JP2015125439A

JP2015125439A - 誘電体デバイス

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Publication number: JP2015125439A
Application number: JP2013272369A
Authority: JP
Inventors: 坂本　尊; Takashi Sakamoto; 尊坂本; 豊田　誠治; Seiji Toyoda; 誠治豊田; 小林　潤也; Junya Kobayashi; 潤也小林; 藤浦　和夫; Kazuo Fujiura; 和夫藤浦; 八木　生剛; Ikutake Yagi; 生剛八木; 齋藤　文雄; Fumio Saito; 文雄齋藤; 安武　正敏; Masatoshi Yasutake
Original assignee: NTT Advanced Technology Corp; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: NTT Advanced Technology Corp; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2013-12-27
Filing date: 2013-12-27
Publication date: 2015-07-06
Anticipated expiration: 2033-12-27
Also published as: JP6126527B2

Abstract

【課題】本発明は、ＫＴＮ結晶へ交流電圧を印加して発生する光偏向の対称性を高めるための誘電体デバイスを提供する。【解決手段】誘電体と、該誘電体を挟んで電圧を印加するための第１の電極及び第２の電極と、前記誘電体における温度を調整する温度調整素子とを備えた誘電体デバイスであって、前記温度調整素子は、前記第１の電極及び前記第２の電極と接合し、あるいは、第１の絶縁体を介して前記第１の電極及び前記第２の電極と接合し、前記第１の電極と前記第２の電極は、同じ材料及び同じサイズである。【選択図】図８

Description

本発明は、誘電体結晶を用いた誘電体デバイスに関する。

従来、タンタル酸ニオブ酸カリウム(ＫＴａ_1-x Ｎｂ_xＯ₃ （０＜ｘ＜１）)の結晶（以下、ＫＴＮ結晶という)などの常誘電相の誘電体結晶に正弦波などの交流電圧を印加することにより、様々な機能を発現させることが行われている。例えば、非特許文献１には、光共振器内に、常誘電相の誘電体結晶を配置し、光源から光を入射させた誘電体結晶に１５０ｋＨｚの正弦波電圧を印加することで、誘電体結晶からの出射光を偏向させ、波長掃引光源を実現する方法が開示されている。

Shogo Yagi, Tadayuki Imai, Yasuo Shibata, Shigeo Ishibashi, Masahiro Sasaura, Kazutoshi Kato, Kazunori Naganuma, Yuzo Sasaki, and Kazuo Fujiura, "A mechanical-free 150-kHz repetition swept light source incorporated a KTN electro-optic deflector", Proc. of SPIE, Vol.7889, 78891J-1〜78891J-6, 2011年上野雅浩、豊田誠治、佐々木雄三、小林潤也、菅井栄一、八木生剛著、「ＫＴＮ結晶を用いたＯＣＴ用２００ｋＨｚ光偏向器の消費電力」、エレクトロニクス講演論文集１、電子情報通信学会エレクトロニクスソサイエティ大会、p.124、2012年

図１に常誘電相の誘電体結晶を用いた光偏向器へ入射した光が偏向している様子を示す。ここでは、常誘電相にある誘電体結晶としてＫＴＮ結晶を用いて説明するが、常誘電相にある誘電体結晶は、ＫＴＮ結晶に限られない。図１に示す光偏向器は、入射した光を偏向するためのＫＴＮ結晶１０１と、ＫＴＮ結晶１０１の上面に接触する第１の金属電極ブロック１０２と、ＫＴＮ結晶１０１の下面に接触する第２の金属電極ブロック１０３とを備える。本明細書では、ＫＴＮ結晶１０１と第１の金属電極ブロック１０２及び第２の金属電極ブロック１０３との接触面の法線方向、または、ＫＴＮ結晶１０１に電圧を印加する方向をｘ方向とし、ＫＴＮ結晶１０１に入射する光の向きをｙ方向とする。また、ｘｙ平面に対する鉛直方向をｚ方向とする。第１の金属電極ブロック１０２及び第２の金属電極ブロック１０３を用いて、ＫＴＮ結晶１０１に直流電圧を印加すると、ＫＴＮ結晶１０１中に電子が注入される。ＫＴＮ結晶１０１中には電子トラップが存在するため、直流電圧印加後もＫＴＮ結晶１０１中にトラップに捕獲された電子が残存する。トラップに捕獲された電子は空間的に一様であると仮定し、ＫＴＮ結晶１０１中の電荷密度をρとする。ＫＴＮ結晶１０１に対して交流電圧Ｖを印加すると、ガウスの法則により、第２の金属電極ブロック１０３からの距離をｘとした場合の電界分布Ｅ（ｘ）は以下の（式１）で表される。

ρは電荷密度、εは誘電率、ｄはＫＴＮ結晶１０１の厚み、Ｖは第２の金属電極ブロック１０３の電位（電圧）を基準（０Ｖ）としたときの第１の金属電極ブロック１０２の電位をそれぞれ示す。

電圧を印加する方向におけるＫＴＮ結晶１０１の屈折率分布をｎ（ｘ)、直流電圧を印加する前のＫＴＮ結晶１０１の屈折率をｎ_０とすると、屈折率の差分Δｎ（ｘ) ＝ｎ（ｘ)−ｎ_０は、以下の（式２）で表すことができる。

ｇ_ｉｊは電気光学係数である。

また、ＫＴＮ結晶１０１のｙ軸方向の長さをＬとすると、ＫＴＮ結晶１０１を透過した後の光の偏向角θ（ｘ）は、

となる。よって、距離ｘがd/2となる位置でＫＴＮ結晶１０１に入射した光の偏向角は、

となる。偏向角θは、ＫＴＮ結晶１０１にて偏向されずに直進した光の光軸から測り、直進した光の光軸を基準にして反時計回りの方向を正とする。

（式４）からわかるように、誘電率εが場所によらず一定値である時、電圧Ｖの符号が反転した時に、偏向角は、絶対値は変化せず符号のみ変化する。

図２に誘電率が場所によらず一定値である時、（式４）の場合、すなわち距離ｘがｄ/２となる位置でＫＴＮ結晶１０１に入射した光の偏向角の電圧依存性を示す。ＫＴＮ結晶に振幅Ｖ_０の交流電圧が印加されると、電圧が+Ｖ_０のときに偏向角は−θ_０となり、電圧が−Ｖ_０のときに偏向角は＋θ_０となる。偏向角の電圧依存性を示すグラフは、図２に示す通り、原点に関し、点対称となる。

一方、高周波・大振幅の交流電圧を連続的にＫＴＮ結晶に印加した場合、ＫＴＮ結晶にて発熱が生じ、ＫＴＮ結晶の温度が上昇することが知られている（例えば、非特許文献２を参照）。

図３に従来の誘電体デバイス３００の構成を示す。従来の誘電体デバイス３００において、ＫＴＮ結晶３０１は、第１の金属電極ブロック３０２と第２の金属電極ブロック３０３とで電圧を印加されるように第１の金属電極ブロック３０２と第２の金属電極ブロック３０３との間に設けられている。従来の誘電体デバイス３００において、第２の金属電極ブロック３０３には、温度を測定するための温度センサ部３０４及びその温度を調節するための温度調整素子３０５が取り付けられている。また、従来の誘電体デバイス３００において、温度調整素子３０５には、温度調整素子３０５から排熱される熱を放散するためのヒートシンク３０６が取り付けられている。従来の誘電体デバイス３００において、第１の金属電極ブロック３０２及び第２の金属電極ブロック３０３には電源３０８が接続されており、温度センサ部３０４及び温度調整素子３０５には温度調整素子制御部３０７が接続されている。また、従来の誘電体デバイス３００において、第１の金属電極ブロック３０２と第２の金属電極ブロック３０３との間には、高熱伝導性絶縁体３０９ａ、３０９ｂが設けられている。

第２の金属電極ブロック３０３に取り付けられた温度センサ部３０４は、第２の金属電極ブロック３０３の温度を測定する。温度調整素子制御部３０７は、第２の金属電極ブロック３０３の温度を所定の設定温度に保つ制御を行う。具体的には、温度調整素子制御部３０７は、温度調整素子３０５に流す電流を調節して第２の金属電極ブロック３０３の温度制御を行うことで、ＫＴＮ結晶３０１の温度制御を行う。ＫＴＮ結晶３０１が発熱していない場合、ＫＴＮ結晶３０１の温度は、第２の金属電極ブロック３０３の設定温度とおおよそ等しくなる。

電源３０８によって第１の金属電極ブロック３０２及び第２の金属電極ブロック３０３を介してＫＴＮ結晶３０１に交流電圧を印加すると、ＫＴＮ結晶３０１が発熱し、ＫＴＮ結晶３０１の温度が上昇する。ＫＴＮ結晶３０１の内部の温度が上昇し、温度センサ部３０４付近の温度が上昇すると、温度調整素子制御部３０７は温度調整素子３０５に電流を流して、温度センサ部３０４付近の温度を低下させ、温度センサ部３０４の温度は当初の設定温度となる。

ＫＴＮ結晶３０１の熱伝導率が高くない場合、すなわち、熱抵抗が大きい場合、ＫＴＮ結晶３０１の内部の温度が均一とはならない場合がある。図３において、第２の金属電極ブロック３０３から距離ｘ’ だけ離れたＫＴＮ結晶３０１の下部にある点を（Ａ）とし、第１の金属電極ブロック３０２から距離ｘ’ だけ離れたＫＴＮ結晶３０１の上部にある点を（Ｂ）とする。点（Ａ）と点（Ｂ）は、ＫＴＮ結晶３０１のｘ方向の重心に対して、点対称な位置となっている。

点（Ａ）における温度は、主に、ＫＴＮ結晶３０１と第２の金属電極ブロック３０３との間の熱抵抗Ｒ_誘―下によって支配される。一方、点（Ｂ）における温度は、主に、ＫＴＮ結晶３０１と第１の金属電極ブロック３０２との間の熱抵抗Ｒ_誘―上と、第１の金属電極ブロック３０２と高熱伝導性絶縁体３０９ａ及び高熱伝導性絶縁体３０９ｂとの間の熱抵抗Ｒ_上―絶と、高熱伝導性絶縁体３０９ａ、高熱伝導性絶縁体３０９ｂ自身の熱抵抗Ｒ_絶と、高熱伝導性絶縁体３０９ａ、３０９ｂと第２の金属電極ブロック３０３との間の熱抵抗Ｒ_絶―下との熱抵抗の和Ｒ_ＳＵＭ＝（Ｒ_誘―上＋Ｒ_上―絶＋Ｒ_絶＋Ｒ_絶―下）によって支配される。そのため、Ｒ_誘―下≒Ｒ_誘―上の場合、熱抵抗Ｒ_誘―下より熱抵抗の和Ｒ_ＳＵＭが大きくなるため、点（Ｂ）における温度は、点（Ａ）における温度よりも高くなる。

図４に従来の誘電体デバイスでの、時間と、ＫＴＮ結晶３０１の温度と、ＫＴＮ結晶３０１に印加される電圧との関係を示す。図４（ａ）に時間とＫＴＮ結晶３０１の温度との関係を示す。温度（Ｃ）は、点（Ｂ）における温度を表し、温度（Ｄ）は、点（Ａ）における温度を表す。図４（ｂ）に時間とＫＴＮ結晶３０１に印加される電圧との関係を示す。図４（ｂ）に示すように、ＫＴＮ結晶３０１には、時間に関わらず一定の交流電圧が印加されている。ＫＴＮ結晶３０１に交流電圧を印加すると、図４（ａ）に示すように、時間の経過とともにＫＴＮ結晶３０１の温度が設定温度より高くなる。特に、図４（ａ）では、点（Ｂ）における温度（Ｃ）が、点（Ａ）における温度（Ｄ）よりも高くなっているのがわかる。

図５にＫＴＮ結晶３０１の誘電率の温度依存性の一例を示す。図５に示すように、ＫＴＮ結晶３０１の温度は、所定の温度を超えて、高くなると誘電率が低下する。すなわち、ＫＴＮ結晶３０１の温度が均一でないとすると、ＫＴＮ結晶３０１の誘電率が位置によって異なってしまう。ここで設定温度（Ｅ）における誘電率を（Ｆ）とする。

図３に示すＫＴＮ結晶３０１の例において、点（Ｂ）における温度を（Ｇ）とすると、点（Ｂ）における誘電率は（Ｈ）となる。また、図３に示す点（Ａ）における温度を（Ｉ）とすると、点（Ａ）における誘電率は（Ｊ）となる。よって、図５に示すように、点（Ｂ）における誘電率（Ｈ）は、点（Ａ）における誘電率（Ｊ）よりも低くなる。そのため、ＫＴＮ結晶３０１における誘電率の分布は、対称性を失うことになる。また、常誘電相にあるＫＴＮ結晶３０１を用いた電気光学デバイスにおいては、電気光学効果による屈折率変化は、誘電率の２乗に比例する。そのため、誘電率が異なれば、屈折率も異なることになる。そのため、ＫＴＮ結晶３０１における屈折率の分布も、対称性を失うことになる。

一方、誘電率εの値がＫＴＮ結晶３０１内の場所によって変化し、かつＫＴＮ結晶３０１における誘電率の分布が対称性を有しない場合、ＫＴＮ結晶３０１による偏向角も対称性を有さなくなってしまう。すなわち、電圧Ｖの符号が反転した時に、偏向角は、符号が変化すると共に、絶対値も変化してしまい、好ましくない。

図６に従来の誘電体デバイスでの、ＫＴＮ結晶３０１を用いた光偏向器へ入射した光が偏向している様子を示す。図７に従来の誘電体デバイスでの、偏向角の電圧依存性を表すグラフを示す。ＫＴＮ結晶３０１への印加電圧が＋Ｖ_０の時、偏向角は−θ_１となり、ＫＴＮ結晶３０１への印加電圧が−Ｖ_０の時、偏向角は＋θ_１’となる。図６に示すように、｜θ_１’｜＜｜θ_１｜となっているのがわかる。また、偏向角の電圧依存性を示すグラフは、図７に示す通り、原点に関し、点対称とならない。図７のグラフに示される電圧依存性を有するＫＴＮ結晶３０１では、ＫＴＮ結晶３０１に入射される光を所望の偏向角で偏向するための電圧制御が困難となる。したがって、従来技術を用いた誘電体デバイスは、偏向角の電圧制御が容易ではなかったという問題があった。

本発明は、このような問題を鑑みてなされたものであり、その目的は、ＫＴＮ結晶へ交流電圧を印加して光を偏向させた時に、偏向角の電圧依存性の対称性を高めるための誘電体デバイスを提供することにある。

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、誘電体と、該誘電体を挟んで電圧を印加するための第１の電極及び第２の電極と、前記誘電体における温度を調整する温度調整素子とを備えた誘電体デバイスであって、前記温度調整素子は、前記第１の電極及び前記第２の電極と接合し、あるいは、第１の絶縁体を介して前記第１の電極及び前記第２の電極と接合し、前記第１の電極と前記第２の電極は、同じ材料及び同じサイズであることを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、両電極とＫＴＮ結晶との間の熱抵抗が略等しくなり、また、両電極ブロックと温度調整素子との間の熱抵抗が略等しくなるため、ＫＴＮ結晶での発熱による熱を両側の電極ブロックから温度調整素子へ均等に流すことが可能となる。したがって、ＫＴＮ結晶内の温度分布の対称性が高まり、ＫＴＮ結晶内の誘電率の分布の対称性が高まる結果、偏向角の電圧依存性の対称性が高まり、偏向角の電圧制御が容易となることが可能となる。

常誘電相の誘電体結晶を用いた光偏向器へ入射した光が偏向している様子を示す図である。誘電率が場所によらず一定値である時の、ＫＴＮ結晶を用いた光偏向器の偏向角の電圧依存性を示す図である。従来の誘電体デバイスの構成を示す図である。従来の誘電体デバイスでの、時間と、ＫＴＮ結晶の温度と、ＫＴＮ結晶に印加される電圧との関係を示す図である。ＫＴＮ結晶の誘電率の温度依存性の一例を示す図である。従来の誘電体デバイスでの、ＫＴＮ結晶を用いた光偏向器へ入射した光が偏向している様子を示す図である。従来の誘電体デバイスでの、偏向角の電圧依存性を示す図である。本発明の一実施例に係る誘電体デバイスの構成を示す図である。本発明の一実施例に係る、ＫＴＮ結晶を用いた光偏向器へ入射した光が偏向している様子を示す図である。本発明の一実施例に係る、ＫＴＮ結晶のｘ方向における位置に対する、誘電率の分布、及び温度分布を示す図である。本発明の一実施例に係る誘電体デバイスにおける偏向角の電圧依存性を示す図である。本発明の実施例１に係る誘電体デバイスの構成を示す図である。本発明の実施例２に係る、ＫＴＮ結晶を用いた組立体の三面図である。本発明の実施例２に係る、高熱伝導性絶縁体の三面図である。本発明の実施例２に係る誘電体デバイスの正面図及び側面図である。本発明の別の実施例に係る誘電体デバイスの構成を示す図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施例について詳細に説明する。

［発明の基本構成］
図８に本発明の一実施例に係る誘電体デバイス８００の構成を示す。本発明の一実施例に係る誘電体デバイス８００では、ＫＴＮ結晶（誘電体）８０１が、第１の金属電極ブロック（第１の電極）８０２と第２の金属電極ブロック（第２の電極）８０３との間に設けられている。第１の金属電極ブロック８０２と第２の金属電極ブロック８０３を介して、ＫＴＮ結晶８０１に電圧を印加することができる。第１の金属電極ブロック８０２と、第２の金属電極ブロック８０３とは、同じ材料とし、及び同じサイズとする。

ＫＴＮ結晶８０１と、第１の金属電極ブロック８０２とは、良好な電気伝導性と熱伝導性とを有する第１の接合材料８０４を用いて接合されている。また、ＫＴＮ結晶８０１と、第２の金属電極ブロック８０２とは、同じく良好な電気伝導性と熱伝導性とを有する第２の接合材料８０５を用いて接合されている。第１の接合材料８０４及び第２の接合材料８０５の例として、導電性接着剤や、はんだが挙げられる。

第２の金属電極ブロック８０３には、第２の金属電極ブロック８０３の温度を測定する温度センサ部８０６が取り付けられている。また、第１の金属電極ブロック８０２と第２の金属電極ブロック８０３とには、温度調整を行うための温度調整素子８０７が第１の金属電極ブロック８０２及び第２の金属電極ブロック８０３に同時に接するように取り付けられている。温度調整素子は、注入電流量に応じて温度を調整できるペルチェ素子や、セラミックヒータなどであってもよい。温度調整素子８０７と、第１の金属電極ブロック８０２とは、良好な熱伝導性を有する第３の接合材料８０８を用いて接合されている。また、温度調整素子８０７と、第２の金属電極ブロック８０２とは、同じく良好な熱伝導性を有する第４の接合材料８０９を用いて接合されている。第３の接合材料８０８及び第４の接合材料８０９の例として、熱伝導性接着剤が挙げられる。温度調整素子８０７には、温度調整素子８０７から排出された熱を放散するヒートシンク８１０が取り付けられている。

第１の金属電極ブロック８０２及び第２の金属電極ブロック８０３には電源８１２が接続され、温度センサ部８０６及び温度調整素子８０７には温度調整素子制御部８１１が接続されている。なお、図８においては、温度センサ部８０６を第２の金属電極ブロック８０３に取り付けた構成が示されているが、第１の金属電極ブロック８０２に取り付けた構成としてもよい。

温度調整素子制御部８１１は、温度調整素子８０７に流れる電流を制御することにより第２の金属電極ブロック８０３の温度を制御する。電源８１２は、第１の金属電極ブロック８０２及び第２の金属電極ブロック８０３を介してＫＴＮ結晶８０１に電圧を印加する。

温度調整素子制御部８１１は、温度センサ部８０６の温度が一定温度Ｔ_０となるように温度調整素子８０７を用いて温度調整する。そのため、ＫＴＮ結晶８０１に交流電圧を印加していない場合、ＫＴＮ結晶８０１の温度は温度Ｔ_０となる。

電源８１２により、第１の金属電極ブロック８０２及び第２の金属電極ブロック８０３を介してＫＴＮ結晶８０１に交流電圧を印加する。交流電圧の印加開始後、ＫＴＮ結晶８０１の発熱によりＫＴＮ結晶８０１の温度が上昇する。そのため、ＫＴＮ結晶８０１から第１の金属電極ブロック８０２及び第２の金属電極ブロック８０３を通過し、温度調整素子８０７に向かう熱の流れが発生する。

図８において、ＫＴＮ結晶８０１で発生した熱は、第１の金属電極ブロック８０２及び第２の金属電極ブロック８０３へ流れる。第１の金属電極ブロック８０２側に熱が流れる第１のルートの熱の流れ（Ｋ）は、ＫＴＮ結晶８０１と第１の金属電極ブロック８０２との間の熱抵抗Ｒ_誘―左と、第１の金属電極ブロック８０２と温度調整素子８０７との間の熱抵抗Ｒ_左―ペとの和Ｒ_誘―左＋Ｒ_左―ペに主に支配される。

一方、第２の金属電極ブロック８０３側に熱が流れる第２のルートの熱の流れ（Ｍ）は、ＫＴＮ結晶８０１と第２の金属電極ブロック８０３との間の熱抵抗Ｒ_誘―右と、第２の金属電極ブロック８０３と温度調整素子８０７との間の熱抵抗Ｒ_右―ペとの和Ｒ_誘―右＋Ｒ_右―ペに主に支配される。

Ｒ_誘―左＋Ｒ_左―ペと、Ｒ_誘―右＋Ｒ_右―ペとが、おおよそ等しいのであれば、第１のルートの熱の流れ及び第２のルートの熱の流れもおおよそ等しくなる。第１のルートの熱の流れ及び第２のルートの熱の流れが等しくなる場合の誘電体デバイスの偏向動作を、図９から図１１を用いて説明する。

図９に本発明の一実施例に係る、ＫＴＮ結晶８０１を用いた光偏向器へ入射した光が偏向している様子を示す。ここで、ｄ’はＫＴＮ結晶８０１の厚み、ｘ方向における第２の金属電極ブロック８０３からの距離をｘ’’とする。光が入射されたＫＴＮ結晶８０１が電源８１２によって交流電圧が印加され、ＫＴＮ結晶８０１から出射される光は、偏向される。ＫＴＮ結晶８０１への印加電圧が＋Ｖ_０のとき、偏向角は−θ_２となり、ＫＴＮ結晶８０１への印加電圧が−Ｖ_０のとき、偏向角は＋θ_２となる。

図１０にＫＴＮ結晶８０１のｘ方向における位置に対する、誘電率の分布、及び温度分布を示す。図１０（ａ）にＫＴＮ結晶８０１のｘ方向における位置に対する、誘電率の分布を示す。また図１０（ｂ）にＫＴＮ結晶８０１のｘ方向における位置に対する、温度分布を示す。図１０（ｂ）において、ＫＴＮ結晶８０１の温度分布は、ｘ方向における距離ｘ’’がd’/2となる位置について対称となる。よって、誘電率εが場所によらず一定値とはならないが、図１０（ａ）において、誘電率分布は、ｘ方向における距離ｘ’’がd’/2となる位置について対称となる。よって、（式４）からわかるように、ＫＴＮ結晶８０１への印加電圧Ｖの符号が反転した時に、ＫＴＮ結晶８０１に入射された光の偏向角は、絶対値は変化せず符号のみ変化する。

図１１に本実施例に係る誘電体デバイス８００における偏向角の電圧依存性を示す。ＫＴＮ結晶８０１に振幅Ｖ_０の交流電圧が印加されると、偏向角の電圧依存性を示すグラフは、図１１に示す通り、原点に関し、点対称となる。

これにより、本実施例にかかる誘電体デバイス８００は、誘電体であるＫＴＮ結晶８０１と、ＫＴＮ結晶８０１を挟んで電圧を印加するための第１の金属電極ブロック８０２及び第２の金属電極ブロック８０３と、ＫＴＮ結晶８０１における温度を調整する温度調整素子８０７とを備えた誘電体デバイスであって、温度調整素子８０７は、第１の金属電極ブロック８０２及び第２の金属電極ブロック８０３と接合し、第１の金属電極ブロック８０２と第２の金属電極ブロック８０３とは、同じ材料及び同じサイズである構成となる。

尚、Ｒ_誘―左＋Ｒ_左―ペと、Ｒ_誘―右＋Ｒ_右―ペとを、等しくするためには、Ｒ_誘―左＝Ｒ_誘―右、並びに、Ｒ_左―ペ＝Ｒ_右―ペとすればよい。

Ｒ_誘―左＝Ｒ_誘―右とするためには、ＫＴＮ結晶８０１と第１の金属電極ブロック８０２とを取り付けるために用いる第１の接合材料８０４の面積と厚さと、ＫＴＮ結晶８０１と第２の金属電極ブロック８０３とを取り付けるために用いる第２の接合材料８０５の面積と厚さとを、等しくすればよい。

同様に、Ｒ_左―ペ＝Ｒ_右―ペとするためには、温度調整素子８０７と第１の金属電極ブロック８０２とを取り付けるために用いる第３の接合材料８０８の面積と厚さと、温度調整素子８０７と第２の金属電極ブロック８０３とを取り付けるために用いる第４の接合材料８０９の面積と厚さとを、等しくすればよい。

本実施例によれば、両金属電極ブロックとＫＴＮ結晶との間の熱抵抗が略等しくなり、また、両金属電極ブロックと温度調整素子との間の熱抵抗が略等しくなるため、ＫＴＮ結晶での発熱による熱を両側の金属電極ブロックから温度調整素子へ均等に流すことが可能となる。したがって、ＫＴＮ結晶内の温度分布の対称性が高まり、ＫＴＮ結晶内の誘電率の分布の対称性が高まる結果、偏向角の電圧依存性の対称性が高まり、偏向角の電圧制御が容易となることが可能となる。

なお、本実施例では、光偏向器としてＫＴＮ結晶を用いたが、リチウムをドープした（Ｋ_1-yＬｉ_yＴａ_1-xＮｂ_xＯ₃（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜０．１）：ＫＬＴＮ）結晶を光偏向器として用いても良い。

［実施例１］
図１２に本発明の実施例１に係る誘電体デバイス１２００の構成例を示す。実施例１に係る誘電体デバイス１２００は、図８に示した誘電体デバイス８００の構成において、第１の金属電極ブロック８０２及び第２の金属電極ブロック８０３と、温度調整素子８０７との間に、高い熱伝導性を有する絶縁体の板である高熱伝導性絶縁体（第１の絶縁体）１２０１を設けた構成になっている。第１の金属電極ブロック８０２及び第２の金属電極ブロック８０３と、高熱伝導性絶縁体１２０１とは、良好な熱伝導性を有する接合材料を用いて接合されている。また、高熱伝導性絶縁体１２０１と、温度調整素子８０７とは、良好な熱伝導性を有する接合材料を用いて接合されている。高熱伝導性絶縁体１２０１の例として、窒化アルミ(ＡｌＮ)の板が挙げられる。

図１２に示される誘電体デバイス２００において、ＫＴＮ結晶８０１として、サイズが４．０×３．２×１．２ｍｍ、ＮｂとＴａの組成比ｘ＝０．３９のＫＴＮ結晶を用いた。第１の設定温度Ｔ_０を、誘電率が１７５００となり、結晶構造が立方晶（常誘電相）となる温度である２８．７℃に設定した。４．０ｍｍ×３．２ｍｍの面にチタン電極を蒸着し、ＫＴＮ結晶８０１を第１の金属電極ブロック８０２と第２の金属電極ブロック８０３とで挟んだ。第１の金属電極ブロック８０２と第２の金属電極ブロック８０３のサイズは同じとし、第１の金属電極ブロック８０２と第２の金属電極ブロック８０３の材料は同じ銅とした。ＫＴＮ結晶８０１と第１の金属電極ブロック８０２及び第２の金属電極ブロック８０３とは、高熱伝導性（熱伝導率が数W/(m・K)のオーダー）を有する導電性接着剤で接着した。

ＫＴＮ結晶８０１に波長１．３μｍの光をｙ方向から入射させ、直流電圧（＋４００Ｖ（１０秒）、−４００Ｖ（１０秒））を第１の金属電極ブロック８０２及び第２の金属電極ブロック８０３を介して印加し、電子をＫＴＮ結晶８０１内に注入した後、周波数２００ｋＨｚ、７２０Ｖ（peak-to-peak）の正弦波電圧をＫＴＮ結晶８０１に印加したところ、出射光は印加した正弦波電圧に同期して、±ｘ方向に偏向した。出射光の偏向角は全角で９３．０ｍｒａｄであり、±ｘ方向に対称（４６．５ｍｒａｄずつ）に偏向していた。

尚、本実施例に係る誘電体デバイス８００では、ＫＴＮ結晶８０１として、ＫＴａ_1-xＮｂ_xＯ₃結晶（組成比ｘ＝０．３９）を用いたが、その他の組成比ｘ（０＜ｘ＜１）のＫＴａ_1-xＮｂ_xＯ₃結晶を用いてもよい。また、ＫＴＮ結晶８０１の代わりに、Ｋ_1-yＬｉ_yＴａ_1-xＮｂ_xＯ₃結晶（０＜ｙ＜０．１、０＜ｘ＜１）を用いても良い。

また、第１の金属電極ブロック８０２と高熱伝導性絶縁体１２０１とが、良好な熱伝導性を有する第３の接合材料８０８で接合され、また、第２の金属電極ブロック８０３と高熱伝導性絶縁体１２０１とが、良好な熱伝導性を有する第４の接合材料８０９で接合されてもよい。

［実施例２］
図１２に示した高熱伝導性絶縁体１２０１は、板状である必要は無く、例えば、ＫＴＮ結晶及び金属電極ブロックを覆うような形状をしていてもよい。

図１３に本発明の実施例２に係る、ＫＴＮ結晶を用いた組立体の三面図を示す。図１３（ａ）に組立体の正面図を示し、図１３（ｂ）に組立体の側面図を示し、図１３（ｃ）に組立体の平面図を示す。図１３に示す組立体１３００では、ＫＴＮ結晶１３０１が第１の金属電極ブロック１３０２と第２の金属電極ブロック１３０３とで電圧を印加するように第１の金属電極ブロック１３０２と第２の金属電極ブロック１３０３との間に設けられている。第１の金属電極ブロック１３０２と、第２の金属電極ブロック１３０３とは、同じ材料とし、及び同じサイズとする。

ＫＴＮ結晶１３０１と第１の金属電極ブロック１３０２とは、良好な電気伝導性と熱伝導性とを有する第１の接合材料１３０４で接合されている。また、ＫＴＮ結晶１３０１と第２の金属電極ブロック１３０３とは、同じく良好な電気伝導性と熱伝導性とを有する第２の接合材料１３０５で接合されている。

第１の金属電極ブロック１３０２及び第２の金属電極ブロック１３０３と、温度調整素子１３０６との間に、高い熱伝導性を有する絶縁体の板である高熱伝導性絶縁体１３０７ａが設けられている。高熱伝導性絶縁体１３０７ａと第１の金属電極ブロック１３０２とは、良好な熱伝導性を有する第３の接合材料１３０８で接合されている。また、高熱伝導性絶縁体１３０７ａと第２の金属電極ブロック１３０３とは、同じく良好な熱伝導性を有する第４の接合材料１３０９で接合されている。

図１４に本発明の実施例２に係る、高熱伝導性絶縁体の三面図を示す。図１４（ａ）に高熱伝導性絶縁体１４００の正面図を示し、図１４（ｂ）に高熱伝導性絶縁体１４００の側面図を示し、図１４（ｃ）に高熱伝導性絶縁体１４００の平面図を示す。高熱伝導性絶縁体１４００は、本実施例に係る誘電体デバイスを組み立てる都合により、高熱伝導性絶縁体１３０７ｂと高熱伝導性絶縁体１３０７ｃの２つに分割されている。図１４（ｂ）に示す高熱伝導性絶縁体１４００の側面図において、高熱伝導性絶縁体１３０７ｂ及び高熱伝導性絶縁体１３０７ｃには、光源からの光がＫＴＮ結晶１３０１へ入射可能となるように第１の開口部（Ｎ）が設けられている。図１４（ｃ）に示す高熱伝導性絶縁体１４００の平面図において、高熱伝導性絶縁体１３０７ｂ及び高熱伝導性絶縁体１３０７ｃには、第１の金属電極ブロック１３０２及び第２の金属電極ブロック１３０３の一部が外部に出るように第２の開口部（Ｏ）が設けられている。

図１５に、図１３に示す組立体１３００と、図１４に示す高熱伝導性絶縁体１４００とを組合せて作成した誘電体デバイスの一例を示す。図１５（ａ）に誘電体デバイス１３００の光の入射面を正面としたときの正面図を示し、図１５（ｂ）に誘電体デバイス１３００の側面図を示す。第１の金属電極ブロック１３０２及び第２の金属電極ブロック１３０３の先端部（Ｐ）を除き、第１の金属電極ブロック１３０２及び第２の金属電極ブロック１３０３を覆うように高熱伝導性絶縁体１３０７ｂ及び高熱伝導性絶縁体１３０７ｃが配置されている。第１の金属電極ブロック１３０２及び第２の金属電極ブロック１３０３の先端部（Ｐ）は、ＫＴＮ結晶１３０１に印加する電圧を供給する電源（不図示）を接続するための端子の役割を果たす。なお、先端部（Ｐ）が高熱伝導性絶縁体１３０７ｂ及び高熱伝導性絶縁体１３０７ｃ内に取り込まれる構造とし、第１の金属電極ブロック１３０２及び第２の金属電極ブロック１３０３の全体を高熱伝導性絶縁体１３０７ｂ及び高熱伝導性絶縁体１３０７ｃで覆うようにしてもよい。

高熱伝導性絶縁体１３０７ｂと、高熱伝導性絶縁体１３０７ｃと、温度調整素子１３０６とは、それぞれ接している。また、高熱伝導性絶縁体１３０７ｂと、高熱伝導性絶縁体１３０７ｃと、図１３に示す高熱伝導性絶縁体１３０７ａとは、それぞれ接している。

第１の金属電極ブロック１３０２とＫＴＮ結晶１３０１とが接合されている面と対向する面は、高熱伝導絶縁体１３０７ｂと接触している。また、第２の金属電極ブロック１３０３とＫＴＮ結晶１３０１とが接合されている面と対向する面は、高熱伝導絶縁体１３０７ｃと接触している。

図１５には示していないが、高熱伝導性絶縁体１３０７ｂ及び高熱伝導性絶縁体１３０７ｃの少なくともどちらか一方には、温度センサ部が取り付けられている。図１５には示していないが、温度調整素子１３０６には、ヒートシンクが取り付けられている。位置決めピン１５０１ａ、１５０１ｂ、１５０１ｃ、及び１５０１ｄは、２つに分割された高熱伝導絶縁体を精度よく位置決めするために用いている。

これにより、本実施例に係る誘電体デバイス１５００は、高熱伝導性絶縁体１３０７ａ、高熱伝導性絶縁体１３０７ｂ、及び高熱伝導性絶縁体１３０７ｃが、ＫＴＮ結晶１３０１と、第１の金属電極ブロック１３０２及び第２の金属電極ブロック１３０３とを覆うように構成された誘電体デバイスとなる。

ＫＴＮ結晶１３０１は、温度が制御された高熱伝導絶縁体１３０７ａ、高熱伝導絶縁体１３０７ｂ、及び高熱伝導絶縁体１３０７ｃに覆われており、ＫＴＮ結晶１３０１の温度分布がより均一になるだけではなく、温度制御に対する反応速度がよくなり、安定化までの時間を短くすることができるという利点がある。

また、第１の金属電極ブロック１３０２及び第２の金属電極ブロック１３０３のＫＴＮ結晶１３０１が接合されている面と対向する面は、高熱伝導絶縁体と接触しているため、ＫＴＮ結晶１３０１が接合されている面と対向する面の熱抵抗を小さくすることが可能という利点がある。

図１５では、高熱伝導性絶縁体１３０７ｂと高熱伝導性絶縁体１３０７ｃとが分離した構成を示しているが、両者は一体として形成され、ＫＴＮ結晶１３０１と、第１の金属電極ブロック１３０２及び第２の金属電極ブロック１３０３とを覆うように構成されていてもよい。

なお、本実施例では、第１の金属電極ブロック１３０２及び第２の金属電極ブロック１３０３には、高熱伝導性絶縁体１３０７ａが接しているが、温度調整素子１３０６が第１の金属電極ブロック１３０２及び第２の金属電極ブロック１３０３に同時に接するように取り付けられてもよい。その際、温度調整素子１３０６と第１の金属電極ブロック１３０２とが、第３の接合材料１３０８で接合され、温度調整素子１３０６と第２の金属電極ブロック１３０３とが、第４の接合材料１３０９で接合されてもよい。

［別の実施例］
図１６に本発明の別の実施例にかかる誘電体デバイスを示す。本発明の別の実施例にかかる誘電体デバイス１６００は、図８に示す誘電体デバイスの第１の金属電極ブロック８０２及び第２の金属電極ブロック８０３において、温度調整素子８０７が接合している面と対向する面に絶縁板（第２の絶縁体）１６０１を接合して設ける。本実施例の効果に関しては、図８に示した誘電体デバイスと同等のため、詳細な説明は省略する。

１０１、３０１、８０１、１３０１ＫＴＮ結晶
１０２、３０２、８０２、１３０２第１の金属電極ブロック
１０３、３０３、８０３、１３０３第２の金属電極ブロック
１０４、３０８、８１２電源
３００、８００、１２００、１５００、１６００誘電体デバイス
３０４、８０６温度センサ部
３０５、８０７、１３０６温度調整素子
３０６、８１０ヒートシンク
３０７、８１１温度調整素子制御部
３０９ａ、３０９ｂ、１２０１、１３０７ａ、１３０７ｂ、１３０７ｃ、１４００高熱伝導性絶縁体
８０４、１３０４第１の接合材料
８０５、１３０５第２の接合材料
８０８、１３０８第３の接合材料
８０９、１３０９第４の接合材料
１４００組立体
１５０１ａ、１５０１ｂ、１５０１ｃ、１５０１ｄ位置決めピン
１６０１絶縁板

Claims

誘電体と、該誘電体を挟んで電圧を印加するための第１の電極及び第２の電極と、前記誘電体における温度を調整する温度調整素子とを備えた誘電体デバイスであって、
前記温度調整素子は、前記第１の電極及び前記第２の電極と接合し、あるいは、第１の絶縁体を介して前記第１の電極及び前記第２の電極と接合し、
前記第１の電極と前記第２の電極は、同じ材料及び同じサイズであることを特徴とする誘電体デバイス。
第２の絶縁体をさらに備え、
前記第２の絶縁体は、前記第１の電極及び前記第２の電極と接合することを特徴とする請求項１に記載の誘電体デバイス。
前記第１の絶縁体は、前記誘電体と、前記第１の電極及び前記第２の電極とを覆うように構成されたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の誘電体デバイス。
前記第１の電極と前記誘電体とを接合する第１の接合材料と、前記第２の電極と前記誘電体とを接合する第２の接合材料と、前記第１の電極と前記温度調整素子あるいは前記第１の絶縁体とを接合する第３の接合材料と、前記第２の電極と前記温度調整素子あるいは前記第１の絶縁体とを接合する第４の接合材料とをさらに備え、
前記第１の接合材料の厚さと面積と、前記第２の接合材料の厚さと面積とがそれぞれ略等しく、
前記第３の接合材料の厚さと面積と、前記第４の接合材料の厚さと面積とがそれぞれ略等しいことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の誘電体デバイス。
前記誘電体は、タンタル酸ニオブ酸カリウム（ＫＴａ_1-xＮｂ_xＯ₃（０＜ｘ＜１））結晶、または、タンタル酸ニオブ酸カリウムにリチウムをドープした（Ｋ_１−ｙＬｉ_ｙＴａ_１−ｘＮｂ_ｘＯ_３（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜０．１））結晶であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の誘電体デバイス。