(57)【要約】【課題】フォトクロミック材料を用いたプリンターでは、照射光を赤、緑、青と３色利用することで、フルカラーの表示が行える。画像表示をするためには高速のスイッチング素子が必要である。赤色ＬＤは直接高速の変調が可能であるが、青、もしくは緑はＳＨＧ（第２高調波）を用いるために、直接の高速変調が難しい。【解決手段】例えば、ガラスを基板１として、その上に誘電多層膜２ａとしてＳｉＯ２とＴｉＯ２を、光学長が変調させたい光の波長の４分の１になるような厚さで複数組積層する。その上に透明電極ＩＴＯ４で挟んだ所定の厚さのＰＬＺＴからなる欠陥層３を重ね、さらに、多層膜２ａと同様な多層膜２ｂを重ねる。所定の波長の光Ｌｉを基板１側から垂直入射させると、欠陥層３を含む多層膜は反射性を示し、透過光が生じない。欠陥層３の両面の電極に所定の電圧で変調した信号を与えると、光は信号に従って透過する。【選択図】  図１
2006113475.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに屈折率の異なる２種の誘電体を周期的に積層してなる第１の多層膜と、該第１の多層膜の上に屈折率が外部の摂動によって制御しうる欠陥層と、さらにその上に前記多層膜と同様構成の第２の多層膜を積層して１つのキャビティとし、該キャビティを少なくとも１つ、光学的に透明な基板の１面に形成することによって特定の波長光を共鳴波長とする複合薄膜からなる光スイッチにおいて、前記欠陥層の屈折率を電気光学効果により変化させることで、前記共鳴波長を移動させ、前記光スイッチに前記基板側から入射させる入射光のスペクトルと、前記屈折率の変化前、もしくは変化後の前記複合薄膜の透過率スペクトルとを整合させることを特徴とする光スイッチ。
【請求項２】
請求項１に記載の光スイッチにおいて、前記入射光は前記多層膜の面に対して垂直に入射することを特徴とする光スイッチ。
【請求項３】
請求項２に記載の光スイッチにおいて、前記複合薄膜を透過する光を信号光として用いることを特徴とする光スイッチ。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１つに記載の光スイッチにおいて、前記共鳴波長の移動量をΔλｍとし、入射光スペクトルの半値幅をΔλｉ、該入射光スペクトルの片側Δλｍの位置における入射光のピーク値に対する比の許容値をα％としたとき、少なくとも次式を満足させることを特徴とする光スイッチ。
Δλｍ／Δλｉ≧√｛（２ｌｎ１０−ｌｎα）／ｌｎ２｝／２
【請求項５】
請求項１ないし３のいずれか１つに記載の光スイッチにおいて、前記共鳴波長の移動量をΔλｍとし、反射率スペクトルの半値幅をΔλｔ、該入射光スペクトルの片側Δλｍの位置における入射光のピーク値に対する比の許容値をα％としたとき、少なくとも次式を満足させることを特徴とする光スイッチ。
Δλｍ／Δλｔ≧√｛（２ｌｎ１０−ｌｎα）／ｌｎ２｝／２
【請求項６】
請求項２に記載の光スイッチにおいて、前記複合薄膜から反射される光を信号光として用いることを特徴とする光スイッチ。
【請求項７】
請求項６に記載の光スイッチにおいて、前記入射光の偏光方向に対し、反射光の偏光方向が直交する向きに偏光方向を変える手段を有することを特徴とする光スイッチ。
【請求項８】
請求項７に記載の光スイッチにおいて、前記入射光が前記偏光方向を変える手段に入る前に、直線偏光に揃える手段を有することを特徴とする光スイッチ。
【請求項９】
請求項１に記載の光スイッチにおいて、前記入射光は前記多層膜の面に対して傾斜して入射させ、前記複合薄膜から反射される光を信号光として用いることを特徴とする光スイッチ。
【請求項１０】
請求項９に記載の光スイッチにおいて、前記電気光学効果を有する欠陥層はその片面側に櫛歯電極を設けたことを特徴とする光スイッチ。
【請求項１１】
請求項９または１０に記載の光スイッチにおいて、前記基板の光の入射面は光の入射方向に対してほぼ垂直に形成されていることを特徴とする光スイッチ。
【請求項１２】
請求項９ないし１１のいずれか１つに記載の光スイッチにおいて、前記共鳴波長の移動量をΔλｍとし、入射光スペクトルの半値幅をΔλｉ、該入射光スペクトルの片側Δλｍの位置における入射光のピーク値に対する比の許容値をα％としたとき、少なくとも次式を満足させることを特徴とする光スイッチ。
Δλｍ／Δλｉ≧√｛（２ｌｎ１０−ｌｎα）／ｌｎ２｝／２
【請求項１３】
請求項９ないし１１のいずれか１つに記載の光スイッチにおいて、前記共鳴波長の移動量をΔλｍとし、反射率スペクトルの半値幅をΔλｔ、該入射光スペクトルの片側Δλｍの位置における入射光のピーク値に対する比の許容値をα％としたとき、少なくとも次式を満足させることを特徴とする光スイッチ。
Δλｍ／Δλｔ≧√｛（２ｌｎ１０−ｌｎα）／ｌｎ２｝／２
【請求項１４】
請求項１ないし１３のいずれか１つに記載の光スイッチにおいて、前記基板の光の入射面は、反射防止コートが施されていることを特徴とする光スイッチ。
【請求項１５】
請求項１ないし１４のいずれか１つに記載の光スイッチにおいて、前記入射光の入射角をθ、ピーク位置の波長をλｉｐとし、前記欠陥層の屈折率をｎｋとし、Ｎを任意の整数とするとき、前記欠陥層の厚さｄｋが次の式を満足するように構成されていることを特徴とする光スイッチ。
ｄｋ＝２Ｎ×｛（λｉｐ／ｃｏｓθ）／４｝／ｎｋ
【請求項１６】
請求項１ないし１５のいずれか１つに記載の光スイッチにおいて、前記欠陥層として用いる電気光学材料は、ＰＬＺＴ（Ｐｂ（１−ｘ）ＬａｘＺｒｙＴｉ（１−ｙ）Ｏ３）、またはＫＴＮ（ＫＴａｘＮｂ（１−ｘ）Ｏ３）のいずれかであることを特徴とする光スイッチ。
【請求項１７】
請求項１ないし１６のいずれか１つに記載の光スイッチを、前記共鳴波長が赤、緑、青の３色にそれぞれ対応する３個用いたことを特徴とするフォトクロミック用プリンター。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フォトクロミック材料用のレーザープリンターに使用可能な、光源の光出力を制御する光スイッチに関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、フォトクロミック材料を利用した書き換え可能な（リライタブル）ペーパーの開発が進んでいる。フォトクロミック材料は光を照射することで、その光の波長と同等の波長の色に発色する。照射光を赤、緑、青と３色利用することで、フルカラーの表示が行える。この発色はＵＶ光を照射することで消去することができる。この発色現象は繰り返し行うことができ、これをプリンター用紙として利用したものが、リライタブルペーパーである。フォトクロミック用のレーザープリンターはその光源として、波長を青、緑、赤と３種類必要であり、それぞれに変調器が必要である。通常光源はＬＤを用いており、赤色のレーザーであれば、電流駆動によって変調が可能である。しかし、青、もしくは緑はＳＨＧ（第２高調波）を用いるために、電流駆動ではなく、ＳＨＧの励起寿命によって、変調速度が規定される。ＳＨＧの励起寿命は非常に長くｎｓｅｃオーダーの変調は難しい。
そこで、従来はＡＯＭやＰＬＺＴの偏光を利用した光シャッターなどの外部変調器を用いていた。ＡＯＭは弾性波を利用して回折格子をつくり、光を回折することでスイッチングを行なう。弾性を発生させる素子が発熱することから、大きな冷却装置が必要とされていた。また、ＰＬＺＴを用いたシャッターでは、光がＰＬＺＴで偏光することを利用してスイッチングを行なう。このシャッターでは,偏光を利用することで光の利用効率が５０％となるほか、光吸収があるなど課題が多い。
【０００３】
一方、液晶を誘電体多層膜に挟んだ構造の光スイッチが研究されている（例えば、非特許文献１  参照。）。誘電体多層膜は屈折率の異なる誘電体を周期的に積層したもので、ＳｉＯ２とＴｉＯ２などの屈折率差が大きいペアが利用されている。この誘電体の厚みをコントロールすることで、任意の波長の光を反射する反射膜として機能する。この誘電体多層膜の間に欠陥層として、周期性を乱す層を入れることで、任意の波長だけを透過するフィルターとしての機能を持たせることができる。これはバンドパスフィルターなどとして通信分野で利用されている。この欠陥層として液晶を用い、電圧印加によって、光学的な厚みをコントロールすることが研究されている。以下では、このような誘電体多層膜に屈折率が可変な材料を挟んだものをアクティブフィルターと呼ぶ。しかし、液晶でのスイッチングでは駆動速度は５０μｓｅｃ程度である。
ほぼ同じ形態で、誘電体多層膜の間に半導体を挟んだ系が有る（例えば、特許文献１  参照。）。半導体の場合には、高速に反応ができることや薄膜などが精度よく作製できるといったメリットがある。しかし、半導体では、入射光の波長に自由度が無く、誘電体多層膜部分を半導体によって作製しなくては、欠陥層が作製でいないという問題がある。半導体での周期構造では屈折率差が大きくとれないことから、シャープな透過率スペクトルが作れないなど問題がある。
【０００４】
誘電体多層膜に電気光学材料を挟みこんだバンドパスフィルターを開発しているものもある（例えば、特許文献２、特許文献３  参照。）。このバンドパスフィルターは入射光の波長選択を行うデバイスであり、変調器の機能は有していない。バンドパスフィルターは様々な波長の入射光を振り分けるルーターの役割をする。そのため、入射光の波長は通信のシステムで決められ、バンドパスフィルターからの制限をかける事はできない。また、これらの特許文献には、透過光を信号光として用いる構成しか示されていない。これらの特許文献では信号光の強度に対し、それほど厳しい製品システムを設定していないため、透過光でも十分に対応できている。しかし、プリンターなどに用いる光スイッチとしては、信号光の光強度が重要になり、その強度を上げる方法が必要である。信号光の光強度を上げることによって、ＯＦＦ時の信号光強度を上げてしまっては問題が残る。信号光の強度を上げることで、消光比も上げる必要がある。
また、入射角を垂直方向に固定する方法がとられてきた。実装が簡便であり、単純な系であることから、入射光の方向として、垂直方向に固定していたのである。また、この誘電体多層膜に欠陥層を挟み込む構造は、欠陥層の膜厚制御が非常に難しい。それは欠陥層を電気光学材料としており、電気光学材料は一般的には引き上げ法など成膜の膜厚精度が出しにくい方法でしか成膜できない理由による。また、欠陥層の上下層には電極層が形成され、これも膜厚精度を低下させる要因である。
また、電気光学材料を用いていないパッシブ型のバンドパスフィルターでは、入射角を制御して、透過スペクトルを制御する方法が行われている（例えば、特許文献４  参照。）。この方法はアクティブに入射角を制御する方法であるが、反応時間が遅く、これを利用して光スイッチとすることは困難である。
【０００５】
【特許文献１】特開平７−６４２７７号公報
【特許文献２】特開２００３−２０７７５３号公報
【特許文献３】特開２００３−２３３０４６号公報
【特許文献４】特開２０００−１４７２４７号公報
【非特許文献１】Ryotaro Ozaki, Masanori Ozaki and Yoshino Katumi ; J.J.A.P. 42（2003）L669
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
消光比が高く、高速応答を行える高品質な光スイッチを低コストで提供する。
アクティブバンドパスフィルターを利用した光スイッチ構成において、消光比の高い光スイッチを提供する。
【０００７】
請求項１に記載の発明では、互いに屈折率の異なる２種の誘電体を周期的に積層してなる第１の多層膜と、該第１の多層膜の上に屈折率が外部の摂動によって制御しうる欠陥層と、さらにその上に前記多層膜と同様構成の第２の多層膜を積層して１つのキャビティとし、該キャビティを少なくとも１つ、光学的に透明な基板の１面に形成することによって特定の波長光を共鳴波長とする複合薄膜からなる光スイッチにおいて、前記欠陥層の屈折率を電気光学効果により変化させることで、前記共鳴波長を移動させ、前記光スイッチに前記基板側から入射させる入射光のスペクトルと、前記屈折率の変化前、もしくは変化後の前記複合薄膜の透過率スペクトルとを整合させることを特徴とする。
請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の光スイッチにおいて、前記入射光は前記多層膜の面に対して垂直に入射することを特徴とする。
請求項３に記載の発明では、請求項２に記載の光スイッチにおいて、前記複合薄膜を透過する光を信号光として用いることを特徴とする。
【０００８】
請求項４に記載の発明では、請求項１ないし３のいずれか１つに記載の光スイッチにおいて、前記共鳴波長の移動量をΔλｍとし、入射光スペクトルの半値幅をΔλｉ、該入射光スペクトルの片側Δλｍの位置における入射光のピーク値に対する比の許容値をα％としたとき、少なくとも次式を満足させることを特徴とする。
Δλｍ／Δλｉ≧√｛（２ｌｎ１０−ｌｎα）／ｌｎ２｝／２
請求項５に記載の発明では、請求項１ないし３のいずれか１つに記載の光スイッチにおいて、前記共鳴波長の移動量をΔλｍとし、反射率スペクトルの半値幅をΔλｔ、該入射光スペクトルの片側Δλｍの位置における入射光のピーク値に対する比の許容値をα％としたとき、少なくとも次式を満足させることを特徴とする。
Δλｍ／Δλｔ≧√｛（２ｌｎ１０−ｌｎα）／ｌｎ２｝／２
請求項６に記載の発明では、請求項２に記載の光スイッチにおいて、前記複合薄膜から反射される光を信号光として用いることを特徴とする。
請求項７に記載の発明では、請求項６に記載の光スイッチにおいて、前記入射光の偏光方向に対し、反射光の偏光方向が直交する向きに偏光方向を変える手段を有することを特徴とする。
【０００９】
請求項８に記載の発明では、請求項７に記載の光スイッチにおいて、前記入射光が前記偏光方向を変える手段に入る前に、直線偏光に揃える手段を有することを特徴とする。
請求項９に記載の発明では、請求項１に記載の光スイッチにおいて、前記入射光は前記多層膜の面に対して傾斜して入射させ、前記複合薄膜から反射される光を信号光として用いることを特徴とする。
請求項１０に記載の発明では、請求項９に記載の光スイッチにおいて、前記電気光学効果を有する欠陥層はその片面側に櫛歯電極を設けたことを特徴とする。
請求項１１に記載の発明では、請求項９または１０に記載の光スイッチにおいて、前記基板の光の入射面は光の入射方向に対してほぼ垂直に形成されていることを特徴とする。
請求項１２に記載の発明では、請求項９ないし１１のいずれか１つに記載の光スイッチにおいて、前記共鳴波長の移動量をΔλｍとし、入射光スペクトルの半値幅をΔλｉ、該入射光スペクトルの片側Δλｍの位置における入射光のピーク値に対する比の許容値をα％としたとき、少なくとも次式を満足させることを特徴とする。
Δλｍ／Δλｉ≧√｛（２ｌｎ１０−ｌｎα）／ｌｎ２｝／２
請求項１３に記載の発明では、請求項９ないし１１のいずれか１つに記載の光スイッチにおいて、前記共鳴波長の移動量をΔλｍとし、反射率スペクトルの半値幅をΔλｔ、該入射光スペクトルの片側Δλｍの位置における入射光のピーク値に対する比の許容値をα％としたとき、少なくとも次式を満足させることを特徴とする。
Δλｍ／Δλｔ≧√｛（２ｌｎ１０−ｌｎα）／ｌｎ２｝／２
請求項１４に記載の発明では、請求項１ないし１３のいずれか１つに記載の光スイッチにおいて、前記基板の光の入射面は、反射防止コートが施されていることを特徴とする。
請求項１５に記載の発明では、請求項１ないし１４のいずれか１つに記載の光スイッチにおいて、前記入射光の入射角をθ、ピーク位置の波長をλｉｐとし、前記欠陥層の屈折率をｎｋとし、Ｎを任意の整数とするとき、前記欠陥層の厚さｄｋが次の式を満足するように構成されていることを特徴とする。
ｄｋ＝２Ｎ×｛（λｉｐ／ｃｏｓθ）／４｝／ｎｋ
【００１０】
請求項１６に記載の発明では、請求項１ないし１５のいずれか１つに記載の光スイッチにおいて、前記欠陥層として用いる電気光学材料は、ＰＬＺＴ（Ｐｂ（１−ｘ）ＬａｘＺｒｙＴｉ（１−ｙ）Ｏ３）、またはＫＴＮ（ＫＴａｘＮｂ（１−ｘ）Ｏ３）のいずれかであることを特徴とする。
請求項１７に記載の発明では、請求項１ないし１６のいずれか１つに記載の光スイッチを、前記共鳴波長が赤、緑、青の３色にそれぞれ対応する３個用いたフォトクロミック用プリンターを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明は、構成が簡単で、高速のスイッチングが可能な光スイッチを提供することを目的とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１、２は本発明の基本原理を説明するための図である。図１は透過性光スイッチの構成、図２は反射性光スイッチの構成をそれぞれ示す図である。
両図において符号１は基板の役割をする導光体、２は誘電体多層膜、３は欠陥層、４は電極をそれぞれ示す。
図１において、周期的に屈折率の異なる誘電体（例えば、ＳｉＯ２とＴｉＯ２）を積層してなる誘電体多層膜２に、その周期性から外れた欠陥層３を挿入し、欠陥層３に電気的な入力をＯＮ、ＯＦＦさせて、欠陥層３の屈折率を電気光学効果によって変化させると、透過スペクトルが変化する。その変化を利用して、透過スペクトルを入射光のスペクトルに整合させる、すなわち、両者のピーク位置を一致させ、出射光の光量を最大にすることができる。ピーク位置がずれることによって、出射光の光量が減少する。また、透過率スペクトルの半値幅と入射光のスペクトルの半値幅との関連についても、同様に考えられる。ここで、整合性が高い状態とは、入射光のスペクトルの半値幅よりも透過率スペクトルの半値幅の方が広いことを意味する。このように入射光スペクトルと透過率スペクトルとの形状や位置の関係によって、透過光強度はさまざまに変化する。この整合性の制御によって、透過光量を制御することができる。
【００１３】
図２において、周期的に屈折率の異なる誘電体を積層してなる誘電体多層膜２に、その周期性から外れた欠陥層３を挿入し、欠陥層３に電気的な入力をＯＮ、ＯＦＦさせて、欠陥層３の屈折率を電気光学効果によって変化させると、反射スペクトルが変化する。その変化を利用して、反射スペクトルを入射光のスペクトルに整合させる、すなわち、両者のピーク位置を一致させ、出射光の光量を最大にすることができる。ピーク位置がずれることによって、出射光の光量が減少する。また、反射率スペクトルの半値幅と入射光のスペクトルの半値幅との関連についても、同様に考えられる。ここで、整合性が高い状態とは、入射光のスペクトルの半値幅よりも反射率スペクトルの半値幅の方が広いことを意味する。このように入射光スペクトルと反射率スペクトルとの形状や位置の関係によって、反射光強度はさまざまに変化する。この整合性の制御によって、反射光量を制御することができる。
【００１４】
図３は図１の構成における欠陥層の作用を説明するための図である。
同図において符号Ｇｔｏｆｆは欠陥層３に電圧を印加しないときの透過率スペクトル、Ｇｔｏｎは欠陥層３に電圧を印加したときの透過率スペクトル、Ｇｉは入射光のスペクトル、Ｇｔｏは透過光のスペクトルをそれぞれ示す。
図１に示す様に誘電体多層膜２によって欠陥層３を挟むと、その欠陥層３の厚さ等に対応した波長にピークをもつ透過率スペクトルＧｔｏｆｆが表われる。欠陥層３に所定の電圧を印加すると、透過率スペクトルＧｔｏｎのピーク位置は長波長側もしくは短波長側にずれる。透過率スペクトルＧｔｏｎと透過率スペクトルＧｔｏｆｆの両者を区別しないで纏めて言うときは単にＧｔと呼ぶ。透過率スペクトルＧｔｏｎのピーク位置にピーク位置を一致させた入射光スペクトルＧｉを入射させると、入射光スペクトルＧｉと透過率スペクトルＧｔｏｎの積によって生ずる透過光スペクトルＧｔｏが得られる。透過率スペクトルＧｔｏｎのピーク値が理想通り１００％であれば、透過光スペクトルＧｔｏのピーク値は入射光スペクトルＧｉのピーク値に一致する。また、透過光スペクトルＧｔｏの半値幅は必ず入射光スペクトルＧｉの半値幅Δλｉに等しいかそれより小さくなる。電圧をＯＦＦにすれば、透過率スペクトルＧｔｏｆｆになるので、入射光スペクトルＧｉとの整合が取れなくなり、透過光はほとんどなくなる。
入射光スペクトルＧｉのピーク位置を透過率スペクトルＧｔｏｆｆのピーク位置に合わせる方式も構成できる。この場合は、欠陥層３に電圧印加をしないときに十分な透過光量が得られ、所定の電圧を印加すると透過光がほとんどなくなる。
【００１５】
欠陥層の厚さｄｋは次のようにして定める。
入射光の波長のピーク位置をλｉｐ、所定の電圧を印加したときの欠陥層の屈折率をｎｋとし、任意の整数をＮとするとき、
ｎｋ×ｄｋ＝２Ｎ×（λｉｐ／４）
これをｄｋについて解いて、
ｄｋ＝２Ｎ×（λｉｐ／４）／ｎｋ
となるようにｄｋを定める。すなわち、欠陥層の厚さｄｋは、「波長λｉｐの４分の１波長に相当する屈折率ｎｋの媒質中における光学的長さ」の偶数倍にする。こうすることによって、ピーク波長λｉｐの光束が多層膜２に入射した場合、欠陥層に所定の電圧を印加すると多層膜２の透過率スペクトルのピークがλｉｐに一致する。
【００１６】
ここで、透過率スペクトルＧｔｏｆｆにおける半値幅をΔλｔとする。半値幅Δλｔは透過率スペクトルＧｔｏｆｆのピークからすその部分までの波長長さとほぼ同等と考えられる。つまり、このΔλｔによって、透過率スペクトルＧｔｏｆｆにおける透過率が高い位置から低い位置までの波長幅を示すことができる。そこで、半値幅の２倍の波長幅の範囲を便宜上有効部と名付ける。入射光に関しても同様とする。有効部から外れた部分の透過率や、光量は無視しうるものと考えて良い。
透過率スペクトルＧｔｏｆｆは欠陥層３の光学的な厚さに対応しており、この光学的な厚さを変えることで、曲線の形状はほぼそのままでピーク位置が移動する。この移動量をΔλｍとした。また、入射光のスペクトルＧｉにおける半値幅をΔλｉとした。同図では所定の電圧印加をＯＮとＯＦＦとして、欠陥層３の光学的な厚さを変化させている。欠陥層としてＰＬＺＴを用いた場合、電圧を印加したときの透過率スペクトルＧｔｏｎは透過率スペクトルＧｔｏｆｆより短波長側に移動する。
【００１７】
電圧ＯＦＦのとき、透過光が生じないで、電圧ＯＮのとき入射光が最大に透過するのが理想である。そのためには透過率スペクトルのピーク位置の移動量Δλｍが、透過率スペクトルの半値幅Δλｔや入射光スペクトルＧｉの半値幅Δλｉに比べて十分大きければよい。
そうすれば、ＯＮとＯＦＦにおける透過光スペクトルは同図に示すように、ＯＮの時には透過光Ｇｔｏを出射し、ＯＦＦの時には光を出さない。これによって大きな消光比をとることができる。同図では、Ｇｔｏが電圧印加ＯＮのとき生ずることを示すため（ＯＮ）の記号を付してある。以下の図においても同様である。
各分布が理想的なガウス分布に従っているとし、ΔλｉとΔλｔがほぼ等しく、且つ、Δλｍが上記条件を満足する中で最も小さい場合、電圧ＯＮ時の透過光のピーク値（１００％と仮定）に対し電圧ＯＦＦ時の透過光のピーク値は６．２５％になる。
【００１８】
このことを、数式を用いてより詳しく説明する。
ガウス分布の式の一般形は
ｆ（ｘ）＝Ａｅ−（ｘ／ｒ）2
であるが、標準形として、Ａ＝１、ｒ＝１と置いて、
ｆ（ｘ）＝ｅ−ｘ2
とする。ｘ＝０  なら  ｆ（ｘ）＝１  となる。
透過率スペクトルの半値幅Δλｔは、ｆ（ｘ）＝０．５と置いたときのｘの値ｘｈの２倍である。
ｅ−（ｘｈ）2＝０．５
両辺の自然対数を取る。
−（ｘｈ）２＝ｌｎ２−１＝−ｌｎ２
ｘｈ＝√（ｌｎ２）＝０．８３２５５４６・・
ここで、ｘ＝Δλｔ＝２ｘｈにおける関数の値を見る。
ｆ（２ｘｈ）＝ｅ−（２ｘｈ）2＝ｅ−（ｘｈ）2×４＝｛ｅ−（ｘｈ）2｝４＝（０．５）４
＝０．０６２５
入射光スペクトルの半値幅Δλｉに対して、透過率スペクトルＧｔの移動量Δλｍが等しいと仮定した場合、透過率分布スペクトルＧｔのピーク位置が、入射光スペクトルＧｉに関し上記２ｘｈに相当する位置に一致することになる（Δλｍ＝２ｘｈ）。したがって、透過率スペクトルＧｔのピーク値が１００％であるとすると、移動後の透過光のピーク値１００％に対して、移動前の透過光は最大値が６．２５％になる。
【００１９】
一般に関数の値がピーク値のα％以下になるｘの値ｘα（透過率スペクトルの移動量Δλｍに相当）を半値幅Δλｈ（入射光スペクトルの半値幅Δλｉに相当）で表すと、ｋαを係数として、
ｘα＝ｋαΔλｈ（ただし、ｋα＝Δλｍ／Δλｈ）
ｆ（ｘα）＝ｅ−（ｘα）2＝ｅ−（ｋαΔλｈ）2≦α／１００
これを解くと、
ｅ−ｋα2×（Δλｈ）2＝｛ｅ−（２ｘｈ）2｝ｋα2＝｛（０．５）４｝ｋα2＝（０．５）４ｋα2
≦α×１０−２
両辺の自然対数を取って、
−４ｋα２ｌｎ２≦−２ｌｎ１０＋ｌｎα
ｋα≧√｛（２ｌｎ１０−ｌｎα）／ｌｎ２｝／２
となる。
ここで、例えばα＝１（関数の値がピーク値の１％になる位置）とおくと、
ｋα≧√（２ｌｎ１０／ｌｎ２）／２＝１．２８８７８４・・≒１．３
となる。すなわち、透過率スペクトルＧｔの移動量Δλｍを入射光スペクトルＧｉの片側に半値幅Δλｉの約１．３倍以上の距離を取れば、その値はピーク値の１％程度以下になる。
逆に、関数の値がピーク値の１０％になっても良ければ、
ｋα≧√｛（２ｌｎ１０−ｌｎ１０）／ｌｎ２｝／２
＝√（ｌｎ１０／ｌｎ２）／２＝０．９１１３０７８・・≒０．９
すなわち、ガウス分布の片側に半値幅の約０．９倍以上の距離を取れば、その値はピーク値の１０％程度以下になる。
【００２０】
以上はピーク値のみで比較してきたが、実際の消光比を見るときは、透過光すべてを積算しなければならない。透過率スペクトルＧｔｏｆｆのとき入射光スペクトルの裾部が透過するとき、透過光スペクトルＧｏ（ＯＦＦ）は中心対称形にならず、ＧＴｏｆｆの裾引き部に対応する部分の低下が特に著しくなる。その違いを無視して、Ｇｏ（ＯＮ）とＧｏ（ＯＦＦ）が相似形であると仮定して、消光比を見ると、その比はピーク値の比の二乗になる。すなわち、ピーク値の比が先に示した６．２５％（α＝６．２５）の場合、消光比は約０．４％になる。α＝１０の場合でも消光比は１％になる。Ｇｏ（ＯＦＦ）の非対称な形状変化を加味すると、消光比はこれらよりも小さな値になる。
したがって、移動量Δλｍを幾らにするのが妥当であるかは、消光比を幾らにしたいかに関わってくる。そして、その許容消光比は出射光の用途によって異なる。人が直接目で見るようなディスプレイのような用途であれば、消光比が１％以下になれば十分であろう。しかし、光通信のような用途であれば、消光比を例えば０．０１％くらいに抑える必要があろう。
なお、透過率スペクトルの半値幅はなるべく入射光スペクトルの半値幅より大きいことが望ましいが、特に両者の関係を規定しない場合、上記のΔλｉとΔλｍとの関係は、ΔλｔとΔλｍとの関係にも適用できる。
【００２１】
図４は図２の構成における欠陥層の作用を説明するための図である。
同図において符号Ｇｒｏｆｆは欠陥層３に電圧を印加しないときの反射率スペクトル、Ｇｒｏｎは欠陥層３に電圧を印加したときの反射率スペクトル、Ｇｉは入射光のスペクトル、Ｇｒｏは反射光のスペクトルをそれぞれ示す。
図２に示す様に誘電体多層膜２によって欠陥層３を挟むと、その欠陥層３の厚さ等に対応した波長にピークをもつ反射率スペクトルＧｒｏｆｆが表われる。欠陥層３に所定の電圧を印加すると、反射率スペクトルＧｒｏｎのピーク位置は長波長側もしくは短波長側にずれる。反射率スペクトルＧｒｏｎのピーク位置（反射率が最も小さい位置）にピーク位置を一致させた（整合させた）入射光スペクトルＧｉを入射させると、入射光スペクトルＧｉと反射率スペクトルＧｒｏｎの積によって生ずる反射光スペクトルＧｒｏ’が得られる。反射率スペクトルＧｒｏｎのピーク値が理想通り０％であれば、反射光スペクトルＧｒｏ’は入射光スペクトルＧｉのピーク位置において０になる。電圧をＯＦＦにすれば、反射率スペクトルＧｒｏｆｆになり、入射光スペクトルＧｉに対応する波長域の反射率はほぼ１００％になっているので、入射光はほとんどそのまま反射され、反射光スペクトルＧｒｏが得られる。反射光スペクトルＧｒｏの半値幅は必ず入射光スペクトルＧｉの半値幅Δλｉより小さくなる。
入射光スペクトルＧｉのピーク位置を反射率スペクトルＧｔｏｆｆのピーク位置に合わせる（整合させる）方式も構成できる。この場合は、欠陥層３に電圧印加をしないときに透過光がほとんどなくなり、所定の電圧を印加すると十分な透過光量が得られる。
【００２２】
ここで、反射率スペクトルＧｒｏｆｆにおける半値幅をΔλｒとする。半値幅Δλｒは反射率スペクトルＧｒｏｆｆのピークからすその部分までの波長長さとほぼ同等と考えられる。つまり、このΔλｒによって、反射率スペクトルＧｒｏｆｆにおける反射率が高い位置から低い位置までの波長幅を示すことができる。
反射率スペクトルＧｒｏｆｆは欠陥層３の光学的な厚さに対応しており、この光学的な厚さを変えることで、曲線の形状はほぼそのままでピーク位置が移動する。この移動量をΔλｍとした。また、入射光のスペクトルＧｉにおける半値幅をΔλｉとした。同図では所定の電圧印加をＯＮとＯＦＦとして、欠陥層３の光学的な厚さを変化させている。欠陥層としてＰＬＺＴを用いた場合、電圧を印加したときの反射率スペクトルＧｒｏｎは反射率スペクトルＧｒｏｆｆより短波長側に移動する。
【００２３】
電圧ＯＮのとき、反射光が生じないで、電圧ＯＦＦのとき入射光が最大に反射するのが理想である。そのためには反射率スペクトルのピーク位置の移動量Δλｍが、反射率スペクトルの半値幅Δλｒや入射光スペクトルＧｉの半値幅Δλｉに比べて十分大きければよい。そうすれば、ＯＮとＯＦＦにおける反射光スペクトルは同図に示すように、ＯＦＦの時には反射光Ｇｒｏを出射し、ＯＮの時にはＧｒｏ’のように光をほとんど出さない。これによって大きな消光比をとることができる。同図では、Ｇｒｏが電圧印加ＯＦＦのとき生ずることを示すため（ＯＦＦ）の記号を付してあり、Ｇｒｏ’が電圧印加ＯＮのとき生ずることを示すため（ＯＮ）の記号を付してある。以下の図においても同様である。
しかし、電圧ＯＮのとき、入射光スペクトルのピーク位置を透過率スペクトルの（落ち込み部の）ピーク位置に合わせてその位置における反射光を０にしたとしても、ピーク位置以外では０でない反射率が存在するため、入射光スペクトルの裾部に向かって若干の反射光Ｇｒｏ’（ＯＮ）が生ずる。
【００２４】
反射率スペクトルの落ち込み部がガウス分布に従うとすれば、反射率スペクトルの関数ｆ（ｘ）は
ｆ（ｘ）＝１−ｅ−ｘ2
で表される。
ここでΔλｉとΔλｒがほぼ等しく、且つ、Δλｍも同様の大きさであったとすると、上式に条件を代入すれば、電圧ＯＦＦ時の反射率は入射光の波長の位置で（１００％−６．２５％）で約９４％になることが分かる。これに対し、電圧ＯＮ時の透過光のピーク値は０％になる。しかし、この比がそのまま消光比に結びつくわけではないことは、ピーク位置以外で反射が存在するという先の説明により明らかである。ただ、Ｇｒｏ’（ＯＮ）の光量積分値は、入射光スペクトルＧｉと、反射率スペクトルＧｒｏｎのみで定まり、Δλｍには無関係である。したがって、消光比をできるだけ大きくするためにはΔλｍを大きくすればよい。
Δλｍを大きくすると、先に示した９４％が最大１００％にまで増加しうる。この違いにより、反射光に関しては最大６．７％程度消光比を改善することができる。
特に図示はしないが、反射率スペクトルＧｒの半値幅Δλｒを大きくすることは、入射光スペクトルＧｉの波長帯域の反射率を下げることになるので、反射光スペクトルＧｒｏ’の積分値が小さくなり、より大きな消光比を得ることができる。
【００２５】
入射光スペクトルＧｉの半値幅Δλｉと反射率スペクトルＧｒの半値幅Δλｒが等しいと仮定した場合、すなわち、Δλｒ＝Δλｉの場合、透過光スペクトルＧｒｏ’（ＯＮ）は両スペクトルの積になるので、これを数式で表すと、
Ｇｒｏ’（ｘ）＝（ｅ−ｘ2）×（１−ｅ−ｘ2）
となる。詳細は省略するが、これは、ｘ＝０で０となり、両スペクトルの値が共に０．５になる位置（ｘ≒±０．８３３）で最大値（極大値）０．２５を示す。
これに対して、半値幅Δλｒが半値幅Δλｉのｋ倍であったとすると、一般式は、
Ｇｒｏ’（ｘ）＝（ｅ−ｘ2）×（１−ｅ−（ｘ／ｋ）2）
となる。（先に示したΔλｒ＝Δλｉはｋ＝１の場合に相当する。）
この曲線の極値を求めると、極小値（最小値でもある）はｘ＝０において０、極大値（最大値でもある）は、
ｘ＝±ｋ×ｌｎ（１＋１／ｋ２）  のとき、（演算過程は省略）
Ｇｒｏ’（ｘ）＝｛ｇ（ｋ）｝ｋ2―｛ｇ（ｋ）｝（ｋ2＋１）
ただし、
ｇ（ｋ）＝ｅ−｛ｌｎ（１＋１／ｋ2）｝  とする。
【００２６】
例えば、ｋ＝２とすると、ｘ≒±０．４４６の位置において、
ｇ（ｋ）＝０．８  となるので、
Ｇｒｏ’（ｘ）＝０．４０９６−０．３２７６８＝０．０８１９２
すなわち、ｘ＝０の位置を挟んで、最大値がピーク値の８．１９２％の二つの山ができる。このように、ｋを大きくするほどＧｒｏ’の最大値は小さくなっていく。
仮に二つの山の形がガウス分布に相似と見なせるものとして、仮の消光比を計算すると、Ｋ＝２の場合は、山が二つあることを考えて、全反射のピーク値を１として、
２×０．０８１９２２＝２×０．０００６７１≒０．０１３４２＝１．３４２％
となる。
移動量Δλｍを大きく取るためには、欠陥層に与える電圧を大きくしなければならないが、それには限界があるので、なるべく効率の良い移動量Δλｍを定める必要がある。そのため、上記のような計算によって、所望の消光比を考慮してｋの値を定めるのが一番良い。
【００２７】
図５は同一のデバイスの透過特性と反射特性を説明するための図である。
同図は、周期的に屈折率の異なる誘電体を積層してなる誘電体多層膜とその周期性から外れた欠陥層からなり、その欠陥層の屈折率が外部の摂動によって制御される複合薄膜において形成される透過率スペクトルＧｔｏｆｆを示している。反射率スペクトルＧｒｏｆｆは、多層膜や欠陥層に吸収がないものとすれば、Ｇｔｏｆｆとの和が１００％になる関係にある。したがって、グラフ上では、Ｇｒｏｆｆ＝１００−Ｇｔｏｆｆの関係になっている。この関係から、Ｇｒｏｆｆの半値幅ΔλｒとＧｔｏｆｆの半値幅Δλｔは実質同一のものである。
透過率スペクトルＧｔｏｆｆは、一般的にバンドパスフィルターの透過スペクトルとほぼ同様形状であり、ガウシアン分布を取る。ガウシアン型であるため、入射光のスペクトルのピーク位置が少しでもずれることで、透過光の光量は急激に低下する。また、透過率スペクトルＧｔｏｎにおいて、そのピーク値は１００％の透過率（反射率として０％）にならず、誤差が大きい場合その透過率がピークの位置でも数十％となる。これは膜厚の誤差や表面の凹凸によるものであり、実際作製する際には少なからず起きる。また、後述のマルチキャビティー（欠陥層が複数層）の場合には、トップハット型のスペクトルにすることができるが、その透過率を１００％近く高めるのは不可能である。つまり、透過光を利用する限りにおいて、出力光Ｇｔｏは１００％に近い高い利用効率を実現することが難しい。
それに対し、反射率スペクトルＧｒｏｆｆの落ち込み部以外の部分では、その反射率を１００％近い値にすることは容易である。そのため、欠陥層に電圧を印加しなければ、反射光スペクトルＧｒｏは、入射光スペクトルＧｉとほぼ同程度になり、反射光量は入射光量に対し、ほぼ１００％となる。つまりは、反射光を信号光として用いることで、光の利用効率はほぼ１００％となる。
【００２８】
図６、７はマルチキャビティーの構成と作用を説明するための図である。図６はデバイスの構成、図７は反射率スペクトルをそれぞれ説明するための図である。
図６において符号７はキャビティーを示す。
図７において符号Ｇｓｃは単一のキャビティーによる反射率スペクトル、Ｇｍｃは複数のキャビティーによる反射率スペクトル、Ｇｍｌは誘電体多層膜の層数を多くした場合の反射率スペクトルをそれぞれ示す。
キャビティーとは、図１、２に示した誘電体多層膜２ａ、電極４を含む欠陥層３、誘電体多層膜２ｂの積層された複合層のことである。誘電体多層膜２ａ、２ｂの層数や欠陥層の厚さは目的に応じて種々変更し得る。このようなキャビティーを複数積み重ねたものをマルチキャビティーと呼んでいる。図６ではキャビティーを３層重ねて示してある。
図７において、単一キャビティーによる反射率スペクトルＧｓｃは、図４、図５に示したＧｒｏｎ、Ｇｒｏｆｆに対応している。これに対し、マルチキャビティーによる反射率スペクトルＧｍｃは中央部に逆の極値を有するいわゆるトップハット型の分布をしている。また、誘電体多層膜の層数を特別に増加させた構成では、反射率スペクトルＧｍｌが中央部に鋭いピークを有する半値幅の狭い分布となる。
しかし、いずれの場合もそれぞれの分布の極小値において、反射率が０％にならない。
【００２９】
図８ないし１１は所定の条件が満足されない場合の不具合を説明するための図である。
図８、９は図１、２に示したの構成において、入射光スペクトルの半値幅Δλｉが移動量Δλｍより大きい場合を示す。
図１０、１１は図１、２に示した構成において、透過率スペクトルの半値幅Δλｔ、あるいは反射率スペクトルの半値幅Δλｒが移動量Δλｍより大きい場合を示す。
図８において、電圧を印加したとき、丁度透過率スペクトルＧｔｏｎのピーク位置が入射光スペクトルＧｉのピーク位置に一致するように設定する。
このとき、入射光のスペクトル幅が大きく、その半値幅Δλｉがスペクトルの移動量Δλｍより大きいとする。
電圧をＯＮにした場合、入射光スペクトルＧｉのうち、透過率スペクトルに一致した部分で両者の積が透過光Ｇｔｏとして出射する。
印加電圧をＯＦＦにした場合、透過率スペクトルＧｔｏｆｆに入射光スペクトルＧｉの一部が一致するため、その一致した波長域において透過光スペクトルＧｔｏ’が生ずる。透過光ＧｔｏとＧｔｏ’とは僅かに波長が異なるが、出射光を利用する側においてはこのわずかな差は認識しないのが普通であるから、結果的に不完全な消光状態となる。
【００３０】
図９において、電圧を印加したとき、丁度反射率スペクトルＧｒｏｎのピーク位置が入射光スペクトルＧｉのピーク位置に一致するように設定する。
このとき、入射光のスペクトル幅が大きく、その半値幅Δλｉがスペクトルの移動量Δλｍより大きいとする。
印加電圧をＯＦＦにしたとき、入射光スペクトルＧｉのうち、反射率スペクトルＧｒｏｆｆに一致した部分で両者の積が反射光Ｇｒｏとして出射する。すなわち、入射光スペクトルＧｉのピーク位置近辺は反射率１００％の領域になっているため、この領域では入射光とほぼ同じスペクトルで反射する。そして、Ｇｒｏｆｆのピーク位置（反射率が最も低い位置）の近辺で反射率が低下する。
印加電圧をＯＮにしたとき、反射率スペクトルＧｒｏｎの高反射率領域に入射光スペクトルＧｉのピークから離れた一部が一致するため、その一致した波長域において反射光Ｇｒｏ’が生ずる。透過光ＧｒｏとＧｒｏ’とは一部形状が異なるが、波長域は同じなので、反射光を利用する側においてはこの形状の差は認識しないのが普通であるから、結果的に不完全な消光状態となる。
【００３１】
図１０において、電圧を印加したとき、丁度透過率スペクトルＧｔｏｎのピーク位置が入射光スペクトルＧｉのピーク位置に一致するように設定する。
このとき、透過率スペクトル幅が大きく、その半値幅Δλｔがスペクトルの移動量Δλｍより大きいとする。
印加電圧をＯＮにしたとき、入射光スペクトルＧｉと透過率スペクトルＧｔｏｎの互いに一致した部分で両者の積が透過光スペクトルＧｔｏとして出射する。
印加電圧をＯＦＦにしたとき、透過率スペクトルＧｔｏｆｆの裾が入射光スペクトルＧｉに一致するため、透過光スペクトルＧｔｏ’が生ずる。透過光スペクトルＧｔｏとＧｔｏ’とは波長が同じであるため、結果的に不完全な消光状態となる。
【００３２】
図１１において、電圧を印加したとき、丁度反射率スペクトルＧｒｏｎのピーク位置が入射光スペクトルＧｉのピーク位置に一致するように設定する。
このとき、反射率スペクトル幅が大きく、その半値幅Δλｒがスペクトルの移動量Δλｍより大きいとする。
印加電圧がＯＦＦのとき、入射光スペクトルＧｉと反射率スペクトルＧｒｏｆｆの互いに一致した部分で両者の積が反射光Ｇｒｏとして出射する。
印加電圧をＯＮにしたとき、反射率スペクトルＧｏｎの裾（反射率の高い部分）が入射光スペクトルＧｉに一致するため、反射光スペクトルＧｒｏ’が生ずる。反射光スペクトルＧｒｏとＧｒｏ’とは波長が同じであるため、結果的に不完全な消光状態となる。
【００３３】
図１２は入射光を誘電体多層膜に対して傾斜させた実施形態を示す図である。
同図において符号８は入射角度調整用のプリズム、９はプリズム駆動装置をそれぞれ示す。
多層膜２の構成は図１に示した誘電体多層膜２の構成と基本的には同じである。
多層膜による光の透過特性は、入射光の入射角に依存する。入射角０°の垂直入射から角度を増加するにつれて、透過率スペクトルのピーク位置は長波長側に移動する。逆に言えば、同じ波長の光を傾斜角度を持たせて入射させて最大に透過させるためには、誘電体多層膜の膜厚を垂直入射用の多層膜より薄くしなければならない。その程度は、入射角をｉとしたとき、ｃｏｓｉに比例する。
同図は所望の波長の入射光を所定の角度で入射させて、通常は多層膜で反射し、欠陥層に所定の電圧を印加したとき最大の透過光を得る構成にしてある。そして、本構成では主として反射光を利用することを目的としている。
このような構成にする利点は、入射光と反射光が同じ光路を共有しないので、光路の分岐手段が不要になり、出射光の利用に関して構成が簡単になることである。この構成の他の利点は、何らかの誤差によって、出射光の波長のピーク位置がずれた場合に光束の入射光を微調整することでピーク波長を所望の値に合わせることができる点である。
【００３４】
本構成の作用を説明する。
導光体１は多層膜２に対して傾斜した面を有し、この面を光の入射面１ａとして用いる。入射面１ａの直前にはプリズム８が配置され、駆動装置９により、矢印Ａで示すように、プリズムの面８ａと入射面１ａとの対面角度が変えられるようになっている。
図示しない光源からの所定の波長の光束Ｌｉがプリズム８を経て導光体１に入射する。光束は多層膜２に到ると、欠陥層３に電圧を印加していない状態ではほぼ１００％反射して出射光Ｌｏが得られる。ここで欠陥層３に所定の電圧を印加すると、多層膜２は透過性となり、出射光は多層膜を透過して外部へ出ていく。
ＩＴＯ電極４の一方４ａに所定の電圧を変調した電気信号Ｓｉを入力し、他方の電極４ｂを接地して閉回路を構成すると、反射光Ｌｏが変調されて、光信号Ｓｏとして得られる。
多層膜の波長に対する透過・反射特性は光の入射角度に依存する。すなわち、多層膜は光の入射角度を変えることで、透過・反射スペクトルのピーク位置が移動する性質がある。
そこで、多層膜２や欠陥層３の製造上の誤差等で、反射光スペクトルのピーク位置が所望の位置になっていなかった場合、プリズム８を駆動装置９によって回動させ、入射光の入射角度を僅かに変えてやることで、反射光スペクトルのピーク位置を所望の位置に戻すことができる。
本構成では、出射光も多層膜２に対して傾斜した出射面１ｂから出るようにすることができる。
【００３５】
図１３、１４は電極構成の変型例を説明するための図である。図１３は断面図、図１４は電極の平面図である。
本構成では、電極４が欠陥層３の片方の面だけに４ａ、４ｂとして形成されている。二つの電極４ａ、４ｂは図１４に示すように、互いに入り組んだ櫛歯状に形成されている。同図において、電極層４ａ、４ｂに接している層４’は電極のある部分とない部分の厚さを均一にするためのダミーの透明膜であり、その厚さは光学長に換算して、電極のない部分が、電極の厚さの２倍になるよう設定してある。
一方の電極４ｂを接地して、他方の電極４ａに所定の電圧を変調した信号を入力する。
欠陥層３は隣接した櫛歯状の電極間に所定の電圧が印加されることによって、屈折率が変化する。
【００３６】
＜作製方法１＞
以下に本発明のデバイスの実施例を説明する。
石英からなる基板１上に誘電体多層膜２として、ＳｉＯ２とＴｉＯ２とを交互に積層した。入射波長λｉｐは６３３ｎｍとして、そのスペクトルでの半値幅Δλｉは約１ｎｍとした。ＳｉＯ２、ＴｉＯ２の膜厚はそれぞれ光学長が入射波長λｉｐの４分の１波長分になるよう設定した。すなわち、入射波長をそれぞれの屈折率で割った値λｎのそれぞれちょうど１/４となる厚さにした。誘電体多層膜はＳｉＯ２、ＴｉＯ２を６ペアとした。このペア数を変更することで、透過スペクトルの半値幅を選択することが可能である。より狭い半値幅にしたいときには、よりペア数を増やすことで可能である。６ペアとすることで、透過スペクトルの半値幅Δλｔは上記のように約１ｎｍ程度となる。欠陥層には外場によって屈折率の変わるものであればよく、液晶や熱光学材料などが考えられるが、本実施例では反応スピード面から非線形結晶を利用した。非線形結晶はＬＮ（ＬｉＮｂＯ３）やＬＴ（ＬｉＴａＯ３）、あるいは、ＰＬＺＴ（Ｐｂ（１−ｘ）ＬａｘＺｒｙＴＩ（１−y）Ｏ３）、ＫＴＮ（ＫＴａｘＮｂ（１−ｘ）Ｏ３）などが有名である。また、光に反応するものであればコバルト酸化物などのフォトリフラクティブ材料なども利用することができる。しかし、ＬＮなどは電気光学定数が約３０ｐｍ／Ｖ程度であり、十分な屈折率変化が望めない。これに対し、ＰＬＺＴやＫＴＮであれば、ＬＮなどと異なり屈折率変化が300pm/V以上と十分に大きい。屈折率変化が大きく取れることにより、それに対応した透過率のピーク移動量Δλｍも大きくなる。これらは液晶などと異なり、無機系の材料であることから、光の照射に対する熱的変動が小さく安定性が高い。
【００３７】
上記の理由により、欠陥層３には、液晶の代替として電気光学材料を利用した。液晶の応答速度は文献値で、約５０μｓｅｃであるのに対し、電気光学材料ははるかに速い。また、液晶にくらべ、電気光学材料は、薄膜化しても、その膜厚方向に対し、屈折率分布が一定になる。これは、液晶のような配向膜と液晶界面が無く、原子配列が膜厚方向に対し、一定であることによっている。また、スパッタや蒸着など気相成長が可能なことから、膜厚の均一性に優れている。これにより、透過率はほぼ１００％となる。
本構成例では欠陥層３にＰＬＺＴを利用する。図１に示した構成例の場合、膜厚はＮを整数として、入射波長λｉｐを屈折率で割った値の１／４の２Ｎ倍になるようにする。これにより、欠陥層に電圧を印加しないときは反射性を有し、欠陥層３に電圧を印加した場合、入射光の波長λｉｐと透過率スペクトルのピーク位置とが一致し、透過性を有することになる。整数２Ｎは１６４として、膜厚は１０．３μｍとした。ＰＬＺＴはその２次電気光学係数を９×１０−１６［ｍ２Ｖ−２］とし、２０Ｖの電圧印加で、その屈折率変化は約０．００７程度となる。この屈折率変化で、透過率のピーク位置の移動量Δλｍは約−１．０ｎｍとなる。この移動量Δλｍは、印加電圧や欠陥層３の膜厚整数Ｎによっても制御することができる。
図２に示した構成例の場合、図１の構成と同じにして、電圧の印加に関しても、ＯＮとＯＦＦを同じに作用させる。こうすることによって、電圧を印加しないとき反射性となり、電圧を印加したとき、透過性を有することになる。
欠陥層３の両面には電極として透明電極４を設けた。透明電極４はＩＴＯとし、スパッタによって形成する。入射光は垂直に入射し、図１の場合は欠陥層３に電圧を印加したとき、誘電体多層膜２を透過して出射され、図２の場合は欠陥層３に電圧を印加しないとき、誘電体多層膜２で反射されて出射される。
【００３８】
＜作製方法２＞
欠陥層３としてのＰＬＺＴはその組成を９／３５／６６として、直径４インチ、厚さ５００μｍとして焼結作製される。このＰＬＺＴ基板の両面に光学研磨を施す。この上にＩＴＯ４をスパッタ成膜し、フォトリソグラフィーとドライエッチングによってパターニングする。次に、誘電体多層膜２ａを蒸着する。誘電体多層膜２ａはそれぞれ膜厚をモニターしながら成膜する。成膜する順番はＰＬＺＴ基板の次にＳｉＯ２を成膜する。次にＴｉＯ２、その次にＳｉＯ２の順である。今回はＳｉＯ２／ＴｉＯ２のペアを６ペア積層した。この状態でＰＬＺＴ基板を屈折率がほぼ石英と同等のＵＶ硬化樹脂によって石英基板１に接着する。このとき、誘電体多層膜２ａを成膜した側と石英基板１とを接着する。
次に誘電体多層膜のない側のＰＬＺＴ基板を研磨する。研磨は膜厚を測定しながら行い、ＰＬＺＴがほぼ１０μｍになった状態で終了する。このとき、この研磨面もできるだけ平滑になるようにする。次に、この研磨した面にＩＴＯ４の成膜およびパターニングを行う。
次に誘電体多層膜２ｂを蒸着する。誘電体多層膜２ｂをパターニングし、ＰＬＺＴの両面に構成されているＩＴＯ４に電極をつける。これを配線して電気信号を入れる。
石英基板１の逆の面にはＡＲコート５を施し、不所望の反射を低減する。出射光スペクトルのピーク位置が所望の波長になるように、入射光の入射角を微調整する。
【００３９】
＜動作＞
ＳｉＯ２／ＴｉＯ２の６ペアとＰＬＺＴのキャビティーにより透過スペクトルはほぼ一意に決まる。透過率スペクトルは一般的なエタロン構造と同様に或る周期を以て振動するスペクトル形状となる。透過率スペクトルの入射光波長６３３ｎｍ近辺にピーク位置が来た。電圧を印加していない状態での透過率は約５％程度となった。このデバイスに印加する電圧を２０Ｖとして、信号の周波数は１００ｋＨｚ程度とした。この信号を受けて、透過率スペクトルが約１ｎｍ程度短波長側に移動する。１ｎｍ移動することで透過率は９５％となる。
【００４０】
＜作製方法３＞
基板１を石英として、その上に誘電体多層膜２を蒸着する。誘電体多層膜２はそれぞれ膜厚をモニターしながら成膜する。成膜する順番は石英基板１の次にＴｉＯ２を成膜する。次にＳｉＯ２、その次にＴｉＯ２の順である。今回はＴｉＯ２／ＳｉＯ２のペアを６ペア積層した。次に欠陥層３を成膜する。欠陥層３にはＰＬＺＴを利用した。ＰＬＺＴはゲル状の溶液をスピンコートし、その膜を燒結することで結晶化する。スピンコートで成膜した膜は膜厚が不均一であるため、研磨することで表面性を高める。研磨にはＣＭＰを利用し、膜厚が３００ｎｍになるまで削る。膜厚はレーザー顕微鏡でモニターしながら行う。次ぎに電極をＩＴＯによって形成する。ＩＴＯはスパッタで行ない、フォトリソによりパターニングする。パターンは図１４に示す様に櫛歯状とする。石英基板の逆の面には反射防止のためのＡＲコートを施し、不所望な反射を低減する。入射光を入射角が適当な角度になるように微調整する。
【００４１】
図１５は本発明の透過型光スイッチの外観を示す図である。
同図において符号１０は光スイッチ、１１は電気配線をそれぞれ示す。
光スイッチの反射防止コートを施された面から、レーザー等の連続的な入射光Ｌｉを入れる。電気配線１１ａ、１１ｂに何も電圧を印加しないときは、入射光Ｌｉが反射されて同じ光路を戻って出てくる。電気配線１１ａ、１１ｂ間に、欠陥層にとって必要な所定の電圧で信号Ｓｉを入力すると、信号Ｓｉに一致したタイミングで入射光Ｌｉが信号Ｓｏの形に変調されて透過光Ｌｏとして出てくる。。
【００４２】
図１６はフォトクロミック材料用プリンターの光学系の概要図である。
同図において符号２０はプリンター、２１はレーザー光源、２２は光スイッチ、２３はミラー、２４はビームスコンバータ、２５はポリゴンミラー、２６はｆθレンズ、２７はフォトクロミック材料をそれぞれ示す。
本構成のキーパーツはこれまで説明してきた光スイッチ１０である。光スイッチは透過光を利用することも反射光を利用することもできるが、本構成では透過光を利用する例で示してある。光スイッチはその構成の仕方により、透過光の波長を所望の値に定めることができるので、赤、緑、青の三原色（ＲＧＢ）に相当するレーザー２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂの各出射光の波長に合わせて１０Ｒ，１０Ｇ、１０Ｂの３種の光スイッチを作製する。
それぞれのレーザー光は対応する光スイッチ１０を経てビームコンバータ２４により所望の収束性を与えられながらポリゴンミラー２５の方呼応に偏向される。なお、装置を小型化するために、通常は光路折り返しのためのミラー２３を光路中に挿入する。少なくとも平面図上では同一光路に合成された光束は、ポリゴンミラー２５によって同図の上方に折り曲げられながら、フォトクロミック材料２７の表面を１次元的に走査（主走査）する。フォトクロミック材料２７は、図示しない駆動装置によって主走査方向と直交する方向に移動（副走査）され、入射した光の波長と同じ波長の色に発色してフルカラー画像を形成する。ポリゴンミラー２５とフォトクロミック材料２７との間には、ポリゴンスキャナーの技術で常用されるｆθレンズ等の光学系が配置される。
【００４３】
図１７は本発明の反射型光スイッチを説明するための図である。
図１８は偏光分離プリズムを説明するための図である。
図１７において符号３０は反射型光スイッチ、３１は偏光分離プリズム、３２は４分の１波長板をそれぞれ示す。その他の符号は図１３に示した符号と同様である。
図１８も参照して、偏光分離プリズム３１は、２個の直角２等辺三角柱プリズムを斜辺に相当する面で貼り合わせた形をしており、その貼り合わせ面において、入射光の特定の偏光方向に対しては透過性を示し、それと直交する偏光方向に対しては反射性を示す。
本構成では、光スイッチ３０に垂直入射させる連続光束Ｌｉを、偏光分離プリズムに対して透過性となる特定方向に予め直線偏光させておく。したがって、入射光Ｌｉは偏光分離プリズム３１を透過して４分の１波長板３２に達する。ここを透過することによって、直線偏光の光束は円偏光と変わるが、光スイッチによって反射された光束は再び４分の１波長板３２を透過することにより、入射前の偏光方向に対して直交する方向の直線偏光に変わる。そのため、偏光分離プリズム３１はこの直線偏光に対し反射性を示し、入射光の方向に対して直交する方向に出射光Ｌｏとなって出てくる。
本構成において、電極４ｂを接地し、電極４ａに所定の電圧を変調した電気信号Ｓｉを入力すると、出射光Ｌｏが変調された光信号Ｓｏとなって出てくる。本光スイッチとして図４に示した性質を有するものを用いれば、電圧ＯＦＦのとき反射光が存在するので、光信号Ｓｏは電気信号Ｓｉを反転させた形となる。
なお、入射光Ｌｉを予め直線偏光にしておかない場合でも、偏光分離プリズムに入射したとき、透過に適した偏光方向でない光は図１６の左方向に反射されて、同プリズムから出ていく。従って、予め直線偏光にしておくことは必須ではない。
【００４４】
図１９は斜入射用反射型光スイッチを説明するための図である。
同図において符号４０は光スイッチを示す。
本構成は多層膜の面に対して傾斜させて入射光を与える構成例であり、基本形は図１２に示した構成と同じである。したがって、誘電体多層膜２や欠陥層３の厚さは、角度を以て入射する光線の入射角度およびその波長によって定まる値に設定してある。
導光体１の光の入射面１ａは、入射させる光束がほぼ面に垂直になるように誘電体多層膜の面に対して傾斜させておく。出射面１ｂも同様に傾斜させておくのがよい。それぞれの面には反射防止のためのＡＲコート５を施しておくとなお良い。必要に応じて図１２に示したような入射光の入射角度調整用のプリズムを配置しても良い。
この構成は図１７に示した反射型の光スイッチに比べて偏光分離プリズムや４分の１波長板を用いないで済むという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の基本原理を説明するための図である。
【図２】基本原理を説明するための図である。
【図３】図１の構成における欠陥層の作用を説明するための図である。
【図４】図２の構成における欠陥層の作用を説明するための図である。
【図５】同一のデバイスの透過特性と反射特性を説明するための図である。
【図６】マルチキャビティーの構成と作用を説明するための図である。
【図７】マルチキャビティーの構成と作用を説明するための図である。
【図８】所定の条件が満足されない場合の不具合を説明するための図である。
【図９】所定の条件が満足されない場合の不具合を説明するための図である。
【図１０】所定の条件が満足されない場合の不具合を説明するための図である。
【図１１】所定の条件が満足されない場合の不具合を説明するための図である。
【図１２】入射光を誘電体多層膜に対して傾斜させた実施形態を示す図である。
【図１３】電極構成の変型例を説明するための図である。
【図１４】電極構成の変型例を説明するための図である。
【図１５】本発明の透過型光スイッチの外観を示す図である。
【図１６】フォトクロミック材料用プリンターの光学系の概要図である。
【図１７】本発明の反射型光スイッチを説明するための図である。
【図１８】偏光分離プリズムを説明するための図である。
【図１９】斜入射用反射型光スイッチを説明するための図である。
【符号の説明】
【００４６】
１      導光体
２      誘電体多層膜
３      欠陥層
４      透明電極
５      ＡＲコート
１０      透過型光スイッチ
２０      フォトクロミックプリンター
３０      反射型光スイッチ
４０      斜入射用反射型光スイッチ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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