JPH0273333A - 光偏向装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は光偏向装置、特に詳細には光ビームを光導波路
内に導波させ、この光ビームを、光導波路において伝播
させた表面弾性波によって偏向させて光導波路から取り
出すようにした光偏向装置に関するものである。

（従来の技術） 光走査記録装置や光走査読取装置において光ビームを偏
向させる光偏向装置として、従来より、ガルバノメータ
ミラーやポリゴンミラー等の機械式光偏向器や、ＥＯＤ
　（電気光学光偏向器）、ＡＯＤ（音響光学光偏向器）
が多く用いられている。

しかし機械式光偏向器においては、耐久性に難がある、
大型化しやすいといった問題があり、一方ＥＯＤやＡＯ
Ｄにおいては、光偏向角が大きく取れないのでビーム光
路が長くなり、光走査記録装置等の大型化を招くといっ
た問題がある。

上述のような問題を解消しうる光偏向装置として近時、
光導波路を用いる光偏向装置が注目されている。この光
偏向装置は、表面弾性波が伝播可能な材料から形成され
た薄膜光導波路と、この光導波路内を導波する光ビーム
と交わる方向に進行して周波数が連続的に変化する表面
弾性波を該光導波路において発生させる手段（例えば交
叉くし形電極対と、この電極対に周波数が連続的に変化
する交番電圧を印加するドライバーとがら構成される）
とを有するものである。この光偏向装置においては、光
導波路内を導波する光ビームが表面弾性波との音響光学
相互作用によりブラッグ回折し、そしてこの回折角は表
面弾性波周波数に応じて変化するので、表面弾性波周波
数を上述のように変えることにより、光ビームを光導波
路内において連続的に偏向させることができる。こうし
て偏向させた光°ビームは、例えば光導波路の表面に形
成した回折格子（グレーティングカブラ）やプリズムカ
ブラ等によって光導波路外に出射させることができる。

なお上記のような光偏向装置については、例えば特開昭
６２−７７７６１号公報に詳しい記載がなされている。

（発明が解決しようとする課題） ところで、上述の光偏向装置を構成する薄膜光導波路は
、一般にＬｉＮｂＯ３やＬｉＴａＯ３等の一軸異方性結
晶基板から形成され、偏向される光ビームは該光導波路
内を７Ｍ導波モード、ＴＥ導波モードあるいはそれらが
互いに変換するモードで進行するが、その際導波光が基
板側に放射して損失しやすい、という問題が従来より認
められていた。以下、この導波光の放射損失が生じやす
い理由について説明する。

上述の一軸異方性薄膜光導波路は、光学軸が導波路面内
に含まれるように（いわゆるＸ−ｃｕｔやＹ−ｃｕｔ）
形成される。その場合、導波光の放射損失係数αは、上
記光学軸に対して導波光伝播方向がなす角度θに応じて
変化し、その特性は一般に第４図に示すようなものとな
っているから、上記放射損失を最も低くするためには、
導波光を光学軸に対して９０”あるいは０°に近い角度
で伝播させればよいことになる。しかし上記の光偏向装
置において、導波光は途中で表面弾性波によって回折、
偏向されるから、当然この回折の前後で伝播方向が変わ
り、したがって回折前後の導波光をともに上述のような
角度で伝播させることは不可能となる。こうして回折前
あるいは回折後の導波光の進行方向が９０°あるいは０
°に近い値から外れると、導波光が大きく放射損失する
ことになる。以下、この放射損失を具体的に説明する。

例えばＸ−ｃｕｔのＬｉＮｂＯ３基板からなる光導波路
において、波長λ−６３３ｎｍの光ビームを導波させ、
周波数ｆ＝ＩＧＨｚ、伝播速度ｖ　−３５００ｍ　／　
ｓの表面弾性波によってこの光ビームを回折させて、回
折後ｙ軸方向に（光学軸に対して９０°の方向に）進行
させる場合、ブラッグ角をθＢとすると、光導波路の実
効屈折率Ｎｅｆ’ｆ’−２，２のとき、となる。表面弾
性波に入射する前の光ビームが光学軸となす角度θは、 θ率９０−２θＢ＝８５゜ となり、この角度θのとき放射損失係数α−１，５ｄ　
Ｂ　／　ｃ　ｍとなる。光ビームが光導波路内に入射し
てから表面弾性波に到達するまでの導波距離Ｌ−５ｍｍ
であるとすれば、導波光伝搬効率ηは、η−１−°”５ −１０−ａｏ？！ −０，８４ となる。つまり放射損失は、光ビームが光導波路内に入
射してから表面弾性波に到達するまでの間だけで、理論
上約１６％にも達する。

以上述べたように導波光の放射損失が大きければ、当然
光利用効率が低下し、半導体レーザ等の光源として高出
力で高価なものが必要となり、またこの光導波路型光偏
向装置を利用する光走査記録装置等の消費電力も大きく
なってしまう。

そこで本発明は、導波光の放射損失を低く抑えることが
できる光導波路型光偏向装置を提供することを目的とす
るものである。

（課題を解決するための手段） 本発明の光偏向装置は、先に述べたように、光学軸が導
波路面内に含まれるように形成された、表面弾性波が伝
播可能な一軸異方性薄膜光導波路と、 この光導波路内に入射されて該光導波路内を導波する光
ビームと交わる方向に進行して、周波数が連続的に変化
する表面弾性波を該光導波路（こおいて発生させる手段
とを備えた光導波路型の光偏向装置において、 上記表面弾性波に入射する前の光ビームの光路を変換す
る光路変換素子を設け、 上記光路変換前の光ビームの光路、および表面弾性波に
よって回折、偏向した後の光ビームの光路と前記光学軸
とがなすそれぞれの角度か、光路変換後表面弾性波に入
射するまでの光ビームの光路と上記光学軸とがなす角度
と比べて、導波光の放射損失がより少ない角度となるよ
うに表面弾性波発生手段の表面弾性波発生部と光路変換
素子とを配し、 また上述の光路変換素子を、表面弾性波に近接配置した
ことを特徴とするものである。

（作　　用） 上述のような光路変換素子を設ければ、光導波路内に入
射してから該素子に入射するまでの光ビームの光路と、
表面弾性波によって回折した後光導波路内を導波する光
ビームの光路の双方を、光学軸に対して９０°あるいは
０°に近い角度に設定可能となる。これら２つの光路は
、例えば光導波路表面に形成した回折格子（グレーティ
ングカプラ）やプリズムカブラによって外部光を光導波
路内に入射させるため、あるいは導波光を光導波路外に
出射させるためにどうしても長くなりがちであるが、こ
れらの光路の角度が上述のようになっていれば、そこに
おける導波光の放射損失を極めて低く抑えることが可能
となる。

また、上記光路変換素子において光路変換されてから表
面弾性波に入射するまで光導波路内を導波する光ビーム
の光路は、放射損失が大きくなりがちな角度となるが、
該光路変換素子が表面弾性波に近接して配置されていれ
ば、この光路が短くなり、そこにおける導波光の放射損
失を低く抑えることができる。

（実　施　例） 以下、図面に示す実施例に基づいて本発明の詳細な説明
する。

第１．２図および３図は、本発明の一実施例による光偏
向装置を示すものである。この光偏向装置ＩＯは、−例
として光走査記録装置を構成するものであり、透明な基
板１Ｇ上に形成された薄膜光導波路１１と、この光導波
路１１の側端部に設けられた傾斜指チャーブ交叉くし形
電極対（Ｔｉｌｔｅｄ−Ｆ　ｉｎｇｅｒ　Ｃｈｉｒｐｅ
ｄ　　Ｉｎｔｅｒ　　Ｄｉｇｌｔａｌ　　Ｔｒａｎｓｄ
ｕｃｅｒ。

以下ＩＤＴと称する）１５と、光変調器を兼ねた光路変
換素子としての電気光学グレーティング（Ｅｌｅｅｔｒ
ｏｏｐｔｉｃ　ａ　ｒａｔｔｎｇ、以下ＥＯＧと称する
＞　１４と、この光導波路１１の表面において互いに離
して設けられた光入射用線状回折格子（Ｌｉｎｅａｒ　
Ｇｒａｔｉｎｇ　　ｃ　ｏｕｐｌｅｒ　：以下ＬＧＣと
称する）２０および光出射用ＬＧＣ２１とを有している
。また基板１６の光導波路１１と反対側の表面ｌｅａ上
には、光人射用プリズム３０と、光出射用プリズム３１
が取り付けられている。光入射用プリズム３０は断面三
角形状のもので、第１の光通過面３０ａと第２の光通過
面３０ｂを有し、上記第１の光通過面３０ａが基板表面
１６ａに強く押圧されることにより、あるいは高屈折率
の接若剤を用いる等により、該表面１［ｉａに密着固定
されている。光出射用プリズム３１も上記光入射用プリ
ズム３０と同様の形状とされ、第１の光通過面ａｔａ、
第２の光通過面３１ｂを有し、上述と同様にして基板ｌ
ｅａに固定されている。

本実施例においては一例として、基板１Ｂに負の一軸異
方性結晶であるＬｉＮｂＯ３ウェハを用い、このウェハ
の表面にＴｉ拡散膜を設けることにより光導波路１１を
形成している。ここで、基板１ＢはＸ−ｃｕｔとされ、
光学軸（Ｚ輔）が第３図中で上下方向となるように形成
されている。なお光導波路１１は上記のＴｉ拡散に限ら
ず、基板１６上にその他の材料をスパッタ、蒸着する等
して形成することもできる。また本発明では上述したＬ
ｉＮｂＯ３に限らず、例えば正の一軸異方性結晶である
Ｌｉｔａ０３等、その他公知の基板を用いて光導波路１
１を形成することができる。そしてこの光導波路１１は
、上記光学軸が導波路面内に含まれるように形成される
。またこの光導波路１１は、上記Ｔｉ拡散膜等、後述す
る表面弾性波が伝播可能な材料がら形成される。

なお光導波路については、例えばティー　タミール（Ｔ
、　Ｔａｍ１ｒ）　ｌａ　ｒインチグレイテッド　オブ
テイクス（Ｉ　ｎｔｅｇｒａｔｅｄ　０ｐｔｉｃｓ　）
　Ｊ　　（トピックス　イン　アプライド　フィジック
ス（Ｔ　ｏｐｉｃｓ　Ｉｎ　　Ａｐｐｌｉｅｄ　　Ｐｈ
ｙｓｉｃｓ）第７巻）スブリンガフエアラーグ（Ｓ　ｐ
ｒｉｎｇｅｒ　−Ｖｅｒｌａｇ　）刊（１９７５）；西
原、春名、楢原共著「光集積回路」オーム社刊（１９８
５）等の成著に詳細な記述がある。

記録光を発する半導体レーザ１８は、光入射用プリズム
３０の第２の光通過面３０ｂに向けて垂直に、波長λ−
７８０ｎｍの光ビーム（レーザビーム）１３を射出する
ように配置されている。発散ビームであるこの光ビーム
１３は、コリメーターレンズ２７によって平行ビームと
された上で上記第２の光通過面３０ｂから光入射用プリ
ズム３０内に入射し、その第１の光通過面３０ａを通過
して基板１６内に入射し、光導波路１１を透過して、そ
の表面に形成された前記Ｌ　Ｇ　Ｃ２０の部分に入射す
る。それにより光ビーム１３はこのＬ　Ｇ　Ｃ２０で回
折して光導波路ｌｌ内に入射し、該光導波路１１内をＴ
Ｅ導波モードで矢印Ａ方向に進行する。

画像記録を行なう際には、例えばエンドレスベルト等の
移送手段２２上に感光体２３がセットされる。

そして半導体レーザ１８はレーザ駆動回路１９により、
レーザビーム１３を射出するように駆動され、それとと
もにＩＤＴ１５には駆動回路１７から、周波数が１〜２
ＧＨｚの間で連続的に変化する交番電圧が印加される。

一方導波光（平行ビーム）１３の光路に配されたＥＯＧ
１４には、駆動回路２４から電圧Ｖが印加される。この
電圧Ｖの値は、画像信号Ｓを受ける変調回路２５により
、該信号Ｓに応じて変化するように（つまり光ビーム１
３を強度変調する場合は連続的に変化するように、０Ｎ
−ＯＦＦ変調する場合は２値のうちの一方を選択的にと
るように）制御される。

上記のＥ　ＯＧ　１４は回折格子を形成するものであり
、このＥＯＧ１４により導波光１３が回折し、回折光１
３°は第１図の実線表示の方向に、また０次光１３“は
破線表示の方向に進行する。そしてこのＥＯＧ１４によ
って光導波路１１に電界印加がなされると、電気光学効
果により光導波路１１の屈折率が変化し、上記回折の効
率が変化する。この回折効率の変化率は、ＥＯＧ１４に
印加される電圧Ｖの値に応じて変化するので、結局上記
回折光１３°は画像信号Ｓに応じて変調されることにな
る。

なお、上記実施例におけるＥ　ＯＧ　１４は、電極指線
幅が３．７５８ｍ１電極指周期が１５μｍ１電極指の有
効長が１．３　ｍｍ、電極指対数が１００対のものであ
り、最大回折効率ηＭ−９３％、変調周波数ｆＭ＝２５
ＭＨｚを実現できた。このようなＥ　ＯＧ　１４は、公
知のフォトリソ法等によって形成可能である。

一方ＩＤＴ１５に前述のような電圧印加がなされること
により、光導波路１１の表面を表面弾性波１２が第１図
の矢印Ｂ方向に進行する。ＩＤＴ１５は、この表面弾性
波１２が導波光（前記回折光）１３゛　の光路に交わる
方向に進行するように配設されている。したがって導波
光１３’　は、表面弾性波１２を横切るように進行する
が、その際該導波光１３″は表面弾性波１２との音響光
学相互作用によりブラッグ＜　Ｂ　ｒａｇｇ）回折する
。周知の通り、この回折による導波光１３°の偏向角は
、表面弾性波１２の周波数にほぼ比例する。前述の通り
駆動回路１７はＩＤＴ１５に、周波数が連続的に変化す
る交番電圧を印加するので、表面弾性波１２の周波数が
連続的に変化し、それとともにブラッグ条件が常に満た
されるように表面弾性波１２の伝播方向が連続的に変化
し、それにより上記偏向角が連続的に変化するようにな
る。したがってこの導波光１３°は矢印Ｃで示す通り、
回折角が連続的に変化するように回折、偏向する。この
ようにして偏向した導波光１３°は、Ｌ　Ｇ　Ｃ２１に
より回折して光導波路１１から基板１６側に出射する。

こうして光導波路１１から出射して外部光となった光ビ
ーム１３’　は、光出射用プリズム３１の第１の光通過
面３１ａを通過して該プリズム３１内に入射し、第２の
光通過面３１ｂを垂直に通過してプリズム外に出射する
。

上述のようにして光偏向装置１０外に出射した光ビーム
１３　　は、例えばｆθレンズからなる走査レンズ２Ｂ
を通過して小さなビームスポットＱに絞られ、感光体２
３上を矢印Ｕ方向に走査（主走査）する。それとともに
感光体２３が、移送手段２２により上記主走査の方向と
略直角な矢印Ｖ方向に移送されて副走査がなされるので
、感光体２３は光ビーム１３’　により２次元的に走査
される。前述したようにこの光ビーム１３″は画像信号
Ｓに基づいて変調されているので、感光体２３上にはこ
の画像信号Ｓが担う画像が記録される。

なお１主走査ライン分の画像信号Ｓと光ビーム１３°の
主走査との同期をとるためには、この画像信号Ｓに含ま
れるブランキング信号ｓｂをトリガ信号として用いて、
ＩＤＴ１５への電圧印加タイミングを制御すればよい。

またこのブランキング信号ｓｂにより移送手段２２の駆
動タイミングを制御することにより、上記主走査と副走
査との同期をとることができる。

次に、導波光１３．１３′　の放射損失について説明す
る。第３図に示すように、Ｌ　Ｇ　Ｃ２０およびＬＧＣ
２１の長さはそれぞれ５ｍｍ、１４ｍｍとされ、またＬ
　Ｇ　Ｃ２０の長さ方向中央からＥ　ＯＧ　１４の中央
までのＹ軸方向距離は３゜５　ｍｍ１ＥＯＧ１４の中央
から表面弾性波１２による回折点までのＹ軸方向の距離
はｉ、５　ｍｍ、上記回折点からＬ　Ｇ　Ｃ２１の長さ
方向中央までのＹ軸方向距離は８ｍｍとされている。

モして導波光１３は、ＬＧＣ２０からＥＯＧ１４の間に
おいて光学軸（Ｚ軸）に対して８７°の角度で、また導
波光１３°はＥ　ＯＧ　１４から表面弾性波１５までの
間において光学軸に対して８１”の角度で進行するよう
に、また表面弾性波１２により回折後の導波光１３′　
は偏向角の中心において光学軸に対して９０゜の角度で
進行するようにＥＯＧ１４およびＩＤＴ１５が配置され
ている。なお本例においては表面弾性波１２による偏向
の角度範囲は６°とされており、したがって回折後の導
波光１３°は、上記光学軸に対して最小で８７°　（−
９０−６／２）の角度をなすことになる。

以上のように、Ｅ　ＯＧ　１４よりも前の導波光の光路
が光学軸となす角度、および表面弾性波１２で回折した
後の導波光の光路が光学軸となす角度はそれぞれ８７”
　、８７〜９０°となっているので、第４図から明らか
なように、この部分における導波光の放射損失係数αは
極めて小さくなる。前述したように、上記２つの光路の
長さは比較的長くなりがちであるが、上記のように放射
損失係数αが小さいために、これらの光路部分における
導波光の放射損失を低く抑えることができる。他方、Ｅ
ＯＧ１４から表面弾性波１２までの導波光光路が光学軸
となす角度は８１”であり、この光路部分における放射
損失係数αは、上記２つの光路におけるそれよりも大き
くなる（第４図参照）。しかし、このＥＯＧ１４は表面
弾性波１２に十分近接させて配置されているので、この
放射損失係数αが比較的大きくなる光路の長さが極めて
短くなっており、したがってこの光路における導波光の
放射損失も低く抑えられる。本例においてＬＧＣ２０が
らＬＧＣ２＋までの間の導波光の放射損失を実測したと
ころ、表面弾性波１２の周波数ｆ−１，５ＧＨ２のとき
に最小で２１％、一方ｆ−１，０ＧＨｚおよび２．０Ｇ
Ｈｚのとき、つまり偏向角が最小および最大のときに最
大で２８％であった。なお本例では、光導波路１１の実
効屈折率ｎ　ｅｆｆ’　−２，２、表面弾性波１２の伝
播速度Ｖ自３５００ｍ／ｓである。

比較例として第５図図示のような光偏向装置を作成して
、そこにおける導波光の放射損失を調べた。この比較例
において光導波路１１．　ＬＧＣ２０゜２１、ＩＤＴ１
５、光ビーム１３の波長、およびＩＤＴ１５に印加する
交番電圧の周波数範囲（すなわち導波光１３°の偏向角
範囲）は前記実施例におけるのと同じであり、一方前述
したＥＯＧ１４は設けないで、導波光Ｉ３°がＬＧＣ２
０から直接光学軸に対して８１’の角度で導波するよう
にした。この比較例においてＬＧＣ２０からＬＧＣ２１
までの間の導波光の放射損失を実測したところ、表面弾
性波Ｉ２の周波数ｆ＝１．５ＧＨｚのときに最小で４７
％、一方ｆ−１，０Ｇ　Ｈｚおよび２．０ＧＨｚのとき
、つまり偏向角が最小および最大のときに最大で５２％
であった。前記実施例における導波光の放射損失は、こ
の比較例におけるものと比べると、極めて小さくなって
いることが分かる。

次に本発明の第２実施例について、その平面形状を示す
第６図を参照して説明する。この第２実施例の光偏向装
置４０においては、第１のＩＤＴ１５から発せられた第
１の表面弾性波１２によって回折された導波光１３′が
、第２のＩＤＴ４５がら発せられた第２の表面弾性波４
２によって再度回折され、それにより広偏向角範囲が得
られるようになっている。本実施例では、第１の表面弾
性波１２によって回折、偏向した導波光１３′が光学軸
（Ｚ軸）となす角度は７８〜８４°　（つまり偏向角範
囲は６°）、第２の表面弾性波４２によって回折、偏向
した導波光１３゛が光学軸となす角度は８４〜９０°　
（偏向角範囲は、（９０−８４）　Ｘ２−１２°）であ
り、またＬＧＣ２０で光導波路１１内に入射してＥＯＧ
１４まで進行する導波光１３の伝播方向は光学軸に対し
て８４°となっており、それに対してＥＯＧ１４がら第
１の表面弾性波１２までの間の導波光１３°の伝播方向
と光学軸とがなす角度は７２°となっている。したがっ
てこの場合も、Ｅ　ＯＧ　１４を表面弾性波１２に対し
て近接配置すれば、放射損失係数αが大きくなりがちで
あるこのＥＯＧ１４から表面弾性波１２までの光路部分
における導波光の放射損失を低く抑えることができる。

そしてこの光路部分の前後における導波光の光路は比較
的長くなりがちであるが、それらの光路の角度が上述の
ようになっているから該光路部分における放射損失係数
αが小さくなり、全体として導波光の放射損失を低く抑
えることが可能となる。

なお以上説明したＥ　ＯＧ　１４は変調器を兼ねるもの
であるが、本発明において用いられる光路変換素子とし
てはそのようなものに限らず、単なる回折格子や、ある
いは光導波路に設けられたミラー等が用いられてもよい
。また上述のようなＥＯＧを用いて導波光を光路変換す
る場合、そこで回折した光を表面弾性波によって偏向さ
せるときは、０次光が迷光となって被走査面上の光ビー
ム走査範囲内に入り込まないようにＥＯＧによる回折角
を設定することが望ましい。

また以上説明した２つの実施例においては、光路変換素
子に入射する前の導波光の光路、および表面弾性波で回
折した後の導波光の光路の２つが、光路変換素子と表面
弾性波との間の光路と比べると、光導波路光学軸となす
角度がより９０°に近くなるようにして、導波光放射損
失の低減化が図られているが、前述の第４図から明らか
なように、上記２つの光路の各々と光導波路光学軸とが
なす角度をそれぞれ０°に近く設定する一方、光路変換
素子と表面弾性波との間の光路（光学軸となす角度は、
上記２つの光路が光学軸となすそれぞれの角度よりも大
きくなる）の長さを短くするようにして、上記と同様に
導波光の放射損失を低減することもできる。

（発明の効果） 以上詳細に説明した通り本発明の光偏向装置においては
、表面弾性波に入射する前の導波光の光路を変換する光
路変換素子を設けて、該素子よりも前、および表面弾性
波よりも後の導波光の光路を放射損失が少ない角度とし
、そして上記光路変換素子は表面弾性波に近接配置して
、放射損失係数が大きくなりやすいこれら両者間の光路
の長さを短くするようにしたから、全体として導波光の
放射損失が極めて低く抑えられる。したがって本装置に
おいては、低出力で安価な光源を用いることが可能とな
ってコストダウンが実現され、またその消費電力を低減
する効果も得られる。

【図面の簡単な説明】

第１．２および３図はそれぞれ、本発明の第１実施例に
よる光偏向装置を示す斜視図と側面図と部分平面図、 第４図は本発明に係る光導波路光学軸に対する導波光伝
播角度と、導波光放射損失係数との関係を示すグラフ、 第５図は従来の光偏向装置の一例を示す平面図、第６図
は本発明の第２実施例による光偏向装置を示す平面図で
ある。 ｌ０１４０・・・光偏向装置　　１１・・・光導波路１
２．４２・・・表面弾性波　　１３・・・光ビーム１３
′　・・・光路変換後の導波光

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 光学軸が導波路面内に含まれるように形成された、表面
   弾性波が伝播可能な一軸異方性薄膜光導波路と、 この光導波路内に入射されて該光導波路内を導波する光
   ビームと交わる方向に進行して、周波数が連続的に変化
   する表面弾性波を該光導波路において発生させる手段と
   を備えるとともに、 前記表面弾性波に入射する前の光ビームの光路を変換す
   る光路変換素子が設けられ、 この光路変換前の光ビームの光路、および表面弾性波に
   よって回折、偏向した後の光ビームの光路と前記光学軸
   とがなすそれぞれの角度が、光路変換後表面弾性波に入
   射するまでの光ビームの光路と前記光学軸とがなす角度
   と比べて、導波光の放射損失がより少ない角度となるよ
   うに前記表面弾性波発生手段の表面弾性波発生部と光路
   変換素子とが配置され、 かつこの光路変換素子が、表面弾性波に対して近接する
   ように配置されていることを特徴とする光偏向装置。