JPH0336529A

JPH0336529A - 光偏向装置

Info

Publication number: JPH0336529A
Application number: JP17152389A
Authority: JP
Inventors: Masanori Watanabe; 昌規渡辺; Osamu Yamamoto; 修山本; Tomohiko Yoshida; 智彦吉田
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1989-07-03
Filing date: 1989-07-03
Publication date: 1991-02-18

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、偏向角が大きくしかも高速動作に適した導波
路型光偏向装置に関する。さらに詳しくは、レーザビー
ムプリンタ、投射型レーザデイスプレィなどに適した光
偏向装置に関する。

〈従来技術及び発明が解決しようとする課題〉光ビーム
の偏向はレーザビームプリンタ、投射型レーザデイスプ
レィなどに欠かせない技術である・求められる性能とし
て、高速性、大偏向角、小型軽量、保守が容易、低価格
などがあるが、現在これらの要求をすべて満たす光偏向
装置は存在しない。実用化している方式としては、ポリ
ゴンミラーを用いる方法、ホログラフィックスキャナを
用いる方法、音響光学効果を用いる方法などがある。ポ
リゴンミラーやホログラフィックスキャナはモーターに
よって回転させているのでやや大型であり、また偏向速
度が遅く、特にテレビ画面の水平偏向のように数１０ｋ
Ｈｚ以上の偏向速度を必要とする分野での使用には耐え
られない。−方音響光学効果を用いる方法は高速である
が偏向角が高々５°程度と小さく装置全体が大型化して
しまうという難点がある。

本発明は以上の点に鑑み、大偏向角と高速性とを両立さ
せた光偏向装置を提供することを目的とするＯ〈課題を解決するための手段〉本発明は、光導波路を複屈折基板に形成した場合に生じ
る「偏光モード変換による導波モード・放射モード結合
」という現象によって導波路の伝搬光が基板へ放射され
ることを利用する。その放射角は導波路の等理屈折率に
大きく依存するので、等理屈折率の異なる複数の導波路
を同一基板上に作製し、光スイッチを用いて光の入射す
る導波路を選択することによシ、偏向角の大きく取れる
光ビーム偏向を実現する。また光スイッチとして機械的
可動部のない電子式光スイッチを用いることによυ、高
速光偏向を実現することができる。

〈作　用〉複屈折材料にかける直交する偏光成分に対する２つの屈
折率のうち、小さいほうをｎ　（ａ）、大きいほうをｎ
　（ｂ）とする。例えば負の単軸結晶にかいては、異常
光屈折率がｎ　（ａ）、常光屈折率がｎ　（ｂ）となる
。偏光モード変換による導波モード・放射モード結合は
、導波モードの等理屈折率をＮｅ　ｆ　ｆ　（ａ）、導
波モードに直交する偏光に対する基板の屈折率をｎ、（
ｂ）とするとき、Ｎｅ　ｆ　ｆ　（ａ）　＜　ｎ　ｓ　（ｂ）の場合に生
じ得る。このとき放射光進行方向の導波路に対する角度
は、ｃ　ｏ　ｓ−”　（Ｎｅｆ　ｆ　（ａ）／　ｎ、（ｂｌ
　）で与えられる。

な釦このモード変換を、■ＬｉＮｂＯ３にかいてｙ板、
Ｘ板を用い、伝搬方向を光軸方向を光軸からずらす、■
Ｌ　１Ｎｂ０３　＋　Ｌ　１Ｔａ０３に訃ける電気光学
効果を利用する、■ＬｉＮｂ０ａにかいて入射光ｆｌを
光誘起屈折率効果が起こる閾値上９大きくする（ｅ長が
短い場合は少ない光量で光誘起屈折率効果が発生し得る
）、■プロトン交換ＬｉＮｂＯ３導波路を作製する際、
急加熱、急冷などを行い、導波路部分に結晶歪み発生、
導波路部分の多結晶化・粒子方向ばらつき発生を起こす
、などで効率良く実現することができる。

〈実施例〉以下、実施例に基づいて本発明の詳細な説明する。

（実施例１）第１図（ａ）、　（ｂ）、　（ｃ）はそれぞれ本発明の
第１の実施例である光偏向装置の上面図および導波路１
８１゜１８３を含む面にかける断面図である。

導波路基板１００は、Ｘカッ）ＭｇＯドープトＬｉＮｂ
Ｏ３基板であって、全面にＴｉ拡散がなされ深さ約０．
７μｍのスラブ導波路が形成されている。さらにプロト
ン交換法によって深さ約０．８μ渦の導波路１１０．１
８１〜１８３および導波路レンズ１２０．１７０が形成
されている。導波路レンズはジオデシック型、フレネル
レンズ型であってもよい。また表面弾性波発生１ｉ［１
４０が形成され、電極に数１０〜数１００ＭＨｚ程度の
高周波電力を印加する事により表面弾性波を発生し、表
面弾性波はその周波数に応じた角度で導波光をブラック
回折・偏向し、薄膜１５０に吸収される。回折方式とし
てはラマン・ナス回折とすることもできる。

導波路１８１〜１８３のうち出射端面から長さｌの部分
は、伝搬方向が２軸から約２０°傾いていることから導
波ＴＥモードと放射ＴＭモードとの結合係数が大きくな
り、導波光が基板方向へ強く放射される。第１図（ｂ）
、　（Ｃ）はそれぞれ導波路１８１．１８３を含む断面
図だが、この比較で分かるように、導波路毎に放射角が
異なる。放射角（内部偏向角）は上記〈作用〉で説明し
た様に基板の複屈折率と等理屈折率との関係から導かれ
るので、導波路１８１〜１８３の幅を１〜２μ九の間で
変えることによって等理屈折率を変えている。

等理屈折率は導波路深さを変えることによっても変える
ことができる。ＬｉＮｂＯ３基板の場合には、波長０．
６３３μ仇にかいて異常光屈折率が２．２００．常光屈
折率が２．２８６であり、プロトン交換による導波路の
場合に異常光に対して常光屈折率を上回る導波路領域の
常光屈折率が得られることから、導波路の幅・深さおよ
び伝搬モードに応じて等理屈折率が２．２００から２．
２８６１で変化する。このとき最大内部偏向角１５．８
、そのときの外部偏向角３６．８°（端面垂直研磨時）
が見積もられる。最小偏向角は理論的には内部・外部と
も０°である。

導波路からの放射にかいて、基板の深さ方向には一定の
偏向角を有する指向性の強い光となるが、横方向には広
がってしすう。この広がシを抑えるためシリンドリカル
レンズ２００などでビーム整形を行う必要がある。

波長０．６３３μｍのＨｅ−Ｎｅレーザ１０から発した
光はレンズ２０によって集光され、基板１００上の導波
路１１０にＴＥモードとして入射する。

導波路１１０を出射した光は導波路１００表面のＴｉ拡
散領域に閉じ込められて２次元的に広がシ、導波路レン
ズ１２０で平行ビームにされ、電極１４０を発した表面
弾性波によって回折される。

回折された光は導波路レンズ１７０によって集光され導
波路１８１〜１８３のいずれかの端面に結合する。表面
弾性波の周波数に応じて回折角が変化することを利用し
て導波路１８１〜１８３のいずれに結合するかを選択す
る。

実験によれば、導波路１８１，１８２．１８３に外部偏
向角はそれぞれ約１４．２６．３２°であった。またそ
の変調速度は表面弾性波の変調速度とほぼ等しい２０Ｍ
Ｈｚ以上が得られた。

（実施例２）本発明の第２の実施例を第２図に示す。

本実施例にかいては基板への入射光を偏光モード変換放
射導波路へ切シ替え接続するためマ）　ＩＪフックス光
スイッチを用いた。光スイッチとしては、電気光学効果
を利用した方法として、方向性結合器型、Ｙ分岐型、内
部全反射型などがあるが、ここでは比較的分岐部分の長
さが小さい内部全反射光スイッチ１６１〜１７２をツリ
ー状に配置した。この拡大図を第３図に示す。ｙカッ）
ＬｉＮｂ０３基板上に形成された光スイツチ１６１ば、
電極Ａ−Ｂ間に電圧を印加しないときは導波路１１３か
ら導波路１１７へ光を直進させ、電極間に数１０Ｖの電
圧をかけその間の屈折率を電気光学効果によって高くす
ると、光の一全反射条件を満たすことによシ導波路１１
３から導波路１１８へ光の向きを変える。なか、このほ
かＧａＡｓ、ＩｎＰなどの化合物半導体基板上の導波路
にかいて電流注入による屈折率変化を利用する。スイッ
チを用いることも考えられる。このような化合物半導体
基板上の導波路でも偏光モード変換による放射は生じる
ので、光スイツチ部と光放射部を集積化することができ
る。

本実施例に釦いて光スイツチ部は電気光学効果によって
生じる屈折率変化に対して導波路の屈折率を小さくする
ためＴｉ拡散導波路とした。一方光放射導波路部は偏向
角の導波路間の差を大きくするためプロトン交換導波路
とし、導波路部分の屈折率変化を大きく取った。

光放射部は４つの偏向角を選択する導波路が４本ずつ、
計１６本の導波路よシなる。このように同じ偏向角の導
波路を複数にするのは、複数の導波路からの放射光を重
なう合わすことによって、横方向の指向性をもたすため
である。１つの導波路からの遠視野像は第４図Ｃａ）に
示すように半周の円弧になっている。円弧の光強度分布
は導波モードが０次モードなどの偶モードのとき、下側
が最も強くなる。第４図（ｂ）の様にこの円弧が下側で
４つ重なると、重なった部分にかける光強度ば４Ｘ４＝
１６倍になり、事実上型なった部分だけに光が集中して
いると見てよい。

半導体レーザ１１を発した光はレンズ２０を介して導波
路１１０に入射する。導波路１１０はＹ分岐１５０，１
５１．１５２によって、はぼ等しい光量に４分配される
。

分岐１５１から続く導波路１１３に注目する。

電気光学効果を利用した光スイツチ１６１．１６５１６
６Ｆｉ外部からの信号によって制御され、導波路１１３
からの光は導波路１８１ａ〜１８４ａのいずれかに接続
される。導波路１８１ａ〜１８４ａの直線部はプロント
交換導波路となってかり、筐た導波路幅が１８１３が一
番狭＜１８４ａが一番広くなっているため放射光の角度
がそれぞれ異なることは実施例１と同じである。

導波路１１３から分かれる導波路のグループをａとする
と、ａ　−ｄの４つのグループがあり、各グル−プはそ
れぞれ連動して動作する。例えばグループａＫ釦いて導
波路１８３ａから光を放射しているときには、別のグ〃
−プでも導波路１８３ａと等しい導波路幅の１８３ｂ、
１８３ｃ、１８３ｄから光が出射するように動作する。

第２の実施例に訃いては単に大偏向角が達成されただけ
でなく、指向性に優れたビームが得られた。この光放射
導波路の数を大幅に増すことによシ、はとんど連続的な
偏向が可能である。変調速度について言えば、電気光学
効果を利用した光スイッチは本質的に数十ＧＨｚ以上の
超高速変調速度を有している。

なお、以上の実施例を通じて、基板１００の材料として
は、複屈折性を有し、導波路が作製しやすいものであれ
ば、様々なものを用いることができる。代表的なものと
しては、ＬｉＮｂＯ５の他にも、ＬｉＴａＯ３、ＫＮｂ
Ｏ３，β−ＢａＢ２０゜、ＢＮＮ（Ｂａ２ＮａＮｂｓｏ
ｔｓ）、ＫＤＰ（ＫＨ２ＰＯ４）、ＫＴＰ（ＫＴ　１Ｏ
ＰＯ４）、ＫＴＡ（ＫＴ　１ＯＡｓ０４）、ＢａＴｉＯ
３などの無機非線形光学材料、５ｉ０２（水晶）　、　
Ｚ　ｎ　Ｓ　、　Ｚｎ５ｅＣａＣＯ３，ＰＬＺＴ（Ｐｂ
−Ｌａ−Ｚｎ−Ｔｉ−０の化合物）、Ｔ　ｉ０２．Ａｌ
２Ｏ３，Ｆｅ２ｏ３１ＮａＮＯ３，ＣｄＳ、ＧａＡｓ、
ＧａＰ、ＧａＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡＩＰ、ＩｎＧａＡｓ
Ｐなどの無機材料、およびＭＮＡ、ＭＡＰ　（３−ｍｃ
ｔｈｙｌ−２，４−ｄｉｎｉｔｒｏｐｈｅｎｙｌ　　ａ
ｍｉｎｏｐｒｏｐａｎａｔｅ）、ｍＮＡ（メタニトロア
ニリン）、ＬＡＰ（Ｌ−Ａｒｇｉｎｉｎｅ　　Ｐｈｏｓ
ｐｈａｌｅ　Ｍｏｎｏｈｙｄｒａｔｅ）。

ＤＬＡＰ（重水素化ＬＡＰ）、尿素などの有機非線形光
学材料、延伸などによって配向化して複屈折を与えたポ
リビニルアルコール、アクリル、ＰＭＭＡ（ポリメチル
メタクリレート）、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）
などを用いることが考えられる。

〈発明の効果〉本発明の光偏向装置は、導波路からの偏光モード変換放
射にかける放射角が等理屈折率によって大きく変化する
ことを利用して大きな偏向角が得られ、また機械動作部
がないため本質的に高速動作性を有している。従って、
本発明にかける光放射導波路の本数を十分に多くした光
偏向装置の実用化によって、偏向角が大きいことによっ
て奥行きが縮められ、また高速動作を行うことのできる
レーザプリンタ、投射型レーザデイスプレィなどを実現
することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は本発明の第１の実施例を示す構成上面図
、第１図（ｂ）、（ｃ）は本実施例の断面図、第２図は
本発明の第２の実施例を示す構成上面図、第３図は本発
明の第２の実施例に用いた光スイッチの上面図、第４図
（ａ）、（ｂ）は本発明の第２の実施例を説明するため
の放射光の遠視野像図である。ｌＯ・・・レーザ光源　　２０・・・レンズ　　１００
・・・光導波路基板　　１１０・・・光導波路　　１８
１〜１８３・・・光放射導波路　　１２０．１７０・・
・導波路レンズ　　１４０・・・表面弾性波発生用電極
　　１５０・・・表面弾性波吸収薄膜　　２００・・・
シリンドリカルレンズ纂３図ｔσノ（ｂ）纂４図

Claims

【特許請求の範囲】１、複屈折性基板と、該複屈折性基板上に形成され、異なる等価屈折率を有し
た複数個の群を１つ以上備える光導波路と、前記複屈折率基板上に形成され、同一の等価屈折率を有
する前記光導波路を選択して光を入射させる光スイッチ
と、からなり、前記光導波路へ入射した導波光が偏光モード変換によっ
て放射モードに変換される際、前記複屈折性基板方向へ
放射する放射光が前記光導波路の等価屈折率の差によっ
て異なることを利用して入射光の光偏向を行なうことを
特徴とする光偏向装置。