JP2007003948A - Apparatus for controlling optical element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光学素子の制御装置に関し、より詳細には、光通信、光計測または電子回路に用いられる光学素子であって、電気光学効果を用いた光学素子の温度を制御する制御装置に関する。 The present invention relates to a control device for an optical element, and more particularly to a control device for controlling the temperature of an optical element using an electro-optic effect, which is an optical element used in optical communication, optical measurement, or an electronic circuit.
KTaxNb1−xO3(0≦x≦1、以下KTNという)からなる材料は、波長変換素子などの光学素子への応用が期待されている。KTN結晶は、1200〜8000pm/Vの非線形光学係数、一定のバイアス電界の下で600pm/V以上の電気光学係数を有しており、例えば、従来から使用されているLiNb03(以下LNという)の有する光学係数と比較して、いずれも著しく大きい。また、電気光学効果は常誘電相で用い、特に、常誘電・強誘電転移点近傍で用いた場合に、非常に大きい。 A material made of KTa x Nb 1-x O 3 (0 ≦ x ≦ 1, hereinafter referred to as KTN) is expected to be applied to an optical element such as a wavelength conversion element. The KTN crystal has a nonlinear optical coefficient of 1200 to 8000 pm / V and an electro-optic coefficient of 600 pm / V or more under a constant bias electric field. For example, a conventionally used LiNbO 3 (hereinafter referred to as LN) is used. Both are significantly larger than the optical coefficients of the. The electro-optic effect is very large when used in the paraelectric phase, particularly when used near the paraelectric / ferroelectric transition point.
ところで、KTN結晶の電気光学効果は、温度依存性が非常に強いという特徴を有している。図1に、電気光学効果の温度依存性を示す。KTN結晶は、常誘電・強誘電転移温度Tcにおいて、相転移を起こし、温度Tc付近で電気光学効果が最大となる。KTN結晶を用いた光学素子を温度によらず安定して動作させるためには、光学素子の温度調整回路が必要となる。温度調整回路により、光学素子の温度をTcよりも若干高い一定の温度に制御している(例えば、非特許文献1参照)。 By the way, the electro-optic effect of the KTN crystal has a feature that the temperature dependence is very strong. FIG. 1 shows the temperature dependence of the electro-optic effect. The KTN crystal undergoes a phase transition at the paraelectric / ferroelectric transition temperature Tc, and the electrooptic effect is maximized in the vicinity of the temperature Tc. In order to stably operate an optical element using a KTN crystal regardless of temperature, a temperature adjustment circuit for the optical element is required. The temperature of the optical element is controlled to a constant temperature slightly higher than Tc by the temperature adjustment circuit (see, for example, Non-Patent Document 1).
LN結晶を用いた光学素子の場合は、温度調整を行う必要がなかったので、KTN結晶を用いた光学素子では、温度調整回路の小型化、低コスト化が求められていた。しかしながら、図1に示したように、常誘電・強誘電転移温度Tc付近の温度依存性は非常に大きく、温度調整回路は、0.1度以下の精度で、応答速度の速い温度制御を行う必要がある。このような高精度の温度制御は、温度調整回路の回路規模が大きくなり、KTN結晶を用いた光学素子を含む装置のコストが増大するという問題があった。 In the case of an optical element using an LN crystal, it was not necessary to adjust the temperature. Therefore, an optical element using a KTN crystal has been required to reduce the size and cost of the temperature adjustment circuit. However, as shown in FIG. 1, the temperature dependence near the paraelectric-ferroelectric transition temperature Tc is very large, and the temperature adjustment circuit performs temperature control with a fast response speed with an accuracy of 0.1 degrees or less. There is a need. Such high-accuracy temperature control has a problem that the circuit scale of the temperature adjustment circuit becomes large, and the cost of an apparatus including an optical element using a KTN crystal increases.
電気光学係数をEとし、駆動電圧振幅を一定値Fとすると、電気光学効果により変化する光の強度Aは、
A=EF
と表される。光の強度Aの温度による変動幅を、一定の範囲ΔAに抑えるために、電気光学係数の温度による変動幅ΔEは、
ΔE=ΔA/F
の範囲に抑えなければならない。図2に、KTN結晶を用いた光学素子の温度制御に必要な精度を示す。電気光学係数を一定の範囲ΔEに抑えるためには、非常に小さな温度範囲ΔTに抑えなければならない。
When the electro-optic coefficient is E and the drive voltage amplitude is a constant value F, the intensity A of light that changes due to the electro-optic effect is
A = EF
It is expressed. In order to suppress the fluctuation range due to the temperature of the light intensity A to a certain range ΔA, the fluctuation range ΔE due to the temperature of the electro-optic coefficient is:
ΔE = ΔA / F
Must be kept within the range. FIG. 2 shows the accuracy required for temperature control of an optical element using a KTN crystal. In order to suppress the electro-optic coefficient to a certain range ΔE, it must be suppressed to a very small temperature range ΔT.
従来、素子の温度を検出する方法として、サーミスタなどの温度検出素子を外部に付加しているが、温度検出素子の検出精度にばらつきがある。従って、精度の高い温度制御を行うために、温度検出素子の選別を行うために、コストがかかるという問題もあった。 Conventionally, a temperature detection element such as a thermistor is added to the outside as a method for detecting the temperature of the element, but the detection accuracy of the temperature detection element varies. Accordingly, there is a problem that it is expensive to select the temperature detection element in order to perform temperature control with high accuracy.
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、温度制御の精度が低い温度調整回路であっても、高い電気光学効果を得ることができる光学素子の制御装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to control an optical element capable of obtaining a high electro-optic effect even in a temperature adjustment circuit with low temperature control accuracy. To provide an apparatus.
本発明は、このような目的を達成するために、請求項1に記載の発明は、温度依存性を有する電気光学効果を有する材料からなる光学素子を制御する制御装置において、前記光学素子の温度を検出する検出手段と、前記検出手段で検出された温度に応じて、前記光学素子を駆動する駆動電圧の振幅を、電気光学効果の影響が前記温度によらず一定となるように制御する駆動回路とを備えたことを特徴とする。 In order to achieve such an object, the present invention provides a control device for controlling an optical element made of a material having an electro-optic effect having temperature dependence, wherein the temperature of the optical element is And a drive for controlling the amplitude of the drive voltage for driving the optical element so that the influence of the electro-optic effect is constant regardless of the temperature, according to the temperature detected by the detection means. And a circuit.
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の光学素子の制御装置において、前記光学素子と前記駆動回路との間に、前記光学素子を駆動する電流を積算して、駆動する電荷の量を測定する電流積分回路を備え、前記駆動回路は、前記光学素子を駆動する駆動電圧の振幅を、前記駆動する電荷が一定になるように制御することを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, in the control device for an optical element according to the first aspect, a current for driving the optical element is integrated between the optical element and the drive circuit, and the electric charge to be driven is integrated. A current integrating circuit for measuring the amount is provided, and the driving circuit controls the amplitude of the driving voltage for driving the optical element so that the driving charge becomes constant.
請求項3に記載の発明は、請求項1または2に記載の光学素子の制御装置において、前記光学素子と熱的に結合され、前記光学素子の温度を制御するペルチエ素子と、前記検出手段で検出された温度に応じて、前記ペルチエ素子を駆動する温度制御回路とをさらに備えたことを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in the optical element control device according to the first or second aspect, the Peltier element that is thermally coupled to the optical element and controls the temperature of the optical element; And a temperature control circuit for driving the Peltier element according to the detected temperature.
請求項4に記載の発明は、請求項1、2または3に記載の前記材料は、KTaxNb1-xO3(0≦x≦1)、K1−yLiyTa1−xNbxO3(0≦x≦1、0≦y≦1)、(Pb,La)(Zr,Ti)O3のいずれかであることを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, the material according to the first, second, or third aspect is characterized in that KTa x Nb 1-x O 3 (0 ≦ x ≦ 1), K 1-y Li y Ta 1-x Nb x O 3 (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1) or (Pb, La) (Zr, Ti) O 3 .
以上説明したように、本発明によれば、電気光学効果の影響が温度によらず一定となるように、光学素子を駆動する駆動電圧を制御するので、温度制御の精度が低い温度調整回路であっても、高い効率の電気光学効果を実現することが可能となる。 As described above, according to the present invention, since the drive voltage for driving the optical element is controlled so that the influence of the electro-optic effect is constant regardless of the temperature, the temperature adjustment circuit with low temperature control accuracy can be used. Even if it exists, it becomes possible to implement | achieve a highly efficient electro-optic effect.
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。本実施形態においては、温度検出素子により検出した温度に基づいて、素子の温度を制御するだけでなく、光学素子を駆動する駆動電圧の振幅を調整する。従来、光学素子にかけるバイアス電圧を制御して、屈折率の温度依存性を補償することが行われている。従って、光学素子を駆動する駆動電圧の振幅制御と、バイアス電圧の制御とを併用することもできる。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In this embodiment, based on the temperature detected by the temperature detection element, not only the temperature of the element is controlled, but also the amplitude of the drive voltage for driving the optical element is adjusted. Conventionally, the bias voltage applied to the optical element is controlled to compensate for the temperature dependence of the refractive index. Therefore, the drive voltage amplitude control for driving the optical element and the bias voltage control can be used in combination.
図3に、本発明の実施例1にかかる光学素子の制御装置を示す。KTN結晶を用いた光学素子31には、ペルチエ素子32と温度検出素子33とが熱的に結合されている。低精度温度制御回路34は、温度検出素子33により検出された光学素子31の温度の情報に基づいて、ペルチエ素子32を制御する。また、駆動回路35は、温度検出素子33により検出された光学素子31の温度の情報に基づいて、光学素子31を駆動する駆動電圧の振幅を調整する。
FIG. 3 shows a control device for an optical element according to Example 1 of the present invention. A
図4を参照して、実施例1における温度制御の方法を説明する。低精度温度制御回路34は、ペルチエ素子32を制御して光学素子31の温度を制御する。最初に、光学素子31の温度を、常誘電・強誘電転移温度Tcよりも高い一定の温度T1に制御し、ΔT1の範囲で温度制御を行う。駆動回路35は、温度検出素子33により検出した温度が温度T1よりも低く、電気光学効果が大きくなる場合には、駆動電圧の振幅を小さくし、検出した温度が温度T1よりも高く、電気光学効果が小さくなる場合には、駆動電圧の振幅を大きくする。すなわち、図4の点線で示したように、電気光学係数Eの低下に伴って、駆動電圧の振幅Fを増加させ、光強度A=EFを一定にする。
With reference to FIG. 4, the method of temperature control in Example 1 is demonstrated. The low precision
ここで、温度変化に対する振幅Fの変化量を大きくすることで、大きな温度範囲において、光強度を一定にすることができる。一方、温度制御回路による温度制御の範囲ΔT1は、図1に示したΔTよりも大きく、温度制御に必要な精度が大幅に緩和されるので、低精度の温度制御回路を用いればよい。また、電気回路である駆動回路35によって、振幅を変化させるので、ペルチエ素子32による温度制御よりも、はるかに高速に追従させることができる。
Here, by increasing the change amount of the amplitude F with respect to the temperature change, the light intensity can be made constant in a large temperature range. On the other hand, the temperature control range ΔT1 by the temperature control circuit is larger than ΔT shown in FIG. 1, and the accuracy required for temperature control is greatly relaxed. Therefore, a low-precision temperature control circuit may be used. Further, since the amplitude is changed by the
原理的には、光学素子31を駆動する駆動電圧の振幅を調整するだけで、ペルチエ素子32による温度制御を行わなくてもよい。しかし、温度変動が大きくなる場合を考慮すると、ペルチエ素子32による粗調整と、駆動回路35による微調整とを併用した方が効果的である。
In principle, it is not necessary to perform temperature control by the Peltier
ここで、光学素子31は、電気光学効果を利用したデバイスであれば、光スイッチ、光変調器、Qスイッチ、ディフレクタなどいずれであってもよい。光学素子31の材料は、KTNのみならず、KLTN(K1−yLiyTa1−xNbxO3、0≦x≦1、0≦y≦1)、PLZT((Pb,La)(Zr,Ti)O3)など、電気光学効果を有する材料ならば、いずれを用いても構わない。
Here, the
図5に、本発明の実施例2にかかる光学素子の制御装置を示す。KTN結晶を用いた光学素子51には、ペルチエ素子52と電気容量測定回路53とが結合されている。低精度温度制御回路54は、電気容量測定回路53により検出された光学素子51の電気容量の情報に基づいて、ペルチエ素子52を制御する。また、駆動回路55は、電気容量測定回路53により検出された光学素子51の電気容量の情報に基づいて、光学素子51を駆動する駆動電圧の振幅を調整する。
FIG. 5 shows an optical element control apparatus according to Embodiment 2 of the present invention. A
図6を参照して、実施例2における温度制御の方法を説明する。図6に示したように、光学素子51の電気容量は、電気光学係数Eと同様の温度依存性を有している。従って、駆動回路55は、電気容量測定回路53により検出した容量が予め定めた容量よりも低く、電気光学効果が大きくなる場合には、駆動電圧の振幅を小さくし、検出した容量が予め定めた容量よりも高く、電気光学効果が小さくなる場合には、駆動電圧の振幅を大きくする。電気容量の測定は、光学素子51を流れる電流の交流成分の測定、ブリッジ法、RFインピーダンス法などを適用することができる。
With reference to FIG. 6, a temperature control method according to the second embodiment will be described. As shown in FIG. 6, the electric capacity of the
図7に、本発明の実施例3にかかる光学素子の制御装置を示す。KTN結晶を用いた光学素子71には、ペルチエ素子72と温度検出素子73とが熱的に結合されている。低精度温度制御回路74は、温度検出素子73により検出された光学素子71の温度の情報に基づいて、ペルチエ素子72を制御する。また、駆動回路75は、温度検出素子73により検出された光学素子71の温度の情報に基づいて、光学素子71を駆動する駆動電圧の振幅を調整する。
FIG. 7 shows a control device for an optical element according to Example 3 of the present invention. A
駆動回路75は、駆動電圧の振幅を決定するに際して、駆動する電荷が一定になるようにする。駆動回路75と光学素子71との間に、電流積分回路76を挿入する。電流積分回路76は、常に流れる電流を測定して積算し、変化させた分極の量を電荷の量として測定する。測定された電荷の量は、駆動回路75にフィードバックされる。駆動回路75は、入力信号に比例した量の電荷を駆動するまで、駆動電圧を変化させる。これにより、駆動される分極の値が一定となるために、光強度A=EFを一定にすることができる。
When determining the amplitude of the driving voltage, the driving
実施例1と同様に、温度変化に対する振幅Fの変化量を大きくすることで、大きな温度範囲において、光強度を一定にすることができる。また、温度制御に必要な精度が大幅に緩和されるので、低精度の温度制御回路を用いることができる。 Similarly to the first embodiment, the light intensity can be made constant in a large temperature range by increasing the amount of change of the amplitude F with respect to the temperature change. In addition, since the accuracy required for temperature control is greatly relaxed, a low-accuracy temperature control circuit can be used.
31,51,71 光学素子
32,52,72 ペルチエ素子
33,73 温度検出素子
34,54,74 低精度温度制御回路
35,55,75駆動回路
53 電気容量測定回路
76 電流積分回路
31, 51, 71
Claims (4)
前記光学素子の温度を検出する検出手段と、
前記検出手段で検出された温度に応じて、前記光学素子を駆動する駆動電圧の振幅を、電気光学効果の影響が前記温度によらず一定となるように制御する駆動回路と
を備えたことを特徴とする光学素子の制御装置。 In a control device for controlling an optical element made of a material having an electro-optic effect having temperature dependence,
Detecting means for detecting the temperature of the optical element;
A drive circuit that controls the amplitude of the drive voltage for driving the optical element according to the temperature detected by the detection means so that the influence of the electro-optic effect is constant regardless of the temperature. An optical element control device.
前記駆動回路は、前記光学素子を駆動する駆動電圧の振幅を、前記駆動する電荷が一定になるように制御することを特徴とする請求項1に記載の光学素子の制御装置。 Between the optical element and the drive circuit, a current integration circuit for integrating the current for driving the optical element and measuring the amount of charge to be driven is provided.
2. The optical element control device according to claim 1, wherein the drive circuit controls an amplitude of a drive voltage for driving the optical element so that the electric charge to be driven becomes constant. 3.
前記検出手段で検出された温度に応じて、前記ペルチエ素子を駆動する温度制御回路と
をさらに備えたことを特徴とする請求項1または2に記載の光学素子の制御装置。 A Peltier element that is thermally coupled to the optical element and controls the temperature of the optical element;
The optical element control device according to claim 1, further comprising: a temperature control circuit that drives the Peltier element according to the temperature detected by the detection unit.
The materials are KTa x Nb 1-x O 3 (0 ≦ x ≦ 1), K 1-y Li y Ta 1-x Nb x O 3 (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1), (Pb , La) (Zr, Ti) O 3 , The optical element control device according to claim 1, 2 or 3.
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