JP4579762B2

JP4579762B2 - 光デバイス

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Publication number: JP4579762B2
Application number: JP2005135755A
Authority: JP
Inventors: 敏洋伊藤; 和夫藤浦
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2005-05-09
Filing date: 2005-05-09
Publication date: 2010-11-10
Anticipated expiration: 2025-05-09
Also published as: JP2006313221A

Description

本発明は、光信号を制御する光デバイスに関するものである。

近年の高度情報化から、大容量の情報を高速に伝送できる通信システムが望まれており、そのような通信システムとして光通信技術を用いたシステムが有望である。近年はこのような光通信技術の発展により、光素子に対する要求も多様になり、また高度になってきている。

光通信システムの大容量、高速化ならびに高機能化に対して期待されている光デバイスとして、光スイッチや光変調器等があり、それら光デバイスに用いられる材料として、電気光学効果を有する材料（「電気光学材料」とも呼ぶ）が注目されている。最近では、電気光学材料として、高い電気光学定数を有するＫＴａ_１−ｘＮｂ_ｘＯ_３（０＜ｘ＜１）（ＫＴＮ）という材料が注目されている。

このＫＴＮという材料は、Ｎｂ／（Ｎｂ＋Ｔａ）比により、強誘電・常誘電転移温度を、−２７３℃から＋４７０℃まで変えることができる。また、この材料は、この転移温度近傍で大きな誘電率を持ち、またこのとき非常に大きな電気光学定数を有することで知られている。非特許文献１では、従来の、ＫＴＮを用いた光スイッチが記載されている。

図１は、非特許文献１に記載された、従来の光スイッチの温度制御の様子を示す図である。
図１において、ＫＴＮ材料を用いて導波路を形成し、それによってマッハツェンダー型の干渉計を構成して作製された光スイッチ１を挟むように、温度検知素子２とペルチェ素子３とが設けられている。また、温度検知素子２およびペルチェ素子３は、高精度温度制御回路４に導線などを介して電気的に接続（本明細書では、単に「電気的に接続される」とも呼ぶ）されている。図１の構成では、素子全体の温度制御にペルチェ素子３を用いてその温度を精密に制御している。すなわち、温度検知素子２によって検知された温度に関する電気信号に基づいて、高精度温度制御回路４は、ペルチェ素子３を制御する。

このように温度制御を行う理由は、光スイッチ１に用いられるＫＴＮ材料では、図２に示すように、相転移温度Ｔｃ付近で電位光学係数が高い温度依存性を示すために、ＫＴＮの温度を精度良く一定に保たないと、特性がずれてきてしまうためである。実際には、１℃以下で温度制御を行う必要があり、特に、相転移温度近くでは０．１℃程度の制度で温度制御を行う必要がある。

S. Toyoda et al, "LOW DRIVING VOLTAGE POLARIZATION-INDEPENDENT > 3 GHz-RESPONSE ELECTRO-OPTIC SWITCH USING KTN WAVEGUIDES" Proc. ECOC 2003

このように、従来では、精密な温度制御を実現するために、精度が高くかつ高速の温度制御を要し、コスト増の要因となっていた。

また、ＫＴＮ材料などの、デバイスを構成する材料において、結晶の不均一性のために場所によって相転移温度が異なる場合がある。そのような場合に、上記材料において、場所によって適切な温度に設定することが困難である。また、実際の製品に依って、上記材料において相転移温度がばらつく場合、高精度温度制御回路に対してそれぞれの素子に応じた温度に設定する必要があり、調整等に余計なコストが必要であった。

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、精密な温度制御を行わなくても、光デバイスを構成する電気光学材料の温度をほぼ一定に保つことが可能であり、かつ低コスト化を実現可能な光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記載の発明は、常誘電相と強誘電相との間で相転移を起こす電気光学材料を備え、常誘電相で動作させる光デバイスにおいて、交流駆動回路と、前記交流駆動回路に電気的に接続され、前記光デバイスに設けられ、該交流駆動回路から出力される交流電力により、前記電気光学材料の、少なくとも動作領域を含む領域の温度を上昇させる温度上昇手段とを備え、前記光デバイスは、前記電気光学材料に前記交流電力を印加して前記電気光学材料の相転移温度Ｔｃよりも高温まで前記電気光学材料を加熱するとともに、前記電気光学材料から放熱することによって、前記電気光学材料を前記Ｔｃよりも高い温度で一定温度に保持することができ、前記電気光学材料の電気光学係数と、誘電率虚部と、誘電率実部とは、前記Ｔｃまでは温度上昇とともに上昇し、前記Ｔｃを超えると温度上昇とともに下降し、前記Ｔｃ付近で高い温度依存性を示し、前記交流電力を前記温度上昇手段に印加することにより、前記電気光学材料の温度を上昇させ、前記動作領域の温度を、前記相転移を起こす相転移温度よりも高い温度にほぼ一定に保持することを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記温度上昇手段は、前記少なくとも動作領域を含む領域を前記電気光学材料の前記相転移温度よりも高い温度で保持できるように配置された、加熱用電極対であり、前記交流電力を前記温度上昇手段に印加することにより、前記電気光学材料自体を発熱させて、該電気光学材料の温度を上昇させ、前記動作領域の温度を、前記相転移を起こす相転移温度よりも高い温度にほぼ一定に保持することを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記温度上昇手段は、前記少なくとも動作領域を含む領域を前記電気光学材料の前記相転移温度よりも高い温度で保持できるように配置された加熱用抵抗体と、該加熱用抵抗体に直列に接続された電極対とを備え、前記交流電力を前記電極対および前記加熱用抵抗体に印加することにより、前記加熱用抵抗体を発熱させ、該発熱により前記電気光学材料の温度を上昇させ、前記動作領域の温度を、前記相転移を起こす相転移温度よりも高い温度にほぼ一定に保持することを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載の発明において、前記電気光学材料は、前記相転移温度が環境温度よりも高温になるように組成比が設定されていることを特徴とする。

請求項５記載の発明は、請求項１乃至４のいずれかに記載の発明において、前記光デバイスに設けられたペルチェ素子を更に備え、該ペルチェ素子により前記光デバイスの全体の温度を設定すると共に、前記交流電力を前記温度上昇手段に印加することにより、前記電気光学材料の温度を上昇させ、前記動作領域の温度を、前記相転移を起こす相転移温度よりも高い温度にほぼ一定に保持することを特徴とする。

請求項６記載の発明は、請求項１乃至５のいずれかに記載の発明において、前記電気光学材料は、ＫＴａ_１−ｘＮｂ_ｘＯ_３（０＜ｘ＜１）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、精密な温度制御を行わなくても、動作領域の温度を、光デバイスを構成する電気光学材料の相転移温度よりも高い温度に一定に保つことが可能となり、低コスト化を図ることが可能となる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、以下で説明する図面で、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
本発明の一実施形態では、常誘電と強誘電との間で相転移を起こす、電気光学材料からなる光デバイスの少なくとも一部分に、少なくとも一対の加熱用電極を形成し、その加熱用電極に交流電力（交流信号）を印加する。これにより、光デバイスを構成する電気光学材料の有する誘電正接（誘電率虚部）のために、結晶は加熱される。すなわち、加熱用電極に交流電力を印加することによって、電気光学材料自体を発熱させる。よって、光デバイスに形成された、加熱用電極対の各電極間の領域である、上記少なくとも一部分は発熱し、該少なくとも一部分から周囲の領域も上記加熱の（上記加熱の温度が伝わる等の）影響により温度が上昇する。このとき、上記発熱によって上記少なくとも一部分およびその周囲の領域の温度が上昇して、強誘電相から常誘電相への相転移温度（本明細書では、単に「相転移温度」とも呼ぶ）を超えると、温度が上昇するほど誘電率虚部は減少する。よって、温度上昇に従って発熱が抑制され、精密な温度制御を行わなくても、上記少なくとも一部分およびその周囲の領域の温度を、相転移温度以上の温度にほぼ一定に保つことが可能となる。また、精密な温度制御を行うための、高精度温度制御回路等が不要となるので、低コスト化を図ることが可能となる。

これにより、温度が相転移温度より若干高い温度に保たれることになり、場所による不均一性が緩和され、また、製品毎に設定温度を変える必要がなくなる。

上記構成において交流電力を印加することによっては、光デバイスの加熱のみが可能であるため、相転移温度が環境温度よりも低い材料や、設定温度が環境温度よりも低い場合では、ペルチェ素子による冷却が別途必要になる場合もある。しかしながら、この場合にあっても、光デバイスの少なくとも一部分およびその周囲の領域をほぼ一定の温度に保つための制御は、誘電率虚部の減少を利用して行うので、従来に比べて精密な温度制御は不要であり、ペルチェ素子を制御する回路としては、より精度が低く、低コストの温度制御回路で済むようになる。

なお、本明細書において、「環境温度」とは、光デバイスの周囲の環境の温度のことを指す。また、「設定温度」とは、相転移温度より高い温度であって、光デバイスの動作時に、光デバイスの動作領域に対して設定する所望の温度を指す。すなわち、設定温度は、光デバイスを構成する電気光学材料やその相転移温度、また光デバイスの設計等に応じて、すなわち、出力したい素子特性に応じて設定される。

また、本明細書において、「（光デバイスの）動作領域」とは、通過した光に対して、位相等の光の状態を変化させる領域であって、例えば、光スイッチや光変調器では、位相変調部分を指す。

加熱用電極対の各電極間が発熱領域になるので、加熱用電極対の配置は、所望の発熱領域を含むように形成すればよい。なお、本明細書において、「所望の発熱領域」とは、該領域を発熱させることによって、少なくとも動作領域を含む領域についても温度を上昇させることができ、相転移温度よりも高い温度まで温度を上昇させ、かつ該温度に保つことができる領域のことを指す。例えば、加熱用電極対を動作領域の近傍に配置する等して、加熱用電極対の各電極間の領域が動作領域を含まない場合は、その領域を発熱させることにより、相転移温度よりも高い温度まで温度を上昇させ、該温度に保つことができる、発熱領域の周囲の領域に動作領域が含まれるような領域が、所望の発熱領域となる。すなわち、加熱用電極対によって電界が印加される領域を発熱させることによって、その熱が伝わり、該伝わった熱によって、相転移温度よりも高い温度まで温度を上昇させ、該温度に保つことができる領域に動作領域が含まれるようにするのである。

本発明の一実施形態では、交流駆動回路からの交流電力を加熱用電極対に印加して所望の発熱領域に電界を印加することにより所望の発熱領域およびその周囲を発熱させる。すなわち、加熱用電極対によって所望の発熱領域およびその周囲を加熱するのである。その発熱（加熱）領域の熱が動作領域に伝わることで、動作領域の温度が上昇する。

よって、加熱用電極対の各電極対の間に動作領域を含まない場合は、加熱用電極対による光デバイスの加熱によって動作領域の温度が上昇、および一定に保たれるのではなく、その加熱による熱が伝わることによって動作領域の温度が上昇、および一定に保たれるのである。

また、本発明の一実施形態では、加熱用電極対の各電極の間の領域に、少なくとも動作領域の一部が含まれるように加熱用電極を配置しても良い。この場合は、所望の発熱領域は加熱用電極対の間の領域となる。よって、この場合は、加熱用電極対による光デバイスの加熱によって動作領域の温度が上昇、および一定に保たれる。

上述から分かるように、本発明の一実施形態で重要なことは、加熱用電極対に交流電力を印加することによって所望の発熱領域を発熱させ、その発熱によって動作領域の温度を上昇させ、一定の温度に保つことである。

なお、本発明の一実施形態では、加熱用電極の代わりに加熱用抵抗体を設けても良い。すなわち、本発明の一実施形態では、電気光学材料からなる光デバイスの少なくとも一部分に、交流電力により上記少なくとも一部分およびその周囲の領域を発熱させ、該発熱によって動作領域の温度を上昇させ、かつ一定の温度に保たせる手段を設けることが重要であって、そのために、加熱用電極や加熱用抵抗体を用いるのである。

なお、加熱用抵抗体を用いる場合は、抵抗体の発熱によって光デバイスの少なくとも一部分の温度を上昇させることになるので、該領域の発熱ではなく、抵抗体の発熱によって上記所望の発熱領域の温度は上昇することになる。

また、本発明の本質は、光デバイスの少なくとも一部分（例えば、動作領域）の温度を設定温度にほぼ一定に保つことであるので、光デバイスの種類は本質ではない。よって、本発明の一実施形態では、光デバイスは、例えば、光スイッチ、光変調器、光フィルタ、位相シフタ、Ｑスイッチ、デフレクタ等、動作領域を含む構成であればいずれの構成であっても良い。

また、本発明の一実施形態に係る光デバイスを構成する、常誘電と強誘電との間で相転移を起こす電気光学材料は、ＫＴＮを用いることができる。また、ＫＴＮに限らず、ＫＴＮと同じ挙動を示す材料であればいずれであっても良く、例えば、Ｋ_ｘＬi_１−ｘＴa_ｙＮｂ_１−ｙＯ₃（０＜ｘ＜１，０＜ｙ＜１）（ＫＬＴＮ）であっても良い。

（第１の実施形態）
図３は、本実施形態に係る、光デバイスの断面を示す図である。
図３において、光スイッチ１０は、ＫＴＮ材料からなるクラッド１１と、クラッド１１に埋め込まれ、クラッド１１よりも高い屈折率を有するＫＴＮ材料からなるコア１２とを備えている。クラッド１１上には、コア１２の長手方向に対して略平行になるように、位相変調用電極１３および１４がコア１２を挟むように配置されている。図３では、位相変調用電極１３および１４の間の、コア１２を含む領域が、動作領域となる。

動作領域の近傍、すなわち、位相変調用電極１４の近傍には、位相変調用電極１４に対して略平行になるように、グランド電極としての加熱用電極１５が配置されている。また、加熱用電極１５の近傍には、該加熱用電極１５に対して略平行になるように、高周波印加電極としての加熱用電極１６が配置されている。加熱用電極１５および１６はそれぞれ、高周波駆動する交流駆動回路１７に電気的に接続されている。図３では、加熱用電極１５および１６の間の領域が所望の発熱領域である。すなわち、加熱用電極１５および１６は、それらの電極間の領域を交流電力によって発熱させることにより、少なくとも動作領域を含む領域を、ＫＴＮ材料の相転移温度よりも高い温度まで発熱させ、かつ該温度に保つことができるように配置されている。

なお、本実施形態では、動作領域を含む領域を発熱させるために、一対の加熱用電極１５および１６を用いているが、複数の加熱用電極対を用いても良い。その場合は、例えば、動作領域を囲むように各加熱用電極対を配置したり、列状に各加熱用電極対を並べる等して、少なくとも動作領域を発熱させるように、複数の加熱用電極対を配置する。

このような構成において、交流駆動回路１７により、加熱用電極１５および１６に対して、振幅Ｖ_１の交流信号を印加して、加熱用電極１５および１６の間の領域を加熱し、動作領域を加熱する。
振幅＝Ｖ_１を一定とすると、電流は以下のように示される。
Ｉ_１＝Ｖ_１／Ｒ_ｐ
ここで、Ｉ_１は電流振幅、Ｒ_ｐはＫＴＮの抵抗成分（容量の虚部の寄与を含む）である。すると、発熱は以下のように記述できる（容量成分もあるが、発熱に寄与しないので無視する）。
Ｐ＝Ｖ_１＊Ｉ_１＝Ｖ_１ ^２／Ｒ_ｐ
ここで、直流成分が無視できる通常の場合を考えると、Ｒ_ｐは誘電率虚部Ｃ_ｉと角周波数ωとを用いて以下のように記述できる。
１／Ｒ_ｐ＝ωＣ_ｉ
Ｐ＝Ｖ_１ ^２＊ωＣ_ｉ
つまり、消費電力（発熱）Ｐは、容量の虚部で決まることになる。

ところが、ＫＴＮの誘電率虚部は、図４のような温度依存性を有する。従って、交流によって加熱を行った場合、誘電率虚部が放熱と釣り合うよう小さくなるまで動作領域の温度は上昇し続け、相転移温度よりも高い温度で一定の温度に保持される。

動作領域の温度上昇速度ｄＴ／ｄｔは以下のように記述される。
発熱Ｐと、放熱Ａ＝ＢΔＴ（Ｂ；ＫＴＮの熱抵抗、ΔＴ；動作領域の温度と環境温度との温度差）を用いて、以下のようにかける。
ｄＴ／ｄｔ＝Ｐ−Ａ＝Ｐ−ＢΔＴ
＝Ｖ_１ ^２＊ωＣ_ｉ−ＢΔＴ（式１）
つまり、十分大きな角周波数ωを用いれば、温度は、Ｃ_ｉが十分に小さくなるまで上昇し続けることになる。そして、
Ｖ_１ ^２＊ωＣ_ｉ＝ＢΔＴ（式２）
となる温度で、加熱用電極１５および１６の間の領域（所望の発熱領域）、つまり、動作領域において一定の温度が保持されることになる。

つまり、動作領域の温度が、材料の特性に応じて自律的にある一定の温度に落ち着くことになる。相転移温度からどの程度高い温度で落ち着くかは、Ｖ_１、ω、Ｂによって決まることになるため、Ｖ_１、ωによって調整することが可能である。すなわち、常誘電相で動作するように、設定温度をＫＴＮの相転移温度よりも高くなるように設定された振幅および角周波数の交流信号を、交流駆動回路１７は発生する。

本実施形態では、電気光学効果を用いた光デバイスとして、ＫＴＮを用いた光スイッチについて説明したが、上記光デバイスとして、ＫＴＮの常誘電相を用いた他のデバイスである、光フィルタ、Ｑスイッチ、デフレクタ等であっても良い。

なお、動作領域を設定温度にほぼ一定に保つためには、（式１）および（式２）から分かるように、放熱させることが重要である。本実施形態は、加熱機構だけを有するため、設定温度において放熱を起こさせるためには、動作時の素子の設定温度Ｔ_ｓｅｔの範囲は、環境温度Ｔ_ｅｎｖの範囲よりも高い必要がある（常に、Ｔ_ｅｎｖ＜Ｔ_ｓｅｔ）。このような温度の関係を満たすように、ＫＴＮ材料（電気光学材料）の組成比を設定すればよい。

また、光デバイスを常誘電相で用いるためには、相転移温度Ｔ_ｃについては、設定温度よりも多少低い程度の温度（Ｔ_ｃ＜Ｔ_ｓｅｔ）である必要がある。通常は、Ｔ_ｓｅｔは、Ｔ_Ｃ〜Ｔ_ｃ＋２０℃程度の範囲に設定する。

このように、本実施形態によれば、精密な温度制御を行わなくても、動作領域の温度を、相転移温度以上の温度にほぼ一定に保つことが可能となる。また、精密な温度制御を行うための、高精度温度制御回路等が不要となるので、低コスト化を図ることが可能となる。

なお、本実施形態では、加熱用電極１５、１６を、動作領域の近傍に配置しているが、この配置に限定されず、加熱用電極１５、１６を動作領域を含むように配置しても良い。すなわち、加熱用電極１５、１６を、位相変調用電極１３、１４が形成されている、クラッド１０の面に対向する面で、加熱用電極１５、１６の間の領域が動作領域を含むように配置しても良いし、また、位相変調用電極１３，１４を挟むように配置しても良い。また、加熱用電極１５、１６の間の領域が動作領域の一部を含むように、加熱用電極１５、１６を配置しても良い。

（第２の実施形態）
図５は、本実施形態に係る、光デバイスの断面を示す図である。
図５において、光スイッチ１０は、加熱用電極１６の近傍に配置された温度検知素子１８と、位相変調用電極１３、１４、加熱用電極１５、１６、および温度検知素子１７が形成された、クラッド１１の面に対向する面に形成されたペルチェ素子１９をさらに備えている。温度検知素子１８およびペルチェ素子１９はそれぞれ、低精度温度制御回路２０に電気的に接続されている。

このような構成において、温度検知素子１８から出力された検知温度に関する電気信号に基づいて、低精度温度制御回路２０はペルチェ素子１９を制御して、光スイッチ１０が設定温度よりも低い所定の温度を保つようにする。このようにすることによって、設定温度Ｔ_ｓｅｔが環境温度_ｅｎｖよりも低い場合であっても、ペルチェ素子１９により、光スイッチ１０の温度を設定温度Ｔ_ｓｅｔよりも低い温度まで冷却してから、交流電力による動作領域の発熱（加熱）を行うことによって、動作領域は設定温度Ｔ_ｓｅｔに保たれる。すなわち、交流駆動回路１７および加熱用電極１５、１６により、動作領域の温度の上昇および保持を行い、温度検知素子１８、ペルチェ素子１９および低精度温度制御回路２０により、光スイッチ１０の冷却を行う。

このように、本実施形態では、第１の実施形態の光スイッチと同様に、交流駆動回路１７を用いて材料自体を発熱させる。それに加えて、補助的に低精度の温度制御回路２０を備えている。これにより、第一の実施形態とは異なり、設定温度Ｔ_ｓｅｔは必ずしも環境温度Ｔ_ｅｎｖよりも高い必要がなく、環境温度に関係なく設定温度を自由に設定できる。

本実施形態では、第１の実施形態に加えて、温度制御回路（低精度温度制御回路２０）が余計に必要になるが、素子の実際の温度は、交流駆動回路１７による発熱で決まるため、この温度制御回路は、従来のように０．１℃の高速・高精度のものは必要でなく、５℃〜１０℃程度の範囲で低速でおおまかな温度を設定するものであれば良く、低コスト化が可能となる。

（第３の実施形態）
図６は、本実施形態に係る、光デバイスの断面を示す図である。
図６において、光スイッチ２１は、ＫＴＮ材料からなるクラッド２２と、クラッド２２に埋め込まれ、クラッド２２よりも高い屈折率を有するＫＴＮ材料からなるコア２３とを備えている。クラッド２２上には、コア２３の長手方向に対して略平行になるように、位相変調用電極２４および２５がコア２３を挟むように配置されている。図６では、位相変調用電極２４および２５の間の、コア２３を含む領域が、動作領域となる。

動作領域の近傍、すなわち、位相変調用電極２５の近傍には、位相変調用電極１４に対して略平行になるように、加熱用抵抗体２６が配置されている。また、加熱用抵抗体２６の近傍には、該加熱用抵抗体２６に対して略平行になるように、電極２７が配置されており、該電極２７の近傍には、電極２７に略平行になるように電極２８が配置されている。加熱用抵抗体２６と電極２７とは電気的に接続されている。また、加熱用抵抗体２６および電極２８はそれぞれ、低周波駆動する交流駆動回路２９に電気的に接続されている。このような構成において、加熱用抵抗体２６は抵抗として機能し、電極２７および２８はキャパシタンスとして機能して、加熱用電極２６、電極２７および２８を直列に接続した等価回路３０を構成する。

図６では、加熱用抵抗体２６が配置されている領域が所望の発熱領域である。すなわち、加熱用抵抗体２６は、それらの電極間の領域を交流電力によって発熱することにより、少なくとも動作領域を含む領域の温度を、ＫＴＮ材料の相転移温度よりも高い温度まで上昇させ、かつ該温度に保つことができるように配置されている。

なお、本実施形態では、動作領域を含む領域を発熱させるために、１個の加熱用抵抗体を用いているが、複数の加熱用抵抗体を用いても良い。

本実施形態では、第１および第２の実施形態のように、誘電率虚部を用いた動作領域の発熱ではなく、抵抗体を用いて動作領域を加熱する。
具体的には、図６のように、加熱用抵抗体２６を、電気光学材料に形成した電極２７および２８に直列に接続して交流で駆動する場合を考える。このとき、電極２７と電極２８との間には、容量の実部と虚部が寄与する。第１および第２の実施形態では、電気光学材料自体の発熱を考えたので容量の実部は無視したが、本実施形態では、加熱用抵抗体２６からの発熱を考えるため、容量の実部と虚部との双方が寄与する。しかし、実際の電気光学材料では装用が寄与する場合、実部のほうが虚部よりもはるかに大きいので、実部のみを考えれば十分である。

従って、このとき（加熱用抵抗体２６を、キャパシタンスとしての電極２７および２８に直列に接続して交流で駆動した場合）流れる電流は、加熱用抵抗体２６の抵抗をＲとし、ＫＴＮ材料の誘電率実部をＣ_ｐとすると、
Ｉ＝Ｖ／（Ｒ＋１／（ｉωＣ_ｐ））となり、発熱Ｐは、
Ｐ＝Ｒ｜Ｉ｜^２＝ＲＶ^２（Ｒ^２＋１／（ωＣ_ｐ）^２）^−１
となる。

すなわち、容量Ｃ_ｐが大きいほど、電流が増加して発熱Ｐも増える。ここで、図７に電気光学材料の誘電率実部の温度依存性を示す。図７に示される通り、相転移温度以上では、温度の上昇に従って誘電率実部が減少する。従って、誘電率実部に比例する電気容量Ｃ_ｐも減少する。そのため、電流が増加したとき、相転移点を越えた後は電気容量の減少に伴って発熱Ｐは減少する。その結果、第１および第２の実施形態と同様に、相転移温度より高い一定の温度で、材料の特性（相転移温度）に応じて自律的にある一定の温度に落ち着くことになる。

本実施形態では、素子の内部の相転移温度分布に従って加熱はできないが、製品毎の相転移のばらつきには対応した加熱が可能となる。また、加熱用抵抗体の抵抗値の設定を変えることにより、交流駆動電源を比較的自由に設計することができる。

従来技術による光スイッチの図である。ＫＴＮの電気光学係数の温度依存性を示した図である。本発明の第１の実施形態に係る、光デバイスを示す図である。ＫＴＮの誘電率虚部の温度依存性を示す図である。本発明の第２の実施形態に係る、光デバイスを示す図である。本発明の第３の実施形態に係る、光デバイスを示す図である。ＫＴＮの誘電率実部の温度依存性を示す図である。

１０、２１光スイッチ
１１、２２クラッド
１２、２３コア
１３、１４、２５、２６位相変調用電極
１５、１６加熱用電極
１７、２９交流駆動回路
１８温度検知素子
１９ペルチェ素子
２０低精度温度制御回路
２６加熱用抵抗体
２７、２８電極
３０等価回路

Claims

常誘電相と強誘電相との間で相転移を起こす電気光学材料を備え、常誘電相で動作させる光デバイスにおいて、
交流駆動回路と、
前記交流駆動回路に電気的に接続され、前記光デバイスに設けられ、該交流駆動回路から出力される交流電力により、前記電気光学材料の、少なくとも動作領域を含む領域の温度を上昇させる温度上昇手段とを備え、
前記光デバイスは、前記電気光学材料に前記交流電力を印加して前記電気光学材料の相転移温度Ｔｃよりも高温まで前記電気光学材料を加熱するとともに、前記電気光学材料から放熱することによって、前記電気光学材料を前記Ｔｃよりも高い温度で一定温度に保持することができ、
前記電気光学材料の電気光学係数と、誘電率虚部と、誘電率実部とは、前記Ｔｃまでは温度上昇とともに上昇し、前記Ｔｃを超えると温度上昇とともに下降し、前記Ｔｃ付近で高い温度依存性を示し、
前記交流電力を前記温度上昇手段に印加することにより、前記電気光学材料の温度を上昇させ、前記動作領域の温度を、前記相転移を起こす相転移温度よりも高い温度にほぼ一定に保持することを特徴とする光デバイス。
前記温度上昇手段は、前記少なくとも動作領域を含む領域を前記電気光学材料の前記相転移温度よりも高い温度で保持できるように配置された、加熱用電極対であり、
前記交流電力を前記温度上昇手段に印加することにより、前記電気光学材料自体を発熱させて、該電気光学材料の温度を上昇させ、前記動作領域の温度を、前記相転移を起こす相転移温度よりも高い温度にほぼ一定に保持することを特徴とする請求項１記載の光デバイス。
前記温度上昇手段は、前記少なくとも動作領域を含む領域を前記電気光学材料の前記相転移温度よりも高い温度で保持できるように配置された加熱用抵抗体と、該加熱用抵抗体に直列に接続された電極対とを備え、
前記交流電力を前記電極対および前記加熱用抵抗体に印加することにより、前記加熱用抵抗体を発熱させ、該発熱により前記電気光学材料の温度を上昇させ、前記動作領域の温度を、前記相転移を起こす相転移温度よりも高い温度にほぼ一定に保持することを特徴とする請求項１記載の光デバイス。
前記電気光学材料は、前記相転移温度が環境温度よりも高温になるように組成比が設定されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の光デバイス。
前記光デバイスに設けられたペルチェ素子を更に備え、
該ペルチェ素子により前記光デバイスの全体の温度を設定すると共に、前記交流電力を前記温度上昇手段に印加することにより、前記電気光学材料の温度を上昇させ、前記動作領域の温度を、前記相転移を起こす相転移温度よりも高い温度にほぼ一定に保持することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の光デバイス。
前記電気光学材料は、ＫＴａ１−ｘＮｂｘＯ３（０＜ｘ＜１）であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の光デバイス。