(57)【要約】【課題】本発明は応答性の速いスイッチングが可能な光学素子を提供することを目的とする。【解決手段】内部に空間を有する基板１と、前記空間に配置され、磁性膜32を有した基板レス光学膜３と、前記空間内の電場又は磁場の状態を変化させる変化手段４を備えたことを特徴とする光学素子。【選択図】  図２
2007101786.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に空間を有する基板と、前記空間に配置され、磁性膜を有した基板レス光学膜と、前記空間内の電場又は磁場の状態を変化させる変化手段を備えたことを特徴とする光学素子。
【請求項２】
前記空間内には、導電性の液体が充填されていることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
【請求項３】
前記基板レス光学膜は、多層膜構造を有し、少なくとも一つの層は、二酸化チタン・コバルト磁性膜であることを特徴とする請求項１または２に記載の光学素子。
【請求項４】
前記基板レス光学膜は、所定の波長域の光を反射するフィルターの特性を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の光学素子。
【請求項５】
請求項１乃至４のうち何れか一項に記載の光学素子が、二次元的に配列された構造を持つことを特徴とする光変調素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学薄膜を用いた応答性の早い光学素子及び光変調素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、光通信網が発達し、各家庭にも光通信によるデータ通信が普及してきている。光通信は従来のメタル線を用いた通信よりも伝送容量が大きいため、伝送するデータが大きくなり、伝送ライン当たりの伝送量は非常に大きなものになると推測される。光通信における信号のスイッチングには、光信号を電気信号に一旦変換して電気的に回路を切り替え、再び光信号に変換して行われる方法があるが、近年では光をそのまま光スイッチ素子により異なる光ファイバーに伝搬させることが考え出されている。例えば、米国特許公報6,195,478号によれば、光導波路を伝搬する光を光導波路中に形成された溝に出し入れ可能なように配置された反射膜を設け、その反射膜の出し入れにより光信号を異なる光路にスイッチングしている。
【特許文献１】米国特許公報 6,195,478号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、この方法によれば、反射膜は別の支持構造により支持されている。したがって、反射膜を溝から出し入れする際に、反射膜の移動と同時に反射膜を支持する梁構造の変形を必要とする。そのため、反射膜を支持する支持構造体により決定される共振周波数が十分高くすることが出来ず、スイッチングの応答性が悪いと言う欠点があった。
【０００４】
そこで、本発明は応答性の速いスイッチング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】
【０００５】
上記課題を解決するために、本発明の第一の態様では、内部に空間を有する基板と、空間内に配置され、磁性膜を有した基板レス光学膜と、前記空間内の電場又は磁場の状態を変化させる手段を備えたことを特徴とする光スイッチング素子である。
【０００６】
また、前記空間内には、導電性の液体が充填されていることを特徴とする光スイッチング素子である。
また、前記基板レス光学膜は、多層膜構造を有し、少なくとも一つの層は、二酸化チタン・コバルト磁性膜であることを特徴とする光スイッチング素子である。
【０００７】
前記基板レス光学膜は、所定の波長域の光を反射するフィルターの特性を有することを特徴とする光スイッチング素子である。
また、二次元的に前記光スイッチング素子が配列された構造を持つことを特徴とする光変調素子である。
【発明の効果】
【０００８】
光学膜の支持構造を必要とせず、応答性の速い光学素子及び光変調素子が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明の実施の形態である光スイッチング素子10について、以下に図面を用いて説明する。図１は本光スイッチング素子10の入射面側から見たときの概要図である。この光スイッチング素子は、複数の凹部が形成されているベース部1と、ベース部1に形成されている凹部２の空間に配置された基板レス光学膜３と、凹部２の空間内に有するイオンを有する液体と、凹部の底部及び凹部２を覆うように配置された部材にそれぞれ図示されていない透明電極を有する。
【００１０】
ベース部１はガラスで形成されている。ベース部１には多数の凹部２が形成されている。この凹部は例えば、フォトリソグラフィープロセスとドライエッチングプロセスにより形成される。ベース部１の凹部内の空間には、少なくとも一つ以上の基板レス光学膜３が備えられている。この基板レス光学膜３は、凹部の左右方向の寸法よりも短い寸法を有している。また、上下方向の寸法については凹部の寸法とほぼ同じ寸法を有する。そして、イオンを含有した水溶液で凹部２を満たしている。
【００１１】
また、凹部２の底面と、その底面とは反対側の面に透明電極が配置されている。この透明電極に電圧を印加することで、水溶液に電流が流れ、ローレンツ力が基板レス光学膜３に働き、基板レス光学膜３を左右に移動させることができる。そこで、光路を凹部の左右方向の一方側に設定し、基板レス光学膜３を左右方向に位置を変位させることで、光スイッチング素子１０は所定の波長域の光をスイッチングする。
【００１２】
なお、図1に示す光スイッチング素子は、一行二列目の凹部にある基板レス光学膜３のみを右側にシフトさせ、他の全ての凹部にある基板レス光学膜３は、凹部中の左よりに存在させている状態を示している。
【００１３】
一つの凹部２の拡大図を図２に示した。図２（ａ）は、凹部２中の左寄りに基板レス光学膜３を位置させたときの様子を示し、同図（ｂ）は右寄りに基板レス光学膜３を位置させたときの様子を示す。また、同図（ｃ）は同図（ａ）Ａ−Ａ'一点鎖線における断面図を示している。
【００１４】
図２（ａ）と（ｂ）に示すように一つの凹部２には基板レス光学膜３が右寄りに居る状態と左寄りに居る状態の２パターンがある。基板レス光学膜３には、二つの磁性膜３２が設けられている。この磁性膜は紙面上方がS極、紙面下方がN極となるように磁化されている。また、凹部２の底面及び底面と対向する側にはそれぞれ透明電極４が配置されていて、この透明電極は図示されていない電気配線と導通している。
【００１５】
このような構成を有しているため、透明電極４に電圧を印加することで、基板レス光学膜３を凹部２の中で左寄り又は右寄りの位置に位置することができる。
次に、図３を用いて基板レス光学膜３の製造方法を説明する。
【００１６】
最初に基材１１を用意する。この基材１１は所定の剛性を有する材料であれば、特に問わない。なお、成膜中に光学的に膜厚を計測するような場合では、測定光が透過できる材料であることが好ましい。
【００１７】
用意された基材１１の上に、真空蒸着法によりアルミニウム膜12を９０ｎｍ以下の膜厚で成膜する（Ｓ１）。次に、アルミニウム膜の上に所定の厚さの酸化ケイ素膜を形成し、その酸化ケイ素膜の上に、磁性膜３２を成膜する。本実施の形態では、磁性膜３２として、二酸化チタン・コバルト膜を成膜した。その成膜方法は特開2002-145622号で記載されているとおりである。なお、磁性膜を成膜時に磁性膜が磁化する状況下で成膜するか、成膜後に磁性膜が磁化するように処理を行なう（Ｓ２）。
【００１８】
次に、所望の光学特性を有する光学多層膜３１を成膜する（Ｓ３）。この光学多層膜３１の特性は本実施の形態の光スイッチング素子１０の利用目的により変わる。例えば、光スイッチング素子１０を光通信網で使用されるスイッチング素子として使用する際には、光通信で使用される光源の波長を反射できる特性を持つように交互多層膜を形成すればよい。また、この光スイッチング素子１０を防熱ガラスとして使用する際には、熱線を反射し、可視光を透過するような特性を持つように交互多層膜を形成すればよい。
【００１９】
次に、先のＳ２の工程と同様に磁性膜３２を成膜する（Ｓ４）。磁性膜３２を成膜したら、その上に更に酸化ケイ素膜を成膜することが好ましい。また、この工程中または成膜後に、磁性膜をＳ２の工程のときと同じ方位で磁化する。
【００２０】
次に、ダイシングソーにより基板レス光学膜３を所望の寸法に切断する（Ｓ５）。なお、基板レス光学膜３の寸法は、凹部２を図２と同じ方向から見たときにおける凹部２の上下方向の寸法と略同一な寸法とし、それと直交する方向の寸法は、凹部２の左右方向の寸法に対して略１／２の寸法になるように切り出す。その際、基材１１は完全に切断せず、切込みがわずかながら入る程度にする。次に、アルカリ溶液中に基材１１ごと浸漬する。するとアルミニウム膜１２が溶解し、基材１１から基板レス光学膜３が分離する（Ｓ６）。なお、このときアルカリ溶液が基板レス光学膜３にも付着するが、アルカリ溶液が接触する最表層は酸化ケイ素で覆われているため、基板レス光学膜３に大きな影響が生じないようになっている。なお、基板レス光学膜の最表層が磁性膜である場合には、その磁性膜を侵食しない溶液でアルミニウム膜１２を溶解することが好ましい。
【００２１】
基板レス光学膜３が基材１１から完全に分離したら、永久磁石で引き付けて、各基板レス光学膜３をアルカリ溶液から取り出す。そして、図１に示した基板１の各凹部２に一枚づつ同じ極性が同じ方向を向くように基板レス光学膜３を挿入してゆく。
【００２２】
そして、凹部２にマッチングオイルを注入し、透明導電膜４が形成された封止部材５でマッチングオイルが漏れないように封止することで、光スイッチング素子10が完成する。
なお、上述の工程で製造された基板レス光学膜3は、磁性膜を2層具備しているが、本発明は磁性膜が1層でも3層以上でもどちらでも良い。
【００２３】
このようにして形成された光スイッチング素子１０に、光ファイバーや光導波路から射出された光束が基板１の凹部２の左側又は右側のどちらか一方の側を伝搬するように配置する。そして、光路を遮蔽するか否かにより、透明電極４に電圧を印加する方向を決めて、印加することでスイッチング操作が行なわれる。
【００２４】
ところで、上述の光スイッチング素子１０では、光をスイッチングする基板レス光学膜３が左右の方向にしか移動しない。したがって、凹部の光が通過可能な面積全域に光が通過するような光学系であると、十分なスイッチング機能を果たせなくなってしまう。そこで、第二の実施の形態における第二の光スイッチング素子４１を説明する。この光スイッチング素子は、電極への電圧印加により凹部２を遮る基板レス光学膜３の面積が大きく変化することが特徴である。以下に、図４を用いて説明する。
【００２５】
図４（ａ）及び（ｂ）は、第二の光スイッチング素子４１を入射側から見たときにおいて、一つのスイッチング要素の拡大して図示したものであり、（ａ）は凹部２の大部分を基板レス光学膜４３でふさがれている状態を示し、（ｂ）は基板レス光学膜４３が回転して、凹部２が基板レス光学膜４３により光路が遮蔽されていない状態を示す。図４（ｃ）は（ａ）のＡ−Ａ‘一点鎖線の断面図である。
【００２６】
第二の光スイッチング素子４１は、基板１や凹部２などの構成は同じであるが、第一の光スイッチング素子４１と異なる点は、電極４の配置位置と基板レス光学膜の構成である。
【００２７】
最初に、基板レス光学膜４３について図４（ｃ）をもとに説明する。
基板レス光学膜４３には、一方の面の左端と右端に棒状の磁性膜４４ａ、４４ｂが形成されている。また、同様に一方の面と対向する他方の面の左端と右端にも棒状の磁性膜４４ｃ、４４ｄが形成されている。この磁性膜４４ａ、４４ｂ、４４ｃ、４４ｄは第一の形態と同様な二酸化チタン・コバルト膜からなるが、磁性膜４４ａと磁性膜４４ｂは互いに極性が反対となっている。
【００２８】
例えば、図４（ａ）の向きから見たときに、磁性膜４４ａは表面側がＮ極で磁性膜４４ａの他の膜に張り付いている面がＳ極である。一方、磁性膜４４ｂは表面側がＳ極で磁性膜４４ｂの他の膜に張り付いている面がＮ極である。また、磁性膜４４ｃは表面側がＳ極で磁性膜４４ｃの他の膜に張り付いている面がＮ極である。一方、磁性膜４４ｄは表面側がＮ極で磁性膜４４ｄのほかの膜に張り付いている面がＳ極である。
【００２９】
なお、このような形状に磁性膜を形成する際には、フォトリソグラフィープロセスに適用することにより形成することができる。
また、第一の実施形態とは異なる電極４は、凹部２の左側面及び右側面に形成した。このような電極４と基板レス光学膜４３との配置関係により、電極４に電圧を印加することで、凹部２を満たすイオンを有する水溶液に電流が流れ、基板レス光学膜43にローレンツ力が働き、基板レス光学膜４３に上下方向を軸とした回転運動を引き起こす。そして、基板レス光学膜４３が所望の姿勢になったら、電極４への電圧の印加をやめることで、凹部２を満たした水溶液の粘性により基板レス光学膜４３の動きが停止する。
【００３０】
このような構成を採用することにより、凹部全体を光路にした際にでもスイッチング効果が得られる。例えば、このスイッチング素子を光変調素子としても使用可能である。例えば、窓ガラスの代わりに、本発明の透明なガラス基板内に上述のスイッチング素子が全面的に設けられたものを用い、かつ基板レス光学膜４３が赤外域を反射する特性を持つ光学膜となるように製造することで、透明電極に電圧を印加することで外界からの熱線をシャットアウトできる窓ガラスとして利用することができる。
【００３１】
ところで、話は戻るが、第１の光スイッチング素子は、例えば、図５に示すようにマイクロレンズアレイとの組み合わせにより、調光ガラスとして使用できる。マイクロレンズアレイの光軸が基板レス光学膜３が左側もしくは右側に寄ったときの位置と同じに位置なるように、基板１の凹部の中心から基板レス光学膜３の移動可能方向にマイクロレンズアレイの中心をずらして、基板１に固定しておく。そして、基板レス光学膜３の分光特性を可視光は透過し、赤外光を反射するようにする。このような光スイッチング素子を窓ガラスの代わりに使用することで、熱線を調整することが可能となる光変調素子となる。なお、図５に示す点線は各々のレンズに入射する光束を示す。
【００３２】
また、マイクロレンズの光軸と光通信用ファイバーのコアとを一致させることで、光通信用の光スイッチとなる。特に、従来の光スイッチとは違い、光学膜の支持構造が無い。したがって、マッチングオイルの流動性を良いものを使用すれば、その流動性に応じて、より応答性の速い光スイッチング素子を得ることが可能となる。
【００３３】
なお、以上の光スイッチング素子では、透明電極４に所定の方向の電圧を印加することで、基板１の凹部２内にある基板レス光学膜を変位させていたが、本発明はこれだけに限られず、例えば、永久磁石や電磁石などにより凹部内の磁界を制御することで、基板レス光学膜を変位させても良い。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の第１の実施の形態における光スイッチング素子１の概略図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態における光スイッチング素子１の一部拡大図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態における基板レス光学膜３の製造工程を示した図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態における光スイッチング素子の一部拡大図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態における光変調素子の概略断面図である。
【符号の説明】
【００３５】
１・・・基板、２・・・凹部、３，４３・・・基板レス光学膜、４・・・電極、５封止部材、３１・・・多層膜、３２、４３・・・磁性膜
【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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