JP2006258939A - 光変調装置、光変調システム、および光変調装置の校正方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 共振器長がばらついても、安定な共振波長の得られる光変調装置を提供する。
【解決手段】 光変調装置において、共振器１６は、印可する電圧に応じて屈折率が変化する光変調膜３４が反射層に挟設されるファブリーペロー型の共振器構造を有する共振器
である。制御部１２は、共振器１６に制御電圧を印加することにより、共振器１６に入射した光を変調して出射せしめる。バイアス部１４は、共振器１６の共振波長を調整するためのバイアス電圧を、共振器１６に印加する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、共振器構造を有する光変調装置に関する。

近年、大容量の記録方式として、ホログラムの原理を利用したデジタル情報記録システムが知られている（たとえば特許文献１）。

ホログラム記録装置の空間光変調器の材料としては、たとえばチタン酸ジルコン酸ランタン鉛（以下、ＰＬＺＴという）等の電気光学効果を有するものを用いることができる。ＰＬＺＴは、（Ｐｂ_1-yＬａ_y）（Ｚｒ_1-xＴｉ_x）Ｏ₃の組成を有する透明セラミックスである。電気光学効果とは、物質に電界を印加するとその物質に分極が生じ屈折率が変化する現象をいう。電気光学効果を利用すると、印加電圧をオン、オフすることにより光の位相を切り替えることができる。そのため、電気光学効果を有する光変調材料を空間光変調器等の光シャッターに適用することができる。

こうした光シャッター等の素子への適用においては、従来、バルクのＰＬＺＴが広く利用されてきた（特許文献２）。しかし、バルクＰＬＺＴを用いた光シャッターは、微細化、集積化の要請や、動作電圧の低減や低コスト化の要請に応えることは困難である。また、バルク法は、原料となる金属酸化物を混合した後、１０００℃以上の高温で処理する工程を含むため、素子形成プロセスに適用した場合、材料の選択や素子構造等に多くの制約が加わることとなる。

こうしたことから、バルクＰＬＺＴに代え、基材上に形成した薄膜のＰＬＺＴを光制御素子へ応用する試みが検討されている。特許文献３には、ガラス等の透明基板上にＰＬＺＴ膜を形成し、その上に櫛形電極を設けた表示装置が記載されている。この表示装置は、ＰＬＺＴ膜が形成された表示基板の両面に偏光板が設けられた構成を有する。ここで、各画素の電極端子部が外部の駆動回路と接続されることにより、所望の画素が駆動され、表示基板の一面側に設けられた光源からの透過光により所望の表示をすることができるようになっている。
特開２００２−２９７００８号公報 特開平５−２５７１０３号公報 特開平７−１４６６５７号公報

本発明者は、薄膜のＰＬＺＴを光制御素子へ応用する例として、ＰＬＺＴ膜を光変調膜とし、この光変調膜の両面に反射層を設けたファブリーペロー型の共振器構造を有する光変調装置について検討を行った。この光変調装置は、光変調膜と、それを挟むようにして設けられた２枚の反射層を備え、光変調膜に印加する電界によりその屈折率を変化させ、光変調装置の共振波長をシフトさせることにより光を制御するものである。

ファブリーペロー型共振器において、その共振波長λｍは、
λｍ＝（２ｎｔｃｏｓθ）／ｍ …（式１）
で与えられる。ここで、ｍは次数、ｎは共振器内部の屈折率、ｔは共振器長、θは共振器内部のレーザ光の入射角を表す。ここでは、光変調膜の膜厚が共振器長ｔに相当する。

共振波長λｍは、共振器長ｔに比例するため、光変調膜の膜厚がばらつくと、共振波長がばらついてしまうことになる。すなわち、共振波長λｍの再現性を得るには、光変調膜の膜厚ｔについては非常に高い精度が要求される。

ここで、光変調膜の厚み方向に電界を印加する場合、十分な電界を得るためには電圧との関係からその膜厚を１μｍ程度まで薄くする必要がある。しかしながら、このような薄いＰＬＺＴ膜の膜厚を１％程度の高い精度で形成することは困難である。

本発明はこうした状況に鑑みなされたものであり、その目的は共振器長がばらついても、安定な共振波長の得られる光変調装置の提供にある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の光変調装置は、印可する電圧に応じて屈折率が変化する光変調膜が反射層に挟設されたファブリーペロー型の共振器構造を有する共振器と、共振器に制御電圧を印加することにより、共振器に入射した光を変調して出射せしめる制御部と、共振器の共振波長を調整するためのバイアス電圧を、共振器に印加するバイアス部と、を備える。

この態様によると、バイアス電圧を変化させることにより、共振器の共振波長をシフトさせることができるため、共振波長を調整することができる。

光変調装置は、少なくとも共振器と制御部を複数組備えてもよい。たとえば、共振器をマトリクス状に配置することによって、空間光変調装置を構成することができる。

光変調膜は、印可した電界の２乗に比例して屈折率が変化する電気光学材料であってもよい。電気光学材料は、チタン酸ジルコン酸鉛またはチタン酸ジルコン酸ランタン鉛であってもよい。

光変調膜は、印可した電界に比例して屈折率が変化する電気光学材料であり、バイアス部は、正負いずれかのバイアス電圧を生成してもよい。電気光学材料は、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸ストロンチウムバリウムのいずれかであってもよい。

共振器は、基板と、前記基板上に設けられた第１の反射層と、前記第１の反射層上に設けられ印可した電界により屈折率が制御可能な光変調膜と、前記光変調膜上に設けられた第２の反射層と、前記光変調膜に電界を印可する電極対と、を備えてもよい。

光変調装置は、バイアス部で生成されるバイアス電圧を調整する調整回路をさらに備えてもよい。この場合、バイアス電圧を調整することによって、共振器の共振波長を好適な値に調整することができる。

光変調装置は、半導体集積回路装置として１チップ化されていてもよい。また、バイアス電圧を調整するよう指示する信号を入力するための端子を備えてもよい。この場合、光変調装置を小型化することができ、光検出素子を用いてバイアス電圧のフィードバック制御を行うことができる。

本発明の別の態様は、光変調装置の校正方法である。この方法は、印可する電圧に応じて屈折率が変化する光変調膜が反射層に挟設されたファブリーペロー型の共振器構造を有する共振器と、共振器に制御電圧を印加することにより、共振器に入射した光を変調して出射せしめる制御部と、共振器の共振波長を調整するためのバイアス電圧を、共振器に印加するバイアス部と、を備える光変調装置の校正方法であって、共振器に電圧を印加しない状態で共振器から出射される光の強度を測定し、この光の強度に応じてバイアス電圧を設定する。

この態様によると、共振器の共振波長がばらついていた場合であっても、共振波長を高精度に校正することができる。

本発明のさらに別の態様は、光変調システムである。この光変調システムは、光変調装置と、当該光変調装置に光を照射する発光部と、当該光変調装置から出射される光を受ける受光部と、を備える。この態様によると、たとえばホログラム記録装置や表示装置を実現することができる。

本発明に係る光変調装置によれば、共振器長がばらついても、安定な共振波長を得ることができる。

本実施の形態に係る光変調装置の概要を説明する。この光変調装置は、外部からの電圧印加によって反射率が変化する光変調装置である。この光変調装置は、ファブリーペロー型の共振器構造を有し、電界の印可に応じて屈折率の変化する光変調膜と、この光変調膜を挟むようにして形成される２層の反射層を備える。光変調装置にレーザ光を入射した状態で、制御信号を与えると、光変調装置の反射率を変化させることができ、反射されるレーザ光の強度を制御することができる。光変調装置により反射されたレーザ光は、反射率に比例した強度を有するため、この反射光を記録媒体あるいは光検出素子等により記録、検出することによりさまざまなアプリケーションに利用することができる。

図１は、本実施の形態に係る光変調装置の構成を示す図である。光変調装置１０は、制御部１２と、バイアス部１４と、共振器１６とを備える。図１に示す共振器１６は、共振器１６の断面図である。共振器１６は、基板３０、第１反射層３２、光変調膜３４、透明電極３６、第２反射層４０を含む。

共振器１６は、基板３０上に形成される。この基板３０の材料としては、表面が平坦なガラス、シリコンなどを好適に用いることができる。たとえばシリコンからなる基板３０であれば、基板上にスイッチング素子を設け、その上に共振器１６を形成してもよい。

基板３０上には、第１反射層３２が形成される。第１反射層３２の材料としては、たとえばＰｔなどの金属材料を好適に用いることができる。第１反射層３２の厚みは、２００ｎｍ程度とする。本実施の形態において、第１反射層３２はＰｔで形成され、この第１反射層３２は、後述するように光変調膜３４に電界を印加する電極としても機能する。第１反射層３２をＰｔで形成した場合、第１反射層３２の反射率は５０％から８０％程度となる。

第１反射層３２の上面には光変調膜３４が設けられる。この光変調膜３４の材料としては、印加した電界に応じて屈折率が変化する固体の電気光学材料を選択する。このような電気光学材料としては、ＰＬＺＴ、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）、ＬｉＮｂＯ_３、ＧａＡ−ＭＱＷ、ＳＢＮ（（Ｓｒ，Ｂａ）Ｎｂ_２Ｏ_６）等を用いることができるが、特にＰＬＺＴが好適に用いられる。光変調膜３４の膜厚ｔは、入射光の入射角および波長に応じて決定され、たとえば入射光を６５０ｎｍ付近の赤色光とした場合、５００ｎｍから１５００ｎｍの範囲で形成するのが望ましい。後述のように、光変調膜３４に印加される電界は、厚み方向に印加されるため、膜厚が１５００ｎｍ以上であると、十分な屈折率変化を得るための電界を印加することが困難となる。また、膜厚が５００ｎｍ以下であると、十分な光学膜厚変化Δｎｔが得られない。

光変調膜３４の上面には、透明電極３６が設けられる。透明電極３６は、たとえば、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）、ＺｎＯ、ＩｒＯ_２などにより形成することができる。透明電極３６をＩＴＯやＺｎＯで形成した場合、その厚みは１００ｎｍ〜１５０ｎｍ程度とする。ＩｒＯ_２で形成する場合には、膜厚をより薄く、たとえば５０ｎｍ程度とすることが望ましい。この透明電極３６は、抵抗値と透過率がトレードオフの関係となるため、その厚みは実験的に定めてもよい。

透明電極３６の上面には、第２反射層４０が形成される。この第２反射層４０は、誘電体多層膜によって形成され、屈折率の異なる第１誘電体膜４２、第２誘電体膜４４が交互に積層される。第１誘電体膜４２、第２誘電体膜４４の材料の組み合わせとしては、ＳｉＯ_２（ｎ＝１．４８）、Ｓｉ_３Ｎ_４（ｎ＝２．０）を用いることができる。

誘電体多層膜をシリコン酸化膜およびシリコン窒化膜で形成する場合、シリコン半導体集積回路の製造プロセスおよび製造装置をそのまま使用することができる。

誘電体多層膜は、プラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により形成することができる。ＳｉＯ_２膜は、ＴＥＯＳ、Ｏ_２雰囲気中で温度２００℃の条件で成長させ、Ｓｉ_３Ｎ_４膜は、ＳｉＨ_４、ＮＨ_３雰囲気中で温度２００℃の条件で好適に成長させることができる。また、誘電体多層膜は、イオンビームスパッタ法により形成してもよい。

第１誘電体膜４２、第２誘電体膜４４のそれぞれの膜厚ｔ１、ｔ２は、共振器１６に入射する光の波長の１／４となるように設計する。すなわち、共振器１６に入射する光の波長をλ、誘電体膜の屈折率をｎとすると、各誘電体膜１層分の膜厚ｔは、ｔ＝λ／（ｎ×４）となるように調節する。

たとえば、光変調装置１０に波長λ＝６３３ｎｍの赤色のレーザ光が用いられる場合には、第１誘電体膜４２の膜厚ｔ１は、その材料としてＳｉＯ_２（ｎ＝１．４８）とした場合、ｔ１＝６３３／（４×１．４８）＝１０６ｎｍ程度とする。また、第２誘電体膜４４の膜厚ｔ２は、材料としてＳｉ_３Ｎ_４（ｎ＝２．０）を用いた場合、ｔ２＝６３３／（４×２）＝７９ｎｍ程度とする。第２反射層４０を構成する誘電体膜の膜厚ｔ１、ｔ２は、必ずしも厳密にλ／４に設計されている必要はない。

誘電体膜の材料としてはシリコン窒化膜に替えて、ＴｉＯ_３（ｎ＝２．２）を用いてもよい。この場合、第２誘電体膜４４の膜厚ｔ２は、ｔ２＝６３３／（４×２．２）＝７２ｎｍ程度とする。

図１において、光変調膜３４から第２反射層４０に入射する光の反射率Ｒ２は、光変調膜３４から第１反射層３２に入射する光の反射率Ｒ１と等しくなるように設計する。反射率Ｒ１は、第１反射層３２に用いる金属材料によって定まり、Ｐｔを選択する場合、５０〜８０％となる。

従ってこのとき、反射率Ｒ２も５０〜８０％となるように設計する。第２反射層４０の反射率Ｒ２は、第１誘電体膜４２、第２誘電体膜４４の材料および膜厚によって調節することができる。本実施の形態においては、図１に示すように、第２反射層４０は、第１誘電体膜４２および第２誘電体膜４４をそれぞれ３層づつ交互に積層している。第２反射層４０において、第１誘電体膜４２、第２誘電体膜４４を積層する順番は逆であってもよい。また、反射率Ｒ２を微調節するために、第３の誘電体膜をさらに積層してもよい。

第２反射層４０は、金属薄膜で形成されるハーフミラーとしてもよい。この場合、誘電体多層膜を形成する場合に比べて製造工程を簡易化することができる。

本実施の形態においては、透明電極３６と第１反射層３２とが電極対を形成する。図１に示すように、透明電極３６は制御部１２に接続され、制御電圧が印可される。

制御部１２は、光変調装置１０に入射した光を変調して出射せしめる制御電圧Ｖｃｎｔを生成し、出力する機能を有する。制御電圧Ｖｃｎｔは、ハイレベルＶＨまたはローレベルＶＬの２値をとる信号である。

バイアス部１４は、共振器１６の共振波長を調整するためのバイアス電圧Ｖｂを生成し、出力する。制御電圧Ｖｃｎｔは、バイアス部１４によってバイアス電圧Ｖｂが重畳され、透明電極３６に印可される。バイアス部１４の構成およびバイアス電圧Ｖｂの設定方法については後述する。第１反射層３２は、たとえば接地電位とされる。

以上のように構成された光変調装置１０の動作について説明する。図２は、光変調装置１０の動作状態を模式的に示す。同図において、図１と同一の構成要素には同一の符号を付している。また、簡略化のため、透明電極３６などの構成要素は省略している。

共振器１６の上方から、強度Ｉｉｎのレーザ光が入射される。共振器１６の第１反射層３２、光変調膜３４、第２反射層４０は、ファブリーペロー型の共振器を構成し、入射された光の一部が閉じこめられ、その一部が反射される。入射するレーザ光の強度をＩｉｎとし、共振器１６によって反射されるレーザ光の強度をＩｏｕｔとするとき、共振器１６の反射率Ｒは、Ｒ＝Ｉｏｕｔ／Ｉｉｎで定義される。

図３は、共振器１６に入射する光の波長λと反射率Ｒの関係を示す図である。第１反射層３２、光変調膜３４、第２反射層４０により構成されるファブリーペロー型の共振器は、式１で表される共振波長λｍを有する。ここで、ｎは光変調膜３４の屈折率、ｔは光変調膜３４の膜厚、θは、光変調膜３４におけるレーザ光の入射角である。図３に示すように、共振器１６の反射率Ｒは、共振波長λｍにおいて最小値をとる。なお、入射角がゼロとなるように、θ＝０°としてもよい。

上述のように、光変調膜３４の屈折率ｎは、電極対に印加される電界Ｅに依存する。光変調膜３４としてＰＬＺＴを用いた場合、光変調膜３４の屈折率ｎの変化量Δｎと、印加される電界Ｅとの間には、
Δｎ＝１／２×（ｎ）^３×Ｒ×Ｅ^２ …（式２）
の関係が成り立つ。ここでＲは電気光学定数（カー定数）である。

図３に示す（Ｉ）は、共振器１６に電圧を印可しない場合の反射特性である。このとき、共振器１６の共振波長はλｍ１である。共振器１６に電圧を印可すると、光変調膜３４の屈折率が変化し、共振波長がλｍ１からλｍ２にシフトする。λｍ２はλｍ１より大きい値である。このときの反射特性を図３に（ＩＩ）で示す。

いま、共振器１６に入射するレーザ光の波長が、共振波長と等しいλｍ１であった場合、共振器１６に電圧を印可すると、共振波長がλｍ１からλｍ２にシフトすることにより、共振器１６の反射率ＲはＲｍ１からＲｍ２に変化する。

ここで、電圧を印加しない場合の反射率Ｒｏｆｆと、電圧を印加した場合の反射率Ｒｏｎの比Ｒｏｎ／Ｒｏｆｆをオンオフ比と定義する。入射光の強度Ｉｉｎが一定のとき、反射光の強度Ｉｏｕｔは、反射率に比例する。したがって、オンオフ比が大きい方が反射光の強度Ｉｏｕｔをより精度良く制御できることになる。

電圧を印可しない場合の共振器１６の共振波長λｍ１と、レーザ光の波長が等しい場合にＲｏｆｆが最小となるので、オンオフ比を高くとることができる。よって、共振器１６は、電圧を印可しない場合の共振波長λｍが、入射するレーザ光の波長と等しくなるように形成されることが好ましい。

しかし、共振器１６の共振波長λｍは、上述したように、式１で与えられるため、光変調膜３４の膜厚ｔに比例する。共振波長λｍは、膜厚ｔに比例するので、膜厚ｔが１％ばらつくと共振波長λｍも１％ばらつくことになる。また、光変調膜３４の屈折率ｎもばらつく場合があり、その結果として共振波長λｍがばらつくことも考えられる。共振波長λｍのばらつきの結果として、オンオフ比が低下してしまう。

上述したように、共振波長λｍは、共振器１６に電圧を印可することによって変化させることができる。よって、共振器１６の共振波長λｍのばらつきを校正するためには、制御電圧ＶｃｎｔがローレベルＶＬのときの共振波長λｍがレーザ光の波長と等しくなるように、共振器１６に印可する電圧を調整すればよい。

そこで、本実施の形態に係る光変調装置１０においては、制御部１２とは別にバイアス部１４を設け、制御電圧Ｖｃｎｔにバイアス電圧Ｖｂを重畳することによって、共振波長λｍの校正を行う。以下において、バイアス部１４の構成およびバイアス電圧Ｖｂの設定方法について説明する。

図４は、バイアス電圧Ｖｂを調整可能な光変調装置１０の構成を示す図である。同図において、図１と同一の構成要素には同一の符号を付している。また、簡略化のため、第２反射層４０などの構成要素は省略している。

図４に示すバイアス部１４は、バイアス電圧Ｖｂを生成する定電圧回路である。バイアス部１４は、可変抵抗４５と、抵抗４６と、定電圧ダイオード４８と、オペアンプ４９と、トランジスタ５０とを備える。

バイアス部１４に電源電圧を供給すると、バイアス部１４の出力端子５２には、バイアス電圧Ｖｂ＝Ｖｚ（１＋Ｒ１／Ｒ２）が出力される。Ｒ１は可変抵抗４５の抵抗値、Ｒ２は抵抗４６の抵抗値、Ｖｚは定電圧ダイオード４８のツェナー電圧である。バイアス電圧Ｖｂは、電源電圧の値によらない定電圧であり、可変抵抗４５の抵抗値を変化させることによって調整可能である。

制御電圧Ｖｃｎｔに重畳する好適なバイアス電圧Ｖｂの値は、光変調膜３４の膜厚ｔを測定することにより求めることができる。ファブリーペロー型共振器の共振波長λｍは、式１で与えられる。よって、光変調膜３４の膜厚ｔが分かれば共振器の共振波長λｍは求めることができる。共振波長λｍと共振波長の目標値との差Δλから、共振波長λｍを目標値にシフトするのに必要な光変調膜３４の変化量Δｎが求まる。光変調膜３４の屈折率ｎの変化量Δｎと、印加される電界Ｅとの間には、式２の関係が成り立つので、共振波長λｍを目標値にシフトさせるのに必要な電界Ｅを求めることができる。電界と電圧は、Ｅ＝Ｖ／ｔの関係があるので、共振器１６に印可する好適なバイアス電圧Ｖｂの値を求めることができる。

このように、本実施の形態に係る光変調装置１０によれば、共振器１６の光変調膜３４の膜厚ｔがばらついていた場合でも、バイアス部１４の可変抵抗４５を調整することにより、制御電圧Ｖｃｎｔに好適なバイアス電圧Ｖｂを重畳することができ、共振波長λｍを校正することができる。

従来においては、光変調膜３４をＰＬＺＴなどで形成する場合において、その膜厚ｔや屈折率ｎを安定に製造するためには、高価な製造装置が必要となるためコスト高になるという問題があったが、上述のように光変調装置１０にバイアス電圧調整手段を設けることにより、簡易に共振波長λｍを校正することができ、光変調装置１０の歩留まりを向上することができる。

上述したように、共振器１６に電圧を印可した場合、共振器１６の共振波長λｍは、大きくなる方向にシフトする。また、ファブリーペロー型共振器において、共振波長λｍは、式１で与えられるので、膜厚ｔが厚くなると共振波長λｍは大きくなり、膜厚ｔが薄くなると共振波長λｍは小さくなる。したがって、本実施の形態に係る光変調装置１０においては、膜厚のばらつきを好適に校正するために、目標とする共振波長λｍになる膜厚ｔよりも薄く膜厚を形成するとよい。

図４に示すバイアス部１４は、定電圧回路の一例であり、バイアス電圧Ｖｂは、他の定電圧回路や、レギュレータを用いて生成してもよい。また、バイアス電圧Ｖｂの設定は、制御電圧ＶｃｎｔがローレベルＶＬの状態で、共振器１６にレーザ光を入射し、反射光の強度をモニタしながら可変抵抗４５を調節することによって行ってもよい。このとき、反射光の強度が最小値となるべく可変抵抗４５を調節する。この場合、高精度に共振波長λｍの校正を行うことが可能である。

バイアス電圧Ｖｂは、自動制御により設定してもよい。バイアス電圧Ｖｂの自動制御を行った場合、光変調膜３４の特性が経時的に変化した場合や、入射するレーザ光の波長が変化した場合であっても、好適な共振波長λｍに制御することができる。たとえば、ＰＬＺＴなどの強誘電体は、同一方向の電圧を印可し続けることにより、強誘電体に発生する分極量がメモリされるインプリント現象を有することが知られている。

図５は、バイアス電圧Ｖｂを自動制御により設定する光変調装置１０の構成を示す図である。図５に示すバイアス部１４は、Ａ／Ｄ変換部５４と、ＣＰＵメモリ部５６と、Ｄ／Ａ変換部５８とを備える。

図５に示す光変調装置１０の動作について説明する。図５の光変調装置１０は、共振器１６から反射する光の強度をモニタし、フィードバック制御を行うことによってバイアス電圧Ｖｂを調整する。

レーザ光源６２から共振器１６に照射され、反射された光は、ホトダイオードや、ＣＣＤなどの光検出素子６４によって電気信号に変換される。光検出素子６４は、共振器１６から反射されたレーザ光を検出可能な位置に設けられる。たとえば、図示しないビームスプリッタにより、反射光を分岐させて、光検出素子６４に入射させてもよい。

光検出素子６４によって生成された電気信号は、入力端子５１からバイアス部１４に入力される。電気信号は、Ａ／Ｄ変換部５４によってデジタル値に変換され、ＣＰＵメモリ部５６に取り込まれる。ＣＰＵメモリ部５６は、光検出素子６４で検出される光の強度が最小になるべく、バイアス電圧Ｖｂを制御する。ＣＰＵメモリ部５６から出力された信号は、Ｄ／Ａ変換部５８によってアナログ値に変換され、出力端子５２にバイアス電圧Ｖｂを出力する。

バイアス電圧Ｖｂの自動制御を行うことによって、共振器１６の共振波長λｍを常にレーザ光源６２の波長と等しい値に制御することができる。

図５に示すバイアス部１４は、図１に示す基板３０に集積化して形成してもよい。本実施の形態に係る光変調装置１０は、反射型の変調器を構成するため、基板３０として不透明な材料を用いることができる。たとえば、基板３０としてシリコンを用いれば、制御部１２とバイアス部１４を基板３０に形成し、光変調装置１０を半導体集積回路装置として１チップ化することができる。

以上の本実施の形態に係る光変調装置１０においては、バイアス電圧Ｖｂを制御電圧Ｖｃｎｔに重畳して透明電極３６に印可しているが、バイアス電圧Ｖｂを、第１反射層３２に印可することによって共振波長λｍを調整してもよい。図６は、バイアス部１４を第１反射層３２に印可した光変調装置１０の構成を示す図である。

バイアス電圧Ｖｂを第１反射層３２に印可する場合、共振器１６に印可される電圧は、Ｖｃｎｔ−Ｖｂとなるので、バイアス電圧Ｖｂを負の電圧に設定する。

負のバイアス電圧Ｖｂを印可すると、制御電圧ＶｃｎｔがローレベルＶＬのとき、光変調膜３４には負の電圧が印可されるが、光変調膜３４を、印可した電界の２乗に比例して屈折率が変化するＰＬＺＴで形成した場合、共振波長λｍのシフトは、印可電圧の極性に依存しない。よって、この場合も、バイアス電圧Ｖｂを調整することによって、共振波長λｍの制御が可能である。

図６に示す光変調装置１０の場合、制御電圧Ｖｃｎｔにバイアス電圧Ｖｂを重畳するよりも、光変調装置１０の動作電圧を低くすることができる。

本実施の形態に係る光変調装置は、共振器と制御部を複数組備えていてもよい。たとえば、図１に示す光変調装置１０をマトリクス状に配置することによって、空間光変調装置を構成することができる。

図７（ａ）、（ｂ）は、光変調装置がマトリクス状に配置された空間光変調装置を示す図である。図７（ａ）は、空間光変調装置８の平面図を示す。空間光変調装置８は、基板３０上に８行８列の２次元状に配列された複数の画素２０を備える。画素２０は、２０μｍ×２０μｍ程度のサイズにて構成される。

図７（ｂ）は、図７（ａ）に示す空間光変調装置のＡ−Ａ’線断面図を示す。光変調膜３４などの構成要素については、図１に示す共振器１６と同一である。

図７（ｂ）に示すように、ビアおよび配線３８を介して透明電極３６が外部に引き出されている。配線３８の材料としてはＡｌなどが好適に用いられる。配線３８の上面には、さらに保護膜を形成してもよい。

空間光変調装置８には、画素２０ごとに制御部１２から制御電圧Ｖｃｎｔが与えられ、画素２０ごとに反射率を制御することができる。

バイアス部１４は、制御電圧Ｖｃｎｔにバイアス電圧Ｖｂを重畳する。バイアス部１４の構成およびバイアス電圧Ｖｂの設定方法に関しては、上記で説明した構成および方法と同様である。空間光変調装置８において、各画素２０間の膜厚ばらつきが小さい場合には、各画素２０に共通のバイアス電圧Ｖｂを重畳すればよいため、バイアス部１４は、１つの空間光変調装置８に対して少なくとも１つ備えていればよい。

バイアス部１４は画素２０ごとに備えていてもよい。この場合は、より高精度に共振波長λｍの校正を行うことができる。

空間光変調装置８を用いてさまざまな光変調システムを構成することができる。図８は、空間光変調装置８を用いたホログラム記録装置７０を示す図である。ホログラム記録装置７０は、発光部８０と、受光部８２と、空間光変調装置８とを備える。発光部８０は、レーザ光源７２と、ビームエクスパンダ７４とを備える。受光部８２は、フーリエ変換レンズ７６と、記録媒体７８とを備える。

ホログラム記録装置７０において、レーザ光源７２から発せられたレーザ光は、図示しないビームスプリッタで２つの光に分割される。このうち一方の光は、参照光として用いられ、記録媒体７８内に導かれる。もう一方の光は、ビームエクスパンダ７４でビーム径が拡大され、平行光として空間光変調装置８に照射される。

空間光変調装置８に照射された光は、画素毎に異なる強度を有する信号光として空間光変調装置８から反射される。この信号光は、フーリエ変換レンズ７６を通過してフーリエ変換され、記録媒体７８内に集光される。記録媒体７８内において、ホログラムパターンを含む信号光と参照光の光路とが交差して光干渉パターンを形成する。光干渉パターン全体が屈折率の変化（屈折率格子）として記録媒体７８に記録される。

上記においては、空間光変調装置８をホログラム記録装置７０に用いる場合について説明したがこれには限定されず、表示装置、光通信用スイッチ、光通信用変調器、光演算装置、および暗号化回路等にも使用することができる。

本実施の形態においては、光変調膜３４の材料として、印可電界の２乗に比例して屈折率が変化する電気光学材料として、ＰＬＺＴを用いた場合について説明を行ったが、光変調膜は、印可電界に比例して屈折率が変化する電気光学材料を用いて形成してもよい。

このような電気光学材料としては、たとえばＬｉＮｂＯ_３（ニオブ酸リチウム）、ＬｉＴａＯ_３（タンタル酸リチウム）、ＳＢＮ（ニオブ酸ストロンチウムバリウム）などが知られている。

印可電界に比例して屈折率が変化する電気光学材料を用いた場合、共振器に印可する電圧の極性を変えることによって、共振波長λｍがシフトする方向を逆にすることができる。バイアス部の構成を、バイアス電圧Ｖｂが正負いずれの極性にも調整できる構成とすれば、膜厚ｔが目標値からばらついた場合であっても、共振波長λｍを好適に調整することができる。すなわち、膜厚ｔが目標値よりも厚く、共振波長λｍが大きい値にシフトしている場合は、負の電圧を印可すればよい。一方、膜厚ｔが目標値よりも薄く、共振波長λｍが小さい値にシフトしている場合には、正の電圧を印可すればよい。

以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。

本実施の形態に係る光変調装置の構成を示す図である。 光変調装置の動作状態を模式的に示す図である。 共振器に入射する光の波長λと反射率Ｒの関係を示す図である。 バイアス電圧Ｖｂを調整可能な光変調装置の構成を示す図である。 バイアス電圧Ｖｂを自動制御により設定する光変調装置の構成を示す図である。 バイアス部を第１反射層に印可した光変調装置の構成を示す図である。 図７（ａ）、（ｂ）は、光変調装置がマトリクス状に配置された空間光変調装置を示す図である。 空間光変調装置を用いたホログラム記録装置を示す図である。

符号の説明

１０ 光変調装置、 １２ 制御部、 １４ バイアス部、 １６ 共振器、 ３０ 基板、 ３２ 第１反射層、 ３４ 光変調膜、 ３６ 透明電極、 ４０ 第２反射層、 ４２ 第１誘電体膜、 ４４ 第２誘電体膜。

Claims (12)

1. 印可する電圧に応じて屈折率が変化する光変調膜が反射層に挟設されたファブリーペロー型の共振器構造を有する共振器と、
   前記共振器に制御電圧を印加することにより、前記共振器に入射した光を変調して出射せしめる制御部と、
   前記共振器の共振波長を調整するためのバイアス電圧を、前記共振器に印加するバイアス部と、
   を備えることを特徴とする光変調装置。
2. 少なくとも前記共振器と前記制御部を複数組備えることを特徴とする請求項１に記載の光変調装置。
3. 前記光変調膜は、印可した電界の２乗に比例して屈折率が変化する電気光学材料であることを特徴とする請求項１または２に記載の光変調装置。
4. 前記電気光学材料は、チタン酸ジルコン酸鉛またはチタン酸ジルコン酸ランタン鉛であることを特徴とする請求項３に記載の光変調装置。
5. 前記光変調膜は、印可した電界に比例して屈折率が変化する電気光学材料であり、前記バイアス部は、正負いずれかのバイアス電圧を生成することを特徴とする請求項１または２に記載の光変調装置。
6. 前記電気光学材料は、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸ストロンチウムバリウムのいずれかであることを特徴とする請求項５に記載の光変調装置。
7. 前記共振器は、
   基板と、
   前記基板上に設けられた第１の反射層と、
   前記第１の反射層上に設けられ印可した電界により屈折率が制御可能な光変調膜と、
   前記光変調膜上に設けられた第２の反射層と、
   前記光変調膜に電界を印可する電極対と、
   を備えることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の光変調装置。
8. 前記バイアス部で生成されるバイアス電圧を調整する調整回路をさらに備えることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の光変調装置。
9. 当該光変調装置は、半導体集積回路装置として１チップ化されていることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の光変調装置。
10. 前記バイアス電圧を調整するよう指示する信号を入力するための端子を備えることを特徴とする請求項９に記載の光変調装置。
11. 印可する電圧に応じて屈折率が変化する光変調膜が反射層に挟設されたファブリーペロー型の共振器構造を有する共振器と、
    前記共振器に制御電圧を印加することにより、前記共振器に入射した光を変調して出射せしめる制御部と、
    前記共振器の共振波長を調整するためのバイアス電圧を、前記共振器に印加するバイアス部と、
    を備える光変調装置の校正方法であって、
    前記共振器に電圧を印加しない状態で共振器から出射される光の強度を測定し、この光の強度に応じて前記バイアス電圧を設定することを特徴とする光変調装置の校正方法。
12. 請求項１から１０のいずれかに記載の光変調装置と、
    当該光変調装置に光を照射する発光部と、
    当該光変調装置から出射される光を受ける受光部と、
    を備えることを特徴とする光変調システム。

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