JP2019015930A - 電気光学光偏向器 - Google Patents

Abstract

【課題】出射されるビームの偏向の軌跡が直線となる電気光学光偏向器を提供すること。【解決手段】電気光学光偏向器３００は、電気光学結晶３０２と２枚の反射防止膜３０３、２枚の高反射膜３０４、および電界印加用の電極３０５によって構成される。電界印加方向は、Ｘ軸方向に平行とする。電気光学結晶３０２の入射面および出射面は、互いに平行であり、入射面、出射面に入射する各ビームが、入射面および出射面のそれぞれに対してＹＺ平面において垂直に入射するようにする。すなわち、少なくとも出射面に入射するビームは、出射面とＹＺ平面との交線に対して垂直となる。また電気光学結晶３０２の高反射膜３０４が設置された対向する面は、電気光学結晶３０２を切削加工等により入射面および出射面に対して角度がつけられ、互いに平行とする。【選択図】図３

Description

本発明は、光の伝搬方向を変化させる電気光学光偏向器に関する。

光偏向器とは、光の伝搬方向を変化させるデバイスである。大きく分けて反射型と透過型がある。代表的な反射型光偏向器として、ガルバノミラーやポリゴンミラーなどの傾きが変化する反射鏡を利用したデバイスが挙げられる。

一方、透過型光偏向器は、回折型と屈折率分布型とに二分できる。回折型は、音響波によってできる屈折率変調が回折格子となって光を回折することでその伝搬方向が変化する。この音響波による光の回折現象は音響光学効果と呼ばれるため、この音響光学効果を利用した光偏向器を、ここでは音響光学光偏向器と呼ぶ。

また屈折率分布型は、偏向器内部の屈折率が特定の方向に単調変化し、それによって伝搬光の波面が傾斜することで伝搬方向が変化する。この屈折率変化は一般的に電気光学効果によって引き起こされるため、この電気光学効果を利用した光偏向器を、ここでは電気光学光偏向器と呼ぶ。

電気光学効果とは、電界の強さに依存して物質の屈折率が変化する現象を指し、電気光学効果を有する結晶は電気光学結晶と呼ばれる。何らかの方法により電気光学結晶の中に電子などの電荷を注入し、電荷が注入された電気光学結晶に対して電界を加えた場合、その内部では静電遮蔽により不均一な電界分布が形成される。この不均一な電界分布と電気光学効果の複合効果により、結晶の内部では電界分布に依存した屈折率分布が形成される。この屈折率分布を利用することで光の伝搬方向を結晶内部で変えることができる。

代表的な電気光学光偏向器に、タンタル酸ニオブ酸カリウム（ＫＴＮ）を用いた光偏向器が挙げられる（特許文献１参照）。ＫＴＮは反転対称性を有するペロブスカイト型の単結晶であり、電気光学特性として２次の電気光学効果であるカー効果を示す。またＫＴＮは特定の結晶温度において結晶構造が変化する構造相転移を示し、この際に結晶の誘電率はキュリーワイズの法則に従って著しく上昇するため、大きな電気光学効果を得ることができる。

光コヒーレンストモグラフィ（ＯＣＴ）に用いられる波長掃引光源やラインセンサーなどの応用には、広い偏向角を持つ光偏向器が求められる。電気光学光偏向器の偏向角の大きさは、電界分布に依存した屈折率分布の中を光が伝搬する距離に比例するため、結晶内をより長い距離伝搬させることが広角化には重要である。このことは、結晶表面に反射膜を取り付け、結晶内部でビームを折り返すことで結晶を複数回通過させるマルチパス構成が広角化に対して有効であることがこれまでに実証されていることからも明らかである。このマルチパス構成を用いることにより、パス数倍の伝搬距離が得られ、広い偏向角を得ることができる。

また非特許文献１には、ＯＣＴに用いられる波長掃引光源が示されている。この光源は半導体光増幅器とＫＴＮ光偏向器と回折格子およびその他光学素子から成る。非特許文献１には光源性能が光偏向器の偏向角に依存することが示されており、広い偏向角を得るためにマルチパス構成が採用されている。

特許第４７５１３８９号公報

上野 雅浩、豊田 誠治、坂本 尊、佐々木 雄三 小林 潤也、「ＫＴＮ光偏向器の広角化による２００ｋＨｚ波長掃引光源のコヒーレンス長伸長」、電子情報通信エレクトロニクスソサイエティ大会、２０１４年、Ｃ−３−２６

しかしながら、従来のマルチパス構成の電気光学光偏向器では、偏向されたビームのスキャンの軌跡が直線から湾曲した曲線になるという課題がある。これはスキャン方向と直交する面上で結晶の境界面での光屈折を考えた場合、結晶の出射端面に対してビームが垂直に入射せず、斜入射するためである。

図１（ａ）に、従来の３パス型マルチパス構成の電気光学光偏向器の電界印加方向に垂直な断面図を示し、（ｂ）に（ａ）のＹ軸方向から電気光学光偏向器を見た図を示す。電気光学光偏向器１００の入射端面に対して入射するビームを傾けて斜入射し、結晶端面に設置した高反射膜１０３おいて反射させて結晶内でビームを折り返すことでマルチパス構成を実現している。また、電界印加用の電極１０４に電圧を印加することによりＸ軸方向に電界を印加する構成としている。

点線１０１はビームの軌跡を表しており、ベクトルＤ’は結晶に入射する入射ビームの方向ベクトル、ベクトルＳは結晶の入射面の法線ベクトル、ベクトルＩは結晶出射面に入射するビームの方向ベクトル、ベクトルＤは結晶から出射される出射ビームの方向ベクトルを表す。それぞれのベクトルは単位ベクトルである。

結晶の入射面と出射面は平行であり、ベクトルＩのＹ成分は０であってＸＺ平面内にあり、ベクトルＤ’のＸ成分は０であってＹＺ平面内にある。尚、Ｘ軸は図面に垂直となるようにとり、Ｚ軸はベクトルＩと平行となるようにとる。Ｙ軸と結晶の入射面、出射面とのなす角はθとする。

この電気光学光偏向器１００の電界印加方向、すなわち偏向方向はＸ軸方向であり、結晶内を伝搬するビームの方向ベクトルのＸ成分はＸ方向の屈折率分布ｄｎ／ｄＸと結晶内の伝搬長Ｌの積によって決まり、偏向角、すなわちベクトルＩとＺ軸のなす角をφとする。以上の条件から各方向ベクトルは以下のように表される。

電気光学結晶を取り囲む空間の屈折率をｎ１とし、結晶の平均屈折率をｎ２とする。出射面において、これらのベクトルはスネルの法則により、以下の関係を満たす。

従って、

となる。この結果より、

となる。ただしＮ＝ｎ２／ｎ１、Ａ＝ｃｏｓθ／ｓｉｎθである。ベクトルＤは単位ベクトルであるため、

の関係を満たす。式（６）、（７）、（８）から、

が得られる。この式はＤｙについての２次方程式であるため、解の公式を使って解くと以下が得られる。

Ｄｙは屈折光の伝搬方向ベクトルＤのＹ成分であるため、Ｙ軸とＤのなす角θｙはＹ軸の単位ベクトルとの内積を取ることで、

と表される。式（１１）は式（１０）から明らかなようにｃｏｓφを含むため、光偏向は本来のＸ軸方向の角度変化のみならず、Ｙ軸方向の角度変化を伴うことを表す。この結果、従来のマルチパス構成の電気光学偏向器では、ビームスキャンの軌跡は直線ではなく湾曲した曲線となるという課題がある。

図２は、従来の電気光学光偏向器のθｙの偏向角依存性の計算例を示している。計算に用いた数値例はθ＝５．２°、ｎ１＝１、ｎ２＝２．２である。相対角度変化量とは偏向角φ＝０のときのθｙを基準とし、そこからの角度変化量を表している。この角度変化は本来意図していない方向への光偏向であるため、光偏向器にとって問題となる。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、出射されるビームの偏向の軌跡が直線となる電気光学光偏向器を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明は、電気光学光偏向器であって、電界印加により屈折率が変化する電気光学結晶と、前記電気光学結晶に電界を印加するための電極と、を備え、前記電気光学結晶内から前記電気光学結晶の出射面に入射する光が、前記電気光学結晶の電界印加方向に垂直な面と前記出射面との交線に対して垂直となるように前記電気光学結晶が配置されることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の電気光学光偏向器において、前記電気光学結晶内を伝搬する光を反射して、前記電気光学結晶内の伝搬光路を折り返すマルチパス構造を有することを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の電気光学光偏向器において、前記マルチパス構造は、前記電気光学結晶の互いに平行な２面を反射面とすることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の電気光学光偏向器において、前記電気光学結晶の入射面は、前記出射面と平行であり、前記入射面および前記出射面は前記反射面と非平行であることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、電気光学光偏向器であって、電界印加により屈折率が変化する電気光学結晶と、前記電気光学結晶に電界を印加するための電極と、前記電気光学結晶の入射面および出射面のそれぞれに接合された、前記電気光学結晶と同じ屈折率を有する２つのプリズムと、を備え、前記プリズム内から前記プリズムの出射面に入射する光が、前記電気光学結晶の電界印加方向に垂直な面と前記プリズムの出射面との交線に対して垂直となるように前記電気光学結晶および前記プリズムが配置されることを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の電気光学光偏向器において、前記電気光学結晶内を伝搬する光を反射して、前記電気光学結晶内の伝搬光路を折り返すマルチパス構造を有することを特徴とする。

請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の電気光学光偏向器において、前記マルチパス構造は、前記電気光学結晶の平行な２面を反射面とすることを特徴とする。

請求項８に記載の発明は、請求項７に記載の電気光学光偏向器において、前記プリズムの入射面は、前記プリズムの出射面と平行であり、前記プリズムの入射面および前記プリズムの出射面は前記反射面と非平行であることを特徴とする。

本発明の構成を取ることで、電気光学光偏向器から出射されるビームの偏向の軌跡を直線にすることが可能である。

（ａ）は、従来の３パス型マルチパス構成の電気光学光偏向器の電界印加方向に垂直な断面図であり、（ｂ）は（ａ）のＹ軸方向から電気光学光偏向器を見た図である。 従来の電気光学光偏向器のθｙの偏向角依存性の計算例を示す図である。 本発明の実施形態１に係る電気光学光偏向器の電界印加方向に垂直な断面図である。 本発明の実施形態１に係る電気光学光偏向器の斜視図である。 本発明の実施形態２に係る電気光学光偏向器のＸ軸に対して垂直な断面図である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。

（実施形態１）
図３に本発明の実施形態１に係る電気光学光偏向器の電界印加方向に対して垂直な断面図を示し、図４にその斜視図を示す。

電気光学光偏向器３００は、電気光学結晶３０２、２枚の反射防止膜３０３、２枚の高反射膜３０４、および電界印加用の電極３０５によって構成される。電界印加方向は、Ｘ軸方向に平行とする。

ビームは軌跡３０１を通り、電気光学結晶３０２に入射する際に一方の反射防止膜３０３を通過する。２枚の高反射膜３０４の間でビーム３０１は複数回、ここでは２回反射され、他方の反射防止膜３０３を通過して電気光学結晶３０２から出射される。

電気光学結晶３０２の入射面および出射面は、互いに平行であり、入射面、出射面に入射する各ビームが、入射面および出射面のそれぞれに対してＹＺ平面において垂直に入射するようにする。すなわち、少なくとも出射面に入射するビームは、出射面とＹＺ平面との交線に対して垂直となる。また電気光学結晶３０２の高反射膜３０４が設置された対向する面は、電気光学結晶３０２を切削加工等により入射面および出射面に対して角度がつけられ、互いに平行とする。この場合、出射面の法線ベクトルＳは、

となり、ベクトルＩと同様にＹ軸に対しても垂直になる。式（２）、（３）は本実施形態においても成り立つため、式（１２）、（２）〜（４）から、

が得られる。これより、Ｄｙ＝０であることが示される。つまりＹ軸方向に対してはスネルの法則の影響を受けないことから、電界分布に依存した屈折率分布によりＹ軸方向には偏向されず、Ｘ軸方向にのみ偏向されるためビームスキャンの軌跡は直線となる。

電気光学結晶３０２はタンタル酸ニオブ酸カリウム（ＫＴＮ）などの高誘電率な結晶が好ましい。また反射防止膜３０３と高反射膜３０４は誘電体多層膜が好ましい。

電気光学結晶３０２内での反射回数は、本実施形態の２回に限定されることなく、２回以上とすることが可能であり、３パス以上のマルチパス構造を採用することも可能である。

（実施形態２）
図５に、本発明の実施形態２に係る電気光学光偏向器４００の断面図を示す。図５は、図３と同様にＸ軸に対して垂直な断面を示すものである。電界印加方向は、実施形態１と同様に、Ｘ軸方向に平行とする。

電気光学光偏向器４００は、電気光学結晶４０２と三角プリズム４０５とが組み合わされ、Ｘ軸方向の厚みが薄い立方体の形状をしている。電気光学結晶４０２のＹＺ平面に垂直で対向する平行な２面にそれぞれ反射防止膜４０３および高反射膜４０４が設置されており、反射防止膜４０３および高反射膜４０４に接するように、電気光学結晶４０２と同じ屈折率を有する三角プリズム４０５−１、４０５−２が固定されている。三角プリズム４０５−１、４０５−２の反射防止膜４０３および高反射膜４０４と接している面と対向する面には、反射防止膜４０３がそれぞれ設置され、それらは互いに平行である。

ビーム４０１は、三角プリズム４０５−１の反射防止膜４０３が設置された面に垂直に入射させる。電気光学結晶４０２と三角プリズム４０５とは屈折率が同じなので、三角プリズム４０５−１から電気光学結晶４０２に入射したビーム４０１は屈折せずに直進する。電気光学結晶４０２から三角プリズム４０５−２に入射するビームも同様に屈折せずに直進する。そのため、屈折の生じる入射面および出射面は、三角プリズム４０５−１、４０５−２の反射防止膜４０３が設置された面となり、入射面、出射面に入射する各ビームは、入射面および出射面のそれぞれに対し、ＹＺ平面において垂直に入射する。すなわち、少なくとも出射面に入射するビームは、出射面とＹＺ平面との交線に対して垂直となる。

このようなことから実施形態２に係る電気光学光偏向器４００でも、実施形態１と同様に、ビーム４０１は入射面および出射面のそれぞれに対し、ＹＺ平面において垂直に入射するため式（１３）が成り立つ。そのため、実施形態２に係る電気光学光偏向器４００においても電界分布に依存した屈折率分布によりＹ軸方向には偏向されず、Ｘ軸方向にのみ偏向されるためビームスキャンの軌跡は直線となる。

尚、実施形態１、２においては、入射面と出射面とを平行とし、２つの高反射膜を平行とする構成としたが、重要なのは出射面に対して伝搬するビームが垂直に入射することであり、出射面に対して伝搬するビームが垂直に入射していれば、入射面と出射面とを平行とし、２つの高反射膜を平行とする必要はない。

１００、３００、４００ 電気光学光偏向器
１０２、３０２、４０２ 電気光学結晶
１０３、３０４、４０４ 高反射膜
３０３、４０３ 反射防止膜
１０４、３０５ 電極
４０５ 三角プリズム

Claims (8)

1. 電界印加により屈折率が変化する電気光学結晶と、
   前記電気光学結晶に電界を印加するための電極と、
   を備え、前記電気光学結晶内から前記電気光学結晶の出射面に入射する光が、前記電気光学結晶の電界印加方向に垂直な面と前記出射面との交線に対して垂直となるように前記電気光学結晶が配置されることを特徴とする電気光学光偏向器。
2. 前記電気光学結晶内を伝搬する光を反射して、前記電気光学結晶内の伝搬光路を折り返すマルチパス構造を有することを特徴とする請求項１に記載の電気光学光偏向器。
3. 前記マルチパス構造は、前記電気光学結晶の互いに平行な２面を反射面とすることを特徴とする請求項２に記載の電気光学光偏向器。
4. 前記電気光学結晶の入射面は、前記出射面と平行であり、前記入射面および前記出射面は前記反射面と非平行であることを特徴とする請求項３に記載の電気光学光偏向器。
5. 電界印加により屈折率が変化する電気光学結晶と、
   前記電気光学結晶に電界を印加するための電極と、
   前記電気光学結晶の入射面および出射面のそれぞれに接合された、前記電気光学結晶と同じ屈折率を有する２つのプリズムと、
   を備え、前記プリズム内から前記プリズムの出射面に入射する光が、前記電気光学結晶の電界印加方向に垂直な面と前記プリズムの出射面との交線に対して垂直となるように前記電気光学結晶および前記プリズムが配置されることを特徴とする電気光学光偏向器。
6. 前記電気光学結晶内を伝搬する光を反射して、前記電気光学結晶内の伝搬光路を折り返すマルチパス構造を有することを特徴とする請求項５に記載の電気光学光偏向器。
7. 前記マルチパス構造は、前記電気光学結晶の平行な２面を反射面とすることを特徴とする請求項６に記載の電気光学光偏向器。
8. 前記プリズムの入射面は、前記プリズムの出射面と平行であり、前記プリズムの入射面および前記プリズムの出射面は前記反射面と非平行であることを特徴とする請求項７に記載の電気光学光偏向器。

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