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JP2015169741A - Optical deflection element - Google Patents

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JP2015169741A
JP2015169741A JP2014043325A JP2014043325A JP2015169741A JP 2015169741 A JP2015169741 A JP 2015169741A JP 2014043325 A JP2014043325 A JP 2014043325A JP 2014043325 A JP2014043325 A JP 2014043325A JP 2015169741 A JP2015169741 A JP 2015169741A
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Japan
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electrode
core layer
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JP2014043325A
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Japanese (ja)
Inventor
靖 本山
Yasushi Motoyama
靖 本山
芳邦 平野
Yoshikuni Hirano
芳邦 平野
克 田中
Katsu Tanaka
克 田中
菊池 宏
Hiroshi Kikuchi
宏 菊池
清水 直樹
Naoki Shimizu
直樹 清水
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Japan Broadcasting Corp
Original Assignee
Nippon Hoso Kyokai NHK
Japan Broadcasting Corp
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  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical deflection element capable of controlling a progress direction in both directions in plan view to a progress direction of light.SOLUTION: An optical deflection element comprises: a base part electrode; a first clad layer formed on the base part electrode; a core layer laminated on the first clad layer and extending from one end side toward the other end side of the base par electrode in plan view; a second clad layer laminated on the core layer; a first electrode formed in a first area including a side on one end side of the core layer in plan view, among four triangular areas obtained by dividing into four pieces a rectangular area of the base part electrode in plan view with two diagonals, in a second surface opposite to the first surface of the second clad layer which is laminated on the core layer; and a second electrode and third electrode formed on a second area and third area adjacent to the first area in the second surface of the second clad layer. Either between the base part electrode and the first electrode and second electrode, or between the base part electrode and the first electrode and third electrode, voltage is applied. Therefore light incident to the core layer from one end side is deflected and then emitted from the other end side.

Description

本発明は、光偏向素子に関する。   The present invention relates to an optical deflection element.

現在、プロジェクターをはじめとする映像機器、レーザプリンタ、高分解能な共焦点顕微鏡、バーコードリーダ等において、コヒーレント性の高い光を偏向するための光制御素子に対する要求が高まっている。従来から、ポリゴンミラーを回転させる技術、ガルバノミラーにより光の偏向を制御する技術、音響光学効果を利用した光回折技術、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)と呼ばれるマイクロマシン技術が提案されている。   Currently, there is an increasing demand for light control elements for deflecting highly coherent light in projectors and other video equipment, laser printers, high-resolution confocal microscopes, barcode readers, and the like. Conventionally, a technique for rotating a polygon mirror, a technique for controlling light deflection by a galvano mirror, a light diffraction technique using an acoustooptic effect, and a micromachine technique called MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) have been proposed.

さらに近年では、従来の電気光学(EO)結晶LiNbOなどの無機誘電体よりサイズが小さくでき、低電力で100GHzを超える超高速変調を可能とする有機電気光学ポリマー材料の開発が進んでいる(例えば、非特許文献1参照)。 Furthermore, in recent years, organic electro-optic polymer materials that are smaller in size than conventional dielectric materials such as electro-optic (EO) crystal LiNbO 3 and capable of ultra-high-speed modulation exceeding 100 GHz with low power are being developed ( For example, refer nonpatent literature 1).

これらの電気光学材料を用いた光偏向器は、ガルバノミラーやポリゴンミラー、MEMSミラー等と異なり機械的可動部を持たないため、高速の光偏向が可能となり、装置としての物理的な負荷も軽くなるためその実用化が期待されている。   Unlike galvano mirrors, polygon mirrors, MEMS mirrors, etc., optical deflectors using these electro-optic materials do not have mechanically movable parts, enabling high-speed optical deflection and reducing the physical load of the device. Therefore, its practical application is expected.

また、前述した電気光学ポリマー材料を用いた光偏向素子としては、素子の表面を削ってプリズムを形成したものや、非線形光学材料を用いた光デバイスが提案されている(例えば、特許文献1参照)。   In addition, as the optical deflection element using the electro-optic polymer material described above, an element in which the surface of the element is cut to form a prism, or an optical device using a nonlinear optical material has been proposed (for example, see Patent Document 1). ).

特許文献1記載の光デバイスは、基板上に形成された電気光学薄膜をコア層とする光導波路層と、前記光導路層の上部に形成された屈折率制御電極と、前記光導波路層の基板面側に形成された全面電極、これらの電極間に電圧を印加して電気光学材料中に電界を発生させるための駆動電源、および光ビームの入出力手段とを含む。   An optical device described in Patent Document 1 includes an optical waveguide layer having an electro-optic thin film formed on a substrate as a core layer, a refractive index control electrode formed on the optical path layer, and a substrate of the optical waveguide layer A full-surface electrode formed on the surface side, a driving power source for applying a voltage between these electrodes to generate an electric field in the electro-optic material, and a light beam input / output means.

ここで、屈折率制御電極として、たとえば三角形状の電極を形成し、下部基板電極との間に電圧を印加した場合、電極下方の三角柱部分の屈折率が電気光学効果に基づいて変化し、この三角柱部分がプリズムとして働くため、電気光学材料を実際に加工することなく、入射光を偏向することができる。   Here, as a refractive index control electrode, for example, when a triangular electrode is formed and a voltage is applied to the lower substrate electrode, the refractive index of the triangular prism portion below the electrode changes based on the electro-optic effect. Since the triangular prism portion functions as a prism, incident light can be deflected without actually processing the electro-optic material.

情報通信研究機構研究報告Vol. 59 No. 1 (2013)National Institute of Information and Communications Technology Vol. 59 No. 1 (2013)

特開2003−084323号公報JP 2003-084323 A

しかしながら、特許文献1記載の光デバイスは、光の進行方向に対して平面視で片側だけにしか進行方向を制御することができないため、光偏向素子として用いるには制約があり、使い勝手がよくない。   However, since the optical device described in Patent Document 1 can control the traveling direction only on one side in a plan view with respect to the traveling direction of light, there is a limitation in using the optical device as a light deflection element, and the usability is not good. .

そこで、光の進行方向に対して平面視で両方向に進行方向を制御でき、使い勝手の良好な光偏向素子を提供することを目的とする。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a light deflection element that can control the traveling direction in both directions in a plan view with respect to the traveling direction of light, and is easy to use.

本発明の実施の形態の光偏向素子は、矩形状の基部電極と、前記基部電極の一方の面に形成される第1クラッド層と、前記第1クラッド層に積層され、平面視で前記基部電極の一端側から他端側まで伸延するコア層と、前記コア層に積層され、前記第1クラッド層とともに前記コア層を覆う第2クラッド層と、前記第2クラッド層の前記コア層に積層される第1面とは反対の第2面において、平面視で前記基部電極の矩形領域を2本の対角線で4分割して得る4つの三角形の領域のうち、平面視で前記コア層の一端側の辺を含む第1領域内に形成される第1電極と、前記第2クラッド層の前記第2面において、前記4つの三角形の領域のうち、前記第1領域に隣接する第2領域に形成される第2電極と、前記第2クラッド層の前記第2面において、前記4つの三角形の領域のうち、前記第1領域に隣接する第3領域に形成される第3電極とを含み、前記基部電極と前記第1電極及び前記第2電極との間、又は、前記基部電極と前記第1電極及び前記第3電極との間のいずれかに電圧を印加することにより、前記一端側から前記コア層に入射される光を偏向して前記他端側から出射する。   An optical deflection element according to an embodiment of the present invention includes a rectangular base electrode, a first cladding layer formed on one surface of the base electrode, and the first cladding layer stacked on the first cladding layer. A core layer extending from one end side of the electrode to the other end side, a second clad layer that is laminated on the core layer and covers the core layer together with the first clad layer, and a laminated layer on the core layer of the second clad layer One end of the core layer in plan view out of four triangular regions obtained by dividing the rectangular region of the base electrode into four diagonal lines in plan view on the second surface opposite to the first surface A first electrode formed in a first region including a side edge and a second region adjacent to the first region among the four triangular regions on the second surface of the second cladding layer. A second electrode formed on the second surface of the second cladding layer; A third electrode formed in a third region adjacent to the first region among the four triangular regions, and between the base electrode and the first electrode and the second electrode, or By applying a voltage between the base electrode and the first electrode and the third electrode, the light incident on the core layer from the one end side is deflected and emitted from the other end side. To do.

光の進行方向に対して平面視で両方向に進行方向を制御でき、使い勝手の良好な光偏向素子を提供することができる。   The traveling direction can be controlled in both directions in a plan view with respect to the traveling direction of light, and a light deflection element that is easy to use can be provided.

実施の形態の光偏向素子100を示す図である。It is a figure which shows the optical deflection | deviation element 100 of embodiment. 図1に示す光偏向素子100の電極の形状を示す図である。It is a figure which shows the shape of the electrode of the optical deflection | deviation element 100 shown in FIG. 光偏向素子100における偏向の原理を説明する図である。3 is a diagram for explaining the principle of deflection in the optical deflection element 100. FIG. 実施の形態の光偏向素子100における偏向動作のシミュレーション結果を示す図である。It is a figure which shows the simulation result of the deflection | deviation operation | movement in the optical deflection | deviation element 100 of embodiment. 実施の形態の光偏向素子100における、偏向角度の理論値とシミュレーション値との比較結果を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the comparison result of the theoretical value of a deflection angle, and the simulation value in the optical deflection | deviation element 100 of embodiment.

以下、本発明の光偏向素子を適用した実施の形態について説明する。   Hereinafter, embodiments to which the optical deflection element of the present invention is applied will be described.

<実施の形態>
図1は、実施の形態の光偏向素子100を示す図であり、(A)は平面図、(B)は側面図である。図2は、図1に示す光偏向素子100の電極の形状を示す図である。なお、図1及び図2では、共通の直交座標系であるXYZ座標系を用いて説明する。
<Embodiment>
1A and 1B are diagrams showing an optical deflection element 100 according to an embodiment, where FIG. 1A is a plan view and FIG. 1B is a side view. FIG. 2 is a diagram showing the shape of the electrodes of the optical deflection element 100 shown in FIG. 1 and 2, description will be made using an XYZ coordinate system which is a common orthogonal coordinate system.

図1に示すように、光偏向素子100は、基板10、基部電極20、クラッド層30、コア層40、クラッド層50、電極60(61、62、63)を含む。図2(A)には、クラッド層50の上(XY平面上)における電極60(61、62、63)の形状及び位置関係を示し、図2(B)には、基板10の上(XY平面上)における基部電極20の形状を示す。図2(B)は、説明の便宜上、クラッド層30、コア層40、クラッド層50、電極60を取り除いた状態で、XY平面における基板10と基部電極20の位置関係のみを示す図である。   As shown in FIG. 1, the optical deflection element 100 includes a substrate 10, a base electrode 20, a cladding layer 30, a core layer 40, a cladding layer 50, and electrodes 60 (61, 62, 63). 2A shows the shape and positional relationship of the electrodes 60 (61, 62, 63) on the cladding layer 50 (on the XY plane), and FIG. 2B shows the top of the substrate 10 (XY). The shape of the base electrode 20 in the plane) is shown. FIG. 2B is a diagram showing only the positional relationship between the substrate 10 and the base electrode 20 in the XY plane with the clad layer 30, the core layer 40, the clad layer 50, and the electrode 60 removed, for convenience of explanation.

基板10は、例えば、酸化シリコン(SiO2)層を形成したシリコン(Si)ウェハ基板を用いることができる。基板10は、一つの面に基部電極20を形成し易い基板であることが好ましいが、シリコン基板に限られず、例えば、樹脂等の絶縁体製の基板であってもよい。 As the substrate 10, for example, a silicon (Si) wafer substrate on which a silicon oxide (SiO 2 ) layer is formed can be used. The substrate 10 is preferably a substrate on which the base electrode 20 can be easily formed on one surface, but is not limited to a silicon substrate, and may be a substrate made of an insulator such as a resin.

また、ここでは、基板10が平面視(XY面視)で基部電極20、クラッド層30、及びクラッド層50と同一の矩形形状を有し、1つの基板10の上に、1つの光路が形成される形態について説明する。   Further, here, the substrate 10 has the same rectangular shape as the base electrode 20, the cladding layer 30, and the cladding layer 50 in plan view (XY plane view), and one optical path is formed on one substrate 10. The form to be performed will be described.

しかしながら、基板10は、平面視で基部電極20、クラッド層30、及びクラッド層50よりも大きくてもよい。また、一つの基板10の上に、複数組の基部電極20、クラッド層30、コア層40、及びクラッド層50が形成されることにより、複数の光路が形成されてもよい。   However, the substrate 10 may be larger than the base electrode 20, the clad layer 30, and the clad layer 50 in plan view. In addition, a plurality of sets of the base electrode 20, the clad layer 30, the core layer 40, and the clad layer 50 may be formed on the single substrate 10 to form a plurality of optical paths.

基部電極20は、基板10のZ軸正方向側の面(酸化シリコンの表面)の全体に形成される(図2(B)参照)全面電極である。基部電極20は、後述する電極60(61、62、63)に電圧を印加してコア層40の屈折率を制御する際に、基準電位点となる電極である。   The base electrode 20 is a full-surface electrode formed on the entire surface of the substrate 10 on the positive side of the Z-axis (the surface of silicon oxide) (see FIG. 2B). The base electrode 20 is an electrode serving as a reference potential point when a voltage is applied to electrodes 60 (61, 62, 63) described later to control the refractive index of the core layer 40.

基部電極20は、平面視で矩形状であり、図1及び図2には、一例として長方形の基部電極20を示す。基部電極20のX軸方向の幅はW1であり、Y軸方向の長さはLである(図1(A)参照)。   The base electrode 20 has a rectangular shape in plan view, and FIGS. 1 and 2 show a rectangular base electrode 20 as an example. The width of the base electrode 20 in the X-axis direction is W1, and the length in the Y-axis direction is L (see FIG. 1A).

基部電極20は、例えば、基板10の表面に、クロム(Cr)層と金(Au)層を蒸着等で順次形成することによって形成される。クロム層の厚さは、一例として20nmであり、金層の厚さは、一例として200nmである。   The base electrode 20 is formed, for example, by sequentially forming a chromium (Cr) layer and a gold (Au) layer on the surface of the substrate 10 by vapor deposition or the like. The thickness of the chromium layer is 20 nm as an example, and the thickness of the gold layer is 200 nm as an example.

ここでは、基部電極20がクロム層と金層との2層構造である形態について説明するが、基部電極20は、後述する電極60(61、62、63)との間で、クラッド層30、コア層40、及びクラッド層50に電界E(図1(B)参照)を印加できる電極であればよい。このため、基部電極20は、クロム層又は金層による単層の金属電極であってもよく、クロム層と金層以外の金属層によって構成される金属電極であってもよい。   Here, the base electrode 20 will be described in terms of a two-layer structure of a chromium layer and a gold layer. However, the base electrode 20 is disposed between the clad layer 30 and the electrodes 60 (61, 62, 63) described later. Any electrode that can apply an electric field E (see FIG. 1B) to the core layer 40 and the cladding layer 50 may be used. For this reason, the base electrode 20 may be a single-layer metal electrode made of a chromium layer or a gold layer, or may be a metal electrode constituted by a metal layer other than the chromium layer and the gold layer.

クラッド層30は、基部電極20のZ軸正方向側の面に形成される。クラッド層30は、平面視で矩形状であり、平面視のサイズは基部電極20と等しい。このため、クラッド層30のX軸方向の幅はW1であり、Y軸方向の長さはLである。また、クラッド層30の厚さは、一例として0.5μmである。   The cladding layer 30 is formed on the surface of the base electrode 20 on the Z axis positive direction side. The clad layer 30 has a rectangular shape in plan view, and the size in plan view is equal to the base electrode 20. For this reason, the width of the cladding layer 30 in the X-axis direction is W1, and the length in the Y-axis direction is L. Moreover, the thickness of the clad layer 30 is 0.5 μm as an example.

クラッド層30は、コア層40よりも屈折率の低い材料で形成されていればよく、周知のクラッド層用の材料を用いることができる。クラッド層30は、例えば、スピンコート法でクラッド層用の薄膜を作製することにより、基部電極20のZ軸正方向側の面に形成される。   The clad layer 30 only needs to be formed of a material having a lower refractive index than that of the core layer 40, and a known clad layer material can be used. The clad layer 30 is formed on the surface on the positive side of the Z-axis of the base electrode 20 by, for example, producing a thin film for the clad layer by a spin coat method.

コア層40は、クラッド層30のZ軸正方向側の面のうち、クラッド層30の長方形の長手方向の中心軸Cを含む幅W2の領域において、Y軸方向におけるクラッド層30の一端(Y軸負方向側の端部)から他端(Y軸正方向側の端部)まで形成される。このため、コア層40のY軸方向の長さはLであり、幅W2は、基部電極20及びクラッド層30の幅W1の約1/3である。また、コア層40の厚さは、一例として1μmである。   The core layer 40 has one end of the cladding layer 30 in the Y-axis direction (Y) in a region having a width W2 including the central axis C in the longitudinal direction of the cladding layer 30 on the Z-axis positive direction side of the cladding layer 30. It is formed from the end portion on the negative axis direction side) to the other end (end portion on the Y axis positive direction side). Therefore, the length of the core layer 40 in the Y-axis direction is L, and the width W2 is about 3 of the width W1 of the base electrode 20 and the cladding layer 30. Moreover, the thickness of the core layer 40 is 1 micrometer as an example.

コア層40は、電気光学ポリマー材料で構成される。電気光学ポリマー材料としては、例えば、屈折率n = 1.7、電気光学定数r = 150 pm/Vのトリシアノフラン(TCF)を用いることができる。なお、コア層40の材料は、クラッド層30及び50よりも屈折率の高いコア材料であれば、他の材料を用いてもよい。   The core layer 40 is made of an electro-optic polymer material. As the electro-optic polymer material, for example, tricyanofuran (TCF) having a refractive index n = 1.7 and an electro-optic constant r = 150 pm / V can be used. As long as the material of the core layer 40 is a core material having a higher refractive index than the cladding layers 30 and 50, other materials may be used.

コア層40は、クラッド層30及び50により、Z軸正方向側、Z軸負方向側、X軸正方向側、及びX軸負方向側の4側面が覆われる。なお、コア層40は、基部電極20と同一のX軸方向の幅W1を有するように形成されていてもよい。この場合は、クラッド層30及び50のX軸方向の幅をW1よりも広くすればよい。後述するシミュレーションでは、コア層40の幅W2を、基部電極20の幅W1とを等しくする。   The core layer 40 is covered with the cladding layers 30 and 50 on the four side surfaces on the Z-axis positive direction side, the Z-axis negative direction side, the X-axis positive direction side, and the X-axis negative direction side. The core layer 40 may be formed to have the same width W1 in the X-axis direction as that of the base electrode 20. In this case, the width of the cladding layers 30 and 50 in the X-axis direction may be made wider than W1. In the simulation described later, the width W2 of the core layer 40 is made equal to the width W1 of the base electrode 20.

クラッド層50は、コア層40のZ軸正方向側の面に形成される。クラッド層50は、クラッド層30と等しい平面視のサイズを有するため、クラッド層30のZ軸正方向側の面のうち、コア層40が存在しない部分においては、クラッド層30と直接的に接合される。クラッド層50は、例えば、スピンコート法でクラッド層用の薄膜を作製することによって形成される。なお、クラッド層50の厚さは、一例として0.5μmである。   The cladding layer 50 is formed on the surface of the core layer 40 on the Z axis positive direction side. Since the clad layer 50 has the same size in plan view as the clad layer 30, the clad layer 30 is directly bonded to the clad layer 30 in a portion where the core layer 40 does not exist on the surface on the positive side in the Z-axis direction. Is done. The clad layer 50 is formed, for example, by producing a thin film for the clad layer by spin coating. In addition, the thickness of the clad layer 50 is 0.5 μm as an example.

また、上述のような厚さに設定したクラッド層30、コア層40、及びクラッド層50の合計の厚さd(図1(B)参照)は、2μmである。   Further, the total thickness d (see FIG. 1B) of the clad layer 30, the core layer 40, and the clad layer 50 set to the above-described thickness is 2 μm.

電極60は、電極61、62、63に分割されている。電極61、62、63、コア層40の屈折率を制御するための屈折率制御電極である。   The electrode 60 is divided into electrodes 61, 62 and 63. It is a refractive index control electrode for controlling the refractive indexes of the electrodes 61, 62, 63 and the core layer 40.

電極61、62、63は、例えば、クラッド層50のZ軸正方向側の面の一面に、金(Au)層を形成し、不要部分(電極61、62、63が存在しないY軸方向正方向側の三角形の部分)をドライエッチングするとともに、電極61、62、63をレーザ加工等によって分断することによって形成される。なお、電極61、62、63の厚さは、一例として200nmである。   For example, the electrodes 61, 62, and 63 are formed by forming a gold (Au) layer on one surface of the cladding layer 50 on the Z-axis positive direction side and positive portions in the Y-axis direction where the unnecessary portions (the electrodes 61, 62, and 63 do not exist) are formed. It is formed by dry etching the triangular portion on the direction side) and dividing the electrodes 61, 62, 63 by laser processing or the like. In addition, the thickness of the electrodes 61, 62, and 63 is 200 nm as an example.

電極61は、クラッド層50のZ軸正方向側の面において、平面視で基部電極20の矩形領域を2本の対角線で4分割して得る4つの三角形の領域のうち、平面視でコア層40の一端側(X軸負方向側)の辺40A(図1(A)参照)を含む第1領域内に形成される。   The electrode 61 is a core layer in plan view out of four triangular regions obtained by dividing the rectangular region of the base electrode 20 into four diagonal lines in plan view on the surface on the positive side of the Z-axis of the cladding layer 50. 40 is formed in a first region including a side 40A (see FIG. 1A) on one end side (X-axis negative direction side).

電極62は、クラッド層50のZ軸正方向側の面において、4つの三角形の領域のうち、第1領域に隣接する第2領域に形成される。第2領域は、第1領域に対して、Y軸正方向側かつX軸負方向側に位置する領域である。   The electrode 62 is formed in a second region adjacent to the first region among the four triangular regions on the surface of the cladding layer 50 on the positive side in the Z-axis direction. The second region is a region located on the Y axis positive direction side and the X axis negative direction side with respect to the first region.

電極63は、クラッド層50のZ軸正方向側の面において、4つの三角形の領域のうち、第1領域に隣接する第3領域に形成される。第3領域は、第1領域に対して、Y軸正方向側かつX軸正方向側に位置する領域である。   The electrode 63 is formed in a third region adjacent to the first region among the four triangular regions on the surface of the cladding layer 50 on the positive side in the Z-axis direction. The third region is a region located on the Y axis positive direction side and the X axis positive direction side with respect to the first region.

ここで、電極61、62、63と、コア層40とは、中心軸Cに対してY軸に対して線対称に配置されている。   Here, the electrodes 61, 62, 63 and the core layer 40 are arranged symmetrically with respect to the central axis C with respect to the Y axis.

電極61は、中心軸Cを対称軸とする平面視で二等辺三角形の電極である。また、電極62と63は、中心軸Cに対して線対称に配置される平面視で三角形の電極である。   The electrode 61 is an isosceles triangular electrode in plan view with the central axis C as an axis of symmetry. The electrodes 62 and 63 are triangular electrodes arranged in line symmetry with respect to the central axis C in plan view.

そして、電極61と62とを合わせた領域は、幅W1、長さLで、斜辺がXY平面において負の傾きを有する直角三角形であり、電極61と63とを合わせた領域は、幅W1、長さLで、斜辺がXY平面において正の傾きを有する直角三角形である。   The region where the electrodes 61 and 62 are combined is a right triangle having a width W1 and a length L and the hypotenuse has a negative inclination in the XY plane, and the region where the electrodes 61 and 63 are combined is a width W1, It is a right triangle having a length L and a hypotenuse with a positive slope in the XY plane.

以上のような積層体を形成した後に、配向分極処理ならびに熱硬化処理を行うことにより、ポリイミド導波路層としてのコア層40を含む光偏向素子100が完成する。   After forming the laminated body as described above, orientation polarization treatment and thermosetting treatment are performed, whereby the optical deflection element 100 including the core layer 40 as a polyimide waveguide layer is completed.

ここで、図3は、光偏向素子100における偏向の原理を説明する図である。図3では、コア層40に入力された光が図2(A)に示す電極61、62がある領域に入射して偏向する原理について説明する。図3では、電極61と62を合わせて1つの三角形の電極として示す。
まず、クラッド層30、コア層40、及びクラッド層50の合計の厚さdとすると、クラッド層30、コア層40、及びクラッド層50に生じる電界Eは次式(1)で表される。

Figure 2015169741
また、コア層40として用いるトリシアノフランの屈折率をn2とすると、屈折率制御電極(電極61、62)と全面電極(基部電極20)との間に電圧を印加してプリズム部(電極61、62の三角形状に対応するコア層40の一部)に式(1)で表される電界が印加されると、プリズム内のコア層40の屈折率n1は、次式(2)で表される。
Figure 2015169741
また、図3に示すように角度θを定義すると、角度θ1は、次式(3)で表される。
Figure 2015169741
また、図3に示すようにコア層40に光が入力される場合、光の入射方向に対して偏向する角度θは、次式(4)で表される。
Figure 2015169741
図1で、基部電極20に対しVa=Vb、Vc=0Vとすると、プリズム内のコア層40の屈折率n1になり、最終的に入射方向に対して式(4)のθだけ方向が変わる。このとき、加える電圧を変化させれば、出射光の偏向角度θを連続的に制御することができる。 Here, FIG. 3 is a diagram for explaining the principle of deflection in the optical deflection element 100. 3A and 3B, the principle that light input to the core layer 40 enters and deflects into a region where the electrodes 61 and 62 shown in FIG. In FIG. 3, the electrodes 61 and 62 are shown as one triangular electrode.
First, assuming that the total thickness d of the cladding layer 30, the core layer 40, and the cladding layer 50, the electric field E generated in the cladding layer 30, the core layer 40, and the cladding layer 50 is expressed by the following equation (1).
Figure 2015169741
Further, if the refractive index of tricyanofuran used as the core layer 40 is n2, a voltage is applied between the refractive index control electrodes (electrodes 61 and 62) and the entire surface electrode (base electrode 20) to form a prism portion (electrode 61). When the electric field expressed by the formula (1) is applied to a part of the core layer 40 corresponding to the triangular shape of 62, the refractive index n1 of the core layer 40 in the prism is expressed by the following formula (2). Is done.
Figure 2015169741
Moreover, by defining the angle theta 1, as shown in FIG. 3, the angle θ1 is expressed by the following formula (3).
Figure 2015169741
Also, when the light is input to the core layer 40 as shown in FIG. 3, to deflect relative to the direction of light angle theta c is expressed by the following equation (4).
Figure 2015169741
In Figure 1, Va = Vb to the base electrode 20, when Vc = 0V, become refractive index n1 of the core layer 40 of the prism, with respect to the final direction of incidence direction by theta c of the formula (4) change. At this time, if by changing the voltage applied, it is possible to continuously control the deflection angle theta c of the emitted light.

一方、Va=Vc、Vb=0とすると、その中心線に対して、今度は反対側にθだけ方向が変わることになる。Va=Vb=Vc=0の場合は光は直進方向に進む。 On the other hand, when Va = Vc and Vb = 0, the direction changes to θ c on the opposite side with respect to the center line. When Va = Vb = Vc = 0, the light travels in the straight direction.

このように、電圧の加える組み合わせと、大きさで、出射光の偏向を制御できる。   In this way, the deflection of the emitted light can be controlled by the combination of the voltage and the size.

すなわち、電極61、62、63は、電極61と62、又は、電極61と63のいずれかの組み合わせに正電圧を印加することによってコア層40のプリズム部の屈折率を変化させる。   That is, the electrodes 61, 62, and 63 change the refractive index of the prism portion of the core layer 40 by applying a positive voltage to any one of the electrodes 61 and 62 or any combination of the electrodes 61 and 63.

電極61と62に正電圧を印加すると、電極61と62によって規定される平面視で直角三角形の領域内に存在するコア層40の屈折率が変化し、電極61と62によって規定される平面視で直角三角形に対応するプリズムが得られる。   When a positive voltage is applied to the electrodes 61 and 62, the refractive index of the core layer 40 existing in a right triangle region changes in a plan view defined by the electrodes 61 and 62, and the plan view defined by the electrodes 61 and 62. A prism corresponding to a right triangle is obtained.

また、電極61と63に正電圧を印加すると、電極61と63によって規定される平面視で直角三角形の領域内に存在するコア層40の屈折率が変化し、電極61と63によって規定される平面視で直角三角形に対応するプリズムが得られる。   In addition, when a positive voltage is applied to the electrodes 61 and 63, the refractive index of the core layer 40 existing in a right triangle region in plan view defined by the electrodes 61 and 63 changes, and is defined by the electrodes 61 and 63. A prism corresponding to a right triangle in plan view is obtained.

実施の形態の光偏向素子100は、図1(A)に示すように、電極61と基部電極20との間に出力電圧Vaの直流電源71を接続し、電極62と基部電極20との間に出力電圧Vbの直流電源72を接続し、電極63と基部電極20との間に出力電圧Vcの直流電源73を接続する。   As shown in FIG. 1A, the optical deflection element 100 according to the embodiment has a DC power supply 71 connected to the output voltage Va between the electrode 61 and the base electrode 20, and between the electrode 62 and the base electrode 20. Is connected to a DC power source 72 having an output voltage Vb, and a DC power source 73 having an output voltage Vc is connected between the electrode 63 and the base electrode 20.

なお、直流電源71、72、73は、それぞれ、基部電極20に対して、電極61、62、63に正電圧を印加する電源であり、出力電圧Va、Vb、Vcのオン/オフを独立的に切り替えることができる電源である。   The DC power supplies 71, 72, and 73 are power supplies that apply a positive voltage to the electrodes 61, 62, and 63 with respect to the base electrode 20, respectively, and the output voltages Va, Vb, and Vc are turned on / off independently. It is a power supply that can be switched to.

そして、直流電源71及び72をオンにするとともに、直流電源73をオフにすることによって電極61及び62にそれぞれ電圧Va及びVbを印加すると、コア層40の一端側(Y軸負方向側)から入力される光(図1(A)参照)をX軸正方向側に偏向してコア層40の他端側(Y軸正方向側)から出力する。   When the voltages Va and Vb are applied to the electrodes 61 and 62 by turning on the DC power supplies 71 and 72 and turning off the DC power supply 73, respectively, from one end side (Y-axis negative direction side) of the core layer 40. The input light (see FIG. 1A) is deflected to the X axis positive direction side and output from the other end side (Y axis positive direction side) of the core layer 40.

また、直流電源71及び73をオンにするとともに、直流電源72をオフにすることによって電極61及び63にそれぞれ電圧Va及びVcを印加すると、コア層40の一端側(Y軸負方向側)から入力される光(図1(A)参照)をX軸負方向側に偏向してコア層40の他端側(Y軸正方向側)から出力する。   When the voltages Va and Vc are applied to the electrodes 61 and 63 by turning on the DC power supplies 71 and 73 and turning off the DC power supply 72, respectively, from one end side (Y-axis negative direction side) of the core layer 40. The input light (see FIG. 1A) is deflected in the X-axis negative direction side and output from the other end side (Y-axis positive direction side) of the core layer 40.

次に、図4を用いて、シミュレーション結果について説明する。   Next, simulation results will be described with reference to FIG.

図4は、実施の形態の光偏向素子100における偏向動作のシミュレーション結果を示す図である。ここでは、光の偏向角度をθで表す。θは、図1及び図2に示すY軸正方向に対して、時計回りの方向の角度を正の角度として表す。   FIG. 4 is a diagram illustrating a simulation result of the deflection operation in the optical deflection element 100 according to the embodiment. Here, the light deflection angle is represented by θ. θ represents the angle in the clockwise direction with respect to the positive Y-axis direction shown in FIGS. 1 and 2 as a positive angle.

シミュレーション条件では、基部電極20のクロム層、金層の厚さを、それぞれ、20nm、200nm、クラッド層30、50の厚さを0.5μm、コア層40の厚さを1μm、電極61、62、63の厚さを200nmに設定した。   Under the simulation conditions, the chromium layer and the gold layer of the base electrode 20 have thicknesses of 20 nm and 200 nm, the cladding layers 30 and 50 have a thickness of 0.5 μm, the core layer 40 has a thickness of 1 μm, and the electrodes 61 and 62, respectively. 63 is set to 200 nm.

また、基部電極20のX軸方向の幅W1を3μm、長さLを15μm、コア層40の幅W2を基部電極20の幅W1と同一の3μm、クラッド層30、コア層40、及びクラッド層50の合計の厚さdを2μmに設定し、波長800nmのレーザ光をコア層40の一端側から入射した。   Further, the width W1 in the X-axis direction of the base electrode 20 is 3 μm, the length L is 15 μm, the width W2 of the core layer 40 is 3 μm, which is the same as the width W1 of the base electrode 20, the cladding layer 30, the core layer 40, and the cladding layer The total thickness d of 50 was set to 2 μm, and laser light having a wavelength of 800 nm was incident from one end side of the core layer 40.

図4(A)に示すように、電極61、62、63に印加する電圧をすべて0Vにして、コア層40に一端側(Y軸負方向側)から光を入力すると、偏向角度θは0deg.であった。   As shown in FIG. 4A, when all the voltages applied to the electrodes 61, 62, and 63 are set to 0V and light is input to the core layer 40 from one end side (Y-axis negative direction side), the deflection angle θ is 0 °. .Met.

図4(B)に示すように、電極61、62に印加する電圧を70Vにするとともに電極63に印加する電圧を0Vにして、コア層40に一端側(Y軸負方向側)から光を入力すると、偏向角度θは2.2deg.であった。   As shown in FIG. 4B, the voltage applied to the electrodes 61 and 62 is set to 70V, the voltage applied to the electrode 63 is set to 0V, and light is applied to the core layer 40 from one end side (Y-axis negative direction side). When input, the deflection angle θ was 2.2 deg.

図4(C)に示すように、電極61、62に印加する電圧を140Vにするとともに電極63に印加する電圧を0Vにして、コア層40に一端側(Y軸負方向側)から光を入力すると、偏向角度θは5.1deg.であった。   As shown in FIG. 4C, the voltage applied to the electrodes 61 and 62 is set to 140 V and the voltage applied to the electrode 63 is set to 0 V, so that light is applied to the core layer 40 from one end side (Y-axis negative direction side). When input, the deflection angle θ was 5.1 deg.

このように、電極61、62に正電圧を印加し、電極63に電圧を印加しない状態(0Vを印加する状態)では、コア層40に一端側(Y軸負方向側)から入力される光は右方向に偏向されてコア層40の他端側(Y軸正方向側)から出力されることが分かった。   Thus, in a state where a positive voltage is applied to the electrodes 61 and 62 and no voltage is applied to the electrode 63 (a state where 0 V is applied), light input to the core layer 40 from one end side (Y-axis negative direction side). Was deflected rightward and output from the other end side (Y-axis positive direction side) of the core layer 40.

また、電極61、62に印加する電圧を大きくすると、偏向角度が大きくなることが分かった。   It was also found that the deflection angle increases when the voltage applied to the electrodes 61 and 62 is increased.

なお、電極62と63の対称性から、電極61、63に正電圧を印加し、電極62に電圧を印加しない状態(0Vを印加する状態)では、コア層40に一端側(Y軸負方向側)から入力される光は左方向に偏向されてコア層40の他端側(Y軸正方向側)から出力されることと考えられる。   In addition, due to the symmetry of the electrodes 62 and 63, in a state where a positive voltage is applied to the electrodes 61 and 63 and no voltage is applied to the electrode 62 (a state where 0 V is applied), one end side (Y-axis negative direction) is applied to the core layer 40. It is considered that the light input from the side) is deflected leftward and output from the other end side (Y-axis positive direction side) of the core layer 40.

次に、図5を用いて、偏向角度の理論値とシミュレーション値とを比較する。   Next, the theoretical value of the deflection angle and the simulation value are compared using FIG.

図5は、実施の形態の光偏向素子100における、偏向角度の理論値とシミュレーション値との比較結果を示す特性図である。ここで、偏向角度が負の値のものは、図1及び図2におけるY軸正方向に対して反時計回りに偏向される場合の角度を表す。なお、理論値は、図3で説明した屈折率n1、n2、角度θ1を用いて求めた。電極61、62、63を介してコア層40に電界を印加しているときのコア層40の屈折率は、電界の強度に応じて変化するため、図5に示すような理論値の特性が得られた。
図5に示すように、電極61、62、63に印加する電圧値を設定して理論値とシミュレーション値との比較を行った結果、シミュレーション値は理論値と略一致した。
FIG. 5 is a characteristic diagram showing a comparison result between the theoretical value of the deflection angle and the simulation value in the optical deflection element 100 of the embodiment. Here, the value with a negative deflection angle represents the angle when deflecting counterclockwise with respect to the positive Y-axis direction in FIGS. The theoretical value was obtained using the refractive indexes n1 and n2 and the angle θ1 described with reference to FIG. The refractive index of the core layer 40 when an electric field is applied to the core layer 40 through the electrodes 61, 62, and 63 changes according to the strength of the electric field. Therefore, the theoretical characteristics shown in FIG. Obtained.
As shown in FIG. 5, as a result of setting the voltage value applied to the electrodes 61, 62 and 63 and comparing the theoretical value with the simulation value, the simulation value substantially coincided with the theoretical value.

そして、電極61及び62に正電圧を印加するとともに、電極63を0Vに保持すると、偏向角度は正の値を取り、正電圧の増大に伴って略線形的に偏向角度が増大した。   When a positive voltage was applied to the electrodes 61 and 62 and the electrode 63 was held at 0 V, the deflection angle took a positive value, and the deflection angle increased substantially linearly as the positive voltage increased.

また、電極61及び63に正電圧を印加するとともに、電極62を0Vに保持すると、偏向角度は負の値を取り、正電圧の増大に伴って略線形的に偏向角度が(絶対値で)増大した。   Further, when a positive voltage is applied to the electrodes 61 and 63 and the electrode 62 is held at 0 V, the deflection angle takes a negative value, and the deflection angle becomes almost linear (in absolute value) as the positive voltage increases. Increased.

以上より、実施の形態によれば、光線の進行方向に対し、光線方向を、進行方向を中心として両方向に連続的に制御することができ、使い勝手の非常に良好な光偏向素子100を提供することができる。   As described above, according to the embodiment, it is possible to continuously control the light beam direction in both directions with the traveling direction as a center with respect to the traveling direction of the light beam. be able to.

実施の形態の光偏向素子100では、電気光学ポリマー材料などの電気光学固体によって形成されるコア層40の対向する面に形成した少なくとも4つの電極(20、61、62、63)に制御電圧を印加して、電気光学効果により電気光学固体の結晶内の屈折率分布の傾斜を生成することによって、制御電圧により形成される電界に概ね垂直に入射する入射光を偏向させることができる。   In the optical deflecting element 100 of the embodiment, control voltages are applied to at least four electrodes (20, 61, 62, 63) formed on opposing surfaces of the core layer 40 formed of an electro-optic solid such as an electro-optic polymer material. When applied, the gradient of the refractive index distribution in the crystal of the electro-optic solid is generated by the electro-optic effect, so that incident light incident substantially perpendicular to the electric field formed by the control voltage can be deflected.

なお、以上では、電源71、72、73から電極61、62、63に正電圧を印加する形態について説明したが、負電圧を印加してもよい。また、電極20と電極61、62、63との位置を入れ替えてもよい。   In the above description, the positive voltage is applied from the power sources 71, 72, 73 to the electrodes 61, 62, 63. However, a negative voltage may be applied. Further, the positions of the electrode 20 and the electrodes 61, 62, 63 may be interchanged.

また、以上では、1つのコア層40を含む光偏向素子100について説明したが、複数のコア層40を並列に配列するとともに、各コア層に対応した基部電極20と電極61、62、63とを設けることにより、複数のチャンネルで光を伝送する場合において、偏向角度を制御することができる。また、この場合には、基板10及び/又は基部電極20は共通の1つの電極にすることができ、複数のコア層40に対して、共通の1つのクラッド層30及び50を用いてもよい。   In addition, the optical deflection element 100 including one core layer 40 has been described above. However, the plurality of core layers 40 are arranged in parallel, and the base electrode 20 and the electrodes 61, 62, 63 corresponding to the core layers are arranged. By providing this, the deflection angle can be controlled when light is transmitted through a plurality of channels. Further, in this case, the substrate 10 and / or the base electrode 20 can be a common electrode, and one common clad layer 30 and 50 may be used for the plurality of core layers 40. .

実施の形態の光偏向素子100は、ポリゴンミラー、ガルバノミラー、音響光学効果を利用した光回折技術、MEMSミラー等の代わりに、プロジェクターをはじめとする映像機器、レーザプリンタ、高分解能な共焦点顕微鏡、バーコードリーダ等に用いることができる。また、特に、立体映像表示装置に好適である。IP(Integral Photography)立体と呼ばれる立体方式をはじめとする眼鏡のいらない空間像再生型の立体映像表示装置では、光線を緻密かつ多方向に射出して空間像を再現する必要がある。この場合1つの表示画素を1つの方向に割り当てることになるが、自然に見える空間像を再生するには、求められる光線の数が多すぎて、それを実現するのが難しい。実施の形態の光偏向素子100を用いることにより、1つの表示画素から高速に時分割で多方向に光線を射出することが可能となり、立体映像表示装置を製造するための負荷を軽減することができる。
以上、本発明の例示的な実施の形態の光偏向素子について説明したが、本発明は、具体的に開示された実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。
The light deflecting element 100 according to the embodiment is not limited to a polygon mirror, a galvanometer mirror, a light diffraction technique using an acoustooptic effect, a MEMS mirror, or the like. It can be used for a barcode reader or the like. Further, it is particularly suitable for a stereoscopic video display device. In an aerial image reproduction type stereoscopic image display apparatus that does not require glasses, such as a stereoscopic method called IP (Integral Photography) stereoscopic, it is necessary to emit light rays precisely and in multiple directions to reproduce an aerial image. In this case, one display pixel is assigned in one direction. However, in order to reproduce a natural-looking aerial image, it is difficult to realize this because too many light beams are required. By using the light deflection element 100 of the embodiment, it becomes possible to emit light rays from a single display pixel in multiple directions at high speed in a time-sharing manner, and the load for manufacturing a stereoscopic image display device can be reduced. it can.
Although the optical deflecting element of the exemplary embodiment of the present invention has been described above, the present invention is not limited to the specifically disclosed embodiment, and does not depart from the scope of the claims. Various modifications and changes are possible.

100 光偏向素子
10 基板
20 基部電極
30 クラッド層
40 コア層
50 クラッド層
60、61、62、63 電極
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Optical deflection element 10 Board | substrate 20 Base electrode 30 Clad layer 40 Core layer 50 Clad layer 60, 61, 62, 63 Electrode

Claims (5)

矩形状の基部電極と、
前記基部電極の一方の面に形成される第1クラッド層と、
前記第1クラッド層に積層され、平面視で前記基部電極の一端側から他端側まで伸延するコア層と、
前記コア層に積層され、前記第1クラッド層とともに前記コア層を覆う第2クラッド層と、
前記第2クラッド層の前記コア層に積層される第1面とは反対の第2面において、平面視で前記基部電極の矩形領域を2本の対角線で4分割して得る4つの三角形の領域のうち、平面視で前記コア層の一端側の辺を含む第1領域内に形成される第1電極と、
前記第2クラッド層の前記第2面において、前記4つの三角形の領域のうち、前記第1領域に隣接する第2領域に形成される第2電極と、
前記第2クラッド層の前記第2面において、前記4つの三角形の領域のうち、前記第1領域に隣接する第3領域に形成される第3電極と
を含み、
前記基部電極と前記第1電極及び前記第2電極との間、又は、前記基部電極と前記第1電極及び前記第3電極との間のいずれかに電圧を印加することにより、前記一端側から前記コア層に入射される光を偏向して前記他端側から出射する、光偏向素子。
A rectangular base electrode;
A first cladding layer formed on one surface of the base electrode;
A core layer stacked on the first cladding layer and extending from one end side to the other end side of the base electrode in plan view;
A second cladding layer laminated on the core layer and covering the core layer together with the first cladding layer;
Four triangular regions obtained by dividing the rectangular region of the base electrode into two diagonal lines in plan view on the second surface of the second cladding layer opposite to the first surface laminated on the core layer A first electrode formed in a first region including a side on one end side of the core layer in plan view,
A second electrode formed in a second region adjacent to the first region of the four triangular regions on the second surface of the second cladding layer;
A third electrode formed in a third region adjacent to the first region of the four triangular regions on the second surface of the second cladding layer; and
By applying a voltage between the base electrode and the first electrode and the second electrode, or between the base electrode and the first electrode and the third electrode, from the one end side An optical deflecting element that deflects light incident on the core layer and emits the light from the other end side.
前記第1電極は、平面視で、前記基部電極の矩形領域の前記一端側から前記他端側に伸延する中心軸上に位置する頂点を有し、前記第1領域内に形成される二等辺三角形の電極である、請求項1記載の光偏向素子。   The first electrode has an apex located on a central axis extending from the one end side to the other end side of the rectangular region of the base electrode in a plan view, and isosceles formed in the first region The light deflection element according to claim 1, wherein the light deflection element is a triangular electrode. 前記第2電極及び前記第3電極は、それぞれ、平面視で、前記第2領域及び前記第3領域の内部に形成される、三角形の電極である、請求項1又は2記載の光偏向素子。   3. The optical deflection element according to claim 1, wherein the second electrode and the third electrode are triangular electrodes formed in the second region and the third region, respectively, in plan view. 前記コア層は、電気光学ポリマー材料で形成される、請求項1乃至3のいずれか一項記載の光偏向素子。   The optical deflection element according to claim 1, wherein the core layer is formed of an electro-optic polymer material. 基板をさらに含み、
前記基部電極は、前記基板の一方の面に形成される、請求項1乃至3のいずれか一項記載の光偏向素子。
Further comprising a substrate,
The optical deflection element according to claim 1, wherein the base electrode is formed on one surface of the substrate.
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