JPH05232519A - 光偏向素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 特殊な薄膜材料を必要とすることなく、偏向
角が大きく、応答速度の速い光偏向素子を得ること。 【目的】 入射した光ビームの進行方向を大きな偏向角
をもって偏向させることのできる導波路型光偏向器素子
に関して、導波光を光導波路に平行な面内で偏向させる
手段を有すると共に、その延在方向には、面内偏向させ
た入射光のその入射方向に直交する方向に対して傾斜す
る所定周期のグレーティングを配してなるカップラーを
出射光の出力部として形成し、光ビームをこのグレーテ
ィングカップラーから光導波路面の外（垂直方向）に偏
向出射させるように構成したものである。

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
路を具える光偏向器に関し、特に光導波路面に対して垂
直な方向にも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、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、基板表面に薄膜光導波路を形成し、この薄膜光導波
路の一方から光ビームを入射させる光導入部を形成し、
そして、導入された導波光を前記薄膜光導波路に平行な
面内で偏向させる面内偏向手段を設けてなり、光導入部
に対する伝搬方向の延長に、面内偏向された導波光をさ
らに導波路面に対して垂直な方向に偏向出射させるため
の、入射光の入射方向に直交する方向を斜めに横切る向
きの傾斜グレーティングからなるグレーティングカップ
ラーを設けてなり、かつ前記面内偏向角をαとし、入射
光の入射方向に直交する方向に対するグレーティングの
傾斜角をφとし、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とし、そ
して出射媒体の屈折率をｎとしたとき、下記式； ただし、ｑは０でない整数を満たすように構成すること
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】また、かかる光偏向素子は、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
が形成されたものからなり、 入射光λ（μｍ） ０．４≦λ（μ
ｍ）≦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（μ
ｍ）≦０．５ 面内での偏向角αと入射光の伝搬方向に直交する方向に
対する傾斜角φの和 ５≦α＋φ（゜）≦２５ の関係を満たすもので構成したもの、アルミナ基板にチ
タン酸鉛薄膜光導波路が形成されたものからなり、 入射光λ（μｍ） ０．４≦λ（μ
ｍ）≦１ 導波路の実効屈折率Ｎ １．８００≦Ｎ≦
２．４００ グレーティング周期（μｍ） ０．２≦Λ（μ
ｍ）≦０．４ 面内での偏向角αと入射光の伝搬方向に直交する方向に
対する傾斜角φの和 ５≦α＋φ（゜）≦２５ の関係を満たすもので構成したもの、SiO₂基板に酸化亜
鉛薄膜光導波路が形成されたものからなり、 入射光λ（μｍ） ０．４≦λ（μ
ｍ）≦１ 導波路の実効屈折率Ｎ １．４７５≦Ｎ≦
１．６７５ グレーティング周期（μｍ） ０．２５≦Λ（μ
ｍ）≦１．００ 面内での偏向角αと入射光の伝搬方向に直交する方向に
対する傾斜角φの和 ５≦α＋φ（゜）≦２５ の関係を満たすもので構成したもの、ニオブ酸リチウム
単結晶基板に形成されたＴi 拡散光導波路あるいはプロ
トン交換光導波路を形成したものからなり、 入射光λ（μｍ） ０．４≦λ（μ
ｍ）≦１ 導波路の実効屈折率Ｎ ２．２８６≦Ｎ≦
２．３００ グレーティング周期（μｍ） ０．２０≦Λ（μ
ｍ）≦０．４０ 面内での偏向角αと入射光の伝搬方向に直交する方向に
対する傾斜角φの和 ５≦α＋φ（゜）≦２５ 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、まず光ビームの導入部を設ける。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のグレーティ
ングの向きを導波光の伝搬方向に直交する方向に対して
傾斜させてなるグレーティングカップラーを設けること
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、前記導入部に入射させる
光ビームは、レーザー光が望ましい。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。

【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 LiTaO₃
基板上にLiNbO₃薄膜を形成したもの、LiNbO₃基板上にLi
TaO₃薄膜を形成すると共に、さらにLiNbO₃薄膜を形成し
たもの、LiTaO₃単結晶基板上にSr_x Ba_1-x Nb₂ O₆（ＳＢ
Ｎ）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、Gd₃Ga₅O₁₂(ＧＧ
Ｇ）、Nd₃Ga₅O₁₂(ＮｄＧＧ）、Sm₃Ga₅O₁₂(ＳｍＧＧ）な
どのガーネット基板上にＳＢＮ薄膜を形成したもの、Pb
TiO₃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(Nb_x Ta_1-x )O₃ （ＫＴＮ）薄膜
を形成したもの、ＰＬＺＴセラミックス基板上にＰＬＺ
Ｔ薄膜を形成したもの、あるいは基板や薄膜としてSi
O₂、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、LiTaO₃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】なおこの場合において、前記LiNbO₃薄膜
は、LiTaO₃基板と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、高い偏
向効率を得ることができるからである。その格子整合
は、LiNbO₃の格子定数を、LiTaO₃格子定数の99.92〜10
0.03％とすることが望ましい。

【００１９】前述のような格子整合の方法としては、Li
NbO₃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。

【００２０】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、LiNbO₃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LiNb
O₃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る。

【００２１】前記NaとMgの含有量は、それぞれLiNbO₃に
対して、0.1 〜4.8 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LiTaO₃基板との格子整合が得られず、また、4.8 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、LiMgO₃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。

【００２２】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、LiTaO₃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。

【００２３】前記LiTaO₃基板上に形成するLiNbO₃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（０００１）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LiTaO₃基
板を簡単に格子整合できるからである。

【００２４】前記LiTaO₃基板上に形成されるLiNbO₃薄膜
の格子定数（ａ軸）は、前記LiTaO₃基板の格子定数（ａ
軸）の99.81 〜100.07％が好ましく、99.92 〜100.03％
が好適である。この理由は、前記範囲を外れる場合、Li
TaO₃基板とLiNbO₃薄膜の格子定数を整合させ難いからで
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LiNbO₃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、15dB／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 、Na, 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LiTa
O₃基板の屈折率を下げることができる。

【００２９】前記Naの含有量は、0.1 〜10モル％である
ことが望ましい。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％が好適である。

【００３０】また、前記Crの含有量は、0.02〜20モル％
であることが望ましい。この理由は、前記Crの含有量が
20モル％を越える場合は、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
0.1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Crの含有量は、なかでも 0.2〜10モル％が
好適である。

【００３１】さらに、前記Mgの含有量は、 0.1〜20モル
％であることが望ましい。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。前記Mgの含
有量は、なかでも 2.0〜10モル％が好適である。

【００３２】前記Tiの含有量は、 0.2〜30モル％である
ことが望ましい。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。前記
Tiの含有量は、なかでも 1.0モル％〜15モル％が好適で
ある。

【００３３】前記Ndの含有量は、0.02〜10モル％である
ことが望ましい。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。前記
Ndの含有量は、なかでも0.5 〜５モル％が好適である。

【００３４】前記Ｖの含有量は、0.05〜30モル％である
ことが望ましい。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。前記Ｖの含有量は、な
かでも 2.0モル％〜10モル％が好適である。

【００３５】ところで、前記LiNbO₃薄膜導波層に前記N
a, 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
整することが望ましい。

【００３６】なお、導波路の導波層を形成する薄膜材料
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、圧電効果などの係数が比較
的大きい材料が好適であり、前述の如き薄膜材料の他
に、LiTaO₃, PbTa₂O₆, SbSI等を適用できる。

【００３７】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
ＳＡＷ（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。

【００３８】これらの中では、電気光学効果を利用する
方法の方が他の方法に比べて応答速度が速いのでより望
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゜であることが望ましい。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。なお、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。

【００３９】さて、本発明において、前記薄膜導波路内
への光の入射は、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。

【００４０】また、本発明の導波路の光導入部には、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
とが望ましい。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。

【００４１】また、本発明導波路は、この光偏向素子に
よって変化される導波路光の割合を高め、偏向の効率を
高める上で単一モード導波路とすることが好ましい。

【００４２】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力した導波光を、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。

【００４３】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。

【００４４】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、さらに偏向を
加えて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、導
波光の伝搬方向の延長に設ける。

【００４５】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、入射光の入射方向に直交する方向
（線）に対して、これを斜めに横切る斜向配置したグレ
ーティングを設けた点に特徴があり、次の条件を満たす
ものである。すなわち、前記面内偏向角をαとし、入射
光の入射方向に直交する方向に対するグレーティングの
傾斜角をφとし、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とし、そ
して出射媒体の屈折率をｎとしたとき、 ただし、ｑは０でない整数を満足しなければならない。

【００４６】図２は、本発明におけるグレーティングカ
ップラーのグレーティングの配置を模式的に示すもので
あり、このようなグレーティングカップラーによる出射
光の方向は、格子ベクトルやグレーティング間隔などに
より決まり、ブラッグ回折を起こしたり、出射したりす
るが、以下にその出射の条件について説明する。

【００４７】図３は、出射光の伝搬ベクトルダイアグラ
ムであり、この図３をＸ方向から見た図が図４である。
この図におけるβ₀ は、入射光の伝搬ベクトル、β
_a は、出射光の伝搬ベクトル、β_i は、β_a の導波に対
する正射影、Κはグレーティングの格子ベクトルであ
る。

【００４８】図４より、β_i はβ₀ ベクトルとΚベクト
ルで決定される値であり、導波路面内で位相整合を考え
なければならないブラッグ回折とは全く異なる。本発明
者は、種々の実験結果より、実用的な光偏向器を得るた
めには、図４のベクトル関係が満たされていなければな
らないことを新たに見い出した。 β_i ＝β₀ ＋Κ (2) となる。ここで β₀ ＝｜β₀ ｜， β_i ＝｜β_i ｜ β_a ＝｜β_a ｜， Κ＝｜Κ｜ (3) とする。また、ｑを０でない整数とする。

【００４９】β_i の絶対値に関する基本式は β_i ² ＝β₀ ² ＋（ｑΚ）² −２β₀ ｑΚ cosθ (4) で与えられる。θは、面内で偏向された入射光とグレー
ティングの格子ベクトルのなす角度である。またφ₁ に
関する基本式は β_i cos φ₁ ＝β₀ −ｑΚ cosθ (5) で与えられる。(4) , (5) 式が導波路面内での位相整合
条件となる。またφ₁ とφ₂ の関係は β_i ＝β_a sin φ₂ (6) で与えられる。(4) と(6) から空気中への放射角が求め
られ、(4) と(5) 式から入射光に対する角度が求められ
る。

【００５０】次に、空気中への放射角について、上記
(4) と(5) を使ってもう少し詳しく解析する。ここで、
各伝搬定数は、 で与えられる。ここでκは光の波長であり、Ｎは実効屈
折率であり、λは光の波長である。またΛはグレーティ
ングの周期である。式(7) , (8) を(4) 式中に代入する
と、(9) 式を得る。

【００５１】次に(6) 式は、ｎを空気中の屈折率として と変形できる。この(10)式より、 sinφ₂ は−１から１
の値しかとらないので、次の(11)式の条件式が得られ
る。

【００５４】従って、この(11)式を整理すると、前記面
内で偏向角をαとし、入射光の伝搬方向に直交する方向
に対するグレーティングの傾斜角をφとし、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とし、出射媒体の屈折率をＮとしたと
き、下記の (1)式； ただし、ｑは０でない整数が得られることになる。

【００５５】なお、水平偏向角の算出についても説明す
ると、(7) 式からβ_i が得られるので、これを(5) 式に
代入することで、水平方向の偏向角が得られる。すなわ
ち、(5) 式は次のように変形できる。 この式よりφ₁ が求められる。

【００５６】計算の実例；これらの結果を使って実際に
計算を行ってみる。グレーティング周期Λ＝0.6 μｍ、
光の波長λ=0.633μｍ、実効屈折率Ｎ＝1.4828、グレー
ティングの傾角を30゜として計算を行ってみる。(11)式
に各値を代入すると、 １≧2.1975＋1.1130ｑ² −2.7088ｑ 1.1130ｑ² −2.7088ｑ ＋1.1975 ≦0 が得られる。これを満たすｑの値は１に限られる。ｑ＝
１のときβ_i は7.6997になり、これを(10)に代入するこ
とにより、φ₂ ＝50.87 ゜を得る。また、水平方向の値
は、(12)式より42.85 ゜を得る。(1) 式を満たすｑの個
数は２個以下がよい。ｑの個数は出射する光の本数であ
る。ｑの数が１のとき、単一モードとなる。

【００５７】なお、上掲の計算は、空気中放射に限った
が、(10)式で屈折率を基板の値にすれば、基板側放射角
度が得られる。

【００５８】要するに、本発明は式(1) の条件を満たす
ようにΛ, λ, Ｎ，α, φ, ｎを決定することにあり、
この条件式で満足する本発明に係る光偏向素子の具体例
を開発したので、その条件を例示する。

【００５９】 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からな
り、 入射光λ（μｍ） ０．４≦λ（μ
ｍ）≦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（μ
ｍ）≦０．５ 面内での偏向角αと入射光の伝搬方向に直交する方向に
対する傾斜角φの和 ５≦α＋φ（゜）≦２５ の関係を満たすもので構成したことを特徴とする光偏向
素子。

【００６０】 アルミナ基板にチタン酸鉛薄膜光導波
路が形成されたものからなり、 入射光λ（μｍ） ０．４≦λ（μ
ｍ）≦１ 導波路の実効屈折率Ｎ １．８００≦Ｎ≦
２．４００ グレーティング周期（μｍ） ０．２≦Λ（μ
ｍ）≦０．４ 面内での偏向角αと入射光の伝搬方向に直交する方向に
対する傾斜角φの和 ５≦α＋φ（゜）≦２５ の関係を満たすもので構成したことを特徴とする光偏向
素子。

【００６１】 SiO₂基板に酸化亜鉛薄膜光導波路が形
成されたものからなり、 入射光λ（μｍ） ０．４≦λ（μ
ｍ）≦１ 導波路の実効屈折率Ｎ １．４７５≦Ｎ≦
１．６７５ グレーティング周期（μｍ） ０．２５≦Λ（μ
ｍ）≦１．００ 面内での偏向角αと入射光の伝搬方向に直交する方向に
対する傾斜角φの和 ５≦α＋φ（゜）≦２５ の関係を満たすもので構成したことを特徴とする光偏向
素子。

【００６２】 ニオブ酸リチウム単結晶基板に形成さ
れたTi拡散光導波路あるいはプロトン交換光導波路を形
成したものからなり、 入射光λ（μｍ） ０．４≦λ（μ
ｍ）≦１ 導波路の実効屈折率Ｎ ２．２８６≦Ｎ≦
２．３００ グレーティング周期（μｍ） ０．２０≦Λ（μ
ｍ）≦０．４０ 面内での偏向角αと入射光の伝搬方向に直交する方向に
対する傾斜角φの和 ５≦α＋φ（゜）≦２５ の関係を満たすもので構成したことを特徴とする光偏向
素子。

【００６３】次に、本発明の出射部に形成するグレーテ
ィングカップラーについて説明する。このグレーティン
グカップラーは、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に直交する方向に対して傾
斜グレーティングを設けたものであることが必要であ
る。それは、このような傾斜グレーティングとすること
により、導波路面内での微小な光の偏向を大きな偏向角
で取り出すことができるからである。

【００６４】なお、前記グレーティングの周期（Λ）
は、0.01〜2.0 μｍの範囲内にある一定の周期を有する
ように設けられてなることが望ましい。この理由は、こ
の周期（Λ）が0.01μｍ未満であるグレーティングを作
成しづらく、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。

【００６５】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。

【００６６】また、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、入射光を面内偏析させることによ
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。

【００６７】本発明において、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。

【００６８】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に示すように、本
発明にかかる光偏向器は基板１上に、厚さｄの薄膜光導
波路を設け、その一方の端面３を導入部として、この導
入部より所定の距離の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、長さＬ，周期Λ、さらに
導波光の伝搬方向に直交する方向に対して傾斜角φを有
する。また、入力部と出力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。

【００６９】このような構成よりなる光偏向器におい
て、端面３より光巾Ｄのレーザー光を入射させると、レ
ーザー光は、薄膜導波路２を伝搬する。入力部と出力部
との間に設けた電極５に電界を印加すると、光導波路２
を伝搬してきた導波光は、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、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に、直交する方向に対し
て、傾斜φを有するように設けられているために、無電
界の場合に比べて出射光は、光導波路に平行な面に対し
てθ’゜偏向されて出射される。このθ’゜偏向される
作用原理について以下に説明する。

【００７０】光導波路に平行な面内で偏向を行わない導
波光は、前記出力部のグレーティングの周期Λと傾斜φ
を用いた次式で表されるグレーティングの周期Λ’に相
当する角度でグレーティングより出射される。 Λ’＝Λ／ cosφ 一方、前述のように光導波路に平行な面内でα゜偏向さ
れた導波光は、次の式で表わされるグレーティング周期
Λ”に相当する角度でグレーティングより出射される。 Λ”＝Λ／ cos（φ＋α）

【００７１】このようにグレーティングに入射した導波
光は、グレーティング周期の変化に応じて変化する。従
って、その周期の変化が大きい程、出射角度の変化、す
なわち偏向角θが大きくなる。本発明の光偏向器では、
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
の伝搬方向に直交する方向に対して傾斜を有するように
設けることにより、導波光に対する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。

【００７２】実施例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、液相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。

【００７３】前記ルツボ内溶融体巾に上記基板材料を浸
漬し、回転数1000rpm で30秒間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、格子整合させた約37μｍの
厚さのNa, Mg含有ニオブ酸リチウム単結晶薄膜を得た。
得られたニオブ酸リチウム単結晶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0.5 μ
ｍになるように形成した。

【００７４】この膜の実効屈折率を波長 633nmのレーザ
ー光で測定したところ 2.242であった。この薄膜に金属
Tiをスパッタリングし、グレーティング周期Λが 0.3μ
ｍで基本導波光の伝搬方向に直交する方向に対し20゜傾
いたグレーティングが得られるように、電子線ビームリ
ソグラフィーによりドライエッチング用のマスクを作製
した。次いで、ドライエッチングして斜向配置にかかる
レリーフ型のグレーティング( 深さ 0.2μｍ) を作製し
た。次に、フォトレジスト、ＲＦスパッタにより薄膜上
の導波経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
り発生する表面弾性波は、導波路面内で５゜だけ偏向さ
れた。電極に±50Ｖ、周波数 750MHz の高周波電圧を印
加したとき波長633nm のレーザー光は、51゜から72゜へ
と21゜も変化し、解像点数Ｎ＝1100、偏向効率40％を示
し、光偏向器として十分実用的な値のものであった。こ
の偏向器は、空気中で使用し（ｎ＝１）、ｑ＝１の場合
に相当し、素子構成を示す前記(1) 式の条件を次のよう
に満足することが明らかとなった。 また、本実施例の偏向器では、基板の反対側に出射され
るビームは１本のみであり、単一モードの光偏向器であ
った。

【００７５】実施例２（アルミナＰＴの場合） サファイア基板上に、ＲＦスパッタ法によりチタン酸鉛
の薄膜を、膜厚が 0.4μｍになるように形成した。この
膜の実効屈折率を波長 633nmのレーザー光で測定したと
ころ 2.601であった。この薄膜に金属Tiをスパッタリン
グし、グレーティング周期Λが0.25μｍで基本導波光の
伝搬方向に直交する方向に対し15゜傾くグレーティング
となるように電子線ビームリソグラフィーによりドライ
エッチング用のマスクを作製した。次いで、ドライエッ
チングして斜向配置にかかるレリーフ型グレーティング
( 深さ 0.2μｍ) を作製した。次に、フォトレジスト、
ＲＦスパッタにより薄膜上の導波経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発生する表面弾性波は、導
波路面内で５゜だけ偏向される。電極に±50Ｖ、周波数
750MHz の高周波電圧を印加したとき波長633nm のレー
ザー光は49゜から71゜へと22゜も変化し、解像点数Ｎ＝
1000、偏向効率47％であり、光偏向器として十分実用的
な値を示すものであった。この光偏向器は、空気中で使
用し（ｎ＝１）、ｑ＝１の場合に相当し、素子構成を示
す前記(1) 式の条件も、次のとおりに満足するものであ
ることが明らかである。 また、基板の反対側へ出射されるビームは、１本のみで
あり、単一モードの光偏向器であった。

【００７６】実施例３（SiO₂−Znの場合） SiO₂基板上に、ＲＦスパッタ法により酸化亜鉛の薄膜
を、膜厚が 0.1μｍになるように形成した。この膜の実
効屈折率を波長 633nmのレーザー光で測定したところ
1.564であった。この薄膜に金属Tiをスパッタリング
し、グレーティング周期Λが0.4 μｍで基本導波光の伝
搬方向に直交する方向に対し30゜傾くグレーティングと
なるように電子線ビームリソグラフィーによりドライエ
ッチング用のマスクを作製した。次いで、ドライエッチ
ングして斜向配置にかかるレリーフ型グレーティング(
深さ0.05μｍ) を作製した。次に、フォトレジスト、Ｒ
Ｆスパッタにより薄膜上の導波経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発生する表面弾性波は、導波
路面内で５゜だけ偏向される。電極に±50Ｖ、周波数 7
50MHz の高周波電圧を印加したとき波長633nm のレーザ
ー光は61゜から83゜へと22゜も変化し、解像点数Ｎ＝11
50、偏向効率35％であり、光偏向器として十分実用的な
値を示すものであった。この光偏向器は、空気中で使用
し（ｎ＝１）、ｑ＝１の場合に相当し、素子構成を示す
前記(1) 式の条件も、次のとおりに満足するものである
ことが明らかである。

【００７７】実施例４( Ti拡散の場合) ニオブ酸リチウム基板上に、スパッタ法により金属チタ
ンの薄膜を形成した。その後、電気炉により加湿アルゴ
ンガスにより1000゜で５時間処理を行い、さらに1000゜
で酸素中で１時間処理した。このようにしてTi拡散導波
路を作製した。この膜の実効屈折率を波長 633nmのレー
ザー光で測定したところ 2.291であった。この薄膜に金
属Tiをスパッタリングし、グレーティング周期Λが0.3
μｍで基本導波光の伝搬方向に直交する方向に対し20゜
傾くグレーティングとなるように電子線ビームリソグラ
フィーによりドライエッチング用のマスクを作製した。
次いで、ドライエッチングして斜向配置にかかるレリー
フ型グレーティング( 深さ0.3 μｍ) を作製した。次
に、フォトレジスト、ＲＦスパッタにより薄膜上の導波
経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発生
する表面弾性波は、導波路面内で５゜だけ偏向される。
電極に±50Ｖ、周波数 750MHz の高周波電圧を印加した
とき波長633nm のレーザー光は52゜から71゜へと19゜も
変化し、解像点数Ｎ＝1180、偏向効率38％であり、光偏
向器として十分実用的な値を示すものであった。この光
偏向器は、空気中で使用し（ｎ＝１）、ｑ＝１の場合に
相当し、素子構成を示す前記(1) 式の条件も、次のとお
りに満足するものであることが明らかである。 基板の反対側へ出射されたビームは１本のみであり、単
一モードである。

【００７８】実施例５（アルミナ−ＰＴの場合） 本実施例は、基本的には実施例２と同様であるが、グレ
ーティング周期Λを0.6 μｍとした。この光偏向器は、
空気中で使用し（ｎ＝１）、ｑ＝２の場合に相当し、素
子構成を示す前記(1) 式の条件も、次のとおりに満足す
るものであることが明らかである。

【００７９】

【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、その伝搬方向に直交すめ方向に対して斜向配置
した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】図１は、本発明にかかる光偏向素子の構成を模
式的に示す斜視図である。

【図２】図２は、本発明におけるグレーティングの配置
の模式図である。

【図３】,

【図４】図３および図４は、出射光の伝搬ベクトルダイ
アグラムである。

【符号の説明】

１ 基板 ２ 薄膜導波路 ３ 端面 ４ グレーティングカップラー ５ 電極

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板上に薄膜光導波路を形成し、この薄
   膜光導波路の一方から光ビームを入射させる光導入部を
   形成し、そして、導入された導波光を前記薄膜光導波路
   面に平行な面内で偏向させる面内偏向手段を設けてな
   り、 光導入部に対する伝搬方向の延長に、入射光の入射方向
   に直交する方向を斜めに横切る向きの傾斜グレーティン
   グからなるグレーティングカップラーを設け、かつ前記
   面内偏向角をαとし、入射光の入射方向に直交する方向
   に対するグレーティングの傾斜角をφとし、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とし、そして出射媒体の屈折率をｎと
   したとき、下記式； ただし、ｑは０でない整数を満たす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、２以下の値を示す
   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。