JPS6150121A - 光偏向器 - 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】 本発明は光偏向器に関し、特に薄膜先導波型光偏向素子
を用いた２次元走査の可能な光偏向器に関するものであ
る。

従来、２次元光偏向器は、一般に振動平面鏡（所謂ガル
バノミラ−）と回転多面体位（所謂ポリゴンミラー）と
の組み合せ、或いは振動平面鏡２枚の組み合せを用い、
夫々の鏡による走査方向が互いに直交するように配置し
て構成されていた。この例を第３図に示す。第３図にお
いて、レーザ光源１より発せられた光は。

回転多面体位２によって比較的高速な水平走査が行なわ
れ、この光は更に振・動子面鏡３によって比較的低速な
垂直走査が行なわれる。そして振動平面鏡３からの光は
レンズ４によって集光され、輝点はスクリーン５上で２
次元的に移動し、ラスクスキャンが行なわれる。

しかし、上記のような光偏向器では、振動平面鏡および
回転多面体位の寸法が比較的大きい為、装置が大型化し
てしまうという欠点かあった。また、正確な２次元走査
を行なう為には各素子を厳密な位置関係で配こせねばな
らず、装置を組み上げる際の光学；ｇＩ整が非常に煩雑
であった・ 一方１回転多面体鏡等の手段を用いない２次元光偏向器
も提案されている。これは、テルルカラス等のバルク型
材料の異なる面に各々電極を設け、互いに直交する方向
に体積型弾性波を発生させ、バルク内を通過する光を回
折によって２次元方向に走査せしめるものである。この
ような音響光学効果を用いた光偏向器は比較的小型に構
成でき、光学調整も簡単であるが、その反面、体積型弾
性波の伝播速度が遅い為、偏向方向の高速な切り換えが
出来ないといった欠点もあった。

本発明の目的は、上記従来例の欠点を解消し、コンパク
トな構成で光学調整が簡単であり、且つ、高速動作に対
しても十分応答が可能な２次元走査光偏向器を提供する
ものである。

本発明の上記目的は、光偏向器を、導波光を第１の方向
に沿って偏向して出射せしめる薄膜光導波型光偏向素子
と該光偏向を子を動かすことにより前記出射される導波
光を第１の方向とは異なる第２の方向に沿って偏向せし
める手段とから構成することによって達成される・以下
本発明の実施例を図面を用いて説明する。

第１図は、本発明の第１実施例を示す概略構成図である
。光源であるところの半導体レーザ装置１１は銅ブロッ
ク１２に熱伝導を妨げることなく接着されており、外部
の定電流電源１３により駆動される。この半導体レーザ
装置１１より発せられた波長０．８４　Ｐ　ＩＨの光は
微小円柱状レンズ１４１例えば、セルフォック（商品名
二日本板硝子社製）により、単一モード光ファイバ１５
に結合される。この光ファイ／く１５を伝播した光は、
ファイバ出射端面に設けられた微小円柱状レンズ１６に
よってコリメートされ。

薄１１ｉ先導波型光偏向素子１７の光導波路１８に結合
される。このとき、光導波路１８内で光を導波させる為
には、光導波路に励起する伝搬モードを考慮する必要が
あるため、光ファイ／く１５から入射する光の偏向方向
は、光導波路面に垂直或いは平行になるように設定され
る。

光導波路１８に結合され、励起された導波光は、くし型
電極１９により励振された弾性表面波２０により回折を
受ける０弾性表面波２０は、導波路表面に設けられたく
し型電極１９に電圧源２１から高周波電圧が印加された
ときに、圧電効果によって導波路表面に生ずる、電極指
のピッチに対応した周期を持つ弾性変形である。

この変形は、導波路表面を伝播するが、導波路を構成す
る結晶の屈折率の変化を伴なうため、この部分を通過す
る導波光は周期的屈折率変調を感じて回折を起こす。こ
のとき弾性表面波２０の波面と導波光とが適当な角度を
なし、かつ相互作用をしている領域が表面弾性波の波長
に比へて十分に大きいと、ブラッグの条件を満足し、高
い効率で回折を生ずる。また、この回折光の角度（非回
折光、即ち零次光の進行方向と回折光の進行方向とがな
す角）は、印加される高周波電圧の周波数に対応し、こ
の周波数の変化に従って変化する。従って、導波光はこ
の薄膜先導波型光偏向素子１７によって１次元方向の偏
向を受け、光導波路端面から出射される。

本実施例において、上記薄膜光導波型光偏向素子１７は
、０．５　ｍ　ｍ厚のＹカットニオブ酸リチウム結晶を
基板として形成された。光導波路１８は、前記基板を十
分に洗浄した後、金属チタン（Ｔｉ）を２００人の厚さ
に真空蒸着法により被着せしめ、引き続いて湿酸素雰囲
気中で１０００℃で約２時間熱処理を行ない、結晶表面
にチタンを熱拡散することによって作成された。又、く
し型電極１９は、上記熱処理後、室温まで徐冷してから
、通常の半導体作成技術に用いられているのと同様のフ
オ、トリソゲラフイー技術により、線幅および空隙が２
．２ルｍ、交差長さ２−２　ｍ　ｍ、対数ｌＯ対で、弾
性表面波の進行方向が結晶のＺ軸と平行になるよう、導
波路表面に形成した。このくし型電極１９には、周波数
が３５０ＭＨｚから４５０ＭＨｚまテノ範囲で直線的に
変化するＦＭ信号が印加され、導波光は導波路表面に平
行な面内で０．６°の偏白色をもって偏向される。この
ときＦＭ信号の繰り返し周波数は２０ＫＨｚであり、給
電した高周波電力は、実効値で３００ｍＷであった。

さて、前記薄光導波型光偏向素子１７において偏向され
た光は、光導波路１８の端面から出射される。光導波路
１８の厚さは、例えばＴｉ拡拡散ニオブリリチウム場合
２〜３ｐｍで、導波光の波長（０，８４ルｍ）に比べ、
それほど大きくない為、端面から出射される光は回折に
より導波路の厚さ方向に拡がってしまう。

そこで、母線が導波路端面と平行で、かつその平面側の
面が導波路面と垂直となるようにシリンドリカルレンズ
２２を挿入し、その後側に結像レンズ２３を置いて、ス
クリーン２４上にスポット２５を結ばせた。前述の光偏
向素子１７による偏向によって、スポット２５は導波路
面と平行な点列をなす、ここで導波光の光束幅は４ｍｍ
であり、偏向光の分解点数は１１０点であった。

更に、前記痘膜先導波型光偏向素子１７は、板状振動子
上に形成されて動かされ、それに伴なって導波光は、前
記偏向素子による偏向方向とは異なる方向にも偏向され
る。第１図は、板状振動子としてバイモルフを用いた例
を示し、バイモルフ振動板は、厚さ１００Ｉｊ、ｍ、幅
８ｍ　ｍ　、長さ５０ｍｍの燐青銅の板２６の両側に、
厚さ１５０　ｇ　ｍ　、　１２．５　ｍ　ｍ　、長さ４
０ｍｍのＰＺＴ　（Ｐｂ　（Ｚｒ、Ｔｉ）０３）焼結体
の薄板２７を接着して作成された。ＰＺＴ焼結体の薄板
２７は、一方の端を燐青銅の板２６の一方の端と揃えて
固定し、燐青銅の板２６の他方の端を銅のブロック１２
に設けたスリ割に入れて固定した。その構造から明らか
なように、バイモルフ振動板は、電場の中に置かれると
圧電効果のために誘電体薄板が変形し、全体が湾曲する
。そして、その変位の大きさはほぼ電場に比例する。従
って、印加する電圧を変化させるとその変化に追従して
湾曲する。また、交流電場中に置くとその周波数に対応
した振動数で振動する０本実施例は、この現象を利用し
て一方向の走査を行なうものであり、その動作原理から
ランダム・アクセス（任意の時刻に任意の位置まで変化
させること〕が可能であり、さらに連続的なモードで使
用することも可能である。

光偏向素子１７はバイモルフ振動板の先端部に固定され
、バイモルフの振動により、光導波路１８からの出射光
は導波路面に垂直な方向に往復運動する。この運動によ
ってスポット２５は導波路面に垂直な方向に並ぶ点列と
なり。

先、の光偏向素子１７による偏向と合わせて、スクリー
ン２４上でスポット２５の２次元走査を行なうことが出
来る。

本実施例においては、前記バイモルフ振動板の両側のＰ
ＺＴ焼結体の薄板２７に不図示の電圧源より、周波数１
００Ｈｚの交流電圧５０Ｖ（実効値）を印加し、約１０
の偏向角を得た。

この時、バイモルフ振動板は基本振動モー−で振動して
おり、振動板の銅ブロックに固定していない側の端部の
みが振動の腹となっていた。

この振動板による偏向光の解像点数は約１００点であっ
た。

第２図は、前述の第１実施例におけるスポット形成光学
系を示すものであり、（ａ）は導波路面に水平な方向か
ら見た図であり、（ｂ）は導波路面に垂直な方向から見
た図である。ここで、第１図と同一の部材には共通の符
号を付した。光導波路１８の端面より出射した光は、導
波路面に平行な母線をもつシリンドリカルレンズ２２に
よって、導波路面と垂直な方向についてのみコリメート
された後、結像レンズ２３によってスクリーン２４上に
輝点が結ばれる。

第２図（ａ）に示すように、導波路面が後に続く光学系
の光軸と平行であるとき、光導波路１８の端面から出射
した光Ｐは、シリンドリカルレンズ２２でコリーメート
され、結像レンズ２３により、スクリーン２４上にＰ′
点として結像される。また、導波路面が上述の光軸と角
度をもつときの出射光Ｑは、スクリーン２４上のＱ′に
結像される。すなわち、導波路面が該光学系の光軸とな
す角度が小さいとき、導波路の出射端とそのスクリーン
上の像とはほぼ共役な関係が保たれるために、光出射端
の位置が移動しても、スクリーン２４上の点像はぼける
ことなく移動する。

一方、第２図（ｂ）に示すように、光偏向素子１７によ
って導波光の出射位置が導波路端面を移動する場合に、
その移動量が小さいときは（ａ）で説明したと同様に、
出射光ＲがＳに移動してもその像Ｒ’、Ｓ’はともにぼ
けることなく輝点となる。従って、光偏向素子およびこ
の光偏向素子の運動によって、導波光の出射位置が移動
すると、スクリーン２４上の輝点が対応して移動する。

以上の説明は光源の移動がある一方向にのみ移動する場
合としたが、同時に二方向に異なる量だけ移動しても上
述の関係はそのまま成立△ つ。従って出射端での光源位置を２次元的に移動するこ
とによってスクリーン上に輝点を２次元的に走査するこ
とが可能と′る。また、上記説明では、導波光の偏向に
よる結像点のスクリーン２４からのずれは無視できるも
のとしたが、シリンドリカルレンズ２２、結像レンズ２
３等から成る光学系に、このような像面湾曲を補正する
機能を持たせても良いことは勿論である。

第４図は１本発明の第２実施例を示す概略図である。こ
こで２８は第１実施例と同じ構成のバイモルフ振動板で
あり、一端がブロック２９に固定されている。またバイ
モルフ振動板２８の一方の面には光導波路３５が接着さ
れている。

振動板は固有振動の３倍の高周波で振動され、振動の節
の位置にはグレーティング３０を形成した。レーザ光源
３１から発したレーザ光３２（波長０．８４ｇｍ）は、
前記グレーティング３０によって光導波路３５に導かれ
、くシ型電極３３から生ずる弾性表面波３４によって回
折された後、光導波路端面から出射するようにした。

第５図は、前記第２実施例の振動板および光導波路の構
成を詳細に説明するものである。燐青銅から成る厚さ１
００ルｍの金属板３６の両５０ｐｍのニオブ酸リチウム
結晶の薄板３８に、チタン（Ｔｉ）を熱拡散（１０００
℃、２時間）する事により光導波路３５を作成し、前記
振動板に接着した。更に、弾性表面波励振用のくし型電
極３３（線幅および空隙ともに２，２ｐｍ、中心周波ｉ
４００ＭＨｚ）をフォトリソグラフィーで形成し、入力
結合用のグレーティング３０（格子ピッチ０．６７ｚｍ
、格子線幅０．３膳ｍ）を格子に沿う長さを６ｍｍ、格
子に垂直な方向に５ｍｍの大きさに作成した。グレーテ
ィングはフォトレジスト像をマスクとして、アルゴンミ
リング装置によって作製した。グレーティングの深さは
約２０００人で、入力結合効率は５０％であった。

第６図は上記振動板の定在波の様子を示すものである。

ここでは、振動板が、固有振動数の第３高周波で励振さ
れている様子を示している。即ち、振動板２８のブロッ
ク２９への固定端Ｎｌ及びＮ２で示される部分が振動の
節となり、ＰＬ、Ｐ２の部分が腹となっている。Ｎ２の
点は振動板の一部であるが振動しないため第４図のよう
に入射角度依存性をもつグレーティング結合器を作成す
ることが可能であった。

２８３高周波として３００Ｈｚの交流電圧１００Ｖ（実
効値）を印加し、前記振動板を振動させ、導波光の偏向
角１．８°を得た。くし型電極３３には周波数が、３５
０　Ｍ　Ｈｚから４５０ＭＨｚの範囲で連続的に変化す
る高周波３００ｍＷを印加した０周波数変化のくり返し
速さは、ｌＯ＃Ｌｓ　（１００ＫＨｚ）とした。

以上の方法により振動板と音響光学効果を用いた薄膜光
導波型光偏向素子を用い水平走査線３３３木の画面を毎
秒３００枚構成することが可能であった。

第７図は、本発明の第３実施例を示す概略図である１本
実施例では、板状振動子として磁石とコイル電流との相
互作用を用いたものを使っている。振動板３９は０．３
　ｍ　ｍの燐青銅から成り、銅プコツク４０に固定しで
ある。振動板３９上には永久磁石４１、薄ｌり光導波型
光偏向素子４２、微小円柱レンズ４３が固定されている
。半導体レーザ４４からの光は微小円柱レンズ４５によ
り単一モード偏波面保存光ファイバ４６に結合され伝搬
される。伝搬光はレンズ４３により素子４２の光導波路
部に結合され、音響光学効果により偏向された後端面か
ら出射する。しかる後、光学系４７により、スフ　。

リーン４８上に点像が結ばれる。

ｙ（ 振動を励起するには、永久磁石４１と相体して置かれた
電磁石４９に交流電圧を印加する。

永久磁石４１はできるだけ軽量小型のものが望ましく、
サマリウムコバルト合金系のものを用いた。原理的には
４１は磁性体であれば永久磁石でなくとも振動するが、
その場合には電磁石４９に吸引されていないときの振動
板の戻りを確実にするための構造を必要とする。また、
このときの振動の周波数は、印加交流電圧の２倍の周波
数となる。電磁石４９は、巻き径６ｍｍ、長さ１０ｍ−
ｍのボビンに０−２　ｍ　ｍφウレタン線を５００タ一
ン巻いて作成した。駆動には１００Ｈｚ、３■の交／ｆ
、ＴＬ圧を印加し、非共振モード（周波数が機械系の固
有振動数と一致しないモード）で用いた。偏向角度はｌ
’であった。

第８図は、本発明の第４実施例を示す概略図である０本
実施例では、第３実施例における燐青銅板３９と永久磁
石４１との組み合せを、アモルファス磁性体板５０に置
き換えである。

アモルファス磁性体板の材料としては、メタグラス２８
２６ＭＢ（商品名、アライド会ケミカル社製）を用いた
。メタグラス２８２６ＭＢは厚さ約５０ｇｍのフィルム
で弾性に富み、大きな透磁率を持つ金属フィルムである
。そのままでは厚さが薄く強度的に不十分なため、１０
枚を積層して一枚の板となし、一端をブロック５７に固
定して薄膜光導波型偏向素子５１を貼り付けたものであ
る。偏向素子５１は光源及び光学系がパイブリッド構成
で一体化しであるもので、半導体レーザ５２より光導波
路に端面結合された光は、導波路レンズ５３によりコリ
メートされ、弾性表面波５４で偏向された後。

結像用の導波路レンズ５５及び外部のシリンドリカルレ
ンズ５６によって輝点が結ばれる。

導波路レンズ５３．５５は、導波路よりも屈折率の高い
薄１漠を積層するルネブルグレンズ、であるが、必要に
応じて導波路に球面状の凹面を形成するジオデシックレ
ンズ、または導波路上に微小なピッチのグレーティング
を形成するグレーティングレンズなどを用いることが可
能である。ＦＡ動にはやはり電磁石５８を用い、振動板
の動きについては第３実施例と同様であるのでその詳細
は省略する。

なお５５のルネブルクレンズを用いて、導波路の射出端
面に結像させる場合には、シリンド・１人 リカルレンズ５６の変りに通常の球面レンズを用いるこ
とができ、収差の点からより有利な形態とすることが出
来る。

以上、・実施例をあげて説明したが、本発明は前述の実
施例に限らず種々の変形が可能である０例えば、実施例
では導波光を薄膜光導波型光偏向素子の導波路端面から
取り出しているが、プリズムカプラー等の結合器を介し
て取り出しても良い、また、第１実施例などでは、光源
として外部レーザを用いているが、混成集積化もしくは
モノリシック化によって、偏向素子基板上に光源をもた
せたものがより好ましい形ＩＥ８であることは云うまで
もない。この偏向素子における偏向手段も、実施例の弾
性表面波を用いる以外に、静磁気表面波（Ｍａｇｎｅｔ
ｏ−ｓｔａｔｉｃ　　５ｕｒｆａｃｅ　　ｗａｖｅｓ）
等を用いてもかまわない、更に、本発明の各部を構成す
る材料も、種々のものが選択できる。

例えばへイモルフ振動板に使うピエゾエレクト閂 リック材としては、Ｐｆｉ−Ｎ　（Ｐ　ｂ　（Ｍ　ｇ　
、　Ｎ　ｂ）０３〕の焼結体或いはＰＶＦ（ポリフッ化
ビニリデン）膜等を用いることも出来る。

以上説明したように、本発明は導波光を第１の方向に沿
って偏向して出射せしめる薄ｊ漠光導波型光偏向素子と
、該光偏向素子を動かすことにより前記出射される導波
光を第１の方向とは異なる第２の方向に沿って偏向せし
める手段とから光偏向器を構成することにより、 １）装置を小型化できる ２）応答特性の良い２次元走査を可能にする３）光学調
整を簡単にする 等の効果を有するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に基づく光偏向器の一実施例を示す概略
図、第２図（ａ）、（ｂ）は夫々第１図示の光偏向器に
おけるスポット形成光学系を説明する図、第３図は従来
の光偏向器の構成を示す概略図、第４図は本発明の他の
実施例を示す概略図、第５図は第４図示の光偏向器の振
動板の構成を示す図、第６図は第４図示の振動板の振動
の様子を説明する図、第７図および第８図は夫々本発明
の更に他の実施例を示す概略図である。 １１−−−一半導体レーザー装置、１２−−−ｍｍブロ
ック１３−−−一定電流電源、１４．１６−−−−微小
円柱状レンズ、１５−−−一光ファイバ、１７−−−−
薄膜光導波型光偏向素子、１８−一−−光導波路、１９
−−−−＜　Ｌ型電極、２０−−−一弾性表面波。 ２１−−−一電圧源、２６−−−−燐青銅の板、２７−
−−−ＰＺＴ焼結合体の薄板。 （１）〕 第５０

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）導波光を第１の方向に沿って偏向して出射せしめ
   る薄膜光導波型光偏向素子と、該光偏向素子を動かすこ
   とにより前記出射される導波光を第１の方向とは異なる
   第２の方向に沿って偏向せしめる手段とから成る光偏向
   器。
2. （２）前記手段は、板状振動子上に前記光偏向素子が形
   成されて成る特許請求の範囲第１項記載の光偏向器。
3. （３）前記光偏向素子が音響光学効果を利用した光偏向
   素子である特許請求の範囲第１項記載の光偏向器。
4. （４）前記導波光は、前記偏向素子の導波路端面より出
   射される特許請求の範囲第１項記載の光偏向器。