JPH0576015B2

JPH0576015B2 -

Info

Publication number: JPH0576015B2
Application number: JP63006297A
Authority: JP
Inventors: Yoshinari Kozuka; Shogo Kawaguchi
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1988-01-14
Filing date: 1988-01-14
Publication date: 1993-10-21
Also published as: DE68911156D1; EP0324611B1; DE68911156T2; US4976517A; EP0324611A2; EP0324611A3; JPH01182824A

Description

【発明の詳細な説明】（技術分野）本発明は、焦電効果を示す電気光学効果を有す
る結晶を用いた光学素子に関するものであり、更
に詳しくは、光変調器、光電圧センサ等の装置を
構成する光学素子に関するものである。

（従来技術）従来から、リチウム・ナイオベート
（LiNbO₃）の如き結晶の有する電気光学効果を
利用した、光変調器、光電圧センサ等の装置が知
られている。そして、これらの電気光学効果を利
用した装置は、光を信号の媒介としているところ
から、信号と信号とを電気的に絶縁することが出
来、しかも光信号伝送線においては、静電誘導や
電磁誘導の影響を受け難いという特徴を有してい
ることが、認められている。なお、この電気光学
効果とは、加えられた電圧に応じて素子の屈折率
が変化する現象であつて、上記の装置は、この現
象を利用して、光を変調したり、電圧を測定した
りしているのである。

因みに、かかる電気光学効果を利用した装置と
して、例えば、第１図に示される如き光電圧セン
サが知られているのである。なお、この第１図に
おいて、１は光源、２は光フアイバ、３は
LiNbO₃等の電気光学結晶、４ａは偏光子、４ｂ
は検光子、５はλ／４板、６はロツドレンズ、７
は受光器及び光信号を電気信号に換えた後、交流
電圧を直流電圧で電気的に除算する回路を有した
検出回路、８は電気光学結晶３の対向面にそれぞ
れ設けられた電極であり、それら光学部品３〜６
が、接着剤９等の適当な固着手段により所定の取
付基板１０に直接に固着されて、保持せしめられ
ることによつて、センサヘツドが構成されてい
る。

そして、電気光学結晶３としてLiNbO₃等のポ
ツケルス素子を用いた場合において、光源１から
放射された光は、偏光子４ａを通過して直線偏光
となり、更に電気光学結晶３を通過して楕円偏光
となる。また、この楕円偏光となつた光は、λ／
４板５及び検光子４ｂを通過し、その楕円率に応
じて光量が変化せしめられるのである。そして、
この光量は、電気光学結晶３に設けた電極８に印
加される電圧に対応しており、この光量を測定す
ることによつて、被測定電圧を測ることが出来る
のである。

ところで、このような装置における光学素子と
しての電気光学結晶３として、電気光学効果を有
する結晶のうち、LiNbO₃、LiTaO₃といつた焦
電効果を示す結晶を用いた場合にあつては、周囲
温度の変化により特性が不安定になるという問題
があることが明らかとなつた。

このため、特開昭57−196166号公報において
は、光学素子たる電気光学結晶の相対向する一対
のＺ面に導電性膜をそれぞれ設け、そしてそれら
の導電性膜を電気的に接続せしめることにより、
かかる電気光学結晶のＺ面に発生した電荷を互い
に打ち消し合うようにして、そのような電荷によ
る測定誤差の原因となる電界の発生を防止するよ
うにした構成が明らかにされている。

（解決課題）ここにおいて、本発明は、周囲温度の変化によ
り電気光学結晶に発生する電荷を、上記公開公報
にて提案されている構成とは全く異なる方式にて
解消しようとするものであつて、周囲温度の変化
に対して安定した特性を示す電気光学効果を有す
る光学素子の新規な構成を提供することを、その
目的とするものである。

（解決手段・作用）すなわち、本発明は、焦電効果を有する分極し
た第一の電気光学結晶に、同じく焦電効果を有す
る分極した第二の電気光学結晶を、それらの分極
の電荷の符号が結晶の端面側において互いに逆と
なるように、それら電気光学結晶の電荷の符号の
異なる分極面を電気的に接続したことを特徴とす
る光学素子にあり、このような２種の電気光学結
晶を組み合わせることにより、それら結晶の端面
（分極面）において発生する電荷を互いに打ち消
し合うようにしたのである。

ところで、かかる電気光学結晶からなる光学素
子における特性変化の状況を詳細に検討してみる
に、何れも、昇温、降温といつた温度変化を伴な
う際に、そのような現象が現れるのであり、そし
て周囲温度の時間的変化が穏やかな場合において
は、こうした特性の不安定さは減少するのであ
る。

従つて、そのような現象の発生は、温度変化に
伴い、電気光学結晶の分極の大きさが変化するこ
とにより、分極面に正負の電荷が発生し、その正
負の電荷が打ち消されないために、電気光学結晶
に所定の電界とは別の電界が加わり、誤差を生じ
たことによるものと、推定されるのである。

そこで、本発明にあつては、かかる問題を解決
するために、従来から使用している電気光学結晶
（第一）に対して、別の電気光学結晶（第二）を、
その分極の符号が逆となるようにそれぞれ端面
（側面）側において分極面を互いに電気的に接続
せしめるようにしたことにあり、これにより、一
方の電気光学結晶の分極面における電荷が、他方
の電気光学結晶の分極面における符号の異なる電
荷にて、効果的に打ち消されることとなつたので
ある。

なお、本発明において用いられる第一及び第二
の電気光学結晶は、何れも、電気光学効果を有す
ると共に、焦電効果を示すものであつて、例え
ば、LiNbO₃やLiTaO₃の如き結晶を挙げること
が出来る。

そして、それら第一及び第二の電気光学結晶に
おいては、温度変化に伴いそれぞれ発生せしめら
れる電気量を略等しくすることが、正負の電荷を
打ち消し合うようにさせて、別の電界の発生、ひ
いてはそれによる特性変化を極力抑制する上にお
いて望ましいことは、言うまでもないところであ
り、またそのためにも、第一及び第二の電気光学
結晶は、近接して配置し、同等の温度となるよう
にすることが望ましいのである。

特に、本発明にあつては、第一の電気光学結晶
と第二の電気光学結晶とは、好適には、同一材料
から構成され、且つその分極面の面積が略同一と
されており、これによつて、温度変化に伴い発生
する電気量を略等しくする制御が容易となるので
ある。

また、本発明に従つて、第一の電気光学結晶と
第二の電気光学結晶とを、それらの電荷の符号の
異なる分極面において互いに電気的に接続するに
際しては、例えば、それら第一及び第二の電気光
学結晶を、それらの分極の電荷の符号が同一端面
側において互いに逆となるように重ね合わせて、
接合した後、それら電気光学結晶の電荷の符号の
異なる分極面の位置する同一端面に、所定の導電
性膜を、それら電気光学結晶間に跨がるように形
成することによつて、目的とする電気的な接続が
達成されるのである。

このような電気的接続手法によつて得られた光
学素子を用いた光電圧センサの具体的な一例が、
第２図に示されており、そこでは、電気光学結晶
としてLiNbO₃結晶が用いられている。この
LiNbO₃結晶は、そのＺ軸（Ｃ軸）方向に分極が
惹起されるところから、第一の電気光学結晶３に
対して重ね合わされる第二の電気光学結晶１２
は、そのＺ軸が第一の電気光学結晶３とは逆方向
とされて接合せしめられており、そしてそれによ
つて、そのような接合体のＺ軸方向における対応
する一対の面が分極面となるのである。また、そ
のような一対の対応面における第一の電気光学結
晶３部分と第二の電気光学結晶１２部分において
それぞれ発生せしめられる電荷は、互いに逆のも
のとなるところから、そのような一対の対応面に
はそれぞれ所定の導電性膜１１，１１が形成され
て、それら第一の電気光学結晶３の分極面と第二
の電気光学結晶１２の分極面との電気的な接続が
為されているのである。そして、この第一及び第
二の電気光学結晶３，１２の接合体におけるＺ軸
方向の相対応する一対の面に導電性膜１１，１１
が形成されたものは、図示の如く、所定の取付基
板１０に接着剤９等によつて直接に固着、保持せ
しめられて、センサヘツドを構成することとなる
のである。

なお、この第２図に示される光電圧センサにお
いて、他の部分は第１図のものと同様であるの
で、同様な部分には同一の番号を付して、詳細な
説明を省略することとする。

また、この第２図に示される具体例の如く、光
が透過せしめられる電気光学結晶３における光路
に、その分極面が位置し、かかる分極面を光が透
過させられる場合においては、前記導電性膜１１
として、InO₂、SnO₂、Al、Au等の、光を容易に
透過させ得る導電性膜が好適に用いられることと
なる。

ところで、電気光学結晶は、その特性が応力に
対して敏感に変化するところから、従来の電気光
学結晶の取付けにおいては、かかる電気光学結晶
と取付基板との熱膨張係数の差により、環境温度
の変化に伴い、それらの熱膨張差に応じて電気光
学結晶に応力が加わり、その特性が変化する問題
を内在していたのである。しかしながら、第２図
の具体例に示されるように、光の透過せしめられ
る第一の電気光学結晶３に対して、同様な第二
の、電気光学結晶１２を接触させ、光路となる結
晶と別の結晶を基板に接着せしめることにより、
周囲の温度が変化する際、接着に伴なう基板との
熱膨張差（電気光学結晶と基板との熱膨張差）に
起因する応力伝播を緩和することが出来、周囲温
度が変化しても、それぞれの周囲温度の下におい
て安定した特性を得ることが出来る特徴も有して
いるのである。

尤も、本発明における第一の電気光学結晶と第
二の電気光学結晶との電気的接続形態は、上記し
た方式のみに限定されるものでは決してなく、ま
た、第３図に示される如く、第一の電気光学結晶
３と第二の電気光学結晶１２とのそれぞれの分極
面に、導電性膜１１ａ，１１ａ；１１ｂ，１１ｂ
をそれぞれ形成した後、それらの分極の電荷の符
号が同一端面側において互いに逆となるように、
ここではそのＺ軸方向が互いに逆となるように、
それら第一の電気光学結晶３と第二の電気光学結
晶１２とを重ね合わせ、合成樹脂等からなる適当
な接着剤１３にて接合せしめ、その後、その接合
体における同一端面に位置する導電性膜１１ａと
１１ｂ及び対応する他方の同一端面に位置する導
電性膜１１ａと１１ｂを、それぞれ、それら導電
性膜と同様な導電性材料にて短絡せしめ、その短
絡部１４，１４を介して、電気的に接続するよう
にした方式を採用することも可能である。

要するに、本発明にあつては、第一の電気光学
結晶３と第二の電気光学結晶１２の、符号の異な
るそれぞれの分極面が互いに電気的に接続される
こととなるなら、如何なる電気的接続方式を採用
しても、何等差支えないのである。

また、第一の電気光学結晶と第二の電気光学結
晶、或いはそれ以上の電気光学結晶を互いに離し
て配置し、符号の異なる分極面面積が略等しくな
るように互いに導線等で電気的に接続し、それぞ
れの電気光学結晶として機能させることも可能で
あり、例えば集積化した複数のセンサヘツドを構
成することが出来る。

さらに、このような電気光学結晶、即ち、第一
及び第二の電気光学結晶３，１２としては、通常
は単分域化した結晶が用いられることとなるが、
同一結晶内で複数の分域を有する多分域構造であ
つて、しかも正負の電荷を発生する分極面の面積
が略等しくなるような結晶を使用して、第４図に
示される如く、分極の符号が逆となるように電気
的に接続して、本発明に従う光学素子とすること
も可能である。

この第４図において、電気光学結晶１５は、そ
れを二等分するような分域境界１６によつて、略
等しい二つの分域１５ａ，１５ｂに区画された一
体的な結晶であり、一方の分域１５ａが第一の電
気光学結晶に相当し、また他方の分域１５ｂが第
二の電気光学結晶に相当して、それら第一及び第
二の電気光学結晶が一体化された構造となつてい
る。そして、ここでは、一方の分域１５ａにおけ
るＺ軸の方向と、他方の分域１５ｂにおけるＺ軸
の方向とが逆方向とされて、それぞれの分域にお
ける分極の電荷の符号が同一の端面側において互
いに逆となるようにされており、そしてそれぞれ
の当該端面に導電性膜１１，１１がそれぞれ形成
されていることによつて、各分域１５ａ，１５ｂ
の電荷の符号の異なる分極面を互いに電気的に接
続しているのである。なお、かかる電気光学結晶
１５の光の透過せしめられる一方の分域１５ａに
は、それに所定の電界が印加されるように、その
対応する一対の面に、それぞれ、電極８，８が設
けられている。

このような、多分域構造の電気光学結晶１５の
一つを用いて、第一及び第二の電気光学結晶を構
成することにより、単に、その対応する側面に導
電性膜を形成するだけで、同時に複数の分域にお
けるそれぞれの分極面の電気的な接続が為され得
ることとなるところから、その電気的接続構造が
簡単乃至は単純化され得る利点がある。

（実施例）以下に、本発明の幾つかの実施例を示し、本発
明を更に具体的に明らかにすることとするが、本
発明が、そのような実施例の記載によつて、何等
の制約をも受けるものでないことは、言うまでも
ないところである。

また、本発明には、以下の実施例の他にも、更
には上記の具体的記述以外にも、本発明の趣旨を
逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づい
て種々なる変更、修正、改良等を加え得るもので
あることが、理解されるべきである。

実施例１焦電効果を示す電気光学結晶として、LiNbO₃
結晶を使用し、第１図に示す光電圧センサを組み
立てた。なお、このLiNbO₃結晶にて構成される
電気光学結晶３は、焦電効果を有し、分極はＺ軸
方向であり、Ｚ面に電荷が発生するようになる。
また、使用したLiNbO₃結晶の大きさは２mm×５
mm×４mm（Ｚ軸方向長さ：５mm）であり、Ｚ軸方
向に光を透過し、５mm×４mmの面をＸ面とし、こ
の面に電極８を形成した。そして、この得られた
素子を含む各光学素子３〜６は、セラミツクス製
の取付基板１０上に樹脂接着して、光電圧センサ
ヘツドを作製した。

次いで、この得られた光電圧センサの温度特性
を調べるため、その光電圧センサヘツドを恒温槽
に入れて、その温度を種々変化せしめた状況下に
おいて、60Vの電圧を電極８に印加し、この光電
圧センサの出力を測定した。その結果、恒温槽の
温度を25℃で一定に保つ間、かかる光電圧センサ
の出力は一定であつた（出力変動：±0.2％以
内）。しかしながら、25℃から40℃まで１℃／分
の昇温速度で温度を上昇せしめたところ、光電圧
センサの出力は不規則な挙動を示し、その出力変
動が10％以上にもなり、一定とはならなかつた。
次に、40℃で温度を一定に保つたところ、光電圧
センサの出力は再び安定となつた（出力変動：±
0.2％以内）。また、降温時の挙動を調べたとこ
ろ、同様に温度変化している間、光電圧センサの
出力は不安定であつた（出力変動：10％以上）。
そして、記録計上の光電圧センサの出力と温度と
の関係を調べたところ、温度変化に対する出力の
動きは、昇温時とは逆の傾向を示した。得られた
センサ出力の結果を第５図ａに、またその時の温
度の昇温・降温状況を第５図ｂに示す。

一方、第２図に示される光電圧センサを組み立
てるべく、２mm×５mm×４mmの同じ大きさを持つ
二つのLiNbO₃結晶を用い、それらの２mm×５mm
の面をＺ軸が互いに逆となるように、エポキシ樹
脂にて接着せしめ、次いで、そのＺ面にInO₂の
透明導電性膜１１，１１を形成することにより、
互いのＺ面を電気的に接続した。そして、このよ
うな処置を施したLiNbO₃結晶の一方を基板１０
に樹脂接着し、他方を光路側とすることにより、
第２図と同様な構成の且つ上記と同様な光電圧セ
ンサヘツドを作製した。

そして、上記と同様にして、この第２図に従う
光電圧センサの温度特性を調べるために、該光電
圧センサヘツドを恒温槽に入れて、60Vの電圧を
電極８に印加し、光電圧センサの出力を測定し
た。その結果、恒温槽の温度を25℃で一定に保つ
間、かかる光電圧センサの出力は一定であつた
（出力変動：±0.2％以内）。しかも、25℃から40
℃まで１℃／分の昇温速度で温度を上昇せしめて
も、この光電圧センサの出力は安定した挙動を示
し、その出力変動は±0.2％以内であつた。また、
降温時の挙動も同様に安定であることが判つた
（出力変動：±0.2％以内）。得られたセンサ出力
の結果を第６図ａに、またその時の温度の昇温・
降温状況を第６図ｂに示す。

次いで、これら二つの光電圧センサの温度特性
を測定するため、昇温・降温速度：１℃／分、温
度保持時間：30分、温度間隔：10℃の条件にて、
０〜60℃の範囲で、温度を保持した時の出力を測
定し、その出力の最大値とその出力の最小値から
光電圧センサ出力の変化率を評価したところ、第
１図の如き従来の光電圧センサの出力変化率が５
％であつたのに対し、本発明に従う光学素子を用
いた第２図の光電圧センサにあつては、その出力
の変化率は１％と著しく改善されることが判つ
た。

実施例２第３図に示される、本発明に従う光学素子を用
いて、第１図、第２図に示される如き光電圧セン
サを組み立てた。先ず、厚さ：５mm、径：３イン
チのLiNbO₃結晶ウエハ（Ｚ面がウエハ面）に
InO₂の透明導電性膜１１を形成した後、２mm×
５mm×４mm（Ｚ面：２mm×４mm、Ｘ面：５mm×４
mm）の結晶を切り出し、そしてこの得られた
LiNbO₃素子の二つを、そのＺ軸方向が互いに逆
となるように、エポキシ樹脂を用いて接着せしめ
た後、導電性ペーストにより互いのＺ面を短絡１
４した。次いで、この接着物の一方のLiNbO₃素
子のＸ面に電極８を形成した後、前記実施例と同
様なセンサヘツドを作製した。

かくして得られた光電圧センサの温度特性を調
べるため、上記実施例と同様に、その光電圧セン
サヘツドを恒温槽に入れて、60Vの電圧を電極８
に印加し、この光電圧センサの出力を測定した。
その結果、恒温槽の温度を25℃で一定に保つ間、
光電圧センサの出力は一定であつた（出力変動：
±0.2％以内）。しかも、25℃〜40℃まで１℃／分
の昇温速度で温度を上げても、この光電圧センサ
の出力は安定した挙動を示した（出力変動：±
0.2％以内）。また、降温時の挙動も同様に安定で
あることが判つた（出力変動：±0.2％以内）。

実施例３チヨクラルスキー法に従つて、LiNbO₃結晶を
育成した後、厚さ：5.4mm、径：３インチの
LiNbO₃結晶ウエハ（Ｚ面：ウエハ面）を切り出
し、酸処理してエツチピツトを観察し、またＺ軸
方向を観察したところ、このウエハは多分域構造
をしており、局部的にＺ軸の方向が異なつている
ことが認められた。そして、この結晶におけるＺ
軸方向の異なる分域部より、それらの体積が略等
しくなるように、２mm×5.4mm×８mmの結晶を切
り出した後、そのＺ面を光学研磨して、２mm×５
mm×８mm（Ｚ面：２mm×８mm、Ｘ面：５mm×８
mm）の多分域結晶１５と為し、そのＺ面に透明導
電性膜１１，１１を形成し、更にその後、Ｘ面に
電極８を形成することにより、第４図に示される
如き光学素子を得た。そして、この光学素子を用
いて、第１図、第２図と同様な光電圧センサを組
み立てた。

かくして得られた光電圧センサの温度特性を調
べるために、前記実施例と同様に、その光電圧セ
ンサヘツドを恒温槽に入れて、その温度を種々変
化せしめた状況下において、60Vの電圧を電極８
に印加し、この光電圧センサの出力を測定した。
その結果、恒温槽の温度を25℃で一定に保つ間、
この光電圧センサの出力は一定であつた（出力変
動：±0.2％以内）。しかも、25℃〜40℃まで１
℃／分の昇温速度で温度を上昇せしめても、この
光電圧センサの出力は比較的安定した挙動を示
し、その出力変動は±１％以内であつた。また、
降温時の挙動も同様に安定であることが判つた
（出力変動：±１％以内）。なお、本実施例の光電
圧センサにおいて、上記実施例１，２に比し、昇
温・降温時の温度特性がやや不安定となつた理由
は、Ｚ軸方向の異なる分域部１５ａ，１５ｂの電
荷発生量が等しくなかつたものによるものと推定
された。

（発明の効果）以上の説明から明らかなように、本発明は、焦
電効果を有する分極した第一の電気光学結晶に対
して、同様な焦電効果を有する分極した第二の電
気光学結晶を、それらの分極の電荷の符号が逆と
なるように重ね合わせて、電気的に接続せしめる
ことにより、それら電気光学結晶の分極面に発生
せしめられる正負の電荷を互いに打ち消し合うよ
うにして、かかる電気光学結晶に所定の電界とは
異なる別の電界が加わるのを抑制せしめ、以てそ
の特性変化を阻止するようにしたものであつて、
これにより、焦電効果を示す電気光学結晶におい
て、周囲温度の変化に対して安定な特性を示す光
学素子としての結晶素子複合体を有利に提供し得
たものであつて、そこに、本発明の大きな工業的
意義が存するのである。

そして、そのような周囲温度の変化に対して安
定した特性を示す光学素子は、例えば、光通信に
用いる光変調器用電気光学素子、絶縁信頼性に富
む光電圧センサ用電気光学素子、静電位検出用電
気光学素子、SHG（Second Harmonic
Generation）用電気光学素子等として、各種の
用途に有利に用いられ得るのである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来の光学素子を用いた光電圧セン
サの一例を示す配置構成図であり、第２図は、本
発明に従う光学素子を用いた光電圧センサの一例
を示す配置構成図であり、第３図及び第４図は、
それぞれ、本発明に従う光学素子の他の具体例を
示す正面図である。また、第５図ａ及び第６図ａ
は、それぞれ、実施例１において調べられた第１
図及び第２図に示される光電圧センサのセンサ出
力を示すグラフであり、第５図ｂ及び第６図ｂ
は、それぞれの光電圧センサの昇温・降温条件を
示すグラフである。１……光源、２……光フアイバ、３……電気光
学結晶（第一）、４ａ……偏光子、４ｂ……検光
子、５……λ／４板、６……ロツドレンズ、７…
…受光器及び検出回路、８……電極、９……接着
剤、１０……取付基板、１１，１１ａ，１１ｂ…
…導電性膜、１２……第二の電気光学結晶、１３
……接着剤、１４……短絡部、１５……多分域電
気光学結晶、１５ａ，１５ｂ……分域、１６……
分域境界。

Claims

【特許請求の範囲】

１焦電効果を有する分極した第一の電気光学結
晶に、同じく焦電効果を有する分極した第二の電
気光学結晶を、それらの分極の電荷の符号が互い
に逆となるように分極面を電気的に接続したこと
を特徴とする光学素子。