JPH01182824A

JPH01182824A - 光学素子

Info

Publication number: JPH01182824A
Application number: JP63006297A
Authority: JP
Inventors: Yoshinari Kozuka; 小塚　義成; Shogo Kawaguchi; 川口　省吾
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1988-01-14
Filing date: 1988-01-14
Publication date: 1989-07-20
Also published as: US4976517A; EP0324611A2; DE68911156D1; DE68911156T2; EP0324611A3; EP0324611B1; JPH0576015B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（技術分野）本発明は、焦電効果を示す電気光学効果を有する結晶を
用いた光学素子に関するものであり、更に詳しくは、光
変調器、光電圧センサ等の装置を構成する光学素子に関
するものである。

（従来技術）従来から、リチウム・ナイオベート（ＬｉＮｂＯ４）の
如き結晶の有する電気光学効果を利用した、光変調器、
光電圧センサ等の装置が知られている。そして、これら
の電気光学効果を利用した装置は、光を信号の媒介とし
ているところから、信号と信号とを電気的に絶縁するこ
とが出来、しかも光信号伝送線においては、静電誘導や
電磁誘導の影響を受は難いという特徴を有していること
が、認められている。なお、この電気光学効果とは、加
えられた電圧に応じて素子の屈折率が変化する現象であ
って、上記の装置は、この現象を利用して、光を変調し
たり、電圧を測定したりしているのである。

因みに、かかる電気光学効果を利用した装置として、例
えば、第１図に示される如き光電圧センサが知られてい
るのである。なお、この第１図において、ｌは光源、２
は光ファイバ、３はＬｉＮｂｏ、等の電気光学結晶、４
ａは偏光子、４ｂは検光子、５はλ／４板、６はロッド
レンズ、７は受光器及び光信号を電気信号に換えた後、
交流電圧を直流電圧で電気的に除算する回路を有した検
出回路、８は電気光学結晶３の対向面にそれぞれ設けら
れた電極であり、それら光学部品３〜６が、接着剤９等
の適当な固着手段により所定の取付基板ｌＯに直接に固
着されて、保持せしめられることによって、センサヘッ
ドが構成されている。

そして、電気光学結晶３としてＬｉＮｂＯ５等のボフケ
ルス素子を用いた場合において、光源１から放射された
光は、偏光子４ａを通過して直線偏光となり、更に電気
光学結晶３を通過して楕円偏光となる。また、この楕円
偏光となった光は、λ／４板５及び検光子４ｂを通過し
、その楕円率に応じて光量が変化せしめられるのである
。そして、この光量は、電気光学結晶３に設けた電極８
に印加される電圧に対応しており、この光量を測定する
ことによって、被測定電圧を測ることが出来るのである
。

ところで、このような装置における光学素子としての電
気光学結晶３として、電気光学効果を有する結晶のうち
、Ｌ　ｉ　Ｎ　ｂ　Ｏｓ　、Ｌ　ｉ　Ｔ　ａ　Ｏｓとい
った焦電効果を示す結晶を用いた場合にあっては、周囲
温度の変化により特性が不安定になるという問題がある
ことが明らかとなった。

このため、特開昭５７−１９６１６６号公報においては
、光学素子たる電気光学結晶の相対向する一対の２面に
導電性膜をそれぞれ設け、そしてそれらの導電性膜を電
気的に接続せしめることにより、かかる電気光学結晶の
２面に発生した電荷を互いに打ち消し合うようにして、
そのような電荷による測定誤差の原因となる電界の発生
を防止するようにした構成が明らかにされている。

（解決課題）ここにおいて、本発明は、周囲温度の変化により電気光
学結晶に発生する電荷を、上記公開公報にて提案されて
いる構成とは全く異なる方式にて解消しようとするもの
であって、周囲温度の変化に対して安定した特性を示す
電気光学効果を有すｉ光学素子の新規な構成を提供する
ことを、その目的とするものである。

（解決手段・作用）すなわち、本発明は、焦電効果を有する分極した第一の
電気光学結晶に、同じく焦電効果を有する分極した第二
の電気光学結晶を、それらの分極の電荷の符号が結晶の
端面側において互いに逆となるように、それら電気光学
結晶の電荷の符号の異なる分極面を電気的に接続したこ
とを特徴とする光学素子にあり、このような２種の電気
光学結晶を組み合わせることにより、それら結晶の端面
（分極面）において発生する電荷を互いに打ち消し合う
ようにしたのである。

ところで、かかる電気光学結晶からなる光学素子におけ
る特性変化の状況を詳細に検討してみるに、何れも、昇
温、降温といった温度変化を伴なう際に、そのような現
象が境れるのであり、そして周囲温度の時間的変化が−
やかな場合においては、こうした特性の不安定さは減少
するのである。

従って、そのような現象の発生は、温度変化に伴い、電
気光学結晶の分極の大きさが変化することにより、分極
面に正負の電荷が発生し、その正負の電荷が打ち消され
ないために、電気光学結晶に所定の電界とは別の電界が
加わり、誤差を生じたことによ為ものと、推定されるの
である。

そこで、本発明にあっては、かかる問題を解決するため
に、従来から使用している電気光学結晶（第一）に対し
て、別の電気光学結晶（第二）を、その分極の符号が逆
となるようにそれぞれ端面（側面）側において分極面を
互いに電気的に接続せしめるようにしたことにあり、こ
れにより、−方の電気光学結晶の分極面における電荷が
、他方の電気光学結晶の分極面における符号の異なる電
荷にて、効果的に打ち消されることとなったのである。

なお、本発明において用いられる第−及び第二の電気光
学結晶は、何れも、電気光学効果を有すると共に、焦電
効果を示すものであって、例えば、Ｌ　ｉ　Ｎ　ｂ　Ｏ
３やＬｉＴａ０−の如き結晶を挙げることが出来る。

そして、それら第−及び第二の電気光学結晶においては
、温度変化に伴いそれぞれ発生せしめられる電気量を略
等しくすることが、正負の電荷を打ち消し合うようにさ
せて、別の電界の発生、ひいてはそれによる特性変化を
極力抑制する上において望ましいことは、言うまでもな
いところであり、またそのためにも、第−及び第二の電
気光学結晶は、近接して配置し、同等の温度となるよう
にすることが望ましいのである。

特に、本発明にあっては、第一の電気光学結晶と第二の
電気光学結晶とは、好適には、同一材料から構成され、
且つその分極面の面積が路間−とされており、これによ
って、温度変化に伴い発生する電気量を略等しくする制
御が容易となるのである。

また、本発明に従って、第一の電気光学結晶と第二の電
気光学結晶とを、それらの電荷の符号の異、なる分極面
において互いに電気的に接続するに際しては、例えば、
それら第−及び第二の電気光学結晶を、それらの分極の
電荷の符号が同一端面側において互いに逆となるように
重ね合わせて、接合した後、それら電気光学結晶の電荷
の符号の異なる分極面の位置する同一端面に、所定の導
電性膜を、それら電気光学結晶間に跨がるように形成す
ることによって、目的とする電気的な接続が達成される
のである。

このような電気的接続手法によって得られた光学素子を
用いた光電圧センサの具体的な一例が、第２図に示され
ており、そこでは、電気光学結晶としてＬｉＮｂＯ５結
晶が用いられている。このＬ　ｉ　Ｎ　ｂ　Ｏｓ結晶は
、そのＺ軸（Ｃ軸）方向に分極が惹起されるところから
、第一の電気光学結晶３に対して重ね合わされる第二の
電気光学結晶１２は、そのＺ軸が第一の電気光学結晶３
とは逆方向とされて接合せしめられており、そしてそれ
によって、そのような接合体のＺ軸方向における対応す
る一対の面が分極面となるのである。また、そのような
一対の対応面における第一の電気光学結晶３部分と第二
の電気光学結晶１２部分においてそれぞれ発生せしめら
れる電荷は、互いに逆のものとなるところから、そのよ
うな一対の対応面にはそれぞれ所定の導電性膜１１．１
１が形成されて、それら第一の電気光学結晶３の分極面
と第二の電気光学結晶１２の分極面との電気的な接続が
為されているのである。そして、この第−及び第二の電
気光学結晶３，１２の接合体におけるＺ軸方向の相対応
する一対の面に導電性膜１１．１１が形成されたものは
、図示の如く、所定の取付基板１０に接着剤９等によっ
て直接に固着、保持せしめられて、センサヘッドを構成
することとなるのである。

なお、この第２図に示される光電圧センサにおいて、他
の部分は第１図のものと同様であるので、同様な部分に
は同一の番号を付して、詳細な説明を省略することとす
る。

また、この第２図に示される具体例の如く、光が透過せ
しめられる電気光学結晶（３）における光路に、その分
極面が位置し、かかる分極面を光が透過させられる場合
においては、前記導電性膜１１として、Ｉ　ｎｏ２．Ｓ
ｎＯ，、ｋｌ、Ａｕ等の、光を容易に透過させ得る導電
性膜が好適に用いられることとなる。

ところで、電気光学結晶は、その特性が応力に対して敏
感に変化するところから、従来の電気光学結晶の取付け
においては、かかる電気光学結晶と取付基板との熱膨張
係数の差により、環境温度の変化に伴い、それらの熱膨
張差に応じて電気光学結晶に応力が加わり、その特性が
変化する問題を内在していたのである。しかしながら、
第２図の具体例に示されるように、光の透過せしめられ
る第一の電気光学結晶３に対して、同様な第二の電気光
学結晶１２を接触させ、光路となる結晶と別の結晶を基
板に接着せしめることにより、周囲の温度が変化する際
、接着に伴なう基板との熱膨張差（電気光学結晶と基板
との熱膨張差）に起因する応力伝播を緩和することが出
来、周囲温度が変化しても、それぞれの周囲温度の下に
おいて安定した特性を得ることが出来る特徴も有してい
るのである。

尤も、本発明における第一の電気光学結晶と第二の電気
光学結晶との電気的接続形態は、上記した方式のみに限
定されるものでは決してな（、また、第３図に示される
如く、第一の電気光学結晶３と第二の電気光学結晶１２
とのそれぞれの分極面に、導電性膜１１ａ、ｌｌａ；ｌ
ｌｂ、ｌｌｂをそれぞれ形成した後、それらの分極の電
荷の符号が同一端面側において互いに逆となるように、
ここではそのＺ軸方向が互いに逆となるように、それら
第一の電気光学結晶３と第二の電気光学結晶１２とを重
ね合わせ、合成樹脂等からなる適当な接着剤１３にて接
合せしめ、その後、その接合体における同一端面に位置
する導電性膜１１ａと１１ｂ及び対応する他方の同一端
面に位置する導電性膜１１ａとｌｌｂを、それぞれ、そ
れら導電性膜と同様な導電性材料にて短絡せしめ、その
短絡部１４．１４を介して、電気的に接続するようにし
た方式を採用することも可能である。

要するに、本発明にあっては、第一の電気光学結晶３と
第二の電気光学結晶１２の、符号の異なるそれぞれの分
極面が互いに電気的に接続されることとなるなら、如何
なる電気的接続方式を採用しても、何等差支えないので
ある。

また、第一の電気光学結晶と第二の電気光学結晶、或い
はそれ以上の電気光学結晶を互いに離して配置し、符号
の異なる分極面面積が略等しくなるように互いに導線等
で電気的に接続し、それぞれの電気光学結晶として機能
させることも可能であり、例えば集積化した複数のセン
サヘッドを構成することが出来る。

さらに、このような電気光学結晶、即ち、第−及び第二
の電気光学結晶３．１２としては、通常は単分域化した
結晶が用いられることとなるが、同一結晶内で複数の分
域を有する多分域構造であって、しかも正負の電荷を発
生する分極面の面積が略等しくなるような結晶を使用し
て、第４図に示される如く、分極の符号が逆となるよう
に電気的に接続して、本発明に従う光学素子とすること
も可能である。

この第４図において、電気光学結晶１５は、それを乎等
分するような分域境界１６によって、略等しい二つの分
域１５ａ、１５ｂに区画された一体的な結晶であり、一
方の分域１５ａが第一の電気光学結晶に相当し、また他
方の分域１５ｂが第二の電気光学結晶に相当して、それ
ら第−及び第二の電気光学結晶が一体化された構造とな
っている。そして、ここでは、一方の分域１５ａにおけ
るＺ軸の方向と、他方の分域１５ｂにおけるＺ軸の方向
とが逆方向とされて、それぞれの分域における分極の電
荷の符号が同一の端面側において互いに逆となるように
されており、そしてそれぞれの当該端面に導電性膜ｔｔ
、”ｉｔがそれぞれ形成されていることによって、各分
域１５ａ、１５ｂの電荷の符号の異なる分極面を互いに
電気的に接続しているのである。なお、かかる電気光学
結晶１５の光の透過せしめられる一方の□分域１５ａに
は、それに所定の電界が印加されるように、その対応す
る一対の面に、それぞれ、電極８．８が設けられている
。

このような、多分域構造の電気光学結晶１５の一つを用
いて、第−及び第二の電気光学結晶を構成することによ
り、単に、その対応する側面に導電性膜を形成するだけ
で、同時に複数の分域におけるそれぞれの分極面の電気
的な接続が為され得ることとなるところから、その電気
的接続構造が簡単乃至は単純化され得る利点がある。

（実施例）以下に、本発明の幾つかの実施例を示し、本発明を更に
具体的に明らかにすることとするが、本発明が、そのよ
うな実施例の記載によって、何等の制約をも受けるもの
でないことは、言うまでもないところである。

また、本発明には、以下の実施例の他にも、更には上記
の具体的記述以外にも、本発明の趣旨を逸脱しない限り
において、当業者の知識に基づいて種々なる変更、修正
、改良等を加え得るものであることが、理解されるべき
である。

実施例　ｌ焦電効果を示す電気光学結晶として、ＬｉＮｂ０１結晶
を使用し、第１図に示す光電圧センサを組み立てた。な
お、このＬｉＮｂ０．結晶にて構成される電気光学結晶
３は、焦電効果を有し、分極はＺ軸方向であり、２面に
電荷が発生するようになる。また、使用したＬｉＮｂ０
．結晶の大きサバ２　ｗｍＸ　５　ｍｍＸ　ｊｍ　（Ｚ
軸方向長さ：５鶴）であり、Ｚ軸方向に光を透過し、５
　＋ｕ　Ｘ　４　ｔｍの面をＸ面とし、この面に電極８
を形成した。そして、この得られた素子を含む各光学素
子３〜６は、セラミックス製の取付基板１０上に樹脂接
着して、光電圧センサヘッドを作製した。

次いで、こめ得られた光電圧センサの温度特性を調べる
ため、その光電圧センサヘッドを恒温槽に入れて、その
温度を種々変化せしめた状況下において、６０Ｖの電圧
を電極８に印加し、この光電圧センサの出力を測定した
。その結果、恒温槽の温度を２５℃で一定に保つ間、か
かる光電圧センサの出力は一定であった（出力変動：±
０．２％以内）。しかしながら、２５℃から４０℃まで
１℃／分の昇温速度で温度を上昇せしめたところ、光電
圧センサの出力は不規則な挙動を示し、その出力変動が
１０％以上にもなり、一定とはならなかった。次に、４
０℃で温度を一定に保ったところ、光電圧センサの出力
は再び安定となった（出力変動：±０．２％以内）。ま
た、降温時の挙動を調べたところ、同様に温度変化して
いる間、光電圧センサの出力は不安定であった（出力変
動：１０％以上）。そして、記録計上の光電圧センサの
出力と温度との関係を調べたところ、温度変化に対する
出力の動きは、昇温時とは逆の傾向を示した。得られた
センサ出力の結果を第５図（ａ）に、またその時の温度
の昇温・降温状況を第５図（ｂ）に示す。

一方、第２図に示される光電圧センサを組み立てるべく
、’ｌ　ａｍ　Ｘ　５　ｍｍ　Ｘ　４　ｍｓの同じ大き
さを持つ二つのＬ　ｉ　Ｎ　ｂ　Ｏｓ結晶を用い、それ
らの’ｌ　ｖｓ＊　Ｘ５鰭の面をＺ軸が互いに逆となる
ように、エポキシ樹脂にて接着せしめ、次いで、その７
面にＩｎＯ□の透明導電性膜１１．１１を形成すること
により、互いの７面を電気的に接続した。そして、この
ような処置を施したＬ　ｉ　Ｎ　ｂ　Ｏｘ結晶の一方を
基板１０に樹脂接着し、他方を光路側とすることにより
、第２図と同様な構成の且つ上記と同様な光電圧センサ
ヘッドを作製した。

そして、上記と同様にして、この第２図に従う光電圧セ
ンサの温度特性を調べるために、該光電圧センサヘッド
を恒温槽に入れて、６０Ｖの電圧を電極８に印加し、光
電圧センサの出力を測定した。その結果、恒温槽の温度
を２５℃で一定に保つ間、かかる光電圧センサの出力は
一定であった（出力変動：±０．２％以内）。しかも、
２５℃から４０℃まで１℃／分の昇温速度で温度を上昇
せしめても、この光電圧センサの出力は安定した挙動を
示し、その出力変動は±０．２％以内であった。

また、降温時の挙動も同様に安定であることが判った（
出力変動：±０．２％以内）。得られたセンサ出力の結
果を第６図（ａ）に、またその時の温度の昇温・降温状
況を第６図（ｂ）に示す。

次いで、これら二つの光電圧センサの温度特性を測定す
るため、昇温・降温速度：１℃／分、温度保持時間：３
０分、温度間隔：１０℃の条件にて、０〜６０℃の範囲
で、温度を保持した時の出力を測定し、その出力の最大
値とその出力の最小値から光電圧センサ出力の変化率を
評価したところ、第１図の如き従来の光電圧センサの出
力変化率が５％であったのに対し、本発明に従う光学素
子を用いた第２図の光電圧センサにあっては、その出力
の変化率は１％と著しく改善されることが判った。

実施例　２第３図に示される、本発明に従う光学素子を用いて、第
１図、第２図に示される如き光電圧センサを組み立てた
。先ず、厚さ：５ｍ＋＊、径；３インチのＬ　ｉ　Ｎ　
ｂ　Ｏ＊結晶ウェハ（７面がウェハ面）にＩｎｋ、の透
明導電性膜（１１）を形成した後、２１璽　ｘ５＋＋ｎ
Ｘ４ｍｍ（Ｚ　　面　＝　　２１賞　×　４１１．　　
Ｘ　面　：　　５＋ｎＸ４ｎ＋）の結晶を切り出し、そ
してこの得られたＬｉＮｂＯ５素子の二つを、そのＺ軸
方向が互いに逆となるように、エポキシ樹脂を用いて接
着せしめた後、導電性ペーストにより互いの７面を短絡
（１４）した。次いで、この接着物の一方のＬｉＮｂＯ
５素子のＸ面に電極８を形成した後、前記実施例と同様
なセンサヘッドを作製した。

かくして得られた光電圧センサの温度特性を調べるため
、前記実施例と同様に、その光電圧センサヘッドを恒温
槽に入れて、６０Ｖの電圧を電極８に印加し、この光電
圧センサの出力を測定した。

その結果、恒温槽の温度を２５℃で一定に保つ間、光電
圧センサの出力は一定であった（出力変動：±０．２％
以内）、シかも、２５℃〜４０℃まで１℃／分の昇温速
度で温度を上げても、この光電圧センサの出力は安定し
た挙動を示した（出力変動：±０．２％以内）、また、
降温時の挙動も同様に安定であることが判った（出力変
動：±０．２％以内）。

実施例　３チックラルスキー法に従って、ＬｉＮｂ０．結晶を育成
した後、厚さ：５，４ｍｍ、径：３インチのＬｉＮｂＯ
３結晶ウェハ（Ｚ面：ウェハ面）を切り出し、酸処理し
てエッチピットを観察し、またＺ軸方向を観察したとこ
ろ、このウェハは多分域構造をしており、局部的にＺ軸
の方向が異なっていることが認められた。そして、この
結晶におけるＺ軸方向の異なる分域部より、それらの体
積が略等しくなるように、２　ｍ　Ｘ　５．４鶴Ｘ８ｍ
の結晶を切り出した後、その２面を光学研磨して、２ｎ
Ｘ５ＷｍＸ８ｍ（Ｚ面：　２ｎＸ　１３ｍｍ５Ｘ面：５
ｍｍ、Ｘ８ｍｍ）の多分域結晶１５と為し、そのＺ面に
透明導電性膜１１．１１を形成し、更にその後、Ｘ面に
電極８を形成することにより、第４図に示される如き光
学素子を得た。そして、この光学素子を用いて、第１図
、第２図と同様な光電圧センサを組み立てた。

かくして得られた光電圧センサの温度特性を調べるため
に、前記実施例と同様に、その光電圧センサヘッドを恒
温槽に入れて、その温度を種々変化せしめた状況下にお
いて、６０Ｖの電圧を電極８に印加し、この光電圧セン
サの出力を測定した。

その結果、恒温槽の温度を２５℃で一定に保つ間、この
光電圧センサの出力は一定であった（出力変動：±０．
２％以内）。しかも、２５℃〜４０”Ｃまで１℃／分の
昇温速度で温度を上昇せしめても、この光電圧センサの
出力は比較的安定した挙動を示し、その出力変動は±１
％以内であった二また、降温時の挙動も同様に安定であ
ることが判った（出力変動：±１％以内）。なお、本実
施例の光電圧センサにおいて、上記実施例１．２に比し
、昇温・降温時の温度特性がやや不安定となった理由は
、Ｚ軸方向の異なる分域部１５ａ、１５ｂの電荷発生量
が等しくなかったものによるものと推定された。

（発明の効果）以上の説明から明らかなように、本発明は、焦電効果を
有する分極した第一の電気光学結晶に対して、同様な焦
電効果を有する分極した第二の電気光学結晶を、それら
の分極の電荷の符号が逆となるように重ね合わせて、電
気的に接続せしめることにより、それら電気光学結晶の
分極面に発生せしめられる正負の電荷を互いに打ち消し
合うようにして、かかる電気光学結晶に所定の電界とは
異なる別の電界が加わるのを抑制せしめ、以てその特性
変化を阻止するようにしたものであって、これにより、
焦電効果を示す電気光学結晶において、周囲温度の変化
に対して安定な特性を示す光学素子としての結晶素子複
合体を有利に提供し得たものであって、そこに、本発明
の大きな工業的意義が存するのである。

そして、そのような周囲温度の変化に対して安定した特
性を示す光学素子は、例えば、光通信に用いる光変調器
用電気光学素子、絶縁信顛性に富む光電圧センサ用電気
光学素子、静電位検出用電気光学素子ＳＳ　ＨＧ　（Ｓ
ｅｃｏｎｄ　ｌ（ａｒｍｏｎｉｃ　Ｇｅｎｅｒａｔｉｏ
ｎ）用電気光学素子等として、各種の用途に有利に用い
られ得るのである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来の光学素子を用いた光電圧センサの一例
を示す配置構成図であり、第２図は、本発明に従う光学
素子を用いた光電圧センサの一例を示す配置構成図であ
り、第３図及び第４図は、それぞれ、本発明に従う光学
素子の他の具体例を示す正面図である。また、第５図（
ａ）及び第６図（ａ）は、それぞれ、実施例１において
調べられた第１図及び第２図に示される光電圧センサの
センサ出力を示すグラフであり、第５図（ｂ）及び第６
図（ｂ）は、それぞれの光電圧センサの昇温・降温条件
を示すグラフである。１：光源　　　　　　２：光ファイバ３：電気光学結晶（第一）４ａ：偏光子　　　　４ｂ＝検光子５：λ／４板　　　　６：ロツドレンズ７：受光器及び
検出回路８：電極　　　　　　９：接着剤ｌＯ：取付基板１１、ｌｌａ、ｌｌｂ：導電性膜１２：第二の電気光学結晶１３：接着剤　　　　　１４：短絡部１５：多分域電気光学結晶

Claims

【特許請求の範囲】

焦電効果を有する分極した第一の電気光学結晶に、同じ
く焦電効果を有する分極した第二の電気光学結晶を、そ
れらの分極の電荷の符号が互いに逆となるように分極面
を電気的に接続したことを特徴とする光学素子。