JP2006308981A - 光変調器、該光変調器を備えた空間光変調器 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】光を変調する光変調器において、周期的に配列された微小開口を有する金属薄膜101と、該金属薄膜に対向して配置された誘電体102、103と、前記金属薄膜と前記誘電体とを対向方向に相対移動させる移動手段と、を有し、該移動手段による前記金属薄膜と前記誘電体との対向方向への相対移動によって、前記金属薄膜を透過する光の透過率の波長依存性を制御するように構成する。
【選択図】 図4
Description
さらに、この透過光強度の増大の原因が、金属薄膜表面に入射する光と金属薄膜に励起される表面プラズモンモードと共鳴的に相互作用することに起因するということについても、明らかとされている。
また、金属薄膜の一方の表面に屈折率可変の材料を用い、その屈折率を変化させることで特定波長の透過光強度を増大させたり、特定波長の透過光強度の増大を抑える、という動作によって透過する光の強度変調を行う光変調器について報告がされている。
また、以上ような金属薄膜の表面を異なる屈折率の媒体で挟んだ場合に比べ、ほぼ屈折率が等しい媒体で挟んだ場合の方がある特定波長の光の透過光強度の増大率が大きいことも報告されている。さらに、特許文献2では、このような現象を用いて近接場光学顕微鏡用のプローブ、露光用マスク、集光装置、等を構成することが提案されている。
しかしながら、所望の透過波長に合わせてこのように金属薄膜表面に形成された周期構造を変化させるには、各透過波長に応じて金属薄膜表面に周期的に配列した微小開口の周期配列等について、設計から作製までを最初から行うことが必要となり、工程数の増加やコストの増大を招くことになる。
すなわち、本発明の光変調器は、周期的に配列された微小開口を有する金属薄膜と、該金属薄膜に対向して配置された誘電体と、前記金属薄膜と前記誘電体とを対向方向に相対移動させる移動手段と、を有し、該移動手段による前記金属薄膜と前記誘電体との対向方向への相対移動によって、前記金属薄膜を透過する光の透過率の波長依存性を制御することを特徴としている。
実施例1においては、本発明を適用して光変調器を構成した。
図1に本実施例の光変調器の構成を説明する概略図を示す。図1(a)は光変調器における第1誘電体、金属薄膜、第2誘電体による3層構成の分解斜視図、図1(b)は光変調器の断面構成を示す図である。
また、図2本実施例における光変調器に光源が配置された構成を示す。
図1において、100は光変調器、101は金属薄膜、102は第1の誘電体、103は第2の誘電体、104は支持部材である。
この光変調器100は、図1(a)に示されるように第1の誘電体、金属薄膜、第2の誘電体の3層によって構成されている。また、図1(b)に示されているように、支持部材104によって第1の誘電体及び第2の誘電体と金属薄膜との間に空隙を設けている。
また、金属薄膜101には、透過する光の波長程度の周期Pで周期的に透過する光の波長以下の微小開口として直径dの孔が配列されている。このときの周期的な配列とは、周期Pでの正方格子状に配列していてもよいし、三角格子状に配列されていてもよく、配列の仕方は限定されない。この金属薄膜101と第1及び第2の誘電体との間の空隙には、例えば空気のようにある誘電率(このときの空気の誘電率:εair)を有する媒体が充填されている。
図2に示すように光変調器100に光源201から波長がブロードに広がっている照明光202を導入すると、金属薄膜101に形成された孔の直径、配列の周期、金属薄膜が有する誘電率及び、金属薄膜周囲の誘電率に応じた表面プラズモンモードが励起される。その表面プラズモンモードに対応した照明光202に含まれるある特定の波長の光(λ1)が相互作用し、金属薄膜を透過する光(λ1)の強度が増大される。
このとき、強度が増大された光(λ1)の透過率は、その他の波長の光の透過率を比較すると非常に差が大きくなる。このときの状態を「状態(1)」とし、透過率を図3に、光変調器における金属薄膜101と第1の誘電体102及び第2の誘電体103の位置関係を図4(a)に示す。
また、iとjについては回折の次数である。金属薄膜101の周囲の屈折率が1から1.4に変化すると、周期P=400nm,金属薄膜誘電率εm=−10.545+0.835iとし、透過光の最低次数として(i,j)=(0,1)とすると上記の式から、透過率が最大となる波長はおおよそ440nmから690nmまで長波長側にシフトする。実際には、上記式では定性的な現象を表すことはできるが、定量的に議論するためには、様々な補正項を用いる必要がある。
そこで、補正を加味して数値計算を行った一例を示す。金属薄膜として石英基板上に成膜した金(Au)を用い、微小開口として50nm×300nmの長方形開口とした場合、金属薄膜を透過する透過率が図7のグラフに示すようになった。
この計算に用いた構成の場合、660nm/indexという値で透過率が大きいピークが長波長側にシフトした。上述した式は金属と誘電体の界面に励起される表面プラズモン波長から考えられる式であるため、金属薄膜を透過する光の波長は、金属薄膜の一方の表面とそれに面する誘電体に関する上式の関係と、金属薄膜のもう一方の表面とそれに面する誘電体に関する上式の関係との積のような関係で決まると考えられる。しかし、金属薄膜の一方の表面に面する誘電体の誘電率を大きくするだけでも、透過する波長が長波長にシフトすることが計算結果から明らかとなった。
さらに、この光変調器を2次元的に配列し、各光変調器を駆動することで空間光変調器を実現することができる。その際、これらの光変調器を独立して駆動する構成を採ることができる。
また、本実施例で説明した、第1の誘電体と第2の誘電体で挟まれた空気で充填された箇所が、空気である必要はなく、状態(1)において透過させたい波長に応じて材料を選択することが可能であり、真空、水、アルコールなど様々な流動可能な材料を充填してもよく、本発明においては空気に限定されるものではない。また、第1及び第2の誘電体としてどのような誘電体を選択してもよい。
また、本実施例では図示していない金属薄膜駆動装置としては、図8に示すように金属薄膜101と第1の誘電体102及び第2の誘電体103の間に電圧を印加する電圧印加手段801で生じる静電力によって駆動する装置であってもよいし、図9に示すように誘電体と金属薄膜に挟まれた空間の圧力を変化させる圧力制御手段901を用いて圧力によって金属薄膜を撓ませてもよく、本発明においては金属薄膜101を駆動し第1の誘電体102及び第2の誘電体103に実質的に全体を密着させるための駆動方法であればよく、例に挙げた駆動方法に限定されるものではない。
実施例2においては、本発明を適用して実施例1とは別の形態の光変調器を構成した。
図5に本実施例の光変調器の構成を説明する概略図を示す。図5において、301は金属薄膜、302は金属薄膜支持誘電体、303は誘電体、304は支持部材、305は光源である。
金属薄膜301と誘電体303との間には、例えば空気(εair≒1)が充填されているとする。このときの誘電体303と金属薄膜支持誘電体302の誘電率を、εa、εbとする。
さらに、図示しない金属薄膜駆動装置によって金属薄膜301及び支持部材304を駆動し、金属薄膜301を誘電体303に実質的に全面に密着する構成となっている。
この金属薄膜駆動装置としては、実施例1にも示したが、静電力による駆動や、圧力制御による駆動など様々な駆動方式が挙げられるが、本発明はこのような駆動方式に限定されるものではない。
金属薄膜301/金属薄膜支持誘電体302の金属薄膜支持部材側から波長がブロードな光を照射すると、金属薄膜301の誘電率と金属薄膜支持誘電体302の誘電率と微小開口の周期Pとに対応した波長の光(λa)が特異的に金属薄膜を透過する。この状態を「状態A」とする。
さらに、金属薄膜駆動装置を用いて誘電体303から金属薄膜301/金属薄膜支持誘電体302を剥離して「状態A」に戻すことで、金属薄膜301を透過する光の波長及び強度も、「状態A」に戻すことができる。
101:金属薄膜
102:第1の誘電体
103:第2の誘電体
104:支持部材
201:光源
202:照明光
Claims (8)
- 光を変調する光変調器であって、
周期的に配列された微小開口を有する金属薄膜と、該金属薄膜に対向して配置された誘電体と、
前記金属薄膜と前記誘電体とを対向方向に相対移動させる移動手段と、を有し、該移動手段による前記金属薄膜と前記誘電体との対向方向への相対移動によって、前記金属薄膜を透過する光の透過率の波長依存性を制御することを特徴とする光変調器。 - 前記金属薄膜に対向して配置された誘電体は、前記金属薄膜の表面に対向して配置された第1の誘電体と、前記金属薄膜の裏面に対向して配置された第2の誘電体とによって構成されていることを特徴とする請求項1に記載の光変調器。
- 前記金属薄膜と前記第1の誘電体及び前記第2の誘電体との間には、空気等の流動可能に媒体が充填され、該媒体の誘電率をεair、前記第1の誘電体の誘電率をε1、前記第2の誘電体の誘電率をε2とするとき、これらの誘電率が次式の関係を満たすことを特徴とする請求項2に記載の光変調器。
εair<ε1<ε2 - 前記金属薄膜は、前記金属薄膜に対向して配置された誘電体の誘電率に等しい誘電率を有する金属薄膜支持誘電体上に成膜され、前記移動手段による該金属薄膜と該金属薄膜に対向して配置された誘電体との対向方向への相対移動によって、該金属薄膜を透過する光の波長及び強度を変化させることを特徴とする請求項1に記載の光変調器。
- 前記移動手段が、静電力による駆動手段であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の光変調器。
- 前記移動手段が、圧力による駆動手段であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の光変調器。
- 請求項1〜6のいずれか1項に記載の光変調器を複数備え、これらの光変調器を二次元的に配列して構成したことを特徴とする空間光変調器。
- 前記空間光変調器は、前記二次元的に配列された各光変調器が独立して駆動できるように構成されていることを特徴とする請求項7に記載の空間光変調器。
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