JP2006243190A - 電気光学効果を利用した光デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】 常誘電・強誘電相転移温度付近で大きな電気光学効果を有する材料からなる電気光学素子を有する光デバイスにおいて、電源が遮断されたときにもシステムが安定に動作し、駆動電気回路の熱的分離を不要にし、より低消費電力で高速の動作を実現する。
【解決手段】 電気光学素子（２０１）の相転移温度が当該光デバイスを動作させる環境温度よりも高い温度であり、温度制御装置（２０７）は温度保持回路（２０３）で保持される温度が電気光学素子の相転移温度以上の一定温度となるように制御する。電気光学素子を駆動する１または複数の電気回路（２０９）を電気光学素子の近傍に実装して、電気回路からの発熱を温度保持回路の一部または全部として用いる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、電気光学効果を利用した光デバイスに関し、更に詳しくは常誘電・強誘電相転移温度付近で大きな電気光学効果を有する材料からなる電気光学素子を有する光デバイスに関する。

電気光学効果を有する材料は、電気光学フィルタ、電気光学光スイッチ、光変調器、デフレクタ、およびＱスイッチなどの光デバイスに広く利用されている。電気光学効果を有する材料の中でも、２次電気光学効果を有する強誘電体材料として知られているＫＴａ_１−ｘＮｂ_ｘＯ_３（ＫＴＮ）は、巨大な電気光学効果のために、最近注目を集めている。このように電気光学効果を利用する材料を用いると、通常よりも小さな電気信号・小さなサイズの光デバイスが実現可能になる。具体的には、ＫＴＮは、常誘電・強誘電相の間の相転移を起こすが、常誘電・強誘電相転移温度（Ｔ_ｃ) を、そのＮｂ／（Ｎｂ＋Ｔａ）の比率０〜１００％によって、−２７３℃〜４３５℃の範囲で自由に変化させることができる。その比率２３％の場合で、転移温度（Ｔ_ｃ)は０℃程度になる。そして、この転移温度（Ｔ_ｃ)の近傍では、ＫＴＮの電気光学効果が非常に大きくなるという特徴を有する。このため、このデバイスを光デバイスとして用いる場合は、一般に転移温度（Ｔ_ｃ)の近傍に温度を保持する温度保持回路を実装して利用している。

具体的な従来技術が、非特許文献１に記載されている。非特許文献１では、−７℃の相転移温度を有するＫＴＮを用いた電気光学フィルタにおいて、ペルチェ素子を用いて -７℃の相転移温度の近くで温度を保持してＫＴＮを動作させている。このＫＴＮの電気光学係数は、図１に示すような温度特性を有する。図１から、ＫＴＮは相転移温度が−７℃以下の温度で強誘電相を示し、−７℃では電気光学係数が最高のピーク値になり、−７℃以上の温度で常誘電相を有することが分かる。

このような電気光学素子を用いた電気光学フィルタの実装方法としては、図２に示すように、電気光学素子（フィルタ）１０１の近傍にペルチェ素子１０３及びサーミスタ１０５を実装し、サーミスタ１０５で検知した温度をもとに、ペルチェ素子１０３で、電気光学素子１０１の温度が一定の−７℃になるように温度制御装置１０７により温度制御していた。

さらに、この電気光学素子１０１を駆動する電気回路（駆動回路）１０９を実装する場合には、その電気回路１０９の発熱の影響を避けるために、電気回路１０９を電気光学素子１０１からは極力熱的に分離された位置に配置する必要があった。また、電気回路１０９を電気光学素子１０１から熱的に分離するための断熱壁または断熱溝１１０を設けていた。

M. Shimokozono et al.,"Newly Developed KTN Optical Waveguide Devices with Extremely High Electro-Optic Effect, "in Tech. Digest of OECC 14F3-1,pp.560-561(2004).

しかしながら、上述のような電気光学素子を用いたとき、光デバイスを駆動する電気回路の電源を切ったときに、電気光学素子の出力にどのようなものが出てくるのかわからないという点があった。つまり、相転移温度が環境温度範囲及びそれ以下の温度に設定された場合、相転移温度よりも高い環境温度になる場合があるが、このような環境温度のときには、温度調整回路の電源を落としたときも、ＫＴＮが常誘電相にあり、そのため電気光学フィルタは透明となる。このとき、電気光学フィルタは、光は通るが、どのような干渉状態になるのか予期できず、その出力としてどのようなものが出てくるかわからず、全体のシステムとして予測できない不安定な動作をするという、第１の解決すべき課題があった。

さらに、一定温度を保持する際には、従来はペルチェ素子を用いていたが、この素子を用いた場合には、特に冷却に大きな電力を必要とし、環境温度が動作温度よりも高い場合には多大な電力を必要とし、外部温度が変化する場合に平均として大きな電力が必要になってしまうという、第２の解決すべき課題があった。

また、電気光学フィルタ等の電気光学素子を駆動するには駆動用の電気回路が必要であるが、この電気回路には発熱があり、電気光学素子に熱的影響を与えてしまうために、電気光学素子のそばに駆動用電気回路を実装できず、駆動用電気回路と電気光学素子を熱的に分離しなくてはならないという、第３の解決すべき課題があった。

また、ＫＴＮのような電気光学素子を駆動する場合、電気容量が１０ｎＦ（ナノファラッド）のように極端に大きくなる点がある。このような大きな電気容量の素子を、より高速で駆動する場合には、大きな電流を駆動できる駆動電気回路が必要になる。そのため、１つの駆動回路では駆動しきれない場合は、多くの回路が必要になるが、これらの駆動回路を全て電気光学素子から熱的に分離された場所に配置すると、長い配線が多数できてしまい、この配線のインダクタンスのために高速動作が難しくなるという、第４の解決すべき課題があった。

本発明は、上述のような従来技術の課題を解決することを目的とし、常誘電・強誘電相転移温度付近で大きな電気光学効果を有する材料からなる電気光学素子と、電気光学素子の温度を保持する温度保持手段と、温度保持手段で保持される温度を制御する温度制御手段とを有する光デバイスであって、電気光学素子の相転移温度が当該光デバイスを動作させる環境温度よりも高い温度であり、温度制御手段は温度保持手段で保持される温度が電気光学素子の相転移温度以上の一定温度となるように制御することを特徴とする。

すなわち、本発明では、電気光学効果を有する材料として、常温付近の、光デバイスの動作を保証する環境温度範囲（通常０〜７０℃程度）よりも高い、例えば８０℃程度以上の相転移温度を有するＫＴＮやＫＬＴＮ（Ｋ_１−ｙＬｉ_ｙＴａ_１−ｘＮｂ_ｘＯ_３）を用い、温度保持手段で保持される温度がその相転移温度以上の一定温度となるように温度制御手段で制御する。これにより、本発明では、温度保持手段としてヒーターを用いることができ、冷却も容易になるので、ペルチェ素子を頻繁に使う必要がなくなり、特に冷却の際に大きな電力を要することがなくなる。また、電気回路の電源が落とされたときには、環境温度範囲よりも相転移温度の方が必ず高いために、電気光学素子は相転移温度よりも低い温度に転移し、従って強誘電相に転移する。この強誘電相は強い電場をかけないと透明にならないので、この場合は不透明となり、光を通さない。よって、電気光学素子は電源遮断時に予期しない光出力を出すことがなくなって、システムとしてより安定に動作することとなる。

さらに、本発明では、電気光学素子を駆動する１または複数の電気回路を電気光学素子の近傍に実装して、電気回路からの発熱を温度保持手段の一部または全部として用いることで、駆動用電気回路と電気光学素子を熱的に分離する必要がなくなる。

上記特徴構成により、本発明によれば、電源が遮断されたときにもシステムが安定に動作するようになり、また、相転移温度と制御温度の設定によっては、より低い消費電力の光デバイスが実現可能になる。また、本発明によれば、駆動電気回路を熱的に分離する必要がなくなるのでより廉価な装置が実現可能になる。さらに、本発明では、多くの駆動回路を電気光学素子のより近くに実装することによって、より高速の動作が可能になる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
（第１の実施形態）
図３は本発明の第１の実施形態における光デバイスの構成を示す。本実施形態の光デバイスの使用環境温度は０℃〜７０℃である。本実施形態の光デバイスを構成する電気光学素子２０１は、ＫＴＮ（ＫＴａ_１−ｘＮｂ_ｘＯ_３）で作られて、その常誘電・強誘電相転移温度は８０℃のものが用いられていて、図４に示すような温度特性を有する。

さらに、電気光学素子２０１のそばにヒーターやペルチェ素子などの加熱・吸熱素子２０３と、サーミスタなどの温度検知素子２０５を実装し、温度制御回路２０７によって、温度検知素子２０５で検知した温度がたとえば８０±０．１℃程度の、相転移温度（８０℃）よりも高い温度になるように制御され、これらが温度保持回路として働いている。

このとき、温度保持回路の電源が切られると、電気光学素子２０１のＫＴＮは、相転移温度（８０℃）よりも低い環境温度（０℃〜７０℃）に達するため、強誘電相になる（図４を参照）。その電源が切られた後は、電気光学素子２０１に電界がかかっていない状態で電気光学素子２０１の温度は低下するが、電気光学素子２０１のＫＴＮは電界のかからない状態で相転移温度以下になると、強誘電相における分極はランダムな方向を向くために、全体として光が通らない不透明な状態になる。すなわち、この場合、電源が切られた際には、電気光学素子２０１からの光が必ずＯＦＦ状態になるので、システムとして従来よりも安定に動作することになる。

また、図３では、電気光学素子２０１を駆動する駆動回路２０９が電気光学素子２０１に近い場所に実装され、駆動回路２０９が電気光学素子２０１から熱的に分離されていない。本実施形態では、駆動回路２０９からの発熱を積極的にヒーターとして利用することで熱的分離を不要にしている。

本実施形態で用いた電気光学素子２０１は、電気光学フィルタに限らず、他の電気光学素子、例えば光スイッチ、光変調器、デフレクタ、あるいはＱスイッチであってもよい。また、本実施形態で用いたＫＴＮの代わりに、相転移温度近傍で大きな電気光学効果を有するＫ_１−ｙＬｉ_ｙＴａ_１−ｘＮｂ_ｘＯ_３（ＫＬＴＮ）などの他の電気光学材料を用いることができる。

（第２の実施形態）
図５は、本発明の第２の実施形態における光デバイスの構成を示す。第２の実施形態では、第１の実施形態に比べて、電気駆動回路２０９が複数個用いられており、それら駆動回路２０９が電気光学素子２０１の近傍に、または近接して、分散配置されている。

これら駆動回路２０９は、それぞれ並列に動作して分割された電気光学素子２０１のそれぞれの担当する分割部分を駆動するように設計されていて、消費電力もそれぞれ同程度になるように設計されている。これにより、電気光学素子２０１が大きな電気容量を持つ場合も、これらの複数の駆動回路２０９で高速に駆動することが可能になり、また、電気光学素子２０１の全体にわたって、なるべく均一に駆動回路２０９の発熱が伝わるように設計することができる。さらに、熱的分離が不要になるため、電気光学素子２０１のより近傍にこれら複数の駆動回路２０９を実装することができ、インダクタンスの減少により高速の動作が可能になる。

また、図５では、熱的に均一化する温度均一化素子２１３を用いて、駆動回路２０９からの発熱が均一に電気光学素子２０１に伝わるように構成しているが、この素子２１３は場合によってはなくてもよい。

（他の実施の形態）
上記では、本発明の好適な実施形態を例示して説明したが、本発明の実施形態は上記例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の範囲内であれば、その構成部材等の置換、変更、追加、個数の増減、形状の設計変更等の各種変形は、全て本発明の実施形態に含まれる。

従来技術で用いられていたＫＴＮ素子の電気光学定数の温度特性を示す特性図である。 従来技術による光デバイスの構成例を示す模式的な配置構成図である。 本発明の第１の実施形態における光デバイスの構成を示す模式的な配置構成図である。 本発明で用いたＫＴＮ素子の電気光学定数の温度特性を示す特性図である。 本発明の第２の実施形態における光デバイスの構成を示す模式的な配置構成図である。

符号の説明

２０１ 電気光学素子
２０３ ヒーターやペルチェ素子などの加熱・吸熱素子
２０５ サーミスタなどの温度検知素子
２０７ 温度制御回路
２０９ 駆動回路
２１３ 温度均一化素子

Claims (4)

1. 常誘電・強誘電相転移温度付近で大きな電気光学効果を有する材料からなる電気光学素子と、該電気光学素子の温度を保持する温度保持手段と、該温度保持手段で保持される前記温度を制御する温度制御手段とを有する光デバイスであって、
   前記電気光学素子の前記相転移温度が当該光デバイスを動作させる環境温度よりも高い温度であり、
   前記温度制御手段は前記温度保持手段で保持される前記温度が前記電気光学素子の前記相転移温度以上の一定温度となるように制御することを特徴とする光デバイス。
2. 前記電気光学素子を駆動する１または複数の電気回路が、該電気光学素子の近傍に実装され、該電気回路からの発熱を、前記温度保持手段の一部または全部として用いていることを特徴とする請求項１に記載の光デバイス。
3. 前記電気光学効果を有する材料として、ＫＴａ_１−ｘＮｂ_ｘＯ_３（ＫＴＮ）を用いていることを特徴とする請求項１または２に記載の光デバイス。
4. 前記電気光学効果を有する材料として、Ｋ_１−ｙＬｉ_ｙＴａ_１−ｘＮｂ_ｘＯ_３（ＫＬＴＮ）を用いていることを特徴とする請求項１または２に記載の光デバイス。
   

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