be contained in the end face emitted from the electro-optic material, hits a different surface from the end face, and is not emitted to the outside. was there. That is, the deflection angle is limited by the thickness of the electro-optic material in the light deflection direction.
本発明の目的は、電気光学材料の長さ、厚さを増すことなく、偏向角を大きくすることができる光偏向器を提供することにある。 An object of the present invention is to provide an optical deflector that can increase the deflection angle without increasing the length and thickness of the electro-optic material.
本発明は、このような目的を達成するために、一実施態様は、反転対称性を有する単結晶からなる電気光学材料と、該電気光学材料の第1の面上に形成された第1の陽極と、前記第1の面に対向する第2の面上に形成され、前記第1の陽極と向かい合う位置に形成された第1の陰極とからなる第1の電極対と、前記第1の面上に形成され、前記第1の陽極とは間隔をおいて配置された第2の陰極と、前記第2の面上に形成され、前記第2の陰極と向かい合う位置に形成され、前記第1の陰極とは間隔をおいて配置された第2の陽極とからなる第2の電極対とを備え、前記第1の面と直交する第3の面から光を入射させたとき、前記第1の電極対の間を透過してから前記第2の電極対の間を透過して、前記第3の面に対向する第4の面に向けて光軸が設定され、前記第1の電極対と前記第2の電極対とにより、前記電気光学材料の内部に空間電荷を形成するキャリアを注入して、前記第1の電極対により前記電気光学材料を透過する光の偏向原点を前記光軸に直交する方向に移動し、前記第2の電極対により前記移動した偏向原点に基づいて前記透過する光の偏向角を変えることを特徴とする。 In order to achieve the above object, according to one embodiment of the present invention, an embodiment includes an electro-optic material made of a single crystal having inversion symmetry, and a first surface formed on a first surface of the electro-optic material. A first electrode pair formed of an anode and a first cathode formed on a second surface opposite to the first surface and facing the first anode; and A second cathode formed on a surface and spaced from the first anode; and formed on the second surface and at a position facing the second cathode; And a second electrode pair formed with a second anode spaced apart from the first cathode, and when light is incident from a third surface orthogonal to the first surface, Transmitting between the first electrode pair and then passing through the second electrode pair toward the fourth surface facing the third surface Axis is set by said first electrode pair and the second electrode pair, by injecting carriers to form a space charge inside the electrooptic material, the electro-optical material by said first electrode pair The deflection origin of the light passing through is moved in a direction perpendicular to the optical axis, and the deflection angle of the transmitted light is changed based on the moved deflection origin by the second electrode pair .
以上説明したように、本発明によれば、第1の電極対で挟まれた偏向領域の偏向角に対し、第2の電極対で挟まれた偏向領域の偏向角を逆向きにすることにより、偏向角を大きくすることが可能となる。 As described above, according to the present invention, the deflection angle of the deflection region sandwiched between the second electrode pairs is reversed with respect to the deflection angle of the deflection region sandwiched between the first electrode pairs. The deflection angle can be increased.
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。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(空間電荷型EO光偏向器の動作原理)
図1に、空間電荷型のEO光偏向器の構成を示す。EO光偏向器は、電気光学材料基板101の上下面に、基板の外形に合わせた電極102、103が形成された基本単位素子からなる。電極102、103に駆動電源を接続して、電気光学材料基板101の上下方向、すなわち入射光線104の光軸に対して垂直に電界を印加する。EO効果が1次である場合、すなわちポッケルス効果である場合、屈折率変化分Δnは、元の屈折率をn0、1次の電気光学係数をr、電界をEとして、
(Operation principle of space charge type EO optical deflector)
FIG. 1 shows a configuration of a space charge type EO optical deflector. The EO optical deflector includes basic unit elements in which
である。入射光線104がこの基本単位素子を透過する時の光路長Sは、元の光路長をS0、電気光学材料基板101の光進行方向の長さをLとして、
It is. The optical path length S when the
となる。光線が偏向するのは、この光路長Sが、位置座標xに依存するからである。偏向角θは、 It becomes. The light beam is deflected because the optical path length S depends on the position coordinate x. The deflection angle θ is
となる。図1の構成で偏向を起こすためには、EO光偏向器に、電圧を印加するなどの方法により、電気光学材料内部にキャリア(電子または正孔)を注入する。簡単のため、注入されたキャリアによる電荷が均一に分布し、従って電荷密度ρを一定とする。電荷密度をρ、誘電率をεとすると、ガウスの法則より、 It becomes. In order to cause the deflection in the configuration of FIG. 1, carriers (electrons or holes) are injected into the electro-optic material by applying a voltage to the EO optical deflector. For simplicity, the charge due to the injected carriers is uniformly distributed, so that the charge density ρ is constant. If the charge density is ρ and the dielectric constant is ε, Gauss's law
であるから、結局、偏向角θは、 Therefore, after all, the deflection angle θ is
となる。これより、偏向角は、長さLに比例し、従って長い基板を用いることにより、大きな偏向角が得られることが分かる。 It becomes. From this, it can be seen that the deflection angle is proportional to the length L, and therefore a large deflection angle can be obtained by using a long substrate.
また、当然のことながらEO効果が大きい方ほど偏向角が大きい。EO効果の大きい材料として、後述するタンタル酸ニオブ酸カリウム(KTN)を好適に用いることができる。KTNの場合、EO効果は1次ではなくて2次のいわゆるカー効果であるので、屈折率変化分Δnは、2次の電気光学係数をsとして、 Of course, the larger the EO effect, the larger the deflection angle. As a material having a large EO effect, potassium tantalate niobate (KTN) described later can be suitably used. In the case of KTN, since the EO effect is not the first order but the second order Kerr effect, the refractive index change Δn is expressed by taking the second order electro-optic coefficient as s.
となる。この場合は上述の例と同じく電荷密度ρを一定とすると、 It becomes. In this case, if the charge density ρ is constant as in the above example,
が得られ、偏向角は位置に依存する。ただし、dは電気光学材料基板101の厚さであって、電極間距離に相当し、Vは印加電圧である。位置を電極間の中点d/2にとると、偏向角θは、
And the deflection angle depends on the position. Here, d is the thickness of the electro-
のように簡単な形が得られる。 A simple shape can be obtained.
EO効果が1次である場合、(1)式より偏向角が電荷密度ρに比例するので、電圧によって電荷密度を変化させて、偏向角を制御する。電荷密度を変化させるので、電子の移動速度が偏向角の制御速度を限定する要因となる。一方、EO効果が2次であるKTNの場合、(2)式より偏向角が電圧Vにも比例する。この場合は、電荷密度が変化しなくても、すなわち電子が電圧に応答して動かなくても、電圧によって直接、偏向角の制御が可能である。従って、電圧の印加から遅く見積もっても1μs以下(周波数では500kHz以上)の時間で応答する、高速動作の光偏向器を実現することができる。このため、2次のEO効果を有する電気光学材料は、本実施形態の光偏向器を構成する材料として好適である。2次のEO効果を有する電気光学材料は、反転対称性を有する電気光学材料と言い換えることもできる。反転対称性を有する材料については、まとめて後述する。 When the EO effect is first order, the deflection angle is proportional to the charge density ρ according to the equation (1). Therefore, the deflection angle is controlled by changing the charge density according to the voltage. Since the charge density is changed, the moving speed of electrons becomes a factor that limits the control speed of the deflection angle. On the other hand, in the case of KTN in which the EO effect is second order, the deflection angle is proportional to the voltage V from the equation (2). In this case, even if the charge density does not change, that is, the electrons do not move in response to the voltage, the deflection angle can be directly controlled by the voltage. Therefore, it is possible to realize a high-speed optical deflector that responds in a time of 1 μs or less (frequency is 500 kHz or more) even if the estimation is delayed from the voltage application. For this reason, an electro-optic material having a secondary EO effect is suitable as a material constituting the optical deflector of the present embodiment. An electro-optic material having a second-order EO effect can be rephrased as an electro-optic material having inversion symmetry. The materials having inversion symmetry will be described later together.
(基板の長尺化による偏向角の限界)
図2に、空間電荷型のEO光偏向器における偏向の様子を示す。図1の空間電荷型EO光偏向器の内部を透過する光線を、電気光学材料基板101の側面から観測した様子を示す。電気光学材料基板101内において、光線106は、上記の屈折率分布によって、図示のように徐々に偏向してゆく。最終的に、電気光学材料基板101から外部に出射されるとき、光線はスネルの法則によって、出射端面において屈折し、図のような出射光線105となる。このとき、外部に出る直前の光線の接線を外挿すると、図の破線のように、電気光学材料基板101の中央で、入射光線104の外挿直線と交わる。つまり、実際には光線106は、図示のように曲線を描くものの、便宜的には、基板101の内部でも直進し、中央で折れ曲がり、再び直進する、と考えてもよい。ここでは、光線が仮想的に折れ曲がる点を、偏向原点107と呼ぶ。
(Limit of deflection angle due to longer substrate)
FIG. 2 shows a state of deflection in the space charge type EO optical deflector. A state in which a light beam passing through the inside of the space charge type EO optical deflector of FIG. 1 is observed from the side surface of the electro-
図2に示した光線106は、基板に当たらずに出射しているが、偏向角が大きくなると、出射端面に達する前に電気光学材料基板101の上面に当り出射されなくなる。電気光学材料基板101の光軸方向の長さをL、厚さをd、基板101の内部での偏向角、すなわち偏向原点107における内部偏向角108をθとすると、偏向原点107が基板101の中央にあることから、
The
が偏向角の限界を与える。つまり、(2)式によって、Lが大きいほど偏向角は大きくなると思われるが、実際には、Lが大きすぎると、(3)式によって偏向角の限界が抑制されてしまう。当然ながら、Lが小さいと、(2)式によって十分に大きい偏向角を得られない。 Gives the limit of deflection angle. In other words, it seems that the deflection angle becomes larger as L becomes larger according to the equation (2), but actually, if L is too large, the limit of the deflection angle is suppressed according to the equation (3). Naturally, when L is small, a sufficiently large deflection angle cannot be obtained by the equation (2).
(3)式による限界を引き上げるためには、Lの調整以外に、厚さdを大きくする方法がある。ところが、dを大きくすると、(2)式により、印加電圧を大きくしないと、偏向角が下がってしまう。さらに、dを大きくすると、電圧を大きくしない限り、電荷密度ρも小さくなり、相乗効果で偏向角が小さくなる。 In order to raise the limit by the equation (3), there is a method of increasing the thickness d in addition to the adjustment of L. However, when d is increased, the deflection angle decreases unless the applied voltage is increased according to the equation (2). Further, when d is increased, unless the voltage is increased, the charge density ρ is also reduced, and the deflection angle is reduced by a synergistic effect.
もう1つの対策として、入射光線104の入射端面における入射位置を変える方法がある。図2では、入射光線104は、入射端面の上下方向の中間点に入射している。この入射位置を、電気光学材料基板101の下の電極103の面の付近にずらす。これにより、dが2倍近くになったのと同じ状態が実現されるので、偏向角の限界は、(3)式の2倍に近づく。
As another countermeasure, there is a method of changing the incident position of the
一方、上下の基板面の中間点に入射する図2の構成では、電圧の極性を逆にすることにより、図2とは逆方向への偏向が可能である。駆動電源として、両極性の出力が可能な電源を用いるならば、偏向角の全幅は(3)式の2倍となる。一方、入射位置を下の電極面付近にずらすと、図の上方向への偏光角はほぼ倍増するものの、電圧を反転しても、図の下方向への偏向はほぼ不可能になってしまう。このため、入射位置をずらすだけでは、偏向角は増加せず、根本的な解決となっていない。 On the other hand, in the configuration of FIG. 2 that is incident on an intermediate point between the upper and lower substrate surfaces, deflection in the direction opposite to that in FIG. 2 is possible by reversing the polarity of the voltage. If a power supply capable of bipolar output is used as the drive power supply, the full width of the deflection angle is twice that of the expression (3). On the other hand, if the incident position is shifted near the lower electrode surface, the upward polarization angle in the figure is almost doubled, but even if the voltage is reversed, the downward deflection in the figure becomes almost impossible. . For this reason, simply shifting the incident position does not increase the deflection angle, and is not a fundamental solution.
(電極対を2つ使用することによる偏向角増大)
図3に、本発明の一実施形態にかかる空間電荷型のEO光偏向器の構成を示す。そこで、本実施形態では、電極対を2つ形成することにより、上述した課題を解決する。EO光偏向器は、電気光学材料基板201の上下面に、2つの電極対、すなわち電極202、203と電極212、213とが形成された基本単位素子からなる。光の入射側に近い方の第1の面上に形成された第1の陽極202と、第1の面に対向する第2の面上に形成され、第1の陽極と向かい合う位置に形成された第1の陰極203を第1の電極対とする。光の出射側に近い方の第1の面上に形成され、第1の陽極とは間隔をおいて配置された第2の陰極212と、第2の面上に形成され、第2の陰極と向かい合う位置に形成され、第1の陰極とは間隔をおいて配置された第2の陽極213を第2の電極対とする。第1の電極対と第2の電極対とでは、電界の印加方向が逆であり、偏向の方向が逆になることを特徴としている。以下、動作原理を説明する。
(Increase in deflection angle by using two electrode pairs)
FIG. 3 shows a configuration of a space charge type EO optical deflector according to an embodiment of the present invention. Therefore, in the present embodiment, the above-described problems are solved by forming two electrode pairs. The EO optical deflector includes a basic unit element in which two electrode pairs, that is,
第1の面と直交する第3の面から光を入射させたとき、第1の電極対の間を透過してから第2の電極対の間を透過して、第3の面に対向する第4の面から光が出射するように光軸が設定されている。図3において、電気光学材料基板201の左側、第3の面から入射した入射光線204を、第1の電極対で上向きに偏向させる。このままでは、電気光学材料基板201の内部を光線が直進すると、電気光学材料基板201の上面の位置まで達してしまう。しかし、入射した光線が第1の電極対の間を抜けると、第2の電極対の間に進入する。第2の電極対では、第1の電極対とは逆に、下向きに偏向させる。電気光学材料基板201の内部を透過する光線は、右上方向に向いていた偏光角が徐々に小さくなり、一定距離進行すると、偏向角はゼロになる。さらに第2の電極対によって偏向が進み、右下向きの偏向となり、十分に偏向角を増加させた後、電気光学材料基板201の右側、第4の面から出射光線205となって出射される。
When light is incident from a third surface orthogonal to the first surface, the light passes through the first electrode pair and then passes through the second electrode pair so as to face the third surface. The optical axis is set so that light is emitted from the fourth surface. In FIG. 3, an
本実施形態においては、第2の電極対が偏向の主たる部分を担い、第1の電極対は、第2の電極対を補助する位置づけである。図3の構成では、入射光線204の入射端面における入射位置が中間点であるにもかかわらず、偏向原点が、電気光学材料基板201の上方に移動する。従って、偏向角の制限を示す(3)式において、dを2倍近くに増やすことと同等の効果が得られるので、内部偏向角も2倍近くに向上する。
In the present embodiment, the second electrode pair is responsible for the main part of deflection, and the first electrode pair is positioned to assist the second electrode pair. In the configuration of FIG. 3, the deflection origin moves above the electro-
上述した入射光線の入射端面における入射位置をずらす方法は、片方向の偏光角を増大させる半面、反対極性の電圧による反対方向の偏向の角度が減少するため、全偏向角は増大しなかった。本実施形態においては、第2の電極対だけに着目すれば、この入射位置をずらしたことと等価であり、第1の電極対を用いることにより、入射位置をずらす方向を動的に制御できると考えることもできる。このため、片側の偏光角のみならず、上下両方向の偏向角を同時に増大することが可能である。 The method of shifting the incident position on the incident end face of the incident light described above does not increase the total deflection angle because the angle of deflection in the opposite direction due to the voltage of the opposite polarity is reduced on the one hand while increasing the polarization angle in one direction. In this embodiment, if attention is paid only to the second electrode pair, this is equivalent to shifting the incident position. By using the first electrode pair, the direction of shifting the incident position can be dynamically controlled. Can also be considered. For this reason, not only the polarization angle on one side but also the deflection angles in both the upper and lower directions can be increased simultaneously.
本実施形態の特徴は、第1の電極対と第2の電極対とにより、偏向方向を反転することを特徴し、その実現のためにはいくつかの方法がある。第1に、第1および第2の電極対が印加する電圧の極性を逆にすることである。第2に、電気光学材料基板201内部に空間電荷を形成するキャリアが、正負両方ある場合、例えば、電子と正孔の両者がキャリアとなりうる場合、第1の電極対の間では電子で空間電荷を形成し、第2の電極対の間では正孔で空間電荷を形成すればよい。第1および第2の電極対が印加する電圧が同じ方向であっても、偏向方向を逆向きにすることができる。キャリアを変えるには、電極材料を変える方法があり、電極材料の選択については後述する。また、1つの基板で電子と正孔とを共存させることが困難な場合、第1の電極対の領域と第2の電極対の領域とで、基板材料を変えてもよい。
The feature of this embodiment is that the deflection direction is reversed by the first electrode pair and the second electrode pair, and there are several methods for realizing it. First, the polarity of the voltage applied by the first and second electrode pairs is reversed. Second, when there are both positive and negative carriers that form space charges in the electro-
第1の電極対で挟まれた偏向領域を第1の偏向器、第2の電極対で挟まれた偏向領域を第2の偏向器とする。第1の偏向器の偏向角に対し、第2の偏向器の偏向角は、2倍を超える値に設定することになる。第2の偏向器では、第1の偏向器で発生させた第1の偏向角を帳消しにし、さらに逆方向に第1の偏向角以上の第2の偏向角を与えることにより、上述した従来のEO光偏向器の偏向角を上回る偏向角が得られる。 A deflection region sandwiched between the first electrode pairs is referred to as a first deflector, and a deflection region sandwiched between the second electrode pairs is referred to as a second deflector. The deflection angle of the second deflector is set to a value exceeding twice the deflection angle of the first deflector. In the second deflector, the first deflection angle generated by the first deflector is canceled out, and a second deflection angle equal to or larger than the first deflection angle is given in the opposite direction, whereby the above-described conventional deflector is provided. A deflection angle exceeding the deflection angle of the EO optical deflector can be obtained.
第2の偏向角を、第1の偏向角の2倍超にするためには、(2)式が示す通り、電圧Vを2倍超にする、電荷密度ρを2倍超にする、電極長さLを2倍超にすることが考えられる。誘電率εについては、反転対称性を有する電気光学材料では、2次の電気光学係数sが誘電率εの二乗に比例する性質があるため、偏向角はεに比例する。このため偏向機能を2倍超にするためには、誘電率を2倍超にすればよい。反転対称性を有する電気光学材料の誘電率εは、温度を変えることにより、大きく変えることが可能である。ただし、同じ基板の中で、誘電率が2倍になるほどの温度差をつけるのは多少の困難を伴う。また、電荷密度ρの制御も同様の困難を伴う。異なる電圧を印加するために、2系統の駆動電源を用意するのは不便である。以上のことから、電極長さL、すなわち光軸に沿った長さを、第1の電極対に対し、第2の電極対を2倍超にするのが、最も容易な手段と考えられる。 In order to make the second deflection angle more than twice the first deflection angle, as shown in the equation (2), the voltage V is made more than twice, the charge density ρ is made more than twice, the electrode It is conceivable that the length L is more than doubled. Regarding the dielectric constant ε, in the electro-optic material having inversion symmetry, since the second-order electro-optic coefficient s has a property proportional to the square of the dielectric constant ε, the deflection angle is proportional to ε. Therefore, in order to make the deflection function more than twice, the dielectric constant should be made more than twice. The dielectric constant ε of the electro-optic material having inversion symmetry can be largely changed by changing the temperature. However, it is somewhat difficult to create a temperature difference that doubles the dielectric constant in the same substrate. Also, the control of the charge density ρ has the same difficulty. In order to apply different voltages, it is inconvenient to prepare two systems of driving power supplies. From the above, it is considered that the easiest means is to make the electrode length L, that is, the length along the optical axis, more than twice the second electrode pair with respect to the first electrode pair.
図4に、本発明の一実施形態にかかる空間電荷型のEO光偏向器の変形例を示す。偏向角を十分にとるためには、電極長さを一定の値以上に長くする必要があり、したがって、電気光学材料基板の長さも一定の値以上に長くする必要がある。このとき、図3に示すように、電気光学材料基板の長さそのものを長くする以外に、電気光学材料基板の表面に高反射率のミラーを設置し、内部反射させることにより、光路長を長くする方法がある。 FIG. 4 shows a modification of the space charge type EO optical deflector according to the embodiment of the present invention. In order to obtain a sufficient deflection angle, it is necessary to increase the electrode length to a certain value or more, and accordingly, it is necessary to increase the length of the electro-optic material substrate to a certain value or more. At this time, as shown in FIG. 3, in addition to increasing the length of the electro-optic material substrate itself, a high-reflectance mirror is installed on the surface of the electro-optic material substrate and internally reflected to increase the optical path length. There is a way to do it.
図4は、その様子を示したものであり、図3の偏向器を上から観測した図である。空間電荷型EO光偏向器の内部を透過する光線を、電気光学材料基板201の上面から観測した様子を示す。図4において、入射光線204は、左上から斜めに電気光学材料基板201に入射する。入射した光は、表面で屈折して電気光学材料基板201内部を進むが、入射した面と反対側の面に達したとき、表面に形成された高反射膜221によって反射され、再び電気光学材料基板201の内部を進行する。反射された光は、光が入射した面に再び到達すると、こちらにも形成されている高反射膜222によって再び反射される。図4においては、高反射膜221,222により、光線は、電気光学材料基板201の内部を5回透過している。これにより、図3に示したEO光偏向器と比較して、約5倍の光路長となる。光線は、高反射膜221が形成されていない隙間から、出射光線205として外部へ出射される。
FIG. 4 shows this state, and is a view of the deflector of FIG. 3 observed from above. A state in which a light beam passing through the space charge type EO optical deflector is observed from the upper surface of the electro-
このような構造のEO光偏向器であっても、本実施形態を適用することができる。図4では、電極202が、光の入射側に近い方に、平行四辺形で形成されている。同じく電極212が、光の出射側に近い方に平行四辺形で形成されている。なお、電極203と電極213は、電極202と電極212と重なって見えるため、記載されていない。このような構成であっても、電極202の幅に対して、電極212の幅を2倍以上にすることにより、本実施形態の偏向角増大の効果を得ることができる。
The present embodiment can be applied even to an EO optical deflector having such a structure. In FIG. 4, the
(電気光学材料)
多くの電気光学材料は、反転対称性を有しておらず、ポッケルス効果を発現する。これに対して、一部の電気光学材料は、反転対称性を有しており、ポッケルス効果を発現せず、カー効果が支配的となる。従って、本実施形態の電気光学材料基板201を構成する電気光学材料としては、反転対称性を有する材料を用いることが重要である。
(Electro-optic material)
Many electro-optic materials do not have inversion symmetry and develop a Pockels effect. On the other hand, some electro-optic materials have inversion symmetry, do not exhibit the Pockels effect, and the Kerr effect is dominant. Therefore, it is important to use a material having inversion symmetry as the electro-optic material constituting the electro-
一般に誘電体は、外部から電界を印加すると、それに比例した分極が発生するが、電界を取り去ると、分極はゼロに戻る。しかし、電界を取り去っても有限の分極が残る物質が存在する。外部電界がなくても存在する分極を自発分極という。この自発分極を、外部電界によって向きを反転させることができる物質が存在し、これを強誘電体という。 In general, when an electric field is applied from the outside to a dielectric, polarization proportional to the electric field is generated, but when the electric field is removed, the polarization returns to zero. However, there are substances that retain finite polarization even when the electric field is removed. Polarization that exists even without an external electric field is called spontaneous polarization. There exists a substance capable of reversing the direction of this spontaneous polarization by an external electric field, which is called a ferroelectric.
反転対称性を有する単結晶とは、原子の配列を、ある原点を中心としてx,y,z座標系で反転したとき、元の原子の配列と完全に同じ配列となる結晶をいう。自発分極を有する結晶を、座標軸上で反転すると、自発分極の向きが反転するので、このような結晶は反転対称性を有するとはいえない。従って、強誘電体は自発分極を有するので、反転対称性を有していない。 A single crystal having inversion symmetry refers to a crystal that has the same arrangement as the original arrangement of atoms when the arrangement of atoms is inverted in the x, y, z coordinate system around a certain origin. When a crystal having spontaneous polarization is inverted on the coordinate axis, the direction of spontaneous polarization is inverted, so that such a crystal cannot be said to have inversion symmetry. Therefore, since the ferroelectric has spontaneous polarization, it does not have inversion symmetry.
一方、自発分極を有していても、それを外部電界で反転することができない物質も存在する。このような物質は、反転対称性を有していないが、強誘電体でもないので、反転対称性を有していない物質が全て強誘電体であるわけではない。また、強誘電体であって、かつ反転対称性を有するということは、ありえない。 On the other hand, there are substances that have spontaneous polarization but cannot be inverted by an external electric field. Such a material does not have inversion symmetry, but is not a ferroelectric material. Therefore, not all materials that do not have inversion symmetry are ferroelectric materials. Further, it cannot be a ferroelectric and has inversion symmetry.
反転対称性を有する電気光学材料としては、ペロブスカイト型の結晶構造を有する単結晶材料がある。ペロブスカイト型単結晶材料は、使用温度を適切に選択すれば、使用状態において反転対称性を有する立方晶相となる。立方晶相においては、ポッケルス効果を発現せず、カー効果が支配的となる。例えば、最もよく知られたチタン酸バリウム(BaTiO3、以下BTという)でも、120℃付近の相転移温度(正方晶相から立方晶相へ相転移する温度)を超えた温度であれば、立方晶相となり、カー効果を発現する。 As an electro-optic material having inversion symmetry, there is a single crystal material having a perovskite crystal structure. The perovskite single crystal material becomes a cubic phase having inversion symmetry in the use state if the use temperature is appropriately selected. In the cubic phase, the Pockels effect is not expressed and the Kerr effect is dominant. For example, even the most well-known barium titanate (BaTiO 3 , hereinafter referred to as BT) has a cubic temperature as long as it exceeds the phase transition temperature around 120 ° C. It becomes a crystal phase and exhibits the Kerr effect.
また、タンタル酸ニオブ酸カリウム(KTa1-xNbxO3、0<x<1、以下KTNという)を主成分とする単結晶材料は、より好適な特徴を有する。BTは相転移温度が決まっているのに対し、KTNは、タンタルとニオブの組成比により、相転移温度を選択することができる。これにより、室温付近に相転移温度を設定することができる。KTNは、相転移温度よりも高い温度であれば立方晶相となり、反転対称性を有し、大きなカー効果を有する。同じ立方晶相にあっても、より相転移温度に近い方が、カー効果が圧倒的に大きくなる。このため、室温付近に相転移温度を設定することは、大きなカー効果を簡便に実現する上で、非常に重要である。 In addition, a single crystal material mainly composed of potassium tantalate niobate (KTa 1-x Nb x O 3 , 0 <x <1, hereinafter referred to as KTN) has more preferable characteristics. BT has a predetermined phase transition temperature, whereas KTN can select a phase transition temperature depending on the composition ratio of tantalum and niobium. Thereby, the phase transition temperature can be set near room temperature. KTN has a cubic phase at a temperature higher than the phase transition temperature, has inversion symmetry, and has a large Kerr effect. Even in the same cubic phase, the Kerr effect becomes overwhelmingly closer to the phase transition temperature. For this reason, setting the phase transition temperature around room temperature is very important for easily realizing a large Kerr effect.
さらに、KTNに関連する単結晶材料として、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、タンタルの少なくとも1つを含む材料を用いることができる。また、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こともできる。例えば、立方晶相のKLTN(K1-yLiyTa1-xNbxO3、0<x<1、0<y<1)結晶を用いることもできる。 Further, as a single crystal material related to KTN, the main component of the crystal is composed of periodic group Ia group and Va group, group Ia is potassium, and group Va includes at least one of niobium and tantalum. Materials can be used. Moreover, 1 or multiple types of periodic table group Ia except potassium as an additional impurity, for example, lithium, or IIa group can also be included. For example, a cubic phase KLTN (K 1-y Li y Ta 1-x Nb x O 3 , 0 <x <1, 0 <y <1) crystal may be used.
その他に、PbTi1-xZrxO3(PZT)や、これにLaを添加したPLZTも、ペロブスカイト型結晶であり、組成と使用温度の選択により、反転対称性を持たせることができる。これらは、単結晶でなくても、多結晶の焼結体としても用いることができる。 In addition, PbTi 1-x Zr x O 3 (PZT) and PLZT to which La is added are also perovskite crystals, and can have inversion symmetry by selecting the composition and use temperature. These can be used not only as a single crystal but also as a polycrystalline sintered body.
(電極材料)
電気光学材料に高い電圧を印加すると、電極から電荷が注入され、結晶内に空間電荷が発生しうる。この空間電荷により電圧の印加方向に電界の大きさの傾斜が生じるために、屈折率の変調にも傾斜が生じることは、上述のとおりである。従って、電気光学材料を本実施形態の空間電荷型EO光偏向器として機能させるため、所望の屈折率分布を得るためには、電気光学材料基板201に電圧を印加した際に、電気光学材料基板201の内部に高密度の空間電荷が形成されるのがよい。
(Electrode material)
When a high voltage is applied to the electro-optic material, charges are injected from the electrodes, and space charges can be generated in the crystal. As described above, since the space charge causes an inclination of the electric field in the voltage application direction, the refractive index is also inclined. Therefore, in order to make the electro-optic material function as the space charge type EO optical deflector of the present embodiment, in order to obtain a desired refractive index distribution, when a voltage is applied to the electro-
空間電荷の量は、キャリアの注入効率に依存する量である。電気光学結晶において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くなるにつれて、電極と基板との間はオーミック接合に近づき、キャリアの注入効率は増加する。逆に、電極材料の仕事関数が大きくなるにつれて、電極と基板との間はショットキー接合に近づき、キャリアの注入効率は減少する。従って、空間電荷型のEO光偏向器として機能させるためには、電極は、電気光学材料とオーミック接合が形成される材料であることが好ましい。具体的には、電極材料の仕事関数は、5.0eV未満であることが好ましい。例えば、仕事関数が5.0eV未満の電極材料として、Ti(3.84)等を用いることができる。()内は仕事関数を示し、単位はeVである。なお、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。 The amount of space charge depends on the carrier injection efficiency. When the carriers contributing to electrical conduction in the electro-optic crystal are electrons, as the work function of the electrode material decreases, the electrode and the substrate approach an ohmic junction, and the carrier injection efficiency increases. Conversely, as the work function of the electrode material increases, the Schottky junction approaches between the electrode and the substrate, and the carrier injection efficiency decreases. Therefore, in order to function as a space charge type EO optical deflector, the electrode is preferably a material that forms an ohmic junction with the electro-optic material. Specifically, the work function of the electrode material is preferably less than 5.0 eV. For example, Ti (3.84) or the like can be used as an electrode material having a work function of less than 5.0 eV. The parentheses indicate work functions, and the unit is eV. Since the Ti single-layer electrode is oxidized and becomes high resistance, generally, an electrode in which Ti / Pt / Au is sequentially laminated is used to join the Ti layer and the electro-optic crystal. Furthermore, transparent electrodes such as ITO (Indium Tin Oxide) and ZnO can also be used.
一方、電気光学結晶において電気伝導に寄与するキャリアが正孔の場合には、正孔を効率よく注入するために、電極材料の仕事関数は、5.0eV以上であることが好ましい。例えば、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。 On the other hand, when the carriers contributing to electrical conduction in the electro-optic crystal are holes, the work function of the electrode material is preferably 5.0 eV or more in order to inject holes efficiently. For example, as an electrode material having a work function of 5.0 eV or more, Co (5.0), Ge (5.0), Au (5.1), Pd (5.12), Ni (5.15), Ir (5.27), Pt (5.65), Se (5.9) can be used.
図3に示したように、電気光学材料を板状に加工した電気光学材料基板201の上面および下面に、電極202、203,212、213を形成する。電気光学材料基板201は、KTN単結晶から、ブロックを切り出し、40.2mm×1.2mm×(厚さT=)1.2mmの形状に成形する。電気光学材料基板201の6面とも、結晶の(100)面に平行とし、光学研磨を行っている。このKTN単結晶は、相転移温度35℃であったので、これを少し上回る37℃で使用する。この温度で、比誘電率は22,000であった。4つの電極は、電気光学材料基板201の40.2mm×3.2mmの2面に、チタン(Ti)を蒸着して形成されている。Ti電極膜の上には、白金と金を続けて成膜して保護した。電極202、203は、光軸方向の長さを10mmとした。電極212、213は、光軸方向の長さを30mmとした。
As shown in FIG. 3,
この光偏向器を、37℃で温度制御した状態で、コリメートしたレーザ光を、入射光線204として入射する。光の偏光は直線で、振動電界の方向は図3の上下方向である。電圧を印加したときの偏向角は、電極202、203間に320V、電極212、213間に−320V印加したときに最大で、約7度であった。それ以上印加すると、光線は正常に出射されなかった。上記電圧の極性を全て反転すると、−7度となり、合わせて14度偏向させることができた。
The collimated laser light is incident as
一方、図2に示したように、40.2mm×1.2mm×(厚さT=)1.2mmの形状の電気光学材料基板101に、基板の外形に合わせた電極102、103を設置した場合、最大で3.4度までしか偏向させることができなかった。このことから、本実施形態の効果が確認された。
On the other hand, as shown in FIG. 2,
図4に示したように、電気光学材料を板状に加工した電気光学材料基板201の上面および下面に、電極202、203,212、213を形成する。電気光学材料基板201は、KTN単結晶から、ブロックを切り出し、8mm(上下方向)×4mm(左右方向)×(厚さT=)1.2mmの形状に成形する。電気光学材料基板201の6面とも、結晶の(100)面に平行とし、光学研磨を行っている。このKTN単結晶は、相転移温度35℃であったので、これを少し上回る37℃で使用する。この温度で、比誘電率は22,000であった。4つの電極は、基板101の8mm×4mmの2面に、チタン(Ti)を蒸着して形成されている。Ti電極膜の上には、白金と金を続けて成膜して保護した。また、高反射膜221,222として、誘電体多層膜を、それぞれ所望の形状となるように蒸着した。
As shown in FIG. 4,
この光偏向器を、37℃で温度制御した状態で、コリメートしたレーザ光を、入射光線204として入射する。光の偏光は直線で、振動電界の方向は図4の紙面垂直方向である。電圧を印加したときの偏向角は、電極202、203間に320V、電極212、213間に−320V印加したときに最大で、約7度であった。それ以上印加すると、光線は正常に出射されなかった。上記電圧の極性を全て反転すると、−7度となり、合わせて14度偏向させることができた。
The collimated laser light is incident as
一方、図2に示したように、8mm×4mm×(厚さT=)1.2mmの形状の電気光学材料基板101に、基板の外形に合わせた電極102、103を設置した場合、最大で3.4度までしか偏向させることができなかった。このことから、本実施形態の効果が確認された。
On the other hand, as shown in FIG. 2, when the
101,201 電気光学材料基板
102,103,202,203,212,213 電極
104,204 入射光線
105,205 出射光線
106 光線
107 偏向原点
221,222 高反射膜
101, 201 Electro-
Claims (7)
該電気光学材料の第1の面上に形成された第1の陽極と、前記第1の面に対向する第2の面上に形成され、前記第1の陽極と向かい合う位置に形成された第1の陰極とからなる第1の電極対と、
前記第1の面上に形成され、前記第1の陽極とは間隔をおいて配置された第2の陰極と、前記第2の面上に形成され、前記第2の陰極と向かい合う位置に形成され、前記第1の陰極とは間隔をおいて配置された第2の陽極とからなる第2の電極対とを備え、
前記第1の面と直交する第3の面から光を入射させたとき、前記第1の電極対の間を透過してから前記第2の電極対の間を透過して、前記第3の面に対向する第4の面に向けて光軸が設定され、
前記第1の電極対と前記第2の電極対とにより、前記電気光学材料の内部に空間電荷を形成するキャリアを注入して、前記第1の電極対により前記電気光学材料を透過する光の偏向原点を前記光軸に直交する方向に移動し、前記第2の電極対により前記移動した偏向原点に基づいて前記透過する光の偏向角を変えることを特徴とする光偏向器。 An electro-optic material made of a single crystal having inversion symmetry;
A first anode formed on the first surface of the electro-optic material and a second surface formed on a second surface opposite to the first surface and facing the first anode. A first electrode pair consisting of one cathode;
A second cathode formed on the first surface and spaced apart from the first anode, and formed on the second surface at a position facing the second cathode. And a second electrode pair consisting of a second anode spaced apart from the first cathode,
When light is incident from a third surface orthogonal to the first surface, the light passes through the first electrode pair and then passes through the second electrode pair. The optical axis is set toward the fourth surface facing the surface,
The first electrode pair and the second electrode pair inject carriers forming a space charge into the electro-optic material, and the light transmitted through the electro-optic material by the first electrode pair . An optical deflector that moves a deflection origin in a direction orthogonal to the optical axis and changes a deflection angle of the transmitted light based on the moved deflection origin by the second electrode pair .
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