光素子の制御方法
【課題】電気光学材料を用いた光素子において、外部から供給される制御信号の繰り返し周波数などの条件変更に関わらず光の制御出力が変化しにくい光素子の出現が望まれている。
【解決手段】電気光学効果を持つ電気光学材料からなる光部品を含む光素子の制御方法において、前記電気光学材料が強誘電的相転移温度を含む常誘電性を示す温度範囲で動作させる光素子の制御方法と、温度制御手段を含む光素子を提供する。
【解決手段】電気光学効果を持つ電気光学材料からなる光部品を含む光素子の制御方法において、前記電気光学材料が強誘電的相転移温度を含む常誘電性を示す温度範囲で動作させる光素子の制御方法と、温度制御手段を含む光素子を提供する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は外部から供給される電気信号により制御する光素子に関連し、特に電気信号の繰り返し周波数などの条件が変化しても光の制御出力が変化しにくい前記光素子の制御方法と、前記制御方法に好ましく用いられる光素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
外部から印加される電界によって屈折率などの光学的物性量が変化する特性を持つ電気光学材料からなる光部品を用いた光素子として、電気的に光の強度を制御することのできる光変調器が古くから知られている。例えば、非特許文献１に記載されている。また、前記電気光学材料の例は、非特許文献２に記載されている。
【非特許文献１】Ｌ．Ｐ．Ｋａｍｉｎｏｖ ａｎｄ Ｅ．Ｈ．Ｔｕｒｎｅｒ，”Ｅｌｅｃｔｏｏｐｔｉｃ Ｌｉｇｈｔ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ”，Ａｐｐｌ．Ｏｐｔｉｃｓ ５［１０］（１９６６）ｐｐ．１６１２−１６１８
【非特許文献２】Ｈ．Ｊｉａｎｇ，ｅｔ．ａｌ．，”Ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｏｐｔｉｃ ｃｅｒａｍｉｃｓ ａｎｄ Ｄｅｖｉｃｅｓ”，ＳＰＩＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ａｓｉａ， Ｎｏｖｅｍｂｅｒ ２００４．
【０００３】
図１を用いて光変調器１の構造と動作について説明する。図１において２１および２２は電気光学材料を加工した光部品で、長尺方向の端面は光が出入りするよう光学的に研磨されている。光部品２１は光の伝搬路に対して平行な上下面に電極２１１、２１２が形成され、外部の電圧源４からこの電極に電圧を印加することにより光部品２１内部の上下方向に電界が発生する。同様に、光部品２２には光の伝搬路に対して平行な左右面に電極２２１、２２２が形成され、光部品２２内部の左右方向に電界が発生する。光部品２１の光１１の入射側には光の偏波方向を電界の発生方向に対して４５度傾斜する偏光子３１が設置され、同様に光部品２２の光１２の出射側には偏光子３１と偏波方向が直交するように偏光子３２が設置されている。光部品２１，２２と偏光子３１，３２は光が伝搬する光学軸方向に直線的に配置されている。
【０００４】
電気光学材料に電圧が印加されない状態では光部品２１，２２は入射光１１に対して等方的であるため、光は光部品２１，２２の長さに対応する位相のずれを生ずるのみで何ら影響を受けない。このため、光部品から出射する光は入射側の偏光子３１に直交する偏光子３２を通過することができず、光変調器からは光は出力されない。
【０００５】
光部品２１，２２の各電極に直流電圧が印加されると電気光学材料に歪みが生じ、光部品には異方性が生じるため上下方向と左右方向に電界が振動する２つの光成分（常光，異常光）で光伝達速度が変化し光部品から出射する光の偏光方向が回転する。この現象は一般に電気光学効果（Ｅｌｅｃｔｏ−ｏｐｔｉｃ ｅｆｆｅｃｔ）として知られている。光部品２１，２２の長さと加える電圧を調整すると入射光１１に対して出射光１２の偏波方向は９０度回転することができ、入射光１１は出射光１２として損失なく通過することができる。
【０００６】
一般に電気光学材料は複屈折の温度依存性が光の偏波成分により異なるが、二つの光部品２１，２２の電極位置を直交して縦続に配置することによりその影響を補償することができる。
【０００７】
この原理を利用して光変調器１は光の強度を電気的に可変する可変減衰器（ＶＯＡ：Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ａｔｔｅｎｕａｔｏｒ）や損失切り替えるＱスイッチとして利用されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
以下図１に示す光変調器１を事例に従来の光素子の有する課題について説明する。光変調器１に代表される光素子においては、光部品２１，２２により大きな電気光学定数（Ｅｌｅｃｔｒｏ−ｏｐｔｉｃ ｃｏｎｓｔａｎｔ）を有する材料を用いることにより、電気光学材料を光の伝搬軸方向により短くすることができ光素子を小型化すると同時に、電気光学材料に加える電圧をより低くすることが可能となる。
【０００９】
近年大きな電気光学定数を持ち光学的にも透明な材料としてｘＰｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−（１−ｘ）ＰｂＴｉＯ３（以下、ＰＭＮ−ＰＴと省略）セラミックスが例えば、非特許文献２に報告されている。
【００１０】
この材料はリラクサ系フェロブスカイト型強誘電体（Ｆｅｒｒｏｅｒｅｃｔｉｃｓ）として知られており、Ｐｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３の組成成分が１０％である場合、強誘電的相転移温度（Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｈａｓｅ ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ、常誘電相（Ｐａｒａｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｈａｓｅ）から強誘電相（Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｈａｓｅ）への相転移温度、以下Ｔｃと略す）はおおよそ３０℃付近となる。一般に強誘電体はＴｃ付近で誘電率など電界の影響を受ける物性量が増大する特徴を持つ。このため、Ｔｃ付近では電気光学定数も大きな値を持ち、動作温度領域がＴｃに近い場合には光素子への応用に適していると考えられている。
【００１１】
図１はｘがおおよそ１０％の場合のＰＭＮ−ＰＴセラミックスの比誘電率（Ｒｅｌａｔｉｖｅ Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｎｓｔａｎｔ）の温度依存性を示している。比誘電率のピークはおおよそ３０℃付近にあるが、そのピーク位置は計測する周波数により大きく変化する。この現象は後述する強誘電相での分極ドメインの移動に関連し、誘電率の周波数分散と表現する。
【００１２】
強誘電体材料ではＴｃよりも十分に高い温度Ａでは誘電分極Ｐ（Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）と電界強度Ｅの関係は図３の曲線Ａ１に示す様にほぼ直線的で、電界の増大時と減衰時の誘電分極の値はほぼ一致する。これに対してＴｃよりも十分に低い温度Ｂでは誘電分極Ｐと電界強度Ｅの関係は図３の曲線Ｂ１に示す曲線となり、電界の増大時と減衰時の電気分極の値は一致せずいわゆるヒステレシスを示す。この現象もやはり分極ドメインの移動により生ずる。
【００１３】
電気光学効果が現れる原因となる常光と異常光の屈折率の差Δｎは誘電分極Ｐに起因し、次の数式で表せる。
【数１】
ここで、ｎ０は誘電分極がないときの等方的な光の屈折率を示し、Ｐは電気光学定数を示す。ｇはカー定数として知られている。
【００１４】
強誘電相においては電気分極Ｐは自発分極ＰＳ（Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）と電界Ｅで励起される誘導分極の和で表され、次数式で表わされる。
【数２】
ここでε０は真空中の誘電率、εは電気光学材料の比誘電率を示す。
【００１５】
数式２を数式１に代入すると、次式のようになる。
【数３】
第１項は電気光学材料全体において平均的に存在する自発分極ＰＳの総和によって変化する成分を示し、第３項は外部から印加する電界Ｅのみで変化する成分を示す。第２項は自発分極ＰＳと電界Ｅの両方が寄与する項目を示す。
【００１６】
一般に強誘電相での電気光学効果には第３項の寄与は十分に小さいとして、第２項のみ注目し、ポッケルス効果として取り扱われている。リラクサ系フェロブスカイト型強誘電体の場合には強誘電相の非常に広い温度範囲で比誘電率εが非常に大きいため第３項の寄与も無視できない。
【００１７】
図１の光変調器１では数式３の常光と異常光の屈折率の差Δｎにより、光部品２１，２２に電圧を印加しない状態では光変調器から光が出射せず、光部品２１，２２に適切な電圧Ｖπを印加すると常光と異常光の位相差が９０°ずれ損失なく光が出射することができる。
【００１８】
図４の模式図を用いて電気光学材料が常誘電相にある場合と強誘電相にある場合の光変調器１の動作特性の違いを説明する。図４において横軸は光部品２１，２２に印加する電圧を示し、縦軸は光変調器から出力される光強度を示す。
【００１９】
曲線Ａ２は電気光学材料が常誘電相にある場合、すなわち図２のＡの温度または図３のＡ１のような電界−誘電分極特性が得られる温度である場合の光変調器の特性を示したものである。曲線Ａ２において常光と異常光の位相差が９０°ずれる電圧Ｖπで光の出射強度は最大値を示し、更に電圧が上昇すると再び減少する。電圧上昇とともに光の出射強度が最大となる電圧は何度も現れる。また、曲線Ａ１に電圧上昇時と下降時にヒステレシスがないことに対応して光出力の曲線Ａ２においてもヒステレシスは見られない。また、電圧の正負に対しても対称である。図５−１はこのとき実際に１／３００Ｈｚの非常に遅い繰り返し周期で計測された光の出力特性を示している。縦軸のスケールがｄＢ表記であるため電圧上昇時と下降時にわずかにヒステレシスを持っている様に見えるが、概ねヒステレシスは小さく電圧の正負に対して対称である。
【００２０】
一方、曲線Ｂ２は電気光学材料が強誘電相にある場合、すなわち図２のＢの温度または図３のＢ１のような電界−誘電分極特性が得られる温度である場合の光変調器の動作特性を示したものである。電圧の変化が１秒以上のゆっくりとした変化の場合、常誘電相と同様に電圧の変化とともに光出射強度が最大となる電圧は何度も現れるが、図３の曲線Ｂ１に電圧上昇時と下降時にヒステレシスが見られるのと同様に、光出力の曲線Ｂ２においてもヒステレシスは現れる。図５−２はこのとき実際に１／３００Ｈｚの繰り返し周期で計測された光の出力特性を示している。電圧上昇時と下降時に大きなヒステレシスを持っていることが分かる。
【００２１】
次にこの強誘電相における高速な方形波信号を電気光学素子に印加した場合の問題点を、図６を用いて説明する。
【００２２】
図６−１は図２のＢ点の温度すなわち強誘電相において、光変調器１の光部品２１，２２に１００ｎｓ以下で高速に電圧（ＶＯＡ電圧）が切り替わる方形波信号が印加され、その繰り替え周期が１０ｋＨｚである場合の光出力の変化を示したものである。光変調器１からの光出力はほぼ印加した方形波信号にほぼ追従して高速に切り替わっているように見える。一方、図６−２は同じ電圧条件で５Ｈｚの非常にゆっくりとした繰り返し周期の電圧を印加した場合の光の出力変化を示している。図から分かるように、電圧が切り替わると同時に急速に光の出力が増大するが、その後光の出力はゆっくり減衰していることが分かる。
【００２３】
この現象は外部電界と光出力の関係を示す図４においては１０ｋＨｚの方形波信号では曲線Ｂ３のようにヒステレシスを持たない変化を示すが、５Ｈｚの方形波信号では曲線Ｂ４のようにヒステレシスを持つ変化を伴っていることを示している。すなわち、この現象は光
学部品２１，２２に外部から印加する電気信号に対して、光出力が追従する成分に、１００ｎｓオーダーで追従する非常に応答成分と１０ｍｓオーダーで追従する非常に遅い成分が存在することを示している。
【００２４】
次に電気光学材料内部の強誘電的ふるまいに注目して、この現象について説明する。リラクサ系フェロブスカイト型強誘電体は強誘電相において正負逆方向を含めて全部で８方位の自発分極方位が存在する。外部から電界が加わらない場合にはこれらの自発分極を有するドメイン（Ｄｏｍａｉｎ、自発分極方位がそろった領域）が存在し、光部品２１，２２全体の平均的分極は０となっている。すなわち、光部品２１，２２全体は光学的に等方的に見える。
【００２５】
図７−１を用いて、電気光学材料を光変調器として用いた場合、非常に早い応答成分と非常に遅い応答成分が存在する現象について説明する。ここでは、説明を簡略化するため自発分極の方向は紙面内の上下、左右方向と紙面に垂直な方向で正負の向きを合わせて６方向存在するとして説明する。電気光学材料がセラミックスである場合には、その内部は５１，５２で示すような１０μｍオーダーのセラミックスの粒子の集まりで構成されている。個々の粒子は電気光学材料の単結晶である。電気光学材料が強誘電相にある場合、この粒子内部にドメインが存在する。たとえば、粒子５１の内部には紙面に対して上向きの自発分極を持つドメイン６１と、紙面に対して右向きの自発分極を持つドメイン６２が存在する。同様に粒子５２の内部には紙面に対して下向きの自発分極を持つドメイン６３と紙面に垂直な向きの自発分極を持つドメイン６４が存在する。紙面の左から右に伝搬する光１３にとってドメイン６１，６３，６４の様に光１３の伝搬方法に垂直な成分の分極が影響を受ける。光部品２３全体では光の伝搬方向に垂直な分極成分の総和が光１３の位相速度に影響を与える。外部電界Ｅがない場合には数式３の第１項のΔｎの寄与として現れる。一般にセラミックス材料の場合外部電界Ｅがない場合にはこの自発分極の総和もほぼゼロである。
【００２６】
光部品２３の上下方向には電極２３１，２３２が設けられており、この電極に外部から電圧を印加することにより光部品２３内部に電界Ｅが発生する。このとき電界Ｅに一致する向きの分極を持つドメイン６１の分極の大きさは増大し、電界Ｅに逆向きの分極を持つドメイン６３の分極の大きさは減少する。同時にドメイン同士を分けるドメイン壁７１，７２はドメイン６１の量を増やす方向に、またドメイン６３の量を減らす方向に移動する。その結果光部品全体では電界Ｅの向きの自発分極ＰＳが発生し、数式３の第１項と第２項のΔｎの寄与として光１３の影響を与える。この寄与はポッケルス効果として知られている。
【００２７】
６１，６３の様に一つのドメイン内部の誘電分極の大きさ変化は電気光学材料の結晶内部の原子もしくはイオンの配置が変化することにより現れるイオン分極寄与で、外部電界Ｅの変化に対して非常に早く追従する。一方のドメイン壁７１，７２が移動することにより各ドメインの量が変化する。この移動は一般に非常に遅く外部電界Ｅの変化に対して１０ｍｓ以上遅れて変化が現れる。図６−１，図６−２で示した、外部電界の変化に対して速い応答成分と遅い応答成分が存在する理由については分極の大きさが変化する寄与とドメインの量が変化する寄与の２つが存在することによって理解できる。
【００２８】
現実に光変調器１を光通信システムに適用する場合、変調すべき光信号の時間幅は常に変化するものであり、一定の時間幅で固定的に繰り返されるものではない。電気光学材料が強誘電相にある場合、光変調器からの出力波形はある時には図６−１のよう応答波形から図６−２のような応答波形に変化することはあり得る。このことは図６−１，図６−２の動作を示す光変調器は光の通信システムの中では適用が困難であることを意味する。
【課題を解決するための手段】
【００２９】
本発明は、電気光学材料を加工して得られた光部品２１，２２に印加する電気信号に対して、光出力が追従する成分に非常に早い応答成分と非常に遅い応答成分が含まれることにより、光素子を光通信システムに適用する場合のあらゆる変調信号に追従できないという問題を解決するものである。
【００３０】
本発明の光素子の制御方法は光部品に使用する強誘電体材料が強誘電相において非常に早い応答成分と非常に遅い応答成分が含まれることよる不具合を避けるために、電気光学材料の動作温度領域を可能な限り常誘電相に設定する。ただし、リラクサ系フェロブスカイト型強誘電体においてはＴｃ近傍では電気光学定数が大きいため、光素子の動作温度領域にＴｃを含ませることは有益である。本発明の光素子の制御方法は使用する電気光学材料の常誘電相と比誘電率の周波数分散が出ない下限温度の範囲を限定的に使用する。もしくは、繰り替えし周波数が１０ｋＨｚ以上の矩形信号を印加した場合と繰り返し周波数が５Ｈｚ程度の方形波信号を印加した場合とで、光素子の光の出力レベルがほとんど変化しない電気光学材料のＴｃ近傍を含む常誘電相の温度範囲を限定的に使用する。
【発明の効果】
【００３１】
本発明の光素子の制御方法は光部品に使用する電気光学材料のＴｃ近傍と常誘電相を限定的に利用することにより、光出力が追従する非常に早い応答成分のみを利用でき、電気光学材料を用いた光変調器は光通信システムにおいてあらゆる時間間隔の光信号の変調を可能にするものである。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】光変調器の構造とその動作原理を示す図である。
【図２】強誘電体ＰＭＮ−ＰＴの比誘電率の温度変化を示す図である。
【図３】強誘電体の外部電界Ｅと誘電分極Ｐの関係を示す図である。
【図４】光変調器の外部電界と光出力の関係を示す図である。
【図５−１】電気光学材料が常誘電相にある時に示す実際の光変調器の光出力を示す図である。
【図５−２】電気光学材料が強誘電相にある時に示す実際の光変調器の光出力を示す図である。
【図６−１】電気光学材料が強誘電相にある時に示す１０ｋＨｚの方形波繰り返し信号に対する光変調器の出力時間応答波形である。
【図６−２】電気光学材料が強誘電相にある時に示す５Ｈｚの方形波繰り返し信号に対する光変調器の出力時間応答波形である。
【図６−３】電気光学材料がＴｃにある時に示す１０ｋＨｚの方形波繰り返し信号に対する光変調器の出力時間応答波形である。
【図６−４】電気光学材料がＴｃにある時に示す５Ｈｚの方形波繰り返し信号に対する光変調器の出力時間応答波形である。
【図７−１】電気光学材料が強誘電相にある時のその内部状態と動作について説明した図である。
【図７−２】電気光学材料が常誘電相にある時のその内部状態と動作について説明した図である。
【図８】本発明の光素子に使用する電気光学材料の動作温度とそのＴｃの関係を示す図である。
【図９】本発明の光素子を温度制御する構成の一例を示す図である。
【図１０】光素子のその他の事例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
本発明の光素子の制御方法には例えば図１の光変調器１が使用される。
【００３４】
本発明の実施の態様として、請求項１に記載のように電気光学効果を持つ電気光学材料からなる光部品を含む光素子の制御方法において、前記光部品を強誘電的相転移温度を含む常誘電性を示す温度範囲で動作させるよう制御することにより、前記光素子の光出力が追従する非常に早い応答成分のみを利用することができ、光通信などのシステムにおいてあらゆる時間間隔の光信号の変調を可能にすることができる。また、たとえば請求項２に記載のように前記電気光学材料の前記電気光学効果に単一の自発分極からなるドメインの移動による周波数分散が現れない温度範囲で動作させるよう制御することも可能である。また、たとえば請求項３に記載のように前記電気光学材料の比誘電率が１００Ｈｚから１００ｋＨｚの周波数範囲で比誘電率が周波数分散を示さない温度範囲で動作させるよう制御することも可能である。また、たとえば請求項４に記載のように前記電気光学材料に方形波信号を印加したとき、その繰り返し周波数が１０ｋＨｚと５Ｈｚとで光素子からの光出力レベルが変化しない温度範囲で動作させるよう制御することも可能である。
【００３５】
また本発明の実施の態様として、請求項５に記載のように前記電気光学材料にリラクサ系のフェロブスカイト型強誘電体を用いた光部品を含む光素子の制御方法において電気光学材料が強誘電的相転移温度を含む常誘電性を示す温度範囲で動作させる制御することにより、前記光素子の光出力が追従する非常に早い応答成分のみを利用することができ、光通信などのシステムにおいてあらゆる時間間隔の光信号の変調を可能にすることができる。また、請求項６に記載のように前記電気光学材料にｘＰｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−（１−ｘ）ＰｂＴｉＯ３を主成分とする強誘電体を用いることもできる。また、請求項７に記載のように前記電気光学材料にセラミックスを用いることもできる。また、請求項８に記載のように前記電気光学材料に単結晶を用いることもできる。
【００３６】
また本発明の実施の態様として、請求項９に記載のように前記光素子を使用する外部の環境温度に関わらず、前記電気光学材料の温度が強誘電的相転移温度を含む常誘電性を示す温度範囲になるように温度制御することにより、前記光素子の光出力が追従する非常に早い応答成分のみを利用することができ、光通信などのシステムにおいてあらゆる時間間隔の光信号の変調を可能にすることができる。また、請求項１０に記載のように前記光素子を使用する外部の環境温度が電気光学材料の強誘電的相転移温度よりも低い場合、光素子を加熱することにより電気光学材料が強誘電的相転移温度を含む常誘電相を示す温度範囲に温度制御することもできる。また、請求項１１に記載のように前記光素子を使用する外部の環境温度の範囲内に電気光学材料の強誘電的相転移温度がある場合、光素子をペルチェ素子により冷却もしくは加熱することにより電気光学材料が強誘電的相転移温度を含む常誘電性を示す温度範囲に温度制御することもできる。
【００３７】
また本発明の実施の態様として、請求項１２に記載のように電気光学効果を有する電気光学材料からなる光部品を含む光素子において、前記光部品が強誘電的相転移温度を含む常誘電性を示す温度範囲で動作するように制御する温度制御手段を含むよう光素子を構成することにより、前記光素子の光出力が追従する非常に早い応答成分のみを利用することができ、光通信などのシステムにおいてあらゆる時間間隔の光信号の変調を可能にすることができる。また、請求項１２の前記電気光学材料の好ましいものは、例えば、請求項１３から１６のいずれかに記載したようなものである。
【００３８】
（第１実施形態）
図１の光変調器１において光部品２１，２２には例えばｘが１０％であるＰＭＮ−ＰＴセラミックスを使用する。図２のＣの比誘電率が周波数分散をほとんど持たなくなる温度で光変調器１を動作させた場合の光変調出力を図６−３，図６−４に示す。図６−３は光変調器１の光部品２１，２２に１００ｎｓ以下の高速に電圧が切り替わる方形波信号
が印加され、その繰り替え周期が１０ｋＨｚである場合の光出力の変化を示したものである。一方図６−２は同じ電圧条件で５Ｈｚの非常にゆっくりとした繰り返し周期の電圧を印加した場合の光の出力変化を示したものである。図６−３と図６−４はともに応答波形の光出力レベルにはほとんど変化がない。
【００３９】
図６−３と図６−４の結果は、図４においては１０ｋＨｚと５Ｈｚの方形波信号のいずれにおいても曲線Ｃ１のように外部信号に対してヒステレシスのない光出力の変化と対応している。このことは外部電界Ｅの印加に対して、光変調器１の光出力に遅い応答成分が含まれないことを意味している。本発明では、１００Ｈｚから１００ｋＨｚの周波数で計測された誘電率が分散を持たなくなる下限温度、もしくは外部から光部品に印加する方形波信号の繰り返し周波数が１０ｋＨｚと５Ｈｚとで光変調素子からの光出力レベルが変化しなくなる下限温度を、強誘電的相転移温度Ｔｃとして定義する。図２のＴｃ以上の電気光学材料が常誘電相であるＡの温度でも図６−３と図６−４と同様の結果が得られている。
【００４０】
本発明の光素子の制御方法は、その動作温度範囲を電気光学材料のＴｃを含む常誘電相のみに限定することにより、光出力が追従する非常に早い応答成分のみを利用でき、電気光学材料を用いた光変調器において光通信システムでのあらゆる時間間隔の光信号の変調を可能にするものである。
【００４１】
次に電気光学材料内部の誘電的ふるまいに注目して、この現象を説明する。図７−２は常誘電相にある時の電気光学材料の分極状態を示す。電気光学材料がセラミックスである場合には、図７−１と同様にその内部は５で示すようなセラミックスの粒子の集まりで構成されている。外部電界Ｅが内場合には図６−１の強誘電相とは異なり、セラミックス粒子内には自発分極ＰＳは存在せず、ドメイン壁も存在しない。ここに外部電界Ｅが印加すると電界方向に電気光学材料の比誘電率に対応して分極６３が発生し、式１に示す常光と異常光の屈折率差が発生する。このとき図７−１で示した強誘電相のようなドメイン壁の移動もない。このためドメイン壁の移動に伴う光出力の遅い応答成分は含まれないため、電気光学材料の結晶内部の原子もしくはイオンの配置が変化するイオン分極の寄与による早い応答成分のみが利用できる。
【００４２】
次に図８を用いて、本発明で用いられる電気光学材料のＴｃと光素子１の動作温度領域の関係を示す。本発明で使用する電気光学材料のＴｃは光素子の動作温度領域のほぼ下限に設定して利用する。
【００４３】
一般に光関連機器は０℃〜７０℃の動作保証を要求される。本発明の光素子１において光部品２１，２２に使用する電気光学材料はその相転移温度Ｔｃが０℃となるようその組成や製造条件を調整する。例えばＰＭＮ−ＰＴセラミックスの場合には組成をｘを５％とすることによって実現できる。
【００４４】
（第２実施形態）
本発明の光素子の制御方法は光素子自身を加熱制御するなどして、その動作温度領域を光部品に使用する電気光学材料のＴｃ近傍と常誘電相を限定して利用することができる。例えば光変調器を組み込む光関連機器の動作温度が０℃〜７０℃である場合、光変調器１に使用する電気光学材料のＴｃを７０℃以上として光変調素子１を加熱制御することによってＴｃ近傍と常誘電相を限定的に利用することができる。
【００４５】
例えばＰＭＮ−ＰＴセラミックスの場合には組成をｘを１３％以上とすることによって実現できる。
【００４６】
次に図９を用いて光素子を加熱制御する方法を説明する。図９において８は本発明に使用する光素子２０１を搭載し利用または制御する電気回路基板である。１０１は光変調器２０１の光の入出力端子で、１０２は電気信号の入力端子である。この電気回路基板８内の光素子２０１の近傍には光素子を加熱するヒーター８１と温度を検出するセンサー８２が搭載されていて、本発明の温度制御手段の一実施例である。。加熱ヒーター８１はセンサー８２からの信号により光素子の電気光学材料が常にＴｃ以上の温度となるよう加熱制御される。センサー８２にはサーミスターや熱電対を利用することができる。
【００４７】
前記説明では加熱することにより電気光学材料をＴｃ以上となるようその動作温度制御したが、光素子の外部環境温度範囲に電気光学材料のＴｃが含まれる場合、加熱もしくは；冷却が可能な熱電素子であるペルチェ素子を用いて電気光学材料の温度が電気光学効果の大きいＴｃ近傍もしくは以上の温度に光素子を制御することも可能である。
【００４８】
また本発明の光素子の制御方法に関する前記説明では、図１に示す光変調器１を例にして示したが、光変調器はこれに限定されるものではなく例えば図１０に示す様な光変調器に適用ができる。
【００４９】
図１０の光変調器２は偏光子３３と電気光学材料を加工して得られた光部品２４と光学反射膜９から構成されている。光部品２４には電圧を印加するための電極２４１、２４２が形成されている。この光変調器２において、偏光子３３と電気光学材料２４と光学反射膜９は直線的に配置され、入射光１４は偏光子３３と電気光学材料２４を通り、光学反射膜９で反射され、再び電気光学材料２４と偏光子３３を通り、出射光１５として出力される。この光変調器２は電極２４１、２４２に電圧を印加することにより図１の光変調器１と同様の動作をし、図１よりも小型化でき構造を簡素化できるメリットがある。
【００５０】
また、上記説明では電気光学材料に強誘電体セラミックスを用いた例を示したが、電気光学材料に強誘電体単結晶を用いることも可能である。セラミックスと異なり強誘電体単結晶にはセラミックス粒子のような境界がないため、強誘電相に現れる分極ドメインの移動に制限がなくセラミックス以上にドメインの移動を伴う比誘電率の周波数分散や光素子の非常に遅い応答成分の影響が顕著になる。しかし、強誘電体単結晶においてもＴｃ近傍と常誘電相を限定的に利用することにより、光出力が追従する非常に早い応答成分のみを利用できる。
【００５１】
この他、電気光学材料を利用するその他の光素子において、本発明を適用することにより、光出力が追従する非常に早い応答成分のみを利用でき、光通信システムにおいてあらゆる時間間隔の光信号の変調を可能にすることができる。
【符号の説明】
【００５２】
１、２、２０１ 光変調器
１１，１４ 入射光
１２、１５ 出射光
１３ 光の進行方向
２１、２２、２３、２４ 光部品
２１１、２１２，２２１、２２２、２３１、２３２、２４１、２４２ 電極
３１、３２、３３ 偏光子
４ 電圧源
５、５１、５２ セラミックス粒子
６１、６２、６３，６４ 自発分極
７１、７２ ドメイン壁
８ 電気回路基板
８１ ヒーター
８２ 温度センサー
９ 光学反射膜
１０１ 光変調器の光入出力端子
１０２ 光変調器の電気信号の入力端子
【技術分野】
【０００１】
本発明は外部から供給される電気信号により制御する光素子に関連し、特に電気信号の繰り返し周波数などの条件が変化しても光の制御出力が変化しにくい前記光素子の制御方法と、前記制御方法に好ましく用いられる光素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
外部から印加される電界によって屈折率などの光学的物性量が変化する特性を持つ電気光学材料からなる光部品を用いた光素子として、電気的に光の強度を制御することのできる光変調器が古くから知られている。例えば、非特許文献１に記載されている。また、前記電気光学材料の例は、非特許文献２に記載されている。
【非特許文献１】Ｌ．Ｐ．Ｋａｍｉｎｏｖ ａｎｄ Ｅ．Ｈ．Ｔｕｒｎｅｒ，”Ｅｌｅｃｔｏｏｐｔｉｃ Ｌｉｇｈｔ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ”，Ａｐｐｌ．Ｏｐｔｉｃｓ ５［１０］（１９６６）ｐｐ．１６１２−１６１８
【非特許文献２】Ｈ．Ｊｉａｎｇ，ｅｔ．ａｌ．，”Ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｏｐｔｉｃ ｃｅｒａｍｉｃｓ ａｎｄ Ｄｅｖｉｃｅｓ”，ＳＰＩＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ａｓｉａ， Ｎｏｖｅｍｂｅｒ ２００４．
【０００３】
図１を用いて光変調器１の構造と動作について説明する。図１において２１および２２は電気光学材料を加工した光部品で、長尺方向の端面は光が出入りするよう光学的に研磨されている。光部品２１は光の伝搬路に対して平行な上下面に電極２１１、２１２が形成され、外部の電圧源４からこの電極に電圧を印加することにより光部品２１内部の上下方向に電界が発生する。同様に、光部品２２には光の伝搬路に対して平行な左右面に電極２２１、２２２が形成され、光部品２２内部の左右方向に電界が発生する。光部品２１の光１１の入射側には光の偏波方向を電界の発生方向に対して４５度傾斜する偏光子３１が設置され、同様に光部品２２の光１２の出射側には偏光子３１と偏波方向が直交するように偏光子３２が設置されている。光部品２１，２２と偏光子３１，３２は光が伝搬する光学軸方向に直線的に配置されている。
【０００４】
電気光学材料に電圧が印加されない状態では光部品２１，２２は入射光１１に対して等方的であるため、光は光部品２１，２２の長さに対応する位相のずれを生ずるのみで何ら影響を受けない。このため、光部品から出射する光は入射側の偏光子３１に直交する偏光子３２を通過することができず、光変調器からは光は出力されない。
【０００５】
光部品２１，２２の各電極に直流電圧が印加されると電気光学材料に歪みが生じ、光部品には異方性が生じるため上下方向と左右方向に電界が振動する２つの光成分（常光，異常光）で光伝達速度が変化し光部品から出射する光の偏光方向が回転する。この現象は一般に電気光学効果（Ｅｌｅｃｔｏ−ｏｐｔｉｃ ｅｆｆｅｃｔ）として知られている。光部品２１，２２の長さと加える電圧を調整すると入射光１１に対して出射光１２の偏波方向は９０度回転することができ、入射光１１は出射光１２として損失なく通過することができる。
【０００６】
一般に電気光学材料は複屈折の温度依存性が光の偏波成分により異なるが、二つの光部品２１，２２の電極位置を直交して縦続に配置することによりその影響を補償することができる。
【０００７】
この原理を利用して光変調器１は光の強度を電気的に可変する可変減衰器（ＶＯＡ：Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ａｔｔｅｎｕａｔｏｒ）や損失切り替えるＱスイッチとして利用されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
以下図１に示す光変調器１を事例に従来の光素子の有する課題について説明する。光変調器１に代表される光素子においては、光部品２１，２２により大きな電気光学定数（Ｅｌｅｃｔｒｏ−ｏｐｔｉｃ ｃｏｎｓｔａｎｔ）を有する材料を用いることにより、電気光学材料を光の伝搬軸方向により短くすることができ光素子を小型化すると同時に、電気光学材料に加える電圧をより低くすることが可能となる。
【０００９】
近年大きな電気光学定数を持ち光学的にも透明な材料としてｘＰｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−（１−ｘ）ＰｂＴｉＯ３（以下、ＰＭＮ−ＰＴと省略）セラミックスが例えば、非特許文献２に報告されている。
【００１０】
この材料はリラクサ系フェロブスカイト型強誘電体（Ｆｅｒｒｏｅｒｅｃｔｉｃｓ）として知られており、Ｐｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３の組成成分が１０％である場合、強誘電的相転移温度（Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｈａｓｅ ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ、常誘電相（Ｐａｒａｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｈａｓｅ）から強誘電相（Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｈａｓｅ）への相転移温度、以下Ｔｃと略す）はおおよそ３０℃付近となる。一般に強誘電体はＴｃ付近で誘電率など電界の影響を受ける物性量が増大する特徴を持つ。このため、Ｔｃ付近では電気光学定数も大きな値を持ち、動作温度領域がＴｃに近い場合には光素子への応用に適していると考えられている。
【００１１】
図１はｘがおおよそ１０％の場合のＰＭＮ−ＰＴセラミックスの比誘電率（Ｒｅｌａｔｉｖｅ Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｎｓｔａｎｔ）の温度依存性を示している。比誘電率のピークはおおよそ３０℃付近にあるが、そのピーク位置は計測する周波数により大きく変化する。この現象は後述する強誘電相での分極ドメインの移動に関連し、誘電率の周波数分散と表現する。
【００１２】
強誘電体材料ではＴｃよりも十分に高い温度Ａでは誘電分極Ｐ（Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）と電界強度Ｅの関係は図３の曲線Ａ１に示す様にほぼ直線的で、電界の増大時と減衰時の誘電分極の値はほぼ一致する。これに対してＴｃよりも十分に低い温度Ｂでは誘電分極Ｐと電界強度Ｅの関係は図３の曲線Ｂ１に示す曲線となり、電界の増大時と減衰時の電気分極の値は一致せずいわゆるヒステレシスを示す。この現象もやはり分極ドメインの移動により生ずる。
【００１３】
電気光学効果が現れる原因となる常光と異常光の屈折率の差Δｎは誘電分極Ｐに起因し、次の数式で表せる。
【数１】
ここで、ｎ０は誘電分極がないときの等方的な光の屈折率を示し、Ｐは電気光学定数を示す。ｇはカー定数として知られている。
【００１４】
強誘電相においては電気分極Ｐは自発分極ＰＳ（Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）と電界Ｅで励起される誘導分極の和で表され、次数式で表わされる。
【数２】
ここでε０は真空中の誘電率、εは電気光学材料の比誘電率を示す。
【００１５】
数式２を数式１に代入すると、次式のようになる。
【数３】
第１項は電気光学材料全体において平均的に存在する自発分極ＰＳの総和によって変化する成分を示し、第３項は外部から印加する電界Ｅのみで変化する成分を示す。第２項は自発分極ＰＳと電界Ｅの両方が寄与する項目を示す。
【００１６】
一般に強誘電相での電気光学効果には第３項の寄与は十分に小さいとして、第２項のみ注目し、ポッケルス効果として取り扱われている。リラクサ系フェロブスカイト型強誘電体の場合には強誘電相の非常に広い温度範囲で比誘電率εが非常に大きいため第３項の寄与も無視できない。
【００１７】
図１の光変調器１では数式３の常光と異常光の屈折率の差Δｎにより、光部品２１，２２に電圧を印加しない状態では光変調器から光が出射せず、光部品２１，２２に適切な電圧Ｖπを印加すると常光と異常光の位相差が９０°ずれ損失なく光が出射することができる。
【００１８】
図４の模式図を用いて電気光学材料が常誘電相にある場合と強誘電相にある場合の光変調器１の動作特性の違いを説明する。図４において横軸は光部品２１，２２に印加する電圧を示し、縦軸は光変調器から出力される光強度を示す。
【００１９】
曲線Ａ２は電気光学材料が常誘電相にある場合、すなわち図２のＡの温度または図３のＡ１のような電界−誘電分極特性が得られる温度である場合の光変調器の特性を示したものである。曲線Ａ２において常光と異常光の位相差が９０°ずれる電圧Ｖπで光の出射強度は最大値を示し、更に電圧が上昇すると再び減少する。電圧上昇とともに光の出射強度が最大となる電圧は何度も現れる。また、曲線Ａ１に電圧上昇時と下降時にヒステレシスがないことに対応して光出力の曲線Ａ２においてもヒステレシスは見られない。また、電圧の正負に対しても対称である。図５−１はこのとき実際に１／３００Ｈｚの非常に遅い繰り返し周期で計測された光の出力特性を示している。縦軸のスケールがｄＢ表記であるため電圧上昇時と下降時にわずかにヒステレシスを持っている様に見えるが、概ねヒステレシスは小さく電圧の正負に対して対称である。
【００２０】
一方、曲線Ｂ２は電気光学材料が強誘電相にある場合、すなわち図２のＢの温度または図３のＢ１のような電界−誘電分極特性が得られる温度である場合の光変調器の動作特性を示したものである。電圧の変化が１秒以上のゆっくりとした変化の場合、常誘電相と同様に電圧の変化とともに光出射強度が最大となる電圧は何度も現れるが、図３の曲線Ｂ１に電圧上昇時と下降時にヒステレシスが見られるのと同様に、光出力の曲線Ｂ２においてもヒステレシスは現れる。図５−２はこのとき実際に１／３００Ｈｚの繰り返し周期で計測された光の出力特性を示している。電圧上昇時と下降時に大きなヒステレシスを持っていることが分かる。
【００２１】
次にこの強誘電相における高速な方形波信号を電気光学素子に印加した場合の問題点を、図６を用いて説明する。
【００２２】
図６−１は図２のＢ点の温度すなわち強誘電相において、光変調器１の光部品２１，２２に１００ｎｓ以下で高速に電圧（ＶＯＡ電圧）が切り替わる方形波信号が印加され、その繰り替え周期が１０ｋＨｚである場合の光出力の変化を示したものである。光変調器１からの光出力はほぼ印加した方形波信号にほぼ追従して高速に切り替わっているように見える。一方、図６−２は同じ電圧条件で５Ｈｚの非常にゆっくりとした繰り返し周期の電圧を印加した場合の光の出力変化を示している。図から分かるように、電圧が切り替わると同時に急速に光の出力が増大するが、その後光の出力はゆっくり減衰していることが分かる。
【００２３】
この現象は外部電界と光出力の関係を示す図４においては１０ｋＨｚの方形波信号では曲線Ｂ３のようにヒステレシスを持たない変化を示すが、５Ｈｚの方形波信号では曲線Ｂ４のようにヒステレシスを持つ変化を伴っていることを示している。すなわち、この現象は光
学部品２１，２２に外部から印加する電気信号に対して、光出力が追従する成分に、１００ｎｓオーダーで追従する非常に応答成分と１０ｍｓオーダーで追従する非常に遅い成分が存在することを示している。
【００２４】
次に電気光学材料内部の強誘電的ふるまいに注目して、この現象について説明する。リラクサ系フェロブスカイト型強誘電体は強誘電相において正負逆方向を含めて全部で８方位の自発分極方位が存在する。外部から電界が加わらない場合にはこれらの自発分極を有するドメイン（Ｄｏｍａｉｎ、自発分極方位がそろった領域）が存在し、光部品２１，２２全体の平均的分極は０となっている。すなわち、光部品２１，２２全体は光学的に等方的に見える。
【００２５】
図７−１を用いて、電気光学材料を光変調器として用いた場合、非常に早い応答成分と非常に遅い応答成分が存在する現象について説明する。ここでは、説明を簡略化するため自発分極の方向は紙面内の上下、左右方向と紙面に垂直な方向で正負の向きを合わせて６方向存在するとして説明する。電気光学材料がセラミックスである場合には、その内部は５１，５２で示すような１０μｍオーダーのセラミックスの粒子の集まりで構成されている。個々の粒子は電気光学材料の単結晶である。電気光学材料が強誘電相にある場合、この粒子内部にドメインが存在する。たとえば、粒子５１の内部には紙面に対して上向きの自発分極を持つドメイン６１と、紙面に対して右向きの自発分極を持つドメイン６２が存在する。同様に粒子５２の内部には紙面に対して下向きの自発分極を持つドメイン６３と紙面に垂直な向きの自発分極を持つドメイン６４が存在する。紙面の左から右に伝搬する光１３にとってドメイン６１，６３，６４の様に光１３の伝搬方法に垂直な成分の分極が影響を受ける。光部品２３全体では光の伝搬方向に垂直な分極成分の総和が光１３の位相速度に影響を与える。外部電界Ｅがない場合には数式３の第１項のΔｎの寄与として現れる。一般にセラミックス材料の場合外部電界Ｅがない場合にはこの自発分極の総和もほぼゼロである。
【００２６】
光部品２３の上下方向には電極２３１，２３２が設けられており、この電極に外部から電圧を印加することにより光部品２３内部に電界Ｅが発生する。このとき電界Ｅに一致する向きの分極を持つドメイン６１の分極の大きさは増大し、電界Ｅに逆向きの分極を持つドメイン６３の分極の大きさは減少する。同時にドメイン同士を分けるドメイン壁７１，７２はドメイン６１の量を増やす方向に、またドメイン６３の量を減らす方向に移動する。その結果光部品全体では電界Ｅの向きの自発分極ＰＳが発生し、数式３の第１項と第２項のΔｎの寄与として光１３の影響を与える。この寄与はポッケルス効果として知られている。
【００２７】
６１，６３の様に一つのドメイン内部の誘電分極の大きさ変化は電気光学材料の結晶内部の原子もしくはイオンの配置が変化することにより現れるイオン分極寄与で、外部電界Ｅの変化に対して非常に早く追従する。一方のドメイン壁７１，７２が移動することにより各ドメインの量が変化する。この移動は一般に非常に遅く外部電界Ｅの変化に対して１０ｍｓ以上遅れて変化が現れる。図６−１，図６−２で示した、外部電界の変化に対して速い応答成分と遅い応答成分が存在する理由については分極の大きさが変化する寄与とドメインの量が変化する寄与の２つが存在することによって理解できる。
【００２８】
現実に光変調器１を光通信システムに適用する場合、変調すべき光信号の時間幅は常に変化するものであり、一定の時間幅で固定的に繰り返されるものではない。電気光学材料が強誘電相にある場合、光変調器からの出力波形はある時には図６−１のよう応答波形から図６−２のような応答波形に変化することはあり得る。このことは図６−１，図６−２の動作を示す光変調器は光の通信システムの中では適用が困難であることを意味する。
【課題を解決するための手段】
【００２９】
本発明は、電気光学材料を加工して得られた光部品２１，２２に印加する電気信号に対して、光出力が追従する成分に非常に早い応答成分と非常に遅い応答成分が含まれることにより、光素子を光通信システムに適用する場合のあらゆる変調信号に追従できないという問題を解決するものである。
【００３０】
本発明の光素子の制御方法は光部品に使用する強誘電体材料が強誘電相において非常に早い応答成分と非常に遅い応答成分が含まれることよる不具合を避けるために、電気光学材料の動作温度領域を可能な限り常誘電相に設定する。ただし、リラクサ系フェロブスカイト型強誘電体においてはＴｃ近傍では電気光学定数が大きいため、光素子の動作温度領域にＴｃを含ませることは有益である。本発明の光素子の制御方法は使用する電気光学材料の常誘電相と比誘電率の周波数分散が出ない下限温度の範囲を限定的に使用する。もしくは、繰り替えし周波数が１０ｋＨｚ以上の矩形信号を印加した場合と繰り返し周波数が５Ｈｚ程度の方形波信号を印加した場合とで、光素子の光の出力レベルがほとんど変化しない電気光学材料のＴｃ近傍を含む常誘電相の温度範囲を限定的に使用する。
【発明の効果】
【００３１】
本発明の光素子の制御方法は光部品に使用する電気光学材料のＴｃ近傍と常誘電相を限定的に利用することにより、光出力が追従する非常に早い応答成分のみを利用でき、電気光学材料を用いた光変調器は光通信システムにおいてあらゆる時間間隔の光信号の変調を可能にするものである。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】光変調器の構造とその動作原理を示す図である。
【図２】強誘電体ＰＭＮ−ＰＴの比誘電率の温度変化を示す図である。
【図３】強誘電体の外部電界Ｅと誘電分極Ｐの関係を示す図である。
【図４】光変調器の外部電界と光出力の関係を示す図である。
【図５−１】電気光学材料が常誘電相にある時に示す実際の光変調器の光出力を示す図である。
【図５−２】電気光学材料が強誘電相にある時に示す実際の光変調器の光出力を示す図である。
【図６−１】電気光学材料が強誘電相にある時に示す１０ｋＨｚの方形波繰り返し信号に対する光変調器の出力時間応答波形である。
【図６−２】電気光学材料が強誘電相にある時に示す５Ｈｚの方形波繰り返し信号に対する光変調器の出力時間応答波形である。
【図６−３】電気光学材料がＴｃにある時に示す１０ｋＨｚの方形波繰り返し信号に対する光変調器の出力時間応答波形である。
【図６−４】電気光学材料がＴｃにある時に示す５Ｈｚの方形波繰り返し信号に対する光変調器の出力時間応答波形である。
【図７−１】電気光学材料が強誘電相にある時のその内部状態と動作について説明した図である。
【図７−２】電気光学材料が常誘電相にある時のその内部状態と動作について説明した図である。
【図８】本発明の光素子に使用する電気光学材料の動作温度とそのＴｃの関係を示す図である。
【図９】本発明の光素子を温度制御する構成の一例を示す図である。
【図１０】光素子のその他の事例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
本発明の光素子の制御方法には例えば図１の光変調器１が使用される。
【００３４】
本発明の実施の態様として、請求項１に記載のように電気光学効果を持つ電気光学材料からなる光部品を含む光素子の制御方法において、前記光部品を強誘電的相転移温度を含む常誘電性を示す温度範囲で動作させるよう制御することにより、前記光素子の光出力が追従する非常に早い応答成分のみを利用することができ、光通信などのシステムにおいてあらゆる時間間隔の光信号の変調を可能にすることができる。また、たとえば請求項２に記載のように前記電気光学材料の前記電気光学効果に単一の自発分極からなるドメインの移動による周波数分散が現れない温度範囲で動作させるよう制御することも可能である。また、たとえば請求項３に記載のように前記電気光学材料の比誘電率が１００Ｈｚから１００ｋＨｚの周波数範囲で比誘電率が周波数分散を示さない温度範囲で動作させるよう制御することも可能である。また、たとえば請求項４に記載のように前記電気光学材料に方形波信号を印加したとき、その繰り返し周波数が１０ｋＨｚと５Ｈｚとで光素子からの光出力レベルが変化しない温度範囲で動作させるよう制御することも可能である。
【００３５】
また本発明の実施の態様として、請求項５に記載のように前記電気光学材料にリラクサ系のフェロブスカイト型強誘電体を用いた光部品を含む光素子の制御方法において電気光学材料が強誘電的相転移温度を含む常誘電性を示す温度範囲で動作させる制御することにより、前記光素子の光出力が追従する非常に早い応答成分のみを利用することができ、光通信などのシステムにおいてあらゆる時間間隔の光信号の変調を可能にすることができる。また、請求項６に記載のように前記電気光学材料にｘＰｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−（１−ｘ）ＰｂＴｉＯ３を主成分とする強誘電体を用いることもできる。また、請求項７に記載のように前記電気光学材料にセラミックスを用いることもできる。また、請求項８に記載のように前記電気光学材料に単結晶を用いることもできる。
【００３６】
また本発明の実施の態様として、請求項９に記載のように前記光素子を使用する外部の環境温度に関わらず、前記電気光学材料の温度が強誘電的相転移温度を含む常誘電性を示す温度範囲になるように温度制御することにより、前記光素子の光出力が追従する非常に早い応答成分のみを利用することができ、光通信などのシステムにおいてあらゆる時間間隔の光信号の変調を可能にすることができる。また、請求項１０に記載のように前記光素子を使用する外部の環境温度が電気光学材料の強誘電的相転移温度よりも低い場合、光素子を加熱することにより電気光学材料が強誘電的相転移温度を含む常誘電相を示す温度範囲に温度制御することもできる。また、請求項１１に記載のように前記光素子を使用する外部の環境温度の範囲内に電気光学材料の強誘電的相転移温度がある場合、光素子をペルチェ素子により冷却もしくは加熱することにより電気光学材料が強誘電的相転移温度を含む常誘電性を示す温度範囲に温度制御することもできる。
【００３７】
また本発明の実施の態様として、請求項１２に記載のように電気光学効果を有する電気光学材料からなる光部品を含む光素子において、前記光部品が強誘電的相転移温度を含む常誘電性を示す温度範囲で動作するように制御する温度制御手段を含むよう光素子を構成することにより、前記光素子の光出力が追従する非常に早い応答成分のみを利用することができ、光通信などのシステムにおいてあらゆる時間間隔の光信号の変調を可能にすることができる。また、請求項１２の前記電気光学材料の好ましいものは、例えば、請求項１３から１６のいずれかに記載したようなものである。
【００３８】
（第１実施形態）
図１の光変調器１において光部品２１，２２には例えばｘが１０％であるＰＭＮ−ＰＴセラミックスを使用する。図２のＣの比誘電率が周波数分散をほとんど持たなくなる温度で光変調器１を動作させた場合の光変調出力を図６−３，図６−４に示す。図６−３は光変調器１の光部品２１，２２に１００ｎｓ以下の高速に電圧が切り替わる方形波信号
が印加され、その繰り替え周期が１０ｋＨｚである場合の光出力の変化を示したものである。一方図６−２は同じ電圧条件で５Ｈｚの非常にゆっくりとした繰り返し周期の電圧を印加した場合の光の出力変化を示したものである。図６−３と図６−４はともに応答波形の光出力レベルにはほとんど変化がない。
【００３９】
図６−３と図６−４の結果は、図４においては１０ｋＨｚと５Ｈｚの方形波信号のいずれにおいても曲線Ｃ１のように外部信号に対してヒステレシスのない光出力の変化と対応している。このことは外部電界Ｅの印加に対して、光変調器１の光出力に遅い応答成分が含まれないことを意味している。本発明では、１００Ｈｚから１００ｋＨｚの周波数で計測された誘電率が分散を持たなくなる下限温度、もしくは外部から光部品に印加する方形波信号の繰り返し周波数が１０ｋＨｚと５Ｈｚとで光変調素子からの光出力レベルが変化しなくなる下限温度を、強誘電的相転移温度Ｔｃとして定義する。図２のＴｃ以上の電気光学材料が常誘電相であるＡの温度でも図６−３と図６−４と同様の結果が得られている。
【００４０】
本発明の光素子の制御方法は、その動作温度範囲を電気光学材料のＴｃを含む常誘電相のみに限定することにより、光出力が追従する非常に早い応答成分のみを利用でき、電気光学材料を用いた光変調器において光通信システムでのあらゆる時間間隔の光信号の変調を可能にするものである。
【００４１】
次に電気光学材料内部の誘電的ふるまいに注目して、この現象を説明する。図７−２は常誘電相にある時の電気光学材料の分極状態を示す。電気光学材料がセラミックスである場合には、図７−１と同様にその内部は５で示すようなセラミックスの粒子の集まりで構成されている。外部電界Ｅが内場合には図６−１の強誘電相とは異なり、セラミックス粒子内には自発分極ＰＳは存在せず、ドメイン壁も存在しない。ここに外部電界Ｅが印加すると電界方向に電気光学材料の比誘電率に対応して分極６３が発生し、式１に示す常光と異常光の屈折率差が発生する。このとき図７−１で示した強誘電相のようなドメイン壁の移動もない。このためドメイン壁の移動に伴う光出力の遅い応答成分は含まれないため、電気光学材料の結晶内部の原子もしくはイオンの配置が変化するイオン分極の寄与による早い応答成分のみが利用できる。
【００４２】
次に図８を用いて、本発明で用いられる電気光学材料のＴｃと光素子１の動作温度領域の関係を示す。本発明で使用する電気光学材料のＴｃは光素子の動作温度領域のほぼ下限に設定して利用する。
【００４３】
一般に光関連機器は０℃〜７０℃の動作保証を要求される。本発明の光素子１において光部品２１，２２に使用する電気光学材料はその相転移温度Ｔｃが０℃となるようその組成や製造条件を調整する。例えばＰＭＮ−ＰＴセラミックスの場合には組成をｘを５％とすることによって実現できる。
【００４４】
（第２実施形態）
本発明の光素子の制御方法は光素子自身を加熱制御するなどして、その動作温度領域を光部品に使用する電気光学材料のＴｃ近傍と常誘電相を限定して利用することができる。例えば光変調器を組み込む光関連機器の動作温度が０℃〜７０℃である場合、光変調器１に使用する電気光学材料のＴｃを７０℃以上として光変調素子１を加熱制御することによってＴｃ近傍と常誘電相を限定的に利用することができる。
【００４５】
例えばＰＭＮ−ＰＴセラミックスの場合には組成をｘを１３％以上とすることによって実現できる。
【００４６】
次に図９を用いて光素子を加熱制御する方法を説明する。図９において８は本発明に使用する光素子２０１を搭載し利用または制御する電気回路基板である。１０１は光変調器２０１の光の入出力端子で、１０２は電気信号の入力端子である。この電気回路基板８内の光素子２０１の近傍には光素子を加熱するヒーター８１と温度を検出するセンサー８２が搭載されていて、本発明の温度制御手段の一実施例である。。加熱ヒーター８１はセンサー８２からの信号により光素子の電気光学材料が常にＴｃ以上の温度となるよう加熱制御される。センサー８２にはサーミスターや熱電対を利用することができる。
【００４７】
前記説明では加熱することにより電気光学材料をＴｃ以上となるようその動作温度制御したが、光素子の外部環境温度範囲に電気光学材料のＴｃが含まれる場合、加熱もしくは；冷却が可能な熱電素子であるペルチェ素子を用いて電気光学材料の温度が電気光学効果の大きいＴｃ近傍もしくは以上の温度に光素子を制御することも可能である。
【００４８】
また本発明の光素子の制御方法に関する前記説明では、図１に示す光変調器１を例にして示したが、光変調器はこれに限定されるものではなく例えば図１０に示す様な光変調器に適用ができる。
【００４９】
図１０の光変調器２は偏光子３３と電気光学材料を加工して得られた光部品２４と光学反射膜９から構成されている。光部品２４には電圧を印加するための電極２４１、２４２が形成されている。この光変調器２において、偏光子３３と電気光学材料２４と光学反射膜９は直線的に配置され、入射光１４は偏光子３３と電気光学材料２４を通り、光学反射膜９で反射され、再び電気光学材料２４と偏光子３３を通り、出射光１５として出力される。この光変調器２は電極２４１、２４２に電圧を印加することにより図１の光変調器１と同様の動作をし、図１よりも小型化でき構造を簡素化できるメリットがある。
【００５０】
また、上記説明では電気光学材料に強誘電体セラミックスを用いた例を示したが、電気光学材料に強誘電体単結晶を用いることも可能である。セラミックスと異なり強誘電体単結晶にはセラミックス粒子のような境界がないため、強誘電相に現れる分極ドメインの移動に制限がなくセラミックス以上にドメインの移動を伴う比誘電率の周波数分散や光素子の非常に遅い応答成分の影響が顕著になる。しかし、強誘電体単結晶においてもＴｃ近傍と常誘電相を限定的に利用することにより、光出力が追従する非常に早い応答成分のみを利用できる。
【００５１】
この他、電気光学材料を利用するその他の光素子において、本発明を適用することにより、光出力が追従する非常に早い応答成分のみを利用でき、光通信システムにおいてあらゆる時間間隔の光信号の変調を可能にすることができる。
【符号の説明】
【００５２】
１、２、２０１ 光変調器
１１，１４ 入射光
１２、１５ 出射光
１３ 光の進行方向
２１、２２、２３、２４ 光部品
２１１、２１２，２２１、２２２、２３１、２３２、２４１、２４２ 電極
３１、３２、３３ 偏光子
４ 電圧源
５、５１、５２ セラミックス粒子
６１、６２、６３，６４ 自発分極
７１、７２ ドメイン壁
８ 電気回路基板
８１ ヒーター
８２ 温度センサー
９ 光学反射膜
１０１ 光変調器の光入出力端子
１０２ 光変調器の電気信号の入力端子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気光学効果を持つ電気光学材料からなる光部品を含む光素子の制御方法において、
前記光部品を強誘電的相転移温度を含む常誘電性を示す温度範囲で動作させることを特徴とする光素子の制御方法。
【請求項２】
前記電気光学材料の前記電気光学効果に単一の自発分極からなるドメインの移動による周波数分散が現れない温度範囲で動作させることを特徴とする請求項１に記載の光素子の制御方法。
【請求項３】
前記電気光学材料の比誘電率が１００Ｈｚから１００ｋＨｚの周波数範囲で比誘電率が周波数分散を示さない温度範囲で動作させることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光素子の制御方法。
【請求項４】
前記電気光学材料に方形波信号を印加したとき、その繰り返し周波数が１０ｋＨｚと５Ｈｚとで光素子からの光出力レベルが変化しない温度範囲で動作させることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の光素子の制御方法。
【請求項５】
前記電気光学材料がリラクサ系のフェロブスカイト型強誘電体であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の光素子の制御方法。
【請求項６】
前記電気光学材料がｘＰｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−（１−ｘ）ＰｂＴｉＯ３を主成分とする強誘電体であることを特徴とする請求項５に記載の光素子の制御方法。
【請求項７】
前記電気光学材料がセラミックスであることを特徴とする請求項５または請求項６に記載の光素子の制御方法。
【請求項８】
前記電気光学材料が単結晶であることを特徴とする請求項５または請求項６に記載の光素子の制御方法。
【請求項９】
前記光素子を使用する外部の環境温度に関わらず、前記電気光学材料の温度が強誘電的相転移温度を含む常誘電性を示す温度範囲になるように温度制御されたことを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の光素子の制御方法。
【請求項１０】
前記光素子を使用する外部の環境温度が前記電気光学材料の前記強誘電的相転移温度よりも低いとき、光素子を加熱することにより前記電気光学材料が前記強誘電的相転移温度を含む前記常誘電相を示す温度範囲に温度制御されたことを特徴とする請求項８または請求項９に記載の光素子の制御方法。
【請求項１１】
前記光素子を使用する外部の環境温度の範囲内に前記電気光学材料の前記強誘電的相転移温度がある場合、光素子をペルチェ素子により冷却もしくは加熱することにより前記電気光学材料が前記強誘電的相転移温度を含む前記常誘電性を示す温度範囲に温度制御されたことを特徴とする請求項８に記載の光素子の制御方法。
【請求項１２】
電気光学効果を有する電気光学材料からなる光部品を含む光素子において、前記光部品が強誘電的相転移温度を含む常誘電性を示す温度範囲で動作するように制御する温度制御手段を含むことを特徴とする光素子。
【請求項１３】
前記電気光学材料がリラクサ系のフェロブスカイト型強誘電体であることを特徴とする請求項１２に記載の光素子。
【請求項１４】
前記電気光学材料がｘＰｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−（１−ｘ）ＰｂＴｉＯ３を主成分とする強誘電体であることを特徴とする請求項１３に記載の光素子。
【請求項１５】
前記電気光学材料がセラミックスであることを特徴とする請求項１３または請求項１４に記載の光素子。
【請求項１６】
前記電気光学材料が単結晶であることを特徴とする請求項１３または請求項１４に記載の光素子。
【請求項１】
電気光学効果を持つ電気光学材料からなる光部品を含む光素子の制御方法において、
前記光部品を強誘電的相転移温度を含む常誘電性を示す温度範囲で動作させることを特徴とする光素子の制御方法。
【請求項２】
前記電気光学材料の前記電気光学効果に単一の自発分極からなるドメインの移動による周波数分散が現れない温度範囲で動作させることを特徴とする請求項１に記載の光素子の制御方法。
【請求項３】
前記電気光学材料の比誘電率が１００Ｈｚから１００ｋＨｚの周波数範囲で比誘電率が周波数分散を示さない温度範囲で動作させることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光素子の制御方法。
【請求項４】
前記電気光学材料に方形波信号を印加したとき、その繰り返し周波数が１０ｋＨｚと５Ｈｚとで光素子からの光出力レベルが変化しない温度範囲で動作させることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の光素子の制御方法。
【請求項５】
前記電気光学材料がリラクサ系のフェロブスカイト型強誘電体であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の光素子の制御方法。
【請求項６】
前記電気光学材料がｘＰｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−（１−ｘ）ＰｂＴｉＯ３を主成分とする強誘電体であることを特徴とする請求項５に記載の光素子の制御方法。
【請求項７】
前記電気光学材料がセラミックスであることを特徴とする請求項５または請求項６に記載の光素子の制御方法。
【請求項８】
前記電気光学材料が単結晶であることを特徴とする請求項５または請求項６に記載の光素子の制御方法。
【請求項９】
前記光素子を使用する外部の環境温度に関わらず、前記電気光学材料の温度が強誘電的相転移温度を含む常誘電性を示す温度範囲になるように温度制御されたことを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の光素子の制御方法。
【請求項１０】
前記光素子を使用する外部の環境温度が前記電気光学材料の前記強誘電的相転移温度よりも低いとき、光素子を加熱することにより前記電気光学材料が前記強誘電的相転移温度を含む前記常誘電相を示す温度範囲に温度制御されたことを特徴とする請求項８または請求項９に記載の光素子の制御方法。
【請求項１１】
前記光素子を使用する外部の環境温度の範囲内に前記電気光学材料の前記強誘電的相転移温度がある場合、光素子をペルチェ素子により冷却もしくは加熱することにより前記電気光学材料が前記強誘電的相転移温度を含む前記常誘電性を示す温度範囲に温度制御されたことを特徴とする請求項８に記載の光素子の制御方法。
【請求項１２】
電気光学効果を有する電気光学材料からなる光部品を含む光素子において、前記光部品が強誘電的相転移温度を含む常誘電性を示す温度範囲で動作するように制御する温度制御手段を含むことを特徴とする光素子。
【請求項１３】
前記電気光学材料がリラクサ系のフェロブスカイト型強誘電体であることを特徴とする請求項１２に記載の光素子。
【請求項１４】
前記電気光学材料がｘＰｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−（１−ｘ）ＰｂＴｉＯ３を主成分とする強誘電体であることを特徴とする請求項１３に記載の光素子。
【請求項１５】
前記電気光学材料がセラミックスであることを特徴とする請求項１３または請求項１４に記載の光素子。
【請求項１６】
前記電気光学材料が単結晶であることを特徴とする請求項１３または請求項１４に記載の光素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５−１】
【図５−２】
【図６−１】
【図６−２】
【図６−３】
【図６−４】
【図７−１】
【図７−２】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５−１】
【図５−２】
【図６−１】
【図６−２】
【図６−３】
【図６−４】
【図７−１】
【図７−２】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１２−８３６８８（Ｐ２０１２−８３６８８Ａ）
【公開日】平成２４年４月２６日（２０１２．４．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２４２７５４（Ｐ２０１０−２４２７５４）
【出願日】平成２２年１０月１３日（２０１０．１０．１３）
【出願人】（５０４２４３７１８）株式会社トリマティス (24)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年４月２６日（２０１２．４．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１０月１３日（２０１０．１０．１３）
【出願人】（５０４２４３７１８）株式会社トリマティス (24)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]