JPH0621887B2

JPH0621887B2 - 光走査装置

Info

Publication number: JPH0621887B2
Application number: JP22418185A
Authority: JP
Inventors: 洋二岡崎; 寛砂川
Original assignee: Fuji Photo Film Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Holdings Corp
Priority date: 1985-10-08
Filing date: 1985-10-08
Publication date: 1994-03-23
Anticipated expiration: 2009-03-23
Also published as: JPS6283729A

Description

【発明の詳細な説明】（発明の分野）本発明は光走査装置、特に詳細には電気光学材料等の外
場印加あるいはエネルギー付加（以下これらをまとめて
エネルギー付加という）により光屈折率を変える材料を
用いて光走査を行なう光走査装置に関するものである。

（従来の技術）周知の通り従来より、光走査式の記録装置や、読取装置
が種々提供されている。このような装置において記録光
あるいは読取光を１次元的に走査する光走査装置として
従来より、例えばガルバノメータミラーやポリゴンミラー（回転
多面鏡）等の機械式光偏向器により光ビームを偏向走査
させるもの、ＥＯＤ（電気光学光偏向器）やＡＯＤ（音響光学光偏
向器）など固体光偏向素子を用いた光偏向器により光ビ
ームを偏向走査させるもの、液晶素子アレイやＰＬＺＴアレイ等のシャッタアレイ
と線光源とを組み合わせ、シャッタアレイの各シャッタ
素子に個別的に駆動回路を接続し、画像信号に応じて、
ＯＮ／ＯＦＦを選択して同時に開くことにより線順次走
査をさせるもの、さらにはＬＥＤ等の発光素子を多数一列に並設し、各発光素子
に個別的に駆動回路を接続し、画像信号に応じてＯＮ／
ＯＦＦを選択して同時に発光させることにより線順次走
査させるもの等が知られている。

ところが上記の機械的光偏向器は振動に対して弱く、
また機械的耐久性も低く、その上調整が面倒であるとい
う欠点を有している。さらに光ビームを振って偏向させ
るために光学系が大きくなり、記録装置や読取装置の大
型化を招くという問題もある。

またのＥＯＤやＡＯＤを用いる光走査装置にあって
も、上記と同様に光ビームを振って偏向させるために、
装置が大型になりやすいという問題がある。特に上記Ｅ
ＯＤやＡＯＤは光偏向角が大きくとれないので、の機
械式光偏向器を用いる場合よりもさらに光学系が大きく
なりがちである。

一方のシャッタアレイを用いる光走査装置にあって
は、偏向板を２枚使用する必要があることから、光源の
光利用効率が非常に低いという問題がある。

またの発光素子を多数並設して用いる光走査装置にあ
っては、各発光素子の発光強度にバラツキが生じるた
め、精密走査には不向きであるという問題がある。

上記のような事情に鑑み本出願人は、耐久性、耐振動性
に優れ、調整が容易で、光利用効率が高く、精密走査が
可能で、しかも小型に形成されうる光走査装置を提案し
た（特願昭６０−７４０６１号）。この光走査装置は、少なくとも一方がエネルギー付加により光屈折率を変え
る材料からなり、互いに密着された光導波層と通常は該
光導波層よりも小さい光屈折率を示してクラッド層とな
る隣接層との積層体と、上記光導波層および／または隣接層に、光導波層内を進
む導波光の光路に沿って設けられた複数のエネルギー付
加手段と、上記隣接層の上部の、少なくとも前記エネルギー付加手
段によるエネルギー付加箇所に対応する部分にそれぞれ
設けられた回折格子と、上記複数のエネルギー付加手段を順次択一的に所定のエ
ネルギー付加状態に設定し、そのエネルギー付加箇所に
おいて導波光が前記回折格子と相互作用する位置まで浸
み出してこの相互作用により前記積層体の外に出射する
ように光導波層および／または隣接層の光屈折率を変化
させる駆動回路とからなる構成され、光導波層の光屈折率（ｎ_２）および／または隣接層の光
屈折率（ｎ_１、通常状態すなわちエネルギーが付加され
ていない状態ではｎ_２＞ｎ_１の関係を持つ）を、その差
（ｎ_２−ｎ_１）が小さくなるように、あるいはｎ_２≦ｎ
_１となるように変化させて、光導波層中に閉じ込められ
た導波光の界分布を変化させ、回折格子との相互作用に
よって導波光を光導波層と隣接層との積層体から外部へ
取り出し、これを走査光として利用するようにしたもの
である。

より詳細に説明するならば、例えば第１図に示すように
この光走査装置が、基板10上に光導波層11、回折格子Ｇ
をもつ隣接層12（一例として電気光学材料から形成され
ているものとする）を有し、基板10の光屈折率ｎ_３、光
導波層11の光屈折率ｎ_２、電界を印加していないときの
隣接層12の光屈折率ｎ_１の間にｎ_２＞ｎ_１、ｎ_３の関係
が成り立っているものとする。

第１図で示した構成の場合、その電界非印加時の分散曲
線は第２図（ａ）のように表わされる。第２図（ａ）に
おいて縦軸は光の実効屈折率を、また横軸は光導波層11
の厚みを表わし、光導波層11の厚みをＴとすると、光導
波層11の実効屈折率はｎ_eff である。この時導波光14の
界分布（電界分布）は、例えばＴＥ_０モードを仮定する
と、第３図（ａ）のように表わされる。第３図（ａ）は
導波光がクラッド層となる隣接層12や基板10にわずかに
浸み出しているものの、回折格子Ｇと相互作用をするに
はいたらず、導波光がほとんど外部へ漏れずに光導波層
11中を進行している状態を示している。

次に、隣接層12に直接あるいは中間層を介して設けた電
極対（この第１図においては図示せず）の電極間に電界
を印加して、電極間間隙Ｐの部分における隣接層12の光
屈折率をｎ_１からｎ_１＋△ｎへ増大させる。この時、分
散曲線は第２図（ｂ）の１点鎖線で表わせられ、光導波
層11の実効屈折率ｎ_eff はｎ′_eff に増大する。この時
の導波光の電界分布は第３図（ｂ）のように変化し、隣
接層12への導波光の浸み出し光が、回折格子Ｇと十分相
互作用するように増加する。その結果、図の斜線部の浸
み出し光が図の上方（回折格子Ｇの種類によっては下方
又は上下双方）へ放射されながら進行し、遂には、ほと
んどの導波光が外部へ取り出される。

また、第１図で示した構成において、隣接層12の光屈折
率をｎ_１からｎ_１＋△ｎ″に変化させたとき、このｎ_１
＋△ｎ″の値が、隣接層12の光屈折率の変化に伴って変
化する光導波層11の実効屈折率ｎ″_eff と等しくなるほ
どに大きくなると、その分散曲線は第２図（ｃ）の１点
鎖線のようになり、導波光は導波モードから放射モード
へ変換し、光は隣接層12へ移行する。このときの導波光
の電界分布は第３図（ｃ）のように変化し、導波光は隣
接層12へ多量に漏れ出し、回折格子Ｇと相互作用して図
の上方（および／または下方）へ放射されながら進行
し、速やかに外部に取り出される。また隣接層12の光屈
折率ｎ_１を光導波層11の光屈折率ｎ_２と略等しいか又は
ｎ_２よりも大きくなるように変化させることによって、
光導波層11内の導波光の全反射条件を変化させて導波光
を隣接層中に移動させ、更に回折格子Ｇとの相互作用に
より、外部へ取り出すことができる。このようにして、
電界を印加した場所で導波光を外部に取り出すことがで
きるから、上述の電極対を複数、上記間隙Ｐが隣接層12
に沿って１列に延びるように設けておき、各電極対に順
次択一的に電界を印加すれば、隣接層12からは出射位置
を変えながら光が出射するようになり、光走査がなされ
る。

なお前述のように隣接層12を電気光学材料から形成して
その光屈折率を変化させる他、反対に光導波層11を電気
光学材料から形成してそこに電極対を設け、該光導波層
11の光屈折率を変化させる（低下させる）ようにしても
よいし、さらには光導波層11と隣接層12の双方を電気光
学材料から形成して双方に電極対を設け、双方の光屈折
率を変化させるようにしてもよい。

また、この時、回折格子Ｇの構造を集光性回折格子にし
ておくと取り出された光は一点へ集光し、散逸を防ぐこ
とができる。

上記構成の光走査装置は、単一の光源を使用するもので
あるから、前記ＬＥＤアレイ等にみられる光源の発光強
度バラツキの問題が無く、精密走査が可能となり、光源
の光利用効率も高められる。またこの光走査装置は、機
械的作動部分を備えないから耐久性、耐振動性に優れて
調整も容易であり、さらに光ビームを大きく振らずに走
査可能であるから、この装置によれば、光走査系の大型
化を回避し、光走査記録装置あるいは読取装置を小型に
形成することができる。

ところが上記の光走査装置においては、光導波層と隣接
層との積層体の製作が困難であるという問題がある。つ
まり上記構成の光走査装置にあっては従来、導波モード
が低次側に変換する際のエネルギー損失を防止するた
め、導波モードを０次モードとしており、光導波層およ
び／または隣接層の屈折率変化がさほど大きくとれない
場合、エネルギー付加手段によってエネルギー付加がな
されていない状態においてカットオフ付近のモード励振
をする必要がある。そうするためには光導波層の厚さＴ
_２は非常に薄くする必要があり、反対に隣接層の厚さＴ
_１は前記導波光の浸み出しを抑えるためにかなり厚くす
る必要がある。このように互いに密着される２つの層の
厚さが大きく異なると、スパッタ等による層形成が、各
層の熱膨張率の差のために良好に行なわれ得なかった
り、さらには特に厚い隣接層の形成に長時間を要するの
である。

また上記の光走査装置においては、回折格子から積層体
外への光の取出し効率が低い、という問題も認められて
いる。

（発明の目的）そこで本発明は、上記光導波層と隣接層との積層体が容
易に形成され得、そして積層体外への光の取出し効率が
十分に高い光走査装置を提供することを目的とするもの
である。

（発明の構成）本発明の光走査装置は、前述したような光導波層と隣接
層との積層体と、エネルギー付加手段と、回折格子と、
駆動回路とからなる光走査装置において、導波光の導波モードが１次モード以上の（つまり０次モ
ードではない）高次モードになるように、上記光導波層
および隣接層の光屈折率、光導波層の厚さが制御された
ことを特徴とするものである。

（実施態様）以下、図面に示す実施態様に基づいて本発明を詳細に説
明する。

第４図は本発明の一実施態様による光走査装置20を示す
ものである。基板10の上には、光導波層11と該光導波層
11に密着した隣接層12とからなる積層体13が設けられて
いる。なお隣接層12は一例として、前述した電気光学材
料から形成されている。そして前述のように光導波層11
内を光が進行しうるように光導波層11、隣接層12、基板
10はそれぞれ、前記関係ｎ_２＞ｎ_１、ｎ_３を満たす材料から形成されている。なお前述の通り、ｎ
_２、ｎ_３はそれぞれ光導波層11、基板10の光屈折率、ｎ
_１は隣接層12の電界非印加時の光屈折率である。このよ
うな光導波層11、隣接層12、基板10の材料の組合せとし
ては例えば、〔Ｎｂ_２Ｏ_５：Ｋ_３Ｌｉ_２Ｎｂ_５Ｏ₁₅：ガ
ラス〕、〔Ｎｂ_２Ｏ_５：ＬｉＮｂＯ_３：ガラス〕等が挙
げられる。なお光導波路については、例えばティータ
ミール（Ｔ．Ｔａｍｉｒ）編「インテグレイテッドオ
プティクス（ＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＯｐｔｉｃｓ）」
（トピックスインアプライドフィジックス（Ｔｏ
ｐｉｃｓｉｎＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ）第
７巻）スプリンガーフェアラーグ（Ｓｐｒｉｎｇｅｒ
−Ｖｅｒｌａｇ）刊（１９７５）；西原、春名、栖原共
著「光集積回路」オーム社刊（１９８５）等の成著に詳
細な記述があり、本発明では光導波層、隣接層、基板の
組合せとして、これら公知の光導波路のいずれをも使用
できる。

隣接層12内には電極対Ａ１、Ａ２、Ａ３〜Ａｎが多数対
並設されている。上記電極対Ａ１、Ａ２、Ａ３〜Ａｎ
は、それぞれ共通電極Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３〜Ｃｎと個別電
極Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３〜Ｄｎとからなり、各電極間の間隙
Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３〜Ｐｎが隣接層12に沿って１列に延び
るように並べられている。なお共通電極Ｃ１〜Ｃｎと個
別電極Ｄ１〜Ｄｎはそれぞれ、例えば幅１０〜２００μ
ｍ、電極間間隔が１０μｍ〜５ｍｍ程度、換言すれば上
記間隙Ｐ１〜Ｐｎのサイズが各々１０×１０μｍ〜０．
２×５ｍｍ程度となるように形成されており、各電極対
Ａ１〜Ａｎは互いの間隔を１００〜２００μｍ程度に設
定して配列されている。これらの共通電極Ｃ１〜Ｃｎと
個別電極Ｄ１〜Ｄｎは、基準10上に形成されたドライバ
15に接続されている。なおドライバ15は基板10とは独立
して設けられてもよい。また隣接層12の表面には、上記
電極間の間隙Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３〜Ｐｎにそれぞれ対向す
る位置において回折格子Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３〜Ｇｎが形成
されている。

一方光導波層11には、電極間間隙Ｐ１〜Ｐｎの並び方向
の延長上において、導波路レンズ16が形成されており、
また基板10には光導波層11内の上記導波路レンズ16に向
けてレーザビーム14′を射出する半導体レーザ17が取り
付けられている。

第５図は上記光走査装置20の駆動回路21を示すものであ
る。以下この第５図も参照して、光走査装置20の作動に
ついて説明する。まず前述の半導体レーザ17が駆動さ
れ、レーザビーム14′が光導波層11内に射出される。こ
のレーザビーム14′は導波路レンズ16によって平行光14
とされ、この光14は光導波層11内を電極間間隙Ｐ１〜Ｐ
ｎの並び方向に進行する（第４図参照）。そして共通電
極Ｃ１〜Ｃｎと個別電極Ｄ１〜Ｄｎとの間には、電圧発
生回路22から発生された電圧Ｖが、前記ドライバ15を介
して印加される。ここで上記ドライバ15は、クロック信
号ＣＬＫに同期して作動するシフトレジスタ23の出力を
受けて作動し、共通電極Ｃ１〜Ｃｎとの間に電圧を印加
する個別電極を１つずつ順次選択して、上記電圧印加を
行なう。つまり最初はｎ個の個別電極Ｄ１〜Ｄｎのうち
１番目の個別電極Ｄ１と共通電極Ｃ１との間のみに、次
は２番目の個別電極Ｄ２と共通電極Ｃ２との間のみに、
……と電圧Ｖが印加される。こうして電極対Ａ１〜Ａｎ
の各電極間に順次電圧が印加され、電極間間隙Ｐ１〜Ｐ
ｎに順次電界が加えられると、その電界が加えられた部
分の隣接層12の光屈折率が高くなる。すると前述したよ
うに前記光（導波光）14はその間隙Ｐ１〜Ｐｎに対応す
る部分において、光導波層11から隣接層12側に出射し、
回折格子Ｇ１〜Ｇｎの回折作用により隣接層12外に出射
する。つまり最初は回折格子Ｇ１から、次は回折格子Ｇ
２から、回折格子Ｇｎの次は元に戻って回折格子Ｇ１か
ら、と光14の出射位置が順次変化するので、被走査体18
はこの出射した光14により、第４図の矢印Ｘ方向に走査
されるようになる（なお光出射位置が、回折格子Ｇ１→
Ｇ２→……Ｇｎ→Ｇ（ｎ−１）→Ｇ（ｎ−２）…と変化
するように、電極対Ａ１〜Ａｎへの電圧印加を制御して
もよい）。そして上記のようにして主走査を行なうとと
もに、クロック信号ＣＬＫによって該主走査と同期をと
って被走査体18を第４図の矢印Ｙ方向に移動させて副走
査を行なえば、この被走査体18は２次元に走査されるこ
とになる。なお本実施態様において隣接層12の表面に設
けられる回折格子Ｇ１〜Ｇｎは、集光回折格子として形
成されており、該回折格子Ｇ１〜Ｇｎから出射した光14
は、被走査体18上の一点に集束されるようになってい
る。この集光回折格子は、光導波層11内の光14の進行方
向に２次曲線状の格子パターン（グリッドパターン）を
並設し、そして各パターンの曲率とパターン間ピッチを
変化させてなるものであり、それにより上述のような集
束作用を有するものとなっている。なおこのような集光
回折格子については、例えば電子通信学会技術研究報告
ＯＱＣ８３−８４の４７〜５４ページ等に詳しく記載さ
れている。

また、半導体レーザ17を光導波層11に直接結合せずに、
レンズやカプラープリズム、グレーティングカプラ等を
介して光導波層11に光を入射させるようにしてもよい。
また半導体レーザ17は光導波層の形成時に、これと一体
に作られてもよい。走査光を発生する光源は上述の半導
体レーザ17に限らず、その他例えばガスレーザや固体レ
ーザ等が用いられてもよい。

ここで本発明の特徴部分として、前記半導体レーザ17
は、導波光14が一例として１次モードで光導波層11内を
導波するように、該光導波層11に結合されている。第６
図および第７図はそれぞれ、一例として光屈折率ｎ_２＝
１．５４４、ｎ_３＝１．４５７である場合の光屈折率ｎ
_１と隣接層12の厚さとの関係、光屈折率ｎ_１と光導波層
11の厚さとの関係を導波モード次数毎に示すものであ
る。これらの図から明らかなように、光屈折率ｎ_１が例
えば１．５１８のとき、０次モードの場合隣接層12の厚
さは約５５μｍ、光導波層11の厚さは約０．４μｍであ
り、一方１次モードの場合隣接層12の厚さは約２２μ
ｍ、光導波層11の厚さは約１．５μｍとなる。つまり導
波モードが１次モードの場合は、０次モードの場合に比
べ、隣接層12の厚さは半分以下になる。また光導波層11
の厚さに対する隣接層12の厚さの比は、０次モードの場
合約１３８（＝５５／０．４）であるのに対し、１次モ
ードの場合は約１５（＝２２／１．５）となる。

なお本装置においても、光導波層11を進行する導波光14
が隣接層12外に出射する様子は第１図に示したものと同
様であるが、ここでは導波光14が１次モードで導波する
ため、その電界分布は第３図に示したものとは異なり、
第８図図示のようになっている。

すなわち、前述した隣接層12の各電極間間隙Ｐに電圧Ｖ
が印加されていない状態では、第８図（ａ）のように、
導波光14は隣接層12や基板10にわずかに浸み出すもの
の、回折格子Ｇと相互作用をするにはいたらず、ほとん
ど外部へ漏れずに光導波層11中を進行する。

一方、各電極間間隙Ｐに電圧Ｖが印加されて、その部分
の隣接層12の光屈折率が増大すると、導波光14の電界分
布は同図（ｂ）のように変化し、浸み出し光が、回折格
子Ｇと十分相互作用するように増加する。その結果、図
の斜線部の浸み出し光が図の上方に放射されながら進行
し、導波光14が外部に取り出される。あるいは、上記光
屈折率の増大がより著しい場合は、導波光14の電界分布
は同図（ｃ）のように変化し、導波光14は隣接層12へ多
量に漏れ出し、より良好に回折格子Ｇから外部に取り出
される。

上記のように導波モードを１次モードとした本実施態様
装置においては、導波モードが０次モードである場合に
比べ隣接層12の厚さが十分に薄くなるので、前述したス
パッタ等による隣接層12の形成が容易になる。また光導
波層11と隣接層12の厚さの差も極めて小さくなるので、
前述したように両層11、12の熱膨張率の違いにより層形
成が困難になることも回避される。

なお本発明において、導波モードの次数は上記実施態様
における１次モードに限定されるものではなく、１次以
上（すなわち０次以外）であれば上述の効果が得られ、
しかもモード次数が高いほどこの効果が顕著になること
は、前記第６図および第７図から明らかである。

また回折格子Ｇ１〜Ｇｎと導波光14との相互作用は、導
波モード次数が高いほど顕著になるので、本発明装置に
おける積層体からの導波光取出し効率は、導波モードを
０次モードとする従来装置におけるよりも高められる。

（発明の効果）以上詳細に説明した通り本発明の光走査装置は、単一の
光源を使用するものであるから、前記ＬＥＤアレイ等に
みられる光源の発光強度バラツキの問題が無く、精密走
査が可能となり、光源の光利用効率も高められる。また
本発明の光走査装置は機械的作動部分を備えないから耐
久性、耐振動性に優れて調整も容易であり、さらに光ビ
ームを大きく振らずに走査可能であるから、本発明装置
によれば、光走査系の大型化を回避し、光走査記録装置
あるいは読取装置を小型に形成することができる。

しかも本発明の光走査装置は導波モードを１次以上の高
次モードとしたために、光導波層と隣接層との積層体が
容易に形成されるので低コストで製作可能であり、また
回折格子から積層体外への光取出し効率も高められるの
で、光源の光利用効率が特に高いものとなる。また本発
明の光走査装置は、上述のように導波モードが高次モー
ドとなるように構成したので、低電圧で駆動可能なもの
となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明装置の光走査の仕組みを説明する説明
図、第２図は従来装置の分散曲線を示すグラフ、第３図は第１図の構成における導波光の電界分布を示す
概念図、第４図は本発明の一実施態様による光走査装置を示す斜
視図、第５図は上記光走査装置の電気回路を示すブロック図、第６図は本発明に係る隣接層の光屈折率と厚さとの関係
を導波モード毎に示すグラフ、第７図は本発明に係る隣接層の光屈折率と、光導波層の
厚さとの関係を導波モード毎に示すグラフ、第８図は本発明装置における導波光の電界分布を示す概
念図である。 10……基板、11……光導波層 12……隣接層、13……積層体 14……光、15……ドライバ 16……導波路レンズ、17……半導体レーザ 20……光走査装置、21……駆動回路 22……電圧発生回路、23……シフトレジスタＡ１〜Ａｎ……電極対、Ｇ１〜Ｇｎ……回折格子Ｐ１〜Ｐｎ……電極間間隙

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも一方がエネルギー付加により光
屈折率を変える材料からなり、互いに密着された光導波
層と通常は該光導波層よりも小さい光屈折率を示してク
ラッド層となる隣接層との積層体と、前記光導波層および／または隣接層に、前記光導波層内
を進む導波光の光路に沿って設けられた複数のエネルギ
ー付加手段と、前記隣接層の上部の、少なくとも前記エネルギー付加手
段によるエネルギー付加箇所に対応する部分にそれぞれ
設けられた回折格子と、前記複数のエネルギー付加手段を順次択一的に所定のエ
ネルギー付加状態に設定し、そのエネルギー付加箇所に
おいて前記導波光が前記回折格子と相互作用する位置ま
で浸み出してこの相互作用により前記積層体の外に出射
するように前記光導波層および／または隣接層の光屈折
率を変化させる駆動回路とからなる光走査装置におい
て、前記導波光の導波モードが１次モード以上の高次モード
になるように、前記光導波層および隣接層の光屈折率、
光導波層の厚さが制御されたことを特徴とする光走査装
置。