JP2007139914A - 光スイッチ及び光スイッチシステム - Google Patents

Abstract

【課題】 誘電体多層膜を利用した光スイッチにおいて、オン−オフ比を大きく取れる構成を有する光スイッチ及び光スイッチシステムを提供する。
【解決手段】 屈折率の異なる複数の誘電体を周期的に積層してなる誘電体多層膜１０、１１と、その誘電体多層膜１０、１１によって挟まれかつ前記誘電体多層膜１０、１１周期性から外れた１層の欠陥層１２ａを含んでいる光スイッチＡにおいて、前記欠陥層１２ａはフォトリフラクティブ効果を有している材料である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、プリンタや光通信などの光をスイッチングする必要がある装置において、光のオンオフ比を増大させる光スイッチ、もしくはオンオフを任意に制御することができる光スイッチ及び光スイッチシステムに関するものである。

従来から、誘電体多層膜の一方をフォトリフラクティブ材料とした光スイッチ、ファブリペロー共振器の欠陥層に電気光学材料を利用した光スイッチ等は知られている（例えば、特許文献１乃至３及び非特許文献１参照）。
非特許文献１では、２つの異なる屈折率を有する材料によって構成される誘電体多層膜の一方をフォトリフラクティブ材料とした光スイッチが研究されている。
この光スイッチではフォトリフラクティブ材料を利用することで、スイッチングのオン−オフ比を向上させることを行っている。光スイッチのオン−オフ比を大きく取るには、オンの時の透過率を向上し、オフの時の透過率を低減するアクティブなフィルタがあると実現でき、このようなフィルタは光トランジスタなどと呼ばれる。
前述の非特許文献１では、このような効果を出すためにフォトリフラクティブ材料が使われている。確かに、実験結果から、その効果は見られる。しかし、単にフォトリフラクティブ材料と異なる屈折率の材料とをそれぞれλ／４の厚さでの積層している構成では、オン−オフ比を向上させる能力には限界がある。
特許文献１乃至３では、ファブリペロー共振器の欠陥層に電気光学材料を利用した光スイッチが開示されている。この構成でも光のスイッチは可能であるが、かかる光スイッチでは電圧を印加することによる電気光学材料の微小な屈折率変化を使用しており、オンオフ比には限界がある。これは屈折率変化量と透過スペクトルの形状に起因しており、これを原理的に解決することは難しい。
図１５は従来の光スイッチを示す概略図である。図１６は図１５の従来の光スイッチの誘電体多層膜を示す概略図である。図１５及び図１６において、基板１上には誘電体多層膜２が配置され、この誘電体多層膜２は図１６に示すように構成され、誘電体多層膜２は多層膜３Ａと３Ｂとで構成されている。
誘電体多層膜２はマルチキャビティ４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、４Ｄを有しており、キャビティ４Ａ、４Ｂに可変電圧源５が、キャビティ４Ｃ、４Ｄに可変電圧源６が接続されており、これらの可変電圧源５、６は電圧制御部７で制御される。
特許文献３による図１５および図１６の従来例はマルチキャビティを、それぞれ電気光学効果のある材料を利用してスイッチングを行なっている。マルチキャビティにすることによって透過スペクトルの形状が改善され、オンオフ比は取れる。
特開昭６１−８８２２９号公報 特開２００１−９１９１１公報 特許第３４９３０１９号 Appl.Phys.Lett.66(1995) p2324

しかしながら、特許文献３の方法では、それぞれのキャビティに電気光学材料が必要である。電気光学材料は薄膜化が難しく、かつ電極をそれぞれの電気光学材料に作製することは、製造上、非常に困難である。
そこで、本発明の目的は、上述した実情を考慮して、誘電体多層膜を利用した光スイッチにおいて、オンオフ比を大きく取れる構成を有する光スイッチ及び光スイッチシステムを提供することにある。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、屈折率の異なる複数の誘電体を周期的に積層してなる誘電体多層膜と、その誘電体多層膜によって挟まれ且つ前記誘電体多層膜周期性から外れた１層の欠陥層を含んでいる光スイッチにおいて、前記欠陥層がフォトリフラクティブ効果を有している材料であること特徴とする。
また請求項２に記載の発明は、前記欠陥層を複数有する請求項１記載の光スイッチを特徴とする。
また請求項３に記載の発明は、前記フォトリフラクティブ材料としてコバルト酸化物を利用する請求項１又は２記載の光スイッチを特徴とする。
また請求項４に記載の発明は、前記複数の欠陥層の１層もしくは複数層を電気光学材料とし、他の欠陥層をフォトリフラクティブ材料とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の光スイッチを特徴とする。
また請求項５に記載の発明は、入射面に無反射コートを施した請求項１乃至４のいずれか１項記載の光スイッチを特徴とする。
また請求項６に記載の発明は、入射波長のピーク位置をλｉｐ、欠陥層の屈折率をｎｋ、欠陥層の屈折率変化を△ｎ、入射角をθ、としたときに、欠陥層ｄｋの厚さが

但し、Ｎは整数、を満たす請求項１乃至５のいずれか１項記載の光スイッチを特徴とする。
また請求項７に記載の発明は、請求項１乃至５のいずれか１項記載の光スイッチが、入射光の波長スペクトルの半値全幅をλｉ、共鳴波長の最大移動量をλｍ、透過スペクトルの半値全幅をλtとしたときに、λｍ＞λｉ、λｍ＞λｔ、λｉ＝λt、を満たす光スイッチシステムを特徴とする
また請求項８に記載の発明は、前記光スイッチからの反射光を信号光として利用する請求項７記載の光スイッチシステムを特徴とする。
また請求項９に記載の発明は、入射光を斜入射とする請求項７又は８記載の光スイッチシステムを特徴とする。
また請求項１０に記載の発明は、請求項１乃至請求項６に記載の光スイッチと、入射光を集光する光学素子とを備えた光スイッチシステムを特徴とする。
また請求項１１に記載の発明は、前記光学素子は、少なくとも入射光を集光するレンズと、入射角を偏向するプリズムとを備え、前記光スイッチの基板の側面に設けられている請求項１０記載の光スイッチシステムを特徴とする。

本発明によれば、光スイッチにおいて、光を閉じ込める効果がある欠陥層がキャビティのスペーサ部に配置されると、この部分は入射光に対しその数倍近い光強度となる。この欠陥層としてフォトリフラクティブ材料を利用することで、弱い入射光強度でも効率的に屈折率が変化する。キャビティにおける欠陥層の光学厚さは透過スペクトルの透過波長を決めており、屈折率が変化することで、透過波長も変化する。
この透過スペクトルの波長シフトにより光が透過しなくなり、オフ状態となる。これを用いれば、入射光強度と出射光強度には非線形の関係が生じ、これによりオン−オフ比を向上させることができる。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は本発明による光スイッチの第１実施例の概要を示す簡略図である。図１では、誘電体多層膜１０及び１１の間にフォトリフラクティブ材料（欠陥層）１２ａを挟みこんだ構造としている。
図１に示すように、誘電体多層膜１０及び１１の間にフォトリフラクティブ材料（欠陥層）１２ａを挟みこんだ構造とした。石英基板１３上に誘電体多層膜１０及び１１として、ＳｉＯ₂とＴｉＯ₂とを交互に積層した。入射波長λｉｐは４５７ｎｍとして、そのスペクトルでの半値全幅λｉは約１ｎｍとした。
誘電体多層膜１０及び１１の膜厚はＳｉＯ₂、ＴｉＯ₂とそれぞれ、入射波長の光学膜厚の１／４として、７０ｎｍ及び４５ｎｍとした。誘電体多層膜１０及び１１はＳｉＯ₂、ＴｉＯ₂を６ペア（６対）とした。
欠陥層１２ａにはコバルト酸化物の微結晶を利用した。このコバルト酸化物はスパッタによって作製され、Ｃｏ₃Ｏ₄の微結晶の状態になっている。
コバルト酸化物材料には非常に高いフォトリフラクティブ効果を有するものが知られている（マテリアルインテグレーション、Ｖｏｌ.１４、Ｎｏ１２（２００１）ｐ１７）。これを利用することによって、入射強度が小さくとも、フォトリフラクティブ材料の感度が大きいため、オンオフ比を大きくすることが可能となる。
キャビティのスペーサ部にフォトリフラクティブ材料（欠陥層）を利用する構成とした。欠陥層１２ａは光を閉じ込める効果がある。これにより、この部分には入射光に対し、その数倍近い光強度となる。

図２はＦＤＴＤによる数値計算を行なった結果の屈折率分布と電界強度を示す図である。図３は入射光強度と出射光強度の非線形の関係を示す図である。図２には、欠陥層１２ａの光閉じ込め効果をＦＤＴＤによる数値計算を行なった結果で示している。この部分にフォトリフラクティブ材料を利用することで、弱い入射光強度でも効率的に屈折率が変化する。
図４は出射光強度と入射光強度に関してマルチキャビティとシングルキャビティとの相違を示す図である。

図５は本発明の第２の実施例である複数の欠陥層を有する光スイッチを示す概略図である。キャビティにおける欠陥層１２の光学厚さは透過スペクトルの透過波長を決めており、屈折率が変化することで、透過波長も変化する。この透過スペクトルの波長シフトにより、光が透過しなくなり、オフ状態となる。
これを用いることで、入射光強度と出射光強度には図３に示すような非線形の関係が生じ、これがオンオフ比を向上させる。図５に示した構成は入射光の波長に対し、キャビティの共鳴波長が若干ずれた状態に作製している。
シングルのキャビティをマルチキャビティにすると、透過スペクトルの形状は立ち上がりが急峻なトップハット（シルクハット）の形状になる。また、マルチキャビティにすることで、屈折率が変化した時に、オフとなる部分の透過率が低い。これより、オフ時の透過光量が減少し、オンオフ比が向上する。つまり、マルチキャビティの方が、図３に示すように入射光強度／出射光強度の関係での非線形性が高まり、オンオフ比も大きくなる。
詳細は後述する、図５の構成に光を入れることで、スペーサの屈折率が変化し、或る強度の時に入射光の波長とキャビティの共鳴波長が一致し、出射光強度が高くなる。この挙動が非線形性を示し、スイッチングのオンオフを増大させる光トランジスタの役割を示す。
この作製方法により、この材料の非線型屈折率は−２．７×１０^-11（Ｗ／ｍ²）であり、液晶や有機材料に対し、非常に高い数値を示している。この膜を膜厚３５８ｎｍとする。これによって、欠陥層１２の厚さが以下の条件を満たす。

但し、λｉｐは入射波長のピーク位置、ｎｋは欠陥層の屈折率、△ｎ欠陥層の屈折率変化、Ｎは整数、θは入射角とする。
この場合には整数Ｎは２となり、入射角θは０°とした。また、この条件で透過率のスペクトル形状はほぼ決まり、光スイッチは、以下の条件、
λｍ＞λi、λｍ＞λｔ、λｉ＝λt
を満たす。
但し、λiは入射光の波長スペクトルの半値全幅、λｍは共鳴波長の最大移動量、λtは透過スペクトルの半値全幅である。
この時の入射光強度が０．１ＧＷ／ｍ²以上であれば、屈折率変化量は０．０１を超える。これにより、図３に示すような、入射光強度と出射光強度の非線型関係を示すことになる。これをモジュール化することで、光スイッチとなる。

図６は光スイッチが条件、λｍ＞λi、λｍ＞λｔ、λｉ＝λtを満たした場合のスイッチング動作を示す特性図である。
図７は光スイッチが条件、λｍ＞λi、λｍ＞λｔ、λｉ＝λtを満たしていない場合のスイッチング動作を示す特性図である。
図８は光スイッチが条件、λｍ＞λｉ、λｍ＞λｔ、λｉ＝λｔを満たしていない他の場合のスイッチング動作を示す特性図である。
図９はコバルト酸化物のフォトリフラクティブ効果を示す特性図である。
上記の条件で、λｉ＝λｔは以下のスイッチング原理に基づき、原理的にほぼ同程度の半値全幅であればよいとする。
図１に示すように誘電体多層膜１０、１１によって欠陥層１２ａを挟むと、その欠陥層１２ａに対応した波長にピークを有する透過スペクトルが取れる（図８）。この透過スペクトルにおける半値全幅をλtとする。
ここで、半値全幅λtは透過スペクトルのピークから裾野部分までの波長長さとほぼ同等と考えられる。つまり、このλtによって、透過スペクトルおける透過率が高い位置から低い位置までの波長幅を示すことができる。
この透過スペクトルは欠陥層１２ａの光学的な厚さに対応しており、この光学的な厚さを変えることで、ピーク位置が移動する。この移動量をλｍとした。また、入射光のスペクトルにおける半値全幅をλｉとした。図６ではオンとオフとして、その欠陥層１２ａの光学的な厚さを変化している。
上述した条件が満たされることによって、オンとオフにおける透過スペクトルは図６に示すように、オンの時には光を出射し、オフの時には光を出さない。これによって大きな消光比を取ることができる。

この条件を満たさない場合を図７と図８に示す。図７に示している条件は、λｍ＜λｉ、λｍ＞λｔである。この場合には、入射光のスペクトル幅に対し、透過率のピーク移動量λｍが小さい。
そのため、オフ時においても、入射スペクトルの裾野部分に透過率のスペクトルピークが位置してしまう。従って、そこでの入射光を透過することになり、図７に示すようにオフの時にも、波長は異なるが出射光が存在する。これは消光比を大きく低減している。
また、図８に示すように、λｍ＜λｉ、λｍ＞λｔの条件においては、透過スペクトルの半値全幅が広く、裾を引いてしまう。また、移動量λｍが小さいため、オフ時のときにも、入射光のピーク位置λｉｐにおいて、透過率が０とならない。このため、入射光は透過してしまい、光が出射することになる。これもまた消光比を低減している。

図１０は本発明による光スイッチの第２実施例を含んでいる光スイッチシステムの全体構成を示す概略図である。図５及び図１０を参照して、下方より固体レーザ（図示せず）を微弱に変調した信号光が入射しており、本光スイッチによって変調を増強された光が出射光として上方に出る。
変調の増幅は微弱変調に同期された電気信号によって行われ、そのための電極１４、１５が左右に出されている。光スイッチは基板１３上に欠陥層１２を含む誘電体多層膜１０、１１からなるスイッチ部および電極１４、１５によって構成されている。
図５に拡大して示したように、第２実施例のスイッチはマルチキャビティ型として、それぞれの欠陥層１２、１２ａは電気光学材料およびフォトリフラクティブ材料とした。石英基板１３上に誘電体多層膜として、ＳｉＯ₂とＴｉＯ₂とを交互に積層した。入射波長λｉｐは４５７ｎｍとして、そのスペクトルでの半値全幅λｉは約１ｎｍとした。
半値幅はＳｉＯ₂、ＴｉＯ₂の膜厚を、それぞれ、７０ｎｍ及び４５ｎｍとした。誘電体多層膜はＳｉＯ₂、ＴｉＯ₂を６ペアとした。このペア数を制御することで、透過スペクトルの半値全幅を制御することが可能である。より狭い半値全幅にしたいときには、ペア数をより増やすことで可能である。６ペアとすることによって、透過スペクトルの半値全幅λｔは約１ｎｍ程度となる。
これは入射波長を屈折率で割った波数λｎのちょうどλｎ／４となる数値である。欠陥層１２は外場によって屈折率の変わるものであればよく、液晶や熱光学材料などが考えられるが、本実施例では反応スピード面から非線形結晶を利用した。非線形結晶としてはＬＮやＰＬＺＴなどが有名である。

本実施例では欠陥層１２にＰＬＺＴを利用し、膜厚は入射波長の１／４の整数倍Ｎになるようにする。これにより、入射光の波長λｉｐと透過率スペクトルのピーク位置とが一致することになる。整数Ｎは４０程度として、膜厚は１０μｍ程度とした。
ＰＬＺＴはその２次電気光学係数を９Ｅ^-16［ｍ２Ｖ^-2］とし、１０Ｖの電圧印加で、その屈折率変化は約０．０１程度となる。この屈折率変化で、透過率のピーク位置の移動量λｍは約１．５ｎｍとなる。
この移動量λｍは印加電圧や欠陥層１２の膜厚整数Ｎによっても制御することができる。欠陥層１２の両端には電極１４、１５として透明電極を利用した。透明電極はＩＴＯとして、スパッタによって形成できる。入射光は垂直に入射し、誘電体多層膜１０、１１を透過して出射される。
もう一方の欠陥層１２ａにはフォトリフラクティブ材料としてコバルト酸化物の微結晶を利用した。コバルト酸化物はスパッタによって作製され、Ｃｏ₃Ｏ₄の微結晶の状態になっている。スパッタによる作製方法により、コバルト酸化物の非線型屈折率は−２．７×１０^-11（Ｗ／ｍ²）であり、液晶や有機材料に対し、非常に高い数値を示している。
この欠陥層１２ａの膜厚は３００ｎｍ程度とした。入射光強度は０．１ＧＷ／ｍ²以上で、屈折率変化量は０．０１を超えている。本実施例では、マルチキャビティ構成で、かつ１つのキャビティが電気光学材料であることから、非常に高い信号増強作用を示した。

図５に示すように欠陥層１２に電気光学材料を利用することで、任意に光のオン−オフを制御できる。このオンオフのタイミングを入射光のオン−オフのタイミングに同期することで、さらに大きなオンオフ比が取れる。
つまり、小さなオンオフ比の光信号を大きなオンオフ比の信号へ変換することが可能である。また、電気光学材料を欠陥層１２に利用した光スイッチは従来からあるが、これらに比べ、さらにフォトリフラクティブ材料からなる欠陥層１２ａを利用しているので、オンオフ比が非常に大きいスイッチとなる。
作製方法は、基板１３を石英として、この石英基板１３上に誘電体多層膜１０、１１を蒸着する。誘電体多層膜１０、１１はそれぞれ膜厚をモニターしながら成膜する。成膜する順番は石英基板１３の次にＴｉＯ₂を成膜する。次にＳｉＯ₂、その次にＴｉＯ₂の順である。この実施例ではＴｉＯ₂／ＳｉＯ₂のペアを６ペア積層した。
次に欠陥層１２を成膜する。この欠陥層１２にはＰＬＺＴを採用した。ＰＬＺＴは一般的には燒結によって作製されたセラミックを利用して、研磨などの加工を施し平板状に成形している。平板状態のまま、先の誘電体多層膜１０、１１を成膜した石英基板１３に接着する。接着したＰＬＺＴ膜を表面から研磨する。研磨にはＣＭＰを利用し、膜厚が１０μｍになるまで削る。
次に先に成膜した誘電体多層膜１０、１１と同様に、欠陥層１２の上面にも誘電体多層膜１０、１１を形成する。形成方法は蒸着である。フォトリフラクティブ材料もスパッタなので、蒸着と同様に真空下での気相成長を行なう。
石英基板１３の逆の面にはＡＲ（無反射）コート１６（図１０）を施し、反射を低減する。入射光を入射角が０°になるように正確に設置する。スイッチの表面にＡＲコート１６を施すことで、反射は低減できる。これにより、オンの時の光強度を上昇させることができる。

図１１は本発明による光スイッチの第３実施例を含んでいる光スイッチシステム示す概要図である。図１２は図１１の第３実施例のスイッチ部を示す概略図である。図１１及び図１２を参照して、入射光は左から右に通過する。その際に誘電体多層膜（図１１のスイッチ部）に入射角約４２°で入射する。この角度は誘電多層膜１０、１１と欠陥層１２、１２ａによって決定される全反射角である。
この誘電体多層膜１０、１１によって反射された光は右側に向かって出射される。入射光は誘電体多層膜１０、１１とほぼ平行な方向であるが、入射する際に石英基板１３に形成された傾斜角によって、入射角を変換している。
これは石英基板１３に一体化された光学素子のプリズムと言う意味であり、レンズやプリズムなどの光学素子１７（図１１）を、光スイッチを構成する石英基板１３の側面に形成することで、振動などに強い光スイッチシステムとなる。光学素子を配置する製造工程においても、側面を加工することでできることから、簡便な工法を取ることができる。
斜入射にすることで、偏光ビームスプリッタを利用することなく、入射光と反射光とを分離することができる。これにより偏光ビームスプリッタによってオン−オフ比を低下させていた要因を取り除くことが可能となる。
電気信号は電極（図示せず）に入ることによって、光スイッチが電気信号を光信号へ変換する。光スイッチは基板１３に欠陥層１２、１２ａを含む誘電体多層膜１０、１１および電極１４、１５によって構成されている。誘電体多層膜１０、１１、欠陥層１２、１２ａは図１２に示した構造になっている。
電極１４、１５は櫛歯状であり、横方向に電圧がかかる。誘電体多層膜１０、１１の上に電気光学材料からなる欠陥層１２、その上にはフォトリフラクティブ材料からなる欠陥層１２ａが構成されている。フォトフィラクティブ材料の上は空気となっており、反射状態になる場合には全反射条件を満たす。

石英基板１３上に誘電体多層膜１０、１１として、ＳｉＯ₂とＴｉＯ₂とを交互に積層した。入射波長λｉｐは４５７ｎｍとして、そのスペクトルでの半値全幅λｉは約１ｎｍとした。反値幅はＳｉＯ₂、ＴｉＯ₂と膜厚はそれぞれ、７０ｎｍ、４５ｎｍとした。誘電体多層膜１０、１１はＳｉＯ₂、ＴｉＯ₂を６ペアとした。
このペア数を制御することで、透過スペクトルの半値全幅を制御することが可能である。より狭い半値全幅にしたい時には、ペア数をより増やすことで可能である。６ペアとすることで、透過スペクトルの半値全幅λｔは約１ｎｍ程度となる。これは入射波長を屈折率で割った波数λｎのちょうどλｎ／４となる数値である。
欠陥層１２には外場によって屈折率の変わるものであればよく、液晶や熱光学材料などが考えられるが、本実施例では反応スピード面から非線形結晶を利用した。非線形結晶はＬＮやＰＬＺＴなどが有名である。また、光に反応するものであればコバルト酸化物などのフォトリフラクティブ材料なども利用することができる。
上述のごとく、本実施例では欠陥層１２にＰＬＺＴを利用し、膜厚は入射波長の１／２の整数倍Ｎになるようにする。これにより、入射光の波長λｉｐと透過率スペクトルのピーク位置とが一致することになる。整数Ｎは５程度として、膜厚は３００ｎｍ程度とした。

ＰＬＺＴはゲル状の溶液をスピンコートし、その膜を燒結することで結晶化する。スピンコートで成膜した膜は膜厚が不均一であるため、研磨することで表面性を高める。研磨にはＣＭＰを利用し、膜厚が３００ｎｍになるまで削る。
欠陥層１２の上面には電極として金属層を配した。金属電極１４、１５はＡｕ、Ａｌ、Ｃｕなどさまざまな金属を選択することができるが、本実施例ではＡｕとした。Ａｕはスパッタによって形成でき、マスクを着けることでパターニングすることが可能である。櫛歯はそのピッチを５μｍとして、十分な電界が生じることができる。
ＰＬＺＴはその２次電気光学係数を９Ｅ^-16［ｍ２Ｖ^-2］とし、１０Ｖの電圧印加で、その屈折率変化は約０．０１程度となる。この屈折率変化で、透過率のピーク位置の移動量λｍは約１．０ｎｍ。この移動量λｍは印加電圧や欠陥層１２の膜厚整数Ｎによっても制御することができる。
フォトリフラクティブ材料のキャビティは片方だけの６ペアの誘電体多層膜となっているが、反射を介して、擬似的に両側に誘電体多層膜によって挟まれたキャビティとして機能している。フォトリフラクティブ材料１２ａとしてコバルト酸化物の微結晶を利用した。このコバルト酸化物はスパッタによって作製され、Ｃｏ₃Ｏ₄の微結晶の状態になっている。
この作製方法により、この材料の非線型屈折率は−２．７×１０^-11（Ｗ／ｍ²）であり、液晶や有機材料に対し、非常に高い数値を示している。膜厚は３００ｎｍ程度とした。入射光強度は０．１ＧＷ／ｍ²以上で、この時の屈折率変化は０．０１を超えている。石英基板１３の逆の面にはＡＲ（無反射）コートを施し、反射を低減する。入射光を入射角が適当な角度になるように微調整する。

次に第３実施例の動作を説明する。入射光には固体レーザから出射された連続波（ＣＷ）光を利用している。本実施例では信号変調を本スイッチで行ない、増幅作用だけを行なうものではない。信号は電気信号で電気光学材料に送られ、そこで光信号に変換され、フォトリフラクティブ材料で増強される。本発明ではマルチキャビティ構造であることから高い増強作用を示した。また、本発明ではＣＷ（連続波）光に任意の信号を付加することができた。
反射光を信号光として利用すると、信号光は反射スペクトルによって規定される。オン時の出射光強度は、反射スペクトルの透過率の裾野での数値に依存する。信号光として透過光を利用した場合は、ピークの位置での透過率に依存する。信号光を透過光から反射光へ変更した場合に大きく異なる点である。
本発明の光スイッチは、一般的なバンドパスフィルタの透過スペクトルとほぼ同様であり、透過スペクトルはガウシアン型を取る。ガウシアン型であるため、入射光のスペクトルのピーク位置が少しでもずれることで、透過光の光量は低下する。また、反射率のスペクトルにおいて、そのピーク値は０％の反射率（透過率として１００％）になっていない。
これは膜厚の誤差や表面の凹凸によるものであり、実際作製する際には少なからず起きる。また、マルチキャビティ（欠陥層が複数層）の場合には、トップハット型のスペクトルにすることができるが、その透過率を１００％近く高めるのは不可能である。
つまり、透過光を利用する限りにおいて、１００％に近い高い利用効率を実現することは難しい。それに対し、反射を利用することで、透過スペクトルの裾野の透過率を０％近くに設計することは容易である。つまりはオン時の出射光強度を上げることができ、オン−オフ比を向上することができる。

図１３は第４実施例の構成を示す概要図である。図１４は光スイッチの基板に直接形成されたレンズを示す概略図である。図１３及び図１４を参照して、下方より固体レーザを微弱に変調した信号光が入射しており、本光スイッチによって変調を増強された光が出射光として上方に出る。
変調の増幅は微弱変調に同期された電気信号によって行われ、そのための電極１４、１５が左右に出されている。入射光は光学素子のレンズ１８を通して、光スイッチへ入射する。この際に入射光は平行光として、レンズによって光は集光することとなる。
光スイッチはビーム径が最小になった部分で光が通過するように配置する。集光した光は入射光に対し、そのビーム径は１／１０もしくはそれ以上に小さくなる。ビーム径が小さくなることで、光密度はビーム径の２乗に比例することから、光強度は１００倍以上となる。

本実施例では図１４に示すように、レンズ（光学素子）１８を光スイッチの基板１３に直接形成する。光スイッチの基板１３は石英基板からなり、その表面形状をレンズ形状にすることで平行光を集光するレンズの役割を担う。レンズ１８を基板１３に直接形成することによってレンズ１８と光スイッチとの相対位置精度は飛躍的に上がり、振動などにも強い構成となる。
レンズ１８は光スイッチを形成した後に半導体プロセスで作製する。半導体プロセスではレンズ形状をしたレジスト形状をフォトリソグラフィプロセスで形成できるため、その位置精度は非常に高い。また、別な基板で作製したマイクロレンズを、樹脂を介して貼り合わせる方法でもほぼ同様な精度を示すことができる。
この場合には、光スイッチの基板面とレンズの基板面が平面もしくはそれに準じた形状で、それぞれの面が正確に貼り合わせることができれば、非常に高い精度でレンズと光スイッチとの位置精度を実現できる。また、このように貼り合わせた場合にもレンズと光スイッチが一体化しており、振動に強い構成になる。
入射光をレンズなどの光学素子１８によって集光することで、その集光したスポット位置での光密度が相対的に上昇する。スポット位置にフォトリフラクティブ材料を配置することで、小さな入射光強度の場合にでも、フォトリフラクティブ材料がある位置での光強度が上昇し、見かけ上感度が上昇したことになる。
光スイッチは基板１３に欠陥層１２を含む誘電体多層膜１０、１１及び電極１４、１５によって構成されている。光スイッチの拡大図は図５に示してある。本スイッチはマルチキャビティ型として、それぞれの欠陥層１２、１２ａは電気光学材料およびフォトリフラクティブ材料とした。
石英基板１３上に誘電体多層膜１０、１１として、ＳｉＯ₂とＴｉＯ₂とを交互に積層した。入射波長λｉｐは４５７ｎｍとして、そのスペクトルでの半値全幅λｉは約１ｎｍとした。本実施例の光スイッチは第２実施例に関連して説明した構成と同じであるので、詳細な説明は省略する。

次に、第４実施例の作製方法を説明する。基板１３を石英として、この基板１３上に誘電体多層膜１０、１１を蒸着する。誘電体多層膜１０、１１はそれぞれ膜厚をモニターしながら成膜する。成膜する順番は石英基板１３の次にＴｉＯ₂を成膜する。次にＳｉＯ₂、その次にＴｉＯ₂の順である。本実施例ではＴｉＯ₂／ＳｉＯ₂のペアを６ペア積層した。
次に欠陥層１２を成膜する。この欠陥層１２にはＰＬＺＴを採用した。ＰＬＺＴは一般的には燒結によって作製されたセラミックを利用して、研磨などの加工を施し平板状に成形している。平板状態のまま、先の誘電体多層膜１０、１１を成膜した基板１３に接着する。接着したＰＬＺＴ膜を表面から研磨する。研磨にはＣＭＰを利用し、膜厚が１０μｍになるまで削る。
次に、先に成膜した誘電体多層膜１０、１１と同様に、欠陥層１２の上面にも誘電体多層膜１０、１１を形成する。形成方法は蒸着である。フォトリフラクティブ材料もスパッタなので、蒸着と同様に真空下での気相成長を行なう。石英基板１３の裏側にはマイクロレンズ１８を形成する。形成方法は半導体プロセスを利用した。
半導体プロセスはレジスト塗布、フォトリソグラフィプロセスによるパターニング、ベークよるレジスト融解球面形成、ドライエッチングからなる。レンズ１８とスイッチングの相対位置はフォトリソフィプロセス時のマスク位置精度によって決まるため、非常に高い位置精度を実現できる。石英基板１３のマイクロレンズ表面にはＡＲコート１６を施し、反射を低減する。入射光を入射角が０°になるように正確に設置する。

本発明による光スイッチの第１実施例の概要を示す簡略図。 ＦＤＴＤによる数値計算を行なった結果の屈折率分布と電界強度を示す図。 入射光強度と出射光強度非線形の関係を示す図。 出射光強度と入射光強度に関してマルチキャビティとシングルキャビティとの相違を示す図。 本発明の第２の実施例である複数の欠陥層を有する光スイッチを示す概略図。 光スイッチが条件、λｍ＞λi、λｍ＞λｔ、λｉ＝λtを満たした場合のスイッチング動作を示す特性図。 光スイッチが条件、λｍ＞λｉ、λｍ＞λｔ、λｉ＝λtを満たしていない場合のスイッチング動作を示す特性図。 光スイッチが条件、λｍ＞λｉ、λｍ＞λｔ、λｉ＝λｔを満たしていない他の場合のスイッチング動作を示す特性図。 コバルト酸化物のフォトリフラクティブ効果を示す特性図。 本発明による光スイッチの第２実施例を含んでいる光スイッチシステムの全体構成を示す概略図。 本発明による光スイッチの第３実施例を含んでいる光スイッチシステムを示す概要図。 図１１の第３実施例のスイッチ部を示す概略図。 第４実施例の構成を示す概要図。 光スイッチの基板に直接形成されたレンズを示す概略図。 従来の光スイッチを示す概略図。 図１５の従来の光スイッチの誘電体多層膜を示す概略図。

符号の説明

Ａ 光スイッチ、１０ 誘電体多層膜（ＳｉＯ₂、ＴｉＯ₂）、１１ 誘電体多層膜（ＳｉＯ₂、ＴｉＯ₂）、１２ 欠陥層（電気光学材料、ＰＬＺＴ）、１２ａ 欠陥層（フォトリフラクティブ材料、Ｃｏ₃Ｏ₄）、１３ 石英基板、１４ 電極、１５ 電極、１６ 無反射（ＡＲ）コート、１７ 光学素子、１８ 光学素子（レンズ）

Claims (11)

1. 屈折率の異なる複数の誘電体を周期的に積層してなる誘電体多層膜と、その誘電体多層膜によって挟まれ且つ前記誘電体多層膜周期性から外れた１層の欠陥層を含んでいる光スイッチにおいて、
   前記欠陥層がフォトリフラクティブ効果を有している材料であること特徴とする光スイッチ。
2. 前記欠陥層を複数有することを特徴とする請求項１記載の光スイッチ。
3. 前記フォトリフラクティブ材料としてコバルト酸化物を利用することを特徴とする請求項１又は２記載の光スイッチ。
4. 前記複数の欠陥層の１層もしくは複数層を電気光学材料とし、他の欠陥層をフォトリフラクティブ材料とすることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の光スイッチ。
5. 入射面に無反射コートを施したことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の光スイッチ。
6. 入射波長のピーク位置をλｉｐ、欠陥層の屈折率をｎｋ、欠陥層の屈折率変化をΔｎ、入射角をθ、としたときに、欠陥層ｄｋの厚さが
   

   

   但し、Ｎは整数
   を満たすことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の光スイッチ。
7. 請求項１乃至５のいずれか１項記載の光スイッチが、入射光の波長スペクトルの半値全幅をλｉ、共鳴波長の最大移動量をλｍ、透過スペクトルの半値全幅をλtとしたときに、
   λｍ＞λｉ、
   λｍ＞λｔ、
   λｉ＝λt、
   を満たすことを特徴とする光スイッチシステム。
8. 前記光スイッチからの反射光を信号光として利用することを特徴とする請求項７記載の光スイッチシステム。
9. 入射光を斜入射とすることを特徴とする請求項７又は８記載の光スイッチシステム。
10. 請求項１乃至請求項６に記載の光スイッチと、入射光を集光する光学素子とを備えたことを特徴とする光スイッチシステム。
11. 前記光学素子は、少なくとも入射光を集光するレンズと、入射角を偏向するプリズムとを備え、前記光スイッチの基板の側面に設けられていることを特徴とする請求項１０記載の光スイッチシステム。

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