DE68911156T2

DE68911156T2 - Optische Baueinheit mit elektrooptischen Kristallelementen.

Info

Publication number: DE68911156T2
Application number: DE68911156T
Authority: DE
Inventors: Shogo Kawaguchi; Yoshinari Kozuka
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1988-01-14
Filing date: 1989-01-12
Publication date: 1994-06-01
Anticipated expiration: 2009-01-13
Also published as: EP0324611A2; EP0324611A3; DE68911156D1; JPH0576015B2; US4976517A; JPH01182824A; EP0324611B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine optische Einheit, bei der Kristalle mit einem pyroelektrischen Effekt und einem elektrooptischen Effekt eingesetzt werden, und im spezielleren eine solche optische Einheit, die für optische Vorrichtungen wie einen optischen Modulator und einen optischen Spannungssensor verwendet wird.

Erörterung des Standes der Technik

Es sind optische Vorrichtungen wie optische Modulatoren und optische Spannungssensoren bekannt, bei denen (ein) elektrooptische(r) Kristall oder Kristalle wie Lithiumniobat (LiNbO&sub3;) mit einem elektrooptischen Effekt eingesetzt wird/werden. Derartige optische Vorrichtungen mit einem elektrooptischen Effekt weiser ein allgemein anerkanntes Merkmal auf, nämlich daß als Ausgangsgrößen der Vorrichtungen erzeugte optische Signale elektrisch isoliert sind und es weniger wahrscheinlich ist, daß sie während ihrer Übertragung durch eine optische Signalleitung durch statische oder elektromagnetische Induktion beeinflußt werden. Der elektrooptische Effekt wird so interpretiert, daß damit ein Phänomen gemeint ist, bei dem der Brechungsindex eines elektrooptischen Elements mit einer an das Element angelegten Spannung geändert wird. Die optischen Vorrichtungen sind so ausgebildet, daß sie optische Modulation oder Spannungsmessung bewirken, wobei dieses Phänomen ausgenutzt wird.
Als ein Beispiel für eine optische Einheit, bei der ein solcher elektrooptischer Effekt eingesetzt wird, ist ein optischer Spannungssensor, wie in Fig. 1 gezeigt, bekannt, der umfaßt: eine Lichtquelle 1; einen Lichtleiter 2; einen elektrooptischen Kristall 3 wie einen Kristall aus LiNbO&sub3;; einen Polarisationsfilter 4a; einen Analysator 4b; eine Viertel(1/4)-Wellenplatte 5; Stablinsen 6; eine Ermittlungsschaltung 7 mit einem Photodetektor zur Umwandlung eines optischen Signals in ein elektrisches Signal und eine Schaltung zum elektrischen Teilen einer Wechselspannung in eine Gleichspannung; und ein Paar Elektroden 8, die auf gegenuberliegenden Flächen eines elektrooptischen Kristalls 3 ausgebildet sind. Die optischen Elemente 3-6 sind durch geeignete Mittel wie Klebemassen 9 direkt an einer Oberfläche eines geeigneten Substrats 10 befestigt, wodurch ein Sensorkopf gebildet wird.
Wenn als elektrooptischer Kristall 3 ein Pockel-Element wie ein Kristall aus LiNbO&sub3; verwendet wird, breitet sich ein durch die Lichtquelle 1 erzeugter Lichtstrahl durch den Polarisationsfilter 4a aus und wird dadurch linear polarisiert. Der linear polarisierte Strahl breitet sich dann durch den elektrooptischen Kristall 3 aus und wird dadurch elliptisch polarisiert. Der elliptisch polarisierte Strahl wird durch die Viertelwellenplatte 5 und den Analysator 4b geschickt. Das Ausmaß des vom Sensorkopf ausgesandten Lichtstrahls wird durch die Eliptizität des elliptisch polarisierten Strahls bestimmt, der vom elektrooptischen Kristall 3 ausgesandt wird, welche Elliptizität verändert wird, wenn eine Spannung zwischen den auf dem elektrooptischen Kristall 3 ausgebildeten Elektroden 8 angelegt wird. Folglich kann die auf den elektrooptischen Kristall 3 angelegte Spannung gemessen werden, indem das Ausmaß des vom Sensorkopf erzeugten elliptisch polarisierten Strahls ermittelt wird.
Wenn ein Kristall wie LiNbO&sub3; oder LiTaO&sub3; mit einem pyroelektrischen Effekt als elektrooptischer Kristall 3 mit einem elektrooptischen Effekt verwendet wird, wurde erkannt, daß die Ausgangsgröße des elektrooptischen Kristalls 3, der als ein optisches Element der optischen Einheit wie oben angeführt verwendet wird, dazu neigt, aufgrund einer Schwankung der Umgebungstemperatur zu schwanken.
Im Lichte des obigen Probleme schlägt die offengelegte Veröffentlichung Nr. 57-196166 der ungeprüften japanischen Patentanmeldung das Vorsehen eines Paares elektrisch leitender Filme vor, die auf zwei Z-Flächen des elektrooptischen Kristalls ausgebildet sind, die einander in der Richtung der Z-Achse des Kristalls gegenüberliegen. Die beiden leitenden Filme sind elektrisch miteinander verbunden, sodaß auf den beiden Z-Flächen des elektrooptischen Kristalls erzeugte elektrische Ladungen entladen werden, um ein elektrisches Feld autgrund der elektrischen Ladungen zu vermeiden und dadurch einen resultierenden Meßfehler der optischen Einheit auszuschalten.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine optische Einheit mit einem elektrooptischen Effekt zu schaffen, die auch bei einer vorhandenen Schwankung der Umgebungstemperatur gleichbleibende Arbeitseigenschaften aufweist, und zwar durch eine Anordnung, die sich von der in der oben angeführten offengelegten Veröffentlichung vorgeschlagenen ziemlich unterscheidet, um elektrische Ladungen eines elektrooptischen Kristalls aufgrund von Umgebungstemperaturschwankung zu verhindern.
Gemäß dem Prinzip der vorliegenden Erfindung wird eine elektrooptische Einheit, wie in Anspruch 1 dargelegt, geschaffen. Bei der vorliegenden Anordnung wird die elektrisch Ladung, die auf jeder der ersten polarisierten Flächen des ersten Kristallelements erzeugt wird, durch die entgegengesetzte elektrische Ladung entladen, die auf der entsprechenden der zweiten polarisierten Flächen des zweiten Kristallelements erzeugt wird.
Eine gründliche Untersuchung einer Schwankung oder Fluktuation der Eigenschaften eines optischen Elements, das aus einem elektrooptischen Kristall besteht, weist darauf hin, daß ein solches Phänomen auftritt, wenn die Umgebungstemperatur des optischen Elements steigt und fällt, und daß die Fluktuation oder Instabilität der Eigenschaften des Elements verringert wird, wenn die Umgebungstemperaturänderung in einer relativ niedrigen Rate stattfindet.
Es wird angenommen, daß das obige Phänomen, d.h. ein Fehler in einer optischen Ausgangsgröbe des elektrooptischen Kristalls, durch eine Schwankung der Spannung zwischen den entgegengesetzt polarisierten Flächen des Kristalls nach dem Ändern der Umgebungstemperatur verursacht wird, nämlich aufgrund der positiven und negativen elektrischen Ladungen, die auf den polarisierten Flächen erzeugt werden, die ein elektrisches Feld erzeugen, das sich von einem nominalen elektrischen Feld unterscheidet, dem der elektrooptische Kristall zur Messung eines elektrischen Signals oder Parameters ausgesetzt ist.
Das obige Problem ist gemäb vorliegender Erfindung gelöst worden, bei der zusätzlich zum herkömmlicherweise vorgesehenen ersten elektrooptischen Kristall ein zweiter elektrooptischer Kristall oder ein Kristallelement eingesetzt wird. Die zweiten polarisierten Flächen des zweiten Kristalls oder Kristallelements sind elektrisch mit den entsprechenden ersten polarisierten Flächen des ersten Kristalls verbunden, sodaß die elektrisch verbundenen entsprechenden ersten und zweiten polarisierten Flächen des ersten und des zweiten Kristalls elektrische Ladungen aufweisen, deren Polaritäten einander entgegengesetzt sind. Daher werden die auf den entsprechenden ersten und zweiten polarisierten Flächen erzeugten elektrischen Ladungen miteinander wirksam entladen.
Jedes der ersten und zweiten elektrooptischen Kristallelemente, die gemäß vorliegender Erfindung verwendet werden, besteht aus einem Kristall oder einem Abschnitt eines Kristalls, wie LiNbO&sub3; oder LiTaO&sub3;, das einen pyroelektrischen Effekt sowie einen elektrooptischen Effekt aufweist.
Um die Fluktuation der Arbeitseigenschaften der vorliegenden optischen Einheit zu minimieren, im spezielleren die Arbeitseigenschaften des ersten elektrooptischen Kristallelements, ist es sicherlich wUnschenswert, daß die Ausmaße der positiven und negativen elektrischen Ladungen, die auf den entsprechenden ersten und zweiten polarisierten Flächen der beiden Kristallelemente aufgrund der schwankenden Umgebungstemperatur erzeugt werden, im wesentlichen gleich sind, sodaß die positven und negativen Ladungen beinahe entladen werden, um ein unerwtinschtes elektrisches Feld auszuschalten. Zu diesem Zweck wird bevorzugt, daß das erste und das zweite Kristallelement relativ angrenzend aneinander angeordnet sind, sodaß die beiden Elemente der gleichen Umgebungstemperatur unterworfen sind.
Im speziellen wird bevorzugt, daß das erste und das zweite elektrooptische Kristallelement aus dem gleichen Material gebildet sind und daß die ersten polarisierten Flächen des ersten Kristallelements die gleichen Oberflächen wie die zweiten polarisierten Flächen der zweiten Kristallelemente aufweisen, sodaß die Beträge der elektrischen Ladungen, die auf diesen ersten und zweiten polarisierten Flächen auf die Änderung der Umgebungstemperatur hin erzeugt werden, im wesentlichen gleich sind.
Beispielsweise kann die elektrische Verbindung des ersten und des zweiten elektrooptischen Kristallelements folgendermaßen bewirkt werden: Zunächst werden das erste und das zweite elektrooptische Kristallelement miteinander in gegenseitig überlagernder Beziehung miteinander verbunden, sodaß die Polarität der elektrischen Ladung auf einer der gegenüberliegenden ersten polarisierten Flächen des ersten Kristallelements jener auf der entsprechenden der gegenüberliegenden zweiten polarisierten Flächen des zweiten Kristallelements entgegengesetzt ist, welche entsprechende zweite polarisierte Fläche auf der gleichen Seite der verbundenen Anordnung des ersten und des zweiten Kristallelements angeordnet ist wie die oben angeführte erste polarisierte Fläche. Dann wird ein elektrisch leitender Film auf jeder der gegenüberliegenden Oberflächen der verbundenen Anordnung ausgebildet, die die entsprechenden ersten und zweiten polarisierten Flächen umfaßt, sodaß diese ersten und zweiten polarisierten Flächen durch den darauf ausgebildeten leitenden Film elektrisch miteinander verbunden sind.
Die vorliegende optische Einheit, die das erste und das zweite elektrooptische Kristallelement enthält, kann geeigneterweise für verschiedene Anwendungen verwendet werden, beispielsweise als elektrooptische Elemente für optische Modulatoren zur optischen Kommunikation, für optische Spannungssensoren mit hoher Signalisolationsverläßlichkeit und für SHG (Erzeugung der zweiten Harmonischen).

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die obigen und wahlweisen Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch das Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung besser verstanden werden, wenn sie in Verbindung mit den beileigenden Zeichnungen betrachtet wird, in denen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht ist, die eine Anordnung eines Beispiels eines optischen Spannungssensors zeigt, bei dem bekannte optische Elemente verwendet werden;
Fig. 2 eine schematische Ansicht ist, die eine Anordnung eines Beispiels eines optischen Spannungssensors zeigt, bei dem optische Elemente gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet werden;
die Figuren 3 und 4 Aufrisse andere Ausführungsformen der erfindungsgemäßen optischen Elemente sind;
die Figuren 5(a) und 6(a) Graphen sind, die die Ausgangsgrößen der optischen Spannungssensoren der Figuren 1 und 2 angeben, die bei Versuchen von Beispiel 1 erzeugt wurden; und
die Figuren 5(b) und 6(b) Graphen sind, welche Temperaturschwankungen der optischen Spannungssensoren zeigen.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Zunächst auf Fig. 2 bezugnehmend wird ein Beispiel für einen optischen Spannungssenor dargestellt, bei dem optische Elemente verwendet werden, die wie oben beschrieben elektrisch verbunden sind. Bei diesem optischen Spannungssensor werden Kristalle aus LiNbO&sub3; als erster und zweiter elektrooptischer Kristall 3, 12 verwendet, die in die Richtung ihrer Z-Achsen (C-Achsen) polarisiert sind. Der erste und der zweite elektrooptische Kristall 3, 12 sind so aneinandergefügt, daß die Richtung der Z-Achse des zweiten Kristalls 12, der vom ersten Kristall 3 überlagert wird, der Richtung der Z-Achse des ersten Kristalls 3 entgegengesetzt ist. Zwei Flächen des so verbundenen Kristallkörpers, die einander in der Richtung der Z-Achsen der Kristalle 3, 12 gegenüberliegen, stellen ein Paar polarisierter Oberflächen dar. Auf jeder dieser beider polarisierten Oberflächen ist die Polarität einer elektrischen Ladung, die auf einem ersten Teil 3a, 3b erzeugt wird, der aus dem ersten elektrooptischen Kristall 3 besteht, jener einer elektrischen Ladung entgegesetzt, die auf einem zweiten Teil 12a, 12b erzeugt wird, der aus dem zweiten elektrooptischen Kristall 12 besteht. Der erste Teil 3a, 3b des ersten Kristalls 3 ist durch einen elektrisch leitenden Film 11 elektrisch mit dem zweiten Teil 12a, 12b des zweiten Kristalls 12 verbunden. Somit umfabt der vorliegende optische Spannungssensor einen Kristallkörper, der aus den aneinandergefügten ersten und zweiten elektrooptischen Kristallen 3, 12 besteht, deren gegenüberliegende Z-Achsen-Flächen 3a, 12b, 3b, 12a von den jeweiligen elektrisch leitenden Filmen 11, 11 bedeckt sind. Der Kristallkörper 3, 12 ist durch einen geeigneten Kleber 9, wie in Fig. 2 angegeben, direkt an ein geeignetes Substrat 10 in Position befestigt, wodurch ein optischer Sensorkopf gebildet wird.
Da die anderen Elemente des vorliegenden optischen Sensors von Fig. 2 mit jenen des Sensors von Fig. 1 identisch sind, wird auf eine doppelte Beschreibung dieser Elemente hierin verzichtet, und stattdessen werden in diesen beiden Figuren die gleichen Bezugszahlen verwendet, um identische Elemente zu kennzeichnen.
Beim vorliegenden Beispiel von Fig. 2 ist der Kristallkörper 3, 12 so angeordnet, daß das obengenannte Paar polarisierter Oberflächen des Kristallkörpers 3, 12 einander in der Ausbreitungsrichtung eines Lichtstrahls gegenüberliegen, sodaß der Lichtstrahl sich durch die ersten Teile 3a, 3b der polarisierten Oberflächen des Kristallkörpers ausbreitet, die vom ersten elektrooptischen Kristall 3 geschaffen werden. Folglich sind die elektrisch leitenden Filme 11 vorzugsweise aus einem lichtdurchlässigen elektrisch leitenden Material, wie InO&sub2;, SnO&sub2;, Al oder Au gebildet.
Die Eigenschaften oder Merkmale eines elektrooptischen Kristall werden mit der Größe einer darauf ausgeübten Spannung merklich verändert. Gemäß einem herkömmlich praktizierten Verfahren zum Befestigen eines elektrooptischen Kristalls an einem Subsrat wird aufgrund einer Differenz im Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem Kristall und dem Substrat eine Spannung auf den elektrooptischen Kristall ausgeübt, wenn die Umgebungstemperatur sich ändert. Daher werden die Merkmale des elektrooptischen Kristalls der herkömmlichen optischen Einheit aufgrund einer Anderung der Umgebungstemperatur verändert. Dieser üblicherweise entstandene Nachteil tritt beim vorliegenden optischen Spannungssensor von Fig. 2 nicht auf, da der erste elektrooptische Kristall 3, durch den sich der Lichtstrahl ausbreitet, vom zweiten elektrooptischen Kristall 12 getragen wird, der nicht im optischen Weg des Sensors angeordnet ist. Während der zweite elektrooptische Kristall 12, der durch den Kleber 9 am Substrat 10 befestigt ist, einer Spannung aufgrund seiner Differenz im Wärmeausdehnungskoeffizienten bezogen auf das Substrat bei Änderung der Umgebungstemperatur unterworfen ist, wird die Spannung nicht wesentlich auf den ersten elektrooptischen Kristall 3 übertragen. Folglich weist der erste Kristall 3 bei der schwankenden Umgebungstemperatur des Sensors relativ gleichbleibende oder stabile Arbeitseigenschaften auf.
Die Art der elektrischen Verbindung des ersten und des zweiten elektrooptischen Kristalls 3, 12 ist nicht auf die oben beschriebene beschränkt. Beispielsweise können der erste und der zweite Kristall 3, 12 wie in Fig. 3 dargestellt elektrisch verbunden sein, worin die ersten Teile 3a, 3b der polarisierten Oberflächen, die der erste Kristall 3 aufweist, durch jeweilige erste elektrisch leitende Filme 11a, 11a bedeckt sind, während die zweiten Teile 12a, 12b der polarisierten Oberflächen, die der zweite Kristall 12 aufweist, durch jeweilige zweite elektrisch leitende Filme 11b, 11b bedeckt sind. Der erste und der zweite Kristall 3, 12 mit den Filmen 11a, 11b werden in der Foige durch einen geeigneten Kleber 13, wie ein Kunstharz, aneinandergefügt, sodaß die Polarität einer elektrischen Ladung auf dem ersten Teil 3a, 3b einer jeden polarisierten Oberfläche des Kristallkörpers 3, 12 jener einer elektrischen Ladung auf dem zweiten Teil 12a, 12b entgegengesetzt ist, nämlich sodaÜ die Richtugnen der Z-Achsen des ersten und des zweiten Kristalls 3, 12 einander entgegengesetzt sind. Dann werden die Filme 11a, 11b auf einer der entgegengesetzt polarisierten Oberflächen des Kristallkörpers 3, 12 durch ein elektrisch leitendes Kurzschlußmaterial 14 elektrisch verbunden, das dem Material der Filme 11a, 11b ähnlich ist. Auf ähnliche Weise werden die Filme 11a, 11b auf der anderen polarisierten Oberfläche des Kristallkörpers 3, 12 durch ein weiteres elektrisch leitendes Kurzschlußmaterial 14 elektrisch verbunden.
Das heißt, die ersten und zweiten Teile 3a, 12a, 3b, 12b einer jeden der entgegengesetzt polarisierten Oberflächen des Kristallkörpers 3, 12 können auf jede geeignete Art elektrisch verbunden werden, welche ersten und zweiten Teile der erste bzw. der zweite elektrooptische Kristall 3, 12 aufweist.
Weiters können der erste und der zweite elektrooptische Kristall in einer Beziehung im Abstand zueinander angeordnet sein, und ihre ersten und zweiten Teile 3a und 12a, 3b und 12b der polarisierten Oberflächen sind durch geeignete leitende Drähte oder andere Leiter elektrisch verbunden, sodaß die ersten und zweiten Teile die gleiche Fläche aufweisen. Solche elektrischen Verbindungen der polarisierten Oberflächen durch die Verwendung von Leitern sind auf eine integrierte Anordnung anwendbar, die eine Vielzahl von Sensorköpfen aufweist, wobei andere elektrooptische Kristalle als die oben beschriebenen ersten und zweiten Kristalle 3, 12 verwendet werden.
Zwar besteht sowohl der erste als auch der zweite elektrooptische Kristall 3, 12 aus einem einzelnen Kristall, es ist aber möglich, einen einzelnen Kristall mit ferroelektrischen Bereichen zu verwenden, die jeweils gegenüberliegende Flächen aufweisen, die im wesentlichen die gleiche Oberfläche aufweisen und deren Polaritäten elektrischer Ladungen einander entgegengesetzt sind. Beispielsweise kann ein elektrooptischer Kristall 15, wie in Fig. 4 gezeigt, verwendet werden, um zwei elektrooptische Kristallelemente zu schaffen, deren entgegengesetzt polarisierte Oberflächen elektrisch verbunden sind.
Im spezielleren beschrieben ist der in Fig. 4 gezeigte elektrooptische Kristall 15 ein Einzelkristall, der aus zwei gleichen Teilen oder Hälften 15a, 15b besteht, die funktionell durch eine Bereichsgrenze 16 geteilt sind, wobei die erste und die zweite Hälfte 15a, 15b funktionell dem ersten und dem zweiten Kristall 3, 12 der vorhergehenden Beispiele der Figuren 2 bzw. 3 entsprechen. Dieser einstückige Kristall 15 ist so ausgebildet, daß die Richtung der Z-Achse der ersten Hälfte 15a jener der zweiten Hälfte 15b entgegengesetzt ist, sodaß die ersten und zweiten Teile 15a' und 15b", 15a' und 15b' auf derselben polarisierten Oberfläche des Kristalls 15 die entgegengesetzten Polaritäten der elektrischen Ladungen aufweisen und durch den elektrisch leitenden Film 11 elektrisch verbunden sind, der auf jeder polarisierten Oberfläche des Kristalls 15 ausgebildet ist, wie in den vorhergehenden Beispielen. Auf gegenüberliegenden Flächen der ersten Hälfte 15a des Kristalls 15, senkrecht zu den polarisierten Oberflächen 15a', 15a", 15b', 15b", ist ein Paar Elektroden 8, 8 ausgebildet, sodaß der durch die erste Hälfte 15a hindurchgehende Lichtstrahl einem von den Elektroden 8, 8 erzeugten elektrischen Feld unterworfen ist.
Bei der vorliegenden Anordnung, bei der der einzelne elektrooptische Kristall 15 mit der ersten und der zweiten Hälfte 15a, 15b verwendet wird, können die beiden elektrooptischen Kristallelemente oder ferroelektrischen Breiche 15a, 15b an den polarisierten Oberflächen leicht elektrisch verbunden werden, indem einfach die elektrisch leitenden Filme 11, 11 auf den entgegengesetzt polarisierten Oberflächen des Kristalls 15 ausgebildet werden. So wird das Verfahren des elektrischen Verbindens vereinfacht.

BEISPIELE

Um das Konzept der vorliegenden Erfindung weiter zu klären, werden zur Zeit bevorzugte Beispiele der Erfindung im speziellen beschrieben. Es ist jedoch offensichtlich, daß die Erfindung nicht auf die Details dieser Beispiele beschränkt ist.

Beispiel 1

Als ein Vergleichsbeispiel wurde der optische Spannungssensor von Fig. 1 hergestellt, wobei ein LiNbO&sub3;-Kristall als der elektrooptische Kristall 3 mit einem pyroelektrischen Effekt verwendet wurde. Der LiNbO&sub3;-Kristall 3 mit dem pyroelektrischen Effekt ist in die Richtung der Z-Achse polarisiert, sodaß elektrische Ladungen auf gegenüberliegenden Z-Achsen-Flächen oder Z-Ebenen erzeugt werden, die einander in der Z-Achsen-Richtung entgegengesetzt sind. Der Kristall 3 hat die Abmessungen 2 mm x 5 mm x 4 mm (Z-Achsen-Abmessung = 5 mm)., und gegenüberliegende X-Achsen-Flächen oder X-Ebenen mit 5 mm x 4 mm. Die Elektroden 8 wruden auf den X-Ebenen ausgebildet. Die diesen Kristall 3 umfassenden optischen Elemente 3-6 wurden mit einem Harzkleber an das Keramiksubstrat 10 gebunden. Die Kristalle 3 wurden so angeordnet, daß ein Lichtstrahl durch den Kristall 3 sich in der Z-Achsen-Richtung ausbreitet. So wurde der optische Spannungssensorkopf hergestellt.
Um den Spannungssensor auf die Temperatureigenschaften zu testen, wurde der Sensorkopf in einem Thermostat angeordnet, und die Ausgangsgrößen des Sensors wurden bei verschiedenen Temperaturen gemessen, wobei an die Elektroden 8 des elektrooptischen Kristalls 3 60V angelegt wurden. Die Ausgangsgröße des Sensors war im wesentlichen konstant (die Ausgangsgrößenschwankung lag innerhalb von ± 0,2%), während die Temperatur im Thermostat 25ºC betrug. Jedoch wies der Spannungssensor eine beträchtliche unregelmäßige Schwankung von mehr als 10% in der Ausgangshöhe auf, wenn die Thermostattemperatur mit einer Rate von 1ºC/min von 25ºC auf 40ºC erhöht wurde. Die Ausgangshöhe des Sensors war stabilisiert (die Ausgangsgrößenschwankung lag innerhalb von ± 0,2%), während die Thermnstattemperatur bei 40ºC gehalten wurde. Die Thermostattemperatur wurde daraufhin auf 25ºC gesenkt, um die Ausgangsgrößenschwankung des Sensors zu überprufen. Bei diesem Temperaturverringerungsvorgang gab es eine beträchtliche Fluktuation des Sensorausgangs (die Ausgangsgrößenschwankung war höher als 10%). Die Ausgangshdhe des Spannungssensor wurde auf einem Aufzeichnungsgerät aufgezeichnet. Die Aufzeichnung wird im Graph von Fig. 5(a) gezeigt, und die Temperaturänderung innerhalb des Thermostats wird im Graph von Fig. 5(b) gezeigt. Aus diesen Graphen wird verstanden werden, daß die Schwankung der Sensorausgangsgröße während des Temperaturanstiegs bezogen auf jene während des Temperaturabfalls eine umgekehrte Tendenz aufwies.
Der optische Spannungssensor von Fig. 2 wurde hergestellt, indem zwei LiNbO&sub3;-Kristalle mit den gleichen Abmessungen 2 mm x 5 mm x 4 mm verwendet wurden. Die beiden LiNbO&sub3;-Kristalle wurden an den 2 mm x 5 mm-Flächen oder -Ebenen mit einem Epoxyharz miteinander verbunden, sodaß die Richtung der Z-Achse eines der beiden Kristalle der Richtung der Z-Achse des anderen Kristalls entgegengesetzt war. Dann wurden die transparenten, elektrisch leitenden Filme 11, 11 aus InO&sub2; auf den gegenüberliegenden Z-Ebenen der beiden Kristalle ausgebildet, wodurch die Z-Ebenen der beiden Kristalle elektrisch verbunden wurden. Die aneinandergefügte Kristallanordnung wurde am unteren Kristall mit einem Harzkleber an das Substrat 10 gebunden, sodaß ein Lichtstrahl durch den oberen Kristall ausgebreitet wird. So wurde der optische Spannungssensorkopf hergestellt.
Wie im Fall des Sensorkopfs von Fig. 1 wurde der so hergestellte Sensorkopf im Thermostat angebracht, und an die Elektroden 8 wurden 60V angelegt, um den Spannungssensor von Fig. 2 auf die Temperatureigenschaften zu testen. Die Sensorausgangsgröße war im wesentlichen konstant (Ausgangsgrößenschwankung innerhalb von ± 0,2%), während die Thermostattemperatur bei 25ºC gehalten wurde. Die Ausgangsgrößenschwankung wurde innerhalb von ± 0,2% gehalten, auch wenn die Thermostattemperatur mit einer Rate von 1ºC/min von 25ºC auf 40ºC erhöht wurde. Weiters wurde festgestellt, daß auch die Sensorausgangsgröße während des Temperaturabfalls stabil war (Ausgangsgrößenschwankung innerhalb von ± 0,2%). Die Ausgangsgröße des vorliegenden Spannungssensors wird im Graph von Fig. 6(a) gezeigt, und die Temperaturänderung wird in Fig. 6(b) gezeigt.
Die beiden optischen Spannungssensoren der Figuren 1 und 2 wurden weiter getestet, indem die Thermostattemperatur in 10ºC-Schritten mit einer Rate von 1ºC/min zwischen 0ºC und 60ºC erhöht und verringert wurde. Die Temperatur wurde jeweils 30 Minuten lang bei 0ºC, 10ºC, 20ºC, 30ºC, 40ºC, 50ºC und 60ºC gehalten. Die maximalen und minimalen Ausgangshöhen der Sensoren wurden während der Temperaturänderung gemessen. Während die Ausgangsgrößenschwankung des herkömmlichen Sensors von Fig. 1 nicht weniger als 5% betrug, betrug die Ausgangsgrößenschwankung des Sensors 2 gemäb vorliegender Erfindung nicht mehr als 1%. So zeigte der vorliegende Sensor bezogen auf die Ausgangsgrößenschwankung ein bemerkenswert verbessertes Ergebnis aufgrund verringerter Spannung des LiNbO&sub3;-Kristalls.

Beispiel 2

Der optische Spannungssensor wurde hergestellt, indem die zusammengefügte Kristallanordnung von Fig. 2 durch die zusammengefügte Kristallanordnung von Fig. 3 gemäß vorliegender Erfindung ersetzt wurde. Die Kristallanordnung von Fig. 3 wurde unter Verwendung eines LiNbO&sub3;-Kristallwafers mit einer Dicke von 5 mm und einem Durchmesser von 3 Inches herstellt. Der Wafer hatte gegenüberliegende Z-Ebenen, die mit transparenten elektrisch leitenden Filmen aus InO&sub2; bedeckt sind. Der Wafer wurde in 2 mm x 5 mm x 4 mm Kristallscheiben (mit 2 mm x 4 mm Z-Achsenflächen und 5 mm x 4 mm X-Ebenen) geschnitten. Zwei dieser LiNbO&sub3;-Kristalle wurden mit einem Epoxyharz miteinander verbunden, sodaß die Richtungen der Z-Achsen der beiden Kristalle einander entgegengesetzt waren. Dann wurden die elektrisch leitenden Filme auf den Z-Ebenen der beiden Kristalle durch das Kurzschlußmaterial 14 elektrisch verbunden. Die Elektroden 8 wurden dann auf den gegenüberliegenden X-Ebenen des oberen LiNbO&sub3;-Kristalls ausgebildet. So wurde der Sensorkopf hergestellt.
Wie in Beispiel 1 wurde der hergestellte Sensorkopf im Thermostat angebracht und an die Elektroden 8 wurden 60 V angelegt, um den Spannungssensor auf die Temperatureigenschaften zu testen. Die Sensorausgangsgröbe war im wesentlichen konstant (Ausgangsgröbenschwankung innerhalb von ± 0,2%), während die Thermostattemperatur be 25ºC gehalten wurde. Weiters wurde die Sensorausgangsgröße stabil gehalten (Ausgangsgrößenschwankung innerhalb von ± 0,2%), während die Thermostattemperatur mit einer Rate von 1ºC/min von 25ºC auf 40ºC angehoben wurde. Es wurde auch festgestellt, daß die Sensorausgangsgröße während des Temperaturabfalls stabil war (Ausgangsgrößenschwankung innerhalb von ± 0,2%).

Beispiel 3

Ein LiNbO&sub3;-Kristall wurde nach dem Czochralksi-Verfahren gezogen, und ein LiNbO&sub3;-Wafer mit einer Dicke von 5,4 mm und einem Durchmesser von 3 Inches wurde vom gewachsenen Kristall abgeschnitten, sodaß der Wafer gegenüberliegende Z-Ebenen aufwies. Der Wafer wurde einer Säureätzbehandlung unterworfen, und die Oberflächen des Wafers wurden auf geätzte Vertiefungen untersucht. Der Wafer wurde weiters auf die Z-Achsenrichtung untersucht. Die Untersuchung zeigte, daß der Wafer deutliche lokale Abschnitte aufwies, deren Z-Achsen-Richtungen unterschiedlich sind. Ein Abschnitt des Kristallwafers, der die beiden benachbarten lokalen Abschnitte mit den entgegengesetzten Z-Achsen-Richtungen aufwies, wurde geschnitten, um einen Kristall mit 2 mm x 5,4 mm x 8 mm zu schaffen, sodaß die beiden lokalen Abschnitte oder Bereiche das gleiche Volumen hatten. Die Z-Ebenen des erhaltenen Kristalls wurden optisch poliert. So wurde die in Fig. 4 gezeigte 2 mm x 5mm x 8 mm Kristallanordnung 15 hergestellt, die die 2 mm x 8 mm-Z-Ebenen und die 5 mm x 8 mm-X-Ebenen aufwies. Die transparenten elektrisch leitenden Filme 11, 11 wurden auf den Z-Ebenen ausgebildet. Die so hergestellte elektrooptische Anordnung 15 von Fig. 4 wurde anstelle der elektrooptischen Anordnung von Fig. 2 verwendet.
Wie bei den vorhergehenden Beispielen wurden die Temperatureigenschaften des optischen Spannungssensors von Fig. 4 beobachtet. Nämlich wurde der Sensorkopf im Thermostat angebracht, und die Ausgangsgröße des optischen Spannungssensors wurde bei verschiedenen Temperaturen gemessen, wobei 60V an die Elektroden 8 angelegt wurden. Die Sensorausgangsgröße war im wesentlichen konstant (Ausgangsgrößenschwankung innerhalb von ± 0,2%), während die Thermostattemperatur bei 25ºC gehalten wurde. Die Sensorausgangsgröße war vergleichsweise stabil, d.h. die Ausgangsgrößenschwankung wurde innerhalb von ±1% gehalten, wenn die Thermostattemperatur mit einer Rate von 1ºC/min von 25ºC auf 40ºC erhöht wurde. Die Sensorausgangsgröße war auch stabil (Ausgangsgrößenschwankung innerhalb von ±1%), wenn die Temperatur auf 25ºC gesenkt wurde. Während die Temperatureigenschaften des vorliegenden Sensors von Fig. 4 während der Temperaturänderung im Vergleich mit jenen der Sensoren der Beispiele 1 und 2 gemäß vorliegender Erfindung mehr oder weniger instabil waren, wurde angenommen, daß diese Tendenz das Ergebnis einer Differenz zwischen den Beträgen der auf den Z-Achsen-Flächen 15a',15a" der ersten Hälfte 15a der Kristallanordnung 15 und den Z-Achsen-Flächen 15b',15b" der zweiten Hälfte 15b erzeugten elektrischen Ladungen war.

Claims

1. Elektrooptische Einheit mit einem Weg für einen Lichtstrahl, umfassend

ein erstes pyroelektrisches, elektrooptisches Kristallelement (3,15a), durch das sich der genannte Lichtstrahl ausbreitet, mit gegenüberliegenden ersten Flächen (3a,3b,15a',15a"), die dazu neigen, aufgrund von durch Temperaturänderung verursachter elektrischer Polarisierung entgegengesetzt geladen zu werden;

gekennzeichnet durch ein zweites pyroelektrisches, elektrooptisches Kristallelement (12,15b), das gegenüberliegende zweite Flächen (12a,12b,15b',15b") aufweist, die dazu neigen, aufgrund von durch Temperaturänderung verursachter elektrischer Polarisierung entgegengesetzt geladen zu werden; und

elektrische Anschlußmittel (11,14), die die genannten ersten und zweiten Flächen so verbinden, daß jede erste Fläche mit einer entsprechenden zweiten Fläche verbunden ist, die entgegengesetzte Polarität aufweist, wenn sie aufgrund der genannten Polarisierung geladen wird, um dadurch gegenseitig Oberflächenladungen der genannten ersten und zweiten Kristallelemente auszugleichen.

2. Optische Einheit nach Anspruch 1, worin die genannten ersten und zweiten elektrooptischen Kristallelemente (3,15a,12,15b) angrenzend aneinander angeordnet sind.

3. Optische Einheit nach Anspruch 2, worin die genannten ersten und zweiten elektrooptischen Kristallelemente aus einem ersten und einem zweiten Abschnitt (15a,15b) eines einzelnen Kristalls (15) bestehen.

4. Optische Einheit nach Anspruch 2, worin die genannten ersten und zweiten elektrooptischen Kristallelemente (3,12) miteinander verbunden sind.

5. Optische Einheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, worin das genannte elektrische Anschlußmittel aus einem Paar elektrisch leitender Filme (11,11a,11b) besteht, die auf den genannten entsprechenden ersten und zweiten polarisierten Flächen (3a,15a',12a,15b',3b,15a",12b,15b") ausgebildet sind.

6. Optische Einheit nach Anspruch 5, worin die genannten ersten und zweiten polarisierten Flächen (3a,3b,15a',15a",12a,12b,15b',15b") senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des genannten Lichtstrahls stehen und das genannte Paar elektrisch leitender Filme (11,11a,11b) auf einem lichtdurchlässigen, elektrisch leitenden Material gebildet ist.

7. Optische Einheit nach Anspruch 1, worin die genannten ersten und zweiten elektrooptischen Kristalleiemente (3,15a,12,15b) im Abstand voneinander angeordnet sind und das genannte elektrische Anschlußmittel aus einem Paar elektrischer Leiter zum Verbinden der genannten entsprechenden ersten und zweiten polarisierten Flächen (3a,15a',12a,15b',3b,15a",12b,15b") besteht.

8. Optische Einheit nach Anspruch 1, worin die genannten ersten und zweiten elektrooptischen Kristallelemente (3,12) aus jeweiligen Kristallen aus LiNbO&sub3; oder LiTaO&sub3; gebildet sind.

9. Optische Einheit nach Anspruch 1, worin die genannten ersten und zweiten elektrooptischen Kristallelemente (15a,15b) aus einem einzelnen Kristall aus LiNbO&sub3; oder LiTaO&sub3; gebildet sind.