JPH11174390A - 電気光学素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】電気光学素子に関し、例えば光変調器に適用し
て、短波長の光ビームを高速度で制御することができる
ようにする。 【解決手段】透過する光ビームＬ１を制御する誘電体基
体２を、室温度以上に加熱する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電気光学素子に関
し、例えば光変調器に適用することができる。本発明
は、誘電体基体を室温度以上に加熱することにより、短
波長の光ビームを高速度で制御できるようにする。

【０００２】

【従来の技術】従来、光ビームを制御する光制御素子の
１つとして、光ビームの光量を制御する光変調器があ
り、この光変調器として、電気光学効果を利用した電気
光学素子と音響光学効果を利用した音響光学素子とが用
いられている。

【０００３】このうち音響光学素子による光変調器は、
ブラック回折を利用して光ビームの光量を制御するもの
であり、電気光学素子による光変調器は、誘電体を透過
する光ビームの偏光面等を変化させて入射光の光量を制
御するものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところでこの種の光制
御素子に適用される基板材料においては、光損傷するも
のがある。ここで光損傷は、短波長の光ビームで素子基
板の屈折率が変化する現象である。

【０００５】音響光学素子による光変調器は、光損傷の
ない基板材料により素子基板を作成でき、これにより青
色光等の短波長の光ビームを安定に変調することができ
る。しかしながら音響光学素子による変調器は、高速度
で光ビームを制御することが困難であり、変調周波数が
数十ＭＨｚ程度に制限される問題がある。

【０００６】これに対して電気光学素子による光変調器
は、音響光学素子による光変調器に比して高速度で光ビ
ームを制御することができ、これにより変調周波数を数
十ＭＨｚ以上に設定することができる。しかしながらこ
の電気光学素子による光変調器は、利用可能な誘電体材
料に光損傷するものが多く、これにより短波長の光ビー
ムを確実に変調することが困難な問題がある。

【０００７】因みに、光損傷に強い基板材料を使用して
電気光学素子による光変調器を構成することも可能では
あるが、このような基板材料を使用した場合、直流近傍
での変調が困難になる。

【０００８】本発明は以上の点を考慮してなされたもの
で、短波長の光ビームでも高速で制御することができる
電気光学素子を提案しようとするものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】かかる課題を解決するた
め本発明においては、所定の熱源により誘電体基体を室
温以上に加熱する。

【００１０】誘電体基体を室温以上に加熱すれば、高速
度で光ビームを制御することができ誘電体材料を適用し
て、室温において発生していた光損傷の程度を軽減する
ことができる。これにより短波長の光ビームでも安定に
高速で制御することができる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、適宜図面を参照しながら本
発明の実施の形態を詳述する。

【００１２】（１）第１の実施の形態 図１は、本発明の実施の形態に係る光変調器を示す斜視
図である。この光変調器１は、電気光学素子であり、Ｓ
ＨＧ（Second Harmonic Generation）から射出された波
長４４２〔ｎｍ〕の光ビームＬ１を誘電体基体２により
光変調して出射する。

【００１３】ここで誘電体基体２は、図１との対比によ
り図２に示すように、内部に、所定形状の分極反転ドメ
イン２ａを有する強誘電体基板により構成され、この実
施の形態においては、この強誘電体基板としてニオブ酸
リチウム（ＬｉＮｂＯ₃ ）基板が適用される。誘電体基
体２は、寸法が約９〔ｍｍ〕×３〔ｍｍ〕×０．１５
〔ｍｍ〕でなる薄板の直方体形状に形成される。分極反
転ドメイン２ａは、板厚方向について、一方向に一様に
自発分極したニオブ酸リチウム基板に局所的に電界を印
加することにより、この一様な自発分極に対して逆極性
の自発分極を局所的に作成することにより形成される。
なお図２においては、矢印により自発分極の方向を示
す。

【００１４】このとき誘電体基体２は、隣接する分極反
転ドメイン２ａ間の境界（ドメイン壁でなる）が、板厚
方向にて対向するニオブ酸リチウム基板の１対の面（以
下主面と呼ぶ）に対してほぼ垂直な面を形成するよう
に、分極反転ドメイン２ａが形成される。またニオブ酸
リチウム基板の長手方向にて対向する１対の面をそれぞ
れ入射面及び出射面に設定して、この長手方向に沿って
光ビームＬ１を入射したとき、少なくとも２つのドメイ
ン壁を光ビームが透過するように、すなわち入射面及び
出射面に対してドメイン壁が傾くように、分極反転ドメ
イン２ａが形成される。

【００１５】誘電体基体２は、蒸着、スパタリング等の
薄膜作成手法により、対向する主面に金を付着して電極
３及び４が形成される。このうち図２にて下側の主面
は、全面に金が付着されて電極４が形成されるのに対
し、図２にて上側の主面は、ほぼ中央部分に矩形形状に
金が付着されて電極３が形成される。これにより誘電体
基体２は、この電極３及び４間に印加される制御信号の
信号レベルに応じて、内部を透過する光ビームＬ１が制
御される。具体的に、誘電体基体２は（図１）、内部を
透過して２条に分離する光ビームＬ２Ａ、Ｌ２Ｂの光強
度が制御信号の信号レベルに応じて相補的に変化し、こ
れにより制御信号の信号レベルに対して逆極性により光
強度を制御してなる１組の光ビームＬ２Ａ、Ｌ２Ｂを出
射する。

【００１６】ヒーターユニット６は、熱伝導度の良い導
電性のブロック材６Ａに、ヒーター６Ｂを配置して形成
され、誘電体基体２を加熱する。すなわちブロック材６
Ａは、例えばアルミニウム、銅等の金属材料を略長方形
形状に加工した後、金メッキして作成され、側面に形成
された凹部にヒーター６Ｂが埋め込まれて配置される。
さらにブロック材６Ａは、例えば熱電対による温度セン
サー（図示せず）が埋め込まれて配置され、この温度セ
ンサーの検出結果を基準にして実行されるヒーター６Ｂ
の加熱により、所定の温度に加熱されるようになされて
いる。

【００１７】さらにブロック材６Ａは、例えば半田付け
により、上側の平坦な面に誘電体基体２の電極４が密着
して電気的に接続され、また熱的に結合される。これに
よりヒーターユニット６は、誘電体基体２を室温度以上
に加熱する熱源を構成し、この実施の形態では誘電体基
体２を８０°Ｃ以上の所定温度に加熱するようになされ
ている。

【００１８】このようにして誘電体基体２を配置するに
つき、ブロック材６Ａは、片側側面と誘電体基体２の側
面とがほぼ一致するように、誘電体基体２が配置され
る。ブロック材６Ａは、このようにして上面に配置した
誘電体基体２の電極３について、この電極３の長手方
向、両端に対応して、コネクタ７及び８が接続される。

【００１９】ここでこのコネクタ７及び８は、特性イン
ピーダンスが５０〔Ω〕の同軸ケーブル用のコネクタで
あり、被覆線側がブロック材６Ａに接続される。これに
対してコネクタ７及び８は、芯線側が、電極板９に接続
される。さらにコネクタ７は、同軸ケーブルが接続され
て光変調する制御信号が入力され、コネクタ８は、同軸
ケーブルを介して５０〔Ω〕の終端抵抗１１が接続され
る。

【００２０】ここで電極板９は、導電性の板状部材によ
り作成され、この実施の形態では、例えば金板、金メッ
キした銅板が適用され、厚板に作成される。この電極板
９は、長手方向の長さが電極３とほぼ同一の長方形形状
に作成され、電極３と平行に配置される。さらに電極板
９は、ワイヤボンディングによる金線１０により、電極
３と複数箇所で接続される。このとき電極板９は、各金
線１０の長さが極力短くなるように、また各金線１０間
の間隔がほぼ一定間隔になるように、電極３と接続され
る。

【００２１】これにより電極板９は、ブロック材６Ａと
共に、コネクタ７より入力される制御信号をコネクタ８
に伝送する伝送路を形成する。さらにこの実施の形態で
は、この電極板９に接続される電極３のディメンション
により、この伝送路の特性インーダンスがほぼ５０
〔Ω〕になるように設定され、これによりこの伝送路の
特性インーダンスが制御信号の出力インピーダンスに整
合するようになされている。なおこの実施の形態では、
ブロック材６Ａ側の主面、全面に電極４を作成した場
合、電極３のディメンションを０．０６〔ｍｍ〕×Ｌに
設定して、ほぼ整合させることができた。なおＬは、電
極３の長手方向の長さであり、任意の長さである。

【００２２】以上の構成において、誘電体基体２の入射
面より入射した青色光ビームＬ１は、この誘電体基体２
の主面に垂直に形成されたドメイン壁を透過することに
より、電極３及び４間に印加される制御信号の信号レベ
ルに応じて相補的に光強度が変化する２条の光ビームＬ
２Ａ及びＬ２Ｂに分解されて出射される。これにより光
ビームＬ１は、制御信号により制御を受け、各光ビーム
Ｌ２Ａ及びＬ２Ｂが、それぞれ制御信号の信号レベルに
応じて光変調されて出射される。

【００２３】このとき光ビームＬ１は、主面に対してド
メイン壁がほぼ垂直に形成されていることにより、伝搬
方向が主面と平行になるように誘電体基体２中を伝搬
し、安定に誘電体基体２中を伝搬する。また少なくとの
２以上のドメイン壁を透過することにより、効率良く制
御される。

【００２４】さらにこのようにして誘電体基体２中を伝
搬する際に、光ビームＬ１は、この誘電体基体２が温度
８０°Ｃ以上に加熱されていることにより、安定に制御
される。

【００２５】すなわち図３に示すように、ニオブ酸リチ
ウム基板に波長４４２〔ｎｍ〕の光ビームを入射して屈
折率の時間経過を測定することにより、ニオブ酸リチウ
ム基板の光損傷を検討したところ、約２０分間の照射で
１０^-4のオーダーで屈折率が変化することが分かった。
なおこの測定は、１０〔μｗ〕の光ビームにより実行し
た。

【００２６】これに対して図３との対比により図４に示
すように、ニオブ酸リチウム基板の温度を上昇させた場
合、温度により屈折率の変化が低減し、８０°Ｃ以上で
は屈折率の変化が１０^-7〜１０^-6の範囲に低減すること
が分かった。これにより光ビームＬ１は、光損傷による
経時変化を受けることなく、安定に変調光Ｌ２Ａ、Ｌ２
Ｂに変換されて射出される。

【００２７】このようにして光ビームＬ１を制御する制
御信号は、特性インピーダンス５０〔Ω〕の同軸ケーブ
ルを介してコネクタ７より電極板９、ブロック材６Ａの
一端に供給され、これら電極板９、ブロック材６Ａの他
端よりコネクタ８、同軸ケーブルを介して終端抵抗１１
に送出される。さらに制御信号は、この電極板９、ブロ
ック材６Ａによる伝送路の途中で、それぞれ電極板９及
びブロック材６Ａより、電極３及び４に印加され、これ
により制御信号の信号レベルに応じた電界が誘電体基体
２に印加される。これにより誘電体基体２に電界を印加
する電極３及び４が伝送路に介挿されるように配置され
る。

【００２８】このとき電極３の形状により、この光変調
器１による伝送路の特性インピーダンスが制御信号の出
力インピーダンスに整合するように設定され、さらに終
端抵抗１１により伝送路の出力端側においてもインピー
ダンスが整合していることにより、この伝送路中におけ
る定在波の発生が有効に回避され、広帯域かつ高周波の
制御信号により誘電体基体２を駆動する場合でも、制御
信号の信号レベルに応じて変化する電界を誘電体基体２
に印加することができる。これにより光ビームを高速で
制御することが可能となる。

【００２９】またこれら電極３及び４の接続において、
電極４がブロック材６Ａに密着するように、また電極３
が複数の金線１０により電極板９に接続されていること
により、寄生容量、寄生インダクタンスが低減され、そ
の分制御信号の信号レベルに応じて変化する電界を誘電
体基体２に確実に印加することができる。これによって
も光ビームを高速で制御することが可能となる。

【００３０】以上の構成によれば、ヒーターユニット６
により誘電体基体２を８０°Ｃ以上に加熱することによ
り、光損傷を低減でき、短波長の光ビームを確実に制御
することができる。

【００３１】また電極３及び４により伝送路を作成し、
この伝送路の特性インピーダンスを制御信号の出力イン
ピーダンス、終端抵抗の特性インピーダンスと整合させ
ることにより、光ビームを高速で制御することができ
る。

【００３２】すなわち１対の電極３及び４の一端に制御
信号を印加し、他他端に終端抵抗１１を接続することに
より、簡易な構成で電極３及び４により伝送路を形成で
き、また電極３及び４等の構成によりインピーダンス整
合することができる。

【００３３】またヒーターユニット６を構成するブロッ
ク材６Ａを導電性の部材により構成し、このブロック材
６Ａの１の面に電極４を密着させたことにより、電極４
側において、寄生インダスタンスを低減でき、光ビーム
を高速で制御することができる。

【００３４】さらにコネクタ７及び８間を電極板９によ
り接続し、この電極板９を複数の金線１０で電極３に接
続することにより、電極３側において、寄生容量、寄生
インダスタンスを低減でき、光ビームを高速で制御する
ことができる。

【００３５】（２）他の実施の形態 なお上述の実施の形態においては、ニオブ酸リチウムに
より誘電体基体を構成する場合について述べたが、本発
明はこれに限らず、例えばタンタル酸リチウム等、種々
の強誘電体を広く適用することができる。

【００３６】また上述の実施の形態においては、誘電体
基体を８０°Ｃ以上に加熱する場合について述べたが、
本発明はこれに限らず、要は室温以上に加熱すればその
分光損傷の程度を軽減できることにより、誘電体基体に
使用する誘電体に応じて、また光ビームの波長等により
素子として求められる性能に応じて、必要に応じて加熱
する温度を種々に設定することができる。

【００３７】さらに上述の実施の形態においては、熱源
を構成するヒーターユニット６より誘電体基体を直接加
熱する場合について述べたが、本発明はこれに限らず、
例えば空気流により、または輻射熱により、間接的に加
熱してもよい。

【００３８】また上述の実施の形態においては、ブロッ
ク材６Ａ側においては、誘電体基体２の全面に電極４を
作成する場合について述べたが、本発明はこれに限ら
ず、部分的に小面積により電極を作成してもよい。この
ようにすれば寄生容量を低減することができる。

【００３９】さらに上述の実施の形態においては、電極
３の形状により特性インピーダンスを設定する場合につ
いて述べたが、本発明はこれに限らず、電極４、電極板
９等の形状により特性インピーダンスを設定してもよ
い。

【００４０】さらに上述の実施の形態においては、同軸
ケーブルの特性インピーダンスに電極３及び４による特
性インピーダンスを整合させる場合について述べたが、
本発明はこれに限らず、入力側、出力側に別途インピー
ダンス整合機構を設け、これによりインピーダンス整合
させるてもよい。

【００４１】また上述の実施の形態においては、ワイヤ
ボンディングでなる線材を複数使用して電極板９及び電
極３を接続する場合について述べたが、本発明はこれに
限らず、フィルム状、平板状に加工した金属によって接
続してもよい。

【００４２】さらに上述の実施の形態においては、電極
３及び４による伝送路を制御信号の出力インピーダンス
に整合させる場合、さらには出力側を終端する場合につ
いて述べたが、本発明はこれに限らず、実用上充分な特
性を得ることができる場合、これらの構成を省略しても
よい。

【００４３】また上述の実施の形態においては、制御信
号に応じて相補的に光強度が変化する２条の光ビームの
１つを利用して光変調器を構成する場合について述べた
が、本発明はこれに限らず、図１について上述した構成
により光スイッチとして使用してもよい。

【００４４】また上述の実施の形態においては、本発明
を光変調器に適用する場合について述べたが、本発明は
これに限らず、種々の電気光学素子に広く適用すること
ができる。すなわち図１について上述した構成におい
て、誘電体基体のドメイン構造を変更することにより、
制御信号の信号レベルに応じた偏向角による光ビームを
出射する光偏向器、制御信号の信号レベルに応じた発散
光又は収束光による光ビームを出射する焦点距離可変レ
ンズ、制御信号の信号レベルに応じた波長による光ビー
ムを出射する波長選択性を有する素子等を作成すること
ができ、これらの素子に本発明を適用することもでき
る。また同様にして、制御信号の信号レベルに応じた偏
光による光ビームを出射する光偏光器を作成することが
でき、この光偏光器の出射面に検光子を配置して光変調
器を作成することもでき、これらの素子にも本発明を適
用することができる。

【００４５】

【発明の効果】上述のように本発明によれば、誘電体基
体を室温度以上に加熱することにより、光損傷の程度を
軽減でき、これにより短波長の光ビームを高速度で制御
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態に係る光変調器を示す斜視
図である。

【図２】図１の誘電体基体を示す斜視図である。

【図３】室温中でニオブ酸リチウム基板に光ビームを照
射した場合における屈折率の経時変化を示す特性曲線図
である。

【図４】図３との対比によりニオブ酸リチウム基板を加
熱した場合における屈折率の経時変化を示す特性曲線図
である。

【符号の説明】

１……光変調器、２……誘電体基体、３、４……電極、
６……ヒーターユニット、７、８……コネクタ、９……
電極板、１０……金線、１１……終端抵抗

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】誘電体基体の対向する主面にそれぞれ形成
   された１対の電極間に所定の制御信号を印加して、前記
   誘電体基体を透過する光ビームを制御する電気光学素子
   において、 前記誘電体基体は、 内部に、所定形状の分極反転ドメインを有し、前記分極
   反転ドメインによるドメイン壁の少なくとも２つが前記
   光ビームを透過し、 前記分極反転ドメインは、 ドメイン壁の少なくとも１つが前記主面に対して垂直又
   はほぼ垂直に形成され、 前記電気光学素子は、 所定の熱源により、前記誘電体基体が室温以上に加熱さ
   れることを特徴とする電気光学素子。
2. 【請求項２】前記熱源が、 発熱体を有する導電性の部材により形成され、 前記主面に形成された少なくとも１の電極が、 前記導電性の部材に接続されたことを特徴とする請求項
   １に記載の電気光学素子。
3. 【請求項３】前記１対の電極による特性インピーダンス
   が、前記制御信号の出力インピーダンスと整合するよう
   に設定されたことを特徴とする請求項１に記載の電気光
   学素子。
4. 【請求項４】前記１対の電極は、 一端に、前記制御信号が印加され、 他端に、終端抵抗が接続されたことを特徴とする請求項
   １に記載の電気光学素子。
5. 【請求項５】前記一端は、 前記制御信号を入力する入力端子を有し、 前記他端は、 前記終端抵抗を接続する出力端子を有し、 前記入力端子及び主端子は、 導電性材により接続され、 前記１対の電極のうちの少なくとも１の電極は、 少なくとも２以上の線材により前記導電性材と接続され
   たことを特徴とする請求項４に記載の電気光学素子。
6. 【請求項６】前記制御信号の信号レベルに応じた光強度
   による光ビームを出射することを特徴とする請求項１に
   記載の電気光学素子。
7. 【請求項７】前記制御信号の信号レベルに応じた偏向角
   による光ビームを出射することを特徴とする請求項１に
   記載の電気光学素子。
8. 【請求項８】前記制御信号の信号レベルに応じた発散光
   又は収束光による光ビームを出射することを特徴とする
   請求項１に記載の電気光学素子。
9. 【請求項９】前記制御信号の信号レベルに応じた偏光に
   よる光ビームを出射することを特徴とする請求項１に記
   載の電気光学素子。
10. 【請求項１０】前記制御信号の信号レベルに応じた波長
    による光ビームを出射することを特徴とする請求項１に
    記載の電気光学素子。
11. 【請求項１１】前記制御信号の信号レベルに応じて相補
    的に光強度が変化する少なくとも２条の光ビームを出射
    することを特徴とする請求項１に記載の電気光学素子。