JPH04296827A - 光偏向素子 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、偏向角の大きい光導波
路を形成してなる光偏向器に関し、特に光導波路面に対
して垂直な方向に偏向させることができる、いわゆる操
作範囲が広く用途適正の大きな光偏向器を提案する。

【０００２】

【従来の技術】従来、前記光偏向器としては、振動ガル
バノメーター、ポリゴンミラー、ホログラムディスク等
の機械式偏向器と、音響光学素子や電気光学素子などの
非機械式光偏向器とに大別されている。前者は、偏向角
が大きく実用的ではあるが、走査速度が遅く、高速化に
は限界があり、しかも機械的動作部分を有することと光
学系が複雑になることなどにより、装置が大型になるな
どの問題を有していた。

【０００３】一方、非機械式光偏向器は、機械的動作部
分がなく、光学的もしくは電気信号によって制御できる
ため、小型化および高速化が可能であり、以下に示すよ
うなものが提案されている。

【０００４】例えば、特開昭５９−１９２２３２号公報
、あるいは特開昭６２−４７６２７号公報などには、導
波路内を伝搬する光を、音響光学効果あるいは電気光学
効果により偏向させ、そのままプリズムあるいはグレー
ティングを介して出射させる、いわゆる導波路に平行な
面内での光偏向を実現する光学素子、光偏向器などが提
案されている。しかし、これらの光偏向器は導波路に平
行な面内で数度と、小さな偏向角度しか得られないとい
う問題があった。

【０００５】また、特開昭５７−１８１５２９号公報に
は、導波路内を伝搬する光を電気光学効果によりモード
変換し、プリズムあるいはグレーティングを介して出射
させることにより、導波路に平行な面に対し垂直方向に
のみ偏向させる光偏向器が提案されている。しかし、こ
の光偏向器は、モード変換を用いているため、偏向角度
において連続性がなく、ビームスキャナー、プリンター
などには利用することが出来ないという問題点があった
。

【０００６】さらに、特開昭５８−１２５０２３号公報
には、光導波路内を伝搬する導波光を音響光学効果によ
り、光導波路面内で偏向させるとともに出射端面付近の
導波路の屈折率を熱光学効果により変えることにより、
導波路面内に対して垂直方向に偏向させる２次元光偏向
器が提案されている。さらに、特開昭５８−１３０３２
７号公報にも、導波路面内で偏向させるとともに出射グ
レーティング形成部分の屈折率を電気光学効果により変
えることにとより、光導波路面に対して垂直方向に偏向
させる２次元光偏向器がそれぞれ提案されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来技術のうち、特に２次元光偏向器は、光導波路に
平行な面内での偏向には音響光学効果を利用し、また、
光導波路面に対し垂直方向の偏向には熱光学効果もしく
は電気光学効果を利用するものであり、前者のものは、
偏向角度が極めて小さいだけでなく、応答速度が遅いと
いう問題点があり、一方後者のものは、偏向角度が極め
て小さいという問題点があった。

【０００８】しかも、これら従来の光偏向器は、偏向角
度が小さいために、大きな領域を対象として走査するも
のには使えないことや、偏向角に連続性がないなど実用
性の点でも問題点を抱えていた。

【０００９】本発明者らは、先に、特開平１−１３２７
４４号公報において、光導波路に実効屈折率を制御する
ための外部信号を与える手段と、導波光を導波光の実効
屈折率に応じた角度で取り出すグレーティングとを、組
み合わせた光偏向器を提案した。しかし、この装置にお
いて偏向角を１０〜３０°と大きくするには、実効屈折
率の変化を極めて大きくしなければならず、そのため使
用する材料は、電気光学効果等の極めて大きな薄膜材料
でなければならなかった。

【００１０】本発明の目的は、電気光学効果の大きい特
殊な薄膜材料を必要としたり、偏向角度が小さいことや
応答速度が遅いという従来技術が抱えている欠点を克服
し、垂直方向に極めて大きく偏向させることができ、か
つ高速化，　小型化にも効果がある新規な光偏向素子を
提案するところにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上掲の目的に対し本発明
は、基板上に形成した薄膜光導波路に光ビームを入射さ
せる入射部を設け、伝搬する入射光の経路途中に当たる
薄膜光導波路中には、導波光を導波路に平行な面内で偏
向させる面内偏向手段を設け、そして、面内偏光された
導波光の伝搬方向の延在部にはグレーティングカップラ
ーからなる出射部を設けてなり、前記グレーティングカ
ップラーのパターンを、入射光の伝搬経路の両側におけ
るグレーティング周期に差をもたせて扇形とし、この扇
形パターンが、次式： ただし、Λ：グレーティング周期 Ｎ：薄膜光導波路の実効屈折率 λ：入射光の波長 ｑ：整数 を満足するように構成したグレーティングカップラーを
設けたことを特徴とする光偏向素子を提案する。

【００１２】ただし、かかる本発明光偏向素子の場合、
前記式中のｑは２以下の値を示すものとし、そして薄膜
導波路は、単一モードで構成され、さらにその薄膜導波
路の実効屈折率Ｎが１．４５０　≦Ｎ≦３．０００　の
条件を満たすものが好適である。

【００１３】前述のような構成を有する本発明の光偏向
素子は、それがタンタル酸リチウム基板表面にニオブ酸
リチウム単結晶薄膜光導波路が形成されたものについて
は、 　　入射光λ（μｍ）　　　　　　　　　　　　　　　
　　　０．４≦λ（μｍ）≦１　　導波路の実効屈折率
Ｎ　　　　　　　　　　　　　　２．１７６≦Ｎ≦２．
２４２　　グレーティング周期（μｍ）　　　　　　　
　０．２≦Λ（μｍ）≦０．５の関係を満たすもので構
成したもの、また、それがＳｉＯ２基板に酸化亜鉛薄膜
光導波路が形成されたものについては、 　　入射光λ（μｍ）　　　　　　　　　　　　　　　
　　　０．４≦λ（μｍ）≦１　　導波路の実効屈折率
Ｎ　　　　　　　　　　　　　　１．４７５≦Ｎ≦２．
２６３　　グレーティング周期（μｍ）　　　　　　　
　０．２５≦Λ（μｍ）≦１．００の関係を満たすもの
で構成したもの、がそれぞれ好適実施態様である。

【００１４】

【作用】本発明は、基板上に形成した薄膜光導波路に沿
って、まず光ビームの入射部を設け、この導波路と平行
な面内で偏向を生じさせる面内偏向手段を設け、そして
出射部としてグレーティングカップラーを設けると同時
に、このカップラーのグレーティングの向きを入射光の
伝搬経路の両側におけるグレーティング周期に差をもた
せて扇形パターンとすることにより、この導波光を光導
波路に平行な面の外に偏向させて出射させることのでき
る光偏向素子である。

【００１５】本発明において、前記入射部に導入する光
ビームは、レーザー光を、望ましくは端面入射方式で入
射する。それは、レーザー光の場合、光情報装置など広
範囲な用途を有するからである。また、端面入射方式の
場合、入射部の形成が容易である。

【００１６】本発明の光偏向素子を構成している光導波
路としては、単結晶薄膜であることが望ましい。この理
由は、単結晶薄膜の場合、アモルファスなどに比べ光の
伝搬損失が小さいからである。

【００１７】かかる光導波路としては、例えば　ＬｉＴ
ａＯ３　基板上にＬｉＮｂＯ３薄膜を形成したもの、Ｌ
ｉＮｂＯ３基板上にＬｉＴａＯ３薄膜を形成すると共に
、さらにＬｉＮｂＯ３薄膜を形成したもの、ＬｉＴａＯ
３単結晶基板上にＳｒｘ　Ｂａ１−ｘ　Ｎｂ２　Ｏ６（
ＳＢＮ）薄膜を形成したもの、表層にＳｉＯ２薄膜を形
成したＳｉ基板上にＳＢＮ薄膜を形成したもの、Ｇｄ３
Ｇａ５Ｏ１２（ＧＧＧ）、Ｎｄ３Ｇａ５Ｏ１２（ＮｄＧ
Ｇ）、Ｓｍ３Ｇａ５Ｏ１２（ＳｍＧＧ）などのガーネッ
ト基板上にＳＢＮ薄膜を形成したもの、ＰｂＴｉＯ３単
結晶基板上にＢａＴｉＯ３単結晶薄膜を形成したもの、
ＫＮｂＯ３　単結晶基板上にＫ（Ｎｂｘ　Ｔａ１−ｘ　
）Ｏ３　（ＫＴＮ）薄膜を形成したもの、ＰＬＺＴセラ
ミックス基板上にＰＬＺＴ薄膜を形成したもの、あるい
は基板や薄膜としてＳｉＯ２、あるいは石英などからな
るガラスを用いたものなどが使用できる。特に、ＬｉＴ
ａＯ３基板上にＬｉＮｂＯ３薄膜を形成したものは、電
気光学効果の大きさからみても最も好適である。

【００１８】さらに、光導波路の薄膜導波層形成用材料
としては、従来の導波路面内における偏向部分を構成で
きる材料、すなわち電気光学効果、磁気光学効果、音響
光学効果、非線形光学効果、圧電効果等の係数が大きい
材料が好適であり、前述の如き薄膜材料の他に、ＬｉＴ
ａＯ３、ＰｂＴａ３Ｏ８、ＳｂＳＩ等を適用することも
できる。

【００１９】なお、前記の基板ならびに薄膜の組合わせ
において、それがＬｉＴａＯ３基板とＬｉＮｂＯ３薄膜
である場合、このＬｉＮｂＯ３薄膜とＬｉＴａＯ３基板
とは格子整合させたものが望ましい。上記格子整合とは
、ＬｉＮｂＯ３の格子定数を、ＬｉＴａＯ３格子定数の
９９．８１　〜１００．０７％とすることである。この
ように、基板と薄膜の各単結晶を格子整合させることが
望ましい理由は、格子の歪やマイクロクラック等のない
薄膜を形成できることに加え、光の伝搬損失が非常に少
なくまた電気光学効果が大きいため、高い偏向効率を得
ることができるからである。この格子整合は、ＬｉＮｂ
Ｏ３の格子定数を、ＬｉＴａＯ３格子定数の９９．９２
　〜１００．０３％とすることがより好ましい。

【００２０】前述のような格子整合の方法としては、Ｌ
ｉＮｂＯ３薄膜導波層に異種元素を含有させて格子定数
を大きくするとか、逆にＬｉＴａＯ３基板に異種元素を
含有させて格子定数を小さくするとかの方法が有利であ
る。

【００２１】前記ＬｉＮｂＯ３薄膜導波層に含有させる
異種元素は、ＮａとＭｇであることが望ましい。この理
由は、ＮａとＭｇの原子もしくはイオンは、ＬｉＮｂＯ
３に対する置換あるいは固溶により、ＬｉＮｂＯ３の格
子定数を大きくする効果を有しているため、ＮａとＭｇ
の組成を調整することによりＬｉＮｂＯ３基板もしくは
、薄膜導波層とＬｉＴａＯ３基板の格子整合を得ること
ができるからである。とくにＭｇの場合は、薄膜の光損
傷を防止する効果があり、高出力を得るために有利であ
る。

【００２２】前記ＮａとＭｇの含有量は、それぞれＬｉ
ＮｂＯ３に対して、０．１　〜１４．３モル％、０．８
　〜１０．８モル％であることが望ましい。この理由は
、Ｎａの含有量が０．１　モル％より少ない場合、Ｍｇ
添加量の如何に関わらず、ＬｉＮｂＯ３薄膜とＬｉＴａ
Ｏ３基板との格子整合が得られず、また、１４．３モル
％を超えた場合は逆に格子定数が大きくなりすぎ、いず
れの場合もＬｉＮｂＯ３薄膜とＬｉＴａＯ３基板との格
子整合が得られないからである。また、Ｍｇの含有量が
　０．８モル％より少ない場合は、光損傷を防止する効
果が不十分であり、１０．８モル％を超える場合は、Ｌ
ｉＭｇＯ３系の結晶が析出してしまうため含有させるこ
とができない。

【００２３】前記ＬｉＴａＯ３基板に含有させる異種元
素は、Ｔｉであることが好ましい。このＴｉは、ＬｉＴ
ａＯ３の格子定数を小さくする効果を有する。この目的
の下に使用するＴｉの含有量は、０．２　〜３０．０モ
ル％であることが望ましい。 この理由は、上記範囲を外れた場合、ＬｉＮｂＯ３薄膜
導波層との格子整合が得られないからである。

【００２４】前記ＬｉＴａＯ３基板上に形成するＬｉＮ
ｂＯ３薄膜は、該ＬｉＴａＯ３単結晶の（０００１）面
にＬｉＮｂＯ３単結晶薄膜を形成することが望ましい。 この（０００１）面とは、結晶のｃ軸に垂直な面を意味
する。いわゆる、前記ＬｉＴａＯ３基板の（０００１）
面をＬｉＮｂＯ３薄膜の成長面とする理由は、前記（０
００１）面については、ａ軸のみで格子整合されるため
、ＬｉＮｂＯ３薄膜あるいはＬｉＴａＯ３基板のａ軸の
格子定数を変えるだけで、ＬｉＮｂＯ３薄膜とＬｉＴａ
Ｏ３基板を簡単に格子整合できるからである。

【００２５】前記ＬｉＴａＯ３基板とＬｉＮｂＯ３薄膜
は、いずれも単結晶であることが好ましい。また、前記
ＬｉＴａＯ３基板は、ＬｉＴａＯ３薄膜が形成されたＬ
ｉＮｂＯ３基板であってもよい。

【００２６】また、前記ＬｉＮｂＯ３薄膜は、波長０．
８３μｍの半導体レーザー光に対する光伝搬損失が、１
５ｄＢ／ｃｍ以下であることが望ましい。この理由は、
伝搬損失が１５ｄＢ／ｃｍを越える場合、偏向効率が低
下してしまうため、実用的でないからである。前記光伝
搬損失は、光が薄膜中を伝搬する際の光の進行方向の単
位長さあたりの光強度低下割合を示すものであり、これ
には散乱損失と吸収損失が含まれる。散乱損失は、基板
と薄膜との界面の状態、薄膜の表面状態および薄膜中の
マイクロクラック等に依存する。また、吸収損失は、薄
膜の特性にのみ関与するものであり、薄膜の結晶性や不
純物混入割合等に依存する。

【００２７】ところで、本発明においてＳｉＯ２、ある
いは石英などからなるガラスを薄膜として使用する場合
は、薄膜に圧電素子からなる電極を設け、電圧を印加し
て表面弾性波を発生させ、音響光学効果により面内偏向
を行うことが望ましい。この理由は、前記ガラスは電気
光学効果などの特性を持たせることが困難なためである
。前記ガラスは安価であり、光偏向器の低コスト化に有
利である。

【００２８】本発明では、薄膜導波層および／または基
板に対し、Ｎａ，Ｃｒ，　Ｍｇ，　Ｎｄ，　Ｔｉおよび
Ｖ　などの異種元素を含有させることにより、屈折率を
調整した材料を使用することが望ましい。とくに、前記
ＬｉＮｂＯ３薄膜導波層、ＬｉＴａＯ３基板に対し、Ｎ
ａ，　Ｃｒ，Ｎｄ，　Ｔｉなどを含有させることにより
、前記ＬｉＮｂＯ３薄膜導波層、およびＬｉＴａＯ３基
板の屈折率を上げることができ、また、Ｍｇ，　Ｖ　な
どを含有させることにより、前記ＬｉＮｂＯ３薄膜導波
層、およびＬｉＴａＯ３基板の屈折率を下げることがで
きる。

【００２９】このような目的の下に使われる前記Ｎａの
含有量は、０．１〜１０モル％であることが好ましい。 この理由は、Ｎａの含有量が１０モル％を越える場合は
、ＬｉＴａＯ３基板の光学的特性が低下するからであり
、また、０．１　モル％より低い場合、屈折率が殆ど変
化しないからである。 前記Ｎａの含有量は、なかでも　０．８〜２モル％の範
囲がより好適である。

【００３０】異種元素としての前記Ｃｒの含有量は、０
．０２〜２０モル％であることが好ましい。この理由は
、前記Ｃｒの含有量が２０モル％を越える場合は、Ｌｉ
ＮｂＯ３薄膜導波層、あるいはＬｉＴａＯ３基板の光学
的特性が低下するからであり、また　０．１モル％より
低い場合、屈折率が殆ど変化しないからである。前記Ｃ
ｒの含有量は、なかでも　０．２〜１０モル％が好適で
ある。

【００３１】一方、同じ目的のもとに使われる前記Ｍｇ
の含有量は、０．１〜２０モル％であることが好ましい
。この理由は、前記Ｍｇの含有量が２０モル％を越える
場合は、ＬｉＴａＯ３基板の光学的特性が低下するから
であり、また　０．１モル％より低い場合、光損傷を防
止する効果が殆どないからである。このＭｇの含有量は
、なかでも　２．０〜１０モル％の範囲がより好適であ
る。

【００３２】前記Ｔｉの含有量は、　０．２〜３０モル
％であることが好ましい。この理由は、Ｔｉの含有量が
３０モル％を越える場合は、ＬｉＮｂＯ３薄膜導波層、
あるいはＬｉＴａＯ３基板の光学的特性が低下するから
であり、また　０．２モル％より低い場合、屈折率が殆
ど変化しないからである。このＴｉの含有量は、なかで
も　１．０モル％〜１５モル％の範囲がより好適である
。

【００３３】前記Ｎｄの含有量は、０．０２〜１０モル
％であることが好ましい。この理由は、Ｎｄの含有量が
１０モル％を越える場合は、ＬｉＮｂＯ３薄膜導波層、
あるいはＬｉＴａＯ３基板の光学的特性が低下するから
であり、また０．０２モル％より低い場合、屈折率が殆
ど変化しないからである。このＮｄの含有量は、なかで
も０．５　〜５モル％の範囲がより好適である。

【００３４】前記Ｖの含有量は、０．０５〜３０モル％
であることが好ましい。この理由は、前記Ｖの含有量が
３０モル％を越える場合は、ＬｉＮｂＯ３薄膜導波層、
あるいはＬｉＴａＯ３基板中に構造の異なる結晶が析出
して光学的特性が低下するからであり、また０．０５モ
ル％より少ない場合は屈折率が殆ど変化しないからであ
る。このＶの含有量は、なかでも　２．０モル％〜１０
モル％の範囲がより好適である。

【００３５】ところで、前記ＬｉＮｂＯ３薄膜導波層に
前記Ｎａ，　Ｃｒ，　Ｎｄ，　Ｔｉ，　Ｍｇ，　Ｖ　な
どの異種元素を含有させた場合、前記ＬｉＮｂＯ３薄膜
導波層の格子定数と屈折率が同時に変化するため、必要
に応じて前記異種元素の含有量を調整することが好まし
い。

【００３６】さて、導波光を、光導波路に平行な面内で
偏向させるための具体的な手段としては、電気光学効果
、磁気光学効果、音響光学効果、非線形光学効果などに
よる方法があり、例えば、電気光学効果を利用する手段
としては、光導波路上に周期的な屈折率変化を与える一
対の電極を対向して設けて電圧を印加する方法、また音
響光学効果としては、光導波路の一部、両側に一対のＳ
ＡＷ（表面弾性波）発振用交差指（くし型）電極を対向
して設けて電圧を印加する方法などがある。

【００３７】これらの中では、電気光学効果を利用する
方法の場合、他の方法に比べて応答速度が速いのでより
好ましい。本発明においては、入射光の偏向角は、導波
路面内で０．３　〜７゜であることが好ましい。この理
由は、前記入射光の偏向角が　０．３゜未満であるとき
は、最終的に出射させるときの偏向角θを大きくするこ
とができ、一方上限の７゜は、これを越える偏向手段の
開発が困難だからである。そして、この偏向角は、導波
路面内偏向角（α）では１〜５゜であることがより好ま
しい。

【００３８】さて、本発明において、前記薄膜導波路内
への光ビームの導入は、端面入射方式が好ましい。その
理由は、導波路端面を研磨することにより簡単に作成で
きるからである。

【００３９】前記入射部には、入射レーザー光を集光さ
せるためのレンズが設置されることが好ましい。それは
、広がった入射光を集光させることにより、偏向効率を
向上させることができるからである。

【００４０】なお、本発明において前記薄膜導波路は、
偏光される導波光の割合を高め、かつ偏向の効率を高め
る上で、単一モードとすることが好ましい。

【００４１】次に、本発明においては、前記光導波路に
、それの導入部から入射した光ビームを、この光導波路
中を伝搬させる間に面内で偏向させるための面内偏向手
段、例えば、音響光学効果や電気光学効果を利用する手
段などを設けて、この光導波路の実効屈折率を制御する
ことが必要である。

【００４２】前記面内偏向手段としては、光導波路に沿
う一方もしくは両側に表面弾性波（ＳＡＷ）発振用の交
差櫛形電極を設けて電圧を印加する形式のものがとりわ
け有効である。

【００４３】次に、本発明においては、面内偏向手段を
介して既に偏向（α゜）された導波光を、導波路面に対
して垂直方向に角度θにて出射させるために、次のよう
なグレーティングカップラーを、出射部として導波光の
伝搬方向の延長に設ける。

【００４４】本発明において採用するかかるグレーティ
ングカップラーは、面内偏光されて伝搬する導波光の伝
搬方向とは交会する向きに配列される複数のグレーティ
ングのパターンが、伝搬する入射光　（導波光）　の光
路の両側では異なる周期Λｍａｘ　，Λｍｉｎ．をもつ
ようにして扇形に構成した。すなわち、一方の端部の周
期　（Λｍａｘ）をいずれも大きくし、他端部の各周期
（　Λｍｉｎ．）　をいずれも小さくすることでグレー
ティングが扇形になるようにしたのである。しかも、こ
の扇形パターンのグレーティングカップラーは、光導波
路の実効屈折率をＮとし、入射光の波長をλとし、グレ
ーティングの周期をΛ（ｍａｘ，　ｍｉｎ）としたとき
、次式； を満足するものである。

【００４５】すなわち、グレーティングカップラーによ
る出射光の角度θは、一般に次式； で表わされる。このθは−π／２〜π／２の値をとるか
ら、上記（２）　式は、さらに となるから、結局、上記（１）　式のように変形するこ
とができる。そして、拡開側の最大周期Λｍａｘ　およ
び狭隘側の最小周期Λｍｉｎ．は、それぞれ次式；とな
る。

【００４６】このような扇形パターンのグレーティング
を具える前記グレーティングカップラーにあっては、面
内偏向手段により偏向された導波光は、その面内偏向角
α゜に応じて上記グレーティングカップラーに導波され
る位置が変化することになる。そして、このことは、グ
レーティングの周期Λが左右で異なるから出射の条件が
それぞれ変化し、その位置によって異なる角度で出射す
る。

【００４７】例えば、図１に示すように、グレーティン
グ周期Λの異なる点ＡおよびＢでは、それぞれ独自の各
出射角θＡ　，θＢ　を有し、その差である偏向角θは
、　　θ＝θＡ　−θＢ　となる。

【００４８】従って、前記（１）　式の条件を満足する
範囲内の扇形パターンとした面内偏向手段による面内偏
光α＝１〜４゜であっても、このカップラーからの出射
は、θ＝１０〜３０゜にもなり、実用的な偏光角を得る
ことができる。

【００４９】なお、前記グレーティングの周期（Λ）は
、最大周期（Λｍａｘ），　最小周期（Λｍｉｎ）とも
、０．０１〜２．０　μｍの範囲内で扇形を呈するよう
に設けられることが望ましい。この理由は、この周期（
Λ）が０．０１μｍ未満では、たとえ最小周期（Λｍｉ
ｎ）であっても、グレーティングが作成しづらくなり、
一方この周期（Λ）が　２．０μｍを越えると、大きな
偏向角（θ）が得られないばかりか、出射が困難となる
からである。そして、このグレーティングの周期（Λ）
は、特に０．０２〜１．０　μｍが好適である。

【００５０】本発明において、前記グレーティングカッ
プラーは、それの出力部に、前記グレーティングの周期
を変化させるための手段を具えていることが望ましい。 この理由は、前記グレーティングの周期をかえることに
より、出射角度をさらに大きく変化させることができる
からである。前記グレーティングの周期を変化させるた
めの手段としては、例えば、電歪材料を導波路に使用し
た場合、かかる出力部に電極を設けるなどの方法が有利
である。例えば、電極に電圧を印加することにより、電
歪材料が、伸縮してグレーティングの周期が変わるから
である。

【００５１】なお、本発明の光導波路は、単一モードで
あることが望ましい。それは、マルチモードに比べてパ
ワーの低下がなく、偏向出射の効率を向上させることが
できるからである。

【００５２】前記光導波路は、膜厚を光伝搬方向に対し
て垂直方向に勾配を持たせることが望ましい。この理由
は、前記膜厚を光伝搬方向に対して垂直方向に勾配を持
たせた場合、入射光を面内偏向させることにより、厚み
の異なる経路を光が伝搬するため実効屈折率が変化し、
グレーティングから出射される出射光の偏向角（θ）を
より大きく変化させることができるからである。

【００５３】次に本発明にかかる光偏向素子の構成につ
いて、図１に基づいて説明する。図１に示す光偏向器は
、基板１上に、厚さｄの薄膜光導波路を設け、その一方
の端面３を入射部として、この入射部より所定の距離Ｌ
離れた光導波路の表面あるいは内部に、グレーティング
カップラー（出力部）４を設ける。このグレーティング
カップラー４は、グレーティングの配列パターンが基板
の幅方向の右側がΛｍａｘ　の周期で、そしてその反対
側　（左）　がΛｍｉｎ．の周期であり、導波光の伝搬
方向がこの扇形パターンを横断するように配置されてい
るものである。また、入射部と出射部との間の光導波路
には、導波光を光導波路に平行な面内で偏向させるため
の手段である電極５を設ける。

【００５４】このような構成よりなる光偏向器において
、端面３よりレーザー光を入射させると、このレーザー
光は薄膜導波路２を伝搬する。ここで、入射部と出射部
との間に設けた電極５に電界を印加すると、光導波路２
を伝搬する導波光は、電気光学効果により光導波路に平
行な面内でα゜偏向される。その結果、無電界の場合に
はＢ点より出射される出射光は、導波光がα゜偏向され
た結果、Ａ点より出射されることとなる。しかして、本
発明の光偏向器については、前記のように、グレーティ
ングが導波光の伝搬方向と交会する向きに異なる周期で
設けられているために、出射する光は、無電界の場合に
比べて光導波路に平行な面に対してθ゜偏向されて出射
する。

【００５５】このような偏向器において、出射光がθ゜
偏向される作用原理について説明する。図１は、音響光
学効果を利用した光偏向器を示すものである。この図に
おい で表される。

【００５６】ここで、無電界の場合を考えると、図１よ
り、光はθＢ　の角度で出射される。しかしながら、電
極５に電界が加えられた場合、伝搬する光はα゜偏向さ
れる。そのために、この伝搬光はグレーティングの周期
（間隔）が長周期ΛＢ　から短周期のΛＡ　の位置を伝
搬するので、結局この光はＡ点からθＡ　の角度で出射
されることになる。すなわち、このときの偏向角θは、
となり、θ゜だけ偏向角が拡大されて（偏向）出射する
のである。

【００５７】このようにグレーティングに入射した導波
光は、扇形パターンのグレーティング周期の変化に応じ
て変化し、しかも面内偏光角α゜に応じて変化する。従
って、α゜ならびにΛｍａｘ　−Λｍｉｎ．の変化が大
きい程、出射角度の変化、すなわち偏向角θが大きくな
る。すなわち、本発明の光偏向素子では、グレーティン
グを光導波路の表面あるいは内部に導波光の伝搬方向と
ほぼ直交する方向に異なる周期で設けることにより、導
波光に対する実質的なグレーティング周期を著しく大き
く変化させることができ、導波光の出射角を大きく偏向
することができるという特徴を有する。

【００５８】実施例１（　ＺｎＯ／ＳｉＯ２）（１）　
ＳｉＯ２基板上に、ＲＦスパッタ法により酸化亜鉛（Ｚ
ｎＯ）の薄膜を膜厚が０．２　μｍになるように形成し
た。この　ＺｎＯ薄膜の実効屈折率を波長　６３３ｎｍ
のレーザ光で測定したところ　１．７５０であった。 （２）　このＺｎＯ　薄膜に金属チタンをスパッタし、
グレーティング周期が０．２５〜０．３０μｍに連続的
に変化（Λｍａｘ　＝０．３０μｍ，　Λｍｉｎ．＝０
．２５μｍ）　するグレーティングを電子線ビームリソ
グラフィーにより作成し、ドライエッチング用のマスク
とした。このサンプルにドライエッチングにより、深さ
０．０５μｍのレリーフ型グレーティングカップラーを
形成した。 （３）　フォトリソグラフィーとＲＦスパッタにより、
上記ＺｎＯ　薄膜上の導波路の両側に表面弾性波発生用
のアルミニウム電極を１対形成した。この電極に電圧を
印加したところ、表面弾性波が発生して導波路面内で５
゜だけ偏向された。 （４）　そして、電極に±５０Ｖ、周波数　７５０ＭＨ
ｚ　の高周波電圧を印加したときは、レーザ光は、３８
．６゜〜７０．０゜へ３１．４゜変化し、解像点Ｎ＝１
１５０、偏向効率４０％であった。この偏向器は、単一
モードでｑ＝１の場合に相当し、 ｑλ／（Ｎ＋１）＝０．２３０μｍ ｑλ／（Ｎ−１）＝０．８４４μｍ である。

【００５９】実施例２（ＬＮ／ＬＴ） （１）　ＬｉＣＯ３（５１モル％）、Ｖ２Ｏ５　（３９
モル％）、Ｎｂ２Ｏ５（１０モル％）、そして溶融体組
成から析出可能なＬｉＮｂＯ３の理論量に対して、４３
モル％に当たる量のＮａ２ＣＯ３、および溶融体組成か
ら析出可能なＬｉＮｂＯ３の理論量に対して、７モル％
に当たる量のＭｇＯとからなる混合物を、イリジウムる
つぼに入れ、エピタキシャル成長育成装置中で空気雰囲
気下で１１００℃まで加熱してるつぼの内容物を溶解し
た。得られた溶融体を１時間当り６０℃の冷却速度で　
９１５℃まで徐冷した。タンタル酸リチウム単結晶の（
０００１）面を光学研磨し、厚さ１．８　ｍｍとした後
、面取り（Ｃ面）を行って基板材料とした。

【００６０】溶融体から基板材料を引き上げ、回転数１
０００ｒｐｍ　で３０秒間溶融体上で回転させて溶融体
を振り切った後、１時間当り　３００℃の冷却速度でタ
ンタル酸リチウム単結晶（ＬＴ基板）のキュリー温度（
６５０℃）　まで徐冷し、その温度で１時間保った後、
１時間に６０℃の冷却速度で室温まで徐冷し、基板材料
上に、約３７μｍの厚さのＮａ，Ｍｇ含有ニオブ酸リチ
ウム単結晶薄膜（ＬＮ薄膜）を得た。得られたＬＮ薄膜
中に含有されていたＮａ，　Ｍｇの量は、それぞれ２モ
ル％，　６モル％であった。また、格子定数（ａ軸）は
５．１５５　Å、入射光波長λ：１．１５μｍで測定し
た屈折率は、２．２３１　±０．００１　であった。つ
いで、イオンビームエッチングにより、膜厚が０．２μ
ｍになるように形成した。この膜の実効屈折率を波長　
６３３ｎｍのレーザ光で測定したところ、２．２５０　
であった。

【００６１】（２）　このＬＮ薄膜に金属Ｔｉをスパッ
タリングし、グレーティング周期Λが　０．２１〜０．
２５μｍ（Λｍａｘ　＝０．２５μｍ，　Λｍｉｎ．＝
０．２１μｍ）　に連続的に変化するグレーティングを
電子線ビームリソグラフィーにより作成し、ドライエッ
チング用のマスクとした。このサンプルにドライエッチ
ングにより、深さ０．０５μｍのレリーフ型のグレーテ
ィングを形成した。 （３）　フォトリソグラフィーとＲＦスパッタにより、
上記ＬＮ薄膜上の導波路の両側に表面弾性波発生用のア
ルミニウム電極を１対形成した。この電極に電圧を印加
することにより表面弾性波が発生し、導波路面内で５゜
だけ偏向された。 （４）　電極に±５０Ｖ、周波数　７５０ＭＨｚ　の高
周波電圧を印加したとき、レーザ光は４９．９゜〜１６
．４゜へ３３．５゜も変化し、解像点数Ｎ＝１１５０、
偏向効率４０％であった。本偏向器は、単一モードでｑ
＝１の場合に相当し、ｑλ／（Ｎ＋１）＝０．１９５μ
ｍ ｑλ／（Ｎ−１）＝０．５０５μｍ である。

【００６２】実施例３（ＬＮ／ＬＴ） 本実施例は、基本的には実施例２と同様、基板と薄膜を
格子整合させるものであるが、基板にＭｇ，　Ｖ、薄膜
にＴｉ，　Ｎｄを表１に示すように含有させ屈折率を調
整して光偏向器を作成した。このときの実効屈折率、ｑ
λ／（Ｎ＋１）、ｑλ／（Ｎ−１）の値、偏向角を表１
に示した。

【００６３】

【００６４】実施例４ 本実施例は、基本的には実施例２と同様であるが、基板
に１０．１モル％Ｍｇを　２００Åの厚さで拡散させ、
この基板上にＮａ，　Ｍｇの外に１０モル％Ｃｒを含有
させたニオブ酸リチウム単結晶薄膜を形成した。格子定
数は、５．１５５　Å、入射光波長λ：１．１５μｍで
測定した屈折率は２．２５２　であった。ついで、実施
例２と同様にして、イオンビームエッチングにより、グ
レーティング周期Λ（　μｍ）　が０．４５μｍから０
．８２μｍまで連続的に変化する扇状グレーティングを
有する光偏向器を作成した（　Λｍａｘ　＝０．８２μ
ｍ、Λｍｉｎ　＝０．４５μｍ）　。電極に±５０Ｖ，
　周波数７５０ＭＨｚの高周波電圧を印加した時、レー
ザ光は５８゜から２８゜へ３０゜変化し、解像点数はＮ
＝１１１０、偏向効率４０％であった。この実施例の偏
向器は、単一モードでｑ＝２　の場合に相当し、　　ｑ
λ／（Ｎ＋１）＝０．３８９μｍｑλ／（Ｎ−１）＝１
．０１１μｍ である。

【００６５】実施例５ 本実施例は、基本的には実施例２と同様に基板と薄膜を
格子整合させたものであるが、基板に、それぞれ１モル
％、６モル％、５モル％のＮａ，　Ｍｇ，　Ｎｄを含有
させた複合拡散層を　２００Åの厚さで形成し、また、
この基板上にＮａ，　Ｍｇの外に９モル％のＶを含有さ
せたニオブ酸リチウム単結晶薄膜を形成した。格子定数
は、５．１５６　Å、入射光波長λ：１．１５μｍで測
定した屈折率は　２．２３２±０．００１　であった。 この薄膜を入射方向と垂直に交わる方向に膜厚勾配を持
たせ（　図２参照：最大膜厚ｄ１　０．３μｍ、最小膜
厚ｄ２　０．２μｍ）　、次いで、実施例２と同様にし
て、イオンビームエッチングにより、グレーティング周
期Λ（　μｍ）　が０．２５μｍから０．２０μｍまで
連続的に変化する扇状グレーティングを有する光偏向器
を作成した（　Λｍａｘ　＝０．２５μｍ、Λｍｉｎ　
＝０．２０μｍ）　。電極に±５０Ｖ，　周波数７５０
ＭＨｚの高周波電圧を印加した時、レーザ光は５０゜か
ら１１゜へ３９゜変化し、解像点数はＮ＝１１１０、偏
向効率４０％であった。この実施例の偏向器は、単一モ
ードでｑ＝１の場合に相当し、 ｑλ／（Ｎ＋１）＝０．１９５μｍ ｑλ／（Ｎ−１）＝０．５０６μｍ である。

【００６６】実施例２〜５に記載のニオブ酸リチウム単
結晶薄膜のポッケルス定数をマッハツェンダー干渉計で
測定した。その結果を表２に示す。なお、ポッケルス定
数は電気光学効果の程度を示す。比較例は、Ａｐｐｌｉ
ｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ，　Ｖｏｌ．２
４，　Ｎｏ．９，　１９７４　　Ｐ４２４　に記載の方
法で作成されたニオブ酸リチウム単結晶薄膜であり、本
実施例のニオブ酸リチウム単結晶薄膜は、公知の２〜３
倍のポッケルス定数を有することが明らかとなった。

【００６７】

【００６８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明にかかる光
偏向素子は、導波路内を伝搬する既に面内偏向させた導
波光を、その伝搬方向とは交会する向きに両側端部で異
なる周期となるように配置した扇形グレーティングより
なるカップラー（処理部）から垂直方向に偏向出射させ
ることができ、しかも、従来の非機械式光偏向器の偏向
角度に比べて大きな偏向角を有するので走査範囲もはる
かに拡大でき、使途も広がる。また、先に提案した特願
平１−１３２７４４号のように、特殊な薄膜材料を使用
する必要も無く、高速化、小型化が可能であり、また、
電気的な制御手段を適用できる等の特性を有するもので
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる光偏向素子の斜視図である。

【図２】膜厚勾配をもった光偏向素子の斜視図である。

【符号の説明】

１　　基板 ２　　導波層 ３　　入射部 ４　　グレーティング（出射部） ５　　電極

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　基板上に形成した薄膜光導波路に光ビ
   ームを入射させる入射部を設け、伝搬する入射光の経路
   途中に当たる薄膜光導波路中には、導波光を導波路に平
   行な面内で偏向させる面内偏向手段を設け、そして、面
   内偏光された導波光の伝搬方向の延在部にはグレーティ
   ングカップラーからなる出射部を設けてなり、前記グレ
   ーティングカップラーのパターンを、入射光の伝搬経路
   の両側におけるグレーティング周期に差をもたせて扇形
   とし、この扇形パターンが、次式： ただし、Λ：グレーティング周期 Ｎ：薄膜光導波路の実効屈折率 λ：入射光の波長 ｑ：整数 を満足するように構成したことを特徴とする光偏向素子
   。
2. 【請求項２】　　前記式を満たすｑは、１もしくは２の
   値を示すものを用いることを特徴とする請求項１に記載
   の光偏向素子。
3. 【請求項３】　　前記薄膜光導波路が、単一モードであ
   る請求項１に記載の光偏向素子。
4. 【請求項４】　　前記光導波路の実効屈折率Ｎは、１．
   ４５０　≦Ｎ≦３．０００　の条件を満たす請求項１に
   記載の光偏向素子。