JP2004354564A - 光シャッタ - Google Patents

Abstract

【課題】従来より小型でかつ高速に動作させることのできる光シャッタを提供する。
【解決手段】２つの多層膜フィルタを空間層４を介して配置してなり、多層膜フィルタを通る光の透過率を制御する光シャッタ１であって、２つの多層膜フィルタは一方を固定フィルタ２とし、他方を可動フィルタ３とすると共に、可動フィルタ３には微小駆動素子５を設け、微小駆動素子５を作動させることで固定フィルタ２と可動フィルタ３の距離を変化させ、空間層４の厚さを変化させる。また、可動フィルタ３は空間層４の最大厚さとなる状態において当接するストッパ７と、空間層４の最小厚さとなる状態において当接する固定フィルタ２に形成された突起状のバンプ２ａとによって動作を規制される。さらに、微小駆動素子５は可動フィルタ３に対して伸縮自在な接着層６を介して接合されている。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はホログラム記憶装置や光通信において用いられる光の透過率を制御する光シャッタに関し、特に微小な動作により光の透過率を変化させることのできる光シャッタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、光の透過・非透過を制御するメカニカル光シャッタが知られており、光記憶装置や光論理演算、光通信など光を用いた機器に広く用いられている。従来のメカニカル光シャッタとしては、例えば特許文献１に示すようなものがあり、光路上に設けられた遮光板を動作させ、光路を開閉することにより光の透過・非透過を制御している。このように遮光板を平行移動させて開閉するもののほか、遮光板を回転運動によって開閉させるようにしたものもあり、いずれにしても遮光板の動作によって光路を開閉するものである。
【０００３】
【特許文献１】
特開平９−２１８３６０号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ホログラムの原理を用いた記憶装置（以下ホログラム記憶装置という）においては、光をパルス状にして物体光及び参照光として用いている。ここで、光をパルス状にするために光シャッタが用いられる。この場合、光シャッタとしては応答速度の速いものが望まれる。
【０００５】
ところが、従来のメカニカル光シャッタでは、遮光板を最低でも１０μｍ程度移動させて光路の開閉を行っており、遮光板は微小なものであってもある程度の重量を有していることから、応答速度の高速化にはある程度の限界があり、応答速度は２００μｓ程度にとどまる。一方、ホログラム記憶装置で必要な応答速度は５０μｓ以下であり、従来に比べて大幅な高速化が必要である。また、ホログラム記憶装置以外でも、例えば光通信の分野において高速な光シャッタが望まれている。
【０００６】
また、従来のメカニカル光シャッタでは、遮光板の移動距離が大きいために、それを駆動させるための機構も大きなものとなる。例えば、遮光板をピエゾ素子によって駆動しようとした場合、ピエゾ素子はその厚さに対して所定の割合で伸縮するために、大きく動作させようとすると、それだけピエゾ素子も厚いものが必要となる。すなわち、装置が大型化することになる。
【０００７】
本発明は、上記課題を解決すべくなされたものであり、従来より小型でかつ高速に動作させることのできる光シャッタを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明に係る光シャッタは、２つの多層膜フィルタを空間層を介して配置してなり、上記多層膜フィルタを通る光の透過率を制御する光シャッタであって、
上記２つの多層膜フィルタは一方を固定フィルタとし、他方を可動フィルタとすると共に、該可動フィルタには微小駆動素子を設け、
上記微小駆動素子を作動させることで上記固定フィルタと可動フィルタの距離を変化させ、上記空間層の厚さを変化させることを特徴として構成されている。
【０００９】
また、本発明に係る光シャッタは、上記可動フィルタは上記空間層の最大厚さとなる状態において当接するストッパと、上記空間層の最小厚さとなる状態において当接する上記固定フィルタに形成された突起状のバンプとによって動作を規制されることを特徴として構成されている。
【００１０】
さらに、本発明に係る光シャッタは、上記微小駆動素子は上記可動フィルタに対して伸縮自在な接着層を介して接合されていることを特徴として構成されている。
【００１１】
さらにまた、本発明に係る光シャッタは、上記固定フィルタと空間層及び可動フィルタはバンドパスフィルタを構成してなることを特徴として構成されている。
【００１２】
そして、本発明に係る光シャッタは、上記固定フィルタと空間層及び可動フィルタはマイナスフィルタを構成してなると共に、透過率を制御する所定の波長帯域はマイナスフィルタの透過特性における高調波領域にあることを特徴として構成されている。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態について、図面に沿って詳細に説明する。図１は、本実施形態における光シャッタ１のスイッチオンの状態における断面図であり、図２はスイッチオフの状態における断面図である。これら各図に示すように、本実施形態における光シャッタ１は、多層膜フィルタからなる固定フィルタ２と可動フィルタ３を、空間層４を介して配置すると共に、可動フィルタ３には電界付加により駆動される微小駆動素子５を伸縮自在な接着層６を介して接合することで上下動自在としてなるものである。
【００１４】
微小駆動素子５は圧電素子であるピエゾ素子からなっており、この素子に付加する電界を変化させることにより、微小駆動素子５は伸縮する。微小駆動素子５を動作させることで可動フィルタ３を上下動させることができ、これによって固定フィルタ２と可動フィルタ３の距離を変化させて、空間層４の厚さを変化させることができる。本発明に係る光シャッタは、空間層４の厚さを変化させることにより、固定フィルタ２と可動フィルタ３及び空間層４によって構成されるフィルタ全体の透過特性を変化させ、所定の波長帯域の光について透過・非透過を制御するものである。また、可動フィルタ３と微小駆動素子５は、伸縮自在な接着層６を介して接合されていることにより、微小駆動素子５の動作の誤差分をこの接着層６で吸収することができる。
【００１５】
固定フィルタ２の可動フィルタ３に対向する面には、その周縁部に突起状のバンプ２ａを形成されている。バンプ２ａは所定の高さになるように精度よく形成する必要がある。このようなバンプ２ａは、多層膜フィルタの積層において、最終層の積層を行う際に、光を透過させる中央部分にマスクをして、バンプ２ａを形成する周縁部分にのみ成膜を行う。そして、所定の高さになるまで成膜を行うことにより、精度よくバンプ２ａを形成することができる。
【００１６】
図１に示すように可動フィルタ３は、微小駆動素子５が最も縮んだ状態において、固定フィルタ２に最も近づいており、バンプ２ａの上面に当接する。すなわち、バンプ２ａの高さによって空間層４が最も薄くなる状態が決定されることになる。この状態で固定フィルタ２と可動フィルタ３の間に形成される空間層４の厚さは、フィルタ全体として所定の波長帯域の光を透過させるいわゆるバンドパスフィルタとして機能するように設定される。したがって、このように微小駆動素子５が最も縮んだ状態は、所定の波長帯域の光についてスイッチオンの状態である。本実施形態におけるスイッチオンの状態での空間層４の厚さは、２００ｎｍとなるように設定され、このためバンプ２ａの高さも２００ｎｍとなるように形成される。
【００１７】
一方、図２に示すように可動フィルタ３は、微小駆動素子５が最も伸びた状態において、固定フィルタ２から最も遠ざかっており、光シャッタ１に設けられるストッパ７に当接する。すなわち、ストッパ７の下面位置によって空間層４が最も厚くなる状態が決定されることになる。この状態で固定フィルタ２と可動フィルタ３の間に形成される空間層４の厚さは、フィルタ全体として所定の波長帯域の光を反射させるように設定される。したがって、このように微小駆動素子５が最も伸びた状態は、所定の波長帯域の光についてスイッチオフの状態である。
【００１８】
本実施形態におけるスイッチオフの状態での空間層４の厚さは、７００ｎｍとなるように設定される。すなわち、スイッチのオンオフ動作において可動フィルタ３の移動距離は５００ｎｍとなり、従来の光シャッタに比べると微小な移動距離によりスイッチのオンオフ動作を行うことができる。微小駆動素子５を構成するピエゾ素子は、電界を付加した場合に最大０．１％伸張するため、５００ｎｍの移動距離を得るためには、微小駆動素子５の厚さを５００μｍとする必要がある。
【００１９】
図３は、スイッチオンの状態における多層膜フィルタの厚さ方向屈折率分布を示したものである。本実施形態においては、４００ｎｍ帯の光について、スイッチとして機能するようにフィルタを構成する。この図において横軸は膜厚方向を、縦軸は屈折率をそれぞれ示す。Ａの領域は固定フィルタ２を表しており、この固定フィルタ２は高屈折率層と低屈折率層を交互に積層してなるものである。高屈折率層としてはＴｉＯ_２などの材料が用いられ、低屈折率層としてはＳｉＯ_２などの材料が用いられる。また、Ｂの領域は固定フィルタ２と可動フィルタ３の間に形成される空間層４を表しており、この領域の厚さは２００ｎｍで屈折率は１．０である。さらに、Ｃの領域は可動フィルタ３を表しており、固定フィルタ２と同様の構成からなるものである。
【００２０】
図４は、図３におけるＡ〜Ｃの領域全体を１つのフィルタとして見た場合における光の透過特性を示したものである。この図に示すように、空間層４の厚さが最も薄い状態においては、４００ｎｍ帯の光についてほぼ透過させる特性が得られる。したがって、微小駆動素子５が最も縮んだ状態では、フィルタ全体として所定の波長帯域の光を透過させるスイッチオンの状態とすることができる。
【００２１】
図５は、スイッチオフの状態における多層膜フィルタの厚さ方向屈折率分布を示したものである。図３と異なる点は、空間層４に相当するＢの領域の厚さが７００ｎｍとなっていることである。可動フィルタ３はそれに伴って膜厚方向にスライドしている。図６は、図５におけるＡ〜Ｃの領域全体を１つのフィルタとして見た場合における光の透過特性を示したものである。この図に示すように、空間層４が最も厚い状態においては、４００ｎｍ帯の光について透過率が０、すなわち全て反射させる特性が得られる。したがって、微小駆動素子５が最も伸びた状態では、フィルタ全体として所定の波長帯域の光を反射させるスイッチオフの状態とすることができる。
【００２２】
このように、可動フィルタ３を動作させて、固定フィルタ２との間に形成される空間層４の厚さを変化させることで、所定の波長帯域の光について透過・非透過を切り替えることにより、微小な動作によりスイッチのオンオフ動作を行うことができる。これは遮光板により光路を遮る動作を行う従来の光シャッタに比べると、動作のストロークが短いために、オンオフ動作の応答速度を速くすることができる。すなわち、高速な光シャッタを得ることができる。また、微小な動作によりスイッチのオンオフ動作を行うことができるので、光シャッタそのものを小型にすることができる。
【００２３】
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図７には本実施形態における光シャッタ１の断面図を、図８には本実施形態における光シャッタ１の平面図をそれぞれ示す。本実施形態の光シャッタ１は、固定フィルタ２及び可動フィルタ３が、中央部にピンホールを有した基板８、８に挟まれるように配置されている。微小駆動素子５は、図８に示すように周方向の４個所に設けられる。また、可動フィルタ３側の基板８は、可動フィルタ３が動作する際にはストッパ７として機能する。
【００２４】
そして、本実施形態の光シャッタ１を、光通信機器に適用したものを図９に示す。この図に示すように、この光通信機器は、２芯の入射側光ファイバ１２と１芯の出射側光ファイバ１３との間に、本実施形態の光シャッタ１とレンズ１１を納めたスイッチユニット１０を配置してなるものである。そしてこの光通信機器は、２芯の入射側光ファイバ１２の一方のファイバコア１２ａから出射された光を、透過させて１芯の出射側光ファイバ１３のファイバコア１３ａに伝搬するか、または反射させて２芯の入射側光ファイバ１２の他方のファイバコア１２ｂに伝搬するかを、光シャッタ１の動作によって切り替えることのできるものである。
【００２５】
図９に示すように、入射側光ファイバ１２から出射した光は、非球面形状からなるレンズ１１によって集光され、光シャッタ１に対して入射する。光シャッタ１は入射側及び出射側の基板８、８をピンホールを備えたアパーチャとして機能させる。そして、基板８、８の内側に配置された固定フィルタ２と可動フィルタ３及び空間層４によって構成されるフィルタの特性により、光は透過または反射する。透過・非透過の制御は、第１の実施形態における光シャッタと同様に、空間層４の厚さを微小駆動素子５の動作によって変化させ、それによりフィルタ全体としての特性を変化させることによって行う。このような光通信機器に、本発明の光シャッタ１を適用することにより、応答速度の速い高速な光の切替を行うことができる。
【００２６】
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。本実施形態に係る光シャッタ１は、第１の実施形態の光シャッタ１と基本的な構成は同様であり、固定フィルタ２と可動フィルタ３を、空間層４を介して設け、可動フィルタ３は微小駆動素子５によって駆動されて、空間層４の厚さを変化させる。
【００２７】
第１の実施形態に係る光シャッタ１は、可動フィルタ３をバンプ２ａ及びストッパ７によって規定される各位置に可動フィルタ３の位置を制御することにより、所定の波長帯域の光を透過または非透過とするスイッチとして動作したのに対して、本実施形態に係る光シャッタ１は、可動フィルタ３をバンプ２ａ及びストッパ７によって規定される各位置の中間位置となるように制御することにより、光の透過率を様々に変化させることができるように構成したものである。本実施形態の光シャッタ１では、青色レーザにより発生される４０５ｎｍ帯の波長の光について、光の透過率を変化させることができるように構成される。
【００２８】
図１０には可動フィルタ３を中間位置に配置した状態における光シャッタ１の断面図を示す。可動フィルタ３は、固定フィルタ２のバンプ２ａ及びストッパ７によってその動作は規制されているため、その範囲で上下動する。可動フィルタ３を中間位置に配置することは、微小駆動素子５を構成するピエゾ素子に対する電界の付加を調整することにより行うことができる。
【００２９】
ここで、第１の実施形態のように多層膜フィルタ及び空間層４によってバンドパスフィルタを構成した場合には、空間層４のわずかな厚さの変化により透過率は大きく変動する。このため、スイッチのオンオフ動作のみを行わせる第１の実施形態ではバンドパスフィルタを用いることにより微小な動作でオンオフ動作を行うことができるという利点を有しているのに対し、本実施形態のように中間位置で透過率を制御しようとするには、空間層４の厚さの変化に対する透過率の変動は緩やかな方が望ましい。
【００３０】
そこで、本実施形態においては、多層膜フィルタ及び空間層４によって所定の波長帯の光を反射するいわゆるマイナスフィルタを構成する。マイナスフィルタの透過特性は、特定の波長帯について透過率がほぼ０％になると共に、その波長帯の前後にそれぞれ複数のリップルを生じ、透過率の低い波長帯をさらに複数生じる。このようなリップルを生じる領域を高調波領域と呼ぶことにする。本実施形態においては、このマイナスフィルタの透過特性における高調波領域において、所定の波長帯の光が透過または非透過となるようにフィルタを設計する。これにより、空間層４の厚さの変化による透過率の変動を緩やかにすることができる。
【００３１】
図１１には、本実施形態における光シャッタ１が、透過率最大の場合における透過特性を示す。本実施形態においては、バンプ２ａの高さを１μｍとし、空間層４の厚さの最小値を１μｍとする。この場合には図１０に示すように４０５ｎｍでの透過率は９０％以上となり、光はほとんど透過する。なお、マイナスフィルタの光を反射させる設計値は、４０５ｎｍよりも短い波長帯に存在する。そして、可動フィルタ３を動作させて空間層４の厚さを大きくしていくと、リップルの位置が短波長側に移動してくる。
【００３２】
図１２には、本実施形態における光シャッタ１が透過率中間の場合における透過特性を示す。ここでは、微小駆動素子５に電界を付加して可動フィルタ３を動作させ、空間層４の厚さを７μｍとした場合を示している。この場合には図１２に示すように４０５ｎｍでの透過率は６５％程度となり、図１１の場合よりも透過率は低下している。空間層４の厚さの変化に対する透過特性の変化率は、比較的緩やかであるために、空間層４の厚さの変化に応じて光の透過率を任意に設定することが可能である。
【００３３】
図１３には、本実施形態における光シャッタ１が透過率最小の場合における透過特性を示す。ここでは、微小駆動素子５が最大位置まで伸張して可動フィルタ３をストッパ７に当接させ、空間層４の厚さを９μｍとした場合を示している。この場合には、図１３に示すように４０５ｎｍにリップルの底部が一致し、透過率はほぼ０％となり、入射した光はほぼ全て反射することになる。本実施形態のようにフィルタを構成すると共に、可動フィルタ３の位置を微小駆動素子５によって調節するように構成することにより、所定の波長帯域の光の透過率を変化させることのできる光シャッタを得ることができる。
【００３４】
図１４には、第４の実施形態における光シャッタ１を可変型分岐モジュールに適用した概要図を示す。この可変型分岐モジュールは、例えばホログラム記憶装置において、物体光と参照光を分岐させると共に、それらの強度比を制御する部品として用いることができる。ただし、これには限られず、一般的な光分岐装置として用いることができる。本実施形態における光シャッタ１は、第３の実施形態と同様にフィルタはマイナスフィルタにて構成すると共に、可動フィルタ３の位置を微小駆動素子５によって調節するように構成している。また、第２の実施形態と同様にアパーチャとして機能する基板８を設けている。
【００３５】
図１４に示すように、この可変型分岐モジュールは、まず入射光をＰＢＳプリズム等の偏光分岐フィルタ２０によって分岐させる。具体的には入射光の偏光方向によって透過または反射させることにより光を分岐させる。すなわち、Ｐ偏光とＳ偏光の両方を含む入射光に対して、約４５°に傾斜して配置された偏光分岐フィルタ２０は、Ｐ偏光については透過させ、Ｓ偏光については反射させて入射光に対して９０°屈曲させる。
【００３６】
分岐されたＰ偏光とＳ偏光の光の光路上には、それぞれ本実施形態の光シャッタ１、１が設けられる。そして、それぞれの光シャッタ１、１の光の透過率を制御することにより、各偏光の強度比を制御することができる。各偏光の強度比だけを制御する場合には、Ｐ偏光かＳ偏光のいずれかの光路上に光シャッタ１を設けるようにしてもよい。両方に光シャッタ１、１を設けた場合には、各偏光の強度比だけでなく、強度比を保ったまま強度の絶対値を制御することもできる。
【００３７】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の適用はこれらの実施形態に限られるものではなく、その技術的思想の範囲において様々に適用されうるものである。
【００３８】
【発明の効果】
以上のように本発明に係る光シャッタによれば、２つの多層膜フィルタを空間層を介して配置し、可動フィルタに設けた微小駆動素子を作動させることで固定フィルタと可動フィルタの距離を変化させ、空間層の厚さを変化させることにより、固定フィルタと可動フィルタ及び空間層により構成されるフィルタの特性を微小な動作により変化させることができるので、所定の波長帯域の光の透過・非透過を高速に切り替えることができる。また、動作が微小であることから、微小駆動素子の厚さを小さくすることができ、小型な光シャッタとすることができる。
【００３９】
また、本発明に係る光シャッタによれば、可動フィルタは空間層の最大厚さとなる状態において当接するストッパと、空間層の最小厚さとなる状態において当接する固定フィルタに形成された突起状のバンプとによって動作を規制されることにより、所定の波長帯域の光が透過または非透過となるように容易に動作させることができる。
【００４０】
さらに、本発明に係る光シャッタによれば、微小駆動素子は可動フィルタに対して伸縮自在な接着層を介して接合されていることにより、微小駆動素子の駆動距離の誤差分を吸収して、精度よく可動フィルタを動作させることができる。
【００４１】
さらにまた、本発明に係る光シャッタによれば、固定フィルタと空間層及び可動フィルタはバンドパスフィルタを構成してなることにより、空間層の厚さの微小な変化によりフィルタ全体としての光の透過率を大きく変化させることができるので、微小な動作により所定の波長帯域の光の透過・非透過をオンオフ動作させることができる。
【００４２】
そして、本発明に係る光シャッタによれば、固定フィルタと空間層及び可動フィルタはマイナスフィルタを構成してなると共に、透過率を制御する所定の波長帯域はマイナスフィルタの透過特性における高調波領域にあることにより、空間層の厚さの変化に対するフィルタ全体としての光の透過率の変化を、バンドパスフィルタの場合に比べて緩やかにすることができるので、空間層の厚さの制御によって所定の波長帯域の光の透過率を様々に変動させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態における光シャッタのスイッチオンの状態における断面図である。
【図２】第１の実施形態における光シャッタのスイッチオフの状態における断面図である。
【図３】第１の実施形態における光シャッタのスイッチオンの状態における厚さ方向屈折率分布を示した図である。
【図４】第１の実施形態における光シャッタのスイッチオフの状態における厚さ方向屈折率分布を示した図である。
【図５】第１の実施形態における光シャッタのスイッチオンの状態における透過特性を示した図である。
【図６】第１の実施形態における光シャッタのスイッチオフの状態における透過特性を示した図である。
【図７】第２の実施形態における光シャッタの断面図である。
【図８】第２の実施形態における光シャッタの平面図である。
【図９】第２の実施形態における光シャッタを光通信機器に適用したものを示す概要図である。
【図１０】第３の実施形態における光シャッタの中間状態における断面図である。
【図１１】第３の実施形態における光シャッタが透過率最大の場合における透過特性を示した図である。
【図１２】第３の実施形態における光シャッタが透過率中間の場合における透過特性を示した図である。
【図１３】第３の実施形態における光シャッタが透過率最小の場合における透過特性を示した図である。
【図１４】第４の実施形態における光シャッタを可変型分岐モジュールに適用したものを示す概要図である。
【符号の説明】
１ 光シャッタ
２ 固定フィルタ
２ａ バンプ
３ 可動フィルタ
４ 空間層
５ 微小駆動素子
６ 接着層
７ ストッパ
８ 基板
１０ スイッチユニット
１１ レンズ
１２ 入射側光ファイバ
１３ 出射側光ファイバ
２０ 偏光分岐フィルタ

Claims (5)

1. ２つの多層膜フィルタを空間層を介して配置してなり、上記多層膜フィルタを通る光の透過率を制御する光シャッタであって、
   上記２つの多層膜フィルタは一方を固定フィルタとし、他方を可動フィルタとすると共に、該可動フィルタには微小駆動素子を設け、
   上記微小駆動素子を作動させることで上記固定フィルタと可動フィルタの距離を変化させ、上記空間層の厚さを変化させることを特徴とする光シャッタ。
2. 上記可動フィルタは上記空間層の最大厚さとなる状態において当接するストッパと、上記空間層の最小厚さとなる状態において当接する上記固定フィルタに形成された突起状のバンプとによって動作を規制されることを特徴とする請求項１記載の光シャッタ。
3. 上記微小駆動素子は上記可動フィルタに対して伸縮自在な接着層を介して接合されていることを特徴とする請求項１または２記載の光シャッタ。
4. 上記固定フィルタと空間層及び可動フィルタはバンドパスフィルタを構成してなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光シャッタ。
5. 上記固定フィルタと空間層及び可動フィルタはマイナスフィルタを構成してなると共に、透過率を制御する所定の波長帯域はマイナスフィルタの透過特性における高調波領域にあることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光シャッタ。

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