JP5168076B2 - Optical switch, optical switch manufacturing method, image display apparatus, and image forming apparatus - Google Patents

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  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Description

本発明は、光を透過する状態と光を反射する状態とを切り替える光スイッチおよびそれを用いた画像表示装置に関する。   The present invention relates to an optical switch that switches between a state of transmitting light and a state of reflecting light, and an image display device using the same.

光通信の分野では、電気光学効果を持つ結晶(電気光学結晶)に電界を印加して屈折率変化を発生させることで、光のスイッチングを行う光スイッチが知られている。このような光スイッチとして、方向結合器型光スイッチやマッハツエンダ干渉器型光スイッチなどの導波路型の光スイッチがある。方向結合器型光スイッチは、2本の導波路の近接効果を利用するものである。マッハツエンダ干渉器型光スイッチでは、外部から導波路間に電圧を印加することで、各導波路を伝播する光の間に位相差を発生させ、それら光の干渉を利用する。これらの導波路型の光スイッチは、屈折率変化を発生させるための制御を高速に行えるため、高速なスイッチングが可能である。   In the field of optical communications, an optical switch that switches light by applying an electric field to a crystal having an electro-optic effect (electro-optic crystal) to generate a refractive index change is known. As such an optical switch, there are waveguide type optical switches such as a directional coupler type optical switch and a Mach-Zehnder interferometer type optical switch. A directional coupler type optical switch utilizes the proximity effect of two waveguides. In the Mach-Zehnder interferometer type optical switch, a voltage is applied between the waveguides from the outside to generate a phase difference between the light propagating through the waveguides, and use the interference of the light. These waveguide-type optical switches can perform high-speed switching because control for generating a change in refractive index can be performed at high speed.

上記の他、特許文献1には、ブラッグ反射を用いた光スイッチが記載されている。図23に、その光スイッチの構成を示す。   In addition to the above, Patent Document 1 describes an optical switch using Bragg reflection. FIG. 23 shows the configuration of the optical switch.

図23を参照すると、光スイッチは、電気光学効果を有する光導波路層と、この光導波路層内に設けられた第1および第2の電極群とを有する。第1および第2の電極群のそれぞれは、光導波路層の厚さ方向に延伸する複数の板状の電極からなる。各板電極は、一定の間隔で配置されている。第1および第2の電極群のそれぞれの、光導波路層の厚さ方向と交差する面における断面の形状は、櫛形状とされており、互いの櫛の歯に相当する板電極が、交互に配置されている。   Referring to FIG. 23, the optical switch includes an optical waveguide layer having an electro-optic effect, and first and second electrode groups provided in the optical waveguide layer. Each of the first and second electrode groups is composed of a plurality of plate-like electrodes extending in the thickness direction of the optical waveguide layer. Each plate electrode is arranged at a constant interval. Each of the first electrode group and the second electrode group has a comb shape on a surface intersecting the thickness direction of the optical waveguide layer, and plate electrodes corresponding to the comb teeth are alternately arranged. Has been placed.

上記の光スイッチでは、第1および第2の電極群の間に電圧を印加することで、隣接する板電極間の領域において、屈折率変化が生じる。この結果、光導波路層内に、周期的な屈折率変化が生じる。この周期的な屈折率変化を生じた部分が回折格子として機能し、入射光がブラッグ反射される。一方、第1および第2の電極群への電圧印加を停止すると、回折格子としての機能はなくなるので、入射光は板電極間の領域を透過する。   In the above optical switch, a change in refractive index occurs in a region between adjacent plate electrodes by applying a voltage between the first and second electrode groups. As a result, a periodic refractive index change occurs in the optical waveguide layer. The portion where the periodic refractive index change occurs functions as a diffraction grating, and incident light is Bragg reflected. On the other hand, when the voltage application to the first and second electrode groups is stopped, the function as a diffraction grating is lost, so that incident light is transmitted through the region between the plate electrodes.

また、特許文献2には、透光性セラミックスを用いた光シャッター素子が記載されている。図24に示すように、光シャッター素子は、透光性セラミックス基板1の所定位置に光透過部となる凸部2を有し、凸部2の側面部を含む透光性セラミックス基板1の表面にアルミ等のスパッタ膜からなる電極3が形成されている。   Patent Document 2 describes an optical shutter element using translucent ceramics. As shown in FIG. 24, the optical shutter element has a convex portion 2 serving as a light transmitting portion at a predetermined position of the translucent ceramic substrate 1, and the surface of the translucent ceramic substrate 1 including the side surface portion of the convex portion 2. In addition, an electrode 3 made of a sputtered film such as aluminum is formed.

上記の光シャッター素子は、2枚の偏光子の間に設置される。一方の偏光子を透過した偏光方向を有する光が、透光性セラミックス基板の入射面4aから入射され、凸部2の先端の射出面4bから射出される。入射面4aから入射した光が、電極3が形成された領域を通過する。電極3間に電圧を印加すると、入射光の偏光方向が所定の角度だけ回転する。偏光方向が回転した光は、射出面4bから射出された後、他方の偏光子にて遮断される。一方、電極間への電圧印加を停止すると、偏光方向の回転は生じないため、射出面4bから射出された光は他方の偏光子を透過する。   The above optical shutter element is installed between two polarizers. Light having a polarization direction that has passed through one of the polarizers is incident from the incident surface 4 a of the translucent ceramic substrate and is emitted from the exit surface 4 b at the tip of the convex portion 2. Light incident from the incident surface 4a passes through the region where the electrode 3 is formed. When a voltage is applied between the electrodes 3, the polarization direction of incident light rotates by a predetermined angle. The light whose polarization direction has been rotated exits from the exit surface 4b and is blocked by the other polarizer. On the other hand, when the voltage application between the electrodes is stopped, the polarization direction does not rotate, so that the light emitted from the exit surface 4b passes through the other polarizer.

また、特許文献3には、導波路型の光スイッチが開示されている。この導波路型の光スイッチは、基板表面に形成された2本の光導波路からなる光方向性結合器と、各導波路上に形成された電極とを有する。各電極は、基板表面に形成された溝内に形成されている。基板表面の、光導波路間の領域に凸部を備える。
特許2666805号公報(特開平1−214827号公報) 特許3280106号公報(特開平6−202054号公報) 特開平1−223432号公報
Patent Document 3 discloses a waveguide type optical switch. This waveguide type optical switch has an optical directional coupler composed of two optical waveguides formed on the surface of a substrate, and an electrode formed on each waveguide. Each electrode is formed in a groove formed on the substrate surface. Protrusions are provided in the region between the optical waveguides on the substrate surface.
Japanese Patent No. 2666805 (Japanese Patent Laid-Open No. 1-214827) Japanese Patent No. 3280106 (Japanese Patent Laid-Open No. 6-202054) JP-A-1-223432

電気光学結晶に電界を印加して屈折率変化を生じさせることで光スイッチングを行う光スイッチにおいて、消費電力化およびスイッチ動作の高速化の要望がある。消費電力化およびスイッチ動作の高速化を行うためには、電極間容量を低減する必要がある。   In an optical switch that performs optical switching by applying an electric field to an electro-optic crystal to cause a change in refractive index, there is a demand for higher power consumption and faster switching operation. In order to increase power consumption and switch operation speed, it is necessary to reduce interelectrode capacitance.

特許文献1に記載の光スイッチは、面積の大きな複数の板電極が誘電率の高い電気光学結晶中に埋め込まれた構成であるため、その電極間容量は大きい。よって、省電力化および高速動作化を図ることは困難である。   Since the optical switch described in Patent Document 1 has a configuration in which a plurality of plate electrodes having a large area are embedded in an electro-optic crystal having a high dielectric constant, the capacitance between the electrodes is large. Therefore, it is difficult to achieve power saving and high speed operation.

特許文献2に記載の光シャッター素子においては、電極3が凸部2の側面部を含む透光性セラミックス基板1の表面に形成されている。電極3の面積は大きく、また、電極3間には誘電率の高い基板が設けられているため、その電極間容量は大きい。よって、特許文献2に記載の光シャッター素子も、省電力化および高速動作化を図ることは困難である。   In the optical shutter element described in Patent Document 2, the electrode 3 is formed on the surface of the translucent ceramic substrate 1 including the side surface portion of the convex portion 2. Since the area of the electrode 3 is large and a substrate having a high dielectric constant is provided between the electrodes 3, the interelectrode capacitance is large. Therefore, it is difficult for the optical shutter element described in Patent Document 2 to achieve power saving and high speed operation.

特許文献3に記載の光スイッチは、導波路型とされている。導波路の大きさは一般的に数μmであり、入射光の強度によっては、導波路内の光密度が極めて高くなって、導波路を形成している光学材料物質によって、導波路が損傷してしまう場合がある。このように、特許文献3に記載の光スイッチにおいては、光損傷耐性が低いという問題がある。レーザディスプレイ等の画像表示装置では、例えば100mW以上の高出力光に対する光変調が行われるため、このような画像表示装置の光スイッチは、十分な光損傷耐性を備える必要がある。   The optical switch described in Patent Document 3 is a waveguide type. The size of the waveguide is generally several μm. Depending on the intensity of the incident light, the optical density in the waveguide becomes extremely high, and the waveguide is damaged by the optical material that forms the waveguide. May end up. As described above, the optical switch described in Patent Document 3 has a problem that the optical damage resistance is low. In an image display device such as a laser display, for example, optical modulation is performed on high-power light of 100 mW or more, and thus an optical switch of such an image display device needs to have sufficient light damage resistance.

光損傷耐性を向上するための1つの方法として、大口径(数十〜数百μm径)の光ビームをスイッチングする方法があるが、特許文献3に記載のような導波路型の光スイッチは、そのような大口径の光ビームをスイッチングする光スイッチとして用いることは困難である。   As one method for improving the optical damage resistance, there is a method of switching a light beam having a large aperture (several tens to several hundreds μm). A waveguide type optical switch as described in Patent Document 3 Therefore, it is difficult to use as an optical switch for switching such a large-diameter light beam.

本発明の目的は、上記課題を解決し、光損傷耐性が高く、大口径の光ビームに対するスイッチ動作をより少ない電力で高速に行うことができる光スイッチ、その製造方法、それを用いた画像表示装置および画像形成装置を提供することにある。   SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems, to have a high optical damage resistance, and to perform a switch operation for a large-diameter light beam at a high speed with less power, a method for manufacturing the same, and an image display using the same. An apparatus and an image forming apparatus are provided.

上記目的を達成するために、本発明の光スイッチは、電気光学結晶と、同一平面上に配置された複数の電極からなる電極部とを有し、該電極部により発生した電界により前記電気光学結晶の一部の屈折率を変化させることによって、前記電気光学結晶に入射した入射光の透過と反射とを切り換える光スイッチであって、前記電気光学結晶は、前記電極部を構成する電極の間に、前記平面からの高さが該電極よりも高い側壁を有し、前記電気光学結晶の、少なくとも前記電極部からの電界が及ぶ領域が、光学的に均質な材料より形成され、前記複数の電極は、極性が異なる第1および第2の電極を含み、該第1および第2の電極が交互に配置されている
In order to achieve the above object, an optical switch according to the present invention includes an electro-optic crystal and an electrode portion including a plurality of electrodes arranged on the same plane, and the electro-optic is generated by an electric field generated by the electrode portion. An optical switch that switches between transmission and reflection of incident light incident on the electro-optic crystal by changing a refractive index of a part of the crystal, wherein the electro-optic crystal is interposed between electrodes constituting the electrode unit. Further, the electro-optic crystal has a side wall whose height from the plane is higher than that of the electrode, and at least a region to which an electric field from the electrode portion extends is formed of an optically homogeneous material , The electrodes include first and second electrodes having different polarities, and the first and second electrodes are alternately arranged .

本発明の画像表示装置は、光源と、前記光源からの光を変調する上述の光スイッチと、前記光スイッチからの変調された光ビームで外部スクリーン上を走査する走査手段と、外部からの制御信号に応じて前記光スイッチにおける変調動作を制御する制御部とを有する。   The image display apparatus of the present invention includes a light source, the above-described optical switch that modulates light from the light source, a scanning unit that scans an external screen with a modulated light beam from the optical switch, and external control. And a control unit that controls a modulation operation in the optical switch according to a signal.

本発明の画像形成装置は、光源と、感光体と、前記光源からの光を変調する上述の光スイッチと、前記光スイッチからの変調された光ビームで前記感光体上を走査する走査手段と、外部からの制御信号に応じて前記光スイッチにおける変調動作を制御する制御部とを有する。   An image forming apparatus according to the present invention includes a light source, a photosensitive member, the above-described optical switch that modulates light from the light source, and a scanning unit that scans the photosensitive member with a modulated light beam from the optical switch. And a control unit for controlling a modulation operation in the optical switch in accordance with a control signal from the outside.

本発明によれば、電極よりも高い側壁を有する電気光学結晶を用いており、これにより、誘電率の高い電気光学結晶と電極との接触面積を小さくすることが可能となっている。電気光学結晶と電極との接触面積を小さくすることで電極間容量を減少させることができるため、省電力化および高速動作化を図ることができる。   According to the present invention, an electro-optic crystal having a side wall higher than that of the electrode is used, whereby the contact area between the electro-optic crystal having a high dielectric constant and the electrode can be reduced. Since the interelectrode capacitance can be reduced by reducing the contact area between the electro-optic crystal and the electrode, power saving and high speed operation can be achieved.

また、導波路型とは異なり、光を閉じ込める必要がないため、導波路型の光スイッチと比較して、光損傷耐性を向上することができる。加えて、導波路型の光スイッチに比較して、大口径(数十〜数百μm径)の光ビームに対するスイッチ動作を行うことができる。   In addition, unlike the waveguide type, since it is not necessary to confine light, the optical damage resistance can be improved as compared with the waveguide type optical switch. In addition, as compared with a waveguide type optical switch, it is possible to perform a switching operation for a light beam having a large aperture (several tens to several hundreds μm).

次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。   Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

(第1の実施形態)
図1Aは、本発明の第1の実施形態である光スイッチの構成を示す模式図、図1Bは、図1Aの光スイッチを出射面側から見た場合の断面図である。
(First embodiment)
FIG. 1A is a schematic diagram illustrating a configuration of an optical switch according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 1B is a cross-sectional view of the optical switch of FIG. 1A viewed from the exit surface side.

図1Aに示すように、光スイッチは、2つの電気光学結晶104、105を高温・高圧下で接合したものである。図1Bに示すように、接合後の電気光学結晶において、電気光学結晶104、105の接合境界面は屈折率がほぼ同等で連続的であるため、光学的に均一な1つの電気光学結晶と見做すことができる。   As shown in FIG. 1A, the optical switch is formed by joining two electro-optic crystals 104 and 105 under high temperature and high pressure. As shown in FIG. 1B, in the electro-optic crystal after bonding, the junction interface between the electro-optic crystals 104 and 105 has a refractive index substantially equal and is continuous, so that it is regarded as one optically uniform electro-optic crystal. Can be tricked.

電気光学結晶104、105は、例えばタンタル酸ニオブ酸カリウム(KTN)、ニオブ酸リチウム(LN)等の電気光学効果を有する結晶である。   The electro-optic crystals 104 and 105 are crystals having an electro-optic effect such as potassium tantalate niobate (KTN) and lithium niobate (LN).

接合前の電気光学結晶104の表面(電気光学結晶105と接合される面)には、複数の溝が平行に形成されており、各溝の内部に、電極106が形成されている。電極106は、例えば、電極部材となり得る電子伝導体を溝の底部に蒸着することで形成される。電極106の厚さは、溝の深さより薄い。このため、電気光学結晶104の表面は、電極106が形成されている部分が窪んだ状態となっている。電気光学結晶104の表面の溝以外の部分は、十分に研磨されて平坦な面とされている。   A plurality of grooves are formed in parallel on the surface of the electro-optic crystal 104 before bonding (surface bonded to the electro-optic crystal 105), and an electrode 106 is formed inside each groove. The electrode 106 is formed, for example, by depositing an electron conductor that can be an electrode member on the bottom of the groove. The thickness of the electrode 106 is smaller than the depth of the groove. For this reason, the surface of the electro-optic crystal 104 is in a state where the portion where the electrode 106 is formed is depressed. Portions other than the grooves on the surface of the electro-optic crystal 104 are sufficiently polished to be a flat surface.

接合前の電気光学結晶105の表面は、十分に研磨されて平坦な面とされており、この面が、上記のような電極106が形成された電気光学結晶104の表面と接合される。接合後の状態において、複数の電極106からなる電極部107が電気光学結晶中に形成されており、電気光学結晶104の表面の窪み部分は、電気光学結晶中に形成された空隙部108となる。この空隙部108により、電極106の間の光透過部109は、側壁110を持つ構造となっている。なお、電気光学結晶104、105は、屈折率が同等のバインダなどで接合してもよい。   The surface of the electro-optic crystal 105 before bonding is sufficiently polished to be a flat surface, and this surface is bonded to the surface of the electro-optic crystal 104 on which the electrode 106 as described above is formed. In a state after bonding, an electrode portion 107 including a plurality of electrodes 106 is formed in the electro-optic crystal, and a depression portion on the surface of the electro-optic crystal 104 becomes a void portion 108 formed in the electro-optic crystal. . Due to the gap 108, the light transmission portion 109 between the electrodes 106 has a structure having a side wall 110. The electro-optic crystals 104 and 105 may be joined with a binder having the same refractive index.

複数の電極106は、同一平面上に平行に配置されており、隣接する電極の極性が異なるように、外部電源111に電気的に接続されている。各電極106は、電気光学結晶105には接触していない。各電極106は、接合された電気光学結晶の一方の端面から他方の端面に向かって延伸するように設けられている。一方の端面が入射面とされ、他方の端面が出射面とされる。   The plurality of electrodes 106 are arranged in parallel on the same plane, and are electrically connected to the external power source 111 so that the polarities of adjacent electrodes are different. Each electrode 106 is not in contact with the electro-optic crystal 105. Each electrode 106 is provided so as to extend from one end face of the joined electro-optic crystal toward the other end face. One end surface is an entrance surface and the other end surface is an exit surface.

なお、ここでいう同一平面とは、幾何学的に完全同一平面には限定されず、製造上の誤差を含み、また、屈折率変化領域を平坦に形成できる程度の範囲の平面であればよい。   The same plane as used herein is not limited to the geometrically completely same plane, and may be a plane that includes manufacturing errors and has a range that allows the refractive index change region to be formed flat. .

次に、本実施形態の光スイッチの動作を説明する。   Next, the operation of the optical switch of this embodiment will be described.

電圧が電極部107に印加されていない場合は、図1Bに示すように、電極106の近傍の結晶領域において、屈折率変化は生じない。この状態において、入射光101が電気光学結晶の入射面から入射すると、その入射した光は、光透過部109を透過して、出射面から透過光102として外部へ出射される。   When no voltage is applied to the electrode portion 107, the refractive index does not change in the crystal region near the electrode 106, as shown in FIG. 1B. In this state, when the incident light 101 is incident from the incident surface of the electro-optic crystal, the incident light is transmitted through the light transmitting portion 109 and emitted to the outside as transmitted light 102 from the emitting surface.

一方、電圧が電極部107に印加されている場合には、図1Cに示すように、電極106の近傍の結晶領域において、電極106からの電界による屈折率変化が起こる。このため、電極106の近傍の結晶領域に屈折率変化部112が生じる。屈折率変化部112とその周辺の結晶領域との屈折率界面113における、入射光が全反射される条件となる臨界角θmは、屈折率変化部112の屈折率変化量Δnと、電気光学結晶104、105の屈折率n0との関係から、以下の式により算出される。   On the other hand, when a voltage is applied to the electrode portion 107, a refractive index change due to an electric field from the electrode 106 occurs in the crystal region in the vicinity of the electrode 106, as shown in FIG. 1C. For this reason, the refractive index changing portion 112 is generated in the crystal region near the electrode 106. The critical angle θm, which is a condition for total reflection of incident light, at the refractive index interface 113 between the refractive index changing portion 112 and the surrounding crystal region is the refractive index change amount Δn of the refractive index changing portion 112 and the electro-optic crystal. From the relationship with the refractive index n0 of 104 and 105, it is calculated by the following formula.

Figure 0005168076
Figure 0005168076

臨界角θm以上の入射角を持つ入射光は、屈折率界面113で全反射され、出射面から反射光103として外部へ出射される。反射光103の出射方向は、透過光102の出射方向と異なる。   Incident light having an incident angle greater than or equal to the critical angle θm is totally reflected at the refractive index interface 113 and is emitted to the outside as reflected light 103 from the emission surface. The outgoing direction of the reflected light 103 is different from the outgoing direction of the transmitted light 102.

上述のように、電極部107への電圧の印加を制御することによって、透過状態と反射状態の切り替えを行うことができ、これにより、光のオンオフ制御が可能となる。透過光102と反射光103は、射出方向が異なるため、容易に分離することができる。   As described above, the transmission state and the reflection state can be switched by controlling the application of the voltage to the electrode portion 107, thereby enabling on / off control of light. Since the transmitted light 102 and the reflected light 103 have different emission directions, they can be easily separated.

図2は、本実施形態の光スイッチにおける、印加電圧に対する屈折率および光パワーの変化を説明するための図である。図2の(a)は、印加電圧の波形を表したグラフであって、横軸は時間を示し、縦軸は電圧を示す。図2の(b)は、図2の(a)に示す印加電圧に対する電極部近傍の屈折率の変化を表したグラフであって、横軸は時間を示し、縦軸は屈折率を示す。図2の(c)は、図2の(a)に示す印加電圧に対する光パワーの変化を表したグラフであって、横軸は時間を示し、縦軸は光パワーを示す。光パワーの値は、透過光102をフォトディテクタで検出した値である。   FIG. 2 is a diagram for explaining changes in refractive index and optical power with respect to applied voltage in the optical switch of the present embodiment. FIG. 2A is a graph showing a waveform of an applied voltage, where the horizontal axis indicates time and the vertical axis indicates voltage. FIG. 2B is a graph showing a change in refractive index in the vicinity of the electrode portion with respect to the applied voltage shown in FIG. 2A, in which the horizontal axis indicates time and the vertical axis indicates the refractive index. FIG. 2C is a graph showing changes in optical power with respect to the applied voltage shown in FIG. 2A. The horizontal axis indicates time, and the vertical axis indicates optical power. The value of the optical power is a value obtained by detecting the transmitted light 102 with a photodetector.

電圧が電極部107に印加されると、主に電極106の近傍領域の屈折率がその周囲の領域の屈折率よりも小さくなる。このため、臨界角以上の入射角で屈折率界面113に入射した光は、屈折率界面113で全反射されることとなり、フォトディテクタで検出される透過光102のパワー値は低くなる。   When a voltage is applied to the electrode portion 107, the refractive index in the vicinity of the electrode 106 is mainly smaller than the refractive index in the surrounding area. For this reason, light incident on the refractive index interface 113 at an incident angle greater than the critical angle is totally reflected at the refractive index interface 113, and the power value of the transmitted light 102 detected by the photodetector is lowered.

電極部107への印加電圧値がゼロのとき、電極106の近傍領域における屈折率変化は発生しない。このため、入射光は電極部106間の光透過部109をそのまま通過し、フォトディテクタで検出される透過光102のパワー値は、電圧印加時に比べて高くなる。   When the voltage applied to the electrode portion 107 is zero, no change in the refractive index in the region near the electrode 106 occurs. For this reason, incident light passes through the light transmission part 109 between the electrode parts 106 as it is, and the power value of the transmitted light 102 detected by the photodetector is higher than that at the time of voltage application.

上述した本実施形態の光スイッチにおいて、電気光学結晶は、電極106間に、電極106の厚さよりも高い側壁110を持つ。この構成によれば、電極106の一部は、側壁110により仕切られた空間(空隙部108)に露出し、その露出面は、電気光学結晶に接触しない。したがって、電極106が電気光学結晶と接触する面積を、露出面の分だけ小さくすることができる。この場合の電極間容量は、電極全体が電気光学結晶と接触する場合の電極間容量の約3/4となる。   In the optical switch of the present embodiment described above, the electro-optic crystal has sidewalls 110 higher than the thickness of the electrodes 106 between the electrodes 106. According to this configuration, a part of the electrode 106 is exposed in the space (gap 108) partitioned by the side wall 110, and the exposed surface does not contact the electro-optic crystal. Therefore, the area where the electrode 106 is in contact with the electro-optic crystal can be reduced by the exposed surface. The interelectrode capacitance in this case is about 3/4 of the interelectrode capacitance when the entire electrode is in contact with the electro-optic crystal.

なお、電極間容量は、電極長、電極の厚さ、電極間隔、電極と接触する材料または空間(真空・空気)の誘電率、電極と側壁の間隔等のパラメータにより決まるので、それらのパラメータを適宜に最適化することで、より電極間容量を低減することが可能となる。   The capacitance between electrodes is determined by parameters such as electrode length, electrode thickness, electrode spacing, dielectric constant of the material or space (vacuum / air) in contact with the electrode, spacing between the electrode and the side wall, etc. By appropriately optimizing, it is possible to further reduce the interelectrode capacitance.

また、本実施形態の光スイッチにおける高速動作時の消費電力P、電極間容量C、最大変調動作周波数fmaxの関係は、以下の式2で表される。   Further, the relationship among the power consumption P, the interelectrode capacitance C, and the maximum modulation operating frequency fmax at the time of high-speed operation in the optical switch of the present embodiment is expressed by the following Expression 2.

Figure 0005168076
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ここで、fは動作周波数、Rは出力抵抗である。 Here, f is an operating frequency and R is an output resistance.

式2よれば、高速動作時の消費電力Pは電極間容量Cに比例するので、電極間容量Cを減らすことで、消費電力を低減することができる。また、動作周波数fmaxは電極間容量Cに反比例するので、電極間容量Cを減らすことで、動作周波数の拡大、すなわちスイッチ動作の高速化を行うことができる。   According to Equation 2, the power consumption P during high-speed operation is proportional to the interelectrode capacitance C. Therefore, the power consumption can be reduced by reducing the interelectrode capacitance C. Since the operating frequency fmax is inversely proportional to the interelectrode capacitance C, the operating frequency can be increased, that is, the switching operation can be speeded up by reducing the interelectrode capacitance C.

図3は、電極間に電圧Vを与えたときの、電極間隔dと電極間に発生する電界強度Eの関係を示す特性図である。この関係によれば、電極間隔dを小さくすると、電界強度Eは指数関数的に増大する。本実施形態の光スイッチにおいては、電極106の間隔は数μm〜数十μm程度とされているので、小さな印加電圧で、電極間の電気光学結晶部分に、より強い電界を生じさせて屈折率変化部を発生させることができる。したがって、電極部に印加する電圧を低くすることが可能となる。   FIG. 3 is a characteristic diagram showing the relationship between the electrode interval d and the electric field strength E generated between the electrodes when a voltage V is applied between the electrodes. According to this relationship, when the electrode distance d is reduced, the electric field strength E increases exponentially. In the optical switch of the present embodiment, since the distance between the electrodes 106 is about several μm to several tens of μm, a stronger electric field is generated in the electro-optic crystal portion between the electrodes with a small applied voltage, and the refractive index. A change part can be generated. Therefore, the voltage applied to the electrode portion can be lowered.

以上のように、本実施形態の光スイッチにおいては、低消費電力化およびスイッチ動作の高速化を図ることができる。   As described above, in the optical switch of this embodiment, it is possible to reduce power consumption and increase the speed of the switch operation.

また、本実施形態の光スイッチによれば、デバイス単体で光スイッチとして動作させることができるため、偏光子などの外部光学部品が不要となり、その分、小型化と低コスト化を図ることができる。   Further, according to the optical switch of this embodiment, since the device alone can be operated as an optical switch, an external optical component such as a polarizer is not necessary, and accordingly, miniaturization and cost reduction can be achieved. .

さらに、本実施形態の光スイッチによれば、電極部107に形成された空隙部108により、光が電極部107に照射されたときに発生する熱や、電極部107に電圧が印加された際に発生する歪や熱を効率よく逃がすことができる。これにより、結晶への負荷を軽減し、結晶の損傷を防ぐことができるので、耐久性・信頼性を向上させることが可能である。   Furthermore, according to the optical switch of the present embodiment, heat generated when light is applied to the electrode unit 107 or a voltage is applied to the electrode unit 107 by the gap 108 formed in the electrode unit 107. It is possible to efficiently release the strain and heat generated in the. This can reduce the load on the crystal and prevent the crystal from being damaged, so that the durability and reliability can be improved.

次に、本実施形態の光スイッチの各部に用いる望ましい材料や、電極長等の望ましい設定条件について説明する。   Next, desirable materials used for each part of the optical switch of the present embodiment and desirable setting conditions such as electrode length will be described.

本実施形態の光スイッチにおいて、電気光学結晶には、カー定数やポッケルス定数及び屈折率の高い電気光学結晶、例えば、タンタル酸ニオブ酸カリウム(KTN)、ニオブ酸リチウム(LiNbO3)、LiTaO3(LT)、KTiOPO4(KTP)などを用いることが望ましい。これは、屈折率変化量Δnが以下の式3で与えられることから、カー定数やポッケルス定数及び屈折率の高い電気光学結晶を用いることで、大きな屈折率変化を得ることができるためである。 In the optical switch of this embodiment, the electro-optic crystal includes an electro-optic crystal having a high Kerr constant, Pockels constant and refractive index, such as potassium tantalate niobate (KTN), lithium niobate (LiNbO 3 ), LiTaO 3 ( LT), KTiOPO 4 (KTP) or the like is preferably used. This is because the refractive index change amount Δn is given by the following Equation 3, and therefore a large refractive index change can be obtained by using an electro-optic crystal having a high Kerr constant, Pockels constant, and refractive index.

Figure 0005168076
Figure 0005168076

電極106の長さを入射光101のビーム径に合わせて最適化することで、電極間容量をさらに減らすことができる。具体的には、電極面(各電極106からなる面)の垂直方向とビームの進行方向とを含む平面内におけるビーム径をr、電極部からの電界により屈折率が変化した領域と、この周辺の領域との屈折率界面における、全反射の条件とされる電気光学結晶内での臨界角をθmとしたとき、電極106の長さが、以下の式4で与えられる電極長Lの値以上であればよい。   By optimizing the length of the electrode 106 according to the beam diameter of the incident light 101, the interelectrode capacitance can be further reduced. Specifically, the beam diameter in a plane including the vertical direction of the electrode surface (surface consisting of each electrode 106) and the traveling direction of the beam is r, the region in which the refractive index is changed by the electric field from the electrode portion, and its periphery The length of the electrode 106 is equal to or greater than the value of the electrode length L given by the following equation 4, where θm is the critical angle in the electro-optic crystal, which is the total reflection condition, at the refractive index interface with the region If it is.

Figure 0005168076
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また、電極部の幅W(格子状の部分の幅)は電極に対して水平方向のビームの幅w以上であればよい。   The width W of the electrode portion (the width of the lattice-like portion) may be equal to or greater than the beam width w in the horizontal direction with respect to the electrode.

各電極106の膜厚(高さ)は、可能な限り均等にすることが望ましく、また、各電極106の間隔も、可能な限り均等にすることが望ましい。各電極106の膜厚および間隔を均等にすることにより、比較的平坦な屈折率界面113を形成することができる。屈折率界面113を比較的平坦な面とすることで、反射光103は散乱せずにほぼ同じ方向に進み、その結果、散乱光の影響による消光比の低下を抑制することができる。   The film thickness (height) of each electrode 106 is desirably as uniform as possible, and the distance between each electrode 106 is desirably as uniform as possible. A relatively flat refractive index interface 113 can be formed by equalizing the film thickness and interval of each electrode 106. By making the refractive index interface 113 a relatively flat surface, the reflected light 103 travels in substantially the same direction without being scattered, and as a result, a decrease in extinction ratio due to the influence of the scattered light can be suppressed.

光の利用効率を上げるために、入射光101の進行方向と電極106の長手方向を互いに平行とすることが望ましい。なお、入射光は臨界角程度の浅い角度で入射させる必要があるため、入射光101の進行方向と電極106の長手方向とが交差する構成では、電極106が形成された溝の部分の厚さによって光が遮光される場合がある。   In order to increase the light utilization efficiency, it is desirable that the traveling direction of the incident light 101 and the longitudinal direction of the electrode 106 be parallel to each other. In addition, since incident light needs to be incident at a shallow angle of about a critical angle, in a configuration in which the traveling direction of the incident light 101 intersects with the longitudinal direction of the electrode 106, the thickness of the groove portion where the electrode 106 is formed. May block light.

空隙部108内は、真空(減圧状態)としてもよく、また、空気で満された状態であってもよい。例えば、真空チャンバ内において、電気光学結晶104に電極を蒸着したり、電気光学結晶104、105を貼り付けたりするが、その貼り付け工程において、空隙部108を密閉するような処理を行うことで、空隙部108内を真空とすることができる。真空(減圧状態)の誘電率は、空気より低いため、空隙部108内を真空とすることで、電極間容量をさらに低減することができる。加えて、空隙部108内を真空にすると、電極106の露出面の酸化を抑制することができる。   The space 108 may be in a vacuum (reduced pressure state) or may be filled with air. For example, an electrode is deposited on the electro-optic crystal 104 or the electro-optic crystals 104 and 105 are attached in a vacuum chamber. In the attaching process, a process is performed to seal the gap 108. The space 108 can be evacuated. Since the dielectric constant in a vacuum (depressurized state) is lower than that of air, the interelectrode capacitance can be further reduced by making the space 108 vacuum. In addition, when the space 108 is evacuated, oxidation of the exposed surface of the electrode 106 can be suppressed.

誘電率が電気光学結晶より低い物質を空隙部108内に充填してもよい。図4に、図1Bに示した構成において、物質を空隙部内に充填した構造を示す。空隙部内に充填された物質401は、電極106と接触している。物質401の誘電率は、電気光学結晶104、105の誘電率よりも低い。したがって、この場合の電極間容量は、電極106全体が電気光学結晶により覆われる構造のものより小さい。   A material having a dielectric constant lower than that of the electro-optic crystal may be filled in the gap 108. FIG. 4 shows a structure in which a substance is filled in the gap in the configuration shown in FIG. 1B. The substance 401 filled in the gap is in contact with the electrode 106. The dielectric constant of the material 401 is lower than that of the electro-optic crystals 104 and 105. Accordingly, the interelectrode capacitance in this case is smaller than that of the structure in which the entire electrode 106 is covered with the electro-optic crystal.

物質401は、誘電率が電気光学結晶よりも小さいものであればよく、絶縁性(低誘電率)を有する材料や、高熱伝導率の材料、もしくは、絶縁性を有する高熱伝導率の材料を物質401に用いてもよい。絶縁性を有する高熱伝導率の物質としては、例えば絶縁性グラファイトシートやシリコーン化合物がある。   The substance 401 only needs to have a dielectric constant smaller than that of the electro-optic crystal, and may be a material having an insulating property (low dielectric constant), a material having a high thermal conductivity, or a material having a high thermal conductivity having an insulating property. 401 may be used. Examples of the insulating material having high thermal conductivity include an insulating graphite sheet and a silicone compound.

物質401に絶縁性(低誘電率)を有する物質を用いた場合は、電極間容量の低減に加えて、後述の複数の電極部を有するマルチ電極構造において、物質401が電界をシールドする機能として働く。この電界シールド機能により、電極部間の電界の相互干渉を抑制することができる。   In the case where a material having an insulating property (low dielectric constant) is used as the material 401, in addition to a reduction in interelectrode capacitance, the function of the material 401 to shield an electric field in a multi-electrode structure having a plurality of electrode portions described later work. By this electric field shielding function, mutual interference of electric fields between the electrode portions can be suppressed.

物質401に高熱伝導率の物質を用いた場合は、光を照射し、または電圧を印加した際に、電極部106で発生した熱を効率良く逃がすことができる。   In the case where a material having high thermal conductivity is used as the material 401, heat generated in the electrode portion 106 can be efficiently released when light is applied or voltage is applied.

また、高熱伝導率の物質401を、ペルチェ素子などの外部温度調節装置に接続することで、電気光学結晶の電極部近傍の領域の温度制御を行うことができる。この構成によれば、例えば、結晶の構造が変化する相転移温度以上で透明となり、相転移温度付近で大きな屈折率を得られる電気光学結晶、例えば、タンタル酸ニオブ酸カリウム(KTN)を用いた場合に、電極部近傍の領域の温度を相転移温度以上で維持することができる。電気光学結晶を透明な状態で維持することで、電気光学結晶を透過する光の光量が増大し、その分、消光比を高くすることができる。   Further, by connecting the substance 401 having a high thermal conductivity to an external temperature adjusting device such as a Peltier element, the temperature of the region near the electrode portion of the electro-optic crystal can be controlled. According to this configuration, for example, an electro-optic crystal that is transparent above the phase transition temperature at which the crystal structure changes and can obtain a large refractive index near the phase transition temperature, such as potassium tantalate niobate (KTN), is used. In this case, the temperature in the region near the electrode part can be maintained at or above the phase transition temperature. By maintaining the electro-optic crystal in a transparent state, the amount of light transmitted through the electro-optic crystal is increased, and the extinction ratio can be increased accordingly.

また、本実施形態の光スイッチにおいて、変調する光の波長に基づいた設計を行うことで、電極間容量を減らすことができる。ディスプレイ用途としては、特に波長400nm〜700nmの可視光を変調する必要があるが、そのような波長域においては、波長によって電気光学結晶の屈折率及び屈折率変化量がわずかであるが異なる。例えば、電気光学結晶にタンタル酸ニオブ酸カリウム(KTN)を用いた場合、2次の電気光学係数g11-g12と真空の誘電率ε0と電気光学結晶の比誘電率εrから、屈折率nとカー定数sは、以下の式5により計算できる。   Further, in the optical switch of the present embodiment, the interelectrode capacitance can be reduced by designing based on the wavelength of light to be modulated. For display applications, it is particularly necessary to modulate visible light having a wavelength of 400 nm to 700 nm. In such a wavelength range, the refractive index and refractive index change amount of the electro-optic crystal are slightly different depending on the wavelength. For example, when potassium tantalate niobate (KTN) is used for the electro-optic crystal, the refractive index n and the kerr are calculated from the secondary electro-optic coefficient g11-g12, the vacuum dielectric constant ε0, and the relative dielectric constant εr of the electro-optic crystal. The constant s can be calculated by the following formula 5.

Figure 0005168076
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波長440nmの2次の電気光学係数g11-g12を0.206とすると、式5により、屈折率nは2.409となり、カー定数sは4.67×10-15となる。波長640nmの2次の電気光学係数g11-g12を0.154とすると、式5により、屈折率nは2.284となり、カー定数sは3.49×10-15となる。また、5μm間隔の電極間に5Vの電圧を印加した場合、式3に従えば、屈折率変化量Δnは、波長440nmの光の場合で−0.033となり、波長640nmの光の場合で−0.021となる。屈折率界面での臨界角θmは、式1に従えば、波長440nmの光の場合で80.6度となり、波長640nmの光の場合で82.3度となる。これらの計算値から分かるように、使用する波長によって臨界角も変わることとなる。 Assuming that the secondary electro-optic coefficient g11-g12 having a wavelength of 440 nm is 0.206, the refractive index n is 2.409 and the Kerr constant s is 4.67 × 10 −15 according to Equation 5. Assuming that the secondary electro-optic coefficient g11-g12 having a wavelength of 640 nm is 0.154, the refractive index n is 2.284 and the Kerr constant s is 3.49 × 10 −15 according to Equation 5. In addition, when a voltage of 5 V is applied between the electrodes having an interval of 5 μm, the refractive index change Δn is −0.033 in the case of light with a wavelength of 440 nm and −0.033 in the case of light with a wavelength of 640 nm, according to Equation 3. 0.021. According to Equation 1, the critical angle θm at the refractive index interface is 80.6 degrees in the case of light having a wavelength of 440 nm, and 82.3 degrees in the case of light having a wavelength of 640 nm. As can be seen from these calculated values, the critical angle also varies depending on the wavelength used.

入射光にレーザ光を使用する場合は、使用する光の波長が定まるため、電気光学結晶の屈折率と屈折率変化量から求まる臨界角、レーザビーム径rから、式4を用いて算出される電極長Lを用いて、必要最低限の電極長で、光スイッチを設計することができる。その結果、低消費電力で高速変調可能な光スイッチを実現できる。   When laser light is used as incident light, the wavelength of the light to be used is determined, and therefore, the critical angle obtained from the refractive index of the electro-optic crystal and the amount of change in the refractive index, and the laser beam diameter r, are calculated using Equation 4. Using the electrode length L, an optical switch can be designed with the minimum necessary electrode length. As a result, an optical switch capable of high-speed modulation with low power consumption can be realized.

また、入射光に白色光などブロードな波長の光を使用する場合は、屈折率変化量が少ない長波長側の光に合わせて、入射光の入射角、電極長、印加電圧等の値を設定することが望ましい。   In addition, when using light with a broad wavelength such as white light as the incident light, set the incident angle, electrode length, applied voltage, etc. of the incident light according to the light on the long wavelength side where the refractive index change is small. It is desirable to do.

次に、本実施形態の光スイッチの電極形成方法について具体的に説明する。   Next, the electrode forming method of the optical switch of this embodiment will be specifically described.

図5の(a)〜(j)は、光スイッチの電極形成方法の一手順を示す断面工程図である。   FIGS. 5A to 5J are cross-sectional process diagrams showing one procedure of the electrode forming method of the optical switch.

まず、電気光学結晶501の表面にレジスト502を塗布する(図5(a)の工程)。次に、電極形成用の第1のパターンが形成されたマスク503を用いて、レジスト502が塗布された面をマスキングし、その塗布面を露光する(図5(b)の工程)。次に、レジスト502の露光された部分を除去する(図5(c)の工程)。   First, a resist 502 is applied to the surface of the electro-optic crystal 501 (step of FIG. 5A). Next, using the mask 503 on which the first pattern for electrode formation is formed, the surface coated with the resist 502 is masked, and the coated surface is exposed (step of FIG. 5B). Next, the exposed portion of the resist 502 is removed (step of FIG. 5C).

次に、露光部分が除去されたレジストをマスクとして用いて、電気光学結晶501の露出した表面をエッチングする(図5(d)の工程)。エッチング材料は、例えばフッ化水素等である。   Next, the exposed surface of the electro-optic crystal 501 is etched using the resist from which the exposed portion has been removed as a mask (step in FIG. 5D). The etching material is, for example, hydrogen fluoride.

次に、再びレジスト502を塗布し(図5(e)の工程)、電極形成用の第2のパターンが形成されたマスク504を用いて、レジスト502が再塗布された面をマスキングし、その塗布面を露光する(図5(f)の工程)。第2のパターンは、図5(d)の工程で使用したマスク503の第1のパターンよりも一回り小さい。次に、レジスト502の露光された部分を除去する(図5(g)の工程)。これらの図5(e)〜(g)の工程により、電気光学結晶501の表面に溝が形成され、その溝の底部を除く面全体がレジストにより覆われた構造を得る。すなわち、溝の側壁は、レジストにより覆われている。   Next, a resist 502 is applied again (step in FIG. 5E), and the mask 504 on which the second pattern for electrode formation is formed is used to mask the surface on which the resist 502 is applied again. The coated surface is exposed (step of FIG. 5 (f)). The second pattern is slightly smaller than the first pattern of the mask 503 used in the step of FIG. Next, the exposed portion of the resist 502 is removed (step of FIG. 5G). 5E to 5G, a groove is formed on the surface of the electro-optic crystal 501, and the entire surface except the bottom of the groove is covered with a resist. That is, the side wall of the groove is covered with the resist.

次に、電気光学結晶501の溝が形成された面全体に、蒸着やスパッタリングによって電極材料(金、白金など)を堆積する(図5(h)の工程)。溝の底部に堆積された電極材料により、電極505が形成される。電極505の膜厚は、図5(d)の工程で行った電気光学結晶のエッチング量(深さ)よりも薄くする。次に、レジスト502を除去し、電気光学結晶501の表面を十分に研磨して平坦な面とする(図5(i)の工程)。   Next, an electrode material (gold, platinum, etc.) is deposited on the entire surface of the electro-optic crystal 501 where the grooves are formed by vapor deposition or sputtering (step in FIG. 5H). An electrode 505 is formed by the electrode material deposited on the bottom of the groove. The film thickness of the electrode 505 is made thinner than the etching amount (depth) of the electro-optic crystal performed in the step of FIG. Next, the resist 502 is removed, and the surface of the electro-optic crystal 501 is sufficiently polished to obtain a flat surface (step shown in FIG. 5I).

最後に、高温、高圧の条件下で、電気光学結晶501の電極505が形成された面を、別の電気光学結晶506の、研磨された平坦な面に密着させることで、電気光学結晶501、506を貼り合わせる(図5(j)の工程)。なお、電気光学結晶501、506は、これらと屈折率が同等のバインダなどで接合してもよい。貼り合わせ工程において、電気光学結晶501、506の貼り合わせる面は、十分な平坦度を有する面に加工してあるものとする。   Finally, the surface of the electro-optic crystal 501 on which the electrode 505 is formed is brought into close contact with the polished flat surface of another electro-optic crystal 506 under high temperature and high pressure conditions, 506 is attached (step of FIG. 5J). The electro-optic crystals 501 and 506 may be bonded with a binder having the same refractive index as these. In the bonding step, the surfaces to which the electro-optic crystals 501 and 506 are bonded are processed into surfaces having sufficient flatness.

上述の図5の(a)〜(j)の工程により、図1Aに示したような電極106および空隙部108の形成や、電気光学結晶104、105の貼り合わせを行うことができる。なお、図5の(a)〜(j)の工程により形成した電極106は、側壁110とは接触しない。電極106が側壁110と接触しない構造における電極間容量は、電極106が側壁110と接触する構造よりも小さい。電極106が側壁110と接触しない構造において、電極106と側壁110の間隔が大きいほど電極間容量が小さくなる。ただし、電極106と側壁110の間隔を大きくすると、透過部109の領域を減少させる必要があり、その結果、光の利用効率が低下する。このため、電極106と側壁110の間隔は、光の利用効率を考慮して決定することが望ましい。   Through the steps (a) to (j) in FIG. 5 described above, the electrodes 106 and the gaps 108 as shown in FIG. 1A and the electro-optic crystals 104 and 105 can be bonded. Note that the electrode 106 formed by the steps (a) to (j) in FIG. The interelectrode capacitance in the structure in which the electrode 106 is not in contact with the side wall 110 is smaller than that in the structure in which the electrode 106 is in contact with the side wall 110. In a structure in which the electrode 106 does not contact the side wall 110, the interelectrode capacitance decreases as the distance between the electrode 106 and the side wall 110 increases. However, when the distance between the electrode 106 and the side wall 110 is increased, it is necessary to reduce the area of the transmissive portion 109, and as a result, the light utilization efficiency is lowered. Therefore, it is desirable to determine the distance between the electrode 106 and the side wall 110 in consideration of the light use efficiency.

次に、別の電極形成手法を説明する。この電極形成手法では、図5(h)の工程で形成した電極505上に、誘電率が電気光学結晶501より小さな物質401をスパッタリングなどで形成、もしくは貼り付ける(図6(a)の工程)。物質401は、絶縁性(低誘電率)の物質もしくは高熱伝導率の物質またはその両方の特性を兼ね備えた物質である。物質401の形成後、レジストを除去し、電気光学結晶501の面を研磨する。そして、高温高圧の条件下で、電気光学結晶501を電気光学結晶506と貼り合わせる(図6(b)の工程)。電気光学結晶501、506は、屈折率が電気光学結晶と同等のバインダを用いて貼り合わせもよい。こうして、図4に示したような光スイッチを作製することができる。   Next, another electrode forming method will be described. In this electrode formation method, a substance 401 having a dielectric constant smaller than that of the electro-optic crystal 501 is formed or pasted on the electrode 505 formed in the step of FIG. 5H (step of FIG. 6A). . The substance 401 is an insulating (low dielectric constant) substance, a high thermal conductivity substance, or a substance having both characteristics. After the formation of the substance 401, the resist is removed and the surface of the electro-optic crystal 501 is polished. Then, the electro-optic crystal 501 is bonded to the electro-optic crystal 506 under high temperature and high pressure conditions (step of FIG. 6B). The electro-optic crystals 501 and 506 may be bonded using a binder having a refractive index equivalent to that of the electro-optic crystal. Thus, the optical switch as shown in FIG. 4 can be manufactured.

次に、さらに別の電極形成手法を説明する。この電極形成手法では、図5(c)の工程の後に、電気光学結晶501の表面に電極507を形成し、レジストを除去する(図7(a)の工程)。次に、図5の(a)〜(d)の工程と同様な工程により、別の電気光学結晶508の表面の、電極507と対応する領域に、電極507の膜厚よりも深い溝を形成する(図7(b)の工程)。そして、電気光学結晶508の溝が形成された面を研磨して平坦な面とし、その面を、電気光学結晶501の電極507が形成された面に貼り付ける(図7(c)の工程)。貼り付け工程において、電極507が溝内に収容されるように、電気光学結晶501、508の位置合せを行う。こうして、図1Aに示したような電極構造を得る。   Next, still another electrode forming method will be described. In this electrode formation method, after the step of FIG. 5C, an electrode 507 is formed on the surface of the electro-optic crystal 501 and the resist is removed (step of FIG. 7A). Next, a groove deeper than the film thickness of the electrode 507 is formed in a region corresponding to the electrode 507 on the surface of another electro-optic crystal 508 by a process similar to the process of FIGS. (Step of FIG. 7B). Then, the surface on which the groove of the electro-optic crystal 508 is formed is polished to be a flat surface, and this surface is attached to the surface on which the electrode 507 of the electro-optic crystal 501 is formed (step of FIG. 7C). . In the attaching step, the electro-optic crystals 501 and 508 are aligned so that the electrode 507 is accommodated in the groove. In this way, an electrode structure as shown in FIG. 1A is obtained.

次に、他の電極形成手法を説明する。この電極形成手法では、図5の(a)〜(d)の工程と同様な工程により、電気光学結晶509の表面に、電極を埋め込むための溝を形成し、その溝の深さと同程度の膜厚の電極を形成した後、レジストを除去する。次に、電気光学結晶509の電極が形成された面を研磨して平坦な面とする。次に、図5の(a)〜(d)の工程と同様な工程により、別の電気光学結晶508の表面に溝を形成する。この溝の位置は、電気光学結晶509の電極の位置に対応し、その幅は電極の幅より広い。次に、電気光学結晶508の溝が形成された面およびを研磨して平坦な面とし、その面を、電気光学結晶509の電極が形成された面に貼り付ける。こうして、図8に示すような、電極の一部が電気光学結晶と接触しない構造の光スイッチを得る。   Next, another electrode forming method will be described. In this electrode formation method, a groove for embedding an electrode is formed on the surface of the electro-optic crystal 509 by the same process as the process of FIGS. 5A to 5D, and the depth is approximately the same as the depth of the groove. After forming the electrode having a film thickness, the resist is removed. Next, the surface on which the electrode of the electro-optic crystal 509 is formed is polished into a flat surface. Next, a groove is formed on the surface of another electro-optic crystal 508 by a process similar to the process of (a) to (d) of FIG. The position of this groove corresponds to the position of the electrode of the electro-optic crystal 509, and its width is wider than the width of the electrode. Next, the surface on which the groove of the electro-optic crystal 508 is formed is polished to a flat surface, and this surface is attached to the surface on which the electrode of the electro-optic crystal 509 is formed. Thus, an optical switch having a structure in which a part of the electrode does not contact the electro-optic crystal as shown in FIG. 8 is obtained.

なお、本実施形態の光スイッチにおいて、入射光の進行方向に沿って複数の電極部が設けられてもよい。このマルチ電極構造によれば、高い消光比を得ることができる。   In the optical switch of this embodiment, a plurality of electrode portions may be provided along the traveling direction of incident light. According to this multi-electrode structure, a high extinction ratio can be obtained.

電気光学結晶端部における光の入射および出射の際に生じる光損失を抑え、高い消光比が得られる小型の光スイッチを実現するためには、マルチ電極構造とすることが望ましい。   In order to realize a small optical switch that can suppress a light loss generated when light enters and exits at the end of the electro-optic crystal and obtains a high extinction ratio, a multi-electrode structure is desirable.

図9Aは、マルチ電極構造を有する光スイッチの構成を示す模式図、図9Bは、図9Aの光スイッチを出射面側から見た場合の断面図である。   FIG. 9A is a schematic diagram illustrating a configuration of an optical switch having a multi-electrode structure, and FIG. 9B is a cross-sectional view of the optical switch of FIG. 9A viewed from the exit surface side.

図9Aに示すように、光スイッチは、3つの電気光学結晶104、105、603を高温・高圧下で接合したものであって、接合後の電気光学結晶において、電気光学結晶104、105、603のそれぞれの接合境界面は屈折率がほぼ同等で連続的であるため、光学的に均一な1つの電気光学結晶と見做すことができる。電気光学結晶104、105、603は、例えばタンタル酸ニオブ酸カリウム(KTN)、ニオブ酸リチウム(LN)等の電気光学効果を有する結晶である。   As shown in FIG. 9A, the optical switch is obtained by joining three electro-optic crystals 104, 105, and 603 under high temperature and high pressure. In the electro-optic crystal after joining, the electro-optic crystals 104, 105, and 603 are joined. Each of the junction interfaces has a refractive index substantially the same and is continuous, so that it can be regarded as an optically uniform electro-optic crystal. The electro-optic crystals 104, 105, and 603 are crystals having an electro-optic effect such as potassium tantalate niobate (KTN) and lithium niobate (LN).

電気光学結晶104は、電極部604を備える。電極部604は、図1Aに示したものと同じ電極構造であって、複数の電極106からなる。各電極106の厚さは、溝の深さより薄い。電気光学結晶105は、電極部605を備える。電極部605も、電極部604と同様な構造である。   The electro-optic crystal 104 includes an electrode unit 604. The electrode portion 604 has the same electrode structure as that shown in FIG. 1A and includes a plurality of electrodes 106. The thickness of each electrode 106 is thinner than the depth of the groove. The electro-optic crystal 105 includes an electrode unit 605. The electrode portion 605 has a structure similar to that of the electrode portion 604.

電気光学結晶104の電極部604が形成された面は、電気光学結晶105の電極部605が形成された面とは反対の面に接合される。電気光学結晶105の電極部605が形成された面は、電気光学結晶603の表面に接合される。電気光学結晶104、105、603の接合は、高温、高圧の条件下で行われるが、これに変えて、電気光学結晶104、105、603を屈折率がそれら電気光学結晶と同等のバインダなどを用いて接合してもよい。   The surface on which the electrode portion 604 of the electro-optic crystal 104 is formed is bonded to the surface opposite to the surface on which the electrode portion 605 of the electro-optic crystal 105 is formed. The surface of the electro-optic crystal 105 on which the electrode portion 605 is formed is bonded to the surface of the electro-optic crystal 603. The electro-optic crystals 104, 105, and 603 are joined under high temperature and high pressure conditions. Instead, the electro-optic crystals 104, 105, and 603 are bonded with a binder having a refractive index equivalent to that of the electro-optic crystals. And may be joined.

図9Bに示すように、接合後において、電極部604、605は、互いに平行に配置されており、入射光101が透過する方向において、電極部604を構成する電極および空隙部は、電極部605を構成する電極および空隙部と重なる。   As shown in FIG. 9B, after joining, the electrode portions 604 and 605 are arranged in parallel to each other, and the electrode and the gap portion constituting the electrode portion 604 are arranged in the electrode portion 605 in the direction in which the incident light 101 is transmitted. It overlaps with the electrode and the gap portion.

上記のマルチ電極構造を有する光スイッチにおいて、各電極部604、605におけるスイッチ動作は、概ね図1Aに示した光スイッチの電極部と同じである。各電極部604、605に電圧を印加すると、図9Cに示すように、電極部604の近傍の結晶領域に屈折率変化部606が形成され、電極部605の近傍の結晶領域に屈折率変化部607が形成される。   In the optical switch having the multi-electrode structure described above, the switch operation in each of the electrode portions 604 and 605 is substantially the same as the electrode portion of the optical switch shown in FIG. 1A. When a voltage is applied to each of the electrode portions 604 and 605, as shown in FIG. 9C, a refractive index changing portion 606 is formed in the crystal region in the vicinity of the electrode portion 604, and the refractive index changing portion in the crystal region in the vicinity of the electrode portion 605. 607 is formed.

各電極部604、605に電圧を印加した状態において、入射光101は、臨界角以上の入射角を維持しながら電気光学結晶104に入射する。入射光101は、屈折率変化部606に到達し、そこで、第1の透過光成分と第1の反射光成分との2つの光成分に分割される。屈折率変化部606を透過した第1の透過光成分は、屈折率変化部606の後方に配置されている屈折率変化部607に到達し、そこで、第2の透過光成分と第2の反射光成分との2つに成分に再び分割される。屈折率変化部606で反射した第1の反射光602は、反射光601として電気光学結晶104の出射面から外部へ出射される。屈折率変化部607で反射した第2の反射光602は、反射光602として電気光学結晶105の出射面から外部へ出射される。   In a state where a voltage is applied to each of the electrode portions 604 and 605, the incident light 101 enters the electro-optic crystal 104 while maintaining an incident angle that is greater than or equal to the critical angle. The incident light 101 reaches the refractive index changing unit 606, where it is divided into two light components, a first transmitted light component and a first reflected light component. The first transmitted light component that has passed through the refractive index changing unit 606 reaches the refractive index changing unit 607 disposed behind the refractive index changing unit 606, where the second transmitted light component and the second reflected light component are transmitted. The light component is again divided into two components. The first reflected light 602 reflected by the refractive index changing unit 606 is emitted from the emission surface of the electro-optic crystal 104 to the outside as reflected light 601. The second reflected light 602 reflected by the refractive index changing portion 607 is emitted as reflected light 602 from the emission surface of the electro-optic crystal 105 to the outside.

一方、各電極部604、605への電圧供給を停止すると、屈折率変化部606、607は形成されないので、入射光102は、電極部604、605を構成する各電極間の領域を透過する。この透過光は、透過光102として、電気光学結晶603の出射面から外部へ出射される。透過光102の出射方向は、反射光601、602の出射方向と異なる。   On the other hand, when the voltage supply to the electrode portions 604 and 605 is stopped, the refractive index changing portions 606 and 607 are not formed, so that the incident light 102 is transmitted through a region between the electrodes constituting the electrode portions 604 and 605. This transmitted light is emitted as the transmitted light 102 from the emission surface of the electro-optic crystal 603 to the outside. The outgoing direction of the transmitted light 102 is different from the outgoing direction of the reflected lights 601 and 602.

上記のように、各電極部604、605に電圧を印加した状態において、入射光101のうち、前段の屈折率変化部606を透過してしまった光を、後段の屈折率変化部607にて反射することで、消光比を高めることが可能である。   As described above, in the state where a voltage is applied to each of the electrode portions 604 and 605, the light that has been transmitted through the refractive index changing portion 606 in the preceding stage is incident on the refractive index changing portion 607 in the subsequent stage. By reflecting, the extinction ratio can be increased.

なお、入射角やビーム径、電極部604、605の間隔が適切に設定されていない場合、屈折率変化部607からの第2の反射光が電極部604に入射し、それがスイッチング動作に悪影響を及ぼし、消光比を低減させる可能性がある。特に、電極部604、605の間隔が狭いと、電極部604、605で発生した電界の相互干渉により、電極部604、605間に、期待しない屈折率変化部が生じる。この場合は、期待しない光の散乱の影響で、適切な消光比が得られなくなる可能性がある。このため、電極部604、605の間隔は、電界の相互干渉が生じないような間隔とすることが望ましい。実験的には、電極部604、605の間隔は、それぞれの電極部を構成する電極の間隔の3倍以上とすることが望ましい。   If the incident angle, beam diameter, and interval between the electrode portions 604 and 605 are not set appropriately, the second reflected light from the refractive index changing portion 607 enters the electrode portion 604, which adversely affects the switching operation. And the extinction ratio may be reduced. In particular, when the interval between the electrode portions 604 and 605 is narrow, an unexpected refractive index change portion is generated between the electrode portions 604 and 605 due to the mutual interference of the electric fields generated at the electrode portions 604 and 605. In this case, there is a possibility that an appropriate extinction ratio cannot be obtained due to the effect of unexpected light scattering. For this reason, it is desirable that the interval between the electrode portions 604 and 605 be set such that mutual interference of electric fields does not occur. Experimentally, the interval between the electrode portions 604 and 605 is desirably set to be three times or more the interval between the electrodes constituting each electrode portion.

また、図10Aおよび図10Bに示すように、入射光101の光路上にのみ、式1で示された電極長L以上の長さの電極で構成される複数の電極部604、605を配置してもよい。この場合も、各電極部604、605に電圧を印加した状態において、入射光101のうち、前段の電極部604で反射せずに透過してきた光を、後段の電極部605で反射させることで、消光比を高めることが可能である。電極の形成領域を光の透過する領域に限定することで、電極の面積をさらに小さくすることができる。この結果、図9Aに示した構造よりも、電極間容量を低下させることができ、低消費電力化および高速動作化のさらなる改善を図ることができる。また、高価な電極材料の使用量を少なくすることができ、低コスト化を図ることができる。   Also, as shown in FIGS. 10A and 10B, a plurality of electrode portions 604 and 605 composed of electrodes having a length equal to or longer than the electrode length L shown in Formula 1 are arranged only on the optical path of the incident light 101. May be. Also in this case, in the state where a voltage is applied to each of the electrode portions 604 and 605, the light that has passed through the incident light 101 without being reflected by the preceding electrode portion 604 is reflected by the subsequent electrode portion 605. It is possible to increase the extinction ratio. By limiting the electrode formation region to a region through which light is transmitted, the area of the electrode can be further reduced. As a result, the interelectrode capacitance can be reduced as compared with the structure shown in FIG. 9A, and further improvement in power consumption and high speed operation can be achieved. Further, the amount of expensive electrode material used can be reduced, and the cost can be reduced.

図9Aや図10Aに示したマルチ電極構造の光スイッチにおいて、電極部604、605に電圧を印加した際に、各屈折率変化部で光が散乱するため、迷光が発生し易い。発生した迷光による影響で、適切な消光比が得られなくなる場合がある。このため、マルチ電極構造の光スイッチでは、屈折率界面での光の散乱を極力抑える必要がある。平坦な屈折率界面を形成するためには、1段の電極構造の光スイッチの場合と同様に、電極部を形成する複数の電極は、高さ、膜厚、電極間隔がそろっている構造であることが望ましい。   In the optical switch having the multi-electrode structure shown in FIGS. 9A and 10A, when a voltage is applied to the electrode portions 604 and 605, light is scattered at each refractive index changing portion, so that stray light is likely to be generated. An appropriate extinction ratio may not be obtained due to the influence of the generated stray light. For this reason, in an optical switch having a multi-electrode structure, it is necessary to suppress light scattering at the refractive index interface as much as possible. In order to form a flat refractive index interface, as in the case of an optical switch having a one-stage electrode structure, the plurality of electrodes forming the electrode section have a structure in which the height, film thickness, and electrode interval are uniform. It is desirable to be.

図9Bに示したように、各電極部の電極の位置を作製時あわせて構成すると、光が電極部で反射されてしまうことを極力防ぐことができるようになり、その結果、光の利用効率を上げることができる。   As shown in FIG. 9B, when the positions of the electrodes of each electrode part are configured at the time of production, it is possible to prevent light from being reflected by the electrode part as much as possible. Can be raised.

また、電気光学結晶に接していない電極部周辺部(空隙部)は、空気で満たす構造としてもよく、絶縁性(低誘電率)・高熱伝導率の物質(例えば、絶縁性グラファイトシートやシリコーン化合物)を形成してもよい。   In addition, the electrode portion peripheral portion (void portion) that is not in contact with the electro-optic crystal may be filled with air, and an insulating (low dielectric constant) / high thermal conductivity substance (for example, insulating graphite sheet or silicone compound) ) May be formed.

次に、上述のマルチ電極構造の光スイッチの製造方法について説明する。まず、図5の(a)〜(i)の工程により、複数の電極505からなる電極部を備えた電気光学結晶501を複数作成し、それらを貼り合わせる。この貼り合わせにおいて、一方の電気光学結晶の電極部が形成された面を、他方の電気光学結晶の電極部が形成された面とは反対の面に貼り合わせる。最後に、図11Aに示すように、複数の電気光学結晶501を貼り合わせたものを、別の電気光学結晶506の研磨された平坦な面に貼り付ける。   Next, a method for manufacturing the optical switch having the multi-electrode structure described above will be described. First, a plurality of electro-optic crystals 501 each having an electrode portion composed of a plurality of electrodes 505 are formed by the steps (a) to (i) in FIG. In this bonding, the surface on which the electrode portion of one electro-optical crystal is formed is bonded to the surface opposite to the surface on which the electrode portion of the other electro-optical crystal is formed. Finally, as shown in FIG. 11A, a plurality of electro-optic crystals 501 bonded together are attached to a polished flat surface of another electro-optic crystal 506.

次に、マルチ電極構造の光スイッチの別の製造方法について説明する。まず、図5の(a)〜(i)の工程により、複数の電極505からなる電極部を備えた2つの電気光学結晶501を作成し、それらを貼り合わせる。この貼り合わせにおいて、一方の電気光学結晶の電極部が形成された面を、他方の電気光学結晶の電極部が形成された面に貼り合わせる。これにより、図11Bに示すようなマルチ電極構造を得る。このマルチ電極構造においては、一方の電気光学結晶に形成された電極と他方の電気光学結晶に形成された電極とが対向して配置され、これら電極間は空隙部とされている。この構造によれば、電極間容量を削減できるとともに、図11Aに示した別の電気光学結晶506を貼り付ける必要がないので、その分、低コスト化を図ることができる。この場合も、電極部の間隔は、電極106の間隔の3倍以上とすることが望ましい。   Next, another method for manufacturing an optical switch having a multi-electrode structure will be described. First, two electro-optic crystals 501 each having an electrode portion composed of a plurality of electrodes 505 are formed by the steps (a) to (i) in FIG. 5 and bonded together. In this bonding, the surface on which the electrode portion of one electro-optical crystal is formed is bonded to the surface on which the electrode portion of the other electro-optical crystal is formed. Thereby, a multi-electrode structure as shown in FIG. 11B is obtained. In this multi-electrode structure, an electrode formed on one electro-optic crystal and an electrode formed on the other electro-optic crystal are arranged to face each other, and a gap is formed between these electrodes. According to this structure, the capacitance between the electrodes can be reduced, and it is not necessary to attach another electro-optic crystal 506 shown in FIG. 11A, so that the cost can be reduced accordingly. Also in this case, it is desirable that the interval between the electrode portions be three times or more the interval between the electrodes 106.

次に、本実施形態の光スイッチを実際に設計した場合の配置例について説明する。ここでは、タンタル酸ニオブ酸カリウム(KTN)を用いた場合の配置例と、ニオブ酸リチウム(LN)を用いた場合の配置例について説明する。   Next, an arrangement example when the optical switch of this embodiment is actually designed will be described. Here, an arrangement example using potassium tantalate niobate (KTN) and an arrangement example using lithium niobate (LN) will be described.

まず、電気光学結晶にタンタル酸ニオブ酸カリウム(KTN)を用いた場合について説明する。   First, the case where potassium tantalate niobate (KTN) is used for the electro-optic crystal will be described.

入射光のビームの、電極面(各電極106からなる面)の垂線方向における幅は20μmとされ、電極面に対して平行方向における幅は50μmとされている。入射光の波長λは640nmであり、その場合のタンタル酸ニオブ酸カリウム(KTN)の屈折率nは2.284である。   The width of the incident light beam in the direction perpendicular to the electrode surface (surface comprising the electrodes 106) is 20 μm, and the width in the direction parallel to the electrode surface is 50 μm. The wavelength λ of the incident light is 640 nm, and the refractive index n of potassium tantalate niobate (KTN) in this case is 2.284.

電極部は、幅wが1μmの10本の電極106からなり、各電極106の間隔xは5μmである。各電極106は、深さ1μmの空隙部108と接している。   The electrode part is composed of ten electrodes 106 having a width w of 1 μm, and the interval x between the electrodes 106 is 5 μm. Each electrode 106 is in contact with a gap 108 having a depth of 1 μm.

電極部に外部電源111から5Vの電圧を印加した場合の屈折率変化量Δnは−0.0065となる。この条件において、電界印加によって生じる屈折率変化部の屈折率界面によって入射光が全反射するときの臨界角θmは、85.7°である。このときの電気光学結晶への入射光の入射角は9.9°である。   The refractive index change amount Δn is −0.0065 when a voltage of 5 V is applied to the electrode portion from the external power source 111. Under this condition, the critical angle θm when the incident light is totally reflected by the refractive index interface of the refractive index changing portion generated by the electric field application is 85.7 °. At this time, the incident angle of the incident light to the electro-optic crystal is 9.9 °.

直径20μmの入射光を、全て屈折率変化部の屈折率界面によって反射するためには、電極106の長さを265μm以上にする必要がある。このときの電極部の総電極間容量はおよそ325pFである。一方、空隙部を有しない比較構造において、電極106と同じ形状および大きさの電極を形成した場合は、およそ405pFである。このことから、本例によれば、電極間容量に関して、比較構造に対して、約8割に低容量化が可能であることがわかる。   In order to reflect all the incident light having a diameter of 20 μm by the refractive index interface of the refractive index changing portion, the length of the electrode 106 needs to be 265 μm or more. At this time, the total interelectrode capacitance of the electrode portion is about 325 pF. On the other hand, when an electrode having the same shape and size as the electrode 106 is formed in the comparative structure having no void portion, it is approximately 405 pF. From this, it can be seen that according to this example, the interelectrode capacitance can be reduced to about 80% of the comparative structure.

なお、2段の電極構造の光スイッチを実現する場合、電気光学結晶105の厚さを20μmとすると、電極部の間隔を265μm程度とする必要がある。このため、電気光学結晶の全長は795μm以上となり、電気光学結晶の高さは60μm以上となる。   When an optical switch having a two-stage electrode structure is realized, if the thickness of the electro-optic crystal 105 is 20 μm, the distance between the electrode portions needs to be about 265 μm. For this reason, the total length of the electro-optic crystal is 795 μm or more, and the height of the electro-optic crystal is 60 μm or more.

次に、電気光学結晶にニオブ酸リチウム(LN)を用いた場合について説明する。   Next, the case where lithium niobate (LN) is used for the electro-optic crystal will be described.

入射光のビームの、電極面の垂線方向における幅は20μmとされ、電極面に対して平行方向における幅は50μmとされる。入射光の波長λは640nmであり、その場合のニオブ酸リチウム(LN)の屈折率nは2.284である。   The width of the incident light beam in the direction perpendicular to the electrode surface is 20 μm, and the width in the direction parallel to the electrode surface is 50 μm. The wavelength λ of incident light is 640 nm, and the refractive index n of lithium niobate (LN) in that case is 2.284.

電極部は、幅wが1μmの14本の電極106からなり、各電極106の間隔xは3μmである。各電極106は、深さ1μmの空隙部108と接している。   The electrode part is composed of 14 electrodes 106 having a width w of 1 μm, and the interval x between the electrodes 106 is 3 μm. Each electrode 106 is in contact with a gap 108 having a depth of 1 μm.

電極部に外部電源111から200Vの電圧を印加した場合の屈折率変化量Δnは−0.0067である。この条件において、電界印加によって生じる屈折率変化部の屈折率界面によって入射光が全反射するときの臨界角θmは85.6°である。このときの電気光学結晶への入射光の入射角は10.1°である。   The refractive index change amount Δn when a voltage of 200 V is applied from the external power source 111 to the electrode part is −0.0067. Under this condition, the critical angle θm when the incident light is totally reflected by the refractive index interface of the refractive index changing portion generated by the electric field application is 85.6 °. At this time, the incident angle of the incident light to the electro-optic crystal is 10.1 °.

直径20μmの入射光を、全て屈折率変化部の屈折率界面によって反射するためには、電極106の長さを261μm以上にする必要がある。このときの電極部の総電極間容量はおよそ1.34pFである。一方、空隙部を有しない比較構造において、電極106と同じ形状および大きさの電極を形成した場合は、およそ1.63pFである。このことから、本例によれば、電極間容量に関して、比較構造に対して、約8割に低容量化が可能であることがわかる。   In order to reflect all incident light having a diameter of 20 μm by the refractive index interface of the refractive index changing portion, the length of the electrode 106 needs to be 261 μm or more. The total interelectrode capacitance of the electrode part at this time is about 1.34 pF. On the other hand, when an electrode having the same shape and size as the electrode 106 is formed in the comparative structure having no void portion, it is about 1.63 pF. From this, it can be seen that according to this example, the interelectrode capacitance can be reduced to about 80% of the comparative structure.

なお、2段の電極構造の光スイッチを実現する場合、電気光学結晶105の厚さを20μmとすると、電極部の間隔を261μm程度とする必要がある。このため、電気光学結晶の全長は783μm以上となり、電気光学結晶の高さは60μm以上となる。   When an optical switch having a two-stage electrode structure is realized, if the thickness of the electro-optic crystal 105 is 20 μm, the interval between the electrode portions needs to be about 261 μm. For this reason, the total length of the electro-optic crystal is 783 μm or more, and the height of the electro-optic crystal is 60 μm or more.

上述した図9Aおよび図10Aに示した例では、入射光の進行方向に沿って平行に配置された2つの電極部を備える光スイッチについて説明したが、電極部の数はこれに限定されず、3つ以上であってもよい。入射光の進行方向に沿って平行に配置される電極部の数が増えるほど、高い消光比を得ることが可能である。   In the example shown in FIG. 9A and FIG. 10A described above, the optical switch including two electrode portions arranged in parallel along the traveling direction of incident light has been described. However, the number of electrode portions is not limited to this, There may be three or more. As the number of electrode portions arranged in parallel along the traveling direction of incident light increases, a higher extinction ratio can be obtained.

(第2の実施形態)
図12Aは、本発明の第2の実施形態である光スイッチの構成を示す模式図、図12Bは、図12Aの光スイッチを出射面側から見た場合の断面図である。
(Second Embodiment)
FIG. 12A is a schematic diagram illustrating a configuration of an optical switch according to a second embodiment of the present invention, and FIG. 12B is a cross-sectional view of the optical switch of FIG. 12A viewed from the exit surface side.

図12Aに示すように、光スイッチは、複数の電極106からなる電極部107が形成された電気光学結晶104を有する。電気光学結晶104は、例えばタンタル酸ニオブ酸カリウム(KTN)、ニオブ酸リチウム(LN)等の電気光学効果を有する結晶である。   As shown in FIG. 12A, the optical switch includes an electro-optic crystal 104 in which an electrode portion 107 including a plurality of electrodes 106 is formed. The electro-optic crystal 104 is a crystal having an electro-optic effect such as potassium tantalate niobate (KTN) or lithium niobate (LN).

電気光学結晶104の表面には、入射光101の進行方向に沿って複数の溝が平行に形成されており、各溝の底部に、電極106が形成されている。電極106は、例えば、電極部材となり得る電子伝導体を溝の底部に蒸着することで形成される。電極106の厚さは、溝の深さより薄い。溝の深さは、入射光の電極面(各電極106からなる面)の垂線方向におけるビームの長さ以上である。   On the surface of the electro-optic crystal 104, a plurality of grooves are formed in parallel along the traveling direction of the incident light 101, and an electrode 106 is formed at the bottom of each groove. The electrode 106 is formed, for example, by depositing an electron conductor that can be an electrode member on the bottom of the groove. The thickness of the electrode 106 is smaller than the depth of the groove. The depth of the groove is equal to or greater than the length of the beam in the direction perpendicular to the electrode surface of incident light (surface comprising the electrodes 106).

複数の電極106は、同一平面上に平行に配置されており、隣接する電極の極性が異なるように、外部電源111に電気的に接続されている。各電極106は、電気光学結晶104の一方の端面から他方の端面に向かって延伸するように設けられている。一方の端面が入射面とされ、他方の端面が出射面とされる。   The plurality of electrodes 106 are arranged in parallel on the same plane, and are electrically connected to the external power source 111 so that the polarities of adjacent electrodes are different. Each electrode 106 is provided so as to extend from one end face of the electro-optic crystal 104 toward the other end face. One end surface is an entrance surface and the other end surface is an exit surface.

なお、ここでいう同一平面とは、幾何学的に完全同一平面には限定されず、製造上の誤差を含み、また、屈折率変化領域を平坦に形成できる程度の範囲の平面であればよい。   The same plane as used herein is not limited to the geometrically completely same plane, and may be a plane that includes manufacturing errors and has a range that allows the refractive index change region to be formed flat. .

次に、本実施形態の光スイッチの動作を説明する。   Next, the operation of the optical switch of this embodiment will be described.

電圧が電極部107に印加されると、図12Cに示すように、電極106の近傍の結晶領域において、電極106からの電界による屈折率変化が起こる。このため、電極106の近傍の結晶領域に屈折率変化部112が生じる。一方、電圧が電極部107に印加されていない場合は、屈折率変化部112は生じない。   When a voltage is applied to the electrode portion 107, a refractive index change due to the electric field from the electrode 106 occurs in the crystal region near the electrode 106, as shown in FIG. 12C. For this reason, the refractive index changing portion 112 is generated in the crystal region near the electrode 106. On the other hand, when no voltage is applied to the electrode portion 107, the refractive index changing portion 112 does not occur.

図13Aは、電極部107への電圧供給を停止した場合の光スイッチの状態を側面から見た模式図である。電圧が電極部107に印加されていない場合は、屈折率変化部112は生じないため、入射光101は、電極106間の光透過部109を透過して、出射面から透過光102として外部へ出射される。   FIG. 13A is a schematic view of the state of the optical switch viewed from the side when the voltage supply to the electrode unit 107 is stopped. When no voltage is applied to the electrode portion 107, the refractive index changing portion 112 does not occur, so that the incident light 101 passes through the light transmitting portion 109 between the electrodes 106 and is transmitted to the outside as the transmitted light 102 from the emission surface. Emitted.

図13Bは、電圧が電極部107に印加された場合の光スイッチの状態を側面から見た模式図である。電圧が電極部107に印加された場合は、入射光101は、屈折率変化部112とその周辺の結晶領域との屈折率界面113にて全反射される。屈折率界面113からの反射光は、出射面から反射光103として外部へ出射される。なお、入射光101の屈折率界面113に対する入射角は臨界角以上である。   FIG. 13B is a schematic view of the state of the optical switch viewed from the side when a voltage is applied to the electrode unit 107. When a voltage is applied to the electrode portion 107, the incident light 101 is totally reflected at the refractive index interface 113 between the refractive index changing portion 112 and the surrounding crystal region. The reflected light from the refractive index interface 113 is emitted to the outside as reflected light 103 from the emission surface. The incident angle of the incident light 101 with respect to the refractive index interface 113 is not less than the critical angle.

本実施形態の光スイッチも、第1の実施形態と同様の効果を得ることができる。   The optical switch of this embodiment can also obtain the same effects as those of the first embodiment.

透過光102の出射方向は反射光103の出射方向と異なるため、容易にそれらを分離することができる。   Since the outgoing direction of the transmitted light 102 is different from the outgoing direction of the reflected light 103, they can be easily separated.

本実施形態の光スイッチにおいては、電極部107を透過した光は、電気光学結晶104の電極部107よりも下部の格子状の結晶領域801を通って出射面から射出される。このため、光射出用(もしくは光入射用)の別の電気光学結晶(例えば、図1Aに示した電気光学結晶105)を設ける必要がない。よって、電気光学結晶の貼り付け工程が不要となり、その結果、製造の簡略化と低コスト化を図ることができる。   In the optical switch of this embodiment, the light transmitted through the electrode portion 107 is emitted from the emission surface through the lattice-shaped crystal region 801 below the electrode portion 107 of the electro-optic crystal 104. For this reason, it is not necessary to provide another electro-optic crystal for light emission (or light incidence) (for example, the electro-optic crystal 105 shown in FIG. 1A). Therefore, the step of attaching the electro-optic crystal is not required, and as a result, the manufacturing can be simplified and the cost can be reduced.

なお、電極106が形成される溝の深さが、入射光の電極面の垂線方向におけるビームの長さ未満である場合は、ビームの一部が電気光学結晶端面で反射されてしまうため、透過光の出射方向が本来の方向と異なってしまう。図14は、溝の深さが垂線方向のビームの長さ未満である光スイッチの、電極部への電圧供給を停止した場合の状態を側面から見た模式図である。光透過部109を透過した光の一部は、電気光学結晶104の電極部107が形成された側の表面にて、図13Bに示した反射光103と同じ方向に反射される。このため、出射面からは、図13Aに示した透過光102と同じ方向に向かう透過光901と、反射光103と同じ方向に向かう反射光902がそれぞれ出射され、射出光の方向が定まらない。   Note that when the depth of the groove in which the electrode 106 is formed is less than the length of the beam in the direction perpendicular to the electrode surface of the incident light, a part of the beam is reflected by the end face of the electro-optic crystal, and thus transmitted. The light emission direction is different from the original direction. FIG. 14 is a schematic view of an optical switch having a groove depth less than the length of a perpendicular beam as viewed from the side when voltage supply to the electrode portion is stopped. Part of the light transmitted through the light transmitting portion 109 is reflected in the same direction as the reflected light 103 shown in FIG. 13B on the surface of the electro-optic crystal 104 on the side where the electrode portion 107 is formed. For this reason, the transmitted light 901 traveling in the same direction as the transmitted light 102 shown in FIG. 13A and the reflected light 902 traveling in the same direction as the reflected light 103 are respectively emitted from the exit surface, and the direction of the emitted light is not determined.

上記から、入射光の電極面の垂線方向におけるビームの長さ以上の深い溝が必要である。   From the above, a deep groove longer than the length of the beam in the direction perpendicular to the electrode surface of the incident light is necessary.

また、電気光学結晶に接していない電極部周辺部(空隙部)は、空気で満たす構造としてもよく、絶縁性(低誘電率)・高熱伝導率の物質(例えば、絶縁性グラファイトシートやシリコーン化合物)を形成してもよい。   In addition, the electrode portion peripheral portion (void portion) that is not in contact with the electro-optic crystal may be filled with air, and an insulating (low dielectric constant) / high thermal conductivity substance (for example, insulating graphite sheet or silicone compound) ) May be formed.

また、図15に示すように、光の入射と射出の方向が図12Aに示したものと逆の方向とされた構造としてもよい。この場合は、電気光学結晶の溝が形成された側とは反対の面から電極部107までの距離を、入射光の電極面の垂線方向におけるビームの長さ以上とする。   Further, as shown in FIG. 15, a structure in which the direction of light incidence and emission is opposite to that shown in FIG. 12A may be adopted. In this case, the distance from the surface opposite to the side on which the groove of the electro-optic crystal is formed to the electrode portion 107 is equal to or longer than the length of the beam in the perpendicular direction of the electrode surface of the incident light.

外部電源111から電極部107へ電圧が供給された状態において、臨界角以上の入射角を持つ入射光101は、屈折率変化界面113で全反射し、電気光学結晶104の上部端面から反射光103として外部へ出射される。電極部107への電圧供給が停止した場合は、入射光101は、電気光学結晶104の下部領域(電極部107の下部の結晶領域)を通って、電気光学結晶104の下部端面から透過光102として外部へ出射される。透過光102と反射光103は、それぞれの射出方向が異なるため、それらを容易に分離することができる。   In a state where a voltage is supplied from the external power source 111 to the electrode unit 107, the incident light 101 having an incident angle greater than the critical angle is totally reflected by the refractive index changing interface 113 and reflected light 103 from the upper end face of the electro-optic crystal 104. Is emitted to the outside. When the voltage supply to the electrode unit 107 is stopped, the incident light 101 passes through the lower region of the electro-optical crystal 104 (the crystal region below the electrode unit 107), and transmits the transmitted light 102 from the lower end surface of the electro-optical crystal 104. Is emitted to the outside. Since the transmitted light 102 and the reflected light 103 have different emission directions, they can be easily separated.

本実施形態の光スイッチによれば、第1の実施形態の光スイッチに比べて、電気光学結晶105が不要であり、研磨・張り合わせなどの工程も必要ないため、その分、製造の簡略化と低コスト化を図ることができ、小型で薄型の光スイッチを実現することができる。   According to the optical switch of this embodiment, compared to the optical switch of the first embodiment, the electro-optic crystal 105 is unnecessary, and processes such as polishing and bonding are not required. Cost reduction can be achieved, and a small and thin optical switch can be realized.

また、本実施形態の光スイッチにおいても、入射光の進行方向に沿って複数の電極部が設けられてもよい。このマルチ電極構造によれば、高い消光比を得ることができる。   Also in the optical switch of this embodiment, a plurality of electrode portions may be provided along the traveling direction of incident light. According to this multi-electrode structure, a high extinction ratio can be obtained.

図16Aは、第2の実施形態を適用したマルチ電極構造を有する光スイッチの構成を示す模式図、図16Bは、図16Aの光スイッチを出射面側から見た場合の断面図である。   FIG. 16A is a schematic diagram illustrating a configuration of an optical switch having a multi-electrode structure to which the second embodiment is applied, and FIG. 16B is a cross-sectional view of the optical switch of FIG. 16A viewed from the exit surface side.

図16Aに示すように、光スイッチは、2つの電気光学結晶104、105を高温・高圧下で接合したものであって、接合後の電気光学結晶において、電気光学結晶104、105の接合境界面は屈折率がほぼ同等で連続的であるため、光学的に均一な1つの電気光学結晶と見做すことができる。電気光学結晶104、105は、例えばタンタル酸ニオブ酸カリウム(KTN)、ニオブ酸リチウム(LN)等の電気光学効果を有する結晶である。   As shown in FIG. 16A, the optical switch is obtained by joining two electro-optic crystals 104 and 105 under high temperature and high pressure, and in the joined electro-optic crystal, the junction interface between the electro-optic crystals 104 and 105 Can be regarded as an optically uniform electro-optic crystal because the refractive indexes are substantially the same and continuous. The electro-optic crystals 104 and 105 are crystals having an electro-optic effect such as potassium tantalate niobate (KTN) and lithium niobate (LN).

電気光学結晶104は、同一平面に平行に配置された複数の電極からなる電極部604を有する。電極部604は、図1Aに示したものと同じ電極構造である。電極部604を構成する各電極の厚さは、溝の深さより薄い。   The electro-optic crystal 104 has an electrode portion 604 composed of a plurality of electrodes arranged in parallel on the same plane. The electrode portion 604 has the same electrode structure as that shown in FIG. 1A. The thickness of each electrode constituting the electrode portion 604 is thinner than the depth of the groove.

電気光学結晶105は、同一平面に平行に配置された複数の電極からなる電極部605を有する。電極部605は、図12Aに示した電極部107と同じ電極構造である。電極部605を構成する各電極の厚さは、溝の深さより薄い。溝の深さは、電極部605に入射する光の、電極面に対する垂線方向におけるビームの長さ以上である。   The electro-optic crystal 105 has an electrode portion 605 including a plurality of electrodes arranged in parallel on the same plane. The electrode portion 605 has the same electrode structure as the electrode portion 107 shown in FIG. 12A. The thickness of each electrode constituting the electrode portion 605 is thinner than the depth of the groove. The depth of the groove is equal to or greater than the length of the beam incident on the electrode portion 605 in the direction perpendicular to the electrode surface.

電気光学結晶104の電極部604が形成された面は、電気光学結晶105の電極部605が形成された面とは反対の面に接合される。電気光学結晶104、105の接合は、高温、高圧の条件下で行われるが、これに変えて、電気光学結晶104、105を屈折率がそれら電気光学結晶と同等のバインダなどを用いて接合してもよい。   The surface on which the electrode portion 604 of the electro-optic crystal 104 is formed is bonded to the surface opposite to the surface on which the electrode portion 605 of the electro-optic crystal 105 is formed. The electro-optic crystals 104 and 105 are joined under high temperature and high pressure conditions. Instead, the electro-optic crystals 104 and 105 are joined using a binder having a refractive index equivalent to that of the electro-optic crystals. May be.

図16Bに示すように、接合後において、電極部604、605は、入射光101が透過する方向に沿って互いに平行に配置されている。入射光101が透過する方向において、電極部604を構成する電極および空隙部は、電極部605を構成する電極および空隙部と重なる。   As shown in FIG. 16B, after bonding, the electrode portions 604 and 605 are arranged in parallel to each other along the direction in which the incident light 101 is transmitted. In the direction in which the incident light 101 is transmitted, the electrode and the gap that constitute the electrode portion 604 overlap with the electrode and the gap that constitute the electrode portion 605.

第1の実施形態におけるマルチ電極構造の光スイッチにおいては、3枚の電気光学結晶を貼り合わせた構造であるのに対して、本実施形態におけるマルチ電極構造の光スイッチは、2枚の電気光学結晶を貼り合わせた構造とされており、電気光学結晶の数が、第1の実施形態のものよりも1枚少ない。よって、本実施形態におけるマルチ電極構造の光スイッチによれば、製造の簡略化が可能であり、電気光学結晶の数が少ない分、低コスト化を図ることができ、小型で、薄型の光スイッチを実現することができる。   The multi-electrode structure optical switch in the first embodiment has a structure in which three electro-optic crystals are bonded together, whereas the multi-electrode structure optical switch in the present embodiment has two electro-optic crystals. The structure is such that crystals are bonded together, and the number of electro-optic crystals is one less than that of the first embodiment. Therefore, according to the optical switch having a multi-electrode structure according to the present embodiment, the manufacturing can be simplified, and the cost can be reduced because the number of electro-optic crystals is small. Can be realized.

図17Aは、第2の実施形態を適用した別のマルチ電極構造を有する光スイッチの構成を示す模式図、図17Bは、図17Aの光スイッチを出射面側から見た場合の断面図である。   FIG. 17A is a schematic diagram illustrating a configuration of an optical switch having another multi-electrode structure to which the second embodiment is applied, and FIG. 17B is a cross-sectional view of the optical switch of FIG. 17A viewed from the exit surface side. .

図17Aに示す光スイッチは、1枚の電気光学結晶104よりなり、電気光学結晶104の上面および下面のそれぞれに、平行な複数の深い溝が形成されている。各溝には、電極106が形成されている。図17Bに示すように、上面側の各溝に形成された複数の電極106により電極部604が形成され、下面側の各溝に形成された複数の電極106により電極部605が形成されている。   The optical switch shown in FIG. 17A is composed of one electro-optic crystal 104, and a plurality of parallel deep grooves are formed on each of the upper and lower surfaces of the electro-optic crystal 104. An electrode 106 is formed in each groove. As shown in FIG. 17B, an electrode portion 604 is formed by the plurality of electrodes 106 formed in each groove on the upper surface side, and an electrode portion 605 is formed by the plurality of electrodes 106 formed in each groove on the lower surface side. .

上面に形成された溝の深さは、電極部604に入射する光の、電極面に対する垂線方向におけるビームの長さ以上である。下面に形成された溝の深さは、電極部605に入射する光の、電極面に対する垂線方向におけるビームの長さ以上である。   The depth of the groove formed on the upper surface is equal to or greater than the length of the beam incident on the electrode portion 604 in the direction perpendicular to the electrode surface. The depth of the groove formed on the lower surface is equal to or longer than the length of the beam incident on the electrode portion 605 in the direction perpendicular to the electrode surface.

上記の別のマルチ電極構造を有する光スイッチによれば、1枚の電気光学結晶により形成することができるので、図16Aに示したものに比較して、さらに製造の簡略化と低コスト化、小型化を行うことが可能である。   According to the optical switch having another multi-electrode structure described above, since it can be formed by one electro-optic crystal, compared with the one shown in FIG. It is possible to reduce the size.

次に、本実施形態の光スイッチの電極形成方法について具体的に説明する。   Next, the electrode forming method of the optical switch of this embodiment will be specifically described.

図18の(a)〜(h)は、本実施形態の光スイッチの電極形成方法の一手順を示す断面工程図である。   18A to 18H are cross-sectional process diagrams illustrating one procedure of the electrode forming method of the optical switch according to the present embodiment.

まず、電気光学結晶501の表面にレジスト502を塗布する(図18(a)の工程)。次に、電極形成用の第1のパターンが形成されたマスク503を用いて、レジスト502が塗布された面をマスキングし、その塗布面を露光する(図18(b)の工程)。次に、レジスト502の露光された部分を除去する(図18(c)の工程)。   First, a resist 502 is applied to the surface of the electro-optic crystal 501 (step of FIG. 18A). Next, using the mask 503 on which the first pattern for electrode formation is formed, the surface coated with the resist 502 is masked, and the coated surface is exposed (step of FIG. 18B). Next, the exposed portion of the resist 502 is removed (step of FIG. 18C).

次に、露光部分が除去されたレジストをマスクとして用いて、電気光学結晶501の露出した表面をエッチングする(図18(d)の工程)。エッチング材料は、例えばフッ化水素等である。   Next, the exposed surface of the electro-optic crystal 501 is etched using the resist from which the exposed portion has been removed as a mask (step in FIG. 18D). The etching material is, for example, hydrogen fluoride.

次に、再びレジスト502を塗布し(図18(e)の工程)、電極形成用の第2のパターンが形成されたマスク504を用いて、レジスト502が再塗布された面をマスキングし、その塗布面を露光する(図18(f)の工程)。第2のパターンは、図18(d)の工程で使用したマスク503の第1のパターンよりも一回り小さい。次に、レジスト502の露光された部分を除去する(図18(g)の工程)。これらの図18の(e)〜(g)の工程は、基本的には、前述した図5の(e)〜(g)の工程と同じである。これらの工程により、電気光学結晶501の表面に溝が形成され、その溝の底部を除く面全体がレジストにより覆われた構造を得る。すなわち、溝の側壁は、レジストにより覆われている。   Next, a resist 502 is applied again (step in FIG. 18E), and the surface to which the resist 502 is applied again is masked using the mask 504 on which the second pattern for electrode formation is formed. The coated surface is exposed (step of FIG. 18 (f)). The second pattern is slightly smaller than the first pattern of the mask 503 used in the step of FIG. Next, the exposed portion of the resist 502 is removed (step of FIG. 18G). These steps (e) to (g) in FIG. 18 are basically the same as the steps (e) to (g) in FIG. 5 described above. Through these steps, a groove is formed on the surface of the electro-optic crystal 501, and the entire surface except the bottom of the groove is covered with a resist. That is, the side wall of the groove is covered with the resist.

最後に、電気光学結晶501のエッチングされた部分に、蒸着やスパッタリングによって電極材料(金、白金など)を堆積して電極505を形成した後、レジスト502を除去する(図18(h)の工程)。こうして、本実施形態の光スイッチを得る。   Finally, an electrode material (gold, platinum, etc.) is deposited on the etched portion of the electro-optic crystal 501 by vapor deposition or sputtering to form the electrode 505, and then the resist 502 is removed (step of FIG. 18 (h)). ). Thus, the optical switch of this embodiment is obtained.

図16Aに示したマルチ電極構造の光スイッチの場合は、図18の(a)〜(h)の工程により、電極505が形成された電気光学結晶を2枚分作成する。一方の電気光学結晶の溝は、電極の厚さより深いが、他方の電気光学結晶の溝より浅いものとされる。他方の電気光学結晶の溝の深さは、入射光の電極面の垂線方向のビームの長さ以上とされる。これら2枚の電気光学結晶を貼り合わせる。   In the case of the optical switch having the multi-electrode structure shown in FIG. 16A, two electro-optic crystals on which the electrodes 505 are formed are formed by the steps (a) to (h) in FIG. The groove of one electro-optic crystal is deeper than the thickness of the electrode, but shallower than the groove of the other electro-optic crystal. The depth of the groove of the other electro-optic crystal is equal to or greater than the length of the beam in the direction perpendicular to the electrode surface of the incident light. These two electro-optic crystals are bonded together.

図17Aに示したマルチ電極構造の光スイッチの場合は、図18の(a)〜(h)の工程により、上面および下面のそれぞれに電極505が形成された電気光学結晶を作成する。上面および下面の溝は、電極の厚さより深く、かつ、入射光の電極面の垂線方向のビームの長さ以上の深さとされる。   In the case of the optical switch having the multi-electrode structure shown in FIG. 17A, an electro-optic crystal having electrodes 505 formed on the upper surface and the lower surface is formed by the steps (a) to (h) in FIG. The grooves on the upper surface and the lower surface are deeper than the thickness of the electrode and have a depth equal to or greater than the length of the beam in the direction perpendicular to the electrode surface of the incident light.

図16Aに示したマルチ電極構造の光スイッチは、図17Aに示したマルチ電極構造の光スイッチに比べて、一段目の電極部に入射する領域が、格子状の結晶領域とされていないので、その分、光の利用効率が向上し、高い消光比が得られる。加えて、図16Aに示したマルチ電極構造の光スイッチは、図17Aに示したマルチ電極構造よりも薄くなることから、小型で、薄型の光スイッチを実現することができる。   In the optical switch having the multi-electrode structure shown in FIG. 16A, the region incident on the first-stage electrode portion is not a lattice-like crystal region as compared to the optical switch having the multi-electrode structure shown in FIG. 17A. Accordingly, the light utilization efficiency is improved and a high extinction ratio can be obtained. In addition, since the optical switch having the multi-electrode structure shown in FIG. 16A is thinner than the multi-electrode structure shown in FIG. 17A, a small and thin optical switch can be realized.

他方、図17Aに示したマルチ電極構造の光スイッチにおいては、1枚の電気光学結晶で構成することができるので、低コスト化を図ることができる。   On the other hand, since the optical switch having the multi-electrode structure shown in FIG. 17A can be composed of a single electro-optic crystal, the cost can be reduced.

本実施形態の光スイッチにおいても、ビームの入射角度は、前述の式1により与えられる臨界角θm以上とされる。また、電極長(溝長に同じ)は、前述の式4により与えられる電極長L以上とされる。式4のrは電極面の垂線方向とビームの進行方向とを含む平面内のビーム径である。電極部の幅(格子状の部分の幅)は電極に対して水平方向のビームの幅以上である。   Also in the optical switch of the present embodiment, the incident angle of the beam is not less than the critical angle θm given by the above-described equation 1. Further, the electrode length (same as the groove length) is set to be equal to or longer than the electrode length L given by Equation 4 described above. In Equation 4, r is the beam diameter in a plane including the normal direction of the electrode surface and the traveling direction of the beam. The width of the electrode portion (the width of the lattice portion) is equal to or greater than the width of the beam in the horizontal direction with respect to the electrode.

次に、本実施形態の光スイッチを実際に設計した場合の配置例について説明する。ここでは、タンタル酸ニオブ酸カリウム(KTN)を用いた場合の配置例と、ニオブ酸リチウム(LN)を用いた場合の配置例について説明する。   Next, an arrangement example when the optical switch of this embodiment is actually designed will be described. Here, an arrangement example using potassium tantalate niobate (KTN) and an arrangement example using lithium niobate (LN) will be described.

まず、電気光学結晶にタンタル酸ニオブ酸カリウム(KTN)を用いた場合について説明する。   First, the case where potassium tantalate niobate (KTN) is used for the electro-optic crystal will be described.

入射光のビームの、電極面の垂線方向における幅は20μmとされ、電極面に対して平行方向における幅は50μmとされている。入射光の波長λは640nmであり、その場合のタンタル酸ニオブ酸カリウム(KTN)の屈折率nは2.284である。   The width of the incident light beam in the direction perpendicular to the electrode surface is 20 μm, and the width in the direction parallel to the electrode surface is 50 μm. The wavelength λ of the incident light is 640 nm, and the refractive index n of potassium tantalate niobate (KTN) in this case is 2.284.

電極部は、幅wが1μmの10本の電極106からなり、各電極106の間隔xは5μmである。各電極106は、深さ1μmの空隙部108と接している。   The electrode part is composed of ten electrodes 106 having a width w of 1 μm, and the interval x between the electrodes 106 is 5 μm. Each electrode 106 is in contact with a gap 108 having a depth of 1 μm.

電極部に外部電源111から5Vの電圧を印加した場合の屈折率変化量Δnは−0.0065となる。この条件において、電界印加によって生じる屈折率変化部の屈折率界面によって入射光が全反射するときの臨界角θmは、86.1°である。このときの電気光学結晶への入射光の入射角は9.0°である。   The refractive index change amount Δn is −0.0065 when a voltage of 5 V is applied to the electrode portion from the external power source 111. Under this condition, the critical angle θm when the incident light is totally reflected by the refractive index interface of the refractive index changing portion generated by the electric field application is 86.1 °. At this time, the incident angle of the incident light to the electro-optic crystal is 9.0 °.

直径20μmの入射光を、全て屈折率変化部の屈折率界面によって反射するためには、電極106の長さを291μm以上にする必要がある。このときの電極部の総電極間容量はおよそ329pFである。一方、空隙部を有しない比較構造において、電極106と同じ形状および大きさの電極を形成した場合は、およそ432pFである。このことから、本例によれば、電極間容量に関して、比較構造に対して、約8割に低容量化が可能であることがわかる。   In order to reflect all incident light having a diameter of 20 μm by the refractive index interface of the refractive index changing portion, the length of the electrode 106 needs to be 291 μm or more. At this time, the total interelectrode capacitance of the electrode portion is about 329 pF. On the other hand, when an electrode having the same shape and size as the electrode 106 is formed in the comparative structure having no void portion, it is approximately 432 pF. From this, it can be seen that according to this example, the interelectrode capacitance can be reduced to about 80% of the comparative structure.

なお、2段の電極構造の光スイッチを実現する場合、電気光学結晶105の厚さを20μmとすると、電極部の間隔を291μm程度とする必要がある。このため、電気光学結晶の全長は873μm以上となり、電気光学結晶の高さは60μm以上となる。   When an optical switch having a two-stage electrode structure is realized, if the thickness of the electro-optic crystal 105 is 20 μm, the interval between the electrode portions needs to be about 291 μm. For this reason, the total length of the electro-optic crystal is 873 μm or more, and the height of the electro-optic crystal is 60 μm or more.

次に、電気光学結晶にニオブ酸リチウム(LN)を用いた場合について説明する。   Next, the case where lithium niobate (LN) is used for the electro-optic crystal will be described.

入射光のビームの、電極面の垂線方向における幅は20μmとされ、電極面に対して平行方向における幅は50μmとされる。入射光の波長λは640nmであり、その場合のニオブ酸リチウム(LN)の屈折率nは2.284である。   The width of the incident light beam in the direction perpendicular to the electrode surface is 20 μm, and the width in the direction parallel to the electrode surface is 50 μm. The wavelength λ of incident light is 640 nm, and the refractive index n of lithium niobate (LN) in that case is 2.284.

電極部は、幅wが1μmの14本の電極106からなり、各電極106の間隔xは3μmである。電極は、深さ20μmの深い溝内に形成されている。   The electrode part is composed of 14 electrodes 106 having a width w of 1 μm, and the interval x between the electrodes 106 is 3 μm. The electrode is formed in a deep groove having a depth of 20 μm.

電極部に外部電源111から200Vの電圧を印加した場合の屈折率変化量Δnは−0.0070である。この条件において、電界印加によって生じる屈折率変化部の屈折率界面によって入射光が全反射するときの臨界角θmは85.5°である。このときの電気光学結晶への入射光の入射角は10.3°である。   The refractive index change amount Δn is −0.0070 when a voltage of 200 V is applied from the external power source 111 to the electrode portion. Under this condition, the critical angle θm when the incident light is totally reflected by the refractive index interface of the refractive index changing portion generated by the electric field application is 85.5 °. At this time, the incident angle of the incident light to the electro-optic crystal is 10.3 °.

直径20μmの入射光を、全て屈折率変化部の屈折率界面によって反射するためには、電極106の長さを256μm以上にする必要がある。このときの電極部の総電極間容量はおよそ1.26pFである。一方、空隙部を有しない比較構造において、電極106と同じ形状および大きさの電極を形成した場合は、およそ1.59pFである。このことから、本例によれば、電極間容量に関して、比較構造に対して、約8割に低容量化が可能であることがわかる。   In order to reflect all the incident light having a diameter of 20 μm by the refractive index interface of the refractive index changing portion, the length of the electrode 106 needs to be 256 μm or more. At this time, the total interelectrode capacitance of the electrode portion is about 1.26 pF. On the other hand, when an electrode having the same shape and size as the electrode 106 is formed in the comparative structure having no void portion, it is approximately 1.59 pF. From this, it can be seen that according to this example, the interelectrode capacitance can be reduced to about 80% of the comparative structure.

なお、2段の電極構造の光スイッチを実現する場合、電気光学結晶105の厚さを20μmとすると、電極部の間隔を256μm程度とする必要がある。このため、電気光学結晶の全長は768μm以上となり、電気光学結晶の高さは60μm以上となる。   When an optical switch having a two-stage electrode structure is realized, if the thickness of the electro-optic crystal 105 is 20 μm, the distance between the electrode portions needs to be about 256 μm. Therefore, the total length of the electro-optic crystal is 768 μm or more, and the height of the electro-optic crystal is 60 μm or more.

(第3の実施形態)
図19Aは、本発明の第3の実施形態である光スイッチの構成を示す模式図、図19Bは、図19Aの光スイッチを出射面側から見た場合の断面図である。
(Third embodiment)
FIG. 19A is a schematic diagram illustrating a configuration of an optical switch according to a third embodiment of the present invention, and FIG. 19B is a cross-sectional view of the optical switch of FIG. 19A viewed from the exit surface side.

図19Aに示すように、光スイッチは、複数の電極106からなる電極部107が形成された電気光学結晶104を有する。電気光学結晶104は、例えばタンタル酸ニオブ酸カリウム(KTN)、ニオブ酸リチウム(LN)等の電気光学効果を有する結晶である。   As shown in FIG. 19A, the optical switch includes an electro-optic crystal 104 in which an electrode portion 107 including a plurality of electrodes 106 is formed. The electro-optic crystal 104 is a crystal having an electro-optic effect such as potassium tantalate niobate (KTN) or lithium niobate (LN).

電気光学結晶104の表面には、入射光101の進行方向に沿って複数の溝が平行に形成されており、各溝の底部に、電極106が形成されている。電極106は、例えば、電極部材となり得る電子伝導体を溝の底部に蒸着することで形成される。電極106の厚さは、溝の深さより薄い。溝の深さは、入射光の電極面(各電極106からなる面)の垂線方向におけるビームの長さの半分以上である。   On the surface of the electro-optic crystal 104, a plurality of grooves are formed in parallel along the traveling direction of the incident light 101, and an electrode 106 is formed at the bottom of each groove. The electrode 106 is formed, for example, by depositing an electron conductor that can be an electrode member on the bottom of the groove. The thickness of the electrode 106 is smaller than the depth of the groove. The depth of the groove is at least half of the length of the beam in the direction perpendicular to the electrode surface of incident light (surface comprising the electrodes 106).

なお、ここでいう同一平面とは、幾何学的に完全同一平面には限定されず、製造上の誤差を含み、また、屈折率変化領域を平坦に形成できる程度の範囲の平面であればよい。   The same plane as used herein is not limited to the geometrically completely same plane, and may be a plane that includes manufacturing errors and has a range that allows the refractive index change region to be formed flat. .

複数の電極106は、同一平面上に平行に配置されており、隣接する電極の極性が異なるように、外部電源111に電気的に接続されている。各電極106は、電気光学結晶104の一方の端面から他方の端面に向かって延伸するように設けられている。一方の端面が入射面とされ、他方の端面が出射面(出射端面1305)とされる。   The plurality of electrodes 106 are arranged in parallel on the same plane, and are electrically connected to the external power source 111 so that the polarities of adjacent electrodes are different. Each electrode 106 is provided so as to extend from one end face of the electro-optic crystal 104 toward the other end face. One end surface is an incident surface, and the other end surface is an exit surface (exit end surface 1305).

電気光学結晶104の出射面が形成される側の端部は、電極部107より上の部分(上部端部)が出射端面1305よりさらに電極の延伸方向に伸びており、該延伸端部の下面1302を含む平面は、出射端面1305を含む平面と直交する。電気光学結晶104の側面から見た場合の端部の断面形状は、鉤状である。延伸端部の下面1302には、ミラー面1301が形成されている。ミラー面1301は、反射率が高い金属や、使用する波長の光を反射するように設計された光学薄膜である。端部の下面1302およびミラー面1301は、電気光学結晶4の下面1304と平行である。   The end of the electro-optic crystal 104 on the side where the emission surface is formed has a portion (upper end) above the electrode portion 107 extending further in the direction of electrode extension than the emission end surface 1305, and the bottom surface of the extension end portion. The plane including 1302 is orthogonal to the plane including the emission end face 1305. The cross-sectional shape of the end when viewed from the side surface of the electro-optic crystal 104 is bowl-shaped. A mirror surface 1301 is formed on the lower surface 1302 of the extended end portion. The mirror surface 1301 is an optical thin film designed to reflect a highly reflective metal or light having a wavelength to be used. The lower surface 1302 and the mirror surface 1301 at the end are parallel to the lower surface 1304 of the electro-optic crystal 4.

本実施形態においても、電気光学結晶に接していない電極部周辺部(空隙部)は、空気で満たす構造としてもよく、絶縁性(低誘電率)・高熱伝導率の物質(例えば、絶縁性グラファイトシートやシリコーン化合物)を形成してもよい。   Also in this embodiment, the electrode portion peripheral portion (void portion) that is not in contact with the electro-optic crystal may be filled with air, and an insulating (low dielectric constant) / high thermal conductivity substance (for example, insulating graphite) Sheet or silicone compound) may be formed.

次に、本実施形態の光スイッチの動作を説明する。   Next, the operation of the optical switch of this embodiment will be described.

電圧が電極部107に印加されると、図19Cに示すように、電極106の近傍の結晶領域において、電極106からの電界による屈折率変化が起こる。このため、電極106の近傍の結晶領域に屈折率変化部112が生じる。一方、電圧が電極部107に印加されていない場合は、屈折率変化部112は生じない。   When a voltage is applied to the electrode portion 107, a refractive index change due to an electric field from the electrode 106 occurs in the crystal region near the electrode 106, as shown in FIG. 19C. For this reason, the refractive index changing portion 112 is generated in the crystal region near the electrode 106. On the other hand, when no voltage is applied to the electrode portion 107, the refractive index changing portion 112 does not occur.

図20Aは、電極部107への電圧供給を停止した場合の光スイッチの状態を側面から見た模式図である。電圧が電極部107に印加されていない場合は、屈折率変化部112は生じないため、入射光101は、電極106間の光透過部109(電極間の格子状の結晶領域1303)を透過する。   FIG. 20A is a schematic view of the state of the optical switch viewed from the side when the voltage supply to the electrode unit 107 is stopped. When no voltage is applied to the electrode part 107, the refractive index changing part 112 does not occur, so that the incident light 101 passes through the light transmission part 109 (lattice crystal region 1303 between the electrodes) between the electrodes 106. .

光透過部109を透過した光の進行方向には、出射端面1305および下面1304が配置している。電気光学結晶と雰囲気の屈折率差が大きいため、光透過部109を透過した光のうち、下面1304に向かった光は、下面1304にて全反射される。この反射光の進行方向には、出射端面1305が配置されている。   An outgoing end face 1305 and a lower face 1304 are arranged in the traveling direction of the light transmitted through the light transmitting portion 109. Since the refractive index difference between the electro-optic crystal and the atmosphere is large, light directed toward the lower surface 1304 out of the light transmitted through the light transmitting portion 109 is totally reflected by the lower surface 1304. An outgoing end face 1305 is disposed in the traveling direction of the reflected light.

光透過部109を透過した光のうち、出射端面1305に向かった光は、出射端面1305から透過光102として出射される。一方、下面1304からの反射光は、出射端面1305からミラー面1301に向かって出射される。ミラー面1301は、電極部107と同じ高さに、下面1304と平行に形成されており、下面1304からの反射光はミラー面1301によって反射される。ミラー面1301からの反射光1302は、透過光102の出射方向と同じ方向に向かう。   Of the light transmitted through the light transmitting portion 109, the light directed toward the emission end face 1305 is emitted as the transmitted light 102 from the emission end face 1305. On the other hand, the reflected light from the lower surface 1304 is emitted from the emission end surface 1305 toward the mirror surface 1301. The mirror surface 1301 is formed at the same height as the electrode portion 107 and in parallel with the lower surface 1304, and reflected light from the lower surface 1304 is reflected by the mirror surface 1301. The reflected light 1302 from the mirror surface 1301 travels in the same direction as the outgoing direction of the transmitted light 102.

図20Bは、電圧が電極部107に印加された場合の光スイッチの状態を側面から見た模式図である。電圧が電極部107に印加された場合は、入射光101は、屈折率変化部とその周辺の結晶領域との屈折率界面にて全反射される。屈折率界面からの反射光は、延伸端部の端面から反射光103として外部へ出射される。なお、入射光の屈折率界面に対する入射角は臨界角以上である。   FIG. 20B is a schematic diagram of the state of the optical switch when a voltage is applied to the electrode unit 107 as viewed from the side. When voltage is applied to the electrode portion 107, the incident light 101 is totally reflected at the refractive index interface between the refractive index changing portion and the surrounding crystal region. The reflected light from the refractive index interface is emitted to the outside as reflected light 103 from the end face of the stretched end. In addition, the incident angle with respect to the refractive index interface of incident light is more than a critical angle.

透過光102の出射方向は反射光103の出射方向と異なるため、容易にそれらを分離することができる。この透過光102および反射光103の分離を利用して光スイッチ動作を実現する。   Since the outgoing direction of the transmitted light 102 is different from the outgoing direction of the reflected light 103, they can be easily separated. An optical switch operation is realized by utilizing the separation of the transmitted light 102 and the reflected light 103.

本実施形態の光スイッチも、第1の実施形態と同様の効果を得ることができる。   The optical switch of this embodiment can also obtain the same effects as those of the first embodiment.

また、第2の実施形態と同様、電極部107を透過した光は、電気光学結晶104の電極部107よりも下部の格子状の結晶領域1303を通って出射面から射出される。このため、光射出用(もしくは光入射用)の別の電気光学結晶(例えば、図1Aに示した電気光学結晶105)を設ける必要がない。よって、電気光学結晶の貼り付け工程が不要となり、その結果、製造の簡略化と低コスト化を図ることができる。   Similarly to the second embodiment, the light transmitted through the electrode portion 107 is emitted from the emission surface through the lattice crystal region 1303 below the electrode portion 107 of the electro-optic crystal 104. For this reason, it is not necessary to provide another electro-optic crystal for light emission (or light incidence) (for example, the electro-optic crystal 105 shown in FIG. 1A). Therefore, the step of attaching the electro-optic crystal is not required, and as a result, the manufacturing can be simplified and the cost can be reduced.

また、第2の実施形態の光スイッチにおいては、入射する光の電極面の垂線方向のビームの長さ以上の深い溝を形成する必要があったが、本実施形態の光スイッチにおいては、溝の深さを、第2の実施形態のものの約1/2まで減らすことができる。よって、本実施形態によれば、第2の実施形態のものよりもさらに薄い電気光学結晶で光スイッチを構成することができるため、小型で、薄型の光スイッチを提供することができる。   Further, in the optical switch of the second embodiment, it is necessary to form a deep groove that is longer than the length of the beam in the direction perpendicular to the electrode surface of the incident light. In the optical switch of this embodiment, the groove Can be reduced to about ½ that of the second embodiment. Therefore, according to the present embodiment, since the optical switch can be configured with an electro-optic crystal that is thinner than that of the second embodiment, a small and thin optical switch can be provided.

また、第1の実施形態の光スイッチに必要であった電気光学結晶105が不要であること、第2の実施形態の光スイッチに比較して、電気光学結晶のエッチング量を半分程度に減らせること、研磨・張り合わせなどの工程が不要であること、といった点から、加工が容易であるため、製造の簡略化と低コスト化を図ることができる。   Further, the electro-optic crystal 105 necessary for the optical switch of the first embodiment is unnecessary, and the etching amount of the electro-optic crystal can be reduced to about half compared with the optical switch of the second embodiment. In addition, since the processing is easy in view of the fact that steps such as polishing and pasting are unnecessary, manufacturing can be simplified and costs can be reduced.

本実施形態の光スイッチは、第1の実施形態の光スイッチの製造方法(図5の(a)〜(i)の工程)を適用することで作成することができる。ただし、電極を形成するための溝を形成する工程において、電気光学結晶のレジスト未塗布部をエッチング材料(フッ化水素など)でエッチングを行うときに、溝の深さが電極の垂線方向のビームの長さの半分程度となるようにエッチングを行う。この段階で、同時に、ミラー面を形成する部分をエッチングにより形成する。そして、電極を形成する蒸着工程において、同時に、ミラー面を形成する。これにより、少ない工程で電極およびミラー面を形成することができるため、製造の簡略化と低コスト化を図ることができる。   The optical switch of the present embodiment can be created by applying the optical switch manufacturing method of the first embodiment (steps (a) to (i) in FIG. 5). However, in the step of forming the groove for forming the electrode, when the resist-uncoated portion of the electro-optic crystal is etched with an etching material (such as hydrogen fluoride), the depth of the groove is a beam in the direction perpendicular to the electrode. Etching is performed so as to be about half of the length. At this stage, at the same time, a portion for forming the mirror surface is formed by etching. And in the vapor deposition process which forms an electrode, a mirror surface is formed simultaneously. Thereby, since an electrode and a mirror surface can be formed with few processes, manufacture can be simplified and cost reduction can be achieved.

また、第1の実施形態、もしくは第2の実施形態の光スイッチを製造した後、ミラー面を電極位置と同じ高さに取り付けることでも、本実施形態の光スイッチを作製することができる。   Moreover, after manufacturing the optical switch of the first embodiment or the second embodiment, the optical switch of this embodiment can also be manufactured by attaching the mirror surface to the same height as the electrode position.

なお、本実施形態の光スイッチにおいては、電極部とミラー面は、必ずしも同じ高さに形成されている必要はなく、電極部とミラー面が平行であり、電気光学結晶の入射光の射出面側の端部から電極部の射出面側の端部までの長さをl、電極部が形成されている面から、ミラー面が形成されている面までの高さをH、屈折率境界面での臨界角をθmとするとき、電極部とミラー面は、
H≧l/tanθm
を満たすように形成されていればよい。この条件式を満たすような高さにミラー面を電極部と平行に形成すれば、電極部で反射した光と電極部を透過した光を分離することができるため、光スイッチとして使用することが可能となる。なお、lが0、すなわち電極部と電気光学結晶の端部との距離が離れていない場合は、Hが0となる。この場合は、上述したような電極部とミラー面を同じ高さに形成したときと同等の条件となる。
In the optical switch of the present embodiment, the electrode portion and the mirror surface do not necessarily have to be formed at the same height, and the electrode portion and the mirror surface are parallel to each other, and the incident light exit surface of the electro-optic crystal. The length from the end on the side to the end on the exit surface side of the electrode portion is l, the height from the surface where the electrode portion is formed to the surface where the mirror surface is formed is H, and the refractive index boundary surface When the critical angle at is θm, the electrode part and the mirror surface are
H ≧ l / tan θm
It is only necessary to be formed so as to satisfy the above. If the mirror surface is formed parallel to the electrode part at a height that satisfies this conditional expression, the light reflected by the electrode part and the light transmitted through the electrode part can be separated, so that it can be used as an optical switch. It becomes possible. In addition, when l is 0, that is, when the distance between the electrode portion and the end portion of the electro-optic crystal is not separated, H is 0. In this case, the conditions are the same as when the electrode portion and the mirror surface are formed at the same height.

次に、本実施形態の光スイッチを実際に設計した場合の配置例について説明する。ここでは、タンタル酸ニオブ酸カリウム(KTN)を用いた場合の配置例と、ニオブ酸リチウム(LN)を用いた場合の配置例について説明する。   Next, an arrangement example when the optical switch of this embodiment is actually designed will be described. Here, an arrangement example using potassium tantalate niobate (KTN) and an arrangement example using lithium niobate (LN) will be described.

まず、電気光学結晶にタンタル酸ニオブ酸カリウム(KTN)を用いた場合について説明する。   First, the case where potassium tantalate niobate (KTN) is used for the electro-optic crystal will be described.

入射光のビームの、電極面の垂線方向における幅は20μmとされ、電極面に対して平行方向における幅は50μmとされている。入射光の波長λは640nmであり、その場合のタンタル酸ニオブ酸カリウム(KTN)の屈折率nは2.284である。   The width of the incident light beam in the direction perpendicular to the electrode surface is 20 μm, and the width in the direction parallel to the electrode surface is 50 μm. The wavelength λ of the incident light is 640 nm, and the refractive index n of potassium tantalate niobate (KTN) in this case is 2.284.

電極部は、幅wが1μmの10本の電極106からなり、各電極106の間隔は5μmである。電極は、深さ10μmの溝内に形成されている。   The electrode part is composed of ten electrodes 106 having a width w of 1 μm, and the distance between the electrodes 106 is 5 μm. The electrode is formed in a groove having a depth of 10 μm.

電極部に外部電源111から5Vの電圧を印加した場合の屈折率変化量Δnは−0.0065となる。この条件において、電界印加によって生じる屈折率変化部の屈折率界面によって入射光が全反射するときの臨界角θmは、85.9°である。このときの電気光学結晶への入射光の入射角は9.3°である。   The refractive index change amount Δn is −0.0065 when a voltage of 5 V is applied to the electrode portion from the external power source 111. Under this condition, the critical angle θm when the incident light is totally reflected by the refractive index interface of the refractive index changing portion generated by the electric field application is 85.9 °. At this time, the incident angle of the incident light to the electro-optic crystal is 9.3 °.

直径20μmの入射光を、全て屈折率変化部の屈折率界面によって反射するためには、電極106の長さを283μm以上にする必要がある。このときの電極部の総電極間容量はおよそ319pFである。一方、空隙部を有しない比較構造において、電極106と同じ形状および大きさの電極を形成した場合は、およそ419pFである。このことから、本例によれば、電極間容量に関して、比較構造に対して、約8割に低容量化が可能であることがわかる。   In order to reflect all the incident light having a diameter of 20 μm by the refractive index interface of the refractive index changing portion, the length of the electrode 106 needs to be 283 μm or more. At this time, the total interelectrode capacitance of the electrode portion is about 319 pF. On the other hand, when an electrode having the same shape and size as the electrode 106 is formed in the comparative structure having no void portion, it is about 419 pF. From this, it can be seen that according to this example, the interelectrode capacitance can be reduced to about 80% of the comparative structure.

ミラー面は、一辺が約61μm程度の大きさとされ、電極と同じ高さで、透過光が出射される側に向けて形成される。   The mirror surface has a side of about 61 μm and is formed at the same height as the electrode toward the side from which transmitted light is emitted.

次に、電気光学結晶にニオブ酸リチウム(LN)を用いた場合について説明する。   Next, the case where lithium niobate (LN) is used for the electro-optic crystal will be described.

入射光のビームの、電極面の垂線方向における幅は20μmとされ、電極面に対して平行方向における幅は50μmとされる。入射光の波長λは640nmであり、その場合のニオブ酸リチウム(LN)の屈折率nは2.284である。   The width of the incident light beam in the direction perpendicular to the electrode surface is 20 μm, and the width in the direction parallel to the electrode surface is 50 μm. The wavelength λ of incident light is 640 nm, and the refractive index n of lithium niobate (LN) in that case is 2.284.

電極部は、幅wが1μmの14本の電極106からなり、各電極106の間隔は3μmである。電極は、深さ10μmの深い溝内に形成されている。   The electrode portion is composed of 14 electrodes 106 having a width w of 1 μm, and the distance between the electrodes 106 is 3 μm. The electrode is formed in a deep groove having a depth of 10 μm.

電極部に外部電源111から200Vの電圧を印加した場合の屈折率変化量Δnは−0.0070である。この条件において、電界印加によって生じる屈折率変化部の屈折率界面によって入射光が全反射するときの臨界角θmは85.5°である。このときの電気光学結晶への入射光の入射角は10.3°である。   The refractive index change amount Δn is −0.0070 when a voltage of 200 V is applied from the external power source 111 to the electrode portion. Under this condition, the critical angle θm when the incident light is totally reflected by the refractive index interface of the refractive index changing portion generated by the electric field application is 85.5 °. At this time, the incident angle of the incident light to the electro-optic crystal is 10.3 °.

直径20μmの入射光を、全て屈折率変化部の屈折率界面によって反射するためには、電極106の長さを256μm以上にする必要がある。このときの電極部の総電極間容量はおよそ1.25pFである。一方、空隙部を有しない比較構造において、電極106と同じ形状および大きさの電極を形成した場合は、およそ1.59pFである。このことから、本例によれば、電極間容量に関して、比較構造に対して、約8割に低容量化が可能であることがわかる。   In order to reflect all the incident light having a diameter of 20 μm by the refractive index interface of the refractive index changing portion, the length of the electrode 106 needs to be 256 μm or more. The total interelectrode capacitance of the electrode part at this time is approximately 1.25 pF. On the other hand, when an electrode having the same shape and size as the electrode 106 is formed in the comparative structure having no void portion, it is approximately 1.59 pF. From this, it can be seen that according to this example, the interelectrode capacitance can be reduced to about 80% of the comparative structure.

ミラー面は、一辺が約55μm程度の大きさとされ、電極と同じ高さで、透過光が出射される側に向けて形成される。   The mirror surface has a side of about 55 μm and is formed at the same height as the electrode toward the side from which transmitted light is emitted.

上述した各実施形態の光スイッチにおいて、側壁と電極の間に、誘電率が電気光学結晶より小さい膜(例えば絶縁膜)を設けても良い。このような絶縁膜は、例えば次のようにして形成する。まず、図5の(a)〜(i)の工程を行った後、電極が形成された面全体を絶縁膜で覆う。そして、この絶縁膜で覆われた面を研磨して、電極の表面を露出させる。これにより、側壁と電極の間に絶縁膜を有する構造を得る。   In the optical switch of each embodiment described above, a film (for example, an insulating film) having a dielectric constant smaller than that of the electro-optic crystal may be provided between the side wall and the electrode. Such an insulating film is formed as follows, for example. First, after the steps (a) to (i) in FIG. 5 are performed, the entire surface on which the electrodes are formed is covered with an insulating film. Then, the surface covered with the insulating film is polished to expose the surface of the electrode. Thereby, a structure having an insulating film between the side wall and the electrode is obtained.

本発明の光スイッチは、光通信装置、画像表示装置や画像形成装置等に適用することができる。以下に、光スイッチの適用例として、画像表示装置および画像形成装置を説明する。   The optical switch of the present invention can be applied to an optical communication device, an image display device, an image forming device, and the like. Hereinafter, an image display apparatus and an image forming apparatus will be described as application examples of the optical switch.

[画像表示装置]
図21は、本発明の光スイッチを装備した画像表示装置の一例を示す模式図である。この画像表示装置1401は、レーザ光源1402〜1404、コリメータレンズ1405〜1407、反射ミラー1408、ダイクロイックミラー1409、1410、水平走査ミラー1411、垂直走査ミラー1412、および光スイッチ1414〜1416を有する。光スイッチ1414〜1416は、本発明の光スイッチである。
[Image display device]
FIG. 21 is a schematic diagram showing an example of an image display device equipped with the optical switch of the present invention. The image display device 1401 includes laser light sources 1402 to 1404, collimator lenses 1405 to 1407, a reflection mirror 1408, dichroic mirrors 1409 and 1410, a horizontal scanning mirror 1411, a vertical scanning mirror 1412, and optical switches 1414 to 1416. The optical switches 1414 to 1416 are the optical switches of the present invention.

レーザ光源1402からのレーザ光の進行方向に、コリメータレンズ1407、光スイッチ1416、および反射ミラー1408が順に配置されている。コリメータレンズ1407からの平行光束が光スイッチ1416に入射する。光スイッチ1416は、不図示の制御部から供給される制御信号に応じて動作する。制御信号がオンの期間(電圧供給期間)は、光スイッチ1416の電極部に電圧が印加され、屈折率変化領域が形成されるため、その屈折率変化領域にて入射光が反射される。この反射光は、反射ミラー1408へ向かう光路から外れる。制御信号がオフの期間(電圧供給停止期間)は、入射光は光スイッチ1416を透過して反射ミラー108へ向かう。   A collimator lens 1407, an optical switch 1416, and a reflection mirror 1408 are sequentially arranged in the traveling direction of the laser light from the laser light source 1402. A parallel light beam from the collimator lens 1407 enters the optical switch 1416. The optical switch 1416 operates in accordance with a control signal supplied from a control unit (not shown). During a period when the control signal is on (voltage supply period), a voltage is applied to the electrode portion of the optical switch 1416 to form a refractive index change region, and thus incident light is reflected in the refractive index change region. This reflected light deviates from the optical path toward the reflecting mirror 1408. During a period when the control signal is off (voltage supply stop period), incident light passes through the optical switch 1416 and travels toward the reflection mirror 108.

レーザ光源1403からのレーザ光の進行方向に、コリメータレンズ1406、光スイッチ1415、およびダイクロイックミラー1410が順に配置されている。コリメータレンズ1406からの平行光束が光スイッチ1415に入射する。光スイッチ1415においても、光スイッチ1416と同様な動作が行われる。制御信号がオンの期間(電圧供給期間)は、屈折率変化領域にて入射光が反射され、その反射光は、ダイクロイックミラー1410へ向かう光路から外れる。制御信号がオフの期間(電圧供給停止期間)は、入射光は光スイッチ1415を透過してダイクロイックミラー1410へ向かう。   A collimator lens 1406, an optical switch 1415, and a dichroic mirror 1410 are sequentially arranged in the traveling direction of the laser light from the laser light source 1403. A parallel light beam from the collimator lens 1406 enters the optical switch 1415. In the optical switch 1415, the same operation as that of the optical switch 1416 is performed. During the period when the control signal is on (voltage supply period), incident light is reflected in the refractive index change region, and the reflected light deviates from the optical path toward the dichroic mirror 1410. During a period when the control signal is off (voltage supply stop period), incident light passes through the optical switch 1415 and travels toward the dichroic mirror 1410.

レーザ光源1404からのレーザ光の進行方向に、コリメータレンズ1405、光スイッチ1414、およびダイクロイックミラー1409が順に配置されている。コリメータレンズ1405からの平行光束が光スイッチ1414に入射する。光スイッチ1414においても、光スイッチ1416と同様な動作が行われる。制御信号がオンの期間(電圧供給期間)は、屈折率変化領域にて入射光が反射され、その反射光は、ダイクロイックミラー1409へ向かう光路から外れる。制御信号がオフの期間(電圧供給停止期間)は、入射光は光スイッチ1414を透過してダイクロイックミラー1409へ向かう。   A collimator lens 1405, an optical switch 1414, and a dichroic mirror 1409 are sequentially arranged in the traveling direction of the laser light from the laser light source 1404. A parallel light beam from the collimator lens 1405 enters the optical switch 1414. In the optical switch 1414, the same operation as that of the optical switch 1416 is performed. During the period when the control signal is on (voltage supply period), the incident light is reflected in the refractive index change region, and the reflected light deviates from the optical path toward the dichroic mirror 1409. During a period when the control signal is off (voltage supply stop period), incident light passes through the optical switch 1414 and travels toward the dichroic mirror 1409.

ダイクロイックミラー1410は、光スイッチ1415からの光束と、反射ミラー1408にて反射された光束とが交差する位置に設けられている。ダイクロイックミラー1410は、光スイッチ1415からの光を反射し、反射ミラー1408からの光を透過するような波長選択特性を有している。   The dichroic mirror 1410 is provided at a position where the light beam from the optical switch 1415 and the light beam reflected by the reflection mirror 1408 intersect. The dichroic mirror 1410 has a wavelength selection characteristic that reflects light from the optical switch 1415 and transmits light from the reflection mirror 1408.

ダイクロイックミラー1409は、光スイッチ1414からの光束とダイクロイックミラー1410からの光束とが交差する位置に設けられている。ダイクロイックミラー1409は、光スイッチ1414からの光を反射し、ダイクロイックミラー1410からの光を透過するような波長選択特性を有している。   The dichroic mirror 1409 is provided at a position where the light beam from the optical switch 1414 and the light beam from the dichroic mirror 1410 intersect. The dichroic mirror 1409 has a wavelength selection characteristic that reflects light from the optical switch 1414 and transmits light from the dichroic mirror 1410.

水平走査ミラー1411は、ダイクロイックミラー1409からの光束の進行方向に配置されており、不図示の制御部からの水平走査制御信号によりその動作が制御される。垂直走査ミラー1412は、水平走査ミラー1411からの光束の進行方向に配置されており、不図示の制御部からの垂直走査制御信号によりその動作が制御される。   The horizontal scanning mirror 1411 is arranged in the traveling direction of the light beam from the dichroic mirror 1409, and its operation is controlled by a horizontal scanning control signal from a control unit (not shown). The vertical scanning mirror 1412 is arranged in the traveling direction of the light beam from the horizontal scanning mirror 1411, and its operation is controlled by a vertical scanning control signal from a control unit (not shown).

レーザ光源1402、1403、1404として、R、G、Bの3原色に対応する色のレーザ光を出射する光源を用いる。光スイッチ1414、1415、1416をオンオフ制御し、かつ、水平走査ミラー1411および垂直走査ミラー1412を制御することで、スクリーン1413上に、カラー画像を表示することができる。   As the laser light sources 1402, 1403, and 1404, light sources that emit laser beams having colors corresponding to the three primary colors R, G, and B are used. A color image can be displayed on the screen 1413 by controlling on / off of the optical switches 1414, 1415, and 1416 and controlling the horizontal scanning mirror 1411 and the vertical scanning mirror 1412.

[画像形成装置]
次に、本発明の光スイッチを備える画像形成装置の構成について説明する。
[Image forming apparatus]
Next, the configuration of the image forming apparatus including the optical switch of the present invention will be described.

図22は、本発明の光スイッチを装備した画像形成装置の一例を示す模式図である。この画像形成装置1501は、レーザ光源1502、コリメータレンズ1503、反射ミラー1504、走査ミラー1505、および光スイッチ1506と、fθレンズ1507および感光体1508を有する。光スイッチ1506は、本発明の光スイッチである。   FIG. 22 is a schematic diagram showing an example of an image forming apparatus equipped with the optical switch of the present invention. The image forming apparatus 1501 includes a laser light source 1502, a collimator lens 1503, a reflection mirror 1504, a scanning mirror 1505, an optical switch 1506, an fθ lens 1507, and a photoreceptor 1508. The optical switch 1506 is the optical switch of the present invention.

レーザ光源1502からのレーザ光の進行方向に、コリメータレンズ1503、光スイッチ1506、および反射ミラー1504が順に配置されている。コリメータレンズ1503からの平行光束が光スイッチ1506に入射する。光スイッチ1506は、不図示の制御部から供給される制御信号に応じて動作する。制御信号がオンの期間(電圧供給期間)は、光スイッチ1506の電極部に電圧が印加され、屈折率変化領域が形成されるため、その屈折率変化領域にて入射光が反射される。この反射光は、反射ミラー1505へ向かう光路から外れる。制御信号がオフの期間(電圧供給停止期間)は、入射光は光スイッチ1506を透過して反射ミラー1505へ向かう。   A collimator lens 1503, an optical switch 1506, and a reflection mirror 1504 are sequentially arranged in the traveling direction of the laser light from the laser light source 1502. A parallel light beam from the collimator lens 1503 enters the optical switch 1506. The optical switch 1506 operates according to a control signal supplied from a control unit (not shown). During a period in which the control signal is on (voltage supply period), a voltage is applied to the electrode portion of the optical switch 1506 to form a refractive index change region, so that incident light is reflected in the refractive index change region. This reflected light deviates from the optical path toward the reflecting mirror 1505. During a period when the control signal is off (voltage supply stop period), incident light passes through the optical switch 1506 and travels toward the reflection mirror 1505.

走査ミラー1505は、反射ミラー1505からの光束の進行方向に配置されており、不図示の制御部からの走査制御信号によりその動作が制御される。走査ミラー1505からの光は、fθレンズ1507を介して感光体1508に照射される。   The scanning mirror 1505 is arranged in the traveling direction of the light beam from the reflection mirror 1505, and its operation is controlled by a scanning control signal from a control unit (not shown). Light from the scanning mirror 1505 is applied to the photoreceptor 1508 via the fθ lens 1507.

光スイッチ1506をオンオフ制御し、かつ、走査ミラー1505を制御することで、感光体1508上に画像を形成するができる。   By controlling on / off of the optical switch 1506 and controlling the scanning mirror 1505, an image can be formed on the photoreceptor 1508.

また、感光体1508の直前に挿入したfθレンズ1507を使用せずに、スキャンした画像をそのまま感光体1508に投影させる装置として利用することも可能である。   Further, it is also possible to use as a device for projecting a scanned image as it is on the photoreceptor 1508 without using the fθ lens 1507 inserted immediately before the photoreceptor 1508.

以上説明した第1から第3の実施形態の光スイッチおよびその光スイッチを利用したシステムは、本発明の一例であり、その構成や光スイッチの製造手順は、発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜に変更することができる。   The optical switch of the first to third embodiments described above and the system using the optical switch are examples of the present invention, and the configuration and the manufacturing procedure of the optical switch are appropriately set within the scope of the invention. Can be changed.

本発明の一態様によれば、電気光学結晶と、同一平面上に配置された複数の電極からなる電極部とを有し、該電極部により発生した電界により上記電気光学結晶の一部の屈折率を変化させることによって、上記電気光学結晶に入射した入射光の透過と反射とを切り換える光スイッチであって、上記電気光学結晶は、上記電極部を構成する電極の間に、上記平面からの高さが該電極よりも高い側壁を有し、上記電気光学結晶の、少なくとも上記電極部からの電界が及ぶ領域が、光学的に均質な材料より形成されている。   According to one aspect of the present invention, an electro-optic crystal and an electrode portion composed of a plurality of electrodes arranged on the same plane, and a part of the electro-optic crystal is refracted by an electric field generated by the electrode portion. An optical switch that switches between transmission and reflection of incident light incident on the electro-optic crystal by changing a rate, wherein the electro-optic crystal is disposed between the electrodes constituting the electrode portion from the plane. A region having a side wall whose height is higher than that of the electrode and at least an electric field from the electrode portion of the electro-optic crystal is formed from an optically homogeneous material.

上記の光スイッチにおいて、上記電極部は、面積最大となる主断面が同一平面内に配置された複数の線状電極からなり、各線状電極の間に、上記側壁が形成されていてもよい。   In the above-described optical switch, the electrode section may be composed of a plurality of linear electrodes having a main cross section with the largest area arranged in the same plane, and the side wall may be formed between the linear electrodes.

また、上記複数の線状電極は、同じ膜厚を有し、平行かつ等間隔に配置されてもよい。   The plurality of linear electrodes may have the same film thickness and be arranged in parallel and at equal intervals.

さらに、上記電気光学結晶は、上記側壁により仕切られた複数の溝を有し、各溝に上記電極部を構成する電極がそれぞれ形成されてもよい。   Further, the electro-optic crystal may have a plurality of grooves partitioned by the side wall, and electrodes constituting the electrode part may be formed in each groove.

さらに、上記電気光学結晶中の、上記電極部からの電界により屈折率が変化した領域と該領域の周辺の領域との屈折率界面における、全反射の条件とされる臨界角をθm、上記入射光の上記平面の垂線方向とビームの進行方向とを含む平面内におけるビーム径をr、上記入射光の電極の水平方向における径をwとするとき、上記電極部を構成する電極の長さLと電極部の幅Wが
L≧r/cosθm
W≧w
で与えられてもよい。
Further, the critical angle, which is a condition for total reflection, at the refractive index interface between the region where the refractive index is changed by the electric field from the electrode portion in the electro-optic crystal and the region around the region is θm, When the beam diameter in the plane including the perpendicular direction of the plane of the incident light and the traveling direction of the beam is r, and the diameter of the electrode of the incident light in the horizontal direction is w, the length L of the electrodes constituting the electrode portion And the width W of the electrode part is L ≧ r / cos θm
W ≧ w
May be given in

さらに、上記電気光学結晶は、上記側壁により仕切られた空隙部を有し、該空隙部毎に、上記電極部を構成する電極が形成されており、該電極の一部が上記空隙部内に露出してもよい。   Furthermore, the electro-optic crystal has a void portion partitioned by the side wall, and an electrode constituting the electrode portion is formed for each void portion, and a part of the electrode is exposed in the void portion. May be.

さらに、上記空隙部内が、減圧された状態または空気で満された状態であってもよい。   Further, the inside of the gap may be in a reduced pressure state or filled with air.

さらに、上記電極部を構成する電極は、誘電率が上記電気光学結晶よりも小さな物質に接触していてもよい。   Furthermore, the electrode constituting the electrode part may be in contact with a substance having a dielectric constant smaller than that of the electro-optic crystal.

さらに、上記物質の熱伝導率が上記電気光学結晶よりも高くてもよい。   Furthermore, the thermal conductivity of the substance may be higher than that of the electro-optic crystal.

さらに、上記電極部は、上記電気光学結晶中の、上記入射光が透過する光路上に複数配置されてもよい。   Furthermore, a plurality of the electrode portions may be arranged on an optical path through which the incident light passes in the electro-optic crystal.

さらに、上記電気光学結晶の一方の端部に入射面が形成され、上記一方の端部と対向する他方の端部に出射面が形成され、上記入射面および出射面はそれぞれ上記平面と直交し、上記入射面の上記入射光が入射される領域および上記出射面の上記電極部を透過した光が出射される領域の、上記平面の垂線方向における長さがそれぞれ、上記入射光の上記垂線方向における長さ以上であってもよい。   Further, an incident surface is formed at one end of the electro-optic crystal, an exit surface is formed at the other end opposite to the one end, and the entrance surface and the exit surface are orthogonal to the plane. The length in the perpendicular direction of the plane of the region where the incident light on the incident surface is incident and the region where the light transmitted through the electrode portion of the emission surface is emitted are respectively perpendicular to the perpendicular direction of the incident light. It may be longer than

さらに、上記電気光学結晶の一方の端部に入射面が形成され、上記一方の端部と対向する他方の端部に出射面が形成され、上記入射面および出射面はそれぞれ、上記平面と直交し、上記入射面の上記入射光が入射される領域の、上記平面に垂線方向における長さが上記入射光の上記垂線方向における長さの半分以上とされ、上記他方の端部に、上記平面と平行にミラー面が形成されてもよい。   Further, an incident surface is formed at one end of the electro-optic crystal, and an exit surface is formed at the other end opposite to the one end. The entrance surface and the exit surface are orthogonal to the plane. The length of the incident surface of the incident surface on which the incident light is incident is longer than half of the length of the incident light in the perpendicular direction to the plane, and the other end is the plane. A mirror surface may be formed in parallel with.

さらに、上記電気光学結晶の入射光の射出面側の端部から電極部の射出面側の端部までの長さをl、電極部が形成されている面から、前記ミラー面が形成されている面までの高さをH、屈折率界面での臨界角をθmとするとき、
H≧l/tanθm
の条件を満たすように構成してもよい。
Further, the length from the end on the exit surface side of the incident light of the electro-optic crystal to the end on the exit surface side of the electrode portion is l, and the mirror surface is formed from the surface on which the electrode portion is formed. When the height to the surface is H and the critical angle at the refractive index interface is θm,
H ≧ l / tan θm
You may comprise so that these conditions may be satisfy | filled.

本発明の一態様である光スイッチの製造方法においては、光スイッチを構成する複数の溝、複数の電極およびミラー面を同一工程で基板に形成してもよい。   In the method for manufacturing an optical switch which is one embodiment of the present invention, a plurality of grooves, a plurality of electrodes, and a mirror surface constituting the optical switch may be formed on the substrate in the same process.

本発明の第1の実施形態である光スイッチの構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the optical switch which is the 1st Embodiment of this invention. 図1Aに示す光スイッチを出射面側から見た場合の断面図である。It is sectional drawing at the time of seeing the optical switch shown to FIG. 1A from the output surface side. 図1Aに示す光スイッチにおける屈折率変化を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the refractive index change in the optical switch shown to FIG. 1A. 図1Aに示す光スイッチにおける、印加電圧に対する屈折率および光パワーの変化を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the change of the refractive index with respect to the applied voltage, and optical power in the optical switch shown to FIG. 1A. 図1Aに示す光スイッチにおける電極間隔と電極間に発生する電界強度の関係を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the relationship between the electrode space | interval and the electric field strength which generate | occur | produces between electrodes in the optical switch shown to FIG. 1A. 本発明の第1の実施形態の光スイッチの変形例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the modification of the optical switch of the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態の光スイッチの電極形成方法を説明するための図であって、(a)〜(j)は断面工程図である。It is a figure for demonstrating the electrode formation method of the optical switch of the 1st Embodiment of this invention, Comprising: (a)-(j) is sectional process drawing. 本発明の第1の実施形態の光スイッチの別の電極形成方法を説明するための図であって、(a)および(b)は断面工程図である。It is a figure for demonstrating another electrode formation method of the optical switch of the 1st Embodiment of this invention, Comprising: (a) And (b) is sectional process drawing. 本発明の第1の実施形態の光スイッチのさらに別の電極形成方法を説明するための図であって、(a)〜(c)は断面工程図である。It is a figure for demonstrating another electrode formation method of the optical switch of the 1st Embodiment of this invention, Comprising: (a)-(c) is sectional process drawing. 本発明の第1の実施形態の光スイッチの他の電極形成方法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the other electrode formation method of the optical switch of the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態の光スイッチの変形例であるマルチ電極構造を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the multi-electrode structure which is a modification of the optical switch of the 1st Embodiment of this invention. 図9Aに示す光スイッチを出射面側から見た場合の断面図である。It is sectional drawing at the time of seeing the optical switch shown to FIG. 9A from the output surface side. 図9Aに示す光スイッチにおける屈折率変化を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the refractive index change in the optical switch shown to FIG. 9A. 本発明の第1の実施形態の光スイッチの変形例である別のマルチ電極構造を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows another multi-electrode structure which is a modification of the optical switch of the 1st Embodiment of this invention. 図10Aに示す光スイッチを側面から見た場合の断面図である。It is sectional drawing at the time of seeing the optical switch shown to FIG. 10A from the side surface. 本発明の第1の実施形態の光スイッチの変形例であるマルチ電極構造を製造する方法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the method to manufacture the multi-electrode structure which is a modification of the optical switch of the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態の光スイッチの変形例である他のマルチ電極構造を製造する方法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the method to manufacture the other multi-electrode structure which is a modification of the optical switch of the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施形態である光スイッチの構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the optical switch which is the 2nd Embodiment of this invention. 図12Aに示す光スイッチを出射面側から見た場合の断面図である。It is sectional drawing at the time of seeing the optical switch shown to FIG. 12A from the output surface side. 図12Aに示す光スイッチにおける屈折率変化を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the refractive index change in the optical switch shown to FIG. 12A. 図12Aに示す光スイッチの動作を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating operation | movement of the optical switch shown to FIG. 12A. 図12Aに示す光スイッチの動作を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating operation | movement of the optical switch shown to FIG. 12A. 図12Aに示す光スイッチの比較例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the comparative example of the optical switch shown to FIG. 12A. 本発明の第2の実施形態である光スイッチの変形例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the modification of the optical switch which is the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施形態の光スイッチの変形例であるマルチ電極構造を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the multi-electrode structure which is a modification of the optical switch of the 2nd Embodiment of this invention. 図16Aに示すマルチ電極構造の光スイッチを出射面側から見た場合の断面図である。It is sectional drawing at the time of seeing the optical switch of the multi-electrode structure shown to FIG. 16A from the output surface side. 本発明の第2の実施形態の光スイッチの変形例である他のマルチ電極構造を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the other multi-electrode structure which is a modification of the optical switch of the 2nd Embodiment of this invention. 図17Aに示すマルチ電極構造の光スイッチを出射面側から見た場合の断面図である。It is sectional drawing at the time of seeing the optical switch of the multi-electrode structure shown to FIG. 17A from the output surface side. 本発明の第2の実施形態の光スイッチの電極形成方法を説明するための図であって、(a)〜(h)は断面工程図である。It is a figure for demonstrating the electrode formation method of the optical switch of the 2nd Embodiment of this invention, Comprising: (a)-(h) is sectional process drawing. 本発明の第3の実施形態である光スイッチの構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the optical switch which is the 3rd Embodiment of this invention. 図19Aに示す光スイッチを出射面側から見た場合の断面図である。It is sectional drawing at the time of seeing the optical switch shown to FIG. 19A from the output surface side. 図19Aに示す光スイッチにおける屈折率変化を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the refractive index change in the optical switch shown to FIG. 19A. 図19Aに示す光スイッチの動作を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating operation | movement of the optical switch shown to FIG. 19A. 図19Aに示す光スイッチの動作を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating operation | movement of the optical switch shown to FIG. 19A. 本発明の光スイッチを装備した画像表示装置の一例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows an example of the image display apparatus equipped with the optical switch of this invention. 本発明の光スイッチを装備した画像形成装置の一例を示す模式図である。It is a schematic diagram showing an example of an image forming apparatus equipped with the optical switch of the present invention. 特許文献1に記載の光スイッチの構成を示す模式図である。10 is a schematic diagram illustrating a configuration of an optical switch described in Patent Document 1. FIG. 特許文献2に記載の光スイッチの構成を示す模式図である。10 is a schematic diagram illustrating a configuration of an optical switch described in Patent Document 2. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

101 入射光
102 透過光
103 反射光
104、105 電気光学結晶
106 電極
107 電極部
108 空隙部
109 光透過部
110 側壁
111 外部電源
101 Incident light 102 Transmitted light 103 Reflected light 104, 105 Electro-optic crystal 106 Electrode 107 Electrode part 108 Gap part 109 Light transmissive part 110 Side wall 111 External power supply

Claims (16)

電気光学結晶と、同一平面上に配置された複数の電極からなる電極部とを有し、該電極部により発生した電界により前記電気光学結晶の一部の屈折率を変化させることによって、前記電気光学結晶に入射した入射光の透過と反射とを切り換える光スイッチであって、
前記電気光学結晶は、前記電極部を構成する電極の間に、前記平面からの高さが該電極よりも高い側壁を有し、前記電気光学結晶の、少なくとも前記電極部からの電界が及ぶ領域が、光学的に均質な材料より形成され、
前記複数の電極は、極性が異なる第1および第2の電極を含み、該第1および第2の電極が交互に配置されている、光スイッチ。
An electro-optic crystal, and an electrode portion comprising a plurality of electrodes arranged on the same plane, and changing the refractive index of a part of the electro-optic crystal by an electric field generated by the electrode portion, An optical switch that switches between transmission and reflection of incident light incident on an optical crystal,
The electro-optic crystal has a side wall whose height from the plane is higher than that of the electrode between the electrodes constituting the electrode portion, and the electro-optic crystal is a region where at least an electric field from the electrode portion extends. Is formed from an optically homogeneous material ,
The plurality of electrodes includes first and second electrodes having different polarities, and the first and second electrodes are alternately arranged .
前記電気光学結晶は、前記側壁により仕切られた空隙部を有し、該空隙部毎に、前記電極部を構成する電極が形成されており、該電極の一部が前記空隙部内に露出している、請求項1に記載の光スイッチ。 The electro-optic crystal has a void portion partitioned by the side wall, and an electrode constituting the electrode portion is formed for each void portion, and a part of the electrode is exposed in the void portion. The optical switch according to claim 1 . 前記空隙部内が、減圧された状態または空気で満された状態である、請求項に記載の光スイッチ。 The optical switch according to claim 2 , wherein the gap is in a state of being decompressed or filled with air. 前記電極部は、面積最大となる主断面が同一平面内に配置された複数の線状電極からなり、各線状電極の間に、前記側壁が形成されている、請求項1から3のいずれか1項に記載の光スイッチ。 4. The electrode part according to claim 1, wherein the electrode section includes a plurality of linear electrodes having a main cross section having a maximum area arranged in the same plane, and the side wall is formed between the linear electrodes . The optical switch according to item 1 . 前記複数の線状電極は、同じ膜厚を有し、平行かつ等間隔に配置されている、請求項に記載の光スイッチ。 The optical switch according to claim 4 , wherein the plurality of linear electrodes have the same film thickness and are arranged in parallel and at equal intervals. 前記電気光学結晶は、前記側壁により仕切られた複数の溝を有し、各溝に前記電極部を構成する電極がそれぞれ形成されている、請求項1からのいずれか1項に記載の光スイッチ。 The electro-optical crystal has a plurality of grooves which are partitioned by the side walls, the light according to any one of the electrodes constituting the electrode portion in each groove are formed respectively, claims 1 to 5, switch. 前記電気光学結晶中の、前記電極部からの電界により屈折率が変化した領域と該領域の周辺の領域との屈折率界面における、全反射の条件とされる臨界角をθmとし前記入射光が前記電極部を構成する電極の長手方向に進行し、前記屈折率界面に前記臨界角以下の角度で入射する場合の、前記入射光の前記平面の垂線方向と前記入射光の進行方向とを含む平面内における径をr、前記入射光の前記電極を含む面に平行な方向における径をwとするとき、前記電極の長さLと前記電極部の幅Wが
L≧r/cosθm
W≧w
で与えられる、請求項1からのいずれか1項に記載の光スイッチ。
In the electro-optic crystal, a critical angle which is a condition for total reflection at a refractive index interface between a region where the refractive index is changed by an electric field from the electrode portion and a region around the region is θm , and the incident light Traveling in the longitudinal direction of the electrode constituting the electrode portion and entering the refractive index interface at an angle less than the critical angle , the perpendicular direction of the plane of the incident light and the traveling direction of the incident light the diameter in a plane containing r, wherein when a w a diameter in a direction parallel to the plane containing the electrodes of the incident light, prior Symbol conductive length L and width W of the electrode portion of the electrode L ≧ r / cosθm
W ≧ w
Given in optical switch according to any one of claims 1 to 6.
前記電極部を構成する電極は、誘電率が前記電気光学結晶よりも小さな物質に接触している、請求項1からのいずれか1項に記載の光スイッチ。 The optical switch according to any one of claims 1 to 7 , wherein an electrode constituting the electrode portion is in contact with a substance having a dielectric constant smaller than that of the electro-optic crystal. 前記物質の熱伝導率が前記電気光学結晶よりも高い、請求項8に記載の光スイッチ。   The optical switch according to claim 8, wherein the thermal conductivity of the substance is higher than that of the electro-optic crystal. 前記電極部は、前記電気光学結晶中の、前記入射光が透過する光路上に複数配置されている、請求項1から9のいずれか1項に記載の光スイッチ。   10. The optical switch according to claim 1, wherein a plurality of the electrode portions are arranged on an optical path through which the incident light passes in the electro-optic crystal. 前記電気光学結晶の一方の端部に入射面が形成され、前記一方の端部と対向する他方の端部に出射面が形成され、前記入射面および出射面はそれぞれ前記平面と直交し、前記入射面の前記入射光が入射される領域および前記出射面の前記電極部を透過した光が出射される領域の、前記平面の垂線方向における長さがそれぞれ、前記入射光の前記垂線方向における長さ以上である、請求項1から10のいずれか1項に記載の光スイッチ。   An entrance surface is formed at one end of the electro-optic crystal, an exit surface is formed at the other end facing the one end, and the entrance surface and the exit surface are each orthogonal to the plane, The length of the plane in the perpendicular direction of the plane of the region where the incident light is incident on the incident surface and the region where the light transmitted through the electrode portion of the output surface is emitted are the lengths in the perpendicular direction of the incident light, respectively. The optical switch according to any one of claims 1 to 10, wherein the optical switch is equal to or greater than one. 前記電気光学結晶の一方の端部に入射面が形成され、前記一方の端部と対向する他方の端部に出射面が形成され、前記入射面および出射面はそれぞれ、前記平面と直交し、前記出射面の前記電極部を透過した光が出射される領域の、前記平面に垂線方向における長さが前記入射光の前記垂線方向における長さの半分以上とされ、前記他方の端部に、前記平面に平行にミラー面が形成されている、請求項1から10のいずれか1項に記載の光スイッチ。 An entrance surface is formed at one end of the electro-optic crystal, an exit surface is formed at the other end facing the one end, and the entrance surface and the exit surface are each orthogonal to the plane, The length in the direction perpendicular to the plane of the region where the light transmitted through the electrode portion of the emission surface is emitted is at least half the length in the direction perpendicular to the incident light, and the other end is The optical switch according to claim 1, wherein a mirror surface is formed in parallel to the plane. 前記電気光学結晶の入射光の射出面側の端部から電極部の射出面側の端部までの長さをl、電極部が形成されている面から、前記ミラー面が形成されている面までの高さをH、屈折率界面での臨界角をθmとするとき、
H≧l/tanθm
の条件を満たす請求項12に記載の光スイッチ。
The length from the end on the exit surface side of the incident light of the electro-optic crystal to the end on the exit surface side of the electrode portion is l, and the surface on which the mirror surface is formed from the surface on which the electrode portion is formed When the height up to H is H and the critical angle at the refractive index interface is θm,
H ≧ l / tan θm
The optical switch according to claim 12, which satisfies the following condition.
請求項12または13に記載の光スイッチの製造方法であって、
前記光スイッチを構成する前記複数の溝、複数の電極およびミラー面を同一工程で基板に形成する光スイッチの製造方法。
It is a manufacturing method of the optical switch according to claim 12 or 13,
A method of manufacturing an optical switch, wherein the plurality of grooves, the plurality of electrodes, and the mirror surface constituting the optical switch are formed on a substrate in the same process.
光源と、
前記光源からの光を変調する請求項1から13のいずれかに記載の光スイッチと、
前記光スイッチからの変調された光ビームで外部スクリーン上を走査する走査手段と、
外部からの制御信号に応じて前記光スイッチにおける変調動作を制御する制御部とを有する、画像表示装置。
A light source;
The optical switch according to any one of claims 1 to 13, which modulates light from the light source;
Scanning means for scanning on an external screen with a modulated light beam from the optical switch;
An image display apparatus comprising: a control unit that controls a modulation operation in the optical switch according to a control signal from the outside.
光源と、
感光体と、
前記光源からの光を変調する請求項1から13のいずれかに記載の光スイッチと、
前記光スイッチからの変調された光ビームで前記感光体上を走査する走査手段と、
外部からの制御信号に応じて前記光スイッチにおける変調動作を制御する制御部とを有する、画像形成装置。
A light source;
A photoreceptor,
The optical switch according to any one of claims 1 to 13, which modulates light from the light source;
Scanning means for scanning the photoreceptor with a modulated light beam from the optical switch;
An image forming apparatus comprising: a control unit that controls a modulation operation in the optical switch according to a control signal from the outside.
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