JP5187391B2

JP5187391B2 - 光スイッチ

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Publication number: JP5187391B2
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Inventors: 修石橋; 藤男奥村; 雅彦太田
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Filing date: 2009-03-24
Publication date: 2013-04-24
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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に関する。

電気光学効果を利用して透過状態と反射状態の切り替えを行う光スイッチが、特許２６６６８０５（特開平１−２１４８２７）号公報（以下、特許文献１と記す）に開示されている。この光スイッチは、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。

この光スイッチでは、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、入射光は透過する。

光スイッチの、さらなる小型化および省電力化が望まれている。電極の面積（容量）を小さくすることで、動作電圧を低くすることができ、それにより省電力化を図ることができる。また、電極の面積を小さくすることにより、光スイッチの小型化を図ることもできる。しかしながら、特許文献１に記載の光スイッチにおいては、回折格子を形成するために、面積の大きな複数の板電極を用いているため、そのような小型化および省電力化を図ることは困難である。仮に、板電極の面積を小さくした場合は、周期的な屈折率変化を生じる領域が小さくなり、その結果、回折格子としての十分な機能を得られなくなる場合がある。

ところで、光通信などで使用されている一般的な光スイッチの場合、要求される消光比は１０：１程度であるが、画像表示機器への応用を考えると、その消光比は十分ではない。このため、消光比のさらなる改善も求められている。

これまで、小型化および省電力化を図り、かつ、消光比の改善を図ることのできる光スイッチを実現するための技術は提案されていない。

本発明の目的は、上記課題を解決することのできる光スイッチを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の一態様による光スイッチは、電気光学結晶内部に、前記電気光学結晶に電界を印加するための複数の電極部を備え、前記複数の電極部のそれぞれは、平行に配置された複数の線状電極を備えており、互いの前記複数の線状電極の長手方向が一致するように配設され、且つ、前記複数の線状電極により構成される電極面が互いに平行となるように配設され、前記複数の電極部のうちの隣接する電極部間において、入射光が一方の電極部の線状電極の間を通過する際に生じる一次回折光が、他方の電極部の線状電極の間を通過するように、隣接する前記電極部間の間隔が設定されている。

本発明の一実施形態である光スイッチの主要部の上面図である。図１Ａの線Ａ−Ａによる断面図である。図１Ａに示す光スイッチの、入射光の進行方向における電極部の位置関係を示す模式図である。図１Ａに示す光スイッチの電界印加時に形成される屈折率変化領域を示す模式図である。図１Ａに示す光スイッチのＢ−Ｂ線の部分断面における各電極部の適正な位置を説明するための模式図である。図１Ａに示す光スイッチのＡ−Ａ線の部分断面における各電極部の適正な位置を説明するための模式図である。本発明の第１の実施例である光スイッチの電極構造を説明するための模式図である。本発明の第１の実施例である光スイッチの電極構造を説明するための模式図である。本発明の第２の実施例である光スイッチの電極構造を説明するための模式図である。本発明の第２の実施例である光スイッチの電極構造を説明するための模式図である。本発明の第３の実施例である光スイッチの電極構造を説明するための模式図である。本発明の第３の実施例である光スイッチの電極構造を説明するための模式図である。本発明の第４の実施例である光スイッチの電極構造を説明するための模式図である。本発明の第４の実施例である光スイッチの電極構造を説明するための模式図である。本発明の第５の実施例である光スイッチの電極構造を説明するための模式図である。本発明の第５の実施例である光スイッチの電極構造を説明するための模式図である。本発明の第６の実施例である光スイッチの電極構造を説明するための模式図である。本発明の第６の実施例である光スイッチの電極構造を説明するための模式図である。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。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。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。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。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。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。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。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。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。画像表示装置の一例を示す模式図である。画像形成装置の一例を示す模式図である。

符号の説明

１０〜１２光学結晶板
１３ａ、１３ｂ、１４ａ、１４ｂ電極部

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。

図１Ａは、本発明の一実施形態である光スイッチの上面図、図１Ｂは、図１Ａの線Ａ−Ａによる断面図である。

図１Ａおよび図１Ｂに示すように、光スイッチは、光学結晶板１０と、表面に電極部１３ａ、１３ｂが形成された光学結晶板１１と、表面に電極部１４ａ、１４ｂが形成された光学結晶板１２とを積層した構造を有する。光学結晶板１０〜１２は、電気光学効果を有する結晶（電気光学結晶）よりなる。

電極部１３ａ、１３ｂのそれぞれは、等間隔に配置され、かつ、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を有する櫛形電極である。電極部１３ａと電極部１３ｂとは、互いの線状電極が交互に配置されており、各線状電極間の間隔は等間隔である。電極部１４ａ、１４ｂも、電極部１３ａ、１３ｂと同様の櫛形電極であり、互いの線状電極が交互に配置されている。電極部１４ａ、１４ｂの各線状電極間の間隔は等間隔であり、電極部１３ａ、１３ｂの各線状電極間の間隔と同じである。なお、線状電極の間隔が等間隔であるとは、各線状電極間の距離が完全に一致している状態だけでなく、製造誤差等により線状電極間の間隔にズレが生じている状態をも含む。

光学結晶板１０は、電極部１３ａ、１３ｂの櫛歯に相当する線状電極が形成された部分を覆うように、光学結晶板１１の表面に貼り付けられる。光学結晶板１０が貼り付けられた光学結晶板１１は、電極部１４ａ、１４ｂの櫛歯に相当する線状電極が形成された部分を覆うように、光学結晶板１２の表面に貼り付けられる。

図１Ａには、光学結晶板１１の表面に形成された電極部１３ａ、１３ｂを光学結晶板１０側から見た状態が透視図的に示されている。電極部１３ａ、１３ｂよりなる第１の電極形成領域は、電極部１４ａ、１４ｂよりなる第２の電極形成領域上から少しずれた位置に形成されている。ただし、図１Ｂに示すように、図１ＡのＡ−Ａ線により光学結晶板１０〜１２を切断した断面に垂直な方向から見た場合、電極部１３ａ、１３ｂの各線状電極の位置と、電極部１４ａ、１４ｂの各線状電極の位置は一致する。

図１Ｃは、入射光の進行方向における電極部１３ａ、１３ｂと電極部１４ａ、１４ｂの位置関係を示す模式図である。図１Ｃに示す断面は、図１ＡのＢ−Ｂ線における断面である。

図１Ｃに示すように、電極部１３ａ、１３ｂよりなる第１の電極形成領域および電極部１４ａ、１４ｂよりなる第２の電極形成領域は、入射光の進行方向に順に配置されている。すなわち、第１および第２の電極形成領域は、光路上に位置する。入射光１５の進行方向に沿って第１および第２の電極形成領域を見た場合、第１および第２の電極形成領域は、互いの領域の電極部の複数の線状電極からなる電極面（または電極部が形成された面）が平行になるように積層されている。また、入射光１５の進行方向に沿って見た場合、電極部１３ａ、１３ｂの各線状電極の位置が、電極部１４ａ、１４ｂの各線状電極の位置と一致する。

図１Ａ〜図１Ｃに示した光学結晶板１０〜１２を高温・高圧下で貼り合わせることで、光スイッチが形成される。高温・高圧下で貼り合わせた光学結晶板１０〜１２は、１つの光学結晶（具体的には、電気光学結晶）と見なすことができる。すなわち、光学結晶板１０〜１２を高温・高圧下で貼り合わせることで、内部に電極部を備える電気光学結晶を形成することができる。

この光スイッチでは、電極部１３ａ、１３ｂ間に電圧を印加すると、電気光学効果により、電極部１３ａ、１３ｂを含む電極近傍領域の結晶の屈折率が変化する。同様に、電極部１４ａ、１４ｂ間に電圧を印加すると、電気光学効果により、電極部１４ａ、１４ｂを含む電極近傍領域の結晶の屈折率が変化する。

図２に、電極部１３ａ、１３ｂを含む電極近傍領域に形成される屈折率変化領域を模式的に示す。電極部１３ａ、１３ｂ間に電圧を印加すると、隣接する線状電極間において電界が発生し、その電界により、各線状電極を含む電極近傍領域の結晶の屈折率が変化する。この屈折率が変化した領域が、図２に示す屈折率変化領域１６である。入射光は、屈折率変化領域１６とその周りの結晶領域との界面（屈折率界面）において全反射する。入射光の入射角度（図１Ｃに示した入射角θに同じ）は、この界面における全反射が可能な条件を満たすように設定することが望ましい。

なお、図２では、便宜上、入射光が図面に向かって左側から屈折率変化領域に入射し、その反射光が右側へ向かう状態が示されているが、実際には、入射光は、図面に向かって手前側（または奥側）から屈折率変化領域に入射し、その反射光が奥側（または手前側）へ向かうことになる。

電極部１３ａ、１３ｂへ電圧を印加した場合は、屈折率変化領域１６が形成されるため、入射光は、その屈折率変化領域１６の界面で全反射される。一方、電極部１３ａ、１３ｂへの電圧の供給を停止すると、屈折率変化領域１６が形成されず、入射光は、そのまま電極部１３ａ、１３ｂの部分を透過する。これと同様に、電極部１４ａ、１４ｂの領域においても、電圧が印加されると、屈折率変化領域が形成されて、入射光は、その屈折率変化領域の界面で全反射される。電極部１４ａ、１４ｂへの電圧の供給を停止すると、屈折率変化領域が形成されず、入射光は、そのまま電極部１４ａ、１４ｂの部分を透過する。

光スイッチにおけるスイッチ動作では、入射光が反射される第１の状態と、入射光が透過する第２の状態との切り替えが可能である。第１の状態では、電極部１３ａ、１３ｂおよび電極部１４ａ、１４ｂのそれぞれに電圧を印加して屈折率変化領域を形成し、これら屈折率変化領域にて、入射光を反射する。第２の状態では、電極部１３ａ、１３ｂおよび電極部１４ａ、１４ｂへの電圧供給を停止する。電圧供給の停止により、電極部１３ａ、１３ｂおよび電極部１４ａ、１４ｂを含む各領域において、電気光学効果による屈折率変化を生じなくなるため、入射光はこれら領域を透過する。

なお、屈折率変化領域の界面は、部分的に、全反射の条件を満たさない領域を含んでおり、この領域において、入射光の一部が透過する。全反射の条件を満たさない領域の範囲は、線状電極の間隔や印加電圧の大きさ（電界の大きさ）に依存する。

本実施形態の光スイッチにおいては、電極部１３ａ、１３ｂに電圧を印加することで形成された第１の屈折率変化領域の界面で入射光を反射し、さらに、電極部１４ａ、１４ｂに電圧を印加することで形成された第２の屈折率変化領域の界面で、第１の屈折率変化領域を透過した光を反射する。これにより、高い消光比を得ることが可能となっている。入射光の進行方向に沿って形成される電極部の数（屈折率変化領域の数）を３つ以上とすることで、消光比をさらに改善することができる。ただし、屈折率変化領域の数を増大すると、それにともなって電極の数および容量も増えるため、省電力化および小型化の観点からは望ましくない。屈折率変化領域の数は、消光比と省電力化および小型化との関係を考慮して決定することが望ましい。

また、入射光が電極部１３ａ、１３ｂの各線状電極間を通過する際に回折が生じる。電極部１３ａ、１３ｂの各線状電極間を通過した光に加えて、一次回折光を出力光として利用することで、光の利用効率を向上することができる。半透明または不透明な電極材料を線状電極に用いた場合において、電極部１３ａ、１３ｂと電極部１４ａ、１４ｂとの光学結晶板の厚さ方向における間隔が適正でない場合は、電極部１３ａ、１３ｂからの一次回折光が、次段の電極部１４ａ、１４ｂの各線状電極にて遮られることとなる。この結果、光の利用効率が低下し、それに伴って消光比も低下する。

本実施形態の光スイッチは、光の利用効率を改善するために、電極部１３ａ、１３ｂの各線状電極間を通過した光が次段の電極部１４ａ、１４ｂの各線状電極間を通過するように構成され、かつ、電極部１３ａ、１３ｂからの一次回折光が次段の電極部１４ａ、１４ｂの各線状電極間を通過するように構成されている。

以下に、電極部１３ａ、１３ｂの各線状電極間を通過した光が次段の電極部１４ａ、１４ｂの各線状電極間を通過する状態において、電極部１３ａ、１３ｂからの一次回折光が次段の電極部１４ａ、１４ｂの各線状電極間を通過する条件（電極適正位置の条件）について、具体的に説明する。

図３Ａおよび図３Ｂは、電極部１３ａ、１３ｂ、１４ａ、１４ｂを適正な位置に形成するための条件を説明するための模式図である。図３Ａには、図１Ａに示した光スイッチのＢ−Ｂ線における部分断面が模式的に示されている。図３Ｂには、図１Ａに示した光スイッチのＡ−Ａ線における部分断面が模式的に示されている。

光学結晶板１０〜１２に用いる電気光学結晶の屈折率をｎ、電極部に電圧を印加したときに発生する電界をＥとする。電気光学結晶として、例えば、リチウムナイオベート（ＬＮ）を用いた場合、電界Ｅの印加時に生じる電気光学結晶の屈折率変化Δｎは、以下の式（１）で与えられる。ただし、ｒは一次電気光学定数である。

また、電気光学結晶として、例えば、ＫＴＮ（タンタル酸ニオブ酸カリウム：KTa_1-xNb_xO₃）を用いた場合の屈折率変化Δｎは、以下の式（２）で与えられる。

電界Ｅの印加により電気光学結晶中に形成される屈折率変化領域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をθ_mとする。入射光の波長をλ、入射光の直径をＤ_bとする。電極部１３ａ、１３ｂ、１４ａ、１４ｂの各線状電極の長さ、幅をそれぞれＥ_l、Ｅ_wとし、線状電極の間隔をＳ_xとする。一段目の電極部１３ａ、１３ｂの各線状電極と、二段目の電極部１４ａ、１４ｂの対応する線状電極とのＹ軸方向の間隔をＳ_yとする。Ｙ軸方向は、線状電極の長手方向である。

一段目の電極部１３ａ、１３ｂの各線状電極と、二段目の電極部１４ａ、１４ｂの対応する線状電極とのＺ軸方向の間隔（中間層である光学結晶板１１の厚さ）をＳ_zとする。ここで、Ｚ軸方向は光学結晶板の厚さ方向である。一段目の電極部１３ａ、１３ｂと二段目の電極部１４ａ、１４ｂの間の光線の長さ（光路長）をＬ_lとし、電極部１３ａ、１３ｂで生じる一次回折角をθ_dとする。

臨界角θ_m、線状電極の長さＥ_l、一次回折角θ_dは、それぞれ以下の式（３）、式（４）、式（５）で与えられる。なお、式（４）において、左辺の線状電極の長さＥ_lは右辺の値よりも大きくても良い。

一段目の線状電極１３ａ、１３ｂからの一次回折光が、二段目の線状電極１４ａ、１４ｂ間を通るときの光路長Ｌ_lは、以下の式（６）で与えられる。ただし、ｋは自然数である。

また、一段目と二段目の線状電極のＹ軸方向の間隔Ｓ_yとＺ軸方向の間隔Ｓ_zはそれぞれ以下の式（７）および式（８）で与えられる。

式（３）〜（８）より、一段目の線状電極１３ａ、１３ｂからの一次回折光が、二段目の線状電極１４ａ、１４ｂ間を通るときの、一段目と二段目の線状電極のＹ軸方向の間隔Ｓ_yとＺ軸方向の間隔Ｓ_zはそれぞれ以下の式（９）および式（１０）で表すことができる。

これらの式（９）および式（１０）を満たすように、一段目の電極部１３ａ、１３ｂと二段目の電極部１４ａ、１４ｂを形成することで、一段目の電極部１３ａ、１３ｂからの一次回折光は、二段目の電極部１４ａ、１４ｂの線状電極間を必ず通ることになる。したがって、一次回折光を出力光として利用することができる。

以上説明したように、本実施形態の光スイッチは、電気光学結晶（具体的には、光学結晶板１０〜１２を高温高圧下で貼り合わせたもの）の内部に、電気光学結晶に電界を印加するための複数の電極部を備える。複数の電極部のそれぞれは、平行に配置された複数の線状電極を備えており、互いの上記複数の線状電極の長手方向が一致するように配設され、且つ、上記複数の線状電極により構成される電極面が互いに平行となるように配設されている。複数の電極部のうちの隣接する電極部間において、入射光が一方の電極部の線状電極の間を通過する際に生じる一次回折光が、他方の電極部の線状電極の間を通過するように、隣接する上記電極部間の間隔が設定されている。具体的には、隣接する電極部間の、互いの電極面の面内方向に垂直な方向における間隔Ｓ_zが上述した式（１０）で与えられる。また、隣接する電極部間の、互いの電極面の面内方向に平行な方向における間隔Ｓ_yが上述した式（９）で与えられる。

上記の構成によれば、各電極部の線状電極間を通過した光（０次光）に加えて、各電極部で生じた一次回折光も、出力光として利用することができるので、その分、光の利用効率が向上し、消光比を改善することができる。

また、各電極部は、等間隔に配置された複数の線状電極より構成されている。このような複数の線状電極より構成された電極部は、特許文献１に記載された板電極に比べて、面積および容量が小さいので、光スイッチの省電力化および小型化が可能である。

また、上記の構成において、複数の線状電極を含む領域に対する入射光の入射角が、電極部からの電界によって電気光学結晶中に形成される屈折率変化領域の屈折率界面によって入射光が全反射する条件を満たすように設定することが望ましい。具体的には、入射角は、前述の臨界角θm以上とすることが望ましい。このように設定することで、より消光比の高い光スイッチを提供することができる。

以下、電極部間の間隔Ｓ_y、Ｓ_zがそれぞれ上述した式（９）、（１０）を満たす光スイッチの具体例について説明する。

図４Ａおよび図４Ｂは、本発明の第１の実施例である光スイッチの構成を示す模式図である。図４Ａには、図１Ａに示した光スイッチのＢ−Ｂ線における部分断面が模式的に示されている。図４Ｂには、図１Ａに示した光スイッチのＡ−Ａ線における部分断面が模式的に示されている。

光学結晶板１０〜１２は、電気光学結晶（ＫＴＮ）よりなり、その屈折率ｎは約２．２である。この電気光学結晶の、線状電極間に電圧５Ｖを印加したとき（電界印加時）の屈折率変化Δｎは−０．０２２である。なお、光学結晶板１０、１２の厚さは、適宜に設定可能であり、ここでは、ともに１００μｍである。

入射光の波長λは４６０ｎｍである。入射光の直径Ｄ_bは２０μｍである。電極部１３ａ、１３ｂ、１４ａ、１４ｂの各線状電極の間隔Ｓ_xは５μｍである。各線状電極の幅Ｅ_wは、５μｍである。電極部１３ａ、１３ｂ、１４ａ、１４ｂの厚さは、いずれも５００ｎｍである。

上記の条件において、光利用効率が高く、かつ、中間層である光学結晶板１１の厚さ、すなわち、一段目の電極部１３ａ、１３ｂの各線状電極と、二段目の電極部１４ａ、１４ｂの対応する線状電極とのＺ軸方向の間隔Ｓ_zを、最も薄くすることができる条件は、以下のようになる。

電界印加によって屈折率が変化する電気光学結晶の屈折率変化領域の屈折率界面において入射光が全反射するときの臨界角θ_mは８１．９°で、電極部１３ａ、１３ｂ、１４ａ、１４ｂの各線状電極の電極長Ｅ_lは１４１μｍである。なお、電極長Ｅ_lは１４１μｍよりも長くても良い。

一次回折角θ_dは２．４°である。一段目の電極部１３ａと二段目の電極部１４ａのＹ軸方向の間隔Ｓ_yは９５μｍである。これら電極部１３ａ、１４ａ間における透過光の光路長Ｌ_lは２３９μｍである。電極部１３ｂ、１４ｂも、電極部１３ａ、１４ａと同様の関係である。

一段目の電極部１３ａ、１３ｂの各線状電極と、二段目の電極部１４ａ、１４ｂの対応する線状電極とのＺ軸方向の間隔（中間層である光学結晶板１１の厚さ）Ｓ_zは、上述の式（８）を満たすように設定されており、ここでは、３４μｍである。

以上のような条件を満たす光スイッチによれば、一段目の電極部１３ａ、１３ｂおよび二段目の電極部１４ａ、１４ｂへの電圧供給が行われていない状態において、電極部１３ａ、１３ｂからの通過光および一次回折光は、電極部１４ａ、１４ｂの線状電極間を必ず通る。したがって、通過光に加えて一次回折光を出力光として利用することができ、その結果、光の利用効率が向上し、消光比が改善される。

図５Ａおよび図５Ｂは、本発明の第２の実施例である光スイッチの構成を示す模式図である。図５Ａには、図１Ａに示した光スイッチのＢ−Ｂ線における部分断面が模式的に示されている。図５Ｂには、図１Ａに示した光スイッチのＡ−Ａ線における部分断面が模式的に示されている。

入射光の波長λは５３０ｎｍである。入射光の直径Ｄ_bは２０μｍである。電極部１３ａ、１３ｂ、１４ａ、１４ｂの各線状電極の間隔Ｓ_xは５μｍである。各線状電極の幅Ｅ_wは、５μｍである。電極部１３ａ、１３ｂ、１４ａ、１４ｂの厚さは、いずれも５００ｎｍである。

上記の条件において、光利用効率が高く、かつ、一段目の電極部１３ａ、１３ｂの各線状電極と、二段目の電極部１４ａ、１４ｂの対応する線状電極とのＺ軸方向の間隔Ｓ_zを最も薄くすることができる条件は、以下のようになる。

一次回折角θ_dは２．８°である。一段目の電極部１３ａと二段目の電極部１４ａのＹ軸方向の間隔Ｓ_yは６４μｍである。これら電極部１３ａ、１４ａ間における透過光の光路長Ｌ_lは２０７μｍである。電極部１３ｂ、１４ｂも、電極部１３ａ、１４ａと同様の関係である。

一段目の電極部１３ａ、１３ｂの各線状電極と、二段目の電極部１４ａ、１４ｂの対応する線状電極とのＺ軸方向の間隔（中間層である光学結晶板１１の厚さ）Ｓ_zは、上述の式（８）を満たすように設定されており、ここでは、２９μｍである。

以上のような条件を満たす光スイッチによれば、第１の実施例の場合と同様、電極部１３ａ、１３ｂからの通過光および一次回折光は、電極部１４ａ、１４ｂの線状電極間を必ず通る。したがって、通過光に加えて一次回折光を出力光として利用することができ、その結果、光の利用効率が向上し、消光比が改善される。

図６Ａおよび図６Ｂは、本発明の第３の実施例である光スイッチの構成を示す模式図である。図６Ａには、図１Ａに示した光スイッチのＢ−Ｂ線における部分断面が模式的に示されている。図６Ｂには、図１Ａに示した光スイッチのＡ−Ａ線における部分断面が模式的に示されている。

入射光の波長λは６２０ｎｍである。入射光の直径Ｄ_bは２０μｍである。電極部１３ａ、１３ｂ、１４ａ、１４ｂの各線状電極の間隔Ｓ_xは５μｍである。各線状電極の幅Ｅ_wは、５μｍである。電極部１３ａ、１３ｂ、１４ａ、１４ｂの厚さは、いずれも５００ｎｍである。

一次回折角θ_dは３．６°である。一段目の電極部１３ａと二段目の電極部１４ａのＹ軸方向の間隔Ｓ_yは３４μｍである。これら電極部１３ａ、１４ａ間における透過光の光路長Ｌ_lは１７７μｍである。電極部１３ｂ、１４ｂも、電極部１３ａ、１４ａと同様の関係である。

一段目の電極部１３ａ、１３ｂの各線状電極と、二段目の電極部１４ａ、１４ｂの対応する線状電極とのＺ軸方向の間隔（中間層である光学結晶板１１の厚さ）Ｓ_zは、上述の式（８）を満たすように設定されており、ここでは、２５μｍである。

図７Ａおよび図７Ｂは、本発明の第４の実施例である光スイッチの構成を示す模式図である。図７Ａには、図１Ａに示した光スイッチのＢ−Ｂ線における部分断面が模式的に示されている。図７Ｂには、図１Ａに示した光スイッチのＡ−Ａ線における部分断面が模式的に示されている。

光学結晶板１０〜１２は、電気光学結晶（リチウムナイオベート）よりなり、その屈折率ｎは約２．２８６である。この電気光学結晶の、線状電極間に電圧２００Ｖを印加したとき（電界印加時）の屈折率変化Δｎは−０．０１である。なお、光学結晶板１０、１２の厚さは、適宜に設定可能であり、ここでは、ともに１００μｍである。

入射光の波長λは４６０ｎｍである。入射光の直径Ｄ_bは２０μｍである。電極部１３ａ、１３ｂ、１４ａ、１４ｂの各線状電極の間隔Ｓ_xは３μｍである。各線状電極の幅Ｅ_wは、３μｍである。電極部１３ａ、１３ｂ、１４ａ、１４ｂの厚さは、いずれも５００ｎｍである。

電界印加によって屈折率が変化する電気光学結晶の屈折率変化領域の屈折率界面において入射光が全反射するときの臨界角θ_mは８４．７°で、電極部１３ａ、１３ｂ、１４ａ、１４ｂの各線状電極の電極長Ｅ_lは２１５μｍである。なお、電極長Ｅ_lは２１５μｍよりも長くても良い。

一次回折角θ_dは３．８°である。一段目の電極部１３ａと二段目の電極部１４ａのＹ軸方向の間隔Ｓ_yは１４１μｍである。これら電極部１３ａ、１４ａ間における透過光の光路長Ｌ_lは３５７μｍである。電極部１３ｂ、１４ｂも、電極部１３ａ、１４ａと同様の関係である。

一段目の電極部１３ａ、１３ｂの各線状電極と、二段目の電極部１４ａ、１４ｂの対応する線状電極とのＺ軸方向の間隔（中間層である光学結晶板１１の厚さ）Ｓ_zは、上述の式（８）を満たすように設定されており、ここでは、３３μｍである。

図８Ａおよび図８Ｂは、本発明の第５の実施例である光スイッチの構成を示す模式図である。図８Ａには、図１Ａに示した光スイッチのＢ−Ｂ線における部分断面が模式的に示されている。図８Ｂには、図１Ａに示した光スイッチのＡ−Ａ線における部分断面が模式的に示されている。

入射光の波長λは５３０ｎｍである。入射光の直径Ｄ_bは２０μｍである。電極部１３ａ、１３ｂ、１４ａ、１４ｂの各線状電極の間隔Ｓ_xは３μｍである。各線状電極の幅Ｅ_wは、３μｍである。電極部１３ａ、１３ｂ、１４ａ、１４ｂの厚さは、いずれも５００ｎｍである。

一次回折角θ_dは４．４°である。一段目の電極部１３ａと二段目の電極部１４ａのＹ軸方向の間隔Ｓ_yは９４μｍである。これら電極部１３ａ、１４ａ間における透過光の光路長Ｌ_lは３１０μｍである。電極部１３ｂ、１４ｂも、電極部１３ａ、１４ａと同様の関係である。

図９Ａおよび図９Ｂは、本発明の第６の実施例である光スイッチの構成を示す模式図である。図９Ａには、図１Ａに示した光スイッチのＢ−Ｂ線における部分断面が模式的に示されている。図９Ｂには、図１Ａに示した光スイッチのＡ−Ａ線における部分断面が模式的に示されている。

入射光の波長λは６２０ｎｍである。入射光の直径Ｄ_bは２０μｍである。電極部１３ａ、１３ｂ、１４ａ、１４ｂの各線状電極の間隔Ｓ_xは３μｍである。各線状電極の幅Ｅ_wは、３μｍである。電極部１３ａ、１３ｂ、１４ａ、１４ｂの厚さは、いずれも５００ｎｍである。

一次回折角θ_dは５．２°である。一段目の電極部１３ａと二段目の電極部１４ａのＹ軸方向の間隔Ｓ_yは４９μｍである。これら電極部１３ａ、１４ａ間における透過光の光路長Ｌ_lは２６４μｍである。電極部１３ｂ、１４ｂも、電極部１３ａ、１４ａと同様の関係である。

以上の説明において、図１Ａから図９Ｂにおいては、便宜上、３つの光学結晶板１０〜１２からなる積層構造が示されているが、実際の光スイッチは、高温高圧下で各光学結晶板１０〜１２を貼り合わせることで作製されるので、光学結晶板の境界面は存在しない。すなわち、実際の光スイッチは、電気光学結晶に電界を印加するための複数の電極部が光学結晶板内部に一定方向に配置された構造（電極部１３ａ、１３ｂ、１４ａ、１４ｂが光学結晶板内部に配置された構造）を備える。

以下に、光学結晶板内部に複数の電極部が一定方向に配置された構造を提供可能な電極形成方法について説明する。

［電極形成方法］
次に、光スイッチの電極形成方法について具体的に説明する。

図１０Ａ〜図１０Ｉ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。

まず、電気光学結晶９０の表面にレジスト９１を塗布する（図１０Ａの工程）。次に、電極パターンが形成されたマスク９２を用いて、レジスト９１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１０Ｂの工程）。次に、レジスト９１の露光された部分を除去する（図１０Ｃの工程）。

次に、露光部分が除去されたレジスト９１をマスクとして用いて、電気光学結晶９０の露出した表面をエッチングする（図１０Ｄの工程）。エッチング材料は、フッ化水素等である。

次に、電気光学結晶９０のエッチングされた部分に電極材料（金、白金など）を堆積して電極９３を形成し（図１０Ｅの工程）、その後、レジスト９１を除去する（図１０Ｆの工程）。次に、電気光学結晶９０の表面と電極９３の表面とが同じ高さになるように、それらの面を研磨する（図１０Ｇの工程）。

次に、電気光学結晶９０の電極９３が形成された面と、同様に図１０Ａ〜図１０Ｇの工程で電極９６が形成された電気光学結晶９５の電極９６と対向する面とを、移動方向に沿って動かしながら結晶位置を調整した後、高温、高圧の条件下で密着させることで、電気光学結晶９０、９５を貼り合わせる（図１０Ｈの工程）。この貼り合わせ工程において、電気光学結晶９０、９５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。

最後に、電気光学結晶９５の電極９６が形成された面と電気光学結晶９７の一方の面とを、高温、高圧の条件下で密着させることで、電気光学結晶９５、９７を貼り合わせる（図１０Ｉの工程）。この貼り合わせ工程において、電気光学結晶９５、９７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。

上述の図１０Ａ〜図１０Ｉの工程を適用することで、図１Ａに示した光学結晶板１１、１２への電極部１３ａ、１３ｂ、１４ａ、１４ｂの形成、および光学結晶板１０〜１２の貼り合わせを行うことができる。

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。

［画像表示装置］
本発明の光スイッチを備える画像表示装置の構成について説明する。

図１１は、画像表示装置の一例を示す模式図である。この画像表示装置は、レーザ光源１０２、１０３、１０４、コリメータレンズ１０５、１０６、１０７、反射ミラー１０８、ダイクロイックミラー１０９、１１０、水平走査ミラー１１５、垂直走査ミラー１１６、および光スイッチ１１８、１１９、１２０を収容した筐体１００を有する。光スイッチ１１８、１１９、１２０は、本発明の光スイッチである。

レーザ光源１０２からのレーザ光の進行方向に、コリメータレンズ１０５、光スイッチ１１８、および反射ミラー１０８が順に配置されている。コリメータレンズ１０５からの平行光束が光スイッチ１１８に入射する。光スイッチ１１８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１１８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１０８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１１８を透過して反射ミラー１０８へ向かう。

レーザ光源１０３からのレーザ光の進行方向に、コリメータレンズ１０６、光スイッチ１１９、およびダイクロイックミラー１０９が順に配置されている。コリメータレンズ１０６からの平行光束が光スイッチ１１９に入射する。光スイッチ１１９においても、光スイッチ１１８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１０９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１１９を透過してダイクロイックミラー１０９へ向かう。

レーザ光源１０４からのレーザ光の進行方向に、コリメータレンズ１０７、光スイッチ１２０、およびダイクロイックミラー１１０が順に配置されている。コリメータレンズ１０７からの平行光束が光スイッチ１２０に入射する。光スイッチ１２０においても、光スイッチ１１８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１１０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１２０を透過してダイクロイックミラー１１０へ向かう。

ダイクロイックミラー１０９は、光スイッチ１１９からの光束と反射ミラー１０８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１０９は、光スイッチ１１９からの光を反射し、反射ミラー１０８からの光を透過するような波長選択特性を有している。

ダイクロイックミラー１１０は、光スイッチ１２０からの光束とダイクロイックミラー１０９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１０９は、光スイッチ１２０からの光を反射し、ダイクロイックミラー１０９からの光を透過するような波長選択特性を有している。

水平走査ミラー１１５は、ダイクロイックミラー１１０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１１６は、水平走査ミラー１１５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。

レーザ光源１０２、１０３、１０４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１１８、１１９、１２０をオンオフ制御し、かつ、水平走査ミラー１１５および垂直走査ミラー１１６を制御することで、スクリーン１１７上に、カラー画像を表示することができる。

［画像形成装置］
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。

図１２は、画像形成装置の一例を示す模式図である。この画像形成装置は、筐体２００、ｆθレンズ２２３および感光体２２４を有する。レーザ光源２０２、コリメータレンズ２０５、反射ミラー２０８、走査ミラー２２２、および光スイッチ２１８が、筐体２００内に収容されている。光スイッチ２１８は、本発明の光スイッチである。

レーザ光源２０２からのレーザ光の進行方向に、コリメータレンズ２０５、光スイッチ２１８、および反射ミラー２０８が順に配置されている。コリメータレンズ２０５からの平行光束が光スイッチ２１８に入射する。光スイッチ２１８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２１８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２０８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２１８を透過して反射ミラー２０８へ向かう。

走査ミラー２２２は、反射ミラー２０８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２２２からの光は、ｆθレンズ２２３を介して感光体２２４に照射される。

光スイッチ２１８をオンオフ制御し、かつ、走査ミラー２２２を制御することで、感光体２２４上に画像を形成するができる。

以上説明した実施形態は、本発明の一例であり、その構成は、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。

以上、実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。本発明の構成および動作については、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、当業者が理解し得る様々な変更を行うことができる。

この出願は、２００８年４月４日に出願された日本出願特願２００８−０９８２０１を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

Claims

電気光学結晶内部に、前記電気光学結晶に電界を印加するための複数の電極部を備え、
前記複数の電極部のそれぞれは、平行に配置された複数の線状電極を備えており、互いの前記複数の線状電極の長手方向が一致するように配設され、且つ、前記複数の線状電極により構成される電極面が互いに平行となるように配設され、
前記複数の電極部のうちの隣接する電極部間において、入射光が一方の電極部の線状電極の間を通過する際に生じる一次回折光が、他方の電極部の線状電極の間を通過するように、隣接する前記電極部間の間隔が設定されている、光スイッチ。
前記電気光学結晶の屈折率をｎとし、前記電界が印加された場合の前記電気光学結晶の屈折率変化をΔｎとし、前記複数の電極部を構成する線状電極の幅および間隔をそれぞれＥ_w、Ｓ_xとし、前記入射光の波長をλとするとき、隣接する前記電極部間の、互いの前記電極面の面内方向に垂直な方向における間隔Ｓ_zが、

で与えられる、請求の範囲第１項に記載の光スイッチ。
前記電気光学結晶の屈折率をｎとし、前記電界が印加された場合の前記電気光学結晶の屈折率変化をΔｎとし、前記複数の電極部を構成する線状電極の幅および間隔をそれぞれＥ_w、Ｓ_xとし、前記入射光の波長をλとするとき、隣接する前記電極部間の、前記線状電極の長手方向における間隔Ｓ_yが、

で与えられる、請求の範囲第１項に記載の光スイッチ。
前記複数の線状電極を含む領域に対する前記入射光の入射角が、前記電界によって前記電気光学結晶中に形成される屈折率変化領域の屈折率界面によって入射光が全反射する条件を満たすように設定されている、請求の範囲第１項から第３項のいずれか１項に記載の光スイッチ。
前記複数の線状電極のそれぞれの面積最大となる主断面が同一平面内に配置されている、請求の範囲第１項から第４項のいずれか１項に記載の光スイッチ。
前記電気光学結晶は、結晶の構造が変化する相転移温度を有する、請求の範囲第１項から第５項のいずれか１項に記載の光スイッチ。