JP2006308981A - 光変調器、該光変調器を備えた空間光変調器 - Google Patents

Abstract

【課題】金属薄板に周期的に配列した微小開口による周期構造を変えることなく、金属薄板を透過する光の強度の変調だけでなく、光の波長についても制御可能とした光変調器、該光変調器を備えた空間光変調器を提供する。
【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

本発明は、光変調器、該光変調器を備えた空間光変調器に関し、特に金属薄板を透過する光の波長を制御できるようにした光変調器、及び該光変調器を備えた空間光変調器に関する。

従来において、金属薄膜に光波長程度のサイズの微小開口及び表面形状（突起や窪みなど）を周期的に配列させることで、その金属薄膜に光を照射したとき、金属薄膜を透過する特定の波長の光強度が増大することが知られている。
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。

特許文献１では、以上のような金属薄膜を複数並べて、独立に屈折率可変材料を制御することで表示装置に応用することが提案されている。
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。
米国特許第６，０４０，９３６号明細書 特開２００１−１３３６１８号公報

ところで、上記従来技術のものにおいては、周期的に配列した微小開口等による周期構造を有する金属薄膜表面に、屈折率可変の材料を配置して屈折率を変化させることにより、金属薄膜を透過する光の強度を変調することに主眼が置かれ、透過波長の制御を行うことについて十分に考慮されたものではない。すなわち、上記従来技術のものでは、金属薄膜を透過する光の波長は金属薄膜表面に形成された周期構造に応じた特定波長しか得ることができないものであり、仮に、このような従来技術のもので所望の透過波長を得ようとすれば、例えば周期的に配列した微小開口の周期配列を変えること等により、上記の金属薄膜表面に形成された周期構造を所望の透過波長に合わせて変化させることが必要となる。
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。

本発明は、上記課題に鑑み、金属薄板に周期的に配列した微小開口による周期構造を変えることなく、金属薄板を透過する光の強度の変調だけでなく、光の波長についても制御可能とした光変調器、該光変調器を備えた空間光変調器を提供することを目的とするものである。

本発明は、上記課題を達成するために、以下のように構成した光変調器、該光変調器を備えた空間光変調器を提供するものである。
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。

本発明によれば、金属薄板に周期的に配列した微小開口による周期構造を変えることなく、金属薄板を透過する光の強度の変調だけでなく、光の波長についても制御可能とした光変調器、該光変調器を備えた空間光変調器を実現することができる。

本発明を実施するための最良の形態を、以下の実施例により説明する。

［実施例１］
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。

光変調器１００は、金属薄膜１０１と、金属薄膜１０１の一方の面に対向して配置された第１の誘電体１０２と、金属薄膜１０１のもう一方の面に対向して配置された第２の誘電体１０３と、支持部材１０４によって構成されている。
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。

つぎに、本実施例の光変調器の動作について説明する。
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。

次に、図示しない相対移動手段を用いて金属薄膜１０１を移動し、金属薄膜１０１を第１の誘電体１０２に実質的に全体を密着させる（図４（ｂ）参照）。このとき、第１の誘電体の誘電率ε１は、空気よりも大きい。金属薄膜１０１の周囲の誘電率が変化するため、金属表面に励起される表面プラズモンモードが変化し、そのプラズモンモードに応じた光（λ２）の透過率が増大し、λ２の波長の光が特異的に、金属薄膜１０１を透過する。このときの状態を「状態（２）」とし、透過率を図３に、金属薄膜１０１と第１の誘電体１０２の密着状態を図４（ｂ）に示す。

さらに、状態（２）で密着した金属薄膜１０１を第１の誘電体１０２から図示しない相対移動手段を用いて剥離し、金属薄膜１０１を第２の誘電体１０３に実質的に全体を密着させる（図４（ｃ）参照）。このとき、第２の誘電体の誘電率ε２は、第１の誘電体の誘電率ε１と比較し更に大きいとする。状態（２）からさらに、金属薄膜１０１の周囲の誘電率が変化しているため、金属表面に励起される表面プラズモンモードが変化し、そのプラズモンモードに応じた光（λ３）の透過率が増大し、λ２の波長の光が特異的に金属薄膜１０１を透過する。このときの状態を「状態（３）」とし、透過率を図３に、金属薄膜１０１と第２の誘電体１０３の密着状態を図４（ｃ）に示す。

これらの現象は定性的には、次式により理解できる（特許文献１から引用）。

このときのλｍａｘとは、透過光強度が最大となる波長、Ｐは金属薄膜に形成した孔の配列の周期、εｍは金属薄膜の誘電率、εｄは金属薄膜周囲の誘電体の誘電率である。状態（１）の場合、εｄは空気の誘電率となりほぼ１であると考えられる。
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。

図７は、Ａｕ上に屈折率１、１．３３、１．３７５の材料が存在する場合の３種類のスペクトルが示された図である。この図からわかるように、金属薄膜の一方の面の屈折率が１から１．３３と大きくなると、透過率が最大になるピーク波長は１０４０ｎｍから１２６０ｎｍへと、長波長側にシフトする。
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。

前述した本実施例の光変調器では、状態が３通りあり、各々の状態では金属薄膜の周囲に空気（状態（１））、第１の誘電体と空気（状態（２））、第２の誘電体と空気（状態（３））が存在しており、これら３つの誘電体の誘電率は、εａｉｒ＜ε１＜ε２の関係とした。透過率が増大される波長の関係は、λ１＜λ２＜λ３となり、誘電率が大きい誘電体が金属薄膜周囲にある場合の方が、透過光強度が増大される波長が長波長側へシフトする。

以上のように構成することで、透過光の波長を３種類に分割することが可能な光変調器を実現することができる。
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、光源２０１から波長がブロード光の照明光２０２を照射しているが、状態（１）、（２）、（３）において透過率が高いλ１，λ２，λ３の波長の単色光を３種類同時に照明していてもよく、光源２０１から照射する照明光２０２の波長はブロード光等に限定されるものではない。
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］
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。

光変調器３００は、金属薄膜３０１が金属薄膜支持誘電体３０２上に成膜され、金属薄膜３０１と対向して誘電体３０３が配置し、支持部材３０４によって金属薄膜３０１と金属薄膜支持誘電体３０２が支持されている。
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。

この金属薄膜３０１には、実施例１と同様に、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の孔が配列されており、その周期的な配列のされ方は、正方格子状や三角格子状などが挙げられるが、本発明はこのような格子の種類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。

次に、図６のように図示しない金属薄膜駆動装置を用いて金属薄膜３０１／金属薄膜支持誘電体３０２を駆動し金属薄膜３０１表面を誘電体３０３に実質的に全面を密着させる。このことにより金属薄膜３０１表面の誘電率が、εａｉｒからεａへ変化するため、金属薄膜３０１を透過する光の波長が変化する。または、特許文献２にあるように、εａ＝εｂとすることで、特定波長の透過光強度がさらに増大する。この状態を「状態Ｂ」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。

このように、金属薄膜３０１を駆動し、金属薄膜３０１と誘電体３０３との密着及び剥離の制御を行うことで、光変調器３００を透過する光の波長及び強度を変化させることができる。さらに、本光変調器を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が実現できる。

本発明の実施例１における光変調器の構成を説明する概略図であり、（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、（ｂ）は光変調器の断面構成を示す図。 本発明の実施例１における光変調器と光源の構成を示す概略図。 本発明の実施例１における光変調器によって変調された透過光のスペクトルの模式図。 本発明の実施例１における光変調器の動作時の状態の説明図。 本発明の実施例２における光変調器の構成の概略図。 本発明の実施例２における光変調器の動作時の説明図。 本発明の原理について説明する計算結果を示す図。 本発明の実施例における光変調器の動作手段に用いられる静電力による構成例を示す図。 本発明の実施例における光変調器の動作手段に用いられる圧力制御による構成例を示す図。

符号の説明

１００：光変調器
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)

1. 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。
2. 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。
3. 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
4. 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。
5. 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。
6. 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。
7. 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。
8. 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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