JP4792309B2

JP4792309B2 - 電気光学素子

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Publication number: JP4792309B2
Application number: JP2006081595A
Authority: JP
Inventors: 敏洋伊藤; 和夫藤浦
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2006-03-23
Filing date: 2006-03-23
Publication date: 2011-10-12
Anticipated expiration: 2026-03-23
Also published as: JP2007256675A

Description

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。

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。

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）。ＬｉＮｂＯ_３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。

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
と表される。さらに、Δｎは、
Δｎ＝−０．５ｎ^３ｒＥ
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。

近年、電気光学係数の大きなＫＴａ_１−ｘＮｂ_ｘＯ_３（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。

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Ｖ_ｂｉａｓが大きいほど、信号電圧Ｖ_ｓによって変調される屈折率の変化Δｎは大きくなる。

特開平０５−３４６５６０号公報

しかしながら、ＫＴＮ結晶は、電界を印加するとバルク結晶内の電気光学特性が一様でなくなり、偏向などの現象が起こるという問題があった。これは、図２に実線の矢印で示した電界の向きと逆方向に、陰極２２ｂから電荷（図２に破線の矢印で示す）が結晶内部に入り込むためである。電界分布が一様でなくなると、入射光の一部が偏向し、光位相変調器として一様な変調特性が得られない。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があった。

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、結晶内部の電界分布が一様となるようにして、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。

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、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電界を印加するための陽極および陰極を備え、前記陽極の前記電気光学結晶との接触面積は、前記陰極の前記電気光学結晶との接触面積より狭く、前記電気光学結晶はＫＴａ _１−ｘＮｂ _ｘＯ _３（０＜ｘ＜１）またはＫ _１−ｙＬｉ _ｙＴａ _１−ｘＮｂ _ｘＯ _３（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。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の電気光学素子において、前記陽極の、前記電気光学結晶を通過する光の進行方向に垂直な方向の幅は、前記陰極の幅より狭いことを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の電気光学素子において、前記陽極の幅は、前記陽極および陰極間の間隔より狭く、前記陰極の幅は、前記陽極および陰極間の間隔より広いことを特徴とする。

請求項１、２または３に記載の前記陽極を、光の進行方向に平行に、複数に分割することができる。また、前記陰極を、光の進行方向に平行に、複数に分割することもできる。

以上説明したように、本発明によれば、一方の電極の電気光学結晶との接触面積と、他方の電極の電気光学結晶との接触面積とに差があるので、結晶内部の電界分布が一様となり、良好な電気光学特性を得ることが可能となる。

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、陽極と陰極のサイズを変えることにより、バルク結晶内に生ずる電界の大きさを制御する。２つの電極のうち、面積の小さい陽極に近接した部分の電界は上がり、面積の大きい陰極に近接した部分の電界は下がる。これにより、陰極から結晶内部に入り込む電荷の影響が緩和され、結晶内部の電界分布を一様にすることができる。

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、陽極４２ａおよび陰極４２ｂが形成されている。ＫＴＮ結晶４０の結晶軸ｘ，ｙ，ｚを図４に示したように規定する。ＫＴＮ結晶４０は、光の進行方向の長さ（ｚ軸方向）５ｍｍ、幅（ｘ軸方向）１．５ｍｍであり、２つの電極間の厚さ（ｙ軸方向）１．０ｍｍの結晶である。陰極４２ｂは、ＫＴＮ結晶４０の下面、全面に蒸着されている。従って、幅（ｘ軸方向）１．５ｍｍであり、２つの電極間の間隔１．０ｍｍよりも広くなっている。一方、陽極４２ａは、幅（ｘ軸方向）０．５ｍｍであり、２つの電極間の間隔１．０ｍｍよりも狭くなっている（電極セットＡという）。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。

一方、比較のために、陽極４２ａおよび陰極４２ｂともに幅（ｘ軸方向）１．０ｍｍであり、２つの電極を間隔１．０ｍｍで対向させた電気光学素子を用意しておく（電極セットＢという）。

電極セットＡは、陰極の面積が、陽極よりも３倍大きくなっている。また、電極セットＢと比較すると、陽極の面積はより小さく、陰極の面積はより大きくなっている。陽極４２ａおよび陰極４２ｂ間に、１００Ｖのバイアス電圧を印加すると、電極セットＡは、電極セットＢよりも陰極に発生する電界が緩和されている。従って、入射光が通過する部分の電界分布が一様となり、より一様な電気光学特性を得ることができる。

また、陰極４２ｂと比較して電気光学結晶との接触面積が狭い陽極４２ａの幅が、陽極４２ａおよび陰極４２ｂ間の間隔よりも狭い場合に、陰極に発生する電界の緩和は、特に有効に働く。

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、陽極５２ａ１，５２ａ２および陰極５２ｂが形成されている。ＫＴＮ結晶５０は、光の進行方向の長さ（ｚ軸方向）５ｍｍ、幅（ｘ軸方向）１．５ｍｍであり、２つの電極間の厚さ（ｙ軸方向）１．０ｍｍの結晶である。陰極５２ｂは、ＫＴＮ結晶５０の下面、全面に蒸着されている。従って、幅（ｘ軸方向）１．５ｍｍであり、２つの電極間の間隔１．０ｍｍよりも広くなっている。一方、陽極は２つに分割されている。陽極５２ａ１，５２ａ２は、それぞれ幅（ｘ軸方向）０．２ｍｍであり、間隔０．２ｍｍをおいて形成されている。

陽極を２つに分割することにより、入射光が通過する部分の電界分布が、実施例１と比較してより一様となる。図４を参照すると、入射光が通過する部分４３の中心、すなわち光軸を、陽極４２ａのｚ軸方向に延びる中心線と一致させると、入射光が通過する部分４３の中心に電界が集中する。従って、陰極４３に発生する電界の影響も大きい。そこで、図５に示したように、陽極５２ａ１，５２ａ２を分割することにより、入射光が通過する部分５３の中心の電界を緩和し、この中心付近に集中していた陰極に発生する電界も緩和する。

図６に、本発明の実施例３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６０の対向する面に、陽極６２ａおよび陰極６２ｂ１，６２ｂ２が形成されている。ＫＴＮ結晶６０は、光の進行方向の長さ（ｚ軸方向）５ｍｍ、幅（ｘ軸方向）１．５ｍｍであり、２つの電極間の厚さ（ｙ軸方向）１．０ｍｍの結晶である。陽極６２ａは、幅（ｘ軸方向）０．５ｍｍであり、２つの電極間の間隔１ｍｍよりも狭くなっている。一方、陰極は２つに分割されている。陰極６２ｂ１，６２ｂ２は、それぞれ幅（ｘ軸方向）０．５ｍｍであり、間隔０．５ｍｍをおいて形成されている。

陰極６２ｂ１，６２ｂ２と２つに分割することにより、実施例２と同様に、入射光が通過する部分６３の中心の電界を緩和し、この中心付近に集中していた陰極に発生する電界も緩和する。

図７に、本発明の実施例４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７０の上面に、陽極７２ａおよび陰極７２ｂが、間隔をおいて対向して形成されている。ＫＴＮ結晶７０は、光の進行方向の長さ（ｚ軸方向）５ｍｍ、幅（ｘ軸方向）１０．０ｍｍである。２つの電極間の間隔（ｘ軸方向）１．０ｍｍであり、陽極７２ａは、幅（ｘ軸方向）０．５ｍｍであり、２つの電極間の間隔１．０ｍｍよりも狭くなっている。陰極７２ｂは、幅（ｘ軸方向）１．５ｍｍであり、２つの電極間の間隔１．０ｍｍよりも広くなっている。

実施例１〜３と同様に、面積の小さい陽極に近接した部分の電界は上がり、面積の大きい陰極に近接した部分の電界は下がる。これにより、陰極から結晶内部に入り込む電荷の影響が緩和され、結晶内部の電界分布を一様にすることができる。

また、電気光学結晶は、ＫＴＮ結晶に限らず、Ｋ_１−ｙＬｉ_ｙＴａ_１−ｘＮｂ_ｘＯ_３（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。

従来の光位相変調器の構成を示す図である。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。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。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。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。本発明の実施例３にかかる電気光学素子の構成を示す図である。本発明の実施例４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

１０ＬｉＮｂＯ_３基板
１１導波路
１２ａ，２２ａ，４２ａ，５２ａ，６２ａ，７２ａ陽極
１２ｂ，２２ｂ，４２ｂ，５２ｂ，６２ｂ，７２ｂ陰極
２０，４０，５０，６０，７０ＫＴＮ結晶

Claims

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電界を印加するための陽極および陰極を備え、
前記陽極の前記電気光学結晶との接触面積は、前記陰極の前記電気光学結晶との接触面積より狭く、
前記電気光学結晶はＫＴａ _１−ｘＮｂ _ｘＯ _３（０＜ｘ＜１）またはＫ _１−ｙＬｉ _ｙＴａ _１−ｘＮｂ _ｘＯ _３（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。
前記陽極の、前記電気光学結晶を通過する光の進行方向に垂直な方向の幅は、前記陰極の幅より狭いことを特徴とする請求項１に記載の電気光学素子。
前記陽極の幅は、前記陽極および陰極間の間隔より狭く、前記陰極の幅は、前記陽極および陰極間の間隔より広いことを特徴とする請求項２に記載の電気光学素子。
前記陽極は、光の進行方向に平行に、複数に分割されていることを特徴とする請求項１、２または３に記載の電気光学素子。
前記陰極は、光の進行方向に平行に、複数に分割されていることを特徴とする請求項１、２または３に記載の電気光学素子。