JPH0786625B2

JPH0786625B2 - 光偏向装置

Info

Publication number: JPH0786625B2
Application number: JP22574888A
Authority: JP
Inventors: 信春野崎; 正美羽鳥; 寛砂川
Original assignee: Fuji Photo Film Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Holdings Corp
Priority date: 1988-09-09
Filing date: 1988-09-09
Publication date: 1995-09-20
Anticipated expiration: 2010-09-20
Also published as: JPH0273333A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は光偏向装置、特に詳細には光ビームを光導波路
内に導波させ、この光ビームを、光導波路において伝播
させた表面弾性波によって偏向させて光導波路から取り
出すようにした光偏向装置に関するものである。

（従来の技術）光走査記録装置や光走査読取装置において光ビームを偏
向させる光偏向装置として、従来より、ガルバノメータ
ミラーやポリゴンミラー等の機械式光偏向器や、EOD
（電気光学光偏向器）、AOD（音響光学光偏向器）が多
く用いられている。しかし機械式光偏向器においては、
耐久性に難がある、大型化しやすいといった問題があ
り、一方EODやAODにおいては、光偏向角が大きく取れな
いのでビーム光路が長くなり、光走査記録装置等の大型
化を招くといった問題がある。

上述のような問題を解消しうる光偏向装置として近時、
光導波路を用いる光偏向装置が注目されている。この光
偏向装置は、表面弾性波が伝播可能な材料から形成され
た薄膜光導波路と、この光導波路内を導波する光ビーム
と交わる方向に進行して周波数が連続的に変化する表面
弾性波を該光導波路において発生させる手段（例えば交
叉くし形電極対と、この電極対に周波数が連続的に変化
する交番電圧を印加するドライバーとから構成される）
とを有するものである。この光偏向装置においては、光
導波路内に導波する光ビームが表面弾性波との音響光学
相互作用によりブラック回折し、そしてこの回折角は表
面弾性波周波数に応じて変化するので、表面弾性波周波
数を上述のように変えることにより、光ビームを光導波
路内において連続的に偏向させることができる。こうし
て偏向させた光ビームは、例えば光導波路の表面に形成
した回折格子（グレーティングカプラ）やプリズムカプ
ラ等によって光導波路外に出射させることができる。

なお上記のような光偏向装置については、例えば特開昭
62−77761号公報に詳しい記載がなされている。

（発明が解決しようとする課題）ところで、上述の光偏向装置を構成する薄膜光導波路
は、一般にLiNbO₃やLiTaO₃等の一軸異方性結晶基板から
形成され、偏向される光ビームは該光導波路内をTM導波
モード、TE導波モードあるいはそれらが互いに変換する
モードで進行するが、その際導波光が基板側に放射して
損失しやすい、という問題が従来より認められていた。
以下、この導波光の放射損失が生じやすい理由について
説明する。

上述の一軸異方性薄膜光導波路は、光学軸が導波路面内
に含まれるように（いわゆるＸ−cutやＹ−cut）形成さ
れる。その場合、導波光の放射損失係数αは、上記光学
軸に対して導波光伝播方向がなす角度θに応じて変化
し、その特性は一般に第４図に示すようなものとなって
いるから、上記放射損失を最も低くするためには、導波
光を光学軸に対して90゜あるいは０゜に近い角度で伝播
させればよいことになる。しかし上記の光偏向装置にお
いて、導波光を途中で表面弾性波によって回折、偏向さ
れるから、当然この回折の前後で伝播方向が変わり、し
たがって回折前後の導波光をともに上述のような角度で
伝播させることは不可能となる。こうして回折前あるい
は回折後の導波光の進行方向が90゜あるいは０゜に近い
値から外れると、導波光が大きく放射損失することにな
る。以下、この放射損失を具体的に説明する。例えばＸ
−cutのLiNbO₃基板からなる光導波路において、波長λ
＝633nmの光ビームを導波させ、周波数ｆ＝1GHz、伝播
速度ｖ＝3500m/sの表面弾性波によってこの光ビームを
回折させて、回折後ｙ軸方向に（光学軸に対して90゜の
方向に）進行させる場合、ブラッグ角をθ_Ｂとすると、
光導波路の実効屈折率Neff＝2.2のとき、となる。表面弾性波に入射する前の光ビームが光学軸と
なす角度θは、 θ＝90−２θ_Ｂ85゜となり、この角度θのとき放射損失係数α＝1.5dB/cmと
なる。光ビームが光導波路内に入射してから表面弾性波
に到達するまでの導波距離Ｌ＝5mmであるとすれば、導
波光伝搬効率ηは、となる。つまり放射損失は、光ビームが光導波路内に入
射してから表面弾性波に到達するまでの間だけ、理論上
約16％にも達する。

以上述べたように導波光の放射損失が大きければ、当然
光利用効率が低下し、半導体レーザ等の光源として高出
力で高価なものが必要となり、またこの光導波路型光偏
向装置を利用する光走査記録装置等の消費電力も大きく
なってしまう。

そこで本発明は、導波光の放射損失を低く抑えることが
できる光導波路型光偏向装置を提供することを目的とす
るものである。

（課題を解決するための手段）本発明の光偏向装置は、先に述べたように、光学軸が導
波路面内に含まれるように形成された、表面弾性波が伝
播可能な一軸異方性薄膜光導波路と、この光導波路内に入射されて該光導波路内を導波する光
ビームと交わる方向に進行して、周波数が連続的に変化
する表面弾性波を該光導波路において発生させる手段と
を備えた光導波路型の光偏向装置において、上記表面弾性波に入射する前の光ビームの光路を変換す
る光路変換素子が設け、上記光路変換前の光ビームの光路、および表面弾性波に
よって回折、偏向した後の光ビームの光路と前記光学軸
とがなすそれぞれの角度が、光路変換後表面弾性液に入
射するまでの光ビームの光路と上記光学軸とがなす角度
と比べて、導波光の放射損失がより少ない角度となるよ
うに表面弾性波発生手段の表面弾性波発生部と光路変換
素子とを配し、また上述の光路変換素子を、表面弾性波に近接配置した
ことを特徴とするものである。

（作用）上述のような光路変換素子を設ければ、光導波路内に入
射してから該素子に入射するまでの光ビームの光路と、
表面弾性波によって回折した後光導波路内を導波する光
ビームの光路の双方を、光学軸に対して90゜あるいは０
゜に近い角度に設定可能となる。これら２つの光路は、
例えば光導波路表面に形成した回折格子（グレーティン
グカプラ）やプリズムカプラによって外部光を光導波路
内に入射させるため、あるいは導波光を光導波路外に出
射させるためにどうしても長くなりがちであるが、これ
らの光路の角度が上述のようになっていれば、そこにお
ける導波光の放射損失を極めて低く抑えることが可能と
なる。

また、上記光路変換素子において光路変換されてから表
面弾性波に入射するまで光導波路内を導波する光ビーム
の光路は、放射損失が大きくなりがちな角度となるが、
該光路変換素子が表面弾性波に近接して配置されていれ
ば、この光路が短くなり、そこにおける導波光の放射損
失を低く抑えることができる。

（実施例）以下、図面に示す実施例に基づいて本発明を詳細に説明
する。

第１、２図および３図は、本発明の一実施例による光偏
向装置を示すものである。この光偏向装置10は、一例と
して光走査記録装置を構成するものであり、透明な基板
16上に形成された薄膜光導波路11と、この光導波路11の
側端部に設けられた傾斜指チャープ交叉くし形電極対
（Tilted−Finger Chirped Inter Digital Transduce
r、以下IDTと称する）15と、光変調器を兼ねた光路変換
素子としての電気光学グレーティング（Electrooptic G
rating、以下EOGと称する）14と、この光導波路11の表
面において互いに離して設けられた光入射用線状回折格
子（Linear Grating Coupler:以下LGCTと称する）20お
よび光出射用LGC21とを有している。また基板16の光導
波路11と反対側の表面16a上には、光入射用プリズム30
と、光出射用プリズム31が取り付けられている。光入射
用プリズム30は断面三角形状のもので、第１の光通過面
30aと第２の光通過面30bを有し、上記第１の光通過面30
aが基板表面16aに強く押圧されることにより、あるいは
高屈折率の接着剤を用いる等により、該表面16aに密着
固定されている。光出射用プリズム31も上記光入射用プ
リズム30と同様の形状とされ、第１の光通過面31a、第
２の光通過面31bを有し、上述と同様にして基板16aに固
定されている。

本実施例においては一例として、基板16に負の一軸異方
性結晶であるLiNbO₃ウェハを用い、このウェハの表面に
Ti拡散膜を設けることにより光導波路11を形成してい
る。ここで、基板16はＸ−cutとされ、光学軸（Ｚ軸）
が第３図中で上下方向となるように形成されている。な
お光導波路11は上記のTi拡散に限らず、基板16上にその
他の材料をスパッタ、蒸着する等して形成することもで
きる。また本発明では上述したLiNbO₃に限らず、例えば
正の一軸異方性結晶であるLitaO₃等、その他公知の基板
を用いて光導波路11を形成することができる。そしてこ
の光導波路11は、上記光学軸が導波路面内に含まれるよ
うに形成される。またこの光導波路11は、上記Ti拡散膜
等、後述する表面弾性波が伝播可能な材料から形成され
る。

なお光導波路については、例えばティータミール（T.
Tamir）編「インテグレイテッドオプティクス（Integ
rated Optics）」）（トピックスインアプライド
フィジックス（Topics in Applied Physics）第７巻）
スプリンガーフェアラーグ（SPringer−Verlag）刊
（1975）；西原、春名、栖原共著「光集積回路」オーム
社刊（1985）等の成著に詳細な記述がある。

記録光を発する半導体レーザ18は、光入射用プリズム30
の第２の光通過面30bに向けて垂直に、波長λ＝780nmの
光ビーム（レーザビーム）13を射出するように配置され
ている。発散ビームであるこの光ビーム13は、コリメー
ターレンズ27によって平行ビームとされた上で上記第２
の光通過面30bから光入射用プリズム30内に入射し、そ
の第１の光通過面30aを通過して基板16内に入射し、光
導波路11を透過して、その表面に形成された前記LGC20
の部分に入射する。それにより光ビーム13はこのLGC20
で回折して光導波路11内に入射し、該光導波路11内をTE
導波モードで矢印Ａ方向に進行する。

画像記録を行なう際には、例えばエンドレスベルト等の
移送手段22上に感光体23がセットされる。そして半導体
レーザ18はレーザ駆動回路19により、レーザビーム13を
射出するように駆動され、それとともにIDT15には駆動
回路17から、周波数が１〜2GHzの間で連続的に変化する
交番電圧が印加される。一方導波光（平行ビーム）13の
光路に配されたEOG14には、駆動回路24から電圧Ｖが印
加される。この電圧Ｖの値は、画像信号Ｓを受ける変調
回路25により、該信号Ｓに応じて変化するように（つま
り光ビーム13を強度変調する場合は連続的に変化するよ
うに、ON−OFF変調する場合は２値のうちの一方を選択
的にとるように）制御される。

上記のEOG14は回折格子を形成するものであり、このEOG
14により導波光13が回折し、回折光13′は第１図の実線
表示の方向に、また０次光13″は破線表示の方向に進行
する。そしてこのEOG14によって光導波路11に電界印加
がなされると、電気光学効果により光導波路11の屈折率
が変化し、上記回折の効率が変化する。この回折効率の
変化率は、EOG14に印加される電圧Ｖの値に応じて変化
するので、結局上記回折光13′は画像信号Ｓに応じて変
調されることになる。

なお、上記実施例におけるEOG14は、電極指線幅が3.75
μｍ、電極指周期が15μｍ、電極指の有効長が1.3mm、
電極指対数が100対のものであり、最大回折効率η_Ｍ＝9
3％、変調周波数f_M＝25MHzを実現できた。このようなEO
G14は、公知のフォトリソ法等によって形成可能であ
る。一方IDT15に前述のような電圧印加がなされること
により、光導波路11の表面を表面弾性波12が第１図の矢
印Ｂ方向に進行する。IDT15は、この表面弾性波12が導
波光（前記回折光）13′の光路に交わる方向に進行する
ように配設されている。したがって導波光13′は、表面
弾性波12を横切るように進行するが、その際該導波光1
3′は表面弾性波12との音響光学相互作用によりブラッ
グ（Bragg）回折する。周知の通り、この回折による導
波光13′の偏向角は、表面弾性波12の周波数にほぼ比例
する。前述の通り駆動回路17はIDT15に、周波数が連続
的に変化する交番電圧を印加するので、表面弾性波12の
周波数が連続的に変化し、それともブラッグ条件が常に
満たされるように表面弾性波12の伝播方向が連続的に変
化し、それにより上記偏向角が連続的に変化するように
なる。したがってこの導波光13′は矢印Ｃで示す通り、
回折角が連続的に変化するように回折、偏向する。この
ようにして偏向した導波光13′は、LGC21により回折し
て光導波路11から裏板16側に出射する。こうして光導波
路11から出射して外部光となった光ビーム13′は、光出
射用プリズム31の第１の光通過面31aを通過して該プリ
ズム31内に入射し、第２の光通過面31bを垂直に通過し
てプリズム外に出射する。

上述のようにして光偏向装置10外に出射した光ビーム1
3′は、例えばｆθレンズからなる走査レンズ26を通過
して小さなビームスポットＱに絞られ、感光体23上を矢
印ｕ方向に走査（主走査）する。それとともに感光体23
が、移送手段22により上記主走査の方向と略直角な矢印
ｖ方向に移送されて副走査がなされるので、感光体23は
光ビーム13′により２次元的に走査される。前述したよ
うにこの光ビーム13′は画像信号Ｓに基づいて変調され
ているので、感光体23上にはこの画像信号Ｓが担う画像
が記録される。

なお１主走査ライン分の画像信号Ｓと光ビーム13′の主
走査との同期をとるためには、この画像信号Ｓに含まれ
るブランキング信号Sbをトリガ信号として用いて、IDT1
5への電圧印加タイミングを制御すればよい。またこの
ブランキング信号Sbにより移送手段22の駆動タイミング
を制御することにより、上記主走査と副走査との同期を
とることができる。

次に、導波光13、13′の放射損失について説明する。第
３図に示すように、LGC20およびLGC21の長さはそれぞれ
5mm、14mmとされ、またLGC20の長さ方向中央からEOG14
の中央までのＹ軸方向距離は3.5mm、EOG14の中央から表
面弾性波12による回折点までのＹ軸方向の距離は1.5m
m、上記回折点からLGC21の長さ方向中央までのＹ軸方向
距離は8mmとされている。そして導波光13は、LGC20から
EOG14の間において光学軸（Ｚ軸）に対して87゜の角度
で、また導波光13′はEOG14から表面弾性波15までの間
において光学軸に対して81゜の角度で進行するように、
また表面弾性波12により回折後の導波光13′は偏向角の
中心において光学軸に対して90゜の角度で進行するよう
にEOG14およびIDT15が配置されている。なお本例におい
ては表面弾性波12による偏向の角度範囲は６゜とされて
おり、したがって回折後の導波光13′は、上記光学軸に
対して最小で87゜（＝90−6/2）の角度をなすことにな
る。

以上のように、EOG14よりも前の導波光の光路が光学軸
となす角度、および表面弾性波12で回折した後の導波光
の光路が光学軸となす角度はそれぞれ87゜、87〜90゜と
なっているので、第４図から明らかなように、この部分
における導波光の放射損失係数αは極めて小さくなる。
前述したように、上記２つの光路の長さは比較的長くな
りがちであるが、上記のように放射損失係数ａが小さい
ために、これらの光路部分における導波光の放射損失を
低く抑えることができる。他方、EOG14から表面弾性波1
2までの導波光光路が光学軸となす角度は81゜であり、
この光路部分における放射損失係数αは、上記２つの光
路におけるそれよりも大きくなる（第４図参照）。しか
し、このEOG14は表面弾性波12に十分近接させて配置さ
れているので、この放射損失係数αが比較的大きくなる
光路の長さが極めて短くなっており、したがってこの光
路における導波光の放射損失も低く抑えられる。本例に
おいてLGC20からLGC21までの間の導波光の放射損失を実
測したところ、表面弾性波12の周波数ｆ＝1.5GHzのとき
に最小で21％、一方ｆ＝1.0GHzおよび2.0GHzのとき、つ
まり偏向角が最小および最大のときに最大で28％であっ
た。なお本例では、光導波路11の実効屈折率neff＝2.
2、表面弾性波12の伝播速度ｖ＝3500m/sである。

比較例として第５図図示のような光偏向装置を作成し
て、そこにおける導波光の放射損失を調べた。この比較
例において光導波路11、LGC20、21、IDT15、光ビーム13
の波長、およびIDT15に印加する交番電圧の周波数範囲
（すなわち導波光13′の偏向角範囲）は前記実施例にお
けるのと同じであり、一方前述したEOG14は設けない
で、導波光13′がLGC20から直接光学軸に対して81゜の
角度で導波するようにした。この比較例においてLGC20
からLGC21までの間の導波光の放射損失を実測したとこ
ろ、表面弾性波12の周波数ｆ＝1.5GHzのときに最小で47
％、一方ｆ＝1.0GHzおよび2.0GHzのとき、つまり偏向角
が最小および最大のときに最大で52％であった。前記実
施例における導波光の放射損失は、この比較例における
ものと比べると、極めて小さくなっていることが分か
る。

次に本発明の第２実施例について、その平面形状を示す
第６図を参照して説明する。この第２実施例の光偏向装
置40においては、第１のIDT15から発生せられた第１の
表面弾性波12によって回折された導波光13′が、第２の
IDT45から発せられた第２の表面弾性波42によって再度
回折され、それにより広偏向角範囲が得られるようにな
っている。本実施例では、第１の表面弾性波12によって
回折、偏向した導波光13′が光学軸（Ｚ軸）となす角度
は78〜84゜（つまり偏向角範囲は６゜）、第２の表面弾
性波42によって回折、偏向した導波光13′が光学軸とな
す角度は84〜90゜（偏向角範囲は、（90−84）×２＝12
゜）であり、またLGC20で光導波路11内に入射してEOG14
まで進行する導波光13の伝播方向は光学軸に対して84゜
となっており、それに対してEOG14から第１の表面弾性
波12までの間の導波光13′の伝播方向と光学軸とがなす
角度は72゜となっている。したがってこの場合も、EOG1
4を表面弾性波12に対して近接配置すれば、放射損失係
数αが大きくなりがちであるこのEOG14から表面弾性波1
2までの光路部分における導波光の放射損失を低く抑え
ることができる。そしてこの光路部分の前後における導
波光の光路は比較的長くなりがちであるが、それらの光
路の角度が上述のようになっているから該光路部分にお
ける放射損失係数αが小さくなり、全体として導波光の
放射損失を低く抑えることが可能となる。

なお以上説明したEOG14は変調器を兼ねるものである
が、本発明において用いられる光路変換素子としてはそ
のようなものに限らず、単なる回折格子や、あるいは光
導波路に設けられたミラー等が用いられてもよい。また
上述のようなEOGを用いて導波光を光路変換する場合、
そこで回折した光を表面弾性液によって偏向させるとき
は、０次光が迷光となって被走査面上に光ビーム走査範
囲内に入り込まないようにEOGによる回折角を設定する
ことが望ましい。

また以上説明した２つの実施例においては、光路変換素
子に入射する前の導波光の光路、および表面弾性波で回
折した後の導波光の光路の２つが、光路変換素子と表面
弾性波との間の光路と比べると、光導波路光学軸となす
角度がより90゜に近くなるようにして、導波光放射損失
の低減化が図られているが、前述の第４図から明らかな
ように、上記２つの光路の各々と光導波路光学軸とがな
す角度をそれぞれ０゜に近く設定する一方、光路変換素
子と表面弾性波との間の光路（光学軸となす角度は、上
記２つの光路が光学軸となすそれぞれの角度よりも大き
くなる）の長さを短くするようにして、上記と同様に導
波光の放射損失を低減することもできる。

（発明の効果）以上詳細に説明した通り本発明の光偏向装置において
は、表面弾性液に入射する前の導波光の光路を変換する
光路変換素子を設けて、該素子よりも前、および表面弾
性波よりも後の導波光の光路を放射損失が少ない角度と
し、そして上記光路変換素子は表面弾性液に近接配置し
て、放射損失係数が大きくなりやすいこれら両者間の光
路の長さを短くするようにしたから、全体として導波光
の放射損失が極めて低く抑えられる。したがって本装置
においては、低出力で安価な光源を用いることが可能と
なってコストダウンが実現され、またその消費電力を低
減する効果も得られる。

【図面の簡単な説明】

第１、２および３図はそれぞれ、本発明の第１実施例に
よる光偏向装置を示す斜視図と側面図と部分平面図、第４図は本発明に係る光導波路光学軸に対する導波光伝
播角度と、導波光放射損失係数との関係を示すグラフ、第５図は従来の光偏向装置の一例を示す平面図、第６図は本発明の第２実施例による光偏向装置を示す平
面図である。 10、40……光偏向装置、11……光導波路 12、42……表面弾性波、13……光ビーム 13′……光路変換後の導波光 14……光路変換用EOG、15、45……光偏向用IDT 16……基板、17……IDT駆動回路 18……半導体レーザ、20……光入射用回折格子 20……光出射用回折格子、24……EOG駆動回路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光学軸が導波路面内に含まれるように形成
された、表面弾性波が伝播可能な一軸異方性薄膜光導波
路と、この光導波路内に入射されて該光導波路内を導波する光
ビームと交わる方向に進行して、周波数が連続的に変化
する表面弾性波を該光導波路において発生させる手段と
を備えるとともに、前記表面弾性波に入射する前の光ビームの光路を変換す
る光路変換素子が設けられ、この光路変換前の光ビームの光路、および表面弾性波に
よって回折、偏向した後の光ビームの光路と前記光学軸
とがなすそれぞれの角度が、光路変換後表面弾性波に入
射するまでの光ビームの光路と前記光学軸とがなす角度
と比べて、導波光の放射損失がより少ない角度となるよ
うに前記表面弾性波発生手段の表面弾性波発生部と光路
変換素子とが配置され、かつこの光路変換素子が、表面弾性波に対して近接する
ように配置されていることを特徴とする光偏向装置。