JPH021289B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、薄膜光導波路を用いて光走査を行う
フレネル光走査器に関するものである。

光走査器または光偏向器は、レーザを光学情報
処理、光記録、デイスプレイ等に応用する場合に
必要となる基本的な素子の一つである。かかる素
子の性能は、応答速度、分解能、消費電力および
走査形式（連続走査、ランダムアクセス等）など
で決定される。

ビエゾ効果等を利用して機械的に鏡を動かし光
偏向する方法、および音響光学的な方法は現在よ
く用いられているが、本質的に応答速度が遅い欠
点がある。高速光偏向には電気光学効果を用いる
方法が適当であり、種々の方が提案されている。
そのうちデイジタル光偏向器は、大口径のバルク
結晶を用いて電気光学光変調器を多数構成し、こ
れらを直列および並列に並べて光をデイジタル的
に偏向するものであるが、構造が複雑で印加電圧
が非常に大きい欠点があり実用化には至つていな
い。このほかバルク結晶を用いたプリズムアレイ
光偏向器もあるが、この方法もデイジタル光偏向
器と同様の欠点を有し、実用的でない。すなわ
ち、電気光学的効果は電界により屈折率を変化さ
せるもので、その変化量は電気光学係数、電界お
よび電極長に比例し、電界の印加方向の厚みに反
比例するが、電気光学係数は非常に小さいため、
バルク結晶を用いる方法では、前述の大きな印加
電圧を必要とするという本質的な欠点を有してい
る。

同じく電気光学効果を用いて、上述の欠点を改
善するべく、薄膜光導波路を用いた光偏向器も
種々提案されている。その一例を第１図に示す。
本例では、薄膜スラブ型光導波路１上に平行に対
向する長さｌの２本の電極２および３を配置し、
これら電極に斜行して他の１本の電極４を配置す
る。電極４は電極２および３と端部においてそれ
ぞれ間隔ｈをもち、電極２と３とは間隔ｗ＋2h
をもつようにする。電極２および３には電圧Ｖを
印加し、電極４は大地電位に接続する。以上の構
成の単一プリズム光偏向器に入射した単色平面波
５は、等位相面６をもつ出力光７のように所定角
度だけ偏向されて出射する。このような単一プリ
ズム光偏向器の構成は非常に簡単ではあるが、平
行電極２と３の近傍を通る光はサイドロープを発
生し、Ｓ／Ｎおよび分解が低下する欠点がある。

第２図は第１図示の単一プリズム光偏向器を並
列に配置した構成のプリズムアレー型光偏向器で
ある。ここで、２１はスラブ型薄膜光導波路、２
２Ａ〜２２Ｅは平行電極、２３Ａ〜２３Ｄは斜行
電極で、平行電極２２〜２２Ｅには電圧Ｖを印加
し、斜行電極２３Ａ〜２３Ｄは大地電位に接続す
る。入射単色平面波２４に対して、等位相面２５
をもつ出力光２６が得られる。このプリズムアレ
ー型光偏向器では、光偏光器として使用可能な偏
向角は、デイスクリートな値をとるので、ビーム
の太さに対する偏向角の大きさは大きくできて
も、分解能の向上は望めないという欠点がある。

第３図はストライプ状光導波路３１Ａ〜３１Ｇ
に対して平行電極３２と３３を配置し、電極３２
に電圧Ｖを印加し、電極３３と接地する。単色平
面波の入力光３４に対して等位相面３５をもつ出
力光３６が得られる。この光偏向器では、第２図
の例と異なり、印加電圧Ｖに対して偏向角が連続
的に変化するが、偏向角が大きくなるほど光出力
が減少するため、分解能を向上させるのは困難で
ある。

以上３つの例は、薄膜光導波路を用いた光偏向
器の代表的なものであるが、光偏向器の出口に凸
レンズを設けなければ集光できない共通の欠点が
ある。したがつて、光偏向器や光検出器などを一
体化する、いわゆる光集積回路を構成する場合、
構造が複雑になるとともに、集光用レンズの性能
による制約を受けることになる。

そこで、本発明の目的は、低印加電圧で、高速
光走査を行うと共に凸レンズなしに集光すること
のできる、薄膜光導波路を用いたフレネル光走査
器を提供することにある。

かかる目的達成のため、本発明は、薄膜光導波
路で形成した１次元フレネル帯板を有し、該１次
元フレネル帯板の少くとも各フレネルゾーンの境
界近傍に、それぞれ同一長さの１対のくし形電極
を互い違いに、前記境界に沿つて配置し、前記１
対のくし形電極間に所定電圧を印加するようにし
たことを特徴とする。

本発明によれば、フレネル帯板を用いるので、
凸レンズなしで集光が可能なほか、印加電圧と焦
点の移動距離とが線形な関係にあること、さら
に、デバイスとしての容量は単一プリズム偏向器
より大きいが、分解能を上述た３種類の薄膜光導
波路を用いた光偏向器より高くできる利点も有す
る。さらに、集積化も容易であり、光記録やデイ
スプレイ等の応用のほか、光フアイバからの信号
の分配等にも好適である。

以下に図面を参照して本発明を詳細に説明す
る。

１次元フレネル帯板の代表的なものとしては、
帯板の中心からの距離ｘが、フレネルゾーンの位
置を表わす正整数の番号、すなわちゾーン数ｍに
対して√に比例してフレネルゾーンを配置した
ものがあり、このフレネル帯板は凸レンズに類似
した特性をもち、単色平面波を入射光としたとき
に、この入射光を集光することができる。本発明
では、かかる１次元フレネル帯板を用いるが、か
かる本発明よるフレネル光走査器には、１つおき
のフレネルゾーンからの光の位相を電気光学的に
制御して、焦点面上の任意の点に集光する振幅型
と、光の制御方法は振幅型と同様であるが、隣接
するゾーンの静的な位相が互いに180゜異なる位相
型との双方を構成できる。振幅型には、奇数ゾー
ンを開口とするものと、偶数ゾーンを開口とする
ものとがある。

まず、第４図に、本発明の一例として、奇数ゾ
ーン開口の振幅型フレネル光走査器を示す。ここ
では、一次元フレネル帯板を構成するフレネルゾ
ーンのうち、奇数ゾーンｍ＝１，３，５，７…を
幅の異なるストライブ型光導波路４１Ａ，４２
Ａ，４３Ａ，４４Ａ，…，４１Ｂ，４２Ｂ，４３
Ｂ，４４Ｂ，…としてLiNbO₃等の電気光学結晶
による基板４０上に形成し、各ゾーンの境界に非
常に細い交差電極すなわち隣接する電極の極性が
互いに異なるように互い違いに配置したくし形電
極４５および４６を配置する。交差電極４５およ
び４６の各長さはすべて同一である。その交差部
分の電極長をｌとすると、ｍ番目の開口の電気光
学効果により誘起される位相±θ_nは、 θ_n＝πn³γlVξ／λ（x_n−x_n-1） (1) で与えられる。今の場合、ｍは奇数、X₀＝０と
する。ここで、ｎは実効屈折率、γは電気光学係
数、Ｖは印加電圧、ξは電界分布と屈折率分布と
の重なり度を表わす係数、λは入射波長、x_nは
ｍ番目とｍ＋１番目のゾーンの境界とフレネル光
走査器の中心Ｏとの距離である。

なお、後述するように、焦点Ｐの焦点面PL上
でのｘ方向の移動距離ｂを大きくとるためには、
(1)式中のｌ・Ｖの値を大きくすればよい。電極４
５および４６は例えばLiNbO₃などの結晶による
基板４０の上に形成するので、最大限結晶の大き
さであり、電極長ｌを大きくとれば低い電圧で同
一の焦点移動距離を得ることができる。

次に本発明フレネル光走査器の原理を簡単に述
べる。電極４５への印加電圧Ｖが０のときは、フ
レネル光走査器は単なるフレネル溶液となるた
め、単色平面波の入力光４７に対して、各光導波
路４１Ａ，４２Ａ，…４１Ｂ，４２Ｂ，…からの
回折光は焦点Ｐに集まつている。焦点面PL上の
他の点は各光導波路からの光の位相が互いに打ち
消し合う関係にあり、その光強度は焦点Ｐに比べ
て非常に弱い。しかし、走査器に電圧Ｖが印加さ
れると、(1)式に示される位相±θ_nが各光導波路か
らの回折光に与えられるため、焦点Ｐは互いに打
ち消し合う干渉となり、互いに強め合う干渉は、
焦点面PL上の他の位置で起こり、光が走査され
ることになる。振幅型フレネル光走査器の焦点面
上でＰからｂだけ離れた点Ｑの相対的な光強度Ｉ
は、次式で与えられる。

Ｉ＝１／２〔_M 〓 〓^m=1 δ_n｛cosθ_n（∫^vm-〓^v _vn-1〓_vcosπ／２v²dv＋∫^vm
+〓^v _vn-1+〓_vcosπ／２v²dv） −sinθ_n（∫^vm-〓^v _vn-1-〓_vsinπ／２v²dv−∫^v
m+〓^v _vn-1+〓_vsinπ／２v²dv）｝〕² ＋１／２〔_M 〓 〓^m=1 δ_n｛cosθ_n（∫^vm-〓^v _vn-1-〓_vsinπ／２v²dv＋∫^v
m+〓^v _vn-1+〓_v＋sinπ／２v²dv） ＋sinθ_n（∫^vm-〓^v _vn-1+〓_vcosπ／２v²dv−∫^-
vm+〓^v _vn-1-〓_vcosπ／２v²dv）｝〕²(2) ここでＭはゾーン数である。δ_nは開口の位置を
示す係数であり、奇数開口の場合は δ_n＝１ ｍ＝奇数， δ_n＝０ ｍ＝偶数， (3) となり、偶数開口の場合はこの逆の関係になる。
また、ｖ，v_nおよびΔvはそれぞれ次式で与えら
れる。

ｖ＝ｘ√２ (4) v_n＝x_n√２ (5) Δv＝ｂ√２ (6) ここで、ｘは中心Ｏからの距離を示す変数、
Δvは焦点Ｐからの距離を表わしたもので（無名
数）、Δv＝０が焦点Ｐに対応する。

第５図Ａ〜Ｄおよび第６図Ａ〜Ｄに、ゾーン数
ｍが50および20の場合の奇数開口型フレネル光走
査器の焦点面PL上の光分布の数値計算結果をそ
れぞれθ₁＝−π，−2π／３，−π／３，０の場合につ
いて 示す。詳細な計算は省略するが、両図からもわか
るように、焦点Ｐの移動距離は電気的に誘起され
る位相に比例している。この位相は、例えば(1)式
より印加電圧ｖに比例するので、その電圧ｖの大
きさと焦点の移動距離とは線形な関係にあること
がわかる。

第７図Ａ〜Ｄおよび第８図Ａ〜Ｄに、ゾーン数
が50および20の偶数開口型フレネル光走査器の焦
点面上の光分布の数値計算結果をそれぞれθ₂＝−
1.37π，−0.91π，−0.46π，０の場合について示す。
第５図Ａ〜Ｄ〜第８図Ａ〜Ｄによれば、ゾーン数
が大きい場合には光強度が大きくとれる奇数開口
型が優れているが、ゾーン数が小さい場合にはサ
イドロープの小さい偶数開口型の方が、Ｓ／Ｎの
点で優れていることがわかる。

第９図は本発明による偶数開口型フレネル光走
査器の構成の一例を示し、ここで第４図と同様の
個所には同一符号を付す。本例では偶数ゾーンｍ
＝２，４，６に光導波路４１Ａ，４２Ａ，…，４
１Ｂ，４２Ｂ，…を形成する以外は第４図と同様
であり、その詳細はここでは省略する。このフレ
ネル光走査器で、ゾーン数２０の場合の焦点PL
上の光分布の実測値を第１０図Ａ〜Ｃに示す。第
１０図Ａ，Ｂ，Ｃはそれぞれｖ＝−30ボルトθ₂＝
−2.5π），０ボルト（θ₂＝０），ｖ＝40ボルト（θ₂
＝＋3.3π）の場合である。この例では、焦点の移
動量が同一条件の第８図Ａ〜Ｄの計算結果に比べ
て少いが、電極配置の精度を上げることで改善で
きる。また、第１０図Ａ〜Ｃ中に示されるサイド
ロープは、ゾーン数を増加することで減少させる
ことができる。

第１１図は本発明による位相型フレネル光走査
器の一例を示す電気光学結晶LiNbO₃等の基板に
Ti等を蒸着して慣例のスラブ型光導波路５０を
形成し、第１１図のドツト部分５１Ａ，５２Ａ，
５３Ａ，…，５１Ｂ，５２Ｂ，５３Ｂ，…で示す
ように奇数ゾーンあるいは偶数ゾーンの一部分だ
け所定長l₀にわたつて、Tiを他の部分より多くあ
るいは少く蒸着する。かかるTiの蒸着量により、
拡散されてできた光導波路５０の屈折率を制御で
きるので、過剰あるいは過少蒸着部分５１Ａ，５
２Ａ，５３Ａ，５１Ｂ，５２Ｂ，５３Ｂの長さl₀
を適当に調整することによつて、偶数ゾーンと奇
数ゾーンを通る入力単色平面波５４の位相を180゜
異ならせることができる。このようにして形成し
た位相型フレネル帯板の各フレネルゾーンの境界
の可及的近傍に幅の狭いくし形交差電極５５およ
び５６を配置する。電極５５に電圧ｖを印加し、
電極５６を大地電位に接続する。

本例においても、振幅型フレネル光走査器の場
合と同様に、電極の交差部分の長さl₀はすべて同
一であるから、電気光学効果により誘起される光
の位相±θ_nは、(1)式で与えられる。この場合ｍは
１以上の整数である。

位相型フレネル光変調器の焦点面PLの光強度
Ipは、フレネルゾーンの境界近傍の少量の光を除
けば、次式で与えられる。

Ip＝１／２〔_M 〓 〓^m=1 ｛cos（δ_nπ＋θ_n）∫^vm-〓^v _vn-1-〓_vcosπ／２v²d
v）＋cos（δ_nπ −θ_n）∫^vm+〓^v _vn-1+〓_vcosπ／２v²dv−sin（
δ_nπ＋θ_n）∫^vm-〓^v _vn-1-〓_vsinπ／２v²dv −sin（δ_nπ−θ_n）∫^vm+〓^v _vn-1+〓_vsinπ／２
v²dv｝〕²１／２〔_M 〓^m=1 ｛cos（δ_nπ ＋θ_n）∫^vm-〓^v _vn-1-〓_vsinπ／２v²dv＋cos（
δ_nπ−θ_n）∫^vm+〓^v _vn-1+〓_vsinπ／２v²dv＋sin（δ
_nπ ＋θ_n）∫^vm-〓^v _vn-1-〓_vcosπ／２v²dv＋sin（
δ_nπ−θ_n）∫^vm+〓^v _vn-1+〓_vcosπ／２v²dv｝〕²(7)
ここで、 δ_n＝１ ｍ＝偶数， δ_n＝０ ｍ＝奇数， (8) である。

第１２図Ａ〜Ｄに(7)式より求めたゾーン数Ｍ＝
50の場合の位相型フレネル光走査器の焦点面PL
の光分布の数値計算結果をθ₁₀＝−π，−2π／３，− π／３，０の場合について示す。これより、位相差 では振幅型に比べ、3.4〜4.8倍の光強度が得られ
ることがわかる。このように位相型の場合は光強
度が大きくＳ／Ｎも良好であるが、これはフレネ
ルゾーンの境界近傍の光の影響を無視できる範囲
内のことである。したがつて、位相型では、ゾー
ン数を増大するにはゾーン幅を大きくする必要が
あり、低電圧でゾーン数の大きい光走査器を構成
することは困難である。

次に、本発明フレネル光走査器と従来の代表的
な光偏向器である。単一プリズム型光偏向器との
分解能の比較を行う。本発明フレネル光走査器の
分解能N_Fは、振幅型および位相型のいずれの場
合にも次式で与えられる。

一方、単一プリズム型光偏向器の分解能N_Pは、 N_P＝1.39n³γlv／λwln（ｗ／ｈ） (10) となる。ここでｗおよびｈは第１図に示した通り
とする。単一プリズム型光偏向器では、構造的に
ｗ＞＞ｈが必要であるため、分解能には限度があ
る。一方、本発明フレネル光走査器では、ゾーン
数Ｍを大きくすれば分解能の向上を図ることがで
きる。ただし、デバイスの容量はゾーン数の増大
とともに大きくなるため、周波数特性からの制約
は受ける。

以上から明らかなように、本発明によれば、高
速光走査と集光とをレンズなしで行うことができ
る。

第４図に示した本発明の第１の実施例では、奇
数番号のフレネルゾーンをストライプ状の光導波
路とし、フレネルゾーンの境界に細い電極を配置
したもので、印加電圧により、単色平面波をフレ
ネル光走査器の焦点面上の任意の点に集光させる
ことができる。

さらに、第９図に示した、偶数番号のフレネル
ゾーンをストライプ状光導波路とした構成の場合
には、ゾーン数がすくないとき、Ｓ／Ｎが奇数番
開口の走査器よりも優れている利点がある。

第１１図示の実施例では、スラブ型光導波路を
用い、これに正電極および負電極をフレネルゾー
ンの境界にできるだけ近ずけて配設した交差電極
を配置し、かつ、偶数ゾーンと奇数ゾーンの光の
静的な位相差が180゜になる様に、偶数あるいは奇
数ゾーンに対応する導波路の一部分の屈折率を変
えたもので、振幅型の場合と同様に単色平面波を
焦点面上の任意の点に集光させることができる。
このときの光強度は、振幅型の3.4〜4.8倍に増大
する。

以上説明したように、本発明フレネル光走査器
では単色平面波の走査が行えるため、レーザーデ
イスプレイ、光記録あるいは光フアイバの信号の
接続および分配等の応用が可能である。また、本
発明光走査器では、小型かつ軽量でレンズも不要
なため、このような応用装置を小型に構成できる
利点も有する。また、本発明走査器は、光検出器
を定位置に固定すれば、光変調器として用いるこ
とができる。さらに、本発明光走査器は１次元の
フーリエ変換等の光情報処理へ応用することもで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第３図は従来の光偏向器の３例を示す
平面図、第４図は本発明フレネル光走査器の一例
を示す平面図、第５図Ａ〜Ｄ，第６図Ａ〜Ｄ，第
７図Ａ〜Ｄ，第８図Ａ〜Ｄは本発明フレネル光走
査器の焦点面における光強度分布図、第９図は本
発明の他の例を示す斜視図、第１０図Ａ〜Ｃは第
９図示の光走査器の実測例を示す焦点面における
光強度分布図、第１１図は本発明の更に他の例を
示す平面図、第１２図Ａ〜Ｄは第１１図示の光走
査器の焦点面における光強度分布図である。 １……スラブ型光導波路、２，３……平行電
極、４……斜行電極、５…単色平面波、６……等
位相面、７……出力光、２１……スラブ型光導波
路、２２Ａ〜２２Ｅ……平行電極、２３Ａ〜２３
Ｄ……斜行電極、２４……単色平面波、２５……
等位相面、２６……出力光、３１Ａ〜３１Ｇ……
ストライプ状光導波路、３２，３３……平行電
極、３４……単色平面波、３５……等位相面、３
６……出力光、４０……電気光学結晶基板、４１
Ａ，４２Ａ，４３Ａ，４４Ａ，４１Ｂ，４２Ｂ，
４３Ｂ，４４Ｂ……ストライプ型光導波路、４
５，４６……交差電極、４７……単色平面波、５
０……スラブ型光導波路、５１Ａ，５２Ａ，５３
Ａ，５１Ｂ，５２Ｂ，５３Ｂ……屈折率の異なる
部分、５４……単色平面波、５５，５６……交差
電極。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 薄膜光導波路で形成した１次元フレネル帯板
   を有し、該１次元フレネル帯板の少くとも各フレ
   ネルゾーンの境界近傍に、それぞれ同一長さの１
   対のくし形電極を互い違いに、前記境界に沿つて
   配置し、前記１対のくし形電極間に所定電圧を印
   加するようにしたことを特徴とするフレネル光走
   査器。 ２ 特許請求の範囲第１項記載のフレネル光走査
   器において、前記薄膜光導波路を複数のストライ
   プ状光導波路で形成し、そのフレネルゾーンの奇
   数番目あるいは偶数番目のいずれか一方を開口と
   したことを特徴とするフレネル光走査器。 ３ 特許請求の範囲第１項記載のフレネル光走査
   器において、前記薄膜光導波路をスラブ型光導波
   路となし、前記１対のくし形電極を、１対の互い
   に隣接して配置された線状電極をもつて構成した
   ことを特徴とするフレネル光走査器。