JPH09146128A - 電気光学素子 - Google Patents

電気光学素子

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JPH09146128A
JPH09146128A JP7329851A JP32985195A JPH09146128A JP H09146128 A JPH09146128 A JP H09146128A JP 7329851 A JP7329851 A JP 7329851A JP 32985195 A JP32985195 A JP 32985195A JP H09146128 A JPH09146128 A JP H09146128A
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electro
light beam
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optical element
ferroelectric substrate
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Masahiro Yamada
正裕 山田
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Sony Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 高速のランダムアクセスが可能であると共
に、偏向可能な角度が大きく、高分解能の光偏向素子等
の電気光学素子を提供すること。 【解決手段】 強誘電体基板１と、この強誘電体基板１
の主面43、44に設けられた電極３、４と、強誘電体基板
１中に三角形等の多角形状に形成された分極反転ドメイ
ン２とを有し、これらのドメイン２のドメイン壁２ａ、
２ｂの少なくとも１つが強誘電体基板１の主面43、44に
対して垂直若しくはほぼ垂直であり、かつ、光ビーム41
がドイメン壁を少なくとも２つ、２ａ、２ｂ、２ａ……
のように通過するように構成された光偏向素子40等の電
気光学素子。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、電気光学素子に関
し、例えば光偏向素子等の如き電気光学効果を利用した
素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】電気光学効果を利用した素子としては、
光偏向器又は光変調器がある。また、その他に、電気光
学効果の利用を考慮しなければ、レンズやミラーなどが
ある。
【０００３】光偏向器については、光ビームを電子的に
偏向する手段として、これまではガルバノメータ形、回
転多面反射鏡形、回転ホログラム形がよく使われてい
る。これらの偏向器はいずれも、電気機械的な偏向手段
からなるため、高分解能であってかなり高速の連続走査
が可能であるが、短時間のランダムアクセスには適して
いない。
【０００４】他の高速の偏向器としては、音響光学回折
格子によるブラッグ回折を利用するものがある。これ
は、マイクロ秒程度のアクセス時間を持っているが、偏
向角が小さく、走査可能なスポット数（分解能）に難点
があり、出力ビームも複数本に分かれてしまう。
【０００５】また、電気光学効果を利用した偏向器は、
さらに高速（即ち、ナノ秒程度の時間）で動作するが、
分解能は一層低下する。
【０００６】なお、レンズでは、レンズの焦点距離を可
変にするには、複数のレンズを組み合わせ、互いの距離
を機械的に移動させることによって可変焦点距離のレン
ズを実現しているが、構造及び操作が複雑化し、高速性
が不十分となる。
【０００７】ミラーの場合は、現在では固定式であり、
信号によって生成したり、消滅するミラーはないため、
実用性に乏しい。
【０００８】上記したように、従来の光偏向器について
は、電気機械的な偏向器、音響光学効果を利用した偏向
器、電気光学効果を利用した偏向器は、それぞれに長
所、短所があるが、高速度で高分解能の満足できる光偏
向素子は未だ存在していないのが現状である。
【０００９】なお、レンズについては、単体のレンズで
焦点距離が可変のレンズは存在していないのが現状であ
り、また、ミラーについても、オン、オフできるミラー
は現状では存在しない。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、高速
のランダムアクセスが可能であると共に、偏向可能な角
度が大きく、高分解能の光偏向素子等の電気光学素子を
提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】即ち、本発明は、強誘電
性基体と、この強誘電性基体の主面に設けられた電極
と、前記強誘電性基体中に所定形状に形成された分極反
転ドメインとを有し、このドメインのドメイン壁の少な
くとも１つが前記強誘電性基体の前記主面に対して垂直
若しくはほぼ垂直であり、かつ、光ビームが前記ドメイ
ン壁を少なくとも２つ通過するように構成された電気光
学素子に係るものである。
【００１２】本発明の電気光学素子によれば、複数個の
分極反転ドメインを含む強誘電性基体の主面に形成され
た電極を介して電圧を印加することにより、基体とドメ
インとの間に屈折率差を生じ、このため、光ビームがド
メイン壁を少なくとも２つ通過するときに大きく偏向す
ることになる。即ち、光ビームが複数個のドメイン壁を
連続して通過することにより、光ビームを大きく偏向さ
せることができる。
【００１３】従って、本発明は、電気光学素子として例
えば、偏向角度が大きくて高分解能の光偏向素子（又は
光変調素子）を簡便に実現できる。しかも、電圧の印加
によるものであるから、高速の連続走査をランダムアク
セスでも可能となる。
【００１４】また、上記の屈折率差に基づく偏向が複数
のドメイン壁の通過で大きな偏向角度となることから、
光ビームの集光、発散の効果が大きくなり、従って、焦
点距離が可変のレンズにとって好適となる。このレンズ
は、機械的な移動に伴わずに電気信号で焦点距離を変化
させ、或いは光ビームを集光、発散することができる。
【００１５】そして、ミラーとしても、上記の屈折率差
による偏向が電圧の印加によって生じることから、電圧
のオン、オフによって光ビームの透過、反射が可能とな
り、また複数のドメインの通過によって反射効率が大き
くなる。このミラーは、機械的な移動を伴わずに電気信
号でミラーを誘起させたり、消したりすることができ
る。
【００１６】また、本発明の電気光学素子によれば、ド
メイン壁の形状として前記ドメイン壁の少なくとも１つ
が前記強誘電性基体の前記主面に垂直若しくはほぼ垂直
になるように選ぶことにより、素子中の光ビームの伝搬
方向が常に前記主面に平行になり、素子中の光ビームを
安定して伝搬させることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】本発明の電気光学素子において
は、伝搬する光ビームが横切る分極反転ドメインの対向
した２つのドメイン壁への光ビームの入射角度がそれぞ
れ異なるドメイン壁を少なくとも２つ有し、強誘電性基
体の対向した両主面に設けられた電極間に電圧を印加す
ることによって、光ビームを電圧に応じて偏向させるこ
とが望ましい。
【００１８】また、所定の入射角で光ビームが入射する
ようにドメイン壁が所定の周期で積層され、強誘電性基
体の対向した両主面に設けられた電極間に電圧を印加す
ることによって、前記光ビームの伝搬方向を変化させる
ことが、特に上記したミラーに好適である。
【００１９】また、光ビームの伝搬方向に対して凸状又
は凹状をなすドメイン壁が前記伝搬方向において少なく
とも２つ存在し、強誘電性基体の対向した両主面に設け
られた電極間に電圧を印加することによって、前記光ビ
ームを集光又は発散させることが、特に上記した焦点距
離可変レンズに好適である。
【００２０】また、光ビームの伝搬方向に直交する断面
の垂直な２方向であるｘ方向とｙ方向に対して、ｘ方向
に関する光ビームの処理を行う上記の電気光学素子と、
ｙ方向に関する処理を行う上記の電気光学素子とに光ビ
ームを通過させることによって、ｘ及びｙの両方向の処
理を行うことができる。
【００２１】この場合、上記の電気光学素子が複数個配
置され、これらの電気光学素子のうち、第１の電気光学
素子の光ビームの出射端と、第２の電気光学素子の光ビ
ームの入射端とを、両素子の主面が互いに直交するよう
に連続して配置すると、光ビームを２次元的に偏向若し
くは集光、発散させることができる。
【００２２】また、光ビームの伝搬方向に直交する断面
の垂直な２方向であるｘ方向とｙ方向とを互いに変換す
る機能を有する手段を介して、上記の電気光学素子が複
数個配置され、これらの電気光学素子のうち、第１の電
気光学素子と第２の電気光学素子とを、それぞれの主面
が互いに平行になるように配置するのがよい。
【００２３】また、光ビームの偏波方向を強誘電性基体
の主面に垂直になるように偏向させて、前記光ビームを
光ビームの伝搬方向に垂直でかつ当初の光ビームの伝搬
方向にも垂直になるように偏向させ、前記当初の光ビー
ムの伝搬方向に直交する断面のｘ方向とｙ方向とを互い
に変換させるのもよい。また、前記強誘電性基体の対向
した両主面のほぼ全域に亘って電極がそれぞれ設けら
れ、これらの電極間に印加する電圧に応じて光ビームの
伝搬方向を変化させるようにすると、光ビームの伝搬方
向を基体の主面と平行に安定に保ち、光ビームの不要な
発散を防止できる。
【００２４】前記強誘電性基体がＬｉＮｂX Ｔａ1-X Ｏ
3 （但し、０≦ｘ≦１）の結晶からなり、ドメイン壁の
辺の方向が前記結晶のミラー面と平行であると、ドメイ
ン壁の平面度を向上させ、偏向を良好に行わせることが
できることから、これは望ましい構成である。
【００２５】前記分極反転ドメインの形成に際しては、
例えば、前記強誘電性基体の対向した両主面に電極をそ
れぞれ設け、少なくとも一方の主面には所定形状の電極
が設けられ、前記両主面間に電圧を印加することによっ
てそれぞれの分極反転ドメインが所定形状に形成される
（所望の形状に分極が反転する）。
【００２６】或いは、強誘電性基体に対して分極反転ド
メインの自発分極の負側の面に、電子線又は負電荷を有
する荷電粒子を照射することによってそれぞれの分極反
転ドメインが所定形状に形成される（所望の形状に分極
が反転する）。
【００２７】或いは、強誘電性基体に対して分極反転ド
メインの自発分極の正側の面に、正電荷を有する荷電粒
子を照射することによってそれぞれの分極反転ドメイン
が形成される（所望の形状に分極が反転する）。
【００２８】本発明の電気光学素子において、ドメイン
形成手段として、少なくとも一方の主面は所定形状の電
極を基体の両面に形成し、電極間に電圧を印加すること
により、所定の電極形状の形に分極を反転するとき、前
記少なくとも一方の主面の電極形状が多角形であり、こ
の電極の少なくとも一辺が、強誘電性基体を形成する結
晶のミラー面と平行であると、光ビームが入射するドメ
イン壁の辺の方向が前記ミラー面と平行となり、ドメイ
ン壁の平面度が向上する。
【００２９】この場合、強誘電性基体がＬｉＮｂX Ｔａ
1-X Ｏ3 （但し、０≦ｘ≦１）の結晶からなっていると
よい。
【００３０】
【実施例】以下、本発明を実施例について詳細に説明す
る。
【００３１】光偏向素子についての例 まず、電気光学効果を利用した光偏向素子に本発明を適
用した実施例を説明する。
【００３２】ある屈折率を持った媒質から屈折率が異な
った媒質に入射した光ビームは、両媒質間での屈折によ
って進路が曲がるが、このとき、電気光学効果を持った
媒質であれば、電気信号に応じた媒質の屈折率の変化に
より屈折角度が変化し、その結果、電気信号に応じて光
ビームの進路を曲げることができる。
【００３３】図１に示すように、本実施例による光偏向
素子40は、基本的には、強誘電体基板１と、その基板の
中に作製された複数個の分極反転ドメイン２と、基板の
両主面43、44に被着された電極膜３、４と、これらの電
極間に電圧を印加するための電気信号源７とによって構
成されている。
【００３４】基板１の結晶の方向（図中の上向き矢印で
示す自発分極の方向）とドメイン２の結晶の方向（図中
の下向き矢印で示す自発分極の方向）とは、図１（更に
は図２）のように、互いに 180度反転している。そし
て、ドメイン２のドメイン壁２ａ、２ｂの少なくとも１
つ（ここでは双方）が強誘電体基板１の主面43、44に対
して垂直若しくはほぼ垂直であり、かつ、光ビーム41が
ドメイン壁を少なくとも２つ（２ａ→２ｂ→２ａ……の
如く）通過するように構成されている。
【００３５】図１（更には図２）のように、光ビーム41
は素子端面５から入射し、基板１とドイメン２を交互に
通過しながら反対側の端面６から出射するが、出射ビー
ム42の進行方向は、電気信号源７によって電極３と４間
に印加された信号電圧に応じた屈折率変化で、入射光ビ
ーム41の進行方向とは角度φだけ変化する。
【００３６】電気光学効果を持った結晶の屈折率変化の
大きさは、結晶に印加された電界の大きさに比例し、印
加する電解の方向を 180度反転すると、屈折率変化の符
号も反転する。
【００３７】基板１とドメイン２とは、結晶の方向が 1
80度反転しているので、電極３と４間に印加された信号
電圧に応じて基板１とドメイン２の間に屈折率差が生
じ、光ビームもそれに応じて屈折する角度を変える。
【００３８】図２には、本実施例による素子の動作を概
略的に示すが、基板結晶１から分極反転されたドメイン
２へビーム41が入射した後、信号源７の信号電圧で屈折
率が変化（屈折角度が変化）して出射光ビーム42が元の
光路から偏向する（但し、図１と比べて偏向方向は電圧
の極性によって逆となっている）。そしてこの場合、ビ
ームが複数のドメイン２を通過するために、その通過の
度に屈折角度が変化し、ついには相当大きな角度で偏向
したビーム42が得られることになる。
【００３９】本実施例では、後述するように、半導体リ
ソグラフィ技術を利用して精度の高い微細な構造を作製
することができ、切断・研磨・貼り合わせ等の複雑な機
械加工の必要もなく、偏向のためのプリズムをドメイン
という形で一素子内に多数作り込むことにより、単一の
プリズムだけでは実現が不可能であった大きな偏向角度
を、極めて簡便な工程で、貼り合わせプリズムの方式で
のプリズム同士の剥がれや、電界を印加することによる
電極膜の剥がれの心配もなく、実現することができる。
【００４０】また、本実施例では、図３にシングルドメ
インとして原理的に示すように、ドメイン壁を主面43、
44と垂直にしており、かつ、電極３、４を共に全域に形
成しているので、電極間に形成される電気力線10は主面
43、44とほぼ直交する。この結果、光ビーム41の進行方
向を常に素子40の主面43、44に平行で安定に保つことが
でき、光ビームの不要な発散を防ぐことができる。
【００４１】これに対し、電極３Ａをドメイン２と同一
形状にパターン化した図４の場合は、シングルドメイン
結晶にのみ電圧を印加することによってその部分の屈折
率を変化させる方式の光偏向素子であるが、電極３Ａの
端面部分の電気力線10Ａが曲がってしまい、これによる
屈折率分布の曲がりが生じて光ビーム42Ａも不要に曲げ
られ易くなる。
【００４２】図３は、本実施例による望ましい光偏向器
を原理的に示すものであるが、電極３、４を素子全体に
被着することにより、均一な電気力線10が実現され、ま
たドメイン壁が基板１の主面に垂直であるようなドメイ
ンを選ぶことにより、異なった屈折率の境界を基板の主
面に垂直にすることができ、光が屈折率が異なった領域
を横切るときも、その進行方向を常に素子の主面に平行
に保つことができ、不要な光ビームの発散を防ぐことが
できる。
【００４３】本実施例では、後述するように、強誘電体
基板１の材料として、ＬｉＮｂX Ｔａ1-X Ｏ3 （但し、
０≦ｘ≦１）やＫＴｉＯＰＯ4 （ＫＴＰ）等を選ぶこと
により、基板１の主面に垂直なドメイン壁を持つドメイ
ンを実現することができる。
【００４４】そして、光ビームを偏向するとき、ビーム
の進行方向と直交する断面の全領域に亘って同じ偏向角
度で偏向しなければならず、そのためには、ドメイン壁
は光ビームの断面の全領域に亘って精度良く、平面であ
る必要がある。
【００４５】特に基板材料としてＬｉＮｂX Ｔａ1-X Ｏ
3 （但し、０≦ｘ≦１）を選ぶとき、光ビームが入射す
るドメイン壁の辺の方向を結晶のミラー面に平行な方向
に選ぶことにより、ドメイン壁の平面度を向上させるこ
とができる。
【００４６】次に、本実施例による光偏向素子の設計方
法について、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3 ）基板を
例に説明する。
【００４７】基板１内に形成されるドメイン２の形状に
ついて説明すると、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3 ）
の基礎物性定数として、波長が 632.8nmの異常光線に対
する屈折率：ｎe ＝2.200 と、電気光学定数ｒ33＝30.8
×10-12 ｍ／Ｖを使用し、光ビームの波長はλ＝632.8n
m とし、偏波はニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3 ）の自
発分極の方向（ｃ軸）とする。
【００４８】ここで、電界Ｅ（Ｖ／ｍ）を両電極３−４
間に加えたときの屈折率変化は、 Δｎe ＝ （１／２）・ｎe 3 ・ｒ33 × Ｅ・・・（１） となる。
【００４９】そして、屈折率ｎ1 の媒質１から、屈折率
ｎ2 の媒質２に入射角度θ1 で入射した光ビームの、媒
質１から媒質２への出射角度がθ2 であったとすると、
その関係は、スネルの法則より、 sin θ1 ／sin θ2 ＝ｎ2 ／ｎ1 ・・・（２） となる。
【００５０】式（２）から、図１に示した電極３、４に
電極３が高電位になるように電界を印加して、基板１の
屈折率がｎe ＋Δｎe 、ドメイン２の部分の屈折率がｎ
e −Δｎe になったとすると、基板１からドメイン２へ
の入射角θ1 に対する偏向角ΔθS （図５参照）は、 ΔθS ＝ sin-1〔｛（ｎe −Δｎe ）／（ｎe ＋Δｎe ）｝ × sinθ1 〕−θ1 ・・・（３） となる。
【００５１】一方、ドメイン２から基板１への入射角θ
1 に対する偏向角Δθd （図５参照）は、 Δθd ＝ sin-1〔｛（ｎe ＋Δｎe ）／（ｎe −Δｎe ）｝ × sinθ1 〕−θ1 ・・・（４） となる。
【００５２】式（１）、（３）、（４）より、電界Ｅ＝
500,000 Ｖ／ｍを素子に印加したときに求めた、ニオブ
酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3 ）の場合での偏向角ΔθS と
Δθd を図６（Ａ）に示す。
【００５３】これによれば、いずれも、ドメイン２への
入出射角度θ1 が大きい方が偏向角が大きくなり、特に
入射角が75度以上が望ましいことが分かる。ここで、θ
1 を85度に選択すると、偏向角（｜ΔθS ｜＋｜Δθd
｜）は約 0.1度となる。
【００５４】また、ドメイン２の他の辺はできる限り光
の入出力が無いように光ビームと平行になるようにする
のが良く、ドメイン２の形状は例えば図５及び図７に示
すような三角形が望ましい。
【００５５】このようなドメイン２を光ビームの進行方
向に並べて10個ほど配置すれば、ドメイン２を横切る毎
に偏向角は大きくなり、最終的には１度程度の比較的大
きな偏向角を実現できる。図６（Ｂ）には、ドメインの
数と偏向角の関係を示す。
【００５６】次に、素子の出射端面６の角度について、
その角度を選ぶことによって更に偏向角度を大きくでき
ることを説明する。
【００５７】図８において、素子の内部から出射端面６
への入射角度θ1 と、出射端面６から空気中への出射角
θ2 との関係は、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3 ）の
屈折率ｎ1 が 2.200で空気の屈折率ｎ2 が１であるか
ら、式（２）から図９に示すようになる。
【００５８】このとき、入射角θ1 を臨界角（27.0度）
以下の範囲で大きく設定すると、偏向角を大きく増幅す
ることができ、例えば入射角θ1 を26度にしたとき、出
射端面６に入射した光ビームの偏向角が１度であれば、
素子から出射される光ビームの偏向角は６度程度の大き
な偏向角にすることができる。
【００５９】以上のように、ドメイン２の形状と出射端
面６の角度を設計することによって、大きな偏向角の素
子40を実現することができる。
【００６０】本実施例による光偏向素子40は、図10に示
す如き光学系に使用することができる。この光学系は、
レーザ光の走査によるディスプレイ装置や、レーザカッ
ティング装置、レーザプリンタ等の種々の応用が可能で
ある。
【００６１】この光学系において、Ｈｅ−Ｎｅレーザ50
からのレーザ光51は、ミラー52を経て１／２λ板53で位
相調整され、偏光子54で所定の偏光成分の光41とされ、
これがアイリス55及びレンズ56を介して光偏向素子（図
８に示したものに相当）40に入射し、シグナルジェネレ
ータ57からの信号電圧の印加によって偏向され、この偏
向光42がスクリーン等の対象物58上で走査される。信号
電圧は、アンプ59で必要なレベルに増幅され、また電圧
計60でその値が計測される。
【００６２】次に、上記した光偏向素子40の作製方法の
例を説明する。
【００６３】素子作製の順序としては、まず、ドメイン
２の形成、次に電極３、４の形成、更に端面５、６の光
学研磨と無反射コートの被着であるが、以下に各工程に
ついて詳細に説明する。
【００６４】ドメイン２の形成方法として、第１の方法
によれば、例えば図11にニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ
3 ）の基板１への電界印加方向を概念的に示すように、
ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3 ）のｚ板１の＋ｚ面
（＋ｃ面）上に所定の形状、例えば三角形の電極13をＡ
ｌ膜の被着と通常のリソグラフィ技術で形成すると共
に、ｚ板１の−ｚ面（−ｃ面）上に平面電極14を形成
し、＋ｚ面上の電極13が−ｚ面上の電極14よりも高電位
になるように、電源61によって20kV/mm 以上の電界を室
温中で印加する。
【００６５】これによって、電極13の直下には、分極反
転された複数のドメイン２を電極13とほぼ同一パターン
に形成し、図１に示した如き素子40を作製する。この場
合、電極13は除去した後に平面電極３を被着するが、電
極13をそのまま残してこの上に平面電極３を被着しても
よい。
【００６６】なお、図11に示した外部電界印加によるド
メイン形成方法と類似の方法が、文献（山田正裕等、
“疑似位相整合導波路形ＳＨＧ素子”、電子情報通信学
会論文誌 Ｃ−Ｉ、Vol.Ｊ77−Ｃ−Ｉ、No.5、pp.206−
213(1994））にも述べられている。但し、この公知の方
法はＳＨＧ素子についてのものであるから、ドメイン形
成後に分極反転用の電極も含めてすべての電極を除去し
なければ、電極の領域で光が減衰してしまう。従って、
このようなＳＨＧ素子に比べ、本実施例の光偏向素子で
は、ドメイン形成方法は同様であっても屈折率変化のた
めに必ず電極が必要であることが著しく相違している。
【００６７】ドメイン２の形成方法として、第２の方法
によれば、図12にニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3 ）基
板１への電子線照射による方法を概念的に示すように、
ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3 ）のｚ板１の＋ｚ面
（＋ｃ面）上に平面電極15をＡｌ膜の被着によって形成
し、これを接地した状態で−ｚ面（−ｃ面）上のドメイ
ン２を形成したい部分に、20kV（加速電圧）×ｔ（ｔ：
基板１の厚さｔ（ミリメートル））以上の電子線62を室
温中で走査して照射する。
【００６８】これによって、基板１中には分極反転され
た複数のドメイン２（但し、分極方向は図11のものとは
逆）を所定パターンに形成する。この後は、基板の両面
に電極３、４を設けるが、上記の電極15はそのまま残し
て用いてもよい。
【００６９】なお、図12に示した電子線照射によるドメ
イン形成方法と類似の方法が、文献（M. Yamada and K.
Kishima, “Fabrication of periodically reversed d
omain structure for ＳＨＧ in ＬｉＮｂＯ3 by dire
ct electron beam lithography at room temperature”
Electron. lett., Vol.27, No.10, pp.828−829(199
1））にも述べられている。但し、この公知の方法もＳ
ＨＧ素子を対象としている。
【００７０】上記した２種類のドメイン形成方法は、Ｌ
ｉＮｂX Ｔａ1-X Ｏ3 （但し、０≦ｘ≦１）やＫＴＰな
どの強誘電体材料に対して有効な方法である。
【００７１】ドメイン２を形成した基板１では、その形
成工程中に蓄積した歪応力により発生した電界や、注入
された電荷による電界の存在が、基板１の屈折率を不均
一に変化させたり、信号電界をかかり難くすることがあ
る。これを防ぐために、基板１を次工程に進める前に、
ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3 ）では 150℃以上、70
0℃以下の温度で、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａ
Ｏ3 ）ではキュリー点以下の温度で、それぞれ数十分か
ら数時間、できれば酸素雰囲気中で（そうでなければ空
気中でもよいが）アニールすることが望ましい。
【００７２】次いで、電極３、４は、基板１の両主面に
例えばＡｌ等の導電性の膜を蒸着法やスパッタリング法
などで被着することによって形成されるが、電極３と電
極４が短絡されないようにする必要がある。
【００７３】次いで、基板１を所定の形状に切断し、端
面５、６に光学研磨を施し、最後に両端面５、６に、使
用する光ビームに対し無反射になるように誘電体等を蒸
着法などで多層に被着して、素子を完成する。
【００７４】こうして、高速ランダムアクセスが可能
で、偏向可能な角度が大きく、高分解能な光偏向素子を
実現でき、しかも簡便かつ高精度に作製できる。
【００７５】焦点距離可変レンズについての例 次に、電気信号に応じて焦点距離を可変できるレンズに
本発明を適用した実施例を説明する。
【００７６】この焦点可変レンズも電気光学効果を利用
しており、上述した光偏向素子と同様に、基板結晶方向
が 180度反転しているドメインに電界を印加したとき、
電界に応じてドメイン間に屈折率差が生じることを利用
している。
【００７７】即ち、図13に示すように、この焦点可変レ
ンズ70は、基本的には、強誘電体基板１Ａと、この基板
の中に作製された複数個のドメイン２Ａと、基板の両主
面43Ａ、44Ａに被着された電極膜73、74と、これらの電
極間に接続された集光・発散信号電源77とによって構成
されている。
【００７８】基板１Ａの結晶の方向とドメイン２Ａの結
晶の方向とは、図１で示したと同様に互いに 180度反転
している。そして、光ビーム71の伝搬方向に対して凸状
面76ａ又は凹状面76ｂをなすドメイン壁が前記伝搬方向
において少なくとも２つ存在し、基板１の対向した両主
面に設けられた電極73−74間に電圧を印加することによ
って、光ビーム71を集光又は発散させるようにしてい
る。
【００７９】光ビーム71は素子端面75から入射し、基板
１Ａとドメイン２Ａとを交互に通過しながら反対側の端
面76から光ビーム72として出射するが、この出射光ビー
ム72は集光・発散信号電源77の信号電圧に応じて集光又
は発散される。
【００８０】即ち、基板１Ａとドメイン２Ａとは結晶方
向が 180度反転しているので、電極73−74間に印加され
た信号電圧に応じて、基板１Ａとドメイン２Ａとの間に
上述したと同様に屈折率差が生じ、光ビームもそれに応
じて集光や発散する。
【００８１】次に、本実施例による焦点距離可変レンズ
70の設計方法について、ニオブ酸リチウム基板を例に説
明する。
【００８２】基板の基礎物性定数や電気光学効果、屈折
の法則などは上述した光偏向素子で説明した通りであ
る。
【００８３】例えば、上記のドメイン構造で作製される
個々のレンズ２Ａの形状を図14のように設計する。即
ち、光ビーム71の進行方向に対してレンズ前側76ａの曲
率半径ｒとレンズ後側76ｂの曲率半径ｒとを共に20μｍ
とすると、１つのレンズの焦点距離は、 ｆ＝ｎS ・ｒ／（ｎd −ｎS ）・・・（５） （但し、ｎS 、ｎd はそれぞれ、素子に50kV/m印加した
ときの基板とドメインの屈折率）となる。
【００８４】この式（５）に、 ｎS ＝2.2 −8.199 ×10-5 ｎd ＝2.2 ＋8.199 ×10-5 を代入すると（波長λ＝0.633 μｍ）、ｆ≒27cmとな
る。
【００８５】そして、このレンズを図13のように複数個
配置し、光ビームを複数個のレンズに連続して通過させ
ると、例えばＮ＝300 個のレンズでは、系全体の焦点距
離ｆN は、 ｆN ＝ｆ／Ｎ・・・（６） ≒0.9mm となる。
【００８６】このレンズ70は電界の大きさによって焦点
距離が変化し、例えば、電界の大きさをゼロにするとレ
ンズは光ビームにとって全く見えなくなり（レンズ作用
がなく）、集光も発散もしなくなる。
【００８７】上記とは逆の方向に電界を印加すると、レ
ンズの部分の屈折率が反対に小さくなるため、電界の大
きさに応じて光ビームは発散するようになる。
【００８８】このように、本実施例によるレンズ70は、
電界の方向と大きさによって、焦点距離や集光、発散の
状況を変化させることができる。即ち、信号電界に応じ
て焦点距離を可変できるレンズを実現できる。
【００８９】なお、この焦点距離可変レンズ70は、上述
した光偏向素子と同様な方法で簡便かつ高精度に作製で
きる。
【００９０】２次元方向での光偏向又は集光、発散 上述した光偏向器40やレンズ70はいずれも１次元方向で
の偏向や集光、発散についてのものであるが、以下の実
施例では、２次元方向での偏向や集光、発散について説
明する。
【００９１】第一の方法としては、図15に概略的に示す
ように、図１に示した素子40を２枚、即ち素子40Ａと40
Ｂを用い、前者の出力端６Ａと後者の入力端５Ｂとをそ
れぞれ素子の主面が直交するように近接して配置する。
なお、図15においては、上述したドメインが各素子に２
Ａ、２Ｂとして概略図示し、電極は図示省略した。
【００９２】光ビーム41は素子40Ａの端面５Ａから入力
され、信号電源７Ａからの信号電圧によって光ビームが
ｙ方向で偏向又は集光、発散され、引き続いて、素子40
Ｂに端面５Ｂから入力され、信号電源７Ｂからの信号電
圧によって光ビームがｘ方向で偏向又は集光、発散さ
れ、出力端面６Ｂから外部に出力される。
【００９３】このように、２つの直交した素子40Ａ、40
Ｂを光ビームが連続して通過することによって、ｘ、ｙ
の２次元方向での処理が可能になった。
【００９４】２次元方向での処理の他の方法としては、
図16に示すように、光ビームのｘ方向処理用の素子80Ａ
とｙ方向処理用の素子80Ｂ（図16では、光の進行方向に
複数配列されるドメインや電極は図示省略した。）を各
主面同士が互いに平行となるように接続する。
【００９５】光ビーム41は、ビームのｘ方向処理用の素
子80Ａの端面85Ａから入力され、斜めに光学研磨された
端面86Ａによって素子80Ａの主面に垂直の方向に全反射
され、素子80Ｂの端面85Ｂからｙ方向処理用の素子80Ｂ
に入力され、斜めに光学研磨された端面87によって素子
80Ａの主面83Ａ、84Ａに平行でかつ素子80Ａ中の光ビー
ムの進行方向とは垂直の方向に全反射され、素子80Ｂの
主面83Ｂ、84Ｂと平行に素子80Ｂ中を伝搬し、素子端面
86Ｂからｘ、ｙの両方向とも処理され、光ビーム42とし
て出射される。
【００９６】このように、光ビームをいわば折り曲げる
ことによって、光ビームのｘ方向とｙ方向を変換でき
る。これを、図16で説明すると、端面85Ａの光ビームの
断面の四隅に記号Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄを付け、その四隅の光
線を追跡すると、素子80Ａのｘ方向（Ａ−Ｄ）が素子80
Ｂではｙ方向（Ａ’−Ｄ’）に変換され、素子80Ａのｙ
方向（Ａ−Ｂ）が素子80Ｂではｘ方向（Ａ’−Ｂ’）に
変換されていることが分かる。こうして、素子80Ａでは
ｘ方向の処理が、素子80Ｂではｙ方向の処理を行えるこ
とが分かる。なお、各素子80Ａ、80Ｂではドメインを通
過する毎に偏向を生じることは勿論である。
【００９７】ここで、ニオブ酸リチウムの分極反転を利
用した素子では、光の偏波方向は基板の主面に垂直であ
る方が有利であるので、素子80Ｂでも偏波方向が基板の
主面に垂直になるように素子80Ａと80Ｂとの間に１／２
波長板88を挿入することが望ましい。従って、光ビーム
を光ビームの伝搬方向に垂直でかつ当初の光ビームの伝
搬方向にも垂直になるように偏向させて、当初の光ビー
ムの伝搬方向に直交する断面のｘ方向とｙ方向とを互い
に変換させることができる。
【００９８】電界誘起ミラーについての例 図17及び図18には、電界で誘起されるミラー100 に本発
明を適用した実施例を示す。
【００９９】例えば、ニオブ酸リチウム基板１に上述し
た方法で分極反転ドメイン２を複数形成した。このドメ
イン構造は、一方の端面５から他方の端面にかけてドメ
イン５を周期的に積層した（但し、図18では理解容易の
ためにドメイン数を少なく示している。）周期分極反転
構造にし、その周期をΛとする。
【０１００】そして、電極３−４間に所定の電界を印加
すると、入射光ビーム41の波長をλ、周期ドメイン平面
90への入射角度をθとしたとき、 Ｋ＝２ｋ・cos θ・・・（７） （但し、Ｋ＝２π／Λ、 ｋ＝２ｎ0 π／λ（ｎ0 ＝2.200 〔λ＝0.633nm 〕）） を満足する周期分極反転構造の周期Λを選べば、端面５
に入射角度θで入射した光ビーム41は出射角度−θで周
期ドメイン構造からブラッグ反射され、この反射光42Ａ
が得られる。
【０１０１】このため、例えば周期ドメイン平面90が入
射端面５と平行になるようにドメインの方向を選べば、
入射端面５へθi で入射した光ビームは、電極３−４間
に所定の電界を印加したときだけ、端面６から−θi で
反射され、電極に電界を印加しないときは素子をそのま
ま通過する。
【０１０２】周期ドメイン構造の周期Λは、例えば、周
期構造ドメイン平面90への入射角度θを45度にすると、
周期分極反転構造の周期Λは 0.2μｍにすればよい。
【０１０３】なお、この電界誘起ミラー100 は上述した
光偏向素子と同様な方法で作製することができる。
【０１０４】こうして、電界によってオン、オフできる
電界誘起ミラー100 を提供でき、しかもその作製方法も
簡便かつ高精度である。
【０１０５】以上、本発明の実施例を説明したが、上述
の実施例は本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が
可能である。
【０１０６】例えば、上述したドメインの形状、個数、
配列状態、更には形成方法は様々に変化させてよいが、
要は、基板中にドメインを形成し、そのうちの少なくと
も１つのドメイン壁が基板の主面（電極を設ける面）に
垂直若しくはほぼ垂直であり、光ビームが少なくとも２
つのドメイン壁を通過（換言すれば、ドメイン壁を少な
くとも２箇所で通過）すれば、本発明の目的は達成でき
る。図19のように、ドメインを１つとし、各面２ａ、２
ｂを上述したと同様に設けることもできる。
【０１０７】この場合、光ビームが横切るドメインの対
向した２つのドメイン壁への光ビームの入射角度がそれ
ぞれ異なるドメイン壁を少なくとも２つ有することが望
ましい。
【０１０８】ドメインの形成方法としては、上述した電
極13の形状を三角形以外の四角、五角形等の多角形とす
ることもできるし、他方の電極14も同様の多角形として
もよい。また、上述した電子線照射に代えて、負電荷を
有する荷電粒子を照射したり、或いは、ドメインの自発
分極の正側の面に、正電荷を有する荷電粒子（例えば陽
子）を照射することによってそれぞれのドメインを形成
することもできる。
【０１０９】ドメインの形成時の電極は、その少なくと
も一辺が、強誘電体基板を形成する結晶のミラー面と平
行であると、分極反転を良好に行え、光ビームが入射す
るドメイン壁の辺の方向が前記ミラー面と平行になり、
ドメイン壁の平面度が向上する。
【０１１０】なお、本発明の電気光学素子は、上述した
光偏向器、レンズ、ミラーの他、光変調器や信号処理装
置等、ドメインを有し、電気光学効果を示す種々のデバ
イスに応用可能である。
【０１１１】本発明は上述した如く、強誘電性基体中に
所定形状に形成された少なくとも２つの分極反転ドメイ
ンのドメイン壁の少なくとも１つが前記強誘電性基体の
主面に対して垂直若しくはほぼ垂直であり、かつ、光ビ
ームが前記ドメイン壁を少なくとも２つ通過するように
構成しているので、強誘電性基体の主面に形成された電
極を介して電圧を印加することにより、基体とドメイン
との間に屈折率差を生じ、このため、光ビームがドメイ
ン壁を少なくとも２つ通過するときに大きく偏向するこ
とになり、光ビームが複数個のドメイン壁を連続して通
過することにより、光ビームを大きく偏向させることが
できる。
【０１１２】従って、電気光学素子として、例えば、偏
向角度が大きくて高分解能の光偏向素子（又は光変調素
子）を簡便に実現できる。しかも、電圧の印加によるも
のであるから、高速の連続走査をランダムアクセスでも
可能となる。
【０１１３】また、上記の屈折率差に基づく偏向が複数
のドメイン壁の通過で大きな偏向角度となることから、
光ビームの集光、発散の効果が大きくなり、従って、焦
点距離が可変のレンズにとって好適となる。このレンズ
は、機械的な移動を伴わずに電気信号で焦点距離を変化
させ、或いは光ビームを集光、発散することができる。
【０１１４】そして、ミラーとしても、上記の屈折率差
による偏向が電圧の印加によって生じることから、電圧
のオン、オフによって光ビームの透過、反射が可能とな
り、また複数のドメインの通過によって反射効率が大き
くなる。このミラーは、機械的な移動を伴わずに電気信
号でミラーを誘起させたり、消したりすることができ
る。
【０１１５】また、本発明の電気光学素子によれば、ド
メイン壁の形状としてドメイン壁の少なくとも１つが強
誘電性基体の前記主面に垂直若しくはほぼ垂直になるよ
うに選ぶことにより、素子中の光ビームの伝搬方向が常
に主面に平行になり、素子中の光ビームを安定して伝搬
させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例による光偏向素子の概略斜視図
である。
【図２】同光偏向素子の動作を説明するための原理図で
ある。
【図３】シングルドメイン結晶での電気光学効果を利用
した光偏向素子の概略斜視図である。
【図４】シングルドメイン結晶での電気光学効果を利用
した本発明に基づく光偏向素子の概略斜視図である。
【図５】同光偏向素子におけるドメイン形状と光ビーム
の偏向角を示す概略平面図である。
【図６】同光偏向素子のドメイン入射角に対する偏向角
の変化を示すグラフ（ａ）とドメイン数による偏向角の
変化を示すグラフ（ｂ）である。
【図７】同光偏向素子の望ましいドメイン形状を示す概
略斜視図である。
【図８】同光偏向素子の具体的形状を示す要部平面図で
ある。
【図９】同光偏向素子の出射端面への入射角に対する同
端面からの出射角の変化を示すグラフである。
【図10】同光偏向素子を使用した光偏向システムの概略
図である。
【図11】電界印加によるドメイン形成方法を示す概略斜
視図である。
【図12】電子線照射によるドメイン形成方法を示す概略
斜視図である。
【図13】本発明の実施例による焦点距離可変レンズの概
略斜視図である。
【図14】同焦点距離可変レンズのレンズ形状の例を示す
概略図である。
【図15】本発明の実施例による光ビームの２次元化処理
のための素子の概略斜視図である。
【図16】本発明の実施例による光ビームの２次元化処理
のための他の素子の概略斜視図である。
【図17】本発明の実施例による電界誘起ミラーの概略斜
視図である。
【図18】同電界誘起ミラーの動作原理図である。
【図19】本発明の実施例による更に他の光偏向素子の概
略斜視図である。
【符号の説明】
１・・・強誘電性基板 ２、２Ａ、２Ｂ・・・分極反転ドメイン ２ａ、２ｂ・・・ドメイン壁 ３、３Ａ、４、13、14、15、73、74・・・電極 ５、５Ａ、５Ｂ、６、６Ａ、６Ｂ、75、76、85Ａ、85
Ｂ、86Ａ、86Ｂ・・・端面 ７、７Ａ、７Ｂ、77・・・電気信号源 10、10Ａ・・・電気力線 40、40Ａ、40Ｂ、80Ａ、80Ｂ・・・光偏向素子 41、71・・・入射光ビーム 42、42Ａ、72・・・出射光ビーム 43、44、83Ａ、83Ｂ、84Ａ、84Ｂ・・・主面 61・・・電源 62・・・電子線 70・・・焦点距離可変レンズ 76ａ・・・凸状面 76ｂ・・・凹状面 87・・・反射面 88・・・１／２波長板 100 ・・・電界誘起ミラー φ、ΔθS 、Δθd ・・・偏向角 θ1 ・・・入射角 θ2 ・・・出射角

Claims (15)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 強誘電性基体と、この強誘電性基体の主
    面に設けられた電極と、前記強誘電性基体中に所定形状
    に形成された分極反転ドメインとを有し、このドメイン
    のドメイン壁の少なくとも１つが前記強誘電性基体の前
    記主面に対して垂直若しくはほぼ垂直であり、かつ、光
    ビームが前記ドメイン壁を少なくとも２つ通過するよう
    に構成された電気光学素子。
  2. 【請求項２】 伝搬する光ビームが横切る分極反転ドメ
    インの対向した２つのドメイン壁への光ビームの入射角
    度がそれぞれ異なるドメイン壁を少なくとも２つ有し、
    強誘電性基体の対向した両主面に設けられた電極間に電
    圧を印加することによって、光ビームを電圧に応じて偏
    向させるようにした、請求項１に記載した電気光学素
    子。
  3. 【請求項３】 所定の入射角で光ビームが入射するよう
    にドメイン壁が所定の周期で積層され、強誘電性基体の
    対向した両主面に設けられた電極間に電圧を印加するこ
    とによって、前記光ビームの伝搬方向を変化させるよう
    にした、請求項１に記載した電気光学素子。
  4. 【請求項４】 光ビームの伝搬方向に対して凸状又は凹
    状をなすドメイン壁が前記伝搬方向において少なくとも
    ２つ存在し、強誘電性基体の対向した両主面に設けられ
    た電極間に電圧を印加することによって、前記光ビーム
    を集光又は発散させるようにした、請求項１に記載した
    電気光学素子。
  5. 【請求項５】 光ビームの伝搬方向に直交する断面の垂
    直な２方向であるｘ方向とｙ方向に対して、ｘ方向に関
    する光ビームの処理を行う請求項１に記載した電気光学
    素子と、ｙ方向に関する処理を行う請求項１に記載した
    電気光学素子とに光ビームを通過させることによって、
    ｘ及びｙの両方向の処理を行うようにした、請求項１に
    記載した電気光学素子。
  6. 【請求項６】 請求項１に記載した電気光学素子が複数
    個配置され、これらの電気光学素子のうち、第１の電気
    光学素子の光ビームの出射端と、第２の電気光学素子の
    光ビームの入射端とを、両素子の主面が互いに直交する
    ように連続して配置する、請求項５に記載した電気光学
    素子。
  7. 【請求項７】 光ビームの伝搬方向に直交する断面の垂
    直な２方向であるｘ方向とｙ方向とを互いに変換する機
    能を有する手段を介して、請求項１に記載した電気光学
    素子が複数個配置され、これらの電気光学素子のうち、
    第１の電気光学素子と第２の電気光学素子とを、それぞ
    れの主面が互いに平行になるように配置した、請求項５
    に記載した電気光学素子。
  8. 【請求項８】 光ビームの偏波方向を強誘電性基体の主
    面に垂直になるように偏向させて、前記光ビームを光ビ
    ームの伝搬方向に垂直でかつ当初の光ビームの伝搬方向
    にも垂直になるように偏向させ、前記当初の光ビームの
    伝搬方向に直交する断面のｘ方向とｙ方向とを互いに変
    換させるようにした、請求項７に記載した電気光学素
    子。
  9. 【請求項９】 強誘電性基体の対向した両主面のほぼ全
    域に亘って電極がそれぞれ設けられ、これらの電極間に
    印加する電圧に応じて光ビームの伝搬方向を変化させる
    ようにした、請求項１に記載した電気光学素子。
  10. 【請求項10】 強誘電性基体がＬｉＮｂX Ｔａ1-X Ｏ3
    （但し、０≦ｘ≦１）の結晶からなり、ドメイン壁の辺
    の方向が前記結晶のミラー面と平行である、請求項１に
    記載した電気光学素子。
  11. 【請求項11】 強誘電性基体の対向した両主面に電極を
    それぞれ設け、少なくとも一方の主面には所定形状の電
    極が設けられ、前記両主面間に電圧を印加することによ
    ってそれぞれの分極反転ドメインが形成される、請求項
    １に記載した電気光学素子。
  12. 【請求項12】 強誘電性基体に対して分極反転ドメイン
    の自発分極の負側の面に、電子線又は負電荷を有する荷
    電粒子を照射することによってそれぞれの分極反転ドメ
    インが形成される、請求項１に記載した電気光学素子。
  13. 【請求項13】 強誘電性基体に対して分極反転ドメイン
    の自発分極の正側の面に、正電荷を有する荷電粒子を照
    射することによってそれぞれの分極反転ドメインが形成
    される、請求項１に記載した電気光学素子。
  14. 【請求項14】 少なくとも一方の主面の電極形状が多角
    形であり、この電極の少なくとも一辺が、強誘電性基体
    を形成する結晶のミラー面と平行である、請求項11に記
    載した電気光学素子。
  15. 【請求項15】 強誘電性基体がＬｉＮｂX Ｔａ1-X Ｏ3
    （但し、０≦ｘ≦１）の結晶からなっている、請求項14
    に記載した電気光学素子。
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