JPS6283729A - 光走査装置 - 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】 （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ｈ０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Ｐ
ＬＺＴ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１？ツタ素子に個別的に駆動
回路を接続し、画像信号に応じて、０Ｎ１０ＦＦ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、ざ
らには ■ＬＥＤ等の発光素子を多数−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０Ｎ１
０ＦＦ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■の機械式光偏向器は撮動に対して弱く、
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。ざらに光ビームを撮って偏向させ
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撮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ＥＯ
Ｄヤ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。

−万〇のシャッタアレイを用いる光走査装置にあっては
、偏光板を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必る。

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め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、耐搬動性
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
たく特願昭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ｖＪｌ’ｌからなり、互いに密着された先導波層と通
常は該先導波層よりも小さい光屈折率を示す隣接層との
積層体と、 上記光導波層および／または隣接層に、光導波−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、少なくとも上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
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
回路とから構成され、 光導波層の光屈折率（ｎｌ）および／または隣接層の光
屈折率（ｎｌ、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ｎｌ　＞ｎｌの関係を持つ）を、その
差（ｒｌｚ　　ｎｔ’）が小ざくなるように、あるいは
ｎ２≦ｎ１となるように変化させて、光導波、優中に助
じ込めらね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１ｏ上に光導波層１１、回折格
子Ｇをもつ隣接層１２（−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
ｎ３、光導波層１１の光屈折率ｎ２、電界、を印加して
いないときの隣接層１２の光屈折率ｒｌｌの間にｎ２　
＞ｎｌ　、ｎ３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１１１の厚み
をＴとすると、先導波層１１の実効屈折率はｎｅｆｆで
ある。この時導波光１４の界分布（Ｎ界分布）は、例え
ばＴＥｏ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）は導波光が隣接層１２や塞板１
ｏにゎ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／ν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の部分にあける隣接層１２
の光屈折率をｎｌがらｎ、十△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。ｆｆは”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、は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、隣接図１２の光屈
折率をｎｌからｒｉｍ＋Δｎ“に変化させたとき、この
ｎ１＋△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”’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弁イ５は第３図（Ｃ）のように変化
し、導波光は隣接層１２へ多Φ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ｎ１を光導波層１１の光屈折率
ｎ２と略等しいか又はｎ２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に治って１列４ご延びろよう
に設（プておき、各電極対に順次択一的に電界を印７Ｊ
ＩＩ″ｇ゛れば、隣接＠１２からは出射位置を変えなが
ら光か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ぜる他、反対に光導波＠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、ざらには先導波層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８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
市るから、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、耐娠動性に優れて調整も容易であり、さらに光
ビームを大きく撮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
お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、先導彼層と隣接
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娠を
する必要がある。そうするためには光導波層の厚ざＴ２
は非常に薄くする必要があり、反対に隣接層の厚ざＴ！
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がったり、
さらには特に厚い隣接層の形成に長時間を要するのでめ
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、前述したような先導波層と隣接
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を、１次モード以上の（つまり０次
モードではない）高次モードに設定したことを特徴とす
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の詳細な説
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と咳光
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；ボの
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１ｏはそれぞれ、前記関係 ｎｌ＞ｎ、、　ｎ３ を満たす材料から形成されている。なお前述の通り、ｎ
ｌ、ｎ３はそれぞれ光導波層１１、基板１ｏの光卯折率
、ｎｌは隣接＠１２の電界非印加時の光屈折率でのる。

このような先導波層１１、隣接層１２、基板１０の材料
の組合せとしては例えば、（Ｎｂ２０！：　Ｋ３　Ｌ　
ｉ　２　Ｎ　ｂ５０＋ｇ　：　ｊｆう’：）、）、（Ｎ
ｔ）ｚ　０５　　：Ｌ！ＮｂＯ３ニガラス）Ｗが挙げら
れる。

なお先導波路については、例えばティー　タミール（Ｔ
、Ｔａｍ１　ｒ）［ｇインテグレイテッドオブティクス
（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　　０ｐｔｉＣ３）コ　（トピ
ックス　イン　アプライド　フィジックス（Ｔｏｐｉｃ
ｓ　　ｉｎ　　ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ）第７巻
）スプリンガー　フエアラーグ（Ｓｔ）ｒｉｎｇｅｒ−
Ｖｅｒｌａｇ）刊（１９７５）：西原、春名、＠原共著
「光束積回路−１オ一ム社刊（１９８５＞等の成著に詳
！！！１な記述があり、本発明では先導波層、隣接層、
基板の組合せとして、これら公知の先導波路のいずれを
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Ｎ極対Ａ１、Ａ２、Ａ３〜Ａｎ
は、それぞれ共通電極Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３〜Ｃｎと個別Ｎ
極Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３〜Ｄｎとからなり、各Ｎ極間のｍｌ
！！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〜ｃ
ｎと個別電極Ｄ１〜Ｄｎはそれぞれ、例えば幅１０〜２
００μｍ、電４’１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１０Ｘ１０
μｍ−Ｑ、２ｘ５ｍｍ程度となるように形成されており
、各電極対Ａ　１〜Ａ　ｎ　Ｉｔｍイの間隔５−１００
〜２００μｍ稈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、基板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、Ｐ
２、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。

一方光導波庖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１ｏ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２ｏ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′が先導波層１１内に射出
される。口のレーザビーム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１セ間間隙Ｐ１〜Ｐｎ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〜
［）ｎ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〜Ｏｎとの間に電圧を印加する個別Ｎ４ｆ！を
］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〜［）ｎのうち１番目の個別
Ｎ極Ｄ１と共通Ｎ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■が印カロされる。こうして電極対Ａ１〜Ａｎの
各電極間に順次電圧が印加ざ机、電極間間隙Ｐ１〜ｌ）
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１？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、先導波層１１から隣接層１２側に
出則し、回折格子０１〜Ｇｎの回折作用により隣接層１
２外に出射する。つまり最初覧よ回折格子Ｇ１から、次
は回折格子Ｇ２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（なあ光出射位置
が、回折格子Ｇ１→Ｇ２→・・・・・・Ｇｎ→Ｇ（ｎ−
１）→Ｇ　（ｍｌ−２＞・・・と変化するように、Ｎ極
対へ１〜Ａｒｌ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＠ＣＬＫによって該主走査と同期をとって被走査体１
８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。

なお木実Ｍ！ｊ、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
されてあり、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、先導波層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０ＱＣ８３−８４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
等を介して先導波層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、その仙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次モードで先導波層１１
内を導波するように、該先導波層１１に結合されている
。第６図および第７図はそれぞれ、−例として光屈折率
ｎｚ　＝１．５４４、ｎ＋＝１゜４５７である場合の光
屈折率ｎ１と隣接層１２の厚さとの関係、光屈折率ｎ１
と光導波層１１の厚ざとの関係を導波モード次数毎に示
すものでおる。これらの図から明らかなように、光屈折
率ｎ、が例えば１．５１８のとき、０次モードの場合隣
接層１２の１９ざは約５５μｍ、先導波層１１の厚さは
約０．４μｍでおり、−５１次モードの場合隣接層１２
の厚ざｔよ約２２μｍ、光導波層１１の厚さは約１゜５
μｍとなる。っまり導波モードが１次モードの場合は、
０次モードの場合に比へ、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次モードの場合的１３８　（＝５５１０
．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。

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、
しが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〜Ｑｎと導波光１４との相豆作用は、
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ｔＥＤ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、耐撮動性に優れて調整も容易でめり、ざらに光ビ
ームを大きく撮らずに走査可能でおるから、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、先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。

【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図は第１図の構成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
税図、 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、先導波層の厚さとの関係を導波モー
ド毎に示すグラフである。 １０・・・基板　　　　　　　１１・・・光導波層１２
・・・隣接＠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　　Ｇ］〜Ｇｎ・・・回折格子Ｐ１〜
ｐｎ・・・電極間間隙 第４図 第５図 第６図 先石−丁斤りｒ　　　　　旧

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 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す隣接層との積層体
   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を、１次モード以上の高次モー
   ドに設定したことを特徴とする光走査装置。