(57)【要約】  本発明は、電気光学結晶（１０４）と、電気光学結晶（１０４）の内部の同一平面上に互いに平行に延ばされて配列された複数の電極（１０６）からなる電極部（１０７）と、を有し、電極部（１０７）で発生した電界によって電気光学結晶（１０４）の一部の屈折率を変化させることによって、電気光学結晶１０４に入射した入射光の透過と反射とを切り換える。電気光学結晶（１０４）は、光が入射する入射面及び光を出射する出射面を有し、入射面と出射面との間に電極部（１０７）が形成される。  電極（１０６）の長手方向と、入射面及び出射面の少なくとも一方の面とがなす角度θｘが、【数１】2010071105.tif 000024(ｎは、変調する光の波長における電気光学結晶（１０４）の屈折率)を満たす角度近傍にされている。
2010071105.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気光学結晶と、該電気光学結晶の内部の同一平面上に互いに平行に延ばされて配列された複数の電極からなる電極部と、を有し、該電極部で発生した電界によって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、光が入射する入射面及び光を出射する出射面を有し、前記入射面と前記出射面との間に前記電極部が形成され、
前記電極の長手方向と、前記入射面及び前記出射面の少なくとも一方の面とがなす角度θｘが、
【数１】
2010071105.tif 000016
(ｎは、変調する光の波長における前記電気光学結晶の屈折率)
を満たす角度近傍にされている光スイッチ。
【請求項２】
前記電極部は、面積が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、前記主断面に直交する方向の厚みが等しく、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】
前記電極部で発生した電界によって屈折率が変化する前記電気光学結晶の屈折率変化部が前記電極部全体を包囲しており、
前記屈折率変化部の、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は、複数の前記電極の配列方向に平行な平坦面を有している、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の光スイッチ。
【請求項５】
複数の前記電極には、互いに隣接する前記電極の極性が異なるように電圧が印加される、請求項１ないし４のいずれか１項に記載の光スイッチ。
【請求項６】
前記電気光学結晶の前記入射面に入射する光の光軸と、前記入射面の法線方向とがなす角度θｂが、
【数３】
2010071105.tif 000017
(ｎは、変調する光の波長における前記電気光学結晶の屈折率)
を満たす角度近傍をもって傾斜させて前記入射面に光が入射される、請求項１ないし５のいずれか1項に記載の光スイッチ。
【請求項７】
前記入射光は少なくともＰ偏光成分を含んでいる、請求項１ないし６のいずれか1項に記載の光スイッチ。
【請求項８】
前記電気光学結晶中の、前記電極部で発生した電界によって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いて、全反射される臨界角をθｍ、複数の前記電極の配列方向に直交し、かつ前記電極の長手方向の軸線を含む平面上における前記入射光のビーム径をr、複数の前記電極の配列方向に平行な平面上における前記入射光のビーム径をlとするとき、前記電極部を構成する前記電極の長さＬ、及び複数の前記電極の配列方向の前記電極部の幅Ｗが、
【数８】
2010071105.tif 000018
【数９】
2010071105.tif 000019
(ｎは、変調する光の波長における前記電気光学結晶の屈折率)
をそれぞれ満たしている、請求項１ないし７のいずれか１項に記載の光スイッチ。
【請求項９】
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ないし８のいずれか１項に記載の光スイッチ。
【請求項１０】
光源と、
前記光源からの光を変調する、請求項１ないし９のいずれか１項に記載の光スイッチと、
前記光スイッチからによって変調された光ビームで外部の投写面上を走査する走査手段と、
外部から入力された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１１】
光源と、
感光体と、
前記光源からの光を変調する、請求項１ないし９のいずれか１項に記載の光スイッチと、
前記光スイッチからによって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、
外部から入力された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。
【請求項１２】
電気光学結晶と、該電気光学結晶の内部の同一平面上に互いに平行に延ばされて配列された複数の電極からなる電極部と、を有し、該電極部で発生した電界によって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の製造方法であって、
前記電気光学結晶の端面に対して前記電極の長手方向がなす角度θｘが、
【数１】
2010071105.tif 000020
(ｎは、変調する光の波長における前記電気光学結晶の屈折率)
を満たす角度近傍で傾斜させて、前記電気光学結晶の同一平面上に複数の前記電極を形成する工程を有する、光スイッチの製造方法。
【請求項１３】
電気光学結晶と、該電気光学結晶の内部の同一平面上に互いに平行に延ばされて配列された複数の電極からなる電極部と、を有し、該電極部で発生した電界によって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の製造方法であって、
前記電気光学結晶の端面に対して前記電極の長手方向を直交させて、前記電気光学結晶の同一平面上に複数の前記電極を形成する形成工程と、
複数の前記電極が形成された前記電気光学結晶を切断面に沿って切断する切断工程と、を有し、
前記切断工程では、前記電極の長手方向に対して前記切断面がなす角度θｘを、
【数１】
2010071105.tif 000021
(ｎは、変調する光の波長における前記電気光学結晶の屈折率)
を満たす角度近傍にする、光スイッチの製造方法。
【請求項１４】
前記電気光学結晶中の、前記電極部で発生した電界によって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いて、全反射される臨界角をθｍ、複数の前記電極の配列方向に直交し、かつ前記電極の長手方向の軸線を含む平面上における前記入射光のビーム径をr、複数の前記電極の配列方向に平行な平面上における前記入射光のビーム径をlとするとき、前記電極部を構成する前記電極の長さＬ、及び複数の前記電極の配列方向の前記電極部の幅Ｗが、
【数８】
2010071105.tif 000022
【数９】
2010071105.tif 000023
(ｎは、変調する光の波長における前記電気光学結晶の屈折率)
をそれぞれ満たしている、請求項１２又は１３に記載の光スイッチの製造方法。
【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換える光スイッチ、この光スイッチを用いた画像表示装置、画像形成装置、及び光スイッチの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ディスプレイ用の光変調用途で用いられる光変調器は、例えば１００ｍＷ以上の高出力光に対する光変調が行われるので、光損傷に対する耐久性（以下、光耐性と称する）を十分に備える必要がある。【０００３】
光耐性を得るために、原理上、比較的大口径（ビーム径が数十μｍ〜数百μｍ程度）の光ビームを変調することが可能である音響光学変調素子が用いられることがある。【０００４】
特許文献１には、音響光学素子に関して記載されている。図１Ａ及び図１Ｂに、その音響光学素子の構成を示す。音響光学素子は、音響光学結晶１０内を伝わる音響波によって、音響光学結晶１０内の屈折率が変化し、ブラッグ回折を引き起こして光の変調を行う。特許文献１の構成では、光耐性が低い反射防止膜を施さずに、光をブリュースター角で音響光学結晶１０内に入射させることによって、光の反射成分を低下させる方法を採っている。具体的に、音響光学素子は、光の入射面１１と出射面１２とが平行に形成されている。そして、音響光学素子は、入射面１１に対してブリュースター角で入射した光を、音響光学結晶１０内を進行する超音波が効果的に回折できるように、圧電素子１３が設けられた電極１３ａの中心線が、光の進行方向とほぼ一致するように形成されている。【０００５】
また、電気光学効果を持つ結晶（以下、電気光学結晶と称する）に電界を印加することで屈折率変化を発生させることによって、光のスイッチングを行う光スイッチが多く提案されている。ディスプレイ用の光変調用途としては、上述の理由の通り、ビーム径が比較的大きな光ビームを変調することができて、高い光耐性を有する光スイッチ素子が望まれる。【０００６】
特許文献２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２に、その光スイッチの構成を示す。【０００７】
図２に示すように、光スイッチは、電気光学効果を有する光導波路層２１と、この光導波路層２１内に設けられた第１及び第２の電極群３１，３２とを有する。第１及び第２の電極群３１，３２のそれぞれは、光導波路層２１の厚さ方向と平行に延ばされた複数の板状電極３０からなる。各板状電極３０は、一定の間隔で配置されている。第１及び第２の電極群３１，３２のそれぞれの、光導波路層２１の厚さ方向と交差する平面における断面の形状は、櫛形状に形成されており、互いの櫛の歯に相当する板状電極３０が、交互に配置されている。【０００８】
上述した光スイッチでは、第１及び第２の電極群３１，３２の間に電圧を印加することで、隣接する板状電極３０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２１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、入射光がブラッグ回折される。一方、第１及び第２の電極群３１，３２への電圧印加を停止したとき、回折格子として機能しなくなるので、入射光は、板状電極３０間の領域を透過する。この構造の電気光学素子は、光が導波する光導波路層２１の厚さを自由に選択できるので、ビーム径が比較的大きな光ビームであっても変調することができ、高い光耐性を実現することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平１−１４９０１５号公報
【特許文献２】特許２６６６８０５号公報（特開平１−２１４８２７号公報）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところで、ビーム径が比較的大きな光ビームを変調することができ、かつ高い光耐性を有するバルク型の光スイッチ素子は、小型化と消費電力の低減を図ることが要望されている。【００１１】
しかし、特許文献１に記載された音響光学素子では、音響光学素子として効率が良いブラッグ回折を起こすために、電極長さを２ｍｍ〜３ｍｍ以上に延ばして形成する必要がある。したがって、電極長さが短い場合には、回折効率が十分に得られなくなるので、素子を小型化するのが難しいという問題がある。また、音響光学素子の特性上、電極に与える変調信号としては、例えば２００ＭＨｚの高周波信号が振幅変調された信号を電極に与える必要がある。そのため、動作させるための回路が複雑になってしまうと共に、回路を動作させるためにも大きな電力が必要となるので、素子全体における消費電力が大きくなってしまう。【００１２】
特許文献２に記載された光スイッチは、小型化が実現可能である。しかし、この光スイッチは、面積が大きな複数の板状電極が、誘電率が高い電気光学結晶の内部に埋め込まれて構成されているので、その電極間容量が大きくなってしまう。そのため、この光スイッチは、消費電力の低減を図ることが非常に困難である。【００１３】
そこで、本発明は、上述した課題を解決する電気光学結晶を用いた光スイッチを提供することを目的とする。また、本発明は、上述した課題を解決する光スイッチの製造方法、光スイッチを用いた画像表示装置及び画像形成装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上述した目的を達成するために、本発明に係る光スイッチは、電気光学結晶と、電気光学結晶の内部の同一平面上に互いに平行に延ばされて配列された複数の電極からなる電極部と、を有する。光スイッチは、電極部で発生した電界によって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、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。電気光学結晶は、光が入射する入射面及び光を出射する出射面を有し、入射面と出射面との間に電極部が形成される。そして、電極の長手方向と、入射面及び出射面の少なくとも一方の面とがなす角度θｘが、【００１５】
【数１】
2010071105.tif 000003
(ｎは、変調する光の波長における電気光学結晶の屈折率)
を満たす角度近傍にされている。【００１６】
また、本発明に係る画像表示装置は、光源と、光源からの光を変調する本発明の光スイッチと、光スイッチによって変調された光ビームで外部の投写面上を走査する走査手段と、外部から入力された制御信号に応じて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】
また、本発明に係る画像形成装置は、光源と、感光体と、光源からの光を変調する本発明の光スイッチと、光スイッチによって変調された光ビームで感光体上を走査する走査手段と、外部から入力された制御信号に応じて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。【００１８】
また、本発明に係る光スイッチの製造方法は、電気光学結晶と、電気光学結晶の内部の同一平面上に互いに平行に延ばされて配列された複数の電極からなる電極部と、を有し、電極部で発生した電界によって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、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の製造方法である。光スイッチの製造方法は、電気光学結晶の端面に対して電極の長手方向がなす角度θｘが、【００１９】
【数１】
2010071105.tif 000004
(ｎは、変調する光の波長における電気光学結晶の屈折率)
を満たす角度近傍で傾斜させて、電気光学結晶の同一平面上に複数の電極を形成する工程を有する。【００２０】
また、他の本発明に係る光スイッチの製造方法は、電気光学結晶と、電気光学結晶の内部の同一平面上に互いに平行に延ばされて配列された複数の電極からなる電極部と、を有し、電極部で発生した電界によって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、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の製造方法である。光スイッチの製造方法は、電気光学結晶の端面に対して電極の長手方向を直交させて、電気光学結晶の同一平面上に複数の電極を形成する形成工程と、複数の電極が形成された電気光学結晶を切断面に沿って切断する切断工程と、を有する。切断工程では、電極の長手方向に対して切断面がなす角度θｘを、【００２１】
【数１】
2010071105.tif 000005
(ｎは、変調する光の波長における電気光学結晶の屈折率)
を満たす角度近傍にする。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、低い動作電圧で大きな屈折率変化を得ることができるので、消費電力の低減を図ることができる。また、本発明は、比較的大口径の光ビームに対するスイッチ動作を行えるので、高い光耐性を実現することができる。さらに、本発明は、電極部に電圧を印加するだけでスイッチ動作を行うことができるので、スイッチ動作させるための回路も簡単になり、構成の簡素化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１Ａ】特許文献１に記載された音響光学結晶の構成を示す模式図である。
【図１Ｂ】特許文献１に記載された音響光学結晶の構成を示す模式図である。
【図２】特許文献２に記載された光スイッチの構成を示す模式図である。
【図３Ａ】実施例の光スイッチの構成を示す模式図である。
【図３Ｂ】図３Ａに示した光スイッチを電極の配列方向に平行な平面において示す断面図である。
【図３Ｂ０】図３Ｂに示した断面において、電気光学結晶の入射面と電極の長手方向とがなす角度θｘ、及び入射面に入射する光の光軸と入射面の法線方向とがなすブリュースター角θｂを示す断面図である。
【図３Ｃ】図３Ａに示した光スイッチにおける電極の長手方向の軸線を含む平面における断面図である。
【図３Ｃ０】図３Ｃに示した光スイッチにおける臨界角θｍと、電気光学結晶に対する入射角θａとを示す断面図である。
【図４Ａ】図３Ａに示した電極の長手方向とほぼ直交する平面で示すＡ−Ａ断面図である。
【図４Ｂ】図３Ａに示した光スイッチにおける屈折率変化部を説明するための模式図である。
【図５Ａ】図３Ａに示した光スイッチにおける、印加電圧の変化を説明するための図である。
【図５Ｂ】図３Ａに示した光スイッチにおける、屈折率の変化を説明するための図である。
【図５Ｃ】図３Ａに示した光スイッチにおける、光の出力の変化を説明するための図である。
【図６】Ｐ偏光の光を電気光学結晶に入射させたときの入射角と反射率との関係を示す図である。
【図７Ａ】実施例の光スイッチの電極形成方法を説明するための工程を示す断面図である。
【図７Ｂ】実施例の光スイッチの電極形成方法を説明するための工程を示す断面図である。
【図７Ｂ０】マスクの形状を示す平面図である。
【図７Ｃ】実施例の光スイッチの電極形成方法を説明するための工程を示す断面図である。
【図７Ｃ０】図７Ｂ０に示したマスクを用いて形成されたパターンを示す平面図である。
【図７Ｄ】実施例の光スイッチの電極形成方法を説明するための工程を示す断面図である。
【図７Ｅ】実施例の光スイッチの電極形成方法を説明するための工程を示す断面図である。
【図７Ｆ】実施例の光スイッチの電極形成方法を説明するための工程を示す断面図である。
【図７Ｇ】実施例の光スイッチの電極形成方法を説明するための工程を示す断面図である。
【図７Ｈ】実施例の光スイッチの電極形成方法を説明するための工程を示す断面図である。
【図８Ａ】実施例の光スイッチの他の電極形成方法を説明するために、マスクの形状を示す平面図である。
【図８Ｂ】図８Ａに示したマスクを用いて形成されたパターンを示す平面図である。
【図８Ｃ】貼り合わされた電気光学結晶の概観を示す斜視図である。
【図８Ｄ】切削部を示す平面図である。
【図９Ａ】実施例の光スイッチの更に他の電極形成方法を説明するために、マスクの形状を示す平面図である。
【図９Ｂ】図９Ａに示したマスクを用いて形成されたパターンを示す平面図である。
【図９Ｃ】貼り合わされた電気光学結晶の概観を示す斜視図である。
【図９Ｄ】切削部を示す平面図である。
【図１０Ａ】実施例の光スイッチの更に他の電極形成方法を説明するために、マスクの形状を示す平面図である。
【図１０Ｂ】図１０Ａに示したマスクを用いて形成されたパターンを示す平面図である。
【図１０Ｃ】貼り合わされた電気光学結晶の概観を示す斜視図である。
【図１０Ｄ】切削部を示す平面図である。
【図１１Ａ】実施例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１１Ｂ】図１１Ａに示した電極の長手方向とほぼ直交する平面における光スイッチを示す断面図である。
【図１１Ｃ】図１１Ａに示した光スイッチにおける屈折率変化部を説明するための模式図である。
【図１２Ａ】実施例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１２Ｂ】図１２Ａに示した電極の長手方向に平行な軸線を含む平面における光スイッチを示す断面図である。
【図１３Ａ】実施例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１３Ｂ】実施例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１４】本実施例の光スイッチを備える画像表示装置の一例を示す模式図である。
【図１５】本実施例の光スイッチを備える画像形成装置の一例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
次に、本発明の実施例について図面を参照して説明する。
【００２５】
図３Ａに、実施例の光スイッチの構成の模式図を示す。図３Ｂに、図３Ａにおける光スイッチを電極の配列方向に平行な平面における断面図を示す。図３Ｃに、電極１０６の長手方向に平行な軸線を含む平面における断面図を示す。
【００２６】
図３Ａに示すように、光スイッチは、第１の電気光学結晶１０４と第２の電気光学結晶１０５とが、例えば高温及び高圧の条件下で接合されて構成されている。図３Ｂ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と電気光学結晶１０５との接合境界面は、屈折率がほぼ同等で連続的であるので、光学的に均一な、１つの電気光学結晶と見なすことができる。
【００２７】
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。
【００２８】
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、複数の溝が互いに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、電極構成材にな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になっている。
【００２９】
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にされており、この表面が、上述のような電極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１０５の内部に形成されている状態になる。なお、電気光学結晶１０４、１０５は、これら電気光学結晶１０４、１０５と屈折率が同等であるバインダなどを用いて接合されてもよい。
【００３０】
複数の電極１０６は、電気光学結晶の内部の同一平面上に互いにほぼ平行に延ばされて配列されており、線状電極として形成されている。また、電極部１０７は、面積が最大となる主断面、すなわち電極の配列方向に平行な断面が同一平面内に配置されている。
【００３１】
また、複数の電極１０６は、互いに隣接する電極１０６の極性が異なるように、外部電源１０９に電気的に接続されている。したがって、電極部１０７の各電極１０６には、互いに隣接する電極１０６に極性が異なる電圧が印加される。
【００３２】
そして、各電極１０６は、接合された電気光学結晶の一方の端面と、電極１０６の長手方向とがなす角度θｘが、
【００３３】
【数１】
2010071105.tif 000006
を満たす角度の近傍になるように、電気光学結晶の他方の端面に向かって延ばされて設けられている。本実施例では、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。
【００３４】
なお、ｎは、入射する光の波長における電気光学結晶の屈折率である。また、ここでいう同一平面とは、幾何学的に完全な同一平面に限定されず、製造上の誤差を含んでいる。また、この平面は、後述する屈折率変化部の、屈折率が変化した領域とこの領域の周辺の領域との屈折率界面が、複数の電極１０６の配列方向に平行な平坦面を有する程度の範囲の平面であればよい。
【００３５】
次に、本実施例の光スイッチの動作を説明する。
【００３６】
本実施例の光スイッチを使用する際には、図３Ｂに示すように、電気光学結晶の入射面に入射する光の光軸と、入射面の法線方向とがなす角度が、以下に示すブリュースター角θｂを満たす角度近傍になるように光を入射面に入射させる。
【００３７】
【数２】
2010071105.tif 000007
この式２により、以下の式３が算出される。
【００３８】
【数３】
2010071105.tif 000008
なお、ｎは、入射する光の波長における電気光学結晶の屈折率である。この入射角で電気光学結晶に入射させることによって、電気光学結晶に形成された電極１０６の長手方向と、電気光学結晶の内部における光の進行方向とをほぼ平行にすることができる。
【００３９】
図４Ａに、それぞれの電極１０６の長手方向とほぼ直交する平面における断面図を示す。電極部１０７に電圧が印加されていない場合には、図４Ａに示すように、電極１０６の近傍の結晶領域において、屈折率変化が生じない。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したとき、その入射光１０１は、各電極間の間隙領域１０８（以下、光透過部１０８と称する）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。
【００４０】
一方、電極部１０７に電圧が印加されている場合には、図４Ｂ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２０１が生じる。この屈折率変化部２０１は電極部１０７全体を包囲している。また、屈折率変化部２０１の、屈折率が変化した変化領域とこの変化領域の周辺の結晶領域との屈折率界面２０２は、複数の電極１０６の配列方向に平行な平坦面を有している。
【００４１】
そして、屈折率界面２０２において、入射光１０１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４により算出される。
【００４２】
【数４】
2010071105.tif 000009
入射角が臨界角θｍ以上である入射光は、屈折率界面２０２で全反射されて、反射光１０３として出射面から外部へ出射される。このとき、反射光１０３の出射方向は、透過光１０２の出射方向と異なる。
【００４３】
上述のように、電極部１０７に印加する電圧を制御することによって、透過状態と反射状態とを切り換えることができる。これにより、光のオン・オフ制御が可能になる。透過光１０２と反射光１０３は、出射方向が異なるので、容易に分離することができる。
【００４４】
なお、図３Ｃ０に示すように、入射角が臨界角θｍ以上である入射光を電気光学結晶の入射面から入射させる場合には、
【００４５】
【数５】
2010071105.tif 000010
を満たすような角度θａよりも小さな入射角で入射光を入射させる必要がある。
【００４６】
図５Ａ〜図５Ｃは、本実施例の光スイッチにおける、印加電圧に対する屈折率及び光の出力の変化を説明するための図である。図５Ａは、印加電圧の波形を示す図であって、横軸が時間を示し、縦軸が電圧を示す。図５Ｂは、図５Ａに示した印加電圧に対する電極部近傍の屈折率の変化を示す図であって、横軸が時間を示し、縦軸が屈折率を示す。図５Ｃは、図５Ａに示した印加電圧に対する光の出力の変化を示す図であって、横軸が時間を示し、縦軸が光の出力を示す。光の出力の値は、フォトディテクタ等を用いて透過光１０２を検出した値である。
【００４７】
電極部１０７に電圧が印加されたときに、主に電極１０６の近傍領域の屈折率が、その領域の周囲の他の領域の屈折率よりも小さくなる。このため、臨界角θｍ以上の入射角をもって屈折率界面２０２に入射した光は、この屈折率界面２０２で全反射されることになり、フォトディテクタによって検出される透過光１０２の出力値が低くなる。
【００４８】
電極部１０７に印加される電圧値がゼロのときには、電極１０６の近傍領域における屈折率変化が発生しない。このため、入射光１０１は、電極部１０６間の光透過部１０８をそのまま通過し、フォトディテクタによって検出される。このため、透過光１０２の出力値は、電圧印加時に比べて大きくなる。
【００４９】
次に、本実施例を用いることによって得られる効果について述べる。
【００５０】
一般的に屈折率が比較的大きな電気光学結晶等の結晶に光を入射させたときには、光の反射成分が大きくなってしまう。しかしながら、ブリュースター角θｂで結晶へ光を入射及び出射させることで、光の反射成分を少なくすることができる。
【００５１】
一例として、屈折率２．３の電気光学結晶に対する入射角（degree）と、Ｐ偏光の反射率との関係を図６に示す。図６に示すように、ブリュースター角θｂをもってＰ偏光の光、または少なくともＰ偏光成分を含んでいる光を入射させることで、屈折率差が存在する境界に光を入射させたときの反射成分を極めて小さくすることができる。
【００５２】
また、電気光学結晶において、光の入射面と出射面とがほぼ平行である場合には、電気光学結晶から出射される光も、再びブリュースター角θｂをもって出射させることができる。このため、光を入射面に入射させるときと同様に、出射面から出射される光の反射成分を極めて小さくすることができる。したがって、本実施例の光スイッチは、反射が少ない光の入射及び出射を実現することができ、光の利用効率の向上を図ることができる。さらに、この光スイッチによれば、反射防止膜を設ける必要がなくなり、製造コストの低減を図ることも可能になる。
【００５３】
また、ブリュースター角θｂで光を電気光学結晶に入射させることによって、電気光学結晶に形成された電極１０６の長手方向と、電気光学結晶内における光の進行方向とをほぼ平行にすることができる。入射光１０１の進行方向と、電極１０６の長手方向とが交差するような構成では、電極１０６の厚さなどによって光が遮光されて光利用効率が低下してしまっていた。しかし、本実施例の構造によって、光の損失を低減させることが可能になり、光利用効率の低下を防ぐことができる。
【００５４】
さらに、本実施例の光スイッチは、導波路構造を形成する必要がない、電気光学結晶１０４の内部を光が透過するバルク型の光スイッチである。したがって、本実施例の光スイッチは、導波路型の光スイッチよりも比較的大きな口径（数十μｍ〜数百μｍ程度）の光ビームをスイッチングすることができる。そのため、単位体積当たりに照射される光の強度を下げることが可能であり、導波路型の光スイッチよりも光耐性を向上させることができる。
【００５５】
さらに、電気光学結晶の入射面に対して光が入射する角度がブリュースター角θｂになる。このため、入射面から電気光学結晶に入射する前の光ビームのビーム幅(図３Ｂに示すように、複数の電極の配列方向に平行な平面上における直径)がｌであったとき、電気光学結晶内における光ビームのビーム幅は、ｌ／ｃｏｓθｂ、すなわちｌ／ｃｏｓ（Ｔａｎ―１（ｎ））に広がる。したがって、本実施例は、電気光学結晶に強い光が入射することによる損傷の負荷を軽減することができるので、光損傷に対する耐久性（光耐性）を向上させ、信頼性を向上することが可能である。
【００５６】
さらに、本実施例の光スイッチにおける高速動作時の消費電力Ｐ、印加電圧Ｖ、電極間容量Ｃ、最大変調動作周波数ｆｍａｘの関係は、以下に示す式６群でそれぞれ表される。
【００５７】
【数６】
2010071105.tif 000011
ここで、ｆは動作周波数、Ｒは出力抵抗、ｄは電極間隔である。
【００５８】
式６群によれば、電極間に電圧Ｖを印加したときに、電極間隔ｄと、電極間に発生する電界強度Ｅとの関係が反比例であることを示している。この関係によれば、本実施例の光スイッチでは、複数の電極１０６の間隔が数μｍ〜数十μｍ程度の等間隔であり、比較的狭い間隔で配置されている。このため、比較的小さな印加電圧Ｖによって、電極１０６間の光透過部１０８に、更に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Ｖを低くすることが可能となる。また、複数の電極１０６の断面積が比較的小さく構成されているので、電極間容量Ｃも小さくすることが可能になる。
【００５９】
ここで再び、上述の式６群によれば、高速動作時の消費電力Ｐは、印加電圧Ｖの２乗と電極間容量Ｃに比例するので、印加電圧Ｖと電極間容量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ｆｍａｘ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。
【００６０】
以上のように、本実施例の光スイッチによれば、損失を低減することで高い光利用効率を実現し、かつ高い光耐性による高い信頼性が得られ、消費電力の低減及びスイッチ動作の高速化を図ることができる。
【００６１】
次に、本実施例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。
【００６２】
本実施例の光スイッチにおいて、電気光学結晶としては、カー定数やポッケルス定数及び屈折率が比較的高い電気光学結晶、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。この理由は、屈折率変化量Δｎが、以下の式７を満たすので、カー定数やポッケルス定数及び屈折率が比較的高い電気光学結晶を用いることによって、大きな屈折率変化Δｎを得ることができるからである。
【００６３】
【数７】
2010071105.tif 000012
電極１０６の長さを入射光１０１の光ビームの大きさに応じ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。
【００６４】
具体的には、図３Ｂで見たときの電極１０６の長さＬが、電気光学結晶中を通過する光ビームがすべて、各電極１０６間に存在する電気光学結晶の光透過部１０８を通るように設定されればよい。つまり、図３Ｃに示すように、電極１０６の配列方向に直交し、かつ電極１０６の長手方向の軸線を含む平面において電気光学結晶を見る。この平面上で見たときの電気光学結晶内での光ビームのビーム径をｒとし、電極部からの電界によって屈折率が変化した変化領域と、この変化領域周辺の周辺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とする。そして、このとき、電極１０６の長さである電極長Ｌが、以下の式８を満たす値以上であればよい。
【００６５】
【数８】
2010071105.tif 000013
また、電極部１０７の幅Ｗ（複数の電極１０６が配列された格子状の部分の幅）は、電気光学結晶中を進行する光ビームのビーム幅以上であればよい。図３Ｂで見たときに電気光学結晶の入射面に入射する前の光ビームのビーム径（複数の電極の配列方向に平行な平面上における直径）をｌとしたとき、電気光学結晶の内部での光ビームのビーム幅は、ｌ／ｃｏｓθｂに広がる。したがって、図３Ｂに示すように、電極部１０７の幅Ｗ（複数の電極の配列方向の幅）は、電気光学結晶の内部におけるビーム幅であるｌ／ｃｏｓθｂ以上に形成されていればよい。ブリュースター角θｂ＝Ｔａｎ−１（ｎ）であるので、電極部１０７の幅Ｗは、ｌ／ｃｏｓ（Ｔａｎ−１（ｎ））以上に設定されればよい。
【００６６】
【数９】
2010071105.tif 000014
なお、各電極１０６は、電極１０６の配列方向に直交する方向の厚みである膜厚が、可能な限り均等に形成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の膜厚及び間隔を均等にすることによって、比較的平坦な屈折率界面２０２を形成することができる。屈折率界面２０２が比較的平坦な面を有することで、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。
【００６７】
また、本実施例の光スイッチにおいて、変調する光の波長に基づいた電極長などの設計を行うことで、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、特に波長が４００ｎｍ〜７００ｎｍの可視光を変調する必要がある。しかし、このような波長域では、波長に応じて電気光学結晶の屈折率及び屈折率変化量が僅かであるが異なっている。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とから、屈折率ｎ及びカー定数ｓを、以下の式１０群によって算出することができる。
【００６８】
【数１０】
2010071105.tif 000015
波長４４０ｎｍの光を用いるときの２次の電気光学係数ｇ１１−ｇ１２を０．２０６としたとき、式１０群を用いることで、屈折率ｎが２．４０９となり、カー定数ｓが４．６７×１０−１５となる。波長６４０ｎｍの光を用いるときの２次の電気光学係数ｇ１１−ｇ１２を０．１５４としたとき、上述の式１０群を用いることで、屈折率ｎが２．２８４となり、カー定数ｓが３．４９×１０−１５となる。
【００６９】
また、間隔が５μｍの電極間に５Ｖの電圧を印加した場合、式７によれば、屈折率変化量Δｎは、波長４４０ｎｍの光の場合に−０．０３３となり、波長６４０ｎｍの光の場合に−０．０２１となる。屈折率界面での臨界角θｍは、式４によれば、波長４４０ｎｍの光を用いた場合に８０．６度となり、波長６４０ｎｍの光を用いた場合に８２．３度となる。これらの算出値から明らかなように、使用する波長に応じて臨界角θｍも変化することになる。
【００７０】
入射光としてレーザ光を使用する場合には、使用する光の波長が定まるので、電気光学結晶の屈折率ｎと屈折率変化量Δｎから求まる臨界角θｍ、レーザ光のビーム径ｒやビーム径ｌから、式８、９を用いて電極長Ｌ、電極部の幅Ｗが算出される。算出された電極長Ｌ、電極部の幅Ｗを用いることで、必要最低限の電極長と電極の個数で、光スイッチを設計することができる。その結果、消費電力の低減を図り、かつ高速変調が可能な光スイッチを実現できる。
【００７１】
また、入射光として白色光などの波長が比較的長い光を使用する場合には、屈折率変化量が比較的少ない長波長側の光に応じて、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。
【００７２】
次に、本実施例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。
【００７３】
図７Ａ〜図７Ｈに、光スイッチの電極形成方法の各工程の断面図を示す。
【００７４】
まず、電気光学結晶５０１の表面にレジスト５０２を塗布する（図７Ａに示す工程）。続いて、図７Ｂ０に示すような、電気光学結晶の端面（入射面）から式１を満たす角度だけ端面に対して傾斜された直線に沿ってほぼ平行に並んだ電極形成用のパターンが形成されたマスク５０３を用いる。このマスク５０３を用いてレジスト５０２が塗布された面をマスキングし、レジスト５０２の塗布面を露光する（図７Ｂに示す工程）。続いて、レジスト５０２における露光された部分を除去する（図７Ｃに示す工程）。これによって、図７Ｃ０に示すようなパターンが作られた電気光学結晶が得られる。
【００７５】
次に、露光部分が除去されたレジスト５０２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処理する（図７Ｄに示す工程）。エッチング材料としては、例えばフッ化水素等が用いられる。
【００７６】
続いて、エッチング処理によって溝が形成された電気光学結晶５０１の面全体に、蒸着やスパッタリングによって電極材料（金、白金など）を堆積させる（図７Ｅに示す工程）。電気光学結晶５０１の溝に堆積された電極材料によって、電極５０４が形成される。この電極５０４が、図３Ａに示した電極１０６になる。その後、電気光学結晶５０１からレジスト５０２を除去する（図７Ｆに示す工程）。
【００７７】
次に、電気光学結晶５０１の表面と、電極５０４の各表面とが同じ高さ、つまり同一平面上に位置するように、それらの面を十分に研磨して平坦な面を形成する(図７Ｇに示す工程)。これにより、図３Ａに示した電気光学結晶１０４が得られる。
【００７８】
最後に、高温、高圧の条件下で、電気光学結晶５０１における電極５０４が形成された面を、他の電気光学結晶５０５の、研磨された平坦な面に密着させて、これら電気光学結晶５０１、５０５を貼り合わせる（図７Ｈに示す工程）。なお、電気光学結晶５０１、５０５は、これらの電気光学結晶と屈折率が同等であるバインダなどを用いて接合されてもよい。貼り合わせ工程において電気光学結晶５０１、５０５の貼り合わせられる面は、十分な平坦度を有する面に加工されているものとする。
【００７９】
上述した図７Ａ〜図７Ｈに示した工程を行うことによって、図３Ａに示したように電極１０６の形成及び電気光学結晶１０４、１０５の貼り合わせを行うことができる。
【００８０】
次に、他の電極形成方法を説明する。この電極形成方法では、図７Ａに示したようにレジスト５０２を形成した後、マスク６０３を用いて、レジスト６０２が塗布された面をマスキングし、レジスト５０２の塗布面を露光する（図７Ｂに示す工程）。このとき、図８Ａに示したように、電気光学結晶の端面とほぼ垂直となるような角度をもってほぼ平行に並んだ電極形成用のパターンが形成されたマスク６０３を用いる。
【００８１】
続いて、レジスト６０２の露光された部分を除去する（図７Ｃに示す工程）。これによって、図８Ｂに示すようなパターンのレジスト５０２が設けられた電気光学結晶が得られる。引き続き、この電気光学結晶に、図７Ｄ〜図７Ｈに示した工程を同様に施すことによって、図８Ｃに示したような構造体を作ることができる。次に、この構造体を使って、構造体の両端部を、図８Ｄに示すように、電極の長手方向に対して所定の角度で傾斜した方向に沿って削り取る。これによって、電気光学結晶の端面（入射面）に対して式１を満たす角度で傾斜された方向に延ばされて互いにほぼ平行に配列された複数の電極が形成されるように構成される。そして、研磨によって、電気光学結晶の端面が十分な平坦度を有するように形成することで、実施例の光スイッチを作製することができる。
【００８２】
次に、更に他の電極形成方法を説明する。この電極形成方法では、１回の電極形成で大量の光スイッチを得ることができる。比較的大きな電気光学結晶基板７０１の上にレジスト７０２を塗布した後、マスク７０３を用いて、レジスト７０２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７Ｂに示す工程）。このとき、図９Ａに示したように、電気光学結晶７０１の端面（入射面）に対して式１を満たす角度だけ傾斜された方向に延ばされて互いにほぼ平行に配列された複数の電極形成用のパターンが形成されたマスク７０３を用いる。
【００８３】
続いて、レジスト７０２の露光された部分を除去する（図７Ｃに示す工程）。これによって、図９Ｂに示すようなパターンのレジスト７０２が設けられた電気光学結晶が得られる。この電気光学結晶に、図７Ｄ〜図７Ｈの工程を同様に施すことによって、図９Ｃに示したような構造体を作ることができる。この構造体を、各端面に対して垂直な方向に沿って更に切断し、各切断面を平坦に研磨することで、図３Ａに示したような電極構造が電気光学結晶の内部に形成された多数の光スイッチを一度にまとめて得ることができる。
【００８４】
次に、更に他の電極形成方法を説明する。この電極形成方法においても、１回の電極形成によって多数の光スイッチを得ることができる。比較的大きな電気光学結晶基板８０１にレジスト８０２を塗布した後、マスク８０３を用いて、レジスト８０２が塗布された面にマスキングを施し、マスキングを介して塗布面を露光する（図７Ｂに示す工程）。このとき、図１０Ａに示したような電気光学結晶８０１の端面（入射面）に対して垂直な角度をなす方向に延ばされて互いにほぼ平行に配列された電極形成用のパターンが形成されたマスク８０３を用いる。
【００８５】
続いて、レジスト８０２の露光された部分を除去する（図７Ｃに示す工程）。これによって、図１０Ｂに示すようなパターンのレジスト８０２が設けられた電気光学結晶が得られる。この電気光学結晶に、図７Ｄ〜図７Ｈに示した工程を同様に施すことで、図１０Ｃに示したような構造体を作ることができる。この構造体を使って、この構造体から更に図１０Ｄに示した部分を切断し、電気光学結晶の端面（入射面）に対して式１を満たす角度だけ傾斜された方向に延ばされて互いにほぼ平行に配列された複数の電極が形成されているような構造を構成する。そして、研磨によって端面を十分な平坦度を有するように形成することで、本実施例の光スイッチを一度にまとめて多数作製することができる。
【００８６】
なお、本実施例の光スイッチは、電気光学結晶の内部の光路上に沿って複数の電極部が配置される、マルチ電極構造が採られてもよい。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。
【００８７】
電気光学結晶の端面における光の入射及び出射のとき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、マルチ電極構造を採用することが望ましい。
【００８８】
図１１Ａに、マルチ電極構造を有する光スイッチの構成の模式的な斜視図を示す。図１１Ｂに、図１１Ａにおける光スイッチに形成された電極１０６の長手方向とほぼ直交する平面における断面図を示す。
【００８９】
図１１Ａに示すように、光スイッチは、３つの電気光学結晶１０４、１０５、９０３が積層されて、高温、高圧の条件下で接合されて構成されている。この光スイッチにおいて、各電気光学結晶１０４、１０５、９０３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ので、全体で光学的に均一な１つの電気光学結晶と見なすことができる。電気光学結晶１０４、１０５、９０３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。
【００９０】
電気光学結晶１０４は、電極部９０４を備える。電極部９０４は、図３Ａに示した電極部ものと同じ電極構造であって、複数の電極１０６からなる。電気光学結晶１０５は、電極部９０５を備える。電極部９０５の構造も、電極部９０４の構造と同様である。
【００９１】
電気光学結晶１０４の電極部９０４が形成された面は、電気光学結晶１０５の電極部９０５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９０５が形成された面は、電気光学結晶９０３の表面に接合される。電気光学結晶１０４、１０５、９０３の接合は、高温、高圧の条件下で行われる。また、このような接合を行う代わりに、電気光学結晶１０４、１０５、９０３を、これら電気光学結晶１０４，１０５，９０３と屈折率が同等であるバインダなどを用いて接合されてもよい。
【００９２】
図１１Ｂに示すように、各電気光学結晶の接合後において、各電極部９０４、９０５は、複数の電極が配列された方向が、互いに平行になるように配置されている。また、入射光１０１が電気光学結晶１０４、１０５、９０３を透過する方向において、電極部９０４の各電極と、電極部９０５の各電極とがそれぞれ対向する位置に配置されている。
【００９３】
上述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９０４、９０５におけるスイッチ動作は、図３Ａに示した光スイッチの電極部における動作とほぼ同じである。各電極部９０４、９０５に電圧を印加したときに、図１１Ｃに示すように、電極部９０４の近傍の結晶領域に屈折率変化部９０６が形成されると共に、電極部６０５の近傍の結晶領域に屈折率変化部９０７が形成される。
【００９４】
各電極部９０４、９０５に電圧を印加した状態において、入射光１０１は、入射角を臨界角以上に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９０６に到達し、この屈折率変化部９０６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９０６を透過した第１の透過光成分は、この屈折率変化部９０６に対して光路の後方に配置されている屈折率変化部９０７に到達する。そして、第１の透過光成分は、この屈折率変化部９０７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。また、屈折率変化部９０６で反射した第１の反射光９０２は、反射光９０１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９０７で反射した第２の反射光９０２は、反射光９０２として電気光学結晶１０５の出射面から外部へ出射される。屈折率変化部９０７を透過した第２の透過光１０２は、透過光１０２として電気光学結晶１０４の出射面から外部へ出射される。
【００９５】
一方、各電極部９０４、９０５への電圧供給を停止したとき、屈折率変化部９０６、９０７が形成されないので、入射光１０１は、電極部９０４、９０５を構成する各電極間の光透過部１０８を透過する。この透過光は、透過光１０２として、電気光学結晶９０３の出射面から外部へ出射される。透過光１０２の出射方向は、上述の反射光９０１、９０２の出射方向と異なる。
【００９６】
上述のように、各電極部９０４、９０５に電圧を印加した状態において、入射光１０１のうち、光路の前方に位置する屈折率変化部９０６を透過してしまった光を、光路の後方に位置する屈折率変化部９０７で反射させることで、消光比を高めることが可能である。
【００９７】
なお、入射角やビーム径、電極部９０４と電極部９０５との間隔が適切に設定されていない場合、屈折率変化部９０７からの第２の反射光９０２が電極部９０４に入射して、これがスイッチング動作に悪影響を及ぼすことで、消光比を低減させる可能性がある。特に、電極部９０４と電極部９０５との間隔が比較的狭い場合には、電極部９０４、９０５でそれぞれ発生した電界の相互干渉の影響によって、電極部９０４と電極部９０５との間に、期待しない屈折率変化部が生じてしまう。この場合には、期待しない光の散乱の影響によって、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９０４と電極部９０５との間隔は、電界の相互干渉が生じないような間隔に設定されることが望ましい。実験的には、電極部９０４と電極部９０５との間隔は、それぞれの電極部９０４、９０５を構成する各電極の配列方向の間隔の３倍以上に設定されることが望ましい。
【００９８】
また、図１２Ａ及び図１２Ｂに示すように、入射光１０１の光路上にのみ、式８に示したように電極長Ｌ以上の長さを有する電極で構成される複数の電極部９０４、９０５が配置されてもよい。なお、図１２Ｂに、電極１０６の長手方向の軸線を含む平面における断面図を示す。この構成の場合も、各電極部９０４、９０５に電圧を印加した状態において、入射光１０１のうち、光路の前方に位置する電極部９０４で反射せずに透過されてきた光を、光路の後方に位置する電極部９０５で反射させる。これによって、消光比を高めることが可能である。この構成によれば、電極の形成領域を光が透過する領域だけに限定することで、電極の面積及び電気光学結晶の面積を更に小さくすることができる。この結果、図１１Ａに示した構造と比較して、電極間容量を低下させることができ、消費電力の低減及び高速動作化の更なる改善を図ることができる。また、高価な電極材料、電気光学結晶材料の使用量を少なくすることができるので、製造コストの低減を図ることができる。
【００９９】
図１１Ａ及び図１２Ａに示したマルチ電極構造の光スイッチは、電極部９０４、９０５に電圧を印加したときに、各屈折率変化部で光が散乱するので、迷光が発生する。この発生した迷光による影響によって、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、屈折率界面における光の散乱を極力抑える必要がある。屈折率界面が平坦面を有するように形成するためには、１段の電極構造の光スイッチの場合と同様に、電極部を構成する複数の電極が、高さ（複数の電極の配列方向に直交する方向の位置）、膜厚（複数の電極の配列方向に直交する方向の厚み）、電極間隔が等しく揃えられている構造であることが望ましい。
【０１００】
図１１Ｂに示したように、電極部９０４，９０５の各電極１０６の位置を作製時に位置決めして構成することで、光が電極部で反射されてしまうことを極力防ぐことが可能になる。その結果、光の利用効率を向上することができる。
【０１０１】
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７Ａ〜図７Ｇに示す工程によって、複数の電極１０６からなる電極部を備えた電気光学結晶５０１を複数作製し、複数の電気光学結晶５０１を貼り合わせる。この貼り合わせた構造体において、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の反対側の面に貼り合わせる。最後に、図１３Ａに示すように、複数の電気光学結晶５０１を貼り合わせた構造体を、他の電気光学結晶５０６の、研磨された平坦な面に貼り付ける。以上の製造方法によって、図１１Ａ又は図１２Ａに示したような本実施例の光スイッチを製造することができる。
【０１０２】
次に、他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７Ａ〜図７Ｇに示した工程によって、複数の電極１０６からなる電極部を備えた電気光学結晶５０１を作製する。この電気光学結晶５０１の裏面に、同様に図７Ａ〜図７Ｇに示した各工程によって、複数の電極１０６からなる電極部を形成する。これらの製造工程を用いて、２つの電極部を備える１つの電気光学結晶１１０１を作製する。これら２つの電極部がそれぞれ第１及び第２の電極部９０４、９０５となる。最後に、図１３Ｂに示すように、２つの電極部９０４、９０５を備える電気光学結晶１１０１の両面に、他の電気光学結晶５０６の、研磨された平坦な面をそれぞれ貼り付ける。以上の製造方法によって、図１１Ａ又は図１２Ａに示したような本実施例の光スイッチを製造することができる。
【０１０３】
次に、本実施例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。本実施例では、タンタル酸ニオブ酸カリウム(ＫＴＮ)を用いた場合における配置例と、ニオブ酸リチウム(ＬＮ)を用いた場合における配置例とについて説明する。
【０１０４】
まず、電気光学結晶として、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。
【０１０５】
入射光の光ビームの、複数の電極１０６が配列された平面（電極面）に直交する方向におけるビーム幅ｌは２０μｍに設定され、電極面に平行方向におけるビーム幅ｒも２０μｍに設定されている。入射光の波長λは６４０ｎｍであり、この場合における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。
【０１０６】
電極部は、５０μｍ程度の幅Ｗにする必要があるので、個々の電極１０６の幅が１μｍである１０本の電極１０６を有し、各電極１０６の間隔ｘが５μｍに設定されている。各電極１０６は、電極面に直交する深さが１μｍに形成された光透過部１０８と接している。
【０１０７】
電極部に外部電源１１１によって５Ｖの電圧を印加した場合には、屈折率変化量Δｎが−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、電気光学結晶への入射光の入射角は９．９°である。
【０１０８】
電極面に直交する方向のビーム幅（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Ｌを２６５μｍ以上に形成する必要がある。このとき、電極部の総電極間容量はおよそ４０５ｐＦである。
【０１０９】
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の厚さが２０μｍとしたとき、２つの電極部の間隔を２６５μｍ程度にする必要がある。このため、電気光学結晶の全長は７９５μｍ以上になり、電気光学結晶全体の、電極面に直交する方向の厚みが６０μｍ以上になる。
【０１１０】
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。
【０１１１】
入射光の光ビームの、電極面に対して直交する方向におけるビーム幅ｌが２０μｍとされ、電極面に平行な方向におけるビーム幅ｒも２０μｍとされる。入射光の波長λは６４０ｎｍであり、その場合におけるニオブ酸リチウム（ＬＮ）の屈折率ｎは２．２８４である。
【０１１２】
電極部は、５０μｍ程度の幅Ｗにする必要があるので、個々の電極１０６の幅が１μｍである１４本の電極１０６を有し、各電極１０６の間隔ｘが３μｍに設定される。各電極１０６は、電極面に直交する深さ１μｍの光透過部１０８と接している。
【０１１３】
電極部に外部電源１１１によって２００Ｖの電圧を印加した場合には、屈折率変化量Δｎが−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、電気光学結晶への入射光の入射角は１０．１°である。
【０１１４】
電極面に直交する方向のビーム幅（直径）が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Ｌを２６１μｍ以上に形成する必要がある。このとき、電極部の総電極間容量はおよそ１．６３ｐＦである。
【０１１５】
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に形成した場合、２つの電極部の間隔を２６１μｍ程度に形成する必要がある。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。
【０１１６】
上述した図１１Ａ及び図１２Ａに示した例では、光路に沿って、互いに平行に配置された２つの電極部を備える光スイッチについて説明したが、電極部の個数はこの構成に限定されるものではなく、３つ以上の電極部を備える構成にされてもよい。入射光の進行方向に沿って互いに平行に配置される電極部の個数が増えるほど、更に高い消光比を得ることが可能である。
【０１１７】
上述したように、本実施例によれば、電極部の電極間隔を比較的狭くすることで電極間容量を小さくすることが可能になり、低い動作電圧で大きな屈折率変化を得ることができる。このため、本実施例は、消費電力の低減を図ることができる。また、複数の電極からなる電極部を有することで、比較的大口径、例えばビーム径が数十μｍ〜数百μｍ程度の光ビームに対するスイッチ動作を行える。このため、単位体積当たりに照射される光の強度を下げることが可能であり、高い光耐性を実現することができる。また、本実施例は、電極部に電圧を印加するだけでスイッチ動作を行うことができるので、動作回路も簡単となる。
【０１１８】
さらに、本実施例は、電気光学結晶内で電極の長手方向に平行になるような角度で光を通過させることによって、ブリュースター角の条件式を満たした光を入射又は出射することができる。また、本実施例は、反射防止膜を用いることなく、光の入射及び出射のときに生じる反射を抑制することができる。加えて、本実施例は、電極の長手方向と光の進行方向とを平行にすることができる。このため、電極の厚みによって生じる光利用効率の低下も抑制することができ、高い光利用効率を得ることができる。
【０１１９】
すなわち、本実施例の光スイッチは、高い光耐性が得られ、小型化が可能で動作回路の構造も簡素であり、ビーム径が比較的大きな光ビームに対するスイッチ動作を低消費電力で実現することができる。
【０１２０】
上述した各実施例の光スイッチは、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、画像表示装置及び画像形成装置を説明する。
【０１２１】
［画像表示装置］
図１４に、本発明の光スイッチを備える画像表示装置の一例の模式図を示す。図１４に示すように、この画像表示装置１２０１は、レーザ光源１２０２〜１２０４、コリメータレンズ１２０５〜１２０７、反射ミラー１２０８、ダイクロイックミラー１２０９、１２１０、水平走査ミラー１２１１、垂直走査ミラー１２１２、及び光スイッチ１２１４〜１２１６を有している。光スイッチ１２１４〜１２１６は、本実施例の光スイッチである。
【０１２２】
レーザ光源１２０２からのレーザ光の進行方向に沿って、コリメータレンズ１２０７、光スイッチ１２１６、及び反射ミラー１２０８がそれぞれ順に配置されている。コリメータレンズ１２０７からの平行光束が光スイッチ１２１６に入射する。光スイッチ１２１６は、制御部１２１９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）のとき、光スイッチ１２１６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。このため、この屈折率変化領域によって入射光が反射される。このとき、反射光は、反射ミラー１２０８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）のとき、入射光は光スイッチ１２１６を透過して反射ミラー１２０８へ向かう。
【０１２３】
レーザ光源１２０３からのレーザ光の進行方向に沿って、コリメータレンズ１２０６、光スイッチ１２１５、及びダイクロイックミラー１２１０がそれぞれ順に光路上に配置されている。コリメータレンズ１２０６からの平行光束は光スイッチ１２１５に入射する。光スイッチ１２１５においても、光スイッチ１２１６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）のとき、屈折率変化領域によって入射光が反射され、この反射光は、ダイクロイックミラー１２１０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）のとき、入射光は光スイッチ１２１５を透過してダイクロイックミラー１２１０へ向かう。
【０１２４】
レーザ光源１２０４からのレーザ光の進行方向に沿って、コリメータレンズ１２０５、光スイッチ１２１４、及びダイクロイックミラー１２０９がそれぞれ順に光路上に配置されている。コリメータレンズ１２０５からの平行光束は光スイッチ１２１４に入射する。光スイッチ１２１４においても、光スイッチ１２１６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）のとき、屈折率変化領域によって入射光が反射され、この反射光は、ダイクロイックミラー１２０９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）のとき、入射光は光スイッチ１２１４を透過してダイクロイックミラー１２０９へ向かう。
【０１２５】
ダイクロイックミラー１２１０は、光スイッチ１２１５からの光束と、反射ミラー１２０８で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１２１０は、光スイッチ１２１５からの光を反射し、かつ、反射ミラー１２０８からの光を透過するような波長選択特性を有している。
【０１２６】
ダイクロイックミラー１２０９は、光スイッチ１２１４からの光束とダイクロイックミラー１２１０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１２０９は、光スイッチ１２１４からの光を反射し、ダイクロイックミラー１２１０からの光を透過するような波長選択特性を有している。
【０１２７】
水平走査ミラー１２１１は、ダイクロイックミラー１２０９からの光束の進行方向に沿って配置されている。水平走査ミラー１２１１は、制御部１２１９からの水平走査制御信号に基づいてその動作が制御される。垂直走査ミラー１２１２は、水平走査ミラー１２１１からの光束の進行方向に沿って配置されている。垂直走査ミラー１２１２は、制御部１２１９からの垂直走査制御信号に基づいてその動作が制御される。
【０１２８】
レーザ光源１２０２、１２０３、１２０４として、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３原色に対応する色のレーザ光を出射する光源が用いられる。光スイッチ１２１４、１２１５、１２１６をオン・オフ制御し、かつ、水平走査ミラー１２１１及び垂直走査ミラー１２１２を駆動制御することで、外部の投写面としてのスクリーン１２１３上に、カラー画像を表示することができる。
【０１２９】
［画像形成装置］
次に、本実施例の光スイッチを備える、実施例の画像形成装置の構成について説明する。
【０１３０】
図１５に、実施例の光スイッチを備える画像形成装置の一例の模式図を示す。図１５に示すように、この画像形成装置１３０１は、レーザ光源１３０２、コリメータレンズ１３０３、反射ミラー１３０４、走査ミラー１３０５、及び光スイッチ１３０６と、ｆθレンズ１３０７及び感光体１３０８を有している。光スイッチ１３０６は、本実施例の光スイッチである。
【０１３１】
レーザ光源１３０２からのレーザ光の進行方向に沿って、コリメータレンズ１３０３、光スイッチ１３０６、及び反射ミラー１３０４がそれぞれ順に光路上に配置されている。コリメータレンズ１３０３からの平行光束は光スイッチ１３０６に入射する。光スイッチ１３０６は、制御部１３０９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）のとき、光スイッチ１３０６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。このため、この屈折率変化領域によって入射光が反射される。この反射光は、反射ミラー１３０５へ向かう光路から外れる。制御信号がオフの期間（電圧供給の停止期間）のとき、入射光は光スイッチ１３０６を透過して反射ミラー１３０５へ向かう。
【０１３２】
走査ミラー１３０５は、反射ミラー１３０５からの光束の進行方向に配置されている。走査ミラー１３０５は、制御部１３０９から供給される走査制御信号に基づいてその動作が制御される。走査ミラー１３０５からの光は、ｆθレンズ１３０７を介して感光体１３０８に照射される。なお、ｆθレンズ１３０７は、必要に応じて省かれてもよい。
【０１３３】
以上のように構成された画像形成装置は、光スイッチ１３０６をオン・オフ制御し、かつ、走査ミラー１３０５を制御することで、感光体１３０８上に画像を形成する。
【０１３４】
また、本実施例は、感光体１３０８の直前に挿入されたｆθレンズ１３０７を使用せずに、スキャンした画像をそのまま感光体１３０８に投影させる装置として利用することも可能である。
【０１３５】
なお、上述した実施例では、電気光学結晶の入射面に対して角度θｘをなす方向に電極が延ばされて形成される構成を挙げたが、電気光学結晶の出射面に対して角度θｘをなす方向に電極が延ばされて形成された構成でもよいことは勿論である。
【０１３６】
以上説明した実施例の光スイッチ及びその光スイッチを利用した装置は、本発明の実施例の一例であり、本発明は上述の実施例に限定されるものではない。本発明の構成や詳細は、本発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更を行うことができる。つまり、本発明に係る構成や光スイッチの製造方法の手順は、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。
【０１３７】
この出願は、２００８年１２月１８日に出願された日本出願特願２００８−３２２７２６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。
【符号の説明】
【０１３８】
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  光透過部
２０１  屈折率変化部
２０２  屈折率界面
【図１Ａ】
2010071105.tif 000025
【図１Ｂ】
2010071105.tif 000026
【図２】
2010071105.tif 000027
【図３Ａ】
2010071105.tif 000028
【図３Ｂ】
2010071105.tif 000029
【図３Ｂ０】
2010071105.tif 000030
【図３Ｃ】
2010071105.tif 000031
【図３Ｃ０】
2010071105.tif 000032
【図４Ａ】
2010071105.tif 000033
【図４Ｂ】
2010071105.tif 000034
【図５Ａ】
2010071105.tif 000035
【図５Ｂ】
2010071105.tif 000036
【図５Ｃ】
2010071105.tif 000037
【図６】
2010071105.tif 000038
【図７Ａ】
2010071105.tif 000039
【図７Ｂ】
2010071105.tif 000040
【図７Ｂ０】
2010071105.tif 000041
【図７Ｃ】
2010071105.tif 000042
【図７Ｃ０】
2010071105.tif 000043
【図７Ｄ】
2010071105.tif 000044
【図７Ｅ】
2010071105.tif 000045
【図７Ｆ】
2010071105.tif 000046
【図７Ｇ】
2010071105.tif 000047
【図７Ｈ】
2010071105.tif 000048
【図８Ａ】
2010071105.tif 000049
【図８Ｂ】
2010071105.tif 000050
【図８Ｃ】
2010071105.tif 000051
【図８Ｄ】
2010071105.tif 000052
【図９Ａ】
2010071105.tif 000053
【図９Ｂ】
2010071105.tif 000054
【図９Ｃ】
2010071105.tif 000055
【図９Ｄ】
2010071105.tif 000056
【図１０Ａ】
2010071105.tif 000057
【図１０Ｂ】
2010071105.tif 000058
【図１０Ｃ】
2010071105.tif 000059
【図１０Ｄ】
2010071105.tif 000060
【図１１Ａ】
2010071105.tif 000061
【図１１Ｂ】
2010071105.tif 000062
【図１１Ｃ】
2010071105.tif 000063
【図１２Ａ】
2010071105.tif 000064
【図１２Ｂ】
2010071105.tif 000065
【図１３Ａ】
2010071105.tif 000066
【図１３Ｂ】
2010071105.tif 000067
【図１４】
2010071105.tif 000068
【図１５】
2010071105.tif 000069
【国際調査報告】
2010071105.tif 000070
2010071105.tif 000071