CN115933226A - 光调制器和光调制器阵列 - Google Patents

光调制器和光调制器阵列 Download PDF

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CN115933226A CN202210994237.0A CN202210994237A CN115933226A CN 115933226 A CN115933226 A CN 115933226A CN 202210994237 A CN202210994237 A CN 202210994237A CN 115933226 A CN115933226 A CN 115933226A
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Abstract

本发明提供光调制器和光调制器阵列，其中，光调制器(1A)包括：基体层(10)；在基体层(10)上形成的金属反射层(20)；在反射层(20)上形成的非线性光学晶体的调制层(25)；和导电图案层(30)，其包含在第1方向上周期性地排列并且按第2方向分别延伸的多个图案部(31)，且在调制层(25)上形成。调制层(25)通过借由在反射层(20)与导电图案层(30)之间的电压的施加使得折射率发生变化而使对于对象光的反射率变化。光调制器(1A)将从调制层(25)的上表面侧入射，通过调制层(25)、在反射层(20)反射后的对象光，作为通过反射率的变化调制了强度的调制光向外部出射。由此，能够实现能够高速地进行对象光的强度的调制并且在宽的波长区域使其适当地动作的光调制器。

Description

光调制器和光调制器阵列
技术领域
本发明涉及对调制对象光的强度进行调制的光调制器和光调制器排列成阵列状的光调制器阵列。
背景技术
在非专利文献1中，公开有使用了电光学(Electro-Optic：EO)聚合物的光调制器。非专利文献1中记载的光调制器包括作为反射层的下部Au层、在下部Au层上形成的EO聚合物层和上部Au层。此外，EO聚合物层和上部Au层由多个图案部在规定的方向上周期性地排列成的栅格状的图案形成。在该光调制器中，通过借由夹着EO聚合物层的下部Au层与上部Au层之间的电压的施加来使反射率变化，调制作为调制对象的对象光的强度。
在非专利文献2中，公开有使用了非线性光学晶体的铌酸锂(LN：LithiumNiobate)的反射型的菲涅尔透镜元件。非专利文献2中记载的透镜元件包括作为反射层的下部Au层、在下部Au层上形成的LN薄膜层和在LN层上由同心圆状的图案形成的上部Au层。在该透镜元件中，借由夹着LN层的下部Au层与上部Au层之间的电压的施加，控制基于上部Au层的图案的菲涅尔透镜的动作。
非专利文献1：J.Zhang et al.，“Electrical tuning of metal-insulator-metal metasurface with electro-optic polymer”，Appl.Phys.Lett.Vol.113(2018)pp.231102-1-231102-5
非专利文献2：C.Damgaard-Carstensen et al.，“Electrical Tuning ofFresnel Lens in Reflection”，ACS Photonics Vol.8(2021)pp.1576-1581
非专利文献3：S.Ogawa and M.Kimata,“Metal-Insulator-Metal-BasedPlasmonic Metamaterial Absorbers at Visible and Infrared Wavelengths:AReview”，Materials Vol.11，458(2018)
发明内容
作为光的调制中使用的空间光调制器(Spatial Light Modulator：SLM)，例如使用利用液晶层对光的相位进行调制的LCOS(Liquid Crystal On Silicon：硅上液晶)型的SLM。在该LCOS型SLM那样，在光调制中使用液晶层的结构中，其动作速度依赖于液晶的响应速度，其结果是光调制器的响应速度例如被限制在小于1kHz。
另一方面，在上述的非专利文献1中记载的光调制器中，能够通过在调制层使用与液晶相比高速地响应的EO聚合物，高速地进行对象光的强度调制。但是，在该光调制器中，例如在比波长1300nm短的波长，EO聚合物的光的吸收大，在这样的波长区域不易使其进行动作。
本发明的目的在于，提供能够高速地进行调制对象光的强度的调制并且在宽的波长区域使其适当地动作的光调制器和光调制器阵列。
本发明的实施方式为光调制器。光调制器包括：(1)基体层；(2)由对作为调制对象的对象光具有反射性的金属材料构成，在基体层的上表面上形成的反射层；(3)由对对象光具有透射性的非线性光学晶体构成，在反射层的上表面上以规定的厚度形成的调制层；和(4)由导电性材料构成，包含在与各层的叠层方向正交的第1方向上周期性地排列并且沿与叠层方向和第1方向正交的第2方向分别延伸的多个图案部，且在调制层的上表面上形成的导电图案层，(5)调制层以通过借由在反射层与导电图案层之间的电压的施加使折射率变化而使对于对象光的反射率变化的方式构成，将经导电图案层从调制层的上表面入射，通过调制层、并在反射层反射后的对象光，作为通过反射率的变化调制了强度的调制光，从调制层的上表面向外部出射。
在上述结构的光调制器中，在设置于基体层上的金属反射层的上表面上，形成由非线性光学晶体构成的调制层和包含在规定的方向上周期性地排列的多个图案部的栅格状的导电图案层，将与基体层成为相反侧的调制层和导电图案层的上表面侧作为调制对象光的入射面。此外，使夹着调制层设置的反射层和导电图案层分别作为下部电极层、上部电极层发挥作用。
而且，在这样的结构中，通过在反射层与导电图案层之间施加电压，使调制层的折射率变化而控制对于对象光的反射率，从而调制对象光的强度。根据这样的结构，通过在调制层使用比液晶高速地响应，对于比波长1300nm短的波长的对象光也能够适用的非线性光学晶体，能够实现能够高速地进行调制对象光的强度的调制，并且在宽的波长区域使其适当地动作的光调制器。
本发明的实施方式为光调制器阵列。光调制器阵列也可以包括多个上述结构的光调制器，多个光调制器呈1维或2维阵列状排列。此外，光调制器阵列也可以具体而言例如令M为1以上的整数，令N为2以上的整数，多个光调制器M行N列地呈1维或2维阵列状排列。根据这样的结构，能够将上述结构的光调制器作为调制单元(调制像素)，适当地实现利用1维或2维的调制图案的对象光的强度调制。
根据本发明的光调制器和光调制器阵列，能够高速地进行调制对象光的强度的调制，并且在宽的波长区域使其适当地动作。
附图说明
图1是表示包含光调制器的光调制装置的一个实施方式的结构的俯视图。
图2A和图2B是表示图1所示的光调制器的结构(A)沿A-A线的侧面截面图和(B)沿B-B线的侧面截面图。
图3是将图2A所示的光调制器的结构部分放大地表示的图。
图4是表示使导电图案层的栅格状图案的排列周期变化时的反射光谱的变化的图。
图5是表示光调制器的光的反射率的波长依赖性的图表。
图6是表示光调制器的光的反射率的波长依赖性的图表。
图7是将图2A所示的光调制器的结构部分放大地表示的图。
图8是表示在调制层沿x轴方向传输的波数的波长依赖性的图表。
图9是表示使导电图案层的栅格状图案的排列周期变化时的反射光谱的变化的图。
图10A和图10B是表示令LN调制层的厚度为500nm时的，(A)光的反射率的波长依赖性和(B)光调制器的电场强度分布的图。
图11A和图11B是表示令LN调制层的厚度为50nm时的，(A)光的反射率的波长依赖性和(B)光调制器的电场强度分布的图。
图12A和图12B是令LN调制层的厚度为1500nm时的，(A)光的反射率的波长依赖性和(B)光调制器的电场强度分布的图。
图13是表示用于求取调制速度的光调制器的等价电路的立体图。
图14是表示光调制器的3dB带宽的图案尺寸依赖性的图表。
图15是表示使用了光调制器的1维光调制器阵列的结构的俯视图。
图16是表示使用了光调制器的2维光调制器阵列的结构的俯视图。
图17是概略地表示2维光调制器阵列与光纤阵列的连接结构的立体图。
具体实施方式
以下，使用附图，对光调制器和光调制器阵列的实施方式进行详细说明。另外，在附图的说明中，对相同的要素标注相同的附图标记，省略重复的说明。此外，附图的尺寸比率并不一定与所说明的一致。
图1是表示包含光调制器的光调制装置的一个实施方式的结构的俯视图。图2A和图2B是表示图1所示的光调制器的结构的图，图2A表示沿A-A线的侧面截面图，图2B表示沿B-B线的侧面截面图。此外，图3是将图2A所示的光调制器的结构部分放大地表示，并且用于对光调制器的动作进行说明的图。
另外，在以下的各图中，为了便于说明，同时图示xyz直角坐标系。在该坐标系中，z轴表示构成光调制器的各层的積层方向(各层的厚度方向)，表示调制对象光对光调制器的入射方向。此外，x轴表示与叠层方向正交的第1方向。此外，y轴表示与叠层方向和第1方向正交的第2方向。
本实施方式的光调制装置2A包括光调制器1A、电压施加部51和控制部52。此外，光调制器1A是对作为调制对象射入的对象光L1进行强度调制后作为调制光L2向外部出射的元件，包括基体层10、反射层20、调制层25和导电图案层30。
基体层10是支承构成光调制器1A的各层的支承层。作为构成基体层10的材料，只要能够形成和支承光调制器1A的各层，就可以使用任意的材料。作为这样的基体层10，具体而言，例如能够使用石英(SiO2)基板、硅(Si)基板等。
反射层20由对作为调制对象的对象光L1具有反射性的金属材料构成，在基体层10的上表面10a上形成。该反射层20还作为用于对调制层25施加电压的下部电极层发挥作用。作为构成反射层20的金属材料，例如能够使用Au(金)、Al(铝)、Ag(银)、Pt(铂)、Ti(钛)、Cr(铬)等。
调制层25由对对象光L1具有透射性的非线性光学晶体构成，在反射层20的上表面20a上以规定的厚度形成。作为构成调制层25的非线性光学晶体，例如能够使用铌酸锂(LN：Lithium Niobate，LiNbO3)、钽酸锂(LT：Lithium Tantalate，LiTaO3)等非线性光学材料。
导电图案层30由导电性材料构成，在调制层25的上表面25a上以规定的图案形成。该导电图案层30还和下部电极层的反射层20一起作为用于对调制层25施加电压的上部电极层发挥作用。作为构成导电图案层30的导电性材料，例如能够使用Au(金)、Al(铝)、Ag(银)、Pt(铂)、Ti(钛)、Cr(铬)等金属材料。
导电图案层30，具体而言，以包含在x轴方向上周期性地排列的多个图案部31的栅格状的图案形成，该x轴方向与作为构成光调制器1A的各层的叠层方向的z轴方向正交。多个图案部31分别由沿与z轴方向和x轴方向正交的y轴方向延伸的、具有规定的宽度的直线状图案形成。此外，多个图案部31的图案宽度优选设为定值。
多个图案部31经由在调制层25上在y轴方向的一侧(图中的上侧)形成的连接图案部32，与电极图案部33电连接。此外，调制层25和导电图案层30在y轴方向的另一侧(图中的下侧，电极图案部33的相反侧)的一定宽度的区域并不设置，在该区域露出的反射层20的部分成为电极部21。
在这样的结构中，由非线性光学晶体构成的调制层25，通过借由在反射层20与导电图案层30之间的电压的施加(电场的施加)而使得折射率发生变化，使光调制器1A的对于对象光L1的反射率变化。对象光L1如图2A和图2B所示那样，对于光调制器1A，经导电图案层30从调制层25的上表面25a入射。而且，通过调制层25、在反射层20反射后的对象光L1，作为通过反射率的变化调制了强度的调制光L2，从调制层25的上表面25a向外部出射。另外，关于光调制器1A中的光的调制动作，之后详述。
在光调制装置2A，如图1所示那样，对上述结构的光调制器1A设置电压施加部51和控制部52。电压施加部51的一个端子经由线缆16与反射层20的电极部21电连接，另一个端子经由线缆17与导电图案层30的电极图案部33电连接。由此，从电压施加部51对反射层20与导电图案层30之间施加规定的电压。
控制部52通过控制电压施加部51进行的对光调制器1A的电压施加动作(电场施加动作)，控制光调制器1A中的调制对象光L1的强度调制动作。在这样的结构中，作为电压施加部51，例如能够使用电源装置。此外，作为控制部52，例如能够使用包含CPU、存储部、显示部、输入部等的计算机。
在光调制器1A中，设置有导电图案层30的栅格状的多个图案部31的区域，作为调制对象光L1的强度的调制区域发挥作用。在图1的结构例中，调制区域的x轴方向的宽度为lx，y轴方向的宽度为ly。这样的调制区域成为后述那样构成光调制器阵列的情况下的单位调制单元，其单元尺寸例如为lx×ly＝300μm×300μm。
此外，如图3所示，在光调制器1A中，令构成导电图案层30的栅格状图案的图案部31的宽度为s，间隔为g，高度为h，x轴方向的排列周期为Λ(＝s+g)。导电图案层30的各图案部的截面形状可以根据具体的设计条件、制作条件采取任意的形状，例如为矩形、梯形或者为矩形或梯形而顶点具有圆角的形状等。此外，令构成反射层20的金属层的厚度为tr，调制层25的厚度为tg。
在这样的结构的光调制器1A中，导电图案层30的多个图案部31的排列周期Λ优选设定为小于作为强度调制的对象的对象光L1的波长λ的值。这样，通过在排列于调制层25上的导电图案层30的图案部31，使用其排列周期Λ设定得比对象波长λ小的亚波长结构(超颖表面结构)，能够抑制高阶衍射光的产生，能够适当地实现利用非线性光学晶体的调制层25的对象光L1的调制。此外，在使用亚波长结构的结构中，能够实现调制单元的小型化及其集成化，此外，与使用液晶层的LCOS型SLM相比，也能够减小调制像素的尺寸。
对具有上述结构的光调制器1A的对象光L1的强度的调制动作，参照图3进行说明。另外，以下的说明中，关于构成光调制器1A的各层的具体的材料，令基体层10为SiO2层(SiO2基板)，反射层20和导电图案层30分别为Au层，此外，令构成调制层25的非线性光学晶体为铌酸锂(LN)。
此外，在光调制器1A的特性等的计算中，只要没有特别指定，就令反射层20和导电图案层30的厚度为tr＝h＝100nm，Z-切(Z-cut)的LN调制层25的厚度为tg＝500nm。此外，令导电图案层30的图案部31的排列周期为Λ＝710nm，图案宽度s与排列周期Λ之比为0.825。在这种情况下，导电图案层30的图案宽度为s＝586nm。
本实施方式的光调制器1A以由金属材料构成的反射层20和导电图案层30夹着由作为绝缘材料的非线性光学晶体构成的调制层25，具有金属-绝缘体-金属(MIM：Metal-Insulator-Metal)结构(关于普通的MIM结构，参照非专利文献3)。对该MIM结构的光调制器1A，如图3中以箭头E表示电场的方向那样，作为调制对象光L1使TM偏光的光垂直入射。
此时，TM偏光的对象光L1在根据导电图案层30的栅格状图案的周期Λ决定的波长λ，与MIM共振器模式高效率地耦合，被金属吸收。通过该对象光L1的吸收，在对象光L1的反射光谱中产生反射率变小的凹陷。
此外，在这样的结构中，通过对反射层20与导电图案层30之间施加电压，使构成调制层25的非线性光学晶体的折射率发生变化。此时，MIM共振器模式的共振波长移位，其结果是，对于波长λ的对象光L1的反射率发生变化。通过利用该电压施加引起的反射率的变化，能够对对象光L1进行强度调制。
另外，对由非线性光学晶体构成的调制层25施加外部电压时的、基于泡克尔斯效应的折射率的变化Δn，能够通过下述的式(1)估计。
Figure BDA0003804964550000081
此处，n是非线性光学晶体的折射率，r33是非线性光学晶体的z轴方向的非线性光学常数，E是将对调制层25的施加电压除以调制层25的厚度而得到的值。在非线性光学晶体为铌酸锂(LN)的情况下，非线性光学常数r33＝31.45pm/V。此外，透射波长区域例如为0.35μm～4.5μm。
图4是表示使导电图案层30的栅格状图案的排列周期Λ变化时的反射光谱的变化的图。在图4的反射率分布图中，横轴表示对象光L1的波长(nm)，纵轴表示导电图案层30的图案的排列周期Λ(nm)。此外，此处表示利用2维的有限差分时域(FDTD：FiniteDifference Time Domain)法的反射特性的计算结果。
由图4所示可知，在导电图案层30的图案周期Λ为波长以下的亚波长区域，衍射受到抑制，得到MIM模式的尖锐共振引起的反射率的凹陷。在本实施方式的光调制器1A，例如能够利用图4中以附图标记C表示的呈直线状延伸的凹陷区域，进行对象光L1的强度调制。
作为光调制器1A的结构和动作的一个例子，说明令图案周期Λ为710nm的结构中的电压施加引起的反射率的变化及由此进行的对象光L1的强度的调制。图5和图6分别是不是光调制器1A中的光的反射率的波长依赖性的图表。
在图5的图表中，横轴表示对象光的波长(nm)，纵轴表示反射率。此外，在图5中，图表G1表示令对针对反射层20的导电图案层30的施加电压为-10V时的反射率特性，图表G2表示令施加电压为+10V时的反射率特性。
在图6的图表中，横轴表示对象光的波长(nm)，纵轴表示反射率(dB)。此外，在图6中，图表G6表示对应于令施加电压为-10V时的图表G1的反射率特性，图表G7表示对应于令施加电压为+10V时的图表G2的反射率特性。此外，在图6中，同时图示表示施加电压从-10V变化至+10V时的反射率特性的变化的图表。这些图表中的施加电压从-10V至+10V依次为-10V、-7.78V、-5.56V、-3.33V、-1.11V、+1.11V、+3.33V、+5.56V、+7.78V、+10V。
如图5和图6所示，在上述结构的光调制器1A中，通过对反射层20与导电图案层30之间施加电压，使得对于对象光L1的反射率的凹陷位置等反射率特性变化。在图5中，附图标记C1表示电压施加引起的反射率特性的波长移位。
此外，例如当在图5中将以附图标记C0表示的波长1569nm作为强度调制的动作点时，以附图标记C2表示的范围成为令施加电压为-10V～+10V时的强度调制的范围。在该动作例中，通过±10V的电压施加，获得插入损耗为3.6dB、消光比为4.6dB的强度调制。
对上述实施方式的光调制器1A和光调制装置2A的效果进行说明。
在图1和图2A、图2B所示的光调制器1A中，在设置于基体层10上的金属材料的反射层20的上表面上，形成由非线性光学晶体构成的调制层25和包含在x轴方向上周期性地排列的多个图案部31的栅格状的导电图案层30，将与基体层10成为相反侧的调制层25和导电图案层30的上表面侧作为调制对象光L1的入射面。此外，使夹着调制层25设置的反射层20和导电图案层30分别作为下部电极层、上部电极层发挥作用。
于是，在这样的结构中，对反射层20与导电图案层30之间施加电压、使调制层25的折射率变化来控制对于象光L1的反射率，由此调制对象光L1的强度。根据这样的结构，通过在调制层25使用比液晶高速地响应、对于比波长1300nm短的波长的对象光也能够适用的非线性光学晶体，能够实现能够高速地进行对象光L1的强度的调制并且在宽的波长区域使其适当地动作的光调制器1A。此外，光调制器1A如图2A和图2B所示为垂直入射型且为反射型的结构，与导波路型的光调制器等相比较，能够实现高集成化。
在上述的光调制器1A中，导电图案层30的多个图案部31的排列周期Λ，优选设定为小于对象光L1的波长λ的值。此外，导电图案层30的多个图案部31的图案宽度s，优选设定为定值。根据这样的结构，能够适当地实现光调制器1A的对象光L1的强度调制。
此外，在光调制器1A中，反射层20的厚度和导电图案层30的厚度分别优选设定为趋肤深度(skin depth)以上的值。根据这样的结构，能够利用金属反射层20、调制层25和导电图案层30适当地实现对于对象光L1的反射率控制和由此实现的强度调制。
关于构成光调制器1A的各层的材料，具体而言，调制层25的非线性光学晶体优选包含铌酸锂(LN)和钽酸锂(LT)的至少一者。此外，作为导电图案层30的导电性材料，优选使用Au等金属材料。
另外，在非专利文献1中记载的结构中，使用EO聚合物层作为光调制器的调制层。在这样的结构中，如上所述，在比波长1300nm短的波长，基于EO聚合物的光吸收大。此外，在该文献的结构中，EO聚合物的调制层与上部Au层一起以栅格状的图案形成。在这样的结构中，在施加电压时，容易通过图案侧面发生短路。
此外，在非专利文献2中记载的结构中，虽然是使用铌酸锂的结构，但是上部Au层以同心圆状、宽度不固定的图案形成，成为作为菲涅尔透镜发挥作用的结构。
此外，在非专利文献3中记载有利用MIM结构的光的吸收体。但是，在该文献中，对在MIM结构中使用非线性光学晶体的结构、对调制层的电压施加引起的作为光调制器的动作等未予记载，此外，对基于后述的式(2)的调制动作等也未记载。
与此相对，上述实施方式的光调制器1A在金属反射层20上形成由非线性光学晶体构成的调制层25和导电图案层30，并且以包含在x轴方向上周期性地排列、沿y轴方向分别延伸的多个图案部31的栅格状的图案形成导电图案层30，由此适当地实现通过对反射层20与导电图案层30之间施加电压进行的对于对象光L1的反射率控制和由此实现的强度调制。
对上述实施方式的光调制器1A的製造方法的一个例子，进行简单说明。首先，准备具有作为基体层10的SiO2层和作为反射层20的Au层，并进一步在其上具有作为调制层25的、被Z-cut(Z-切)后的LN晶体薄膜层的LNOI基板，利用普通的有机清洁清洁LNOI基板。此处，例如在丙酮、IPA或乙醇中进行LNOI基板的超声波清洁。接着，使用溅射装置，在LNOI基板的LN层上形成约100nm的厚度的Cr层。
接着，在Cr层上，将光刻胶(例如，AZ5200NJ)例如按4000rpm、30sec进行旋涂，光刻，由此形成抗蚀剂图案。接着，以抗蚀剂图案为保护膜进行Cr层的干蚀刻，由此形成Cr掩模图案。进一步，继续对LN层进行干蚀刻，使要成为电极部的Au反射层的一部分露出，之后，通过O2灰化将剩余的抗蚀剂除去，将Cr通过湿蚀刻除去。在Cr的蚀刻中，能够使用Ar、O2和Cl2。在LN层的蚀刻中，能够使用Ar、Cl2和BCl3。
然后，使用溅射装置，在LNOI基板的LN层上，形成成为导电图案层30的约100nm的厚度的Au层。接着，作为前处理，以提高Au层与抗蚀剂的润湿性和密合性为目，涂敷表面活性剂(例如，东京应化OAP)，例如按3000rpm、30sec进行旋涂，之后在120℃进行1分钟的烘烤。
接着，在Au层上涂敷EB抗蚀剂(例如，ZEP520A)，通过旋涂成为约200nm的厚度。之后，使用电子束描绘装置进行描绘，显影，由此形成亚波长结构的抗蚀剂图案。接着，以抗蚀剂图案为保护膜进行Au层的干蚀刻，由此形成Au层的亚波长结构。作为干蚀刻用的气体，例如能够使用Ar。然后，将在蚀刻Au层时作为掩模使用的EB抗蚀剂通过O2灰化除去。然后，通过对Au层的引线接合等，进行与安装件的电连接。
关于上述实施方式的光调制器1A的动作原理和调制特性，参照图3和图7更具体地说明。
如上述关于图3说明的那样，对具有MIM结构的光调制器1A，使TM偏振光作为对象光L1垂直入射。此时，由于入射场的振荡电场，在导电图案层30的图案部31中和反射层20中，感应产生向反方向振荡的电流对(箭头A1)，这些电流在调制层25的内部感应产生磁场。进一步，在图案部31与反射层20之间，调制层25中，形成偶极子电共振(箭头A2)。由此，在调制层25的内部，能够形成大的电场。
此外，由于在图案部31与反射层20之间形成的2个偶极子的干涉成为π移位，从光调制器1A作为调制光L2出射的反射光在远处被完全取消。因此，通过这些局域化的电气和磁气偶极子共振，产生上述的光的强吸收。
另一方面，由入射光的电场感应产生的金属中的自由电子，在金属与绝缘体的界面形成等离子体激元。与该等离子体激元耦合的入射光如在图7示意地表示的那样，从导电图案层30的栅格结构的向横方向去的周期性产生向x轴方向去的波数β，在满足下述的式(2)时，光被牢固地困入调制层25内。
Figure BDA0003804964550000121
此处，β如上所述是x轴方向的波数，s是导电图案层30中的图案宽度，
Figure BDA0003804964550000122
是周期结构的边界面的相位变化，m是正的偶数。
另外，关于式(2)中的相位变化
Figure BDA0003804964550000123
在上述的结构中，在调制层25内不存在实质上的境界面，但是如在图7中以虚线表示的那样，在其上部，有导电图案层30的图案部31的部分和没有该图案部31的部分实际折射率不同，因此在其边界面产生折射率差引起的反射。
在上述的式(2)中，波数β是在被作为金属层的反射层20和导电图案层30夹着的调制层25内沿x轴方向传输的波数，能够使用有限差分本征模式(FDE：Finite DifferenceEigenmode)法决定。图8是表示在调制层25沿x轴方向传输的波数β的波长依赖性的图表。在图8的图表中，横轴表示光的波长(μm)，纵轴表示波数β(1/m)。
由上述的结果可知，TM0模式的光在基于反射层20、调制层25和导电图案层30的MIM结构中传输。另外，在MIM结构中，TM1、TM2那样的高阶的模式也能够传输，不过被困入调制层25的光的电场强度是TM0模式高。因此，在本实施方式的光调制器1A中，使用TM0模式。此外，在光调制器1A中，在上述的式(2)中使用m＝2。将此时在MIM结构中传输的模式记作TM02模式。
图9和图4一样，是表示使导电图案层30的栅格状图案的排列周期Λ变化时的反射光谱的变化的图。在图9中，将上述的式(2)中作为m＝2获得的直线D与对象光L1的强度调制中使用的凹陷区域C(参照图4)合起来进行表示，可知该直线D与凹陷区域C非常一致。因此，通过在强度调制中使用该区域C，能够实现能够高效率地进行调制动作的光调制器1A。
对上述实施方式的光调制器1A中的由非线性光学晶体构成的调制层25的厚度进行说明。调制层25的厚度tg例如能够根据基于严格耦合波分析(RCWA：Rigorous CoupledWave Analysis)法或有限差分时域(FDTD：Finite Difference Time Domain)法的反射光谱分析和调制层25的电场强度分析结果决定。
图10A和图10B是表示令LN调制层25的厚度为tg＝500nm时的光调制器1A的特性的图。图10A是表示光的反射率的波长依赖性的图表。在图10A的图表中，横轴表示对象光的波长(μm)，纵轴表示反射率。在该反射光谱中，反射率的凹陷的峰位置为波长λ＝1548nm。另外，图10A的图表中的峰位置与图5的图表中的峰位置略有不同，这是由具体的计算方法和计算上使用的光学参数的差异等引起的。
图10B表示光调制器中的xz截面(参照图3)的电场强度分布。在图10B的分布图中，横轴表示x(μm)，纵轴表示z(μm)。此外，图中的白线是从z的正向侧表示基体层10、反射层20、LN调制层25和导电图案层30的各层的边界。在该结构例中，LN调制层25内的电场强度大，反射光谱的Q值(将反射光谱的衰减峰波长除以半峰宽得到的值)也高，可知得到了良好的特性。
图11A和图11B是表示令LN调制层25的厚度为tg＝50nm时(A)光的反射率的波长依赖性和(B)光调制器中的电场强度分布的图。在图11A的反射光谱中，峰位置为波长λ＝1479nm。图12A和图12B是表示令LN调制层25的厚度为tg＝1500nm时(A)光的反射率的波长依赖性和(B)光调制器中的电场强度分布的图。在图12A的反射光谱中，峰位置为波长λ＝1555nm。
根据这些结果，对于调制层25的厚度，例如优选在50nm～1500nm的范围内设定。此外，当按对象光L1的波长λ规定时，优选调制层25的厚度在0.03λ～1λ的范围内设定。
另外，在调制层25的厚度为50nm那么薄的情况下，如图11A和图11B所示，调制层25内的电场变强，而反射光谱的Q值变小，因此不能增大施加调制电压时的光的消光比。另一方面，在调制层25的厚度为1500nm那么厚的情况下，如图12A和图12B所示，反射光谱的凹陷的反射率的衰减量小，调制层25内的电场也不强。此外，当调制层25的厚度变大时，需要高的调制电压的施加。对于调制层25的厚度，优选考虑这些特性等而设定。
此外，光调制器1A的特性还根据导电图案层30中的图案宽度s与排列周期Λ之比(占空比)变化。在上述的结构中，占空比为0.20以下那么小的情况下，或者为0.90以上那么大的情况下，反射光谱的凹陷的反射率的衰减没有或很小。因此，在这种情况下，优选在0.20～0.90的范围内设定占空比。
对上述实施方式的光调制器1A的调制速度进行说明。此处，使用等价电路模型计算RC时间常数，估计3dB带宽。
图13是表示用于求取调制速度的光调制器1A的等价电路的立体图。此处，在光调制器1A中，表示包含导电图案层30的多个图案部31的部分，以虚线图示等价电路。此外，令导电图案层30的栅格状的图案部31的长度(图案尺寸)为L。该长度L对应于图1所示的调制区域的y轴方向的宽度ly。
在图13所示的等价电路中，使用平行平板模型，电阻值R和电容C通过下述的式(3)、式(4)求取。
Figure BDA0003804964550000151
Figure BDA0003804964550000152
此处，σAu是Au的导电率4.2×107(S/m)，n是Au栅格的个数，ε0是真空中的介电常数8.85×10-12(F/m)，ε33是铌酸锂的晶轴方向的相对介电常数，为27.9。
此外，3dB带宽f3dB，使用上述的电阻值R和电容C，通过下述的式(5)求取。
Figure BDA0003804964550000153
图14是表示使用上述的式求取的、光调制器1A的3dB带宽的图案尺寸依赖性的图表。在图14的图表中，横轴表示图案尺寸L(μm)，纵轴表示3dB带宽(GHz)。在上述结构的光调制器1A中，令图案尺寸为L＝300μm时，3dB带宽成为f3dB＝7.52GHz。
对使用了上述结构的光调制器1A的光调制器阵列的结构进行说明。光调制器阵列能够使用多个作为单位调制单元的光调制器1A，将多个光调制器1A呈1维或2维阵列状排列而构成。具体而言，例如令M为1以上的整数，N为2以上的整数，将多个光调制器(多个调制单元)M行N列地呈1维或2维阵列状排列，由此构成光调制器阵列。根据这样的结构，能够将上述的光调制器1A为调制像素，适当地实现利用1维或2维的调制图案进行的对象光的相位调制。
图15是表示使用了图1所示的光调制器1A的1维光调制器阵列的结构的俯视图。本结构例中的光调制器阵列3A通过将具有图1、图2A、图2B所示的结构，分别包括基体层10、反射层20、调制层25和导电图案层30的光调制器1A作为N个调制单元P1～PN使用，以x轴方向为排列方向，呈1维阵列状排列而构成。
另外，在本结构例中，设置在基体层10与调制层25之间的反射层20的电极部21，如图15中所示那样，相对于全部N个调制单元P1～PN作为共同的电极部21形成。此外，基体层10，既可以在N个调制单元P1～PN个别地设置，或者，也可以一体地设置。
图16是表示使用了图1所示的光调制器1A的2维光调制器阵列的结构的俯视图。本结构例中的光调制器阵列3B通过将具有图1、图2A、图2B所示的结构，分别包括基体层10、反射层20、调制层25和导电图案层30的光调制器1A作为4×6个调制单元P1，1～P4，6使用，以x轴方向和y轴方向为排列方向，呈2维阵列状排列而构成。另外，在图16中，省略了导电图案层中的多个图案部31的具体的结构的图示。
在本结构例的光调制器阵列3B中，对第1行的调制单元P1，1～P1，6，对各列的调制单元的电极图案部33连接有个别的调制信号线(电压施加线)W11～W13、W14～W16。此外，对第2行的调制单元P2，1～P2，6，分别连接有个别的调制信号线W21～W23、W24～W26。此外，对第3行的调制单元P3，1～P3，6，分别连接有个别的调制信号线W31～W33、W34～W36。此外，对第4行的调制单元P4，1～P4，6，分别连接有个别的调制信号线W41～W43、W44～W46。
另外，在本结构例中，设置在基体层10与调制层25之间的反射层20的电极部21，与图15所示的结构一样，作为对于全部4×6个调制单元P1，1～P4，6的共同的电极部21形成。此外，基体层10，既可以在4×6个调制单元P1，1～P4，6个别地设置，或者，也可以一体地设置。
此外，在图15、图16所示那样将多个光调制器1A呈阵列状排列的光调制器阵列中，光调制器1A为垂直入射型，由此能够适当地实现与光纤阵列的连接。图17是概略地表示2维光调制器阵列与光纤阵列的连接结构的立体图。此处，图示图16所示的多个光调制器1A呈2维阵列状排列的光调制器阵列3B与多个光纤61呈2维阵列状排列的光纤阵列60的连接结构。在本结构中，光调制器阵列3B的光调制器1A与光纤阵列60的光纤61，1对1对应地连接。
具有上述结构的垂直入射型的光调制器1A能够如上述那样实现调制单元的小型化、高集成化，例如能够适当地应用于空间多路光通信、高速光无线通信等。此外，例如为了应对Beyond 5G中的通信数据传输容量的增大，还能够作为能够搭载于高速大容量的光收发器的超高速、小型的光调制器来应用。在Beyond 5G技术中，要求每个通道1GHz以上的调制速度。
光调制器和光调制器阵列并不限定于上述实施方式和结构例，而能够进行各种各样的变形。例如，关于导电图案层30的图案，在上述实施方式中，示出了包含多个图案部31、连接图案部32和电极图案部33的结构，而其并不限定于这样的结构，具体而言也可以使用各种各样的图案。
上述实施方式的光调制器包括：(1)基体层；(2)由对作为调制对象的对象光具有反射性的金属材料构成，在基体层的上表面上形成的反射层；(3)由对对象光具有透射性的非线性光学晶体构成，在反射层的上表面上以规定的厚度形成的调制层；和(4)由导电性材料构成，包含在与各层的叠层方向正交的第1方向上周期性地排列并且沿与叠层方向和第1方向正交的第2方向分别延伸的多个图案部，在调制层的上表面上形成的导电图案层，(5)调制层以通过借由在反射层与导电图案层之间的电压的施加使折射率变化而使对于对象光的反射率变化的方式构成，将经导电图案层从调制层的上表面入射，通过调制层、在反射层反射后的对象光，作为通过反射率的变化调制了强度的调制光，从调制层的上表面向外部出射。
在上述的光调制器中，导电图案层中的多个图案部的排列周期也可以设定为小于对象光的波长的值。通过这样在调制层上排列的导电图案层的多个图案部使用其排列周期设定得比对象波长小的亚波长结构(超颖表面结构)，能够适当地实现对象光的强度调制。
在上述的光调制器中，导电图案层中的多个图案部的图案宽度也可以设定为定值。通过这样将调制层上排列的导电图案层的多个图案部呈图案宽度固定的栅格状图案形成，也能够适当地实现对象光的强度调制。
在上述的光调制器中，反射层的厚度和导电图案层的厚度也可以分别设定为趋肤深度(skin depth)以上。根据这样的结构，能够适当地实现利用金属反射层、调制层和导电图案层的对象光的反射率控制和强度调制。
关于构成上述的光调制器的各层的材料，调制层的非线性光学晶体也可以含有铌酸锂和钽酸锂的至少一者。此外，导电图案层的导电性材料也可以为金属材料。
上述实施方式的光调制器阵列包括多个上述结构的光调制器，多个光调制器呈1维或2维阵列状排列。此外，光调制器阵列也可以具体而言例如令M为1以上的整数，令N为2以上的整数，多个光调制器M行N列地呈1维或2维阵列状排列。根据这样的结构，能够将上述结构的光调制器作为调制单元(调制像素)，适当地实现利用1维或2维的调制图案的对象光的强度调制。
本发明能够作为能够高速地进行调制对象光的强度的调制并且在宽的波长区域使其适当地动作的光调制器和光调制器阵列加以利用。

Claims (7)

1.一种光调制器，其特征在于，包括：
基体层；
由对作为调制对象的对象光具有反射性的金属材料构成，且在所述基体层的上表面上形成的反射层；
由对所述对象光具有透射性的非线性光学晶体构成，且在所述反射层的上表面上以规定的厚度形成的调制层；和
由导电性材料构成，包含在与各层的叠层方向正交的第1方向上周期性地排列并且沿与所述叠层方向和所述第1方向正交的第2方向分别延伸的多个图案部，且在所述调制层的上表面上形成的导电图案层，
所述调制层以通过借由在所述反射层与所述导电图案层之间的电压的施加使折射率变化而使对于所述对象光的反射率变化的方式构成，
将经所述导电图案层从所述调制层的所述上表面入射，通过所述调制层并在所述反射层反射后的所述对象光，作为通过反射率的变化调制了强度的调制光，从所述调制层的所述上表面向外部出射。
2.如权利要求1所述的光调制器，其特征在于：
所述导电图案层中的所述多个图案部的排列周期设定为小于所述对象光的波长。
3.如权利要求1或2所述的光调制器，其特征在于：
所述导电图案层中的所述多个图案部的图案幅宽度设定为定值。
4.如权利要求1～3中任一项所述的光调制器，其特征在于：
所述反射层的厚度和所述导电图案层的厚度分别设定为趋肤深度以上。
5.如权利要求1～4中任一项所述的光调制器，其特征在于：
所述调制层的所述非线性光学晶体含有铌酸锂和钽酸锂的至少一者。
6.如权利要求1～5中任一项所述的光调制器，其特征在于：
所述导电图案层的所述导电性材料为金属材料。
7.一种光调制器阵列，其特征在于：
包括多个权利要求1～6中的任一项所述的光调制器，
所述多个光调制器呈1维或2维阵列状排列。
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