(57)【要約】【課題】  光学体の光学特性を好適に制御することが可能な光学素子を提供する。【解決手段】  支持基板１５上に形成されたＭｎＯ３を母体とするマンガン酸化物からなるマンガン酸化物薄膜１０を光学体とし、その上面１１を光の入射面及び出射面として反射型の光学素子１Ａを構成する。また、薄膜１０の上面１１上に、薄膜１０に対する電場印加条件が非対称となるように、互いに異なる材料で第１の電極２１及び第２の電極２２を形成する。そして、第１の電極２１と第２の電極２２との間で正または負の極性のパルス電場を印加することによって、光学体である薄膜１０の光学特性を不揮発的かつ可逆的に変化させる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＭｎＯ３を母体とするマンガン酸化物からなり、光が入射する入射面及び光が出射する出射面を有する光学体と、
前記光学体上に形成された第１の電極及び第２の電極を有する電極対とを備え、
前記電極対は、前記第１の電極及び前記第２の電極による前記光学体に対する電場印加条件が非対称であって、前記第１の電極と前記第２の電極との間で正または負の極性のパルス電場を印加することによって、前記光学体の光学特性を不揮発的かつ可逆的に変化させることが可能に設けられていることを特徴とする光学素子。
【請求項２】
前記第１の電極及び前記第２の電極は、前記電場印加条件が非対称となるように、互いに異なる材料で形成されていることを特徴とする請求項１記載の光学素子。
【請求項３】
前記第１の電極及び前記第２の電極は、前記光学体の同一の面上に電気陰性度が０．４以上異なる金属材料で形成されていることを特徴とする請求項２記載の光学素子。
【請求項４】
前記第１の電極及び前記第２の電極は、前記電場印加条件が非対称となるように、互いに異なる配置で形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の光学素子。
【請求項５】
前記光学体は、厚さ５０ｎｍ〜４００ｎｍのマンガン酸化物薄膜からなることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の光学素子。
【請求項６】
前記光学体は、同一の面を前記入射面及び前記出射面として反射型に構成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項記載の光学素子。
【請求項７】
前記光学体は、異なる面を前記入射面及び前記出射面として透過型に構成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項記載の光学素子。
【請求項８】
前記第１の電極及び前記第２の電極は、それぞれ前記光学体の異なる面上に所定波長の光を透過する材料で形成されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項記載の光学素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光スイッチング素子などとして用いられる光学素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、光学体の光学特性を制御する技術として、光学体として用いられる媒体に電場を印加することで光学定数を変化させる方法が用いられている。このような方法では、媒体の光学特性の変化は、電場を零に戻すことによって消失する揮発的な変化である。
【０００３】
一方、ペロブスカイト型マンガン酸化物について、１組の電極間に正または負の極性のパルス電場を印加することによって、その電気抵抗が変化することが知られている（例えば特許文献１参照）。
【特許文献１】米国特許第６２０４１３９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、ペロブスカイト型マンガン酸化物にパルス電場を印加する上記した方法では、変化が確認されているのは電気的な性質等である。このように電気的な性質が変化する現象は、例えば電極と酸化物の界面で起こる可能性もあり、したがって、他の性質が変化するかどうかについては必ずしも明らかではない。
【０００５】
本発明は、以上の問題点を解決するためになされたものであり、光学体の光学特性を好適に制御することが可能な光学素子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】
【０００６】
本願発明者は、光学体の光学特性の制御について鋭意検討した結果、ペロブスカイト型マンガン酸化物に対してパルス電場を印加した際に、電気抵抗のみでなく光の反射特性、透過特性などについても特性の変化が起こること、及び、そのような光学特性の変化が不揮発的かつ可逆的であることを見出し、本発明に到達した。
【０００７】
すなわち、本発明による光学素子は、（１）ＭｎＯ３を母体とするマンガン酸化物からなり、光が入射する入射面及び光が出射する出射面を有する光学体と、（２）光学体上に形成された第１の電極及び第２の電極を有する電極対とを備え、（３）上記電極対は、第１の電極及び第２の電極による光学体に対する電場印加条件が非対称であって、第１の電極と第２の電極との間で正または負の極性のパルス電場を印加することによって、光学体の光学特性を不揮発的かつ可逆的に変化させることが可能に設けられていることを特徴とする。
【０００８】
上記した光学素子においては、光の入射面及び出射面を有する光学体を、ＭｎＯ３を母体とするマンガン酸化物材料によって構成する。そして、光学体上の所定位置に、光学体に対する電場印加条件が非対称となるように一対の電極を設け、電極対に印加されるパルス状の電場の極性によって光学体の光学特性を変化させている。これにより、光学体の光学特性を好適に制御することが可能な光学素子が実現される。なお、光学体の光学特性が可逆的に変化する、とは、パルス電場の極性によって光学定数が一定方向に変化することをいい、光学定数が元の数値まで戻らない場合も含んでいる。
【０００９】
光学体に対する電場印加条件を非対称とするための具体的な構成としては、第１の電極及び第２の電極が、電場印加条件が非対称となるように、互いに異なる材料で形成されている構成とすることが好ましい。このような構成としては、例えば、第１の電極及び第２の電極が、光学体の同一の面上に電気陰性度が０．４以上異なる金属材料で形成されている構成がある。
【００１０】
あるいは、第１の電極及び第２の電極が、電場印加条件が非対称となるように、互いに異なる配置で形成されている構成とすることが好ましい。また、これらの電極の材料及び配置の組合せ等によって非対称な構成を実現しても良い。
【００１１】
また、光学体は、厚さ５０ｎｍ〜４００ｎｍのマンガン酸化物薄膜からなることが好ましい。光学体をマンガン酸化物の薄膜で構成することにより、第１の電極と第２の電極との間でパルス電場を印加した際の光学体中での電流密度を高くすることができ、光学体の光学特性を好適に変化させることが可能となる。
【００１２】
上記した光学素子においては、光学体は、同一の面を入射面及び出射面として反射型に構成されていても良い。あるいは、光学体は、異なる面（互いに対向する面）を入射面及び出射面として透過型に構成されていても良い。また、第１の電極及び第２の電極は、それぞれ光学体の異なる面上に所定波長の光を透過する材料で形成されている構成としても良い。
【発明の効果】
【００１３】
本発明による光学素子によれば、ＭｎＯ３を母体とするマンガン酸化物からなる光学体に対して電場印加条件が非対称となるように一対の電極を設け、電極対に印加されるパルス電場の極性によって光学体の光学特性を不揮発的かつ可逆的に変化させることにより、光学体の光学特性を好適に制御することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図面とともに本発明による光学素子の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。
【００１５】
図１は、本発明による光学素子の一実施形態の構成を示す斜視図である。本実施形態による光学素子１Ａは、光を反射または透過させる光学体として、ＭｎＯ３を母体とするマンガン酸化物からなるマンガン酸化物薄膜１０を用いて構成されている。
【００１６】
マンガン酸化物薄膜１０は、光学体を支持する支持部材である支持基板１５上に所定の厚さｔで形成されている。また、本実施形態においては、マンガン酸化物薄膜１０の２つの面のうちで支持基板１５とは反対側の上面１１が光の入射面及び出射面となっている。これにより、本光学素子１Ａは、薄膜１０の上面１１へと入射した光を所定の反射特性で反射する反射型の光学素子として構成されている。
【００１７】
マンガン酸化物薄膜１０の上面１１上には、第１の電極２１及び第２の電極２２からなる電極対２０が形成されている。この電極対２０は、光学体である薄膜１０の光学特性を制御するために用いられる。これらの電極２１、２２は所定の幅ｗで、上面１１の略中央部における両者の間隔をｄとして設けられている。図１に示した構成においては、上面１１上の左側の電極が第１の電極２１、右側の電極が第２の電極２２であり、これらは略同じ形状となっている。また、これらの電極２１、２２に挟まれた上面１１の略中央部の領域が、入射した光を反射する反射領域Ｒとなっている。なお、図１においては、この反射領域Ｒで反射される光を破線によって模式的に示している。
【００１８】
このような構成において、電極２１、２２の間に電圧が印加されることにより、第１の電極２１と第２の電極２２との間で印加電圧に対応する電場が形成される。特に、電極２１、２２の間にパルス電圧を印加することにより、電極２１と電極２２との間でマンガン酸化物薄膜１０に対してパルス状の電場が印加される。
【００１９】
さらに、本実施形態においては、上記した電極２１、２２は、互いに異なる材料で形成されている。これにより、第１の電極２１及び第２の電極２２からなる電極対２０は、光学体であるマンガン酸化物薄膜１０に対する電場印加条件が非対称となるように構成されている。
【００２０】
このとき、パルス電圧の印加によって薄膜１０中に発生する電流が、非対称に流れることとなる。そして、このような条件下で、電極２１、２２の間で正または負の極性のパルス電場を印加することにより、薄膜１０の光学特性が不揮発的かつ可逆的に変化する。これにより、図１に示した反射型の光学素子１Ａにおいて、電極２１、２２で挟まれた薄膜１０の反射領域Ｒでの入射した光に対する反射特性が不揮発的かつ可逆的に制御される。
【００２１】
本実施形態による光学素子の効果について説明する。
【００２２】
図１に示した光学素子１Ａにおいては、光の入射面及び出射面を有する光学体を、ＭｎＯ３を母体とするマンガン酸化物材料からなるマンガン酸化物薄膜１０によって構成している。そして、この光学体である薄膜１０上の所定位置に、薄膜１０に対する電場印加条件が非対称となるように一対の電極２１、２２を設け、電極対２０に印加されるパルス電場の極性によって薄膜１０の光学特性を変化されている。これにより、光学体の光学特性を好適に制御することが可能な光学素子１Ａが実現される。
【００２３】
このように、ペロブスカイト型のマンガン酸化物に対してパルス電場を印加する構成では、パルス電場の印加によってマンガン酸化物薄膜１０の光学特性が不揮発的に変化すること、及び、薄膜１０に印加するパルス電場の極性の正負を逆転させることによって光学特性が可逆的に変化することが大きな特徴である。このような特徴を有する光学素子は、例えば不揮発かつ可逆な光スイッチング素子など、様々な用途に有効である。マンガン酸化物でのパルス電場の印加に伴うこのような光学特性の変化は、本願発明者によって初めて見出されたものである。
【００２４】
光学体の薄膜１０においてパルス電場によって制御される光学特性としては、光に対する屈折率、反射率、透過率などがある。例えば、図１に示した光学素子１Ａは同一の面１１を光の入射面及び出射面とする反射型に構成されており、電極２１、２２の間でのパルス電場の印加によって、上記したように光の反射特性が制御される。また、電極２１、２２の間に印加するパルス電圧については、具体的な薄膜１０の組成や厚さ、電極の配置等を考慮して、パルス電圧の電圧値、パルス時間幅、及びパルス形状を設定することが好ましい。
【００２５】
また、このように電極対２０への電圧印加によって薄膜１０の光学特性を変化させるためには、上記したように電極２１、２２による薄膜１０に対する電場印加条件が非対称となっている必要がある。上記実施形態においては、同一の面１１上にある電極２１、２２を互いに異なる材料で形成することにより、このような電場印加条件の非対称性を実現している。この場合、第１の電極２１及び第２の電極２２は、電気陰性度が０．４以上異なる金属材料で形成されていることが、充分な電場印加条件の非対称性とそれによる光学特性の制御性を実現する上で好ましい。このような金属材料の組合せとしては、例えば、金（Ａｕ）とアルミニウム（Ａｌ）、白金（Ｐｔ）とマグネシウム（Ｍｇ）などがある。
【００２６】
また、ＭｎＯ３を母体とするペロブスカイト型のマンガン酸化物からなる光学体の形状及び厚さ等については、具体的な電極の構成や光学素子の用途等に応じて様々な形状及び厚さとして良いが、特に、厚さ５０ｎｍ〜４００ｎｍ（５００Å〜４０００Å）のマンガン酸化物薄膜を光学体として用いることが好ましい。このような厚さのマンガン酸化物薄膜によって光学体を構成することにより、電極２１、２２の間でパルス電場を印加した際の光学体中での電流密度を高くすることができる。このとき、光学体の光学特性を充分な変化量で好適に制御することが可能となる。
【００２７】
図１に示した光学素子１Ａの具体的な構成及びその製造方法について説明する。
【００２８】
マンガン酸化物薄膜１０の作製においては、まず、ターゲットとして用いられる多結晶試料を通常の固相反応法によって作製する。光学体として用いられるマンガン酸化物は、組成がＲ１−ｘＡｘＭｎＯ３（Ｒ＝Ｌａ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｓｍ；Ａ＝Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ）で表されるペロブスカイト型構造をとる物質である。また、その原料としては、Ｌａ２Ｏ３、Ｐｒ６Ｏ１１、Ｎｄ２Ｏ３、ＣａＣＯ３、ＳｒＣＯ３、ＢａＣＯ３、ＭｎＯ２などの酸化物が用いられる。これらの酸化物の原料を混合、成型し、１２００℃〜１４００℃で仮焼成、本焼成を行うことにより、薄膜作製用のターゲットが得られる。
【００２９】
このようにして得られたターゲットを用い、エキシマレーザを用いたＰＬＤ（Pulsed Laser Deposition）装置により、マンガン酸化物薄膜１０を基板１５上に成長させる。基板１５としては、ＳｒＴｉＯ３、ＬａＡｌＯ３、ＭｇＯなどのように光学的に透明なものを用いても良く、あるいはＳｉなどのように不透明な基板を用いても良い。薄膜１０の厚さは、上記したように５０ｎｍ〜４００ｎｍとすることが好ましい。
【００３０】
さらに、基板１５上に成長された薄膜１０の上面１１上に、所定の材料からなる１組の電極２１、２２を取り付ける。このとき、これらの電極２１、２２は、パルス電場の印加による薄膜１０中での電流の流れがその方向によって非対称となるように、互いに異なる材料、好ましくは電気陰性度が０．４以上異なる金属材料によって形成される。これにより、光学体の光学特性を不揮発的かつ可逆的に制御することが可能な図１に示した光学素子１Ａが得られる。
【００３１】
以下、図１に示した構成の光学素子１Ａの具体的な実施例について、その光学特性とともに説明する。
【００３２】
本実施例においては、光学体の材料となるペロブスカイト型のマンガン酸化物薄膜１０の組成をＰｒ０．５Ｃａ０．５ＭｎＯ３とし、以下のようにＰＬＤ法を用いて薄膜１０を作製する。まず、Ｐｒ、Ｃａ、Ｍｎのモル比が上記組成に対応した所定のモル比となるように原料のＰｒ６Ｏ１１、ＣａＣＯ３、ＭｎＯ２を混合する。混合された原料を１２００℃で焼結し、さらに粉砕、混合したものを成型して１３５０℃で焼成したものをターゲットとして用いる。
【００３３】
一方、マンガン酸化物薄膜１０を成長させるための支持基板１５として、ＳｒＴｉＯ３基板を用意する。そして、エキシマレーザを用いたＰＬＤ装置により、ＳｒＴｉＯ３基板の（１００）面上に薄膜を成長させる。薄膜成長の具体的な条件については、成長時の気圧を１ｍＴｏｒｒ、基板温度を８００℃、パルスレーザ光の繰返し周波数を１０Ｈｚ、レーザ光強度を２．５Ｊ／ｃｍ２とする。また、成長するＰｒ０．５Ｃａ０．５ＭｎＯ３薄膜の厚さは約２００ｎｍ（２０００Å）とする。
【００３４】
次に、得られたマンガン酸化物薄膜上に所定パターンのマスクを行って、電極対２０を構成する電極２１、２２を作製する。具体的には、金（Ａｕ）をスパッタによって薄膜１０の上面１１上の所定範囲に堆積させて、第１の電極（正極）２１を形成する。また、アルミニウム（Ａｌ）を蒸着によって薄膜１０の上面１１上の所定範囲に堆積させて、第２の電極（負極）２２を形成する。電極２１、２２のサイズはそれぞれ１ｍｍ×０．５ｍｍである。また、電極２１、２２の間隔ｄは約０．５ｍｍである。
【００３５】
以上のようにして作製された光学素子１Ａに対し、その特性を調べるため、図２に示す測定系を構成する。この測定系では、電極２１、２２の間に、パルス電圧を印加するためのパルス電圧発生器５０と、抵抗測定用の電流源５１と、電圧測定用の電圧計５２とを接続する。このような測定系において、光学素子１Ａに対し、ハロゲンランプの光を分光器で分光して得られた波長８００ｎｍの光を、チョッパ５５を介して電極２１、２２間の反射領域Ｒにスポットサイズ約０．５ｍｍで集光しつつ入射する。そして、マンガン酸化物薄膜１０の反射領域Ｒにおいて反射された光をゲルマニウム光検出器５６で検出し、ロックインアンプ５７を用いて反射光の強度をロックイン測定する。また、ここでは、薄膜１０の電気抵抗の変化についても測定する。
【００３６】
図３は、パルス電圧の印加パルス数と薄膜の抵抗との相関を示すグラフである。このグラフにおいて、横軸はパルス電圧の印加パルス数を示し、縦軸はマンガン酸化物薄膜１０の抵抗（Ω）を示している。また、ここでは、パルス幅１００ｍｓ、パルス強度２０Ｖの電圧パルスを１発印加してから６秒後に抵抗値を測定する、というサイクルを室温条件下で繰り返した測定結果を示している。印加するパルス電圧の極性については、２０発続けて正方向（正の極性）に、次に２０発続けて負方向（負の極性）に、さらに２０発続けて正方向に、と２０発毎に極性を変化させてパルス電圧の印加を行っている。
【００３７】
このグラフからわかるように、正の極性のパルス電圧を印加しているときの抵抗値は約３００００Ω、負の極性のパルス電圧を印加しているときの抵抗値は約３５０００Ωとなっており、薄膜１０に印加されるパルス電場の極性に応じて、その抵抗値が変化していることがわかる。また、この抵抗値は、同じ極性のパルス電圧を連続して印加している限り変化しておらず、抵抗特性が不揮発的に変化していることがわかる。また、パルス電圧の極性を入れ換えることによってほぼ同じ抵抗値が再現されており、抵抗特性が可逆的に変化していることがわかる。
【００３８】
図４は、パルス電圧の印加パルス数と測定されたロックイン信号との相関を示すグラフである。このグラフにおいて、横軸はパルス電圧の印加パルス数を示し、縦軸は光検出器５６及びロックインアンプ５７を用いて測定されるロックイン信号の信号強度（ｍＶ）を示している。測定されるロックイン信号強度は、薄膜１０によって反射される反射光強度に対応している。また、ここでは、パルス幅１００ｍｓ、パルス強度２０Ｖの電圧パルスを１発印加してから４秒後に反射光強度を測定する、というサイクルを室温条件下で繰り返した測定結果を示している。印加するパルス電圧の極性については、１００発続けて正方向に、次に１００発続けて負方向に、さらに１００発続けて正方向に、と１００発毎に極性を変化させてパルス電圧の印加を行っている。
【００３９】
このグラフからわかるように、正の極性のパルス電圧を印加していくと、薄膜１０の反射特性が変化することによって反射光強度が次第に減少し、一定値（ロックイン出力で１４．５ｍＶ）に近づく。逆に、負の極性のパルス電圧を印加していくと、反射光強度が次第に増大し、一定値（１４．６ｍＶ）に近づく。このように、マンガン酸化物薄膜１０の光学特性においても、その反射光強度は、ある程度の数の同じ極性のパルス電圧を印加した後はほぼ変化しておらず、光学特性が不揮発的に変化していることがわかる。また、パルス電圧の極性を入れ換えることによってほぼ同じ反射光強度が再現されており、光学特性が可逆的に変化していることがわかる。
【００４０】
本発明による光学素子は、上記した構成に限られるものではなく、具体的には様々な構成を用いることが可能である。以下、光学素子の構成例についてさらに説明する。
【００４１】
図５は、光学素子の他の構成例を模式的に示す側面図である。図５（ａ）に示す光学素子１Ｂは、図１に示した光学素子１Ａと同様の構成であり、基板３５上に光学体であるマンガン酸化物薄膜３０を形成し、薄膜３０の上面３１上に第１の電極３６、第２の電極３７を設けた構成となっている。このような構成の光学素子１Ｂは、薄膜３０の上面３１を光の入射面及び出射面とすることにより、反射特性が制御可能な反射型の光学素子として用いることができる。また、薄膜３０の上面３１を光の入射面、下面３２を出射面とすることにより、透過特性が制御可能な透過型の光学素子として用いることができる。
【００４２】
一方、図５（ｂ）に示す光学素子１Ｃは、基板４５上に第２の電極４７、光学体であるマンガン酸化物薄膜４０、及び第１の電極４６を順次形成した構成となっている。このような構成の光学素子１Ｃは、薄膜４０の上面４１を光の入射面及び出射面とすることにより、反射特性が制御可能な反射型の光学素子として用いることができる。また、薄膜４０の上面４１を光の入射面、下面４２を出射面とすることにより、透過特性が制御可能な透過型の光学素子として用いることができる。
【００４３】
このように、本発明による光学素子は、反射型、透過型のいずれの光学素子に対しても適用可能である。また、パルス電場を印加するための電極の構成については、図５（ａ）に示した光学素子１Ｂでは、図１に関して上記したように、例えば電極３６、３７を互いに異なる材料で形成する構成を用いることができる。また、図５（ｂ）に示した光学素子１Ｃでは、電極４６、４７が薄膜４０の異なる面４１、４２上に全体に対して設けられていることから、電極４６、４７として、例えばＩＴＯなどの所定波長の光を透過する材料で形成された透明電極を用いる必要がある。また、このような構成では、薄膜４０の上下の電極４６、４７で電極の種類を変えなくても良い。また、光学体となるマンガン酸化物を、支持基板上にマンガン酸化物薄膜として形成する構成では、透過型の光学素子とする場合には、基板として所定波長の光を透過する透明基板が用いられる。
【００４４】
また、光学体であるマンガン酸化物薄膜に対する電場印加条件を非対称とするための構成としては、上記のように互いに異なる材料で第１の電極及び第２の電極を形成する構成の他、図６に図１に示した光学素子１Ａの変形例を示すように、第１の電極及び第２の電極を互いに異なる配置で形成する構成を用いることができる。この場合、第１の電極及び第２の電極の異なる配置は、例えば各電極の位置、大きさ、形状等によって実現される。例えば、図６においては、電極２１、２２の形状及び大きさを異なるものとすることで、電極２１、２２の非対称な配置を実現している。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本発明は、光学体の光学特性を好適に制御することが可能な光学素子として利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】光学素子の一実施形態の構成を示す斜視図である。
【図２】光学素子の特性を調べるための測定系を示す構成図である。
【図３】パルス電圧の印加パルス数と薄膜の抵抗との相関を示すグラフである。
【図４】パルス電圧の印加パルス数と測定されたロックイン信号との相関を示すグラフである。
【図５】光学素子の他の構成例を示す側面図である。
【図６】図１に示した光学素子の変形例を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００４７】
１Ａ、１Ｂ、１Ｃ…光学素子、１０…マンガン酸化物薄膜（光学体）、１１…上面、１５…支持基板、２０…電極対、２１…第１の電極、２２…第２の電極、３０、４０…マンガン酸化物薄膜、３１、４１…上面、３２、４２…下面、３５、４５…支持基板、３６、４６…第１の電極、３７、４７…第２の電極、５０…パルス電圧発生器、５１…電流源、５２…電圧計、５５…チョッパ、５６…光検出器、５７…ロックインアンプ。
【図１】
2005258076.tif 000003
【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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