JPH04168427A - 光偏向素子 - 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（よ　例えば光ディスクのピックアップのだめの
光ヘッド等に用いる光偏向素子に関するもので、特に導
波路およびグレーティングを有するものである。

従来の技術 従来の光偏向素子については　本発明者たちが先に提案
した特願昭６３−１９６５８４号に記載されている。

第２図（ａ）１１　　この従来の光偏向素子の断面構成
を示す。同図に示すように　基板１上には導電性薄膜２
、誘電体層３を挟んで誘電体層３よりも高屈折率の導波
層４が形成されていム　導波層４の表面にはフォトレジ
スト等によって凹凸の周期構造（以下、グレーティング
という）４Ｇか形成されている。透明基板７の表面には
ＩＴ○等の透明導電性薄膜６が形成されており、透明導
電性薄膜６と導波層４との間に液晶層５か設けられてい
ム　グレーティング４Ｇのピッチは例えば０．　１μｍ
オーダーの大きさであり、深さは０．０１μｍオーダ□
−である。この形状効果により導波層表面近傍の液晶分
子をグレーティング４Ｇに沿った方向に配向させること
ができる。

次にその動作を説明する。導波層４内を伝搬する導波光
８はグレーティング４Ｇにより放射光９となる。放射光
９の回折角θ　（基板表面の法線１０となす角）は一般
に次式で与えられる。

ｓｉｎθ−Ｎ−λ／Ａ　　　−−−（１）λはレーザー
光の波長、Ｎは導波路の等価屈折風Ａはグレーティング
のピッチである。信号波発生器１１により得られる信号
波は振幅変調器１２により振幅変調され　その振幅変調
信号が導電性薄膜２と透明導電性薄膜６との間に加えら
れもこれにより、等側屈折率Ｎの値が変化法　上記の（
１）式の関係から回折角θを制御することができる。

この等側屈折率Ｎについて、第２図（ｂ）を用いて説明
すム　導波層４内を光がＢ方向へ伝搬する場合　光は導
波層４内をＡで示す矢印のようにジグザグに伝搬する。

この時、導波層４内の屈折率をｎとし　図のように角度
ωをとると等側屈折率Ｎは Ｎ＝ｎ１ｓｉｎω で与えられる。すなわ板　ジグザグに進んでいる光をＢ
に示す方向に進んでいると考えて屈折率ｎを換算した値
が等側屈折率Ｎであム 第３図は振幅変調信号の制御による液晶５の配向方向の
変化と、導波層表面の法線方向の屈折率分布の変化を示
す。同図（ａ）は振幅変調信号がＯあるいは小さい時を
示し　液晶分子５Ａの配列はグレーティングに沿った方
向てあ４　同図中で導波光はグレーティングに直交して
（紙面に垂直な方向に）伝搬するので、ＴＥモードの導
波光に対する液晶５の屈折率は異常光に対する屈折率ｎ
Ｅに等しし見　従って、法線方向（Ｘ軸方向）に沿った
液晶５の屈折率分布はほぼ一様にｎＥとなる。この時、
　ｎＥは導波層４の屈折率ｆｉＦよりも太きいため導波
層４内の光は液晶５側へ抜けることになム第３図（ｂ）
は振幅変調信号の振幅を同図（ａ）の場合よりも大きく
した場合を示し　液晶分子の配列がグレーティング方向
と直交する法線方向（Ｘ軸方向）を向く。ただし導波層
表面近傍の液晶分子５Ｂはグレーティングによる配向保
持力が働き十分に法線方向を向いていな（℃　従ってＴ
Ｅモードの導波光に対する液晶５の法線方向屈折率分布
は透明導電性薄膜６近傍では正常光に対する屈折率ｎｏ
に近く、導波層４表面近傍では異常光に対する屈折率ｎ
［に近くなる。このた臥　液晶５の屈折率がｉ’ｌＦよ
り大きい領域の近傍までは導波層４内の光が液晶５側へ
にじみ畠ることになる。このにじみ出る幅を図中でＴ、
として示すと、すなわち導波層４内の光は幅Ｔ、の分だ
け液晶５側ににじみ出て、そこを境に反射されるので、
光が伝搬する導波層の領域が幅ＴＬの分だけ広がったこ
とになる。

このようにこのにじみ出る幅を振幅変調信号の強弱によ
って制御することにより、等側屈折率Ｎを任意の値に設
定することができ、（１）式の関係より放射光９の回折
角θを制御することになる。

一般に導波層の領域全てを液晶とした場合の光の伝達損
失は２０〜３０ｄＢ／ｃｍと犬き践　しかし　同図に示
した光偏向素子で（よ　導波層４と液晶５内の幅Ｔ、の
領域をともに導波するモードとしており、液晶５内であ
る幅ＴＬ内を導波する光量の割合か全導波光量に比較し
て、非常に小さいので導波光量−の伝達損失も小さくす
ることができる。

第３図（ｃ）は更に振幅変調信号の振幅を大きくした場
合であり、同図（ｂ）の場合よりｋ　多くの液晶分子５
Ｃの配列がグレーティング方向と直交して法線方向（Ｘ
軸方向）を向き、液晶５内の屈折率が導波層４の屈折率
よりも小さくなるたム　導波光は液晶内ににじみ出にく
くなり、導波光かにじみでる幅Ｔ、はｔ・に収束する。

振幅変調信号振幅Ｖと膜厚Ｔ、の関係は第４図（ａ）の
通りである。振幅変調信号の振幅Ｖが小さい時（Ｖ＜Ｖ
ｌ）、導波光かにじみでる幅Ｔ、は液晶の厚みｔＬに等
しｌ、％　　すなわ叛　導波光が液晶層を透過するので
あ＆ｖを太き（Ｌ　Ｖｌ＜Ｖ＜Ｖｌの時は振幅Ｖの増大
と共に幅Ｔ、は単調に減少する。すなわ叛　液晶内で導
波光の反射される位置が徐々に導波層側に移動すること
になる。さらにＶを大きくして、振幅Ｖがｖｌを越える
とＴ　Ｌ　−ｔ・になる。従って、振幅変調信号振幅Ｖ
をＶＩＩを中心に波形１４のごとく変動させると幅Ｔ、
はｔｇを中心に変動する波形１５となる。

第４図（ｂ）は導波層の等価膜厚Ｔ（波長λで標準化）
と等偏屈折率Ｎの関係を示し　等偏屈折率Ｎは膜厚Ｔの
増大に伴い屈折率ｎｏ（誘電体層３の屈折率Ｈｓ＞ｎｏ
の場合にはｎｏ）から導波層の屈折率ｎＦまで単調増加
する曲線１６となる。　（ただしｌｏ＞ｎＦの場合は増
大方向の終値かｎＦよりやや大きくなる。）等価膜厚Ｔ
は誘電体層側でのにじみ幅を無視して近似的に導波層膜
厚ｔＦと幅ＴＬとの和で与えられも　前述のごとく幅Ｔ
Ｌがｔｏを中心に変動する波形１５を示せば　等価膜厚
Ｔは（ｔＦ＋ｔｏ）を中心に変動する波形１７を示す。

従って等偏屈折率ＮはＮ、を中心に変動する波形１８を
示す。

（１）式で示したようζへ　等偏屈折率Ｎの変動は回折
角θの変動として現れるので、幅Ｔ、の変化により放射
光の回折角が変わＬ　すなわち振幅変調信号の振幅Ｖを
変動させることで放射光の回折角が変わることになる。

発明が解決しようとする課題 このような従来の提案による光偏向素子に於て以下の問
題があっな 第５図（ａ　）　ｉ；Ｌ　　導波層上のグレーティング
を同心円状とし　導波層からの放射光の回折角変化を集
光点の移動に用いる場合を示す構成図であａ　同図の構
成は第２図に示したものとほぼ同様の構成であるので詳
細は省略する。半導体レーザー３１から出射されたレー
サー光３２は集光レンズ３３等を経て平行光３４となり
、点○を中心とした同心円形状のグレーティングカブラ
４Ｆにより導波層４内に入力して点○より放射方向に伝
搬する導波光８となる。導波光８は基板１の外周側の輪
帯領域上に設けられた点○を中心とした同心円形状のグ
レーティングカプラ４Ｇにより放射光９ａとなム　な抵
　グレーティング４ＧのピッチＡは同心円の径方向に連
続的に変調されており、放射光９の回折角はグレーティ
ング４Ｇのピッチ変調にしたがって同心円の径方向に連
続的に異なる角度になっていも　従って、放射光９は液
晶層５および透明基板７等を経て点Ｏを通る中心［１０
上の点Ｆ１に集光する。ここで信号波発生器１１および
振幅変調器１２により得られる振幅変調信号が導電性薄
膜２と透明導電性薄ｗＸ６との間に加えられることで液
晶層の配列変化が生よ　導波光に対する等偏屈折率Ｎが
ｄＮだけ変化する。この結果前記の（１）式にしたがっ
て、放射光９ａの向きが変わり放射光９ｂとなるため中
心軸１０上の集光点の位置もｄｆだけ変化してＦ２とな
る。

第５図（ｂ）は液晶層への電圧印加による等偏屈折率Ｎ
の変化量ｄＮに対する、　集光点の移動量ｄｆを示す図
である。一般に液晶材料の複屈折△ｎ（＝ｎｉ−ｎｏ）
ｌよ　大きくても０．２５程度であり、　これにより生
ずる等偏屈折率Ｎの変化ｄＮは０．１程度が限界である
。従って、焦点距離ｆが３０００μｍの場合では第５図
（ｂ）に示すような特性を示し　大きくてもｄ　ｆ＝６
００μｍ程度の焦点移動量しか得られな（−焦点移動量
を拡大する方法として等偏屈折率Ｎまたは焦点距離ｆの
値を大きくすることが考えられるカミ　前者は導波層等
の材料及びプロセスから制約をうけることが多く、後者
は開口数ＮＡが一定の条件下では集光性の劣化を招くな
どの問題があム　ま？＝　　ｄＮ＝０．１の様にｄＮを
大きくするということは光か導波する領域のうち液晶層
の占める割合を大きくすることに等しし−すなわち伝搬
中の光の損失が大きいことになム　このた嵌できるだけ
小さいｄＮ値で大きいｄｆを得ることが望まれも したがって、　この偏向素子を例えは±３００μｍ程度
以上の焦点変移量が要求される光学ヘッド装置などの焦
点制御機能に用いるのは実用上困難であつｔ、。

課題を解決するための手段 本発明は上記課題を解決するた玖　周期構造を有する導
波層と液晶層とを挟む基板のべ　透明基板の代わりに少
なくとも１つの凹レンズを設ける。

あるいは透明基板上に少なくとも１つの凹レンズを設け
る。

作用 本発明は上記の構成により、液晶層の配列変化による導
波層から放射される光の偏向角が小さくてＬ　凹レンズ
を透過することでその偏向角が拡犬されも 実施例 本発明の光偏向素子の一実施例を図面に基づいて説明す
る。な耘　従来例と同様の構成要素については同一の番
号を付し　詳細な説明を省く。

第１図（ａ）は本発明の実施例における光偏向素子の断
面構成を示す。同図において液晶層５は凹レンズ２７の
一方の面に形成されたＩＴＯ等の透明導電性薄膜６と導
波層４との間に液晶を充填することで形成されていも 同図において半導体レーザー３１からのレーサー光３２
（よ　集光レンズ３３等を経て同心円形状のグレーティ
ングカブラ４Ｆにより導波層４内に入力して導波光８と
なり、この導波光８は同心円形状のグレーティングカブ
ラ４Ｇにより放射光９となる。放射光９は液晶層５およ
び凹レンズ２７等を経て点Ｏを通る中心軸１０上の点Ｆ
１に集光すム　ここで従来例と同様　導電性薄膜２と透
明導電性薄膜６との間に加えられる電圧信号により中心
軸１０上の集光点の位置が変化して、　Ｆ２となるわけ
であるカミ　この場合の偏向角（２９ａと２９ｂのなす
角度）は凹レンズの屈折作用により増幅され　グレーテ
ィング４Ｇでの回折角変化量（９ａと９ｂとのなす角度
）より大きい角度となム 第１図（ｂ）は第１図（ａ）の構成において等偏屈折率
Ｎの変化量ｄＮに対する焦点移動量ｄｆをプロットした
ものであム　な壮　焦点距離ｆおよび等偏屈折率Ｎは第
５図（ｂ）に示したものと同一条件であム　第５図（ｂ
）および第１図（ｂ）の比較か技　レンズの作用により
焦点移動ｆｉｄｆが約１．５倍程度、増幅されているの
かわかる。

従って、本発明では小さいｄＮでより大きな焦点移動量
ｄｆが得られ　±３００μｍ以上の焦点移動も可能とな
り、光ヘツド装置の焦点制御機能にも適用できるので、
実用上きわめて有効な光偏向素子を提供できる。

な払　本実施例では同心円状のグレーティングを用いた
力（これに限るわけではなくスパイラル状であっても本
発明を適用できるし　また　直線状のグレーティングで
あっても回折角θの変化範囲を大きくとれる光偏向素子
を提供できる。

また　本実施例では１枚の凹レンズを用いた場合を示し
ため（複数のレンズを組み合わせることでさらに大きい
焦点変移幅を得ることも可能である。

また　本実施例では周期構造として溝形状のものを用い
たが特にこれに限るわけではなく、例えば周期的に屈折
率が異なる平らな膜を用いてもよ（駆 発明の効果 以上　本発明によれば導波層から放射される光の偏向角
が凹レンズにより増幅されるた嵌　光の偏向角のより大
きい光偏向素子が得られる。特に周期構造を同心円状と
し導波光を周期構造に直交して放射方向に伝搬さセ′、
、導波層からの放射光を導波層外の集光点に集光させる
場合、集光性を保ったままの集光点の変位として太きい
ものが得られ　焦点距離ｆや等側屈折率Ｎ等の値の設定
に対する裕度も高まるので、実用上極めて有効である。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は本発明の第一実施例における光偏向素子
の断面構成父　第１図（ｂ）は同図（ａ）の構成で得ら
れる等偏屈折率の変化量ｄＮに対する焦点移動量ｄｆを
プロットした特性図　第２図（ａ）は従来の光偏向素子
の断面構成医　第２図（ｂ）は透過屈折率Ｎについて説
明する概念医第３図（ａ）、　（ｂ）、　（ｃ）は振幅
変調信号による配向方向の変化と法線方向の屈折率分布
の変化を示す説明皿　第４図（ａ）は振幅変調信号振幅
■と膜厚ＴＬとの関係を示す特性図　第４図（ｂ）は導
波層の等価膜厚Ｔ／λと等偏屈折率Ｎの関係を示す特性
図　第５図（ａ）は従来の光の集光点を移動させる光偏
向素子の構成断面医　第５図（ｂ）は同図（ａ）で得ら
れる等偏屈折率の変化量ｄＮに対する焦点移動量ｄｆを
プロットした特性図である。 ］・・・基板、　２・・・導電性薄膜　３・・・誘電体
層４・・・導波層４Ｇ、　４Ｆ・・・グレーティンクー
５・・・液晶層　６・・・透明導電性薄膜　８・・・導
波光９ａ、　９ｂ・・・放射光　１１・・・信号波発生
器１２・・・振幅変調器　２７・・・凹レン純代理人の
氏名　弁理士　小鍜治明　はが２名婁１「　２　図　　
　　　　　　　　　　　（ａ）岸点饗１立’＃−ｄｆ（
μｍ） Ｖ　僚ＩＩＩｍａｏｌ傅ａ １ａ　　　　遜 第３図 １１４図 変調１ｚ号賑ｆ１ぴ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）液晶層と、前記液晶層に隣接した光導波層と、前
   記二つの層を挟むように形成した基板及び透明基板から
   構成され前記基板の表面には導電性薄膜と誘電体層を形
   成し、前記透明基板の表面には透明導電性膜を形成し、
   前記光導波層内または光導波層と液晶層の境界に周期構
   造を有し、前記透明基板を少なくとも１つの凹レンズで
   形成する、あるいは前記透明基板に隣接して少なくとも
   １つの凹レンズを設けることを特徴とした光偏向素子。
2. （２）周期構造は複数の溝状、かつ同心円状もしくはス
   パイラル状としたことを特徴とする請求項１記載の光偏
   向素子。