JP2022084969A - 光デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】電気光学材料の電気光学効果を高く維持することを容易にできる光デバイスを提供する。【解決手段】光デバイスは、直流電圧が印加される一対の電極と、前記一対の電極の間に位置する電気光学材料層と、前記電気光学材料層に流れる電流を計測する電流計と、前記電気光学材料層の加熱および冷却の少なくとも一方を行う加熱冷却素子と、前記直流電圧の値、および前記電流計によって計測される前記電流の値に基づいて、前記電気光学材料層を加熱または冷却させる制御回路とを備える。【選択図】図１Ａ

Description

本開示は、光デバイスに関する。

従来、電界を印加することによって屈折率が変化する電気光学効果を示す電気光学材料を光デバイスに利用することが提案されている（例えば、特許文献１および２）。電気光学材料の中でも、タンタル酸ニオブ酸カリウム（ＫＴａ_１－ｘＮｂ_ｘＯ_３：ＫＴＮ）は、例えばｘ＝０．３のとき、常温付近で高い電気光学効果を示す。

特開２００７－３９４７号公報 特開２００７－３９４９号公報

本開示は、電気光学材料の電気光学効果を高く維持することが容易な光デバイスを提供する。

本開示の一態様に係る光デバイスは、直流電圧が印加される一対の電極と、前記一対の電極の間に位置する電気光学材料層と、前記電気光学材料層に流れる電流を計測する電流計と、前記電気光学材料層の加熱および冷却の少なくとも一方を行う加熱冷却素子と、前記直流電圧の値、および前記電流計によって計測される前記電流の値に基づいて、前記加熱冷却素子を制御する制御回路と、を備える。

本開示によれば、電気光学材料の電気光学効果を高く維持することが容易になる。

図１Ａは、本開示の例示的な実施形態における光デバイスを模式的に示すＸ方向から見た側面図である。 図１Ｂは、本開示の例示的な実施形態における光デバイスを模式的に示すＹ方向から見た側面図である。 図２Ａは、ＫＴＮ単結晶のバルクの温度と抵抗値との関係を示す図である。 図２Ｂは、ＫＴＮ薄膜の温度と抵抗値との関係を示す図である。 図３Ａは、電気光学材料層のキュリー温度を決定する制御回路の動作のフローチャートである。 図３Ｂは、電気光学材料層の電気光学効果を調整する制御回路の動作のフローチャートである。 図３Ｃは、電気光学材料層の電気光学効果を調整する制御回路の動作のフローチャートである。 図４は、光デバイスが断熱材をさらに備える例を模式的に示す図である。 図５は、光デバイスが電磁シールドをさらに備える例を模式的に示す図である。 図６は、変形例における光デバイスを模式的に示す図である。 図７は、光デバイスの製造工程を示すフローチャートである。 図８は、マッハ・ツェンダー型の光スイッチングデバイスの例を模式的に示す平面図である。 図９Ａは、光フェーズドアレイの第１の例を模式的に示す図である。 図９Ｂは、光フェーズドアレイの第２の例を模式的に示す図である。 図１０は、ＫＴＮの温度と誘電率との関係を模式的に示す図である。

本開示の実施形態を説明する前に、本開示の基礎となった知見を説明する。

代表的な電気光学効果として、ポッケルス（Ｐｏｃｋｅｌｓ）効果、およびカー（Ｋｅｒｒ）効果が知られている。ポッケルス効果では、電気光学材料の屈折率の変化量が、印加される電界の大きさに比例する。カー効果では、電気光学材料の屈折率の変化量が、印加される電界の大きさの２乗に比例する。ポッケルス効果を示す電気光学材料には、例えば、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）、リン酸二水素カリウム（ＫＨ_２ＰＯ_４）、およびリン酸二水素アンモニウム（ＮＨ_４Ｈ_２ＰＯ_４）がある。カー効果を示す電気光学材料には、例えば、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ_３）、チタン酸カリウム（ＫＴａＯ_３）、およびＫＴＮがある。

カー効果を示す電気光学材料の屈折率をｎ_０、真空誘電率をε_０、比誘電率をε_ｒ、カー係数をｇ、印加される電界の大きさをＥとする。すると、電界印加による屈折率の変化量は、Δｎ＝－（ｇ／２）ｎ_０ ^３ε^２Ｅ^２として表される。カー係数ｇおよび比誘電率ε_ｒが大きいと、電界印加による屈折率の変化量Δｎも大きくなる。前述したカー効果を示す電気光学材料の中でも、ＫＴＮは、常温において、大きいカー係数ｇ、および大きい比誘電率ε_ｒを有する。例えば、カー係数ｇは、０．１ｍ^４Ｃ^－２程度のオーダーであり、比誘電率の最大値はε_ｒ＝１．０×１０^４程度のオーダーである。

図１０は、ＫＴＮの温度Ｔと比誘電率ε_ｒとの関係を模式的に示す図である。ＫＴＮは強誘電体である。強誘電体は、温度Ｔを高くすると、キュリー温度Ｔ_ｃで強誘電相から常誘電相への相転移を示す。強誘電体の比誘電率ε_ｒは、温度Ｔを高くすると、強誘電相ではキュリー温度Ｔ_ｃに近づくにつれて急峻に増加し、常誘電相では緩やかに減少する。図１０に示すように、比誘電率ε_ｒは、キュリー温度Ｔ_ｃにおいて最大化される。このため、高い電気光学効果を得るために、ＫＴＮの温度Ｔは、キュリー温度Ｔ_ｃ付近に調整される。比誘電率ε_ｒが急峻に変化する強誘電体相では、ＫＴＮの温度Ｔがキュリー温度Ｔｃから離れると、電気光学効果が急激に低くなる。一方、比誘電率ε_ｒが緩やかに変化する常誘電体相では、ＫＴＮの温度Ｔがキュリー温度Ｔｃから離れても、電気光学効果が急激に低くなることはない。したがって、常誘電体相において、ＫＴＮの温度Ｔを、キュリー温度Ｔ_ｃ付近に調整することにより、比誘電率ε_ｒを高い状態に維持することが容易にできる。ＫＴＮのキュリー温度Ｔ_ｃは、ＮｂとＴａとの組成比を適切な比に設定することにより、常温付近に設定することができる。以上の理由により、常温付近で高い電気光学効果を示すＫＴＮの光デバイスへの応用が期待されている。

比誘電率ε_ｒは、電気容量に反映される。特許文献１および特許文献２は、高い電気光学効果を得るために、計測した電気光学材料の電気容量に基づいてＫＴＮの温度Ｔを調整する技術を開示している。電気容量の計測用の一対の電極には、交流電圧が印加される。電気容量の計測には、ＬＣＲメータまたは電気化学測定システムが用いられる。このため、光デバイスの構造の複雑化を招く。

本発明者は、以上の検討に基づき、以下の項目に記載の光デバイスに想到した。

第１の項目に係る光デバイスは、直流電圧が印加される一対の電極と、前記一対の電極の間に位置する電気光学材料層と、前記電気光学材料層に流れる電流を計測する電流計と、前記電気光学材料層の加熱および冷却の少なくとも一方を行う加熱冷却素子と、前記直流電圧の値、および前記電流計によって計測される前記電流の値に基づいて、前記加熱冷却素子を制御する制御回路と、を備える。

この光デバイスでは、一対の電極に印加される電圧の値と、電流計によって計測される電流の値に基づいて、電気光学材料層が、加熱冷却素子によって加熱または冷却される。これにより、電気光学材料の電気光学効果を高く維持することが容易になる。

第２の項目に係る光デバイスは、第１の項目に係る光デバイスにおいて、前記制御回路が、前記直流電圧の値を変化させることにより、前記電気光学材料層の屈折率を変化させる。

この光デバイスでは、一対の電極が、電気光学材料層の抵抗値を計測するためだけでなく、電気光学材料層の屈折率を変化させるためにも用いられる。これにより、光デバイスの構造を簡単化することができる。

第３の項目に係る光デバイスは、第２の項目に係る光デバイスにおいて、前記屈折率の変化により、前記電気光学材料層を導波する光の位相を制御する。

この光デバイスでは、電気光学材料層を導波する光の位相を制御することができる。

第４の項目に係る光デバイスは、第１から第３の項目のいずれかに係る光デバイスにおいて、前記直流電圧が、直流パルス電圧である。

この光デバイスでは、直流パルス電圧のデューティ比を変えることにより、直流パルス電圧が平均化された値を、直流電圧の値として調整することができる。

第５の項目に係る光デバイスは、第１から第４の項目のいずれかに係る光デバイスにおいて、前記制御回路が、前記直流電圧の値と前記電流の値とから前記電気光学材料層の抵抗値を算出し、前記加熱冷却素子による加熱および冷却の少なくとも一方による前記抵抗値の変化に基づき、前記加熱冷却素子を制御する。

この光デバイスでは、直流電圧の値と電流の値に基づいて、加熱冷却装置を制御することができる。

第６の項目に係る光デバイスは、第１から第５の項目のいずれかに係る光デバイスにおいて、前記光デバイスが、温度計をさらに備える。前記制御回路は、動作開始時に、前記温度計によって計測された温度が基準温度よりも低いとき、前記加熱冷却素子に前記電気光学材料層を加熱させ、前記温度計によって計測された温度が基準温度よりも高いとき、前記加熱冷却素子に前記電気光学材料層を冷却させる。

この光デバイスでは、温度計により、動作開始時の電気光学材料層の温度を知ることができる。当該温度に基づいて、電気光学材料層を加熱または冷却することができる。

第７の項目に係る光デバイスは、第６の項目に係る光デバイスにおいて、前記電気光学材料層が、強誘電体によって構成されている。前記基準温度は、前記強誘電体のキュリー温度である。

この光デバイスでは、強誘電体によって構成されている電気光学材料層により、高い電気光学効果が得られる。

第８の項目に係る光デバイスは、第６または第７の項目に係る光デバイスにおいて、前記制御回路が、前記一対の電極に直流電圧を印加し、前記加熱冷却素子に、前記電気光学材料層を加熱または冷却させ、前記電気光学材料層を加熱または冷却することによる前記電流の値の変化、および前記直流電圧の値に基づいて、前記基準温度を決定する。

この光デバイスでは、電気光学材料層の温度依存性に基づいて、基準温度が決定される。

第９の項目に係る光デバイスは、第１から第８の項目のいずれかに係る光デバイスにおいて、前記加熱冷却素子が、ペルチェ素子を含む。

この光デバイスでは、ペルチェ素子を含む加熱冷却素子により、電気光学材料層が加熱または冷却される。

第１０の項目に係る光デバイスは、第１から第９の項目のいずれかに係る光デバイスにおいて、前記電気光学材料層の少なくとも一部を覆う断熱材をさらに備える。

この光デバイスでは、断熱材により、外気の温度変化に起因する電気光学材料層の温度変化を抑制することができる。

第１１の項目に係る光デバイスは、第１から第１０の項目のいずれかに係る光デバイスにおいて、前記電気光学材料層の少なくとも一部を覆う電磁シールドをさらに備える。

この光デバイスでは、電磁シールドにより、光デバイスの外部および／または加熱冷却素子からの電磁ノイズを遮蔽することができる。

第１２の項目に係る光デバイスは、第１から第１１の項目のいずれかに係る光デバイスにおいて、前記電気光学材料層が、タンタル酸ニオブ酸カリウムを含む。

この光デバイスでは、タンタル酸ニオブ酸カリウムを含む電気光学材料層により、常温付近で高い電気光学効果を得ることができる。

第１３の項目に係る光デバイスは、第１から第１２の項目のいずれかに係る光デバイスにおいて、前記電気光学材料層の厚さが、０．１μｍ以上１０μｍ以下である。

厚さが０．１μｍ以上１０μｍ以下である電気光学材料層により、電気光学材料層のコストを低くすることができる。

第１４の項目に係る光デバイスは、第１から第１３の項目のいずれかに係る光デバイスにおいて、前記電流計と、前記一対の電極の一方との間に、前記電気光学材料層の絶縁破壊防止用の抵抗器をさらに備える。

この光デバイスでは、上記の抵抗器により、一対の電極に高い電圧を印加しても、電気光学材料層の絶縁破壊を防止することができる。

第１５の項目に係る光デバイスは、直流電圧がそれぞれ印加される複数の電極対と、前記複数の電極対の各々の間に位置する、電気光学材料層と、各々が、前記複数の電極対のうちの対応する１つの電極対によって挟まれる前記電気光学材料層の部位に流れる電流を計測する複数の電流計と、各々が、前記複数の電極対のうちの対応する１つの電極対によって挟まれる前記電気光学材料層の部位の加熱および冷却の少なくとも一方を行う複数の加熱冷却素子と、前記複数の電極対の各々に印加される前記直流電圧の値、および前記複数の電流計の各々によって計測される前記電流の値に基づいて、前記複数の加熱冷却素子の各々を制御する制御回路と、を備える。

この光デバイスでは、複数の電極対の各々に印加される電圧の値と、複数の電流計の各々によって計測される電流の値に基づいて、複数の電極対のうちの対応する１つの電極対によって挟まれる電気光学材料層が、加熱冷却素子によって加熱または冷却される。これにより、当該電気光学材料の電気光学効果を高く維持することが容易になる。

本開示において、回路、ユニット、装置、部材または部の全部または一部、またはブロック図における機能ブロックの全部または一部は、例えば、半導体装置、半導体集積回路（ＩＣ）、またはＬＳＩ（ｌａｒｇｅ ｓｃａｌｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）を含む１つまたは複数の電子回路によって実行され得る。ＬＳＩまたはＩＣは、１つのチップに集積されてもよいし、複数のチップを組み合わせて構成されてもよい。例えば、記憶素子以外の機能ブロックは、１つのチップに集積されてもよい。ここでは、ＬＳＩまたはＩＣと呼んでいるが、集積の度合いによって呼び方が変わり、システムＬＳＩ、ＶＬＳＩ（ｖｅｒｙ ｌａｒｇｅ ｓｃａｌｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）、もしくはＵＬＳＩ（ｕｌｔｒａ ｌａｒｇｅ ｓｃａｌｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）と呼ばれるものであってもよい。ＬＳＩの製造後にプログラムされる、Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ（ＦＰＧＡ）、またはＬＳＩ内部の接合関係の再構成またはＬＳＩ内部の回路区画のセットアップができるｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ ｌｏｇｉｃ ｄｅｖｉｃｅも同じ目的で使うことができる。

さらに、回路、ユニット、装置、部材または部の全部または一部の機能または動作は、ソフトウェア処理によって実行することが可能である。この場合、ソフトウェアは１つまたは複数のＲＯＭ、光学ディスク、ハードディスクドライブなどの非一時的記録媒体に記録され、ソフトウェアが処理装置（ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）によって実行されたときに、そのソフトウェアで特定された機能が処理装置（ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）および周辺装置によって実行される。システムまたは装置は、ソフトウェアが記録されている１つまたは複数の非一時的記録媒体、処理装置（ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、および必要とされるハードウェアデバイス、例えばインターフェースを備えていてもよい。

以下、図面を参照しながら、本開示のより具体的な実施形態を説明する。ただし、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明および実質的に同一の構成に対する重複する説明を省略することがある。これは、以下の説明が不必要に冗長になることを避け、当業者の理解を容易にするためである。なお、発明者らは、当業者が本開示を十分に理解するために添付図面および以下の説明を提供するのであって、これらによって特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。以下の説明において、同一または類似する構成要素については、同じ参照符号を付している。

（実施形態）
図１Ａおよび図１Ｂは、本開示の例示的な実施形態における光デバイス１００を模式的に示す図である。以下の説明において、図１Ａおよび図１Ｂに示す互いに直交するＸ、Ｙ、Ｚ軸からなる座標系を用いる。説明の便宜上、＋Ｚ方向を「上方向」と称し、－Ｚ方向を「下方向」と称する。これらの呼称は、便宜上のものにすぎず、現実に使用される光デバイス１００の配置または姿勢を限定することを意図するものではない。

図１Ａは、＋Ｘ方向から見た光デバイス１００の構造を模式的に示している。図１Ｂは、－Ｙ方向から見た光デバイス１００の構造を模式的に示している。図１Ｂでは、図１Ａに示す構成要素の一部のみを示している。

光デバイス１００は、基板１０と、第１の電極２０ａおよび第２の電極２０ｂと、電気光学材料層３０と、電流計４０と、抵抗器４２と、加熱冷却素子５０と、温度計６０と、制御回路７０とを備える。基板１０、第１の電極２０ａ、電気光学材料層３０、第２の電極２０ｂは、この順に積層されている。

基板１０は、ＸＹ平面に平行な第１の面１０ｓ１および第２の面１０ｓ２を有する。第１の電極２０ａは、基板１０の第１の面１０ｓ１上に位置する。電気光学材料層３０は、第１の電極２０ａ上に位置する。第２の電極２０ｂは、電気光学材料層３０上に位置する。第１の電極２０ａおよび第２の電極２０ｂを、「一対の電極２０」と称することがある。電気光学材料層３０は、一対の電極２０の間に位置する。電流計４０は、第２の電極２０ｂに接続されている。電流計４０と第２の電極２０ｂとの間に抵抗器４２が接続されている。抵抗器４２は、電気光学材料層３０に過度に高い電圧が印加されることを防止するために設けられる。言い換えれば、抵抗器４２は、電気光学材料層３０の絶縁破壊防止のために設けられている。抵抗器４２は、必要に応じて設けられる。加熱冷却素子５０は、基板１０の第２の面１０ｓ２に接している。基板１０および加熱冷却素子５０には、それぞれ反りが存在する。このため、熱伝導性の接着剤を用いて、基板１０と加熱冷却素子５０とを固定してもよい。温度計６０は、例えば電気光学材料層３０の近傍に位置する。基板１０と、第１の電極２０ａおよび第２の電極２０ｂと、電気光学材料層３０と、加熱冷却素子５０とは、Ｘ方向に延びた構造を有する。

以下に、各構成要素をより具体的に説明する。

基板１０は、一対の電極２０、および電気光学材料層３０を支持する。基板１０は、例えば、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ_３：ＳＴＯ）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、五酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）からなる群から選択される少なくとも１つから形成され得る。基板１０は、不要であれば省略してもよい。

一対の電極２０には、直流電圧が印加される。第１の電極２０ａは接地され、第２の電極２０ｂには、電圧値Ｖ_ＤＣの直流電圧が印加される。これにより、一対の電極２０の間において、下方向に電界が発生する。当該電界により、電気光学材料層３０の屈折率が変化する。第２の電極２０ｂに加える電位は、正でも負でもよい。直流電圧は、直流パルス電圧であってもよい。直流パルス電圧のデューティ比を変えることにより、直流パルス電圧が平均化された値を、直流電圧の値として調整することができる。一対の電極２０は、後述するように、電気光学材料層３０の抵抗値Ｒの計測にも用いられる。一対の電極２０の少なくとも一方は、金属電極であってもよいし、透明電極であってもよい。第１の電極２０ａは、例えば、ルテニウム酸ストロンチウム（ＳｒＲｕＯ_３：ＳＲＯ）から形成された透明電極であり得る。第２の電極２０ｂは、例えば、スズドープ酸化インジウム（ＩＴＯ）から形成された透明電極であり得る。

電気光学材料層３０は、図１Ｂに示すように、全反射によって光３２をＸ方向に沿って伝搬させる光導波層として機能する。電界印加による電気光学材料層３０の屈折率の変化量Δｎにより、電気光学材料層３０内を伝搬する光３２の位相を変化させることができる。光３２の空気中での波長をλとし、電界を印加しないときの電気光学材料層３０の屈折率をｎ_０とし、電気光学材料層３０のＸ方向における長さをＬとし、電気光学材料層３０内を伝搬する前の光３２の位相をφ＝０とする。このとき、電気光学材料層３０内を伝搬した後の光３２の位相は、φ＝（２π／λ）（ｎ_０＋Δｎ）Ｌである。このうち、電界印加による光３２の位相の変化は、Δφ＝（２π／λ）ΔｎＬである。なお、一対の電極２０が透明電極から形成されているとき、光３２のロスは無視できる。電気光学材料層３０は、後述するように、バルクから形成されていてもよいし、薄膜から形成されていてもよい。薄膜の厚さは、例えば０．１ｕｍ以上１０ｕｍ以下であり得る。薄膜のコストは、バルクのコストよりも低い。電気光学材料層３０は、キュリー温度Ｔ_ｃを有する強誘電体を含む。電気光学材料層３０は、例えば、ＫＴＮから形成されている。

電流計４０は、一対の電極２０に直流電圧を印加することによって電気光学材料層３０に流れる電流を計測する。直流電圧の値と電流の値との比から、電気光学材料層３０の抵抗値Ｒが算出される。電気光学材料層３０は一般に高抵抗である。したがって、電気光学材料層３０の抵抗の計測には、４端子法を用いる必要はない。図１Ａに示すように、第１の電極２０ａおよび第２の電極２０ｂにそれぞれ接続された端子を用いる２端子法で十分である。電流計４０と第２の電極２０ｂとの間の抵抗器４２の抵抗値は、例えば５００ｋΩ以上である。これにより、電圧値Ｖ_ＤＣ＝３００Ｖの直流電圧が印加されても、電気光学材料層３０の絶縁破壊を防止することができる。なお、抵抗器４２は、光デバイス１００に必ずしも必要ではない。

加熱冷却素子５０は、電気光学材料層３０の加熱および冷却の少なくとも一方を行う。加熱冷却素子５０は、例えばペルチェ素子である。平板のペルチェ素子に電流を流すと、平板のうち、一方の面において発熱が生じ、他方の面において吸熱が生じる。電流の流れる方向を逆にすると、上記一方の面において吸熱が生じ、上記他方の面において発熱が生じる。図１Ａおよび図１Ｂに示す例では、加熱冷却素子５０は、基板１０および第１の電極２０ａを介して、電気光学材料層３０を加熱または冷却する。このとき、基板１０、第１の電極２０ａ、および電気光学材料層３０は、ほぼ同じ温度を有すると考えられる。

図１Ａおよび図１Ｂに示す例では、加熱冷却素子５０は、基板１０の第２の面１０ｓ２全体に接触している。これにより、電気光学材料層３０のうち、電界印加によって屈折率が変化する部分だけでなく、他の部分も加熱または冷却される。加熱冷却素子５０の配置は、図１Ａおよび図１Ｂに示す例に限定されない。加熱冷却素子５０は、電気光学材料層３０のうち、電界印加によって屈折率が変化する部分だけを加熱または冷却するように設けられていてもよい。あるいは、加熱冷却素子５０は、電気光学材料層３０のＸＺ平面に平行な面に直接接触していてもよい。

温度計６０は、電気光学材料層３０の周辺温度Ｔ_ａを計測する。加熱冷却素子５０による電気光学材料層３０の加熱または冷却を開始する動作前では、電気光学材料層３０の温度Ｔは、周辺温度Ｔ_ａとほぼ同じであると考えられる。したがって、温度計６０によって計測された周辺温度Ｔ_ａから、加熱冷却素子５０の動作前の電気光学材料層３０の温度Ｔを知ることができる。温度計６０は、アナログ温度計であってもよいし、デジタル温度計であってもよい。なお、温度計６０は、光デバイス１００に必ずしも必要ではない。

制御回路７０は、一対の電極２０に直流電圧を印加する。制御回路７０は、電流計４０によって電流を計測する。制御回路７０は、直流電圧の値、および電流計４０によって計測される電流の値に基づいて、電気光学材料層３０を加熱または冷却させる信号を加熱冷却素子５０に入力する。制御回路７０は、温度計６０によって周辺温度Ｔ_ａを計測する。図１Ａに示す矢印付きの破線は、制御回路７０と他の構成要素との信号の入出力を表している。制御回路７０の動作により、電気光学材料層３０の温度Ｔは、キュリー温度Ｔ_ｃに近づく。これにより、電気光学材料層３０の電気光学効果を高めることができる。制御回路７０の動作の詳細については、後述する。制御回路７０は、例えばデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）などのプログラマブルロジックデバイス（ＰＬＤ）、または中央演算処理装置（ＣＰＵ）もしくは画像処理用演算プロセッサ（ＧＰＵ）とコンピュータプログラムとの組み合わせによって実現されてもよい。

次に、電気光学材料層３０の温度Ｔと抵抗値Ｒとの関係を説明する。

図２Ａおよび図２Ｂは、それぞれ、ＫＴＮ単結晶のバルクおよびＫＴＮ薄膜の温度Ｔと抵抗値Ｒとの関係を示す図である。ＫＴＮ単結晶のバルクおよびＫＴＮ薄膜の各々の表面に、一対の電極が形成された。当該一対の電極に印加された電圧および電流が測定された。一対の電極の各々は、２００μｍの電極間ギャプを有する櫛形電極である。なお、櫛形電極の代わりに、平行平板の電極を用いてもよい。垂直の破線は、電気光学材料層３０のキュリー温度Ｔ_ｃを表している。電気光学材料層３０の抵抗値Ｒは、直流電圧の値と、電流計４０によって計測される電流の値との比から得られる。図２Ａに示す例では、ＫＴＮ単結晶のバルクのＺ方向における厚さは、５００μｍである。一対の電極には電圧値Ｖ_ＤＣ＝１００Ｖの直流電圧が印加された。図２Ｂに示す例では、ＫＴＮ薄膜のＺ方向における厚さは、１μｍである。一対の電極には電圧値Ｖ_ＤＣ＝２２０Ｖの直流電圧が印加された。

図２Ａに示す例では、ＫＴＮ単結晶のバルクのキュリー温度はＴ_ｃ≒３０℃であると推定される。ＫＴＮ単結晶のバルクの抵抗値Ｒは、Ｔ＝２５℃からＴ＝Ｔ_ｃまでの間において、温度上昇とともにほぼ単調に増加する。抵抗値Ｒの増加率は、温度上昇とともに大きくなる。抵抗値は、Ｔ＝Ｔ_ｃからＴ＝３５℃までの間でほぼ一定である。すなわち、ＫＴＮ単結晶のバルクの温度Ｔを上昇させると、キュリー温度Ｔ_ｃを境にして、抵抗値Ｒは増加しなくなる。これにより、ＫＴＮ単結晶のバルクのキュリー温度Ｔ_ｃを推定することができる。

図２Ｂに示す例では、ＫＴＮ薄膜のキュリー温度はＴ_ｃ≒２８℃であると推定される。ＫＴＮ薄膜の抵抗値Ｒは、Ｔ＝２０℃からＴ＝Ｔｃの間において、温度上昇とともにほぼ単調に増加する。抵抗値Ｒの増加率は、温度上昇とともに小さくなる。薄膜の温度特性は、結晶の温度特性と同様であると考えられる。ただし、本薄膜において、強誘電相では抵抗値の上昇率が緩やかになり、常誘電相では抵抗値が多少増減した。本薄膜でのこのような抵抗値の温度依存性は、薄膜の膜質に起因すると考えられる。以上のように、ＫＴＮ薄膜の温度Ｔを上昇させると、キュリー温度Ｔ_ｃを境にして、抵抗値Ｒは、増加から減少に転じる。これにより、ＫＴＮ薄膜のキュリー温度Ｔ_ｃを知ることができる。

図２Ａおよび図２Ｂに示すように、ＫＴＮの抵抗値Ｒは、キュリー温度Ｔ_ｃ付近において顕著に異なる温度依存性を有する。従来、特許文献１および特許文献２に開示されているように、ＫＴＮの電気容量が、キュリー温度Ｔ_ｃ付近において顕著に異なる温度依存性を有することは知られていた。これは、電気容量が、図１０に示す比誘電率ε_ｒに依存するからである。しかし、ＫＴＮの抵抗値Ｒが上記のような温度依存性を有することは想定されていなかった。本発明者は、電気光学材料層３０の温度Ｔと抵抗値Ｒとの関係に基づいて、ＫＴＮの電気光学効果を高く維持することを容易にできることを見出した。

以下に、制御回路７０の動作の詳細を説明する。

まず、電気光学材料層３０の電気光学効果を高く維持する動作の前に、電気光学材料層３０のキュリー温度Ｔ_ｃが推定される。

図３Ａは、電気光学材料層３０のキュリー温度Ｔ_ｃを決定する制御回路７０の動作のフローチャートである。

ステップＳ１０１において、制御回路７０は、一対の電極２０に直流電圧を印加する。ステップＳ１０２において、制御回路７０は、電気光学材料層３０に流れる電流を電流計４０によって計測する。ステップＳ１０３において、制御回路７０は、加熱冷却素子５０に、電気光学材料層３０を加熱または冷却させる。電気光学材料層３０を加熱または冷却することにより、電気光学材料層３０に流れる電流は変化する。電流計４０によって計測される電流の値の変化、および直流電圧の値から、電気光学材料層３０の抵抗値Ｒの変化がモニタされる。抵抗値Ｒの当該変化から、抵抗値Ｒの温度依存性を知ることができる。
ステップＳ１０４において、制御回路７０は、電気光学材料層３０の抵抗値Ｒの変化に基づいて、キュリー温度Ｔ_Ｃを推定する。キュリー温度Ｔ_ｃは、図２Ａおよび図２Ｂを参照して説明したように、電気光学材料層３０の温度Ｔと抵抗値Ｒとの関係に基づいて推定することができる。抵抗値Ｒの温度依存性から、電気光学材料層３０における結晶相の相転移点を推定し、相転移点に対応する温度がキュリー温度Ｔ_ｃであると推定することができる。

制御回路７０は、決定された電気光学材料層３０のキュリー温度Ｔ_ｃを、メモリなどの不図示の記憶媒体に記録してもよい。これにより、動作のたびに、その直前に電気光学材料層３０のキュリー温度Ｔ_ｃを求める必要がない。制御回路７０は、図２Ａおよび図２Ｂに示す電気光学材料層３０の温度Ｔおよび抵抗値Ｒとの関係を記憶媒体に記録してもよい。これにより、電気光学材料層３０の抵抗値Ｒの温度依存性から、電気光学材料層３０のキュリー温度Ｔ_ｃを推定することができる。記憶媒体は、制御回路７０に内蔵されていてもよいし、外部に設けられていてもよい。

次に、電気光学材料層３０のキュリー温度Ｔ_ｃが既知であるとして、電気光学材料層３０の温度Ｔを調整する動作の例を説明する。

図３Ｂは、電気光学材料層３０の電気光学効果を高く維持する制御回路７０の動作の例を示すフローチャートである。

ステップＳ２０１において、制御回路７０は、動作開始時に、電気光学材料層３０の周辺温度Ｔ_ａを、温度計６０によって計測する。温度計６０が電気光学材料層３０の近傍に配置されている場合、電気光学材料層３０の周辺温度Ｔ_ａは、電気光学材料層３０の温度Ｔに相当する。

ステップＳ２０２において、制御回路７０は、電気光学材料層３０の周辺温度Ｔ_ａがキュリー温度Ｔ_ｃよりも低いか否かを判定する。ステップＳ２０２における判定がＹｅｓの場合（Ｔ_ａ＜Ｔ_ｃ）、制御回路７０は、次のステップＳ２０３を実行する。

ステップＳ２０３において、制御回路７０は、加熱冷却素子５０に、電気光学材料層３０を加熱させる。

ステップＳ２０４において、制御回路７０は、電気光学材料層３０の抵抗値Ｒを計測し、電気光学材料層３０の抵抗値Ｒから決定される電気光学材料層３０の推定温度Ｔ_ｅが、キュリー温度Ｔ_ｃよりも高いか否かを判定する。ステップＳ２０４における判定がＮｏの場合（Ｔ_ｅ＜Ｔ_ｃまたはＴ_ｅ＝Ｔ_ｃ）、制御回路７０は、次のステップＳ２０５を実行する。

ステップＳ２０５において、制御回路７０は、電気光学材料層３０の推定温度Ｔ_ｅが、キュリー温度Ｔ_ｃよりも低いか否かを判定する。ステップＳ２０５における判定がＹｅｓの場合（Ｔ_ｅ＜Ｔ_ｃ）、制御回路７０は、ステップＳ２０３およびステップＳ２０４を再び実行する。ステップＳ２０５における判定がＮｏの場合（Ｔ_ｅ＝Ｔ_ｃ）、制御回路７０は、再びＳ２０４を実行する。

ステップＳ２０４における判定がＹｅｓの場合、制御回路７０は、次のステップＳ２０６を実行する。

ステップＳ２０６において、制御回路７０は、加熱冷却素子５０に電気光学材料層３０を冷却させる、または加熱冷却素子５０の動作を停止させる。電気光学材料層３０の冷却速度を考慮しないのであれば、加熱冷却素子５０の動作を停止して電気光学材料層３０を自然に冷ましてもよい。その後、制御回路７０は、ステップＳ２０４を再び実行する。

一方、ステップＳ２０２における判定がＮｏの場合（Ｔ_ａ＞Ｔ_ｃまたはＴ_ａ＝Ｔ_ｃ）、制御回路７０は、次のステップＳ２０７を実行する。

ステップＳ２０７において、制御回路７０は、電気光学材料層３０の周辺温度Ｔ_ａがキュリー温度Ｔ_ｃよりも高いか否かを判定する。ステップＳ２０２における判定がＮｏの場合（Ｔ_ａ＝Ｔ_ｃ）、制御回路７０は、ステップＳ２０２を再び実行する。ステップＳ２０７における判定がＹｅｓの場合（Ｔ_ａ＞Ｔ_ｃ）、制御回路７０は、次のステップＳ２０８を実行する。

ステップＳ２０８において、制御回路７０は、加熱冷却素子５０に、電気光学材料層３０を冷却させる。

ステップＳ２０９において、制御回路７０は、電気光学材料層３０の抵抗値Ｒを計測し、電気光学材料層３０の抵抗値Ｒから決定される電気光学材料層３０の推定温度Ｔ_ｅが、キュリー温度Ｔ_ｃよりも低いか否かを判定する。ステップＳ２０９における判定がＮｏの場合（Ｔ_ｅ＞Ｔ_ｃまたはＴ_ｅ＝Ｔ_ｃ）、制御回路７０は、次のステップＳ２１０を実行する。

ステップＳ２１０において、制御回路７０は、電気光学材料層３０の推定温度Ｔ_ｅが、キュリー温度Ｔ_ｃよりも高いか否かを判定する。ステップＳ２１０における判定がＹｅｓの場合（Ｔ_ｅ＞Ｔ_ｃ）、制御回路７０は、Ｓ２０８およびＳ２０９を再び実行する。ステップＳ２１０における判定がＮｏの場合（Ｔ_ｅ＝Ｔ_ｃ）、制御回路７０は、再びＳ２０９を実行する。

ステップＳ２０９における判定がＹｅｓの場合（Ｔ_ｅ＜Ｔ_ｃ）、制御回路７０は、次のステップＳ２１１を実行する。

ステップＳ２１１において、制御回路７０は、加熱冷却素子５０に電気光学材料層３０を加熱させる、または加熱冷却素子５０の動作を停止させる。電気光学材料層３０の加熱速度を考慮しないのであれば、加熱冷却素子５０の動作を停止して電気光学材料層３０を自然に温めてもよい。その後、制御回路７０は、ステップＳ２０９を再び実行する。

制御回路７０は、動作中、ステップＳ２０４またはステップＳ２０９を、例えば、１秒ごとに繰り返し実行する。制御回路７０は、ステップＳ２０１からステップＳ２１１のうちの任意のステップの後に動作を停止してもよい。

ステップＳ２０４、ステップＳ２０５、ステップＳ２０９、およびステップＳ２１０において、制御回路７０は、抵抗値Ｒから決定される電気光学材料層３０の推定温度Ｔ_ｅを、抵抗値Ｒに基づいて所定の演算式によって算出してもよい。あるいは、制御回路７０は、推定温度Ｔ_ｅを、抵抗値Ｒと推定温度Ｔ_ｅとの関係を示すデータテーブルを参照することによって決定してもよい。当該データテーブルは、不図示の記憶媒体に記録されている。

また、ステップＳ２０４、ステップＳ２０５、ステップＳ２０９、およびステップＳ２１０において、推定温度Ｔ_ｅを算出または参照する必要はない。抵抗値Ｒ自体、または、所定の加熱／冷却エネルギーに対する抵抗値Ｒの変化率を、予め記憶された閾値と比較することにより、電気光学材料層３０を加熱すべきか、冷却すべきかを決定してもよい。制御回路７０は、電気光学材料層３０の抵抗値Ｒが閾値よりも低い場合、電気光学材料層３０を加熱する。制御回路７０は、電気光学材料層３０の抵抗値Ｒが閾値よりも高い場合、電気光学材料層３０を冷却する。あるいは、制御回路７０は、電気光学材料層３０の抵抗値Ｒの変化率が閾値よりも高い場合、電気光学材料層３０を加熱する。制御回路７０は、電気光学材料層３０の抵抗値Ｒの変化率が閾値よりも低い場合、電気光学材料層３０を冷却する。

図３Ｂに示す動作により、制御回路７０は、電気光学材料層３０の温度Ｔをキュリー温度Ｔ_ｃ付近に調整することができる。これにより、電気光学材料層３０の電気光学効果を高く維持することができる。また、キュリー温度Ｔ_ｃの代わりに、キュリー温度Ｔ_ｃ以上の温度を基準温度Ｔ_ｓとして、電気光学材料層３０の温度Ｔを調整してもよい。これにより、電気光学材料層３０の温度Ｔが基準温度Ｔ_ｓ以下になっても、図１０に示すように比誘電率ε_ｒが緩やかに変化する常誘電相において、電気光学材料層３０の電気光学効果が急激に低くなることはない。キュリー温度Ｔ_ｃ以上である基準温度をＴ_ｓ＝Ｔ_ｃ＋ΔＴとすると、ΔＴは、例えば５℃以下に設定され得る。

図３Ｃは、電気光学材料層の推定温度を求めず、抵抗値Ｒにより直接に加熱冷却制御を行う場合の制御回路７０の動作を示すフローチャートである。この場合、必ずしも温度計を用いる必要はない。

ステップＳ３０１において、制御回路７０は、一対の電極２０に直流電圧を印加し、電流計４０により電気光学材料層３０に流れる電流を計測する。ステップＳ３０２において、制御回路７０は、加熱冷却素子５０に、電気光学材料層３０を加熱または冷却させる。ステップＳ３０３において、制御回路７０は、加熱または冷却に伴う電流値の変化に基づいて、温度変化に対する電気光学材料層３０の抵抗値の変化率をモニタする。ステップＳ３０４において、制御回路７０は抵抗値の変化率が予め定められた閾値よりも大きいか否かを判定する。ステップＳ３０４における判定がＹｅｓの場合、制御回路７０は、ステップＳ３０５を実行する。ステップＳ３０５において、制御回路７０は、加熱冷却素子５０に、電気光学材料層３０を加熱させる。ステップＳ３０４における判定がＮｏの場合、制御回路７０は、ステップＳ３０６を実行する。ステップＳ３０６において、制御回路７０は、加熱冷却素子５０に、電気光学材料層３０を冷却させる。ステップＳ３０５およびステップＳ３０６の後、制御回路７０は、再びステップＳ３０３を実行する。

図３Ｃに示す例によれば、電気光学材料層３０のキュリー温度Ｔ_ｃの値、および現在の温度が未知であっても、電気光学材料層３０の温度をキュリー温度Ｔ_ｃ付近に調整することができる。これにより、電気光学効果を高く維持することができる。

なお、図３Ｃに示す例においても、温度計により周辺温度Ｔ_ａを計測し、メモリに記憶された基準温度よりも高いか低いかにより、ステップＳ３０２において加熱すべきか冷却すべきかを決定してもよい。

本実施形態における光デバイス１００では、一対の電極２０は、屈折率を変化させるための電界印加の他に、電気光学材料層３０の抵抗値Ｒの計測にも用いることができる。これにより、光デバイス１００の構造を簡単化することができる。また、電界印加の位置と、抵抗値Ｒの計測の位置とが同じであることから、電気光学材料層３０中の結晶性のばらつきおよび／または組成比のばらつきに起因する電気光学材料層３０の各位置におけるキュリー温度Ｔ_ｃの違いを考慮する必要がない。また、抵抗値Ｒの計測には、交流電圧ではなく直流電圧が印加される。これにより、直流電圧と直流電流の比である抵抗値Ｒの計測が容易になる。

光デバイス１００は、以下の構成要素をさらに備えてもよい。

図４は、光デバイス１００が断熱材８０をさらに備える例を模式的に示す図である。図４では、一部の構成要素の図示が省略されている。断熱材８０は、電気光学材料層３０の少なくとも一部を覆う。図４に示す例では、図１Ａに示す電気光学材料層３０のうち、外気に触れる部分が、断熱材８０で覆われる。これにより、外気の温度変化に起因する電気光学材料層３０の温度変化を抑制することができる。断熱材８０は、電気光学材料層３０の上記の部分に直接接触する必要はない。さらに、図４に示すように、図１Ａに示す基板１０、第１の電極２０ａ、および第２の電極２０ｂのうち、外気に触れる部分を、断熱材で覆っていてもよい。これにより、外気の温度変化に起因する基板１０、第１の電極２０ａ、および、第２の電極２０ｂの温度変化を抑制することができる。その結果、外気の温度変化に起因する電気光学材料層３０の温度変化をさらに抑制することができる。断熱材８０は、基板１０、第１の電極２０ａ、および、第２の電極２０ｂの上記の部分に直接接触する必要はない。断熱材８０は、例えば、エポキシ樹脂から形成され得る。

図５は、光デバイス１００が電磁シールド９０をさらに備える例を模式的に示す図である。図５では、一部の構成要素の図示が省略されている。電磁シールド９０は、電気光学材料層３０の少なくとも一部を覆う。図５に示す例では、基板１０、第１の電極２０ａ、電気光学材料層３０、および第２の電極２０ｂが、電磁シールド９０で覆われている。これにより、光デバイス１００の外部および／または加熱冷却素子５０からの電磁ノイズを遮蔽することができる。その結果、電気光学材料層３０の抵抗を計測する際の電磁ノイズの影響を抑制することができる。電磁シールド９０は、電気光学材料層３０に直接接触する必要はない。電磁シールド９０は、銀、銅、金、アルミニウム、ニッケル、および鉄からなる群から選択される少なくとも１つから形成されている。なお、図５に示す電磁シールド９０の内部に、図４に示す断熱材８０を設けてもよい。

上記の例以外に、光デバイス１００の変形例として、複数の電極対によって電気光学材料層３０に直流電圧を印加してもよい。

図６は、変形例における光デバイス１１０を模式的に示す図である。図６では、一部の構成要素の図示が省略されている。図６に示す例では、図１Ａに示す第２の電極２０ｂの代わりに、第３の電極２０ｂａ、第４の電極２０ｂｂ、および第５の電極２０ｂｃが位置している。第３の電極２０ｂａ、第４の電極２０ｂｂ、および第５の電極２０ｂｃには、それぞれ、第１の電圧値Ｖ_ＤＣａ、第２の電圧値Ｖ_ＤＣｂ、および第３の電圧値Ｖ_ＤＣｃの直流電圧が印加される。第３の電極２０ｂａ、第４の電極２０ｂｂ、および第５の電極２０ｂｃの各々と、対向する第１の電極２０ａの一部とを、一対の電極と考えることができる。図６に示す例では、図１Ａに示す電流計４０の代わりに、第１の電流計４０ａ、第２の電流計４０ｂ、および第３の電流計４０ｃが設けられている。図６に示す例では、図１Ａに示す加熱冷却素子５０の代わりに、第１の加熱冷却素子５０ａ、第２の加熱冷却素子５０ｂ、および第３の加熱冷却素子５０ｃが位置している。

図６に示す例では、第３の電極２０ｂａ、第４の電極２０ｂｂ、および第５の電極２０ｂｃにより、電気光学材料層３０の３つの部分の屈折率を別々に変化させることができる。これにより、電気光学材料層３０の上記３つの部分をそれぞれ伝搬する光の位相を別々に調整することができる。第１の電圧値Ｖ_ＤＣａ、第２の電圧値Ｖ_ＤＣｂ、および第３の電圧値Ｖ_ＤＣｃがすべて等しいとき、電気光学材料層３０の上記３つの部分の屈折率の変化量は等しい。第１の電圧値Ｖ_ＤＣａ、第２の電圧値Ｖ_ＤＣｂ、および第３の電圧値Ｖ_ＤＣｃのうちの少なくとも一部が異なるとき、電気光学材料層３０の上記３つの部分の屈折率の変化量のうちの少なくとも一部が異なる。第１の電圧値Ｖ_ＤＣａ、第２の電圧値Ｖ_ＤＣｂ、および第３の電圧値Ｖ_ＤＣｃがすべて異なるとき、電気光学材料層３０の上記３つの部分の屈折率の変化量はすべて異なる。

図６に示す例では、第１の電流計４０ａ、第２の電流計４０ｂ、および第３の電流計４０ｃ、ならびに、第１の加熱冷却素子５０ａ、第２の加熱冷却素子５０ｂ、および第３の加熱冷却素子５０ｃにより、電気光学材料層３０の上記３つの部分の温度を別々に調整することができる。

図６に示す光デバイス１１０では、電気光学材料層３０の上記３つの部分での結晶性および／または組成比が異なる場合、上記３つの部分でのキュリー温度Ｔ_ｃが異なる可能性がある。この場合でも、上記３つの部分の温度をそれぞれのキュリー温度Ｔ_ｃ付近に調整することにより、高い電気光学効果を得ることができる。電気光学材料層３０の上記３つの部分は、分離していてもよい。

以上のように、本変形例における光デバイス１１０は、複数の電極対と、電気光学材料層３０と、複数の加熱冷却素子と、制御回路７０とを備える。複数の電極対には、直流電圧がそれぞれ印加される。複数の電極対の各々の間に、電気光学材料層３０が位置する。複数の加熱冷却素子の各々は、複数の電極対のうちの対応する１つの電極対によって挟まれる電気光学材料層３０の部位の加熱および冷却の少なくとも一方を行う。制御回路７０は、電気光学材料層３０の当該部位の抵抗値に基づいて、電気光学材料層３０の当該部位を加熱または冷却させる信号を複数の加熱冷却素子の各々に入力する。電気光学材料層３０の当該部位の抵抗値は、複数の電極対の各々に印加される直流電圧の値と、複数の電流計の各々によって計測される電流の値との比によって決定される。電気光学材料層３０の当該部位を加熱または冷却する制御回路７０の動作は、図３Ａおよび図３Ｂに示す通りである。

（製造方法）
以下に、光デバイス１００の製造方法を説明する。

図７は、光デバイス１００の製造工程を示すフローチャートである。光デバイス１００の製造方法は、以下のステップＳ４０１からステップＳ４０５を含む。

ステップＳ４０１において、ＳＴＯ基板が用意される。ＳＴＯ基板は、図１Ａに示す基板１０に相当する。ステップＳ４０２において、ＳＴＯ基板の第１の面上に、ＳＲＯ薄膜およびＫＴＮ薄膜がエピタキシャル成長によって形成される。ＳＲＯ薄膜は、図１Ａに示す第１の電極２０ａに相当する。ＫＴＮ薄膜は、図１Ａに示す電気光学材料層３０に相当する。成膜には、ＰＬＤ（Ｐｕｌｓｅｄ Ｌａｓｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）装置が用いられる。ＰＬＤ装置の真空チャンバ内に、ＳＴＯ基板と、ＳＲＯから形成されたターゲットとが対向して配置される。対向距離は２５ｍｍである。真空チャンバ内を真空排気した後Ｏ_２ガスを注入することにより、真空チャンバ内の圧力が１Ｐａになる。ＳＴＯ基板は６５０℃に加熱される。ＳＲＯから形成されたターゲットは、エキシマレーザで照射される。これにより、ＳＴＯ基板の第１の面１０ｓ１上に、ＳＲＯ薄膜がエピタキシャル成長によって形成される。同様の手法により、ＳＲＯ薄膜が第１の面１０ｓ１上に形成されたＳＴＯ基板が８００℃に加熱され、ＫＴＮから形成されたターゲットがエキシマレーザで照射される。これにより、ＳＲＯ薄膜上に、ＫＴＮ薄膜がエピタキシャル成長によって形成される。冷却後、ＳＲＯ薄膜およびＫＴＮ薄膜を含むＳＴＯ基板が、真空チャンバから取り出される。

ステップＳ４０３において、高周波スパッタ装置を用いて、ＫＴＮ薄膜上にＩＴＯ薄膜が形成される。ＩＴＯ薄膜は、図１Ａに示す第２の電極２０ｂに相当する。高周波スパッタ装置の真空チャンバ内に、ＳＴＯ基板と、ＩＴＯから形成されたターゲットが対向して配置される。対向距離は７０ｍｍである。当該ＳＴＯ基板は、ＳＲＯ薄膜、およびスパッタリング用のメタルマスクが貼り付けられたＫＴＮ薄膜を含む。メタルマスクが貼り付けられた箇所には、ＩＴＯ薄膜は形成されない。これにより、ＩＴＯ薄膜が形成される。メタルマスクは必ずしも必要ではない。真空チャンバ内を真空排気した後Ｏ_２ガスを注入することにより、真空チャンバ内の圧力が１Ｐａになる。ＲＦパワー１３７Ｗで１７０秒スパッタリングすることにより、膜厚１００ｎｍのＩＴＯ薄膜が、ＫＴＮ薄膜上に形成される。

ステップＳ４０４において、ＳＴＯ基板の第２の面１０ｓ２に、加熱冷却素子５０が取り付けられる。ステップＳ４０５において、ＩＴＯ薄膜に、図１Ａに示す電流計４０が取り付けられる。

（応用例）
本実施形態における光デバイス１００では、制御回路７０は、一対の電極２０に印加される直流電圧の値を変化させることにより、電気光学材料層３０の屈折率を変化させる。これにより、電気光学材料層３０内を伝搬する光３２の位相が変化する。前述したように電気光学材料層３０の温度Ｔを適切に調整することにより、電気光学材料層３０の電気光学効果を高く維持することができる。その結果、光３２の位相を大きく変化させることができる。以下に、光３２の位相の変化を利用した応用例を説明する。

本実施形態における光デバイス１００は、例えば、マッハ・ツェンダー（Ｍａｃｈ－Ｚｅｈｎｄｅｒ）型の光スイッチングデバイスに適用することができる。図８は、マッハ・ツェンダー型の光スイッチングデバイス２００の例を模式的に示す平面図である。光スイッチングデバイス２００は、入力導波路２００ａ、分岐された２つの光導波路２００ｂ、および出力導波路２００ｃを備える。分岐された２つの光導波路２００ｂは、入力導波路２００ａと出力導波路２００ｃとの間に位置する。図８に示す例では、入力導波路２００ａ側の分岐点Ａ、および出力導波路２００ｃ側の分岐点Ｂでの光の反射は考慮されない。分岐された２つの光導波路２００ｂのうち、一方の光導波路は、本実施形態における光デバイス１００を含む。

当該一方の光導波路内を伝搬する光の位相は、他方の光導波路内を伝搬する光の位相と比較して、Δφ＝（２π／λ）ΔｎＬだけシフトする。光デバイス１００における一対の電極２０に印加する直流電圧の値がＶ_ＤＣ＝０Ｖのとき、Δφ＝０である。このとき、分岐された２つの光導波路２００ｂからそれぞれ出力された光の位相は、同位相である。このため、同位相の２つの光が出力導波路２００ｃに入力すると、当該２つの光は重なり合う。したがって、出力導波路２００ｃから出力された光の強度Ｉ_ｏｕｔは、入力導波路２００ａに入力された光の強度Ｉ_ｉｎに等しい。

一方、光デバイス１００における一対の電極２０に印加する直流電圧の値がＶ_ＤＣ≠０Ｖのとき、Δφ＝πにすることができる。このとき、分岐された２つの光導波路２００ｂからそれぞれ出力された光の位相は、逆位相になる。このため、逆位相の２つの光が出力導波路２００ｃに入力すると、当該２つの光は打ち消しあう。したがって、出力導波路２００ｃから出力された光の強度Ｉ_ｏｕｔは０になる。

以上のように、光デバイス１００における一対の電極２０に印加する直流電圧を変化させることにより、光スイッチングデバイス２００の出力導波路２００ｃから出力された光の強度Ｉ_ｏｕｔを、Ｉ_ｉｎから０まで連続的に調整することができる。

また、本実施形態における光デバイス１００は、例えば、光フェーズドアレイ３００に適用することができる。図９Ａおよび図９Ｂは、光フェーズドアレイ３００の例を模式的に示す図である。光フェーズドアレイ３００は、Ｙ方向に配列された複数の光導波路３００ｗを備える。複数の光導波路３００ｗの各々は、本実施形態における光デバイス１００を含む。複数の光導波路３００ｗからそれぞれ出力された複数の光は、互いに干渉する。これにより、光フェーズドアレイ３００から出力された干渉光は、特定の方向に伝搬する。図９Ａおよび図９Ｂに示す例において、破線は、複数の光導波路３００ｗからそれぞれ出力された複数の光の波面を表している。実線は、光フェーズドアレイ３００から出力された干渉光の波面を表している。図９Ａおよび図９Ｂに示す例において、複数の光導波路３００ｗは、等間隔で配列されているが、異なる間隔で配列されていてもよい。

図９Ａに示す例では、光デバイス１００における一対の電極２０に印加する直流電圧の値がＶ_ＤＣ＝０Ｖのとき、複数の光導波路３００ｗから出力される光の位相は、同位相である。したがって、光フェーズドアレイ３００から出力された干渉光は、複数の光導波路３００ｗが延びるＸ方向と同じ方向に伝搬する。

図９Ｂに示す例では、光デバイス１００における一対の電極２０に印加する直流電圧の値を調整することにより、複数の光導波路３００ｗから出力される光の位相は、Ｙ方向に沿ってΔφずつ増加する。したがって、光フェーズドアレイ３００から出力された干渉光は、複数の光導波路３００ｗが延びるＸ方向とは異なる方向に伝搬する。

以上のように、光デバイス１００における一対の電極２０に印加する直流電圧を変化させることにより、光フェーズドアレイ３００から出力された干渉光の伝搬方向を調整することができる。すなわち、光ビームスキャンが可能になる。さらに、光フェーズドアレイ３００は、特定方向から入射する光を検出することも可能である。図９Ａおよび図９Ｂに示す例では、光フェーズドアレイ３００は、矢印とは逆の方向から入射した光を検出することができる。

光フェーズドアレイ３００は、例えば、ＬｉＤＡＲ（Ｌｉｇｈｔ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｒａｎｇｉｎｇ）システムなどの光スキャンシステムおよび／または光検出システムにおけるアンテナとして用いられ得る。ＬｉＤＡＲシステムでは、ミリ波などの電波を用いたレーダシステムと比較して、可視光、赤外線、または紫外線などの短波長の電磁波が用いられる。このため、物体の距離分布を高い分解能でスキャンおよび検出することができる。そのようなＬｉＤＡＲシステムは、例えば自動車、ＵＡＶ（Ｕｎｍａｎｎｅｄ Ａｅｒｉａｌ Ｖｅｈｉｃｌｅ、所謂ドローン）、またはＡＧＶ（Ａｕｔｏｍａｔｅｄ Ｇｕｉｄｅｄ Ｖｅｈｉｃｌｅ）などの移動体に搭載され、衝突回避技術の１つとして使用され得る。

本開示の実施形態における光デバイスは、例えば、マッハ・ツェンダー型の光スイッチングデバイス、または自動車、ＵＡＶ、もしくはＡＧＶなどの車両に搭載されるＬｉＤＡＲシステムの用途に利用できる。

１０ ：基板
１０ｓ１ ：第１の面
１０ｓ２ ：第２の面
２０ ：電極
２０ａ ：第１の電極
２０ｂ ：第２の電極
２０ｂａ ：第３の電極
２０ｂｂ ：第４の電極
２０ｂｃ ：第５の電極
３０ ：電気光学材料層
３２ ：光
４０ ：電流計
４０ａ ：第１の電流計
４０ｂ ：第２の電流計
４０ｃ ：第３の電流計
４２ ：抵抗器
５０ ：加熱冷却素子
５０ａ ：第１の加熱冷却素子
５０ｂ ：第２の加熱冷却素子
５０ｃ ：第３の加熱冷却素子
６０ ：温度計
７０ ：制御回路
８０ ：断熱材
９０ ：電磁シールド
１００、１１０ ：光デバイス
２００ ：光スイッチングデバイス
２００ａ ：入力導波路
２００ｂ ：分岐された２つの光導波路
２００ｃ ：出力導波路
３００ ：光フェーズドアレイ
３００ｗ ：複数の光導波路

Claims (15)

1. 直流電圧が印加される一対の電極と、
   前記一対の電極の間に位置する電気光学材料層と、
   前記電気光学材料層に流れる電流を計測する電流計と、
   前記電気光学材料層の加熱および冷却の少なくとも一方を行う加熱冷却素子と、
   前記直流電圧の値、および前記電流計によって計測される前記電流の値に基づいて、前記加熱冷却素子を制御する制御回路と、
   を備える光デバイス。
2. 前記制御回路は、前記直流電圧の値を変化させることにより、前記電気光学材料層の屈折率を変化させる、請求項１に記載の光デバイス。
3. 前記屈折率の変化により、前記電気光学材料層を導波する光の位相を制御する、
   請求項２に記載の光デバイス。
4. 前記直流電圧は、直流パルス電圧である、
   請求項１から３のいずれかに記載の光デバイス。
5. 前記制御回路は、前記直流電圧の値と前記電流の値とから前記電気光学材料層の抵抗値を算出し、前記加熱冷却素子による加熱および冷却の少なくとも一方による前記抵抗値の変化に基づき、前記加熱冷却素子を制御する、
   請求項１から４のいずれかに記載の光デバイス。
6. 前記光デバイスは、温度計をさらに備え、
   前記制御回路は、動作開始時に、
   前記温度計によって計測された温度が基準温度よりも低いとき、前記加熱冷却素子に前記電気光学材料層を加熱させ、
   前記温度計によって計測された温度が基準温度よりも高いとき、前記加熱冷却素子に前記電気光学材料層を冷却させる、
   請求項１から５のいずれかに記載の光デバイス。
7. 前記電気光学材料層は、強誘電体によって構成され、
   前記基準温度は、前記強誘電体のキュリー温度である、
   請求項６に記載の光デバイス。
8. 前記制御回路は、
   前記一対の電極に直流電圧を印加し、
   前記加熱冷却素子に、前記電気光学材料層を加熱または冷却させ、
   前記電気光学材料層を加熱または冷却することによる前記電流の値の変化、および前記直流電圧の値に基づいて、前記基準温度を決定する、
   請求項６または７に記載の光デバイス。
9. 前記加熱冷却素子は、ペルチェ素子を含む、
   請求項１から８のいずれかに記載の光デバイス。
10. 前記電気光学材料層の少なくとも一部を覆う断熱材をさらに備える、
    請求項１から９のいずれかに記載の光デバイス。
11. 前記電気光学材料層の少なくとも一部を覆う電磁シールドをさらに備える、
    請求項１から１０のいずれかに記載の光デバイス。
12. 前記電気光学材料層は、タンタル酸ニオブ酸カリウムを含む、
    請求項１から１１のいずれかに記載の光デバイス。
13. 前記電気光学材料層の厚さは、０．１μｍ以上１０μｍ以下である、
    請求項１から１２のいずれかに記載の光デバイス。
14. 前記電流計と、前記一対の電極の一方との間に、前記電気光学材料層の絶縁破壊防止用の抵抗器をさらに備える、
    請求項１から１３のいずれかに記載の光デバイス。
15. 直流電圧がそれぞれ印加される複数の電極対と、
    前記複数の電極対の各々の間に位置する、電気光学材料層と、
    各々が、前記複数の電極対のうちの対応する１つの電極対によって挟まれる前記電気光学材料層の部位に流れる電流を計測する複数の電流計と、
    各々が、前記複数の電極対のうちの対応する１つの電極対によって挟まれる前記電気光学材料層の部位の加熱および冷却の少なくとも一方を行う複数の加熱冷却素子と、
    前記複数の電極対の各々に印加される前記直流電圧の値、および前記複数の電流計の各々によって計測される前記電流の値に基づいて、前記複数の加熱冷却素子の各々を制御する制御回路と、
    を備える光デバイス。

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