JP4819415B2 - 光デバイス - Google Patents

Description

本発明は電気光学効果を利用する光デバイスに関する。より詳細には、本発明は、電気光学効果を利用する光デバイスにおける光素子の温度制御に関する。

コンピュータや情報家電などを含む様々な端末がネットワークに接続され、通信の形態が多様化している。このような状況下、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、高い電気光学係数を有するＫＴａ_１−ｘＮｂ_ｘＯ_３（０＜ｘ＜１）（ＫＴＮ）という材料が注目されている。さらに、この材料の大型の結晶が作製可能になったためにその応用が注目されている。

このＫＴＮという材料は、Ｎｂ／（Ｎｂ＋Ｔａ）比（本明細書では、単に「組成」とも呼ぶ）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。

図１に、電気光学材料の電気光学係数の温度依存性の例を示す。この材料は常誘電・強誘電相転移温度（Ｔ_ｃ）（本明細書では、単に「相転移温度」とも呼ぶ）において相転移をおこすこと、この相転移温度近傍で大きな誘電率を持つこと、および、この相転移温度近傍で非常に大きな電気光学係数を有し、電気光学効果が最大になることが知られている。また、この材料の電気光学効果は、常誘電・強誘電相転移温度近傍で用いた場合に非常に大きいことが知られている。

また、この材料を応用した光スイッチが知られている（非特許文献１参照）。図２に、非特許文献１に記載された光スイッチの構成を示す。
図２に示す光スイッチは、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素子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、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２の構成では、光素子１の温度制御にペルチェ素子３を用いてその温度を制御している。すなわち、温度制御回路４は、温度検知素子２によって検知された光素子１の温度に関する電気信号に基づいて、ペルチェ素子３を制御する。

温度制御回路４は、光素子１の温度を相転移温度よりも高い温度に一定に保持するように、ペルチェ素子３を制御する。このように光素子１の温度を制御することで、光スイッチの電気光学効果の特性がずれることを防止している。

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

しかし、ＫＴａ_1-ｘＮｂ_ｘＯ_３は製造上、Ｎｂ／（Ｔａ＋Ｎｂ）比を完全に均一とすることが困難である。したがって、組成の不均一に起因して、同一の光素子の異なる場所における相転移温度（Ｔ_Ｃ）にばらつきが生じることは避けられない。

図３に、同一の光素子の２つの場所１および２についての、電気光学係数を測定した結果を示す。場所１および２の相転移温度Ｔ_Ｃ1およびＴ_Ｃ2は、組成の不均一に起因して、相違する温度を示す。その結果、同一の光素子における異なる場所１および２では、温度が同一であっても、電気光学係数が異なり、場所１および２の電気光学効果の特性も異なる。

また、図示のように、光素子の電気光学係数は、相転移温度Ｔ_Ｃ1およびＴ_Ｃ2付近で大きく変化する。したがって、光素子の場所１および２の温度を相転移温度Ｔ_Ｃ1またはＴ_Ｃ2に近い温度に一様に制御すると、場所１および２における電気光学係数が大きく異なり、場所１および２の電気光学効果の特性が不均一になり、最大の特性を引き出すことができなくなって、その結果として光素子全体の特性が低下するという問題があった。

例えば、光素子の両端である場所１および２における組成がそれぞれｘ１およびｘ２であったとして、組成ｘ１およびｘ２に応じた相転移温度がＴ_Ｃ1およびＴ_Ｃ2（Ｔ_Ｃ1＜Ｔ_Ｃ2）であったとする。そのとき、光素子の温度を一様にＴ_Ｃ1に設定したとすると、場所２では、相転移温度からＴ_Ｃ1−Ｔ_Ｃ2だけ離れた点に温度が設定されることになり、電気光学係数が相転移温度に設定した場合に比べて低下してしまう。

相転移温度が場所１から場所２まで一様に変化していたと仮定し、温度変化に伴う電気光学係数の変化も線形であって場所１から場所２まで一様に変化していたという近似をし、さらに場所２での電気光学係数が場所１に比べて半分になっている状況を仮定すると、場所１から場所２にわたる光デバイス全体として、実効的な電気光学係数は（１＋０．５）／２＝０．７５となり、全体が相転移温度に設定されたときと比べて約２５％低下してしまうことになる。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、１つの光素子内の複数の場所における相転移温度が異なる光素子、あるいは組成および温度に依存する電気光学係数を有する材料で形成された光素子を用いても、電気光学効果の特性を均一にすることができる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、電気光学効果を有し、相転移温度で常誘電・強誘電相転移を起こす材料で形成された光素子を有する光デバイスであり、前記光素子内の第１の場所と第２の場所の間で前記材料の組成にばらつきがあるため、前記第１の場所の相転移温度と前記第２の場所の相転移温度が異なるが、前記光素子の前記第１の場所と前記第２の場所の電気容量が等しい温度において、前記光素子の前記第１の場所と前記第２の場所の電気光学係数が等しい光デバイスであって、前記光素子の材料の電気光学係数が、前記光素子の材料の電気容量と同様の温度依存性を有し、前記光素子の前記第１の場所の電気容量を測定する第１の容量測定手段と、前記光素子の前記第２の場所の電気容量を測定する第２の容量測定手段と、前記第１の場所の温度を前記第１の場所の相転移温度よりも高い温度に調整する第１の温度調整手段と、前記第２の場所の温度を前記第２の場所の相転移温度よりも高い温度に調整する第２の温度調整手段と、測定される前記第１の場所の電気容量が予め定められた第１の値となる温度に、前記第１の場所の温度を保持するように前記第１の温度調整手段を制御する第１の温度制御手段と、測定される前記第２の場所の電気容量が予め定められた第２の値となる温度に、前記第２の場所の温度を保持するように前記第２の温度調整手段を制御する第２の温度制御手段とを備え、前記第１の場所の電気容量の予め定められた第１の値と前記第２の場所の電気容量の予め定められた第２の値とが等しいことを特徴とする。

請求項１に記載の光デバイスにおいて、前記材料を、ＫＴａ_1-ｘＮｂ_ｘＯ₃（０＜ｘ＜１）、または、Ｋ_1-yＬｉ_yＴａ_1-ｘＮｂ_ｘＯ₃（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）とすることができる。

以上説明したように、本発明によれば、相転移温度が異なる光素子内の２つの場所の温度を、それぞれ制御して保持することにより、１つの光素子内の２つの場所における相転移温度が異なる光素子、あるいは組成および温度に依存する電気光学係数を有する材料で形成された光素子を用いても、電気光学効果の特性を均一にすることができる光デバイスを提供することができる。

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し、その繰り返しの説明は、省略する。

本発明の光デバイスは、相転移温度で常誘電・強誘電相転移を起こす材料で形成された光素子を有し、相転移温度が異なる光素子内の複数の場所の温度を、それぞれ制御して保持する。これにより、１つの光素子内の複数の場所における相転移温度がそれぞれ異なる光素子、あるいは組成および温度に依存する電気光学係数を有する材料で形成された光素子を用いても、一様な電気光学効果を有する光デバイスを提供することができる。

また、本発明の光デバイスは、相転移温度が異なる光素子内の複数の場所の電気容量を測定し、測定された電気容量に基づいてそれぞれの場所の温度を制御して保持するように構成することもできる。

材料の電気光学係数と温度の関係は、図３に示したように単一のピークをもつため、所望の電気光学係数を得ることができる温度は、相転移温度をはさんで２つある。このため、常誘電相で用いる場合には、光素子の温度を、常に相転移温度より高くする必要がある。

例えば、光素子の所望の場所の各々について、あらかじめの相転移温度を調べておき、それぞれの場所の温度を、相転移温度よりも高い温度に制御するように、温度制御回路を構成することができる。あるいは、それぞれの場所について、温度を十分に上げてから、徐々に温度を下げ、電気光学係数が増加する範囲で、所望の電気光学係数となる温度に制御するように、温度制御回路を構成するようにしても良い。

本発明に係る光デバイスは、電気光学効果を有する光素子を用いるデバイスであれば、光スイッチ、光変調器、Ｑスイッチ、ディフレクタなどのいずれであってもよい。

また、光素子を形成する材料としては、常誘電・強誘電相転移を起こす材料であって、組成と温度に依存する電気光学効果を有する材料であれば、ＫＴＮ（ＫＴａ_1-ｘＮｂ_ｘＯ_３）（０＜ｘ＜１）、ＫＬＴＮ（Ｋ_1-yＬｉ_yＴａ_1-ｘＮｂ_ｘＯ_３）（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）のいずれでもよく、あるいはＰＬＺＴ（ランタン添加チタン酸ジルコン酸鉛）等の他の材料であってもよい。

また、本発明に係る光デバイスは、例えば、光スイッチや光変調器など、光素子の電気光学効果を利用する光デバイスである。したがって、光デバイスは、光素子を電気的に駆動する電極を備え、電気光学効果により通過する光の位相などの状態を変化させる領域（本明細書において、単に「動作領域」とも呼ぶ。）を有する。例えば、本発明の光デバイスが光スイッチや光変調器として実施された場合には、動作領域は位相変調部を指す。

本発明に係る光デバイスは、光素子内の動作領域を含む複数の領域（本明細書において、単に「場所」とも呼ぶ。）の温度をそれぞれ制御する。

本発明は、電気光学効果を有し、相転移温度で常誘電・強誘電相転移を起こす材料で形成された光素子を有する光デバイスであって、光素子の第１の場所の温度を調整する第１の温度調整手段と、光素子の第２の場所の温度を調整する第２の温度調整手段とを備える。この結果、第１の場所と第２の場所の相転移温度が相違する大きさの結晶の光素子を用いても、第１の場所と第２の場所の電気光学係数を最大かつ一様に制御することができ、光デバイスにおける電気光学効果の特性を均一にすることができる。

＜参考例＞
図４に、本発明に係る光デバイスの参考例を示す。本参考例の光デバイスは、ＫＴＮ材料を用いて導波路を形成した光素子１を挟むように、温度検知素子２−１および２−２と、温度調整素子８−１および８−２とが設けられている。温度検知素子２−１と温度調整素子８−１は、温度制御回路９−１に導線などを介して電気的に接続されている。どうように、温度検知素子２−２と温度調整素子８−２は、温度制御回路９−２に導線などを介して電気的に接続されている。

本参考例では、温度検知素子２−１および２−２は、光素子１の２つの場所の温度を測定し、測定した温度に基づいて、光素子１の２つの場所の温度がそれぞれ調整される。温度制御回路９−１および９−２は、温度検知素子２−１および２−２で測定される温度があらかじめ定められた電気光学係数を示す温度で一定になるように、ペルチェ素子等の温度調整素子８−１および８−２を制御して光素子１の２つの場所の温度を一定に保持する。これによって、一定の電気光学効果が得られるように光素子１を制御することが可能になる。

本参考例では、光素子の２つの場所について、あらかじめ電気光学係数と温度の関係を調べることによって、２つの場所における電気光学係数が同程度の値になる温度を求めておく。温度制御回路９−１および９−２は、それぞれの場所の温度があらかじめ求められた温度になるように、温度調整素子８−１および８−２を制御する。

図５に示すように、場所Ａおよび場所Ｂについて電気光学係数と温度の関係を調べ、それぞれの場所において電気光学係数の値がＲとなる温度Ｔ_ＡおよびＴ_Ｂを求めておく。温度制御回路９−１および９−２は、温度検知素子２−１および２−２でそれぞれ測定される場所ＡおよびＢの温度が、各々あらかじめ求められた温度Ｔ_ＡおよびＴ_Ｂで一定に保持されるように、温度調整素子８−１および８−２をそれぞれ制御する。これにより、場所Ａおよび場所Ｂの電気光学係数の値がＲとなり、一様の電気光学効果を得ることができるようになる。

また、温度制御回路としては、アナログ制御回路、ディジタル制御回路のいずれでも良い。また、温度検知素子２から温度制御回路９に素子１の温度の情報を伝えるのは電圧および電流のようなアナログ信号あるいはディジタル信号などのいずれであってもよい。

温度調整素子８としては、ペルチェ素子、薄膜ヒータ等のいずれかあるいはこれらを併用したものなど、光素子１の温度を調整できるものであればいずれでもよい。

本参考例では光素子内の２つの場所の温度を制御しているが、必要に応じて３つ以上の場所の温度を制御してもよい。

＜実施の形態１＞
図６に、本発明に係る光デバイスの実施形態を示す。本実施形態の光デバイスは、ＫＴＮ材料を用いて導波路を形成した光素子１と、光素子１に設けられた電極５−１および６−１間の電気容量を測定する容量測定回路１２−１と、光素子１に設けられた電極５−２および６−２間の電気容量を測定する容量測定回路１２−２と、容量測定回路（１２−１および１２−２）によって測定された電気容量に基づいて、光素子１の温度を制御する温度制御回路９と、温度制御回路からの指示により光素子１の温度を調整する温度調整素子８−１および８−２とが設けられている。温度制御回路９は、容量測定回路（１２−１および１２−２）および温度調整素子（８−１および８−２）の各々と、電気的に接続されている。

本実施形態では、光素子１の温度を検知する温度検知素子を用いる代わりに、容量測定回路（１２−１および１２−２）で光素子１の場所１および２の電気容量（つまり誘電率）を測定し、測定した電気容量に基づいて、光素子１の場所１および２の温度が調整される。温度制御回路９は、容量測定回路（１２−１および１２−２）でそれぞれ測定される場所１および２の電気容量が、各々あらかじめ定められた電気容量で一定になるように、温度調整素子（８−１および８−２）をそれぞれ制御して光素子１の場所１および２の温度を一定に保持する。これによって、一定の電気光学効果が得られるように光素子１を制御することが可能になる。

図７（ａ）にＫＴＮ材料の電気光学係数の温度依存性を示し、図７（ｂ）に電気容量の温度依存性の例を示す。電気光学係数は、誘電率に依存するために、電気容量と同様の温度依存性を有する。本発明の光デバイスは、光素子の温度を検知する代わりに、電気容量の温度依存性を利用する、すなわち、光素子の電気容量を測定し、測定した電気容量に基づいて、光素子の温度を制御する。

つまり、温度制御回路９が、測定される光素子１の場所１および２の電気容量が予め定められた値になるように、光素子の温度を制御することによって、光素子の電気光学係数を一定とすることができる。このようにすることで、光素子における材料の組成のばらつきにかかわらず、光デバイスの光電効果の特性を均一にすることができる。

本実施形態では、参考例で説明したように、あらかじめ光素子の複数の場所における電気光学係数と温度の関係を調べておく必要はなく、電気容量を一定に保持するような温度制御さえすればよい。

容量測定回路としては、ブリッジ測定、インピーダンス法、ネットワーク法などのさまざまな方法が知られているが、このいずれを用いるものであってもよい。

また、温度制御回路としては、アナログ制御回路、ディジタル制御回路のいずれでも良い。また、容量測定回路から温度制御回路に電気容量の情報を伝えるのは電圧および電流のようなアナログ信号あるいはディジタル信号などのいずれであってもよい。

温度調整素子としては、ペルチェ素子、薄膜ヒータ等のいずれかあるいはこれらを併用したものなど、光素子１の温度を調整できるものであればいずれでもよい。

また、容量測定回路は、電気的に電気容量を測定することができるため、サーミスタのような温度検知素子よりも早い応答を得ることができる。

本実施形態では光素子内の２つの場所の温度を制御しているが、必要に応じて３つ以上の場所の温度を制御してもよい。

電気光学係数と温度の関係を示す図である。 従来技術光デバイスの構成図である。 電気光学係数の温度依存性のばらつきを示す図である。 本発明に係る光デバイスの参考例を示す図である。 異なる場所における電気光学係数と温度の関係を示す図である。 本発明に係る光デバイスの実施形態を示す図である。 （ａ）は電気光学係数と温度の関係を示す図、（ｂ）は電気容量と温度の関係を示す図である。

符号の説明

１ 光素子
２ 温度検知素子
３ ペルチェ素子
４ 温度制御回路
８ 温度調整素子
９ 温度制御回路
５、６ 電極
１２ 容量測定回路

Claims (3)

1. 電気光学効果を有し、相転移温度で常誘電・強誘電相転移を起こす材料で形成された光素子を有する光デバイスであり、前記光素子内の第１の場所と第２の場所の間で前記材料の組成にばらつきがあるため、前記第１の場所の相転移温度と前記第２の場所の相転移温度が異なるが、前記光素子の前記第１の場所と前記第２の場所の電気容量が等しい温度において、前記光素子の前記第１の場所と前記第２の場所の電気光学係数が等しい光デバイスであって、
   前記光素子の材料の電気光学係数が、前記光素子の材料の電気容量と同様の温度依存性を有し、
   前記光素子の前記第１の場所の電気容量を測定する第１の容量測定手段と、
   前記光素子の前記第２の場所の電気容量を測定する第２の容量測定手段と、
   前記第１の場所の温度を前記第１の場所の相転移温度よりも高い温度に調整する第１の温度調整手段と、
   前記第２の場所の温度を前記第２の場所の相転移温度よりも高い温度に調整する第２の温度調整手段と、
   測定される前記第１の場所の電気容量が予め定められた第１の値となる温度に、前記第１の場所の温度を保持するように前記第１の温度調整手段を制御する第１の温度制御手段と、
   測定される前記第２の場所の電気容量が予め定められた第２の値となる温度に、前記第２の場所の温度を保持するように前記第２の温度調整手段を制御する第２の温度制御手段と
   を備え、
   前記第１の場所の電気容量の予め定められた第１の値と前記第２の場所の電気容量の予め定められた第２の値とが等しいことを特徴とする光デバイス。
2. 前記材料は、ＫＴａ_1-ｘＮｂ_ｘＯ₃（０＜ｘ＜１）であることを特徴とする請求項１に記載の光デバイス。
3. 前記材料は、Ｋ_1-yＬｉ_yＴａ_1-ｘＮｂ_ｘＯ₃（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）であることを特徴とする請求項１に記載の光デバイス。

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