(57)【要約】【課題】駆動電圧の振幅や駆動電圧の周波数が変化することに伴う、光デバイスの発熱の影響を効果的に制御することにより、周波数及び光制御の切り替えを高速かつ安定に行うことが可能な光デバイスを提供すること。【解決手段】本発明に係る光デバイスは、制御対象である電気光学結晶を用いた光学素子41と、ペルチェ素子42と、温度検出素子43と、ＰＩＤ制御を行う温度制御回路44と、光デバイスを駆動させるための駆動回路45とを備える。駆動回路45と温度制御回路44とは接続されており、温度制御回路44は、駆動回路45が電圧を印加するのと同時に与えられる駆動回路45からの情報に基づいて光学素子41の温度を調整する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気光学効果を有する電気光学結晶を備える光学素子と、
前記光学素子の温度を調整する温度制御回路と、
前記光学素子に電圧を印加する駆動回路と
を備えた光デバイスであって、
前記温度制御回路は、前記駆動回路が電圧を印加するのと同時に与えられる前記駆動回路からの情報に基づいて前記光学素子の温度を調整することを特徴とする光デバイス。
【請求項２】
前記電気光学結晶の温度は、前記駆動回路によって印加される駆動電圧の振幅変化と、前記駆動回路によって印加される駆動電圧の周波数変化とによって変化することを特徴とする請求項１に記載の光デバイス。
【請求項３】
前記温度調整回路は、前記駆動回路からの情報に対応した制御量を用いて前記光学素子の温度を調整することを特徴とする請求項１に記載の光デバイス。
【請求項４】
前記電気光学結晶は、ＫＴａｘＮｂ1-ｘＯ３（０≦ｘ≦１）、Ｋ1-ｙＬｉｙＴａ１−ｘＮｂｘＯ３（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）、または（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３であることを特徴とする請求項１に記載の光デバイス。
【請求項５】
前記駆動回路が電圧を印加するのと同時に与えられる前記駆動回路からの情報は、あらかじめ測定され、データベースに格納されていることを特徴とする請求項１に記載の光デバイス。
【請求項６】
電気光学効果を有する電気光学結晶を備える光学素子と、前記光学素子の温度を調整する温度制御回路と、前記光学素子に電圧を印加する駆動回路とを備えた光デバイスの温度を調整する方法であって、
前記駆動回路が、前記光学素子に電圧を印加するステップと、
前記光学素子に電圧を印加するステップと同時に、前記駆動回路が、前記温度制御回路に制御情報を送信するステップと、
前記温度制御回路が、前記制御情報に基づいて前記光学素子の温度を調整するステップと
を備えたことを特徴とする光デバイスの温度を調整する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、温度制御を必要とする光デバイスに関する。より詳細には、本発明は、光通信、光計測、または電子回路に用いられる光デバイスであって、動作に伴って温度が制御される光デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
ディフレクタは、電界を印加することによって光の向きを変える光デバイスである。ディフレクタは、プロジェクタ内の表示素子など様々な分野において用いられている。ディフレクタとしては、ＭＥＭＳ(Micro Electro Mechanical System)を用いたものが広く使用されている。しかし、ＭＥＭＳを用いたディフレクタでは、電圧を印加することによって物質を機械的に動かすため、あまり高速で偏向を行うことができない。そこで、電界を印加することにより偏向を行うことができる電気光学効果を有する材料を用いた光スイッチまたはディフレクタが考案されている。
【０００３】
従来より、光変調器の開発とともに、電気光学効果の研究が進められてきた。電気光学結晶を用いた光位相変調器は、結晶の屈折率の変化により、結晶を通過する光の速度を変化させて、光の位相を変化させる。また、電気光学結晶を、マッハツェンダ干渉計、マイケルソン干渉計の一方の光導波路に設置すると、結晶に印加する電圧に応じて、干渉計の出力の光強度が変化する。特許文献１では、電気光学結晶としてＫＴＮ（ＫＴａ1-xＮｂxＯ3（０＜ｘ＜１））及びＫＬＴＮ（Ｋ1-yＬｉyＴａ1-xＮｂxＯ3（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１））を用いた光位相変調器や光強度変調器が開示されている。
【０００４】
近年、ＫＴａ1-xＮｂxＯ3（本明細書ではＫＴＮと略称される）という材料が、その大きな電気光学係数のために注目され、調べられている。ＫＴＮ結晶の電気光学効果は、温度依存性が非常に強いという特徴を有している。
【０００５】
図１に、ＫＴＮ結晶の比誘電率の温度依存性を示す。ＫＴＮ結晶は、常誘電・強誘電転移温度Ｔｃにおいて、相転移を起こし、温度Ｔｃ付近で電気光学効果が最大となる。実際に大きな電気光学効果を利用するために、光学素子の温度をＴｃよりも若干高い一定の温度に制御して利用することが知られている（例えば、非特許文献１を参照）。ＫＴＮ結晶を用いた光学素子を安定して動作させるためには、光学素子の温度を調整することにより、光学素子の温度を一定に保つことが必要となる。
【０００６】
光学素子の温度を一定の温度に保つために、電熱素子としてペルチェ素子またはヒーター素子を用いることで、光学素子の動作を適切に制御している。光学素子の制御方法としては、たとえばＰＩＤ制御法が挙げられる。ＰＩＤ制御法は、比例動作（Proportional Action）と、積分動作（Integral Action）と、微分動作（Derivative Action）との和を出力し、目標値に向かって制御する方法である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】国際公開第２００６／１３７４０８号パンフレット
【特許文献２】特開２００７−３９４８号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】K. Nakamura, et al.，"Space-charge-controlled electro-optic effect: Optical beam deflection by electro-optic effect and space-charge-controlled electrical conduction", JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 104, 0131052008
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ＫＴＮ結晶は誘電体であるので、ＫＴＮ結晶を用いた光学素子から成る光デバイスにおいては、交流電圧（特に高周波数電圧）での動作時には分極の形成に時間がかかり、印加電圧との間に位相遅れが生じ、誘電損による結晶自体からの発熱が顕著になる。従って、ＫＴＮ結晶を用いた光学素子への駆動電圧の周波数を切り替えた直後には、光デバイスの温度が変化してしまう。
【００１０】
図２に、従来の光デバイスの例を示す。図２に示す光デバイスは、制御対象である電気光学結晶を用いた光学素子21と、ペルチェ素子22と、温度検出素子23と、ＰＩＤ制御を行う温度制御回路24と、光デバイスを駆動させるための駆動回路25とを備える。
【００１１】
図２に示す光デバイスの具体的な動作を、図３のタイミングチャートを用いて説明する。
【００１２】
電気光学結晶としてＫＴＮ結晶を用いた光デバイスでは、まずペルチェ素子22と温度制御回路24とにより、光学素子21の温度は目標温度Ｔに保持される。光学素子21の温度を目標温度Ｔに設定する理由は、巨大な電気光学効果を利用するためである。このときは、電気光学効果を発現させるための駆動電圧は印加されていないので、光デバイスの発熱量は0である。
【００１３】
時間t0に駆動電圧の印加が開始され、光偏向や光変調などの動作が追随する。この際に、ＫＴＮ結晶は誘電損によって発熱する(発熱量Ｊ)。この発熱による光デバイスの温度上昇を温度検出素子23によって検出し、検出した情報を温度制御回路24にフィードバックする。温度制御回路24は、フィードバック制御によって、光学素子21の温度を当初制御されていた目標温度Ｔへと再度制御する。光デバイスが発熱する前は、ペルチェ素子への電流量はi0であるが、光デバイスが発熱した後は、光デバイス自身が温度を上昇させるので、再制御後のペルチェ素子への電流量はi1へと変化（低下）する。このフィードバック制御では、制御対象である光学素子21の温度が変化し始めてから、ペルチェ素子への電流量が調整されるため、調整開始までの時間遅れΔt1が発生してしまう課題は避けられない。
【００１４】
これに対して、電気光学結晶の温度が変化しても駆動電圧の振幅によって、素子の動作を安定に保つ方法も提案されている（例えば、特許文献２を参照）。しかしながら、この方法では、光デバイスの温度が変化して再度目標温度まで制御される間に、温度低下に伴って、電気光学結晶における結晶の相変化を引き起こしてしまう場合がある。この場合には、電気光学特性自体が変化するので、光デバイスの動作量を安定化する以前に、光偏向や光位相変調などの本来の動作を発現させることができないという課題があった。
【００１５】
また、駆動回路において、電気光学素子を含めた電気的な共振を利用することができる。電気光学素子を用いた光偏向や光位相変調は印加電圧によって制御されており、ＫＴＮ結晶を用いる光学素子の様な容量性の光学素子から構成された光デバイスを高周波駆動させる場合には周波数に比例して充電電流が増加し、必要な電源容量も増加する。その結果、電源サイズも巨大化してしまう。
【００１６】
一方で、共振回路は、回路内に一定のエネルギーを蓄えつつ電気光学素子に電圧を印加することができるので、小型な電源を形成することが可能である。
【００１７】
共振回路の特性を示す指標としてQ値が用いられ、並列共振回路では、素子に流れる電流が電源電流のQ倍される。この際のQ値は以下の（式１）のように書ける。
Q=jωCR          （式１）
ここで、ωは駆動周波数、Cは電気光学素子の静電容量、Rは共振回路内に存在する実効的な抵抗である。
【００１８】
Q値が電気光学素子の静電容量Cに比例するので、印加電圧の振幅や周波数を変化させた際に電気光学素子の温度、誘電率が変化し、これにより電気光学素子の静電容量Cが変化してしまうと、結果としてQ値も変化することになる。Q値の変化は回路内の電流値の変化につながるので、共振動作の不安定性を引き起こしてしまう。さらにQ値は、共振の際に回路内に蓄えることのできるエネルギーを示しているので、Q値が大幅に低下すると、共振に必要なエネルギーを回路内に蓄えることができず、共振自体が止まってしまうという課題もあった。
【００１９】
本発明は、上記のような課題を鑑みてなされたものである。本発明の目的は、駆動電圧の振幅や周波数が変化することに伴う、光デバイスの発熱の影響を効果的に制御することにより、周波数及び光制御の切り替えを高速かつ安定に行うことが可能な光デバイスを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明は、電気光学効果を有する電気光学結晶を備える光学素子と、光学素子の温度を調整する温度制御回路と、光学素子に電圧を印加する駆動回路とを備えた光デバイスであって、温度制御回路は、駆動回路が電圧を印加するのと同時に与えられる駆動回路からの情報に基づいて光学素子の温度を調整することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明に係る光デバイスは、光学素子の温度を制御する温度制御回路に、発熱量の変化に対応した制御量を外部から加算できるような構成を備える。かかる構成によって、本発明に係る光デバイスでは、光学素子の発熱量が変化しても、瞬時に目標温度に制御されるので、周波数および光制御の切り替えを高速かつ安定に行うことができる。
【００２２】
さらに、共振型の電源で光学素子を駆動させる場合においては、光学素子の発熱量が変化しても、光学素子の静電容量を一定に保つことができるので、共振条件から外れることなく、安定した電圧印加を行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】ＫＴＮ結晶の比誘電率の温度依存性を示すグラフである。
【図２】従来の光デバイスにおいて行われる温度制御を説明するためのブロック図である。
【図３】従来の光デバイスにおいて行われる温度制御に関する各部の動作を示すタイミングチャートである。
【図４】本発明の一実施形態に係る光デバイスにおいて行われる温度制御を説明するためのブロック図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る光デバイスにおいて行われる温度制御に関する各部の動作を示すタイミングチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。
【００２５】
図４に、本発明の一実施形態に係る光デバイスの例を示す。図４に示す光デバイスは、制御対象である電気光学結晶を用いた光学素子41と、ペルチェ素子42と、温度検出素子43と、ＰＩＤ制御を行う温度制御回路44と、光デバイスを駆動させるための駆動回路45とを備える。
【００２６】
図４に示す光デバイスは、駆動回路45と温度制御回路44とを直接接続する経路を備える点において、図２に示した光デバイスと相違する。
【００２７】
光学素子41において用いられる電気光学結晶は、ＫＴａｘＮｂ1-ｘＯ３（０≦ｘ≦１）、Ｋ1-ｙＬｉｙＴａ１−ｘＮｂｘＯ３（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）、または（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３等である。
【００２８】
図４において、温度制御回路44は、ペルチェ素子42への電流値を制御して光学素子41の温度を制御する。この際、温度検出素子43により検出された光学素子41の温度の情報に基づいて光学素子41の温度が目標値となるように制御する。光学素子41が適切な温度に制御された後に、駆動回路45から出力される駆動電圧が、金属ブロック46、47を介して、光学素子41へ印加される。この駆動電圧によって、光学素子41へ入射されたレーザ光を偏向することができる。
【００２９】
駆動電圧が印加される前の光学素子41は発熱しないが、連続的な偏向動作のための交流電圧を印加する際には、前述の誘電損によって光学素子41が発熱する。この光学素子41の発熱による温度変化は温度検出素子43によって検出され、温度制御回路44へフィードバックされる。フィードバックされた温度変化の情報を用いて、温度制御回路44は、光学素子41の温度が目標温度になるように制御を行う。
【００３０】
しかしながら、この一連の制御は、光学素子41の温度変化が起きた後に行われるものである。従って、この一連の制御における偏向動作は、光学素子41の温度が変化した後光学素子41の温度が再度制御されて目標値となるまでの間は、定常的な偏向動作とは異なり、偏向角が減少してしまう。
【００３１】
レーザ光の偏向が単一周波数で連続的に行われている場合には、駆動電圧も単一周波数の交流電圧であるので、光学素子41の発熱量は一定である。従って、光学素子41の発熱による温度上昇を温度検出素子43によって検出し、温度制御回路44で光学素子41の温度が目標値となるように制御することができるが、電圧印加開始から光学素子41の温度が再度目標温度に制御されるまでの偏向角の変動は避けられない。
【００３２】
これに対して、本発明の実施形態では、あらかじめ、駆動電圧の振幅の短時間での変化による発熱量の変化および／または駆動電圧の周波数の短時間での変化による発熱量の変化を、電流―電圧特性の位相差やサーモビューアなどで測定しておく。光学素子41へ駆動電圧を印加すると同時にあらかじめ測定しておいた発熱量の変化に対応する制御量を温度制御回路44に加算する。この際の制御量とは、ペルチェ素子42の吸熱量を制御するための電流と電圧である。
【００３３】
また、レーザ光の偏向が単一周波数で連続的である場合、つまり、駆動電圧が単一周波数の交流電圧である場合において、交流電圧の振幅変化によって、光学素子41の発熱量は変化する。
【００３４】
電気光学結晶としてＫＴＮ結晶を用いた高速な光偏向では、偏向角は印加電圧に比例して大きくなる。つまり、レーザ光を広範囲に偏向させる場合には、大振幅の電圧を印加し、狭い範囲でレーザ光を偏向させる場合には、印加する電圧の振幅は小さくてよい。光計測等では、広範囲の大まかな計測と狭範囲の詳細な計測とを逐次切り替えつつ測定をすることもある。
【００３５】
この際に、交流電圧の振幅変化に対応した、光学素子41の発熱量変化を打ち消すような制御を、交流電圧の振幅変化と同時に行えば、光学素子41の発熱量変化にかかわらず、温度が常に一定に保たれ、安定した動作が得られる。
【００３６】
図４に示す光デバイスの具体的な動作を、図５のタイミングチャートを用いて説明する。
【００３７】
電気光学結晶としてＫＴＮ結晶を用いた光学素子41を備えた光デバイスでは、まずペルチェ素子42と温度制御回路44とにより、光学素子41の温度は目標温度Ｔに保持される。光学素子41の温度を目標温度Ｔに設定する理由は、巨大な電気光学効果を利用するためである。このときは、電気光学効果を発現させるための駆動電圧は印加されていないので、光デバイスの発熱量は0である。
【００３８】
時間t0に駆動電圧の印加が開始され、光偏向や光変調などの動作が追随する。この際に、ＫＴＮ結晶は誘電損によって発熱する(発熱量J)。駆動電圧の印加と同時に、発熱量Jを打ち消すような電流変化Δiをペルチェ素子への電流量へ加算する。電流変化Δiは、駆動電圧の周波数変化および駆動電圧の振幅変化に依存するものであり、発熱量Jを打ち消すために必要な電流変化Δiをあらかじめ測定し、データベースに格納しておく。電流変化Δiをペルチェ素子への電流量に与えた後には、光学素子41の温度変化を温度検出素子43によって検出し、フィードバック制御によって、当初制御されていた目標温度Ｔへと再度制御する。この制御は通常のＰＩＤ制御で行われるが、電流変化Δiを与えたことによって、そもそも光学素子41の温度変化が抑えられるので、駆動電圧印加直後より定常的な偏向動作が得られる。この実施形態では、駆動電圧が印加されていない状態から印加開始後の制御について説明したが、本発明は、印加電圧の変化により光デバイスの発熱量が変化する場合に適用できる。つまり、既に電圧を印加している状態から、別の振幅や周波数に印加電圧を変更した際に、あらかじめ発熱量の変化を測定しておけば、本発明を適用することができる。
【００３９】
なお、上記で説明した本発明の実施形態は、位相変調器、光強度変調器、および可変焦点レンズ等といった光デバイスに適用することができる。ただし、本発明の実施形態をどの光デバイスに適用するかが本発明の本質ではないことに留意されたい。電気光学効果を有する電気光学結晶を用いる光学素子に印加する電圧の振幅や周波数を変更した際に、追随する発熱量の変化に伴う光学素子の温度変化を抑制することが本発明の本質である。従って、本発明の実施形態は、光の導波領域として電気光学結晶を用いた光デバイスであって、かつ、動作温度の変化が好ましくない光デバイスであれば、いずれにも適用することができる。
【実施例】
【００４０】
図４を再度参照しながら、本発明の一実施例に係る光デバイスにおいて行われる温度制御について以下に説明する。
【００４１】
本実施例では、温度制御回路44は、ペルチェ素子42への電流量を制御することによりＫＴＮ結晶を用いた光学素子41の温度を制御する。この際、温度制御回路44は、温度検出素子43により検出された光学素子41の温度の情報に基づいて温度を制御する。
【００４２】
光学素子41において用いられるＫＴＮ結晶は、ＫＴＮ単結晶から、ブロックを切り出し、4.0mm×3.2mm×1.0mmの形状に成形した。3.2mm×1.0mmの面を光学入射面とし、4.0mm×3.2mmの面を電極面とした。電極構造は、結晶面からTi、Pt、Auを順に積層した、Ti/Pt/Au構造とした。光学素子41において用いられるＫＴＮ結晶の光学入射面と電極面とはともに、光学研磨が行われている。
【００４３】
光学素子41において用いられるＫＴＮ結晶の温度は、比誘電率が20,000となるように35℃に制御されている。金属ブロック46、47を介して周波数200kHz、±300Ｖの電圧を印加し、電流―電圧特性によって発熱量を測定したところ、1Wであった。
【００４４】
駆動回路55から駆動状態の変化に合わせた制御情報が温度制御回路44へ送られない場合には（本発明を適用しない場合には）、電圧印加後、光学素子41において用いられるＫＴＮ結晶が目標の制御温度に制御されるまでの時間は1分以上であった。
【００４５】
光学素子41の温度が目標温度に達するまで、偏向角は定常値より小さく、光学素子41の温度が目標温度に達した後、偏向角は徐々に定常値へ回復した。
【００４６】
この際、室温は25℃であり、目標温度35℃より低く、室温と目標温度との間の温度差は10℃である。このような環境下で、電圧印加前の定常的な状態においては電流値0.20A、電圧印加後の定常的な状態においては電流値0.05Aでペルチェ素子42を動作させている。
【００４７】
一方、本発明を適用した場合には、電圧印加直後に、駆動回路55から制御情報を温度制御回路44へ送信し、温度制御回路44が1Wの発熱量に対応した0.15Aの電流値を減少するようペルチェ素子42への電流値を制御することによって、電圧印加直後より直ちに、定常的な偏向動作が得られる。
【００４８】
図４において、温度制御回路44、駆動回路45の制御は別途コンピュータ等から行っても構わない。
【符号の説明】
【００４９】
21、41  光学素子
22、42  ペルチェ素子
23、43  温度検出素子
24、44  温度制御回路
25、45  駆動回路
26、27、46、47  金属ブロック
【図１】
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【図２】
2014081577.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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