(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
印加された電界に対して２次の電気光学効果を有する電気光学結晶を用いた電気光学素子において、
前記電気光学結晶に対して光の進行方向に垂直に電界を印加する電極対であって、前記光の進行方向に並んだ２組の電極対を備え、
第１の電極対に印加する電界の方向と、第２の電極対に印加する電界の方向とが逆方向であり、
前記電気光学結晶はＫＴａ１−ｘＮｂｘＯ３（０＜ｘ＜１）またはＫ１−ｙＬｉｙＴａ１−ｘＮｂｘＯ３（０＜ｘ＜１，０＜ｙ＜０．１）のいずれかであり、該電気光学結晶を常誘電相で用いることを特徴とする電気光学素子。
【請求項２】
前記第１の電極対および前記第２の電極対とは、前記光の進行方向にそれぞれｍ個（ｍは正の整数）に分割されていることを特徴とする請求項１に記載の電気光学素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気光学素子に関し、より詳細には、電気光学結晶を用いて電気信号により光の位相を変える電気光学素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、電気光学結晶を用いた様々な光機能部品が実用化されている。これら光機能部品は、電気光学結晶に電圧を印加すると、電気光学効果により結晶の屈折率が変化することを利用している。例えば、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、この光位相変調器を利用して、光スイッチ、光強度変調器を構成することもできる。
【０００３】
図１に、従来の光位相変調器の構成を示す（例えば、特許文献１）。ＬｉＮｂＯ３基板１０に形成された導波路１１の両側に、２つの電極、陽極１２ａおよび陰極１２ｂが形成されている（図１（ａ））。陽極１２ａおよび陰極１２ｂ間に、電圧を印加し、導波路１１にかかる電界を変化させる（図１（ｂ））。これにより、電気光学材料の屈折率を変化させて、導波路１１を通過する光信号の位相を変調する。
【０００４】
図１に示した光位相変調器において、変調される光の位相ΔΦは、光の伝搬方向において電界の印加される部分の長さをＬとし、光の波長をλとし、変化する屈折率をΔｎとすると、  
ΔΦ＝２π×Δｎ×Ｌ／λ    （１）
と表される。さらに、Δｎは、  
Δｎ＝−０．５ｎ３ｒＥ          （２）
と表される。ここで、Ｅは導波路に印加された電界、ｒは一次の電気光学係数、ｎは屈折率である。
【０００５】
近年、電気光学係数の大きなＫＴａ１−ｘＮｂｘＯ３（ＫＴＮ）結晶が着目されている。ＫＴＮ結晶は、電気光学係数が大きいために、小さなサイズ、小さな駆動電圧で光スイッチを構成することができる。図２に、従来のＫＴＮ結晶を用いた光位相変調器の構成を示す。光位相変調器は、方形のＫＴＮ結晶２０の対向する面に、陽極２２ａおよび陰極２２ｂが形成されている。陽極２２ａおよび陰極２２ｂ間に、バイアス電界を印加し、さらにそのバイアス電界の下で、２つの電極間に信号電界を重畳する。これにより、ＫＴＮ結晶２０の電界が信号によって変化し、２つの電極間の屈折率が変化するので、ＫＴＮ結晶２０を通過する入射光の位相を信号に応じて変化させることができる。この光位相変調器を利用して、光強度変調器、光スイッチ、Ｑスイッチなどの光機能素子を構成することができる。
【０００６】
バイアス電界は、初期位相を適切な位相に保持するために使用される。加えて、常誘電相のＫＴＮ結晶など、主に２次の電気光学効果を有する材料の場合は、バイアス電界が強いほど電気光学効果が大きくなるという特徴がある。図３に、２次の電気光学効果を有する材料における印加電圧と屈折率の関係を示す。バイアス電圧Ｖｂｉａｓが大きいほど、信号電圧Ｖｓによって変調される屈折率の変化Δｎは大きくなる。
【０００７】
【特許文献１】特開平０５−３４６５６０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、ＫＴＮ結晶は、電界を印加すると電界方向に光が偏向するという問題があった。図２に示すように、電圧を印加して入射光の位相を変調すると、出射光は、電界の印加方向に角度ａだけ偏向し、所望の経路から光がそれてしまい、光位相変調器として一様な変調特性が得られない。この偏向特性は、電圧０Ｖを中心にして極性を変えると、反転して起こるので、電極に印加する電圧を逆にすれば、偏向は逆方向に起こる。また、偏向の影響を抑えるために、印加するバイアス電圧を低く設定すると、良好な電気光学特性が得られないという問題もあった。
【０００９】
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、複数の電極を光の進行方向に並べ、逆方向の電界を印加して、偏向現象を抑圧することにより、良好な電気光学特性が得られる電気光学素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、印加された電界に対して２次の電気光学効果を有する電気光学結晶を用いた電気光学素子において、前記電気光学結晶に対して光の進行方向に垂直に電界を印加する電極対であって、前記光の進行方向に並んだ２組の電極対を備え、第１の電極対に印加する電界の方向と、第２の電極対に印加する電界の方向とが逆方向であり、前記電気光学結晶はＫＴａ１−ｘＮｂｘＯ３（０＜ｘ＜１）またはＫ１−ｙＬｉｙＴａ１−ｘＮｂｘＯ３（０＜ｘ＜１，０＜ｙ＜０．１）のいずれかであり、該電気光学結晶を常誘電相で用いることを特徴とする。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の前記第１の電極対および前記第２の電極対とは、前記光の進行方向にそれぞれｍ個（ｍは正の整数）に分割されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
以上説明したように、本発明によれば、電気光学結晶に対して光の進行方向に垂直に電界を印加する電極対であって、光の進行方向に２組の電極対を備え、第１の電極対に印加する電界の方向と、第２の電極対に印加する電界の方向とが逆方向であるので、偏向を抑圧し、良好な電気光学特性を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
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。本実施形態においては、２組の電極を光の進行方向に並べ、逆方向の電界を印加することにより、偏向を相殺する。第１の電極対の間を通過した光が角度ａだけ偏向し、第２の電極対の間に入力される。第２の電極対には、第１の電極対とは逆方向で同じ値の電界が印加されているので、角度−ａだけ偏向して、第１の電極対による偏向を相殺する。
【００１５】
同様に、２ｍ組（ｍは正の整数）の電極を光の進行方向に並べて、ｍ個の電極の電界の印加方向と、残りのｍ個の電極の電界の印加方向とを逆方向に設定する。言い換えると、第１の電極対および第２の電極対を、光の進行方向にそれぞれｍ個に分割することにより、偏向を相殺する。
【実施例１】
【００１６】
図４に、本発明の実施例１にかかる電気光学素子の構成を示す。電気光学素子は、方形のＫＴＮ結晶４０の対向する面に、第１の電極対である陽極４２ａおよび陰極４２ｂと、第２の電極対である陽極４３ａおよび陰極４３ｂとが形成されている。ＫＴＮ結晶４０は、光の進行方向の長さ５ｍｍ、光の進行方向に垂直な方向の幅１．０ｍｍであり、２つの電極対の間の厚さ０．５ｍｍの結晶である。第１の電極対４２および第２の電極対４３の光の進行方向の長さは、それぞれ１．５ｍｍである。
【００１７】
ＫＴＮ結晶４０の相転移温度は０度であり、２０度で動作するように温度保持されている。バイアス電圧Ｖｂｉａｓ＝１００Ｖを第１の電極対４２に印加し、バイアス電圧Ｖｂｉａｓ＝１００Ｖを第２の電極対４３に、電界が逆方向になるように印加する。さらに、信号電圧Ｖｓ＝２０Ｖｐｐを第１の電極対４２に印加し、信号電圧Ｖｓ＝２０Ｖｐｐを第２の電極対４３に、電界が逆方向になるように同じ位相で印加する。従って、それぞれの電極対には、８０Ｖ〜１２０Ｖの電圧が印加される。
【００１８】
偏向特性は、電圧０Ｖを中心にして極性を変えると、反転して起こるので、第１の電極対４２に生じる偏向と、第２の電極対４３に生じる偏向とが相殺されて、偏向のない直進した光を取り出すことができる。
【００１９】
なお、電圧に対する偏向特性の反転が完全でない場合でも、およそ反転していれば、偏向の大部分を相殺することができる。また、第１の電極対４２と第２の電極対４３のバイアス電圧と信号電圧とは、必ずしも同じ絶対値を有する必要はなく、印加する方向を逆にした上で、上述した相違を補償するように調整することもできる。
【００２０】
また、実施例１では、１つの結晶に２組の電極を取り付けたが、２つの結晶に分割して、それぞれに１組の電極を取り付け、光が２つの結晶を通過するようにしてもよい。第１の結晶において、入射光の光軸と陽極との間の距離ｄによって、入射光の偏向量が変わる場合には、第２の結晶において、入射光の光軸と陰極との間の距離がｄとなるように結晶の相対位置を調整して、偏向を相殺するようにしてもよい。
【実施例２】
【００２１】
図５に、本発明の実施例２にかかる電気光学素子の構成を示す。電気光学素子は、方形のＫＴＮ結晶５０の対向する面に、４つの電極対である陽極５２ａ〜５５ａおよび陰極５２ｂ〜５５ｂが形成されている。ＫＴＮ結晶５０は、光の進行方向の長さ１４ｍｍ、光の進行方向に垂直な方向の幅１．０ｍｍであり、４つの電極対の間の厚さ０．５ｍｍの結晶である。４つの電極対の光の進行方向の長さは、それぞれ２．０ｍｍであり、２ｍｍの間隔で並べられている。
【００２２】
ＫＴＮ結晶５０の相転移温度は０度であり、２０度で動作するように温度保持されている。バイアス電圧Ｖｂｉａｓ＝１００Ｖを第１および第３の電極対５２，５４に印加し、バイアス電圧Ｖｂｉａｓ＝１００Ｖを第２および第４の電極対５３，５５に逆方向に印加する。さらに、信号電圧Ｖｓ＝２０Ｖｐｐを第１および第３の電極対５２，５４に印加し、信号電圧Ｖｓ＝２０Ｖｐｐを第２および第４の電極対５３，５５に逆方向に、同じ位相で印加する。従って、それぞれの電極対には、８０Ｖ〜１２０Ｖの電圧が印加される。
【００２３】
実施例１と同様に、第１および第３の電極対５２，５４に生じる偏向と、第２および第４の電極対５３，５５に生じる偏向とが相殺されて、偏向のない直進した光を取り出すことができる。
【００２４】
本実施形態では、位相変調器を用いて説明したが、この位相変調器を利用した光強度変調器、光スイッチ、Ｑスイッチなどの光機能素子に適用することができる。また、電気光学結晶は、ＫＴＮ結晶に限らず、Ｋ１−ｙＬｉｙＴａ１−ｘＮｂｘＯ３（０＜ｘ＜１，０＜ｙ＜０．１）結晶とすることができ、それぞれ常誘電相で適用する。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】従来の光位相変調器の構成を示す図である。
【図２】従来のＫＴＮ結晶を用いた光位相変調器の構成を示す図である。
【図３】２次の電気光学効果を有する材料における印加電圧と屈折率の関係を示す図である。
【図４】本発明の実施例１にかかる電気光学素子の構成を示す図である。
【図５】本発明の実施例２にかかる電気光学素子の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００２６】
１０  ＬｉＮｂＯ３基板
１１  導波路
１２ａ，２２ａ，４２ａ，４３ａ，５２ａ，５３ａ，５４ａ，５５ａ  陽極
１２ｂ，２２ｂ，４２ｂ，４３ｂ，５２ｂ，５３ｂ，５４ｂ，５５ｂ  陰極
２０，４０，５０  ＫＴＮ結晶
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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