(57)【要約】【課題】  温度検知素子を用いることなく、素子の温度を自動的に最適な温度に制御する可能な光デバイスを提供する。【解決手段】  本発明の光デバイスは、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１と、光素子の温度を調整する温度調整素子８と、温度調整素子を制御する温度制御回路９とを有する。光デバイスは、光素子の電気容量を測定する容量測定回路７をさらに備え、温度制御回路が、測定される電気容量が予め定められた値となる温度に、光素子の温度を保持するように温度調整素子を制御する。光素子の電気容量は、光素子に交流を印加して、素子を流れる電流を測定することによって求めてもよい。あるいは、光素子の電気容量は、素子に一定量の電荷を荷電して、光素子に生じる電圧を測定することによって求めてもよい。【選択図】  図５
2007003947.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項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って、
前記光素子の電気容量を測定する容量測定手段と、
前記光素子の温度を調整する温度調整手段と、
測定される電気容量が予め定められた値となる温度に、前記光素子の温度を保持するように前記温度調整手段を制御する温度制御手段と
を備えたことを特徴とする光デバイス。
【請求項２】
前記容量測定手段は、
前記光素子に交流信号を印加する手段と、
前記光素子を流れる前記交流信号の電流値を測定する手段と
を備え、前記交流信号の電圧値と電流値とを用いて電気容量を計算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】
前記容量測定手段は、
前記光素子に一定量の電荷を荷電する手段と、
前記光素子に生じる電圧を測定する手段と
を備え、前記光素子に荷電された電荷量と測定された前記電圧とを用いて前記電気容量を計算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】
前記材料は、ＫＴａ1-ｘＮｂｘＯ3（０＜ｘ＜１）であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の光デバイス。
【請求項５】
前記材料は、Ｋ1-yＬｉyＴａ1-ｘＮｂｘＯ3（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の光デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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、高い電気光学定数を有するＫＴａ１−ｘＮｂｘＯ３（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。
【０００４】
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。
【０００５】
図１に電気光学材料の電気光学効果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（Ｔｃ）（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定数を有し、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、常誘電相で用い、かつ常誘電・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。
【０００６】
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。
【０００７】
電気光学材料を用いて形成された光素子は、電圧の印加ΔＶによって光の屈折率変化Δｎを生じさせ、これによって位相変化を起して光デバイスの動作を実現するものである。このとき、電気光学係数Ａを用いて、次の関係が成り立つ。(ここで、光素子の長さをＬとする。)
ΔΦ=Ｌ×Δｎ=Ｌ×ＡΔＶ      （１）
【０００８】
しかし、電気光学係数Ａが温度変化δＴによって、δＡの変化を起したとすると、位相の変化分が、温度によって
δ(ΔΦ)=δＡ×ＬΔＶ      （２）
だけ変化してしまう。従って、電気光学係数の使用温度範囲における温度変化が大きく、以下のような条件を満たす場合には、温度制御をすることが必要になる。
【０００９】
【数１】
2007003947.tif 000003
【００１０】
図２の構成では、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。
【００１１】
【非特許文献１】S. Toyoda et al, ”LOW DRIVING VOLTAGE POLARIZATION-INDEPENDENT > 3 GHz-RESPONSE ELECTRO-OPTIC SWITCH USING KTN WAVEGUIDES” Proc. ECOC 2003
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかし、ＫＴａ1-ｘＮｂｘＯ３は製造上、組成にばらつきが生じ、この組成に依存する相転移温度（Ｔｃ）にもばらつきが生じることは避けられない。このため、製品の電気光学効果の特性を均一にするためには、光素子の電気光学定数と温度の関係の特性を測定し、測定結果に基づいて光素子の温度が最適な温度に制御されるように、製品ごとに温度制御回路を調整する必要があり、調整コストが高くなるという問題があった。
【００１３】
また、従来の光スイッチでは、図２の温度検知素子として、サーミスタのような外部素子を用いるが、外部素子の精度には個体差がある。このため、製品の特性を均一にするためには、外部素子の特性を測定し、測定結果に基づいて光素子の温度が最適な温度に制御されるように、製品ごとに温度制御回路を調整する必要があり、調整コストが高くなるという問題があった。
【００１４】
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、あらかじめ個々の材料の特性を測定することなく、あるいは精度に個体差のある温度検知素子を用いることなく、光素子の温度を最適な温度に制御することができる光デバイスを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
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って、前記光素子の電気容量を測定する容量測定手段と、前記光素子の温度を調整する温度調整手段と、測定される電気容量が予め定められた値となる温度に、前記光素子の温度を保持するように前記温度調整手段を制御する温度制御手段とを備えたことを特徴とする。
【００１６】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の光デバイスであって、前記容量測定手段は、前記光素子に交流信号を印加する手段と、前記光素子を流れる前記交流信号の電流値を測定する手段とを備え、前記交流信号の電圧値と電流値とを用いて電気容量を計算することを特徴とする。
【００１７】
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の光デバイスであって、前記容量測定手段は、前記光素子に一定量の電荷を荷電する手段と、前記光素子に生じる電圧を測定する手段とを備え、前記光素子に荷電された電荷量と測定された前記電圧とを用いて前記電気容量を計算することを特徴とする。
【００１８】
請求項１ないし３のいずれかに記載の光デバイスにおいて、前記材料を、ＫＴａ1-ｘＮｂｘＯ3（０＜ｘ＜１）、または、Ｋ1-yＬｉyＴａ1-ｘＮｂｘＯ3（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）とすることができる。
【発明の効果】
【００１９】
以上説明したように、本発明によれば、精度に個体差のある温度検知素子を用いることなく、光素子の温度を最適な温度に制御することができる光デバイスを提供することができる。
【００２０】
また、本発明によれば、光素子の特定の個体差に起因する調整コストを低減し、安価な光デバイスを提供することができる。
【００２１】
また、温度検知素子のような外部素子を用いないため、外部素子の個体差に起因する調整コストを削減し、安価な光デバイスを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
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。
【００２３】
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を用いた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。
【００２４】
図３（ａ）にＫＴＮ材料の電気光学係数の温度依存性を示し、図３（ｂ）に電気容量の温度依存性の例を示す。電気光学定数は、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、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。
【００２５】
つまり、温度制御回路が、測定される光素子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にばらつきにかかわらず、製品としての光デバイスの特性を均一にすることができる。
【００２６】
図４（ａ）および（ｂ）に、光デバイスの製品Ａの電気光学係数および電気容量の温度依存性をそれぞれ示し、図４（ｃ）および（ｄ）に光デバイスの製品Ｂの電気光学係数および電気容量の温度依存性をそれぞれ示す。製品ＡおよびＢは、光素子の材料の組成にばらつきが生じた結果、それぞれの相転移温度ＴＣＡおよびＴＣＢにずれが生じているものとする。上述したように、製品ＡおよびＢの電気光学係数は、それぞれ電気容量と同様の温度依存性を示す。
【００２７】
ここで、製品ＡおよびＢについて、電気容量ＣＡ＝ＣＢとなる温度ＴＡおよびＴＢを求め、求めた温度ＴＡおよびＴＢに対応する電気光学係数αおよびβを求めると、それらは一致（α＝β）する。つまり、光素子の材料の組成にばらつきが生じた製品ＡおよびＢであっても、電気容量が同じになるように温度を制御することにより、同じ電気光学効果を得ることができる。
【００２８】
ただし、材料の電気容量と温度の関係は、図３（ｂ）に示したように単一のピークをもつため、所望の電気容量をとる温度は、相転移温度をはさんで二箇所ある。このため、常誘電相で用いるためには、制御される光素子の温度は、常に相転移温度より高く、かつ測定される電気容量が所望の電気容量となるような温度にする必要がある。
【００２９】
例えば、あらかじめ大体の光素子の相転移温度を調べておき、あらかじめ測定された大体の光素子の相転移温度よりも高い、かつ所望の電気容量になる温度に、光素子の温度を制御するように、温度制御回路を構成することができる。あるいは、光素子の温度を十分に上げてから、徐々に光素子の温度を下げ、電気容量が増加する範囲で、所望の電気容量となる温度に光素子の温度を制御するように、温度制御回路を構成するようにしても良い。
【００３０】
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。
【００３１】
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、常誘電相の温度領域で使用され、かつ温度に依存する電気光学効果を有する材料であれば、ＫＴＮ（ＫＴａ1-ｘＮｂｘＯ３）（０＜ｘ＜１）、ＫＬＴＮ（Ｋ1-yＬｉyＴａ1-ｘＮｂｘＯ３）（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。
【００３２】
本発明は、光素子の電気容量を測定する容量測定手段と、光素子の温度を調整する温度調整手段と、測定される電気容量が予め定められた値となる温度に、光素子の温度を保持するように該温度調整手段を制御する温度制御手段とを備える。このように構成することによって、電気光学係数の使用温度範囲における温度変化が大きく上記式（３）条件を満たす場合に、光素子の特性に材料組成の揺らぎに起因する個体差があったとしても、それらの光素子を所望の電気光学係数に保つことができる。
【００３３】
＜実施形態１＞
図５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および６と、電極５および６に接続され、光素子１の電気容量を測定する容量測定回路７と、容量測定回路７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とが設けられている。温度制御回路９は、容量測定回路７および温度調整素子８の各々と、電気的に接続されている。
【００３４】
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７で光素子１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１の温度が調整される。温度制御回路９は、容量測定回路７で測定される電気容量があらかじめ定められた電気容量で一定になるように、ペルチェ素子等の温度調整素子９を制御して光素子１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。
【００３５】
ただし、上述したように、光素子１を構成する材料の電気容量と温度の関係は図３（ｂ）のように単一のピークをもつ構造になっているため、所望の電気容量が得られる温度は、相転移温度Ｔｃをはさんで二箇所ある。このため、光素子１を常誘電相で用いるためには、常に相転移温度より高く、かつ設定した電気容量が得られる温度になるように、温度制御回路９を構成して、光素子１の温度を制御する必要がある。
【００３６】
容量測定回路７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。
【００３７】
また、温度制御回路９としては、少なくとも素子１の温度が相転移温度より高く、かつ設定した電気容量が得られる温度になるように構成することができれば、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７から温度制御回路９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。
【００３８】
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。
【００３９】
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１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１を電気的に駆動する電極（図示しない）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」ともいう。）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。
【００４０】
したがって、電極５および６は、動作領域に影響を及ぼさず、かつ動作領域の温度を反映する領域（本明細書において、単に「動作領域近傍領域」ともいう）の電気容量を直接または間接的に測定することができる位置であれば、どこに設けてもよい。例えば、光素子１を電気的に駆動する電極と、電気容量を測定する電極５および６との間に、グランド電極を入れるなどして、互いに電気的影響を及ぼさないようにすることができる。これにより、動作領域近傍領域の電気容量を直接または間接的に測定することができる位置に電極５および６を配置することができる。
【００４１】
＜実施の形態２＞
図６に、本発明に係る光デバイスの別の実施の形態を示す。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および６と、電極５と電極６との間に電圧Ｖの交流信号（以下、交流信号Ｖという。）を印加する交流電圧発生装置１０と、電極５と電極６との間の電流Ｉを測定する電流計１１と、電極５と電極６との間の電圧Ｖと電流Ｉとを用いて電極５と電極６との間の電気容量を求め、求め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とが設けられている。
【００４２】
温度制御回路９は、電流計１１および温度調整素子８の各々と、電気的に接続されている。
【００４３】
温度制御回路９は、交流信号Ｖに対して電流Ｉを測定することで、Ｚ＝Ｖ／Ｉ＝iωＣ（Ｚ：インピーダンス、ω：角周波数、Ｃ：電気容量、ｉ＝虚数単位）の関係から、光素子１の電気容量Ｃを求めることができる。温度制御回路９は、求めた電気容量が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を制御して光素子１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。
【００４４】
尚、上述したように、電極５および６は、光素子１の動作領域に影響を及ぼさず、該動作領域の温度を反映する領域（動作領域近傍領域）の電気容量を直接または間接的に測定することができれば、光素子１の任意の場所に配置することができる。
【００４５】
＜実施の形態３＞
図７に、本発明に係る光デバイスのさらに別の実施形態を示す。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および６と、電極５と電極６との間に一定量の電荷Ｑを荷電した後に、電極５と電極６との間の電圧Ｖを測定する荷電回路１２と、電荷Ｑと電圧Ｖとを用いて電極５と電極６との間の電気容量を求め、求め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９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とが設けられている。温度制御回路９は、荷電回路１２および温度調整素子８の各々と、電気的に接続されている。
【００４６】
荷電回路１２は、光素子１に設けられた電極５と電極６との間に一定量の電荷Ｑだけ充電する。このとき発生する電極５と電極６との間の電圧Ｖは、電気容量をＣとして、Ｖ＝Ｑ／Ｃで記述できる。つまり、光素子１に荷電される電荷が一定であれば、電圧を測定することによって、間接的に光素子１の電気容量を測定することができる。温度制御回路９は、求めた電気容量が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を制御して光素子１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。
【００４７】
尚、上述したように、電極５および６は、光素子１の動作領域に影響を及ぼさず、該動作領域の温度を反映する領域（動作領域近傍領域）の電気容量を直接または間接的に測定することができれば、光素子１の任意の場所に配置することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】電気光学係数と温度の関係を示す図である。
【図２】従来技術の光デバイスの構成図である。
【図３】（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。
【図４】（ａ）および（ｂ）はそれぞれ製品Ａの電気光学係数および電気容量と温度の関係を示す図、（ｃ）および（ｄ）はそれぞれ製品Ｂの電気光学係数および電気容量と温度の関係を示す図である。
【図５】本発明の実施形態を示す図である。
【図６】本発明の実施形態を示す図である。
【図７】本発明の実施形態を示す図である。
【符号の説明】
【００４９】
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
５，６  電極
７  容量測定回路
８  温度調整素子
９  温度制御回路
１０  交流発生回路
１１  電流計
１２  荷電回路
【図１】
2007003947.tif 000004
【図２】
2007003947.tif 000005
【図３】
2007003947.tif 000006
【図４】
2007003947.tif 000007
【図５】
2007003947.tif 000008
【図６】
2007003947.tif 000009
【図７】
2007003947.tif 000010