(57)【要約】【課題】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光スイッチを提供する。【解決手段】電気光学結晶と、同一平面上に配置された複数の電極１０６からなる電極部１０７とを有し、電極部１０７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、電極部１０７を構成する電極の間に、上記平面からの高さが電極１０６よりも高い側壁を有し、上記電気光学結晶の、少なくとも電極部１０７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。【選択図】図１Ａ
2010096989.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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ている、光スイッチ。
【請求項２】
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に記載の光スイッチ。
【請求項３】
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２に記載の光スイッチ。
【請求項４】
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３のいずれか１項に記載の光スイッチ。
【請求項５】
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、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の水平方向における径をｗとするとき、前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
で与えられる、請求項１から４のいずれか１項に記載の光スイッチ。
【請求項６】
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から５のいずれか１項に記載の光スイッチ。
【請求項７】
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６に記載の光スイッチ。
【請求項８】
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６のいずれか１項に記載の光スイッチ。
【請求項９】
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。
【請求項１０】
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。
【請求項１１】
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。
【請求項１２】
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。
【請求項１３】
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。
【請求項１４】
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。
【請求項１５】
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。
【請求項１６】
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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【特許文献１】特許２６６６８０５号公報（特開平１−２１４８２７号公報）
【特許文献２】特許３２８０１０６号公報（特開平６−２０２０５４号公報）
【特許文献３】特開平１−２２３４３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
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ている。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【発明の効果】
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
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。
【００２１】
（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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
次に、本実施形態の光スイッチの動作を説明する。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
【数１】
2010096989.tif 000003
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
【数２】
2010096989.tif 000004
【００４１】
ここで、ｆは動作周波数、Ｒは出力抵抗である。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
【数３】
2010096989.tif 000005
【００５０】
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。
【００５１】
【数４】
2010096989.tif 000006
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
【数５】
2010096989.tif 000007
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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）。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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）。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【００８２】
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。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【００８６】
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。
【００８７】
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。
【００８８】
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。
【００８９】
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。
【００９０】
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。
【００９１】
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。
【００９２】
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。
【００９３】
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。
【００９４】
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。
【００９５】
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。
【００９６】
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。
【００９７】
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。
【００９８】
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。
【００９９】
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。
【０１００】
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。
【０１０１】
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。
【０１０２】
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。
【０１０３】
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。
【０１０４】
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。
【０１０５】
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。
【０１０６】
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。
【０１０７】
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。
【０１０８】
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。
【０１０９】
（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。
【０１１０】
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。
【０１１１】
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。
【０１１２】
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。
【０１１３】
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。
【０１１４】
次に、本実施形態の光スイッチの動作を説明する。
【０１１５】
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。
【０１１６】
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。
【０１１７】
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。
【０１１８】
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。
【０１１９】
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。
【０１２０】
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。
【０１２１】
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。
【０１２２】
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。
【０１２３】
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。
【０１２４】
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。
【０１２５】
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。
【０１２６】
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。
【０１２７】
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。
【０１２８】
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。
【０１２９】
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。
【０１３０】
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。
【０１３１】
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。
【０１３２】
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。
【０１３３】
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。
【０１３４】
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。
【０１３５】
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。
【０１３６】
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。
【０１３７】
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。
【０１３８】
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。
【０１３９】
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。
【０１４０】
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。
【０１４１】
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）。
【０１４２】
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。
【０１４３】
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。
【０１４４】
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。
【０１４５】
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。
【０１４６】
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。
【０１４７】
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。
【０１４８】
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。
【０１４９】
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。
【０１５０】
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。
【０１５１】
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。
【０１５２】
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。
【０１５３】
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。
【０１５４】
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。
【０１５５】
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。
【０１５６】
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。
【０１５７】
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。
【０１５８】
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。
【０１５９】
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。
【０１６０】
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。
【０１６１】
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。
【０１６２】
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。
【０１６３】
（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。
【０１６４】
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。
【０１６５】
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。
【０１６６】
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。
【０１６７】
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。
【０１６８】
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。
【０１６９】
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。
【０１７０】
次に、本実施形態の光スイッチの動作を説明する。
【０１７１】
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。
【０１７２】
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。
【０１７３】
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。
【０１７４】
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。
【０１７５】
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。
【０１７６】
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。
【０１７７】
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。
【０１７８】
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。
【０１７９】
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。
【０１８０】
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。
【０１８１】
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。
【０１８２】
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。
【０１８３】
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。
【０１８４】
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。
【０１８５】
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。
【０１８６】
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。
【０１８７】
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。
【０１８８】
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。
【０１８９】
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。
【０１９０】
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。
【０１９１】
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。
【０１９２】
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。
【０１９３】
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。
【０１９４】
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。
【０１９５】
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。
【０１９６】
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。
【０１９７】
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。
【０１９８】
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。
【０１９９】
［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。
【０２００】
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。
【０２０１】
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。
【０２０２】
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。
【０２０３】
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。
【０２０４】
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。
【０２０５】
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。
【０２０６】
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。
【０２０７】
［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。
【０２０８】
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。
【０２０９】
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。
【０２１０】
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。
【０２１１】
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。
【０２１２】
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。
【０２１３】
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。
【０２１４】
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。
【０２１５】
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。
【０２１６】
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。
【０２１７】
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。
【０２１８】
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。
【０２１９】
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。
【０２２０】
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。
【０２２１】
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。
【０２２２】
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。
【０２２３】
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。
【０２２４】
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。
【０２２５】
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。
【０２２６】
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。
【０２２７】
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。
【図面の簡単な説明】
【０２２８】
【図１Ａ】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。
【図１Ｂ】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。
【図１Ｃ】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。
【図２】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。
【図３】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。
【図４】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。
【図５】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。
【図６】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。
【図７】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。
【図８】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。
【図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マルチ電極構造を示す模式図である。
【図９Ｂ】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。
【図９Ｃ】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。
【図１０Ａ】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。
【図１０Ｂ】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。
【図１１Ａ】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。
【図１１Ｂ】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。
【図１２Ａ】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。
【図１２Ｂ】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。
【図１２Ｃ】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。
【図１３Ａ】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。
【図１３Ｂ】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。
【図１４】図１２Ａに示す光スイッチの比較例を示す模式図である。
【図１５】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。
【図１６Ａ】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。
【図１６Ｂ】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。
【図１７Ａ】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。
【図１７Ｂ】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。
【図１８】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。
【図１９Ａ】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。
【図１９Ｂ】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。
【図１９Ｃ】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。
【図２０Ａ】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。
【図２０Ｂ】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。
【図２１】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。
【図２２】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。
【図２３】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。
【図２４】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。
【符号の説明】
【０２２９】
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
【図１Ａ】
2010096989.tif 000008
【図１Ｂ】
2010096989.tif 000009
【図１Ｃ】
2010096989.tif 000010
【図２】
2010096989.tif 000011
【図３】
2010096989.tif 000012
【図４】
2010096989.tif 000013
【図５】
2010096989.tif 000014
【図６】
2010096989.tif 000015
【図７】
2010096989.tif 000016
【図８】
2010096989.tif 000017
【図９Ａ】
2010096989.tif 000018
【図９Ｂ】
2010096989.tif 000019
【図９Ｃ】
2010096989.tif 000020
【図１０Ａ】
2010096989.tif 000021
【図１０Ｂ】
2010096989.tif 000022
【図１１Ａ】
2010096989.tif 000023
【図１１Ｂ】
2010096989.tif 000024
【図１２Ａ】
2010096989.tif 000025
【図１２Ｂ】
2010096989.tif 000026
【図１２Ｃ】
2010096989.tif 000027
【図１３Ａ】
2010096989.tif 000028
【図１３Ｂ】
2010096989.tif 000029
【図１４】
2010096989.tif 000030
【図１５】
2010096989.tif 000031
【図１６Ａ】
2010096989.tif 000032
【図１６Ｂ】
2010096989.tif 000033
【図１７Ａ】
2010096989.tif 000034
【図１７Ｂ】
2010096989.tif 000035
【図１８】
2010096989.tif 000036
【図１９Ａ】
2010096989.tif 000037
【図１９Ｂ】
2010096989.tif 000038
【図１９Ｃ】
2010096989.tif 000039
【図２０Ａ】
2010096989.tif 000040
【図２０Ｂ】
2010096989.tif 000041
【図２１】
2010096989.tif 000042
【図２２】
2010096989.tif 000043
【図２３】
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【図２４】
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