JP2007034231A - 光変調素子及び複合型光変調素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 民生用途で必要な反射波長の広帯域化を行った場合でも、電圧印加時の反射波長帯域を電圧未印加時の反射波長帯域と重ならないようにシフトさせることが可能である光変調素子を実現する。
【解決手段】 本発明の光変調素子１０１は、基板１上に、格子部材５が周期的に配置される格子層３と、格子層３における導波方向に対して垂直の方向に電圧を印加するようになっている第１の導電性部材２と第２の導電性部材４とを備えている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、波長変動範囲の大きい光源に対して利用可能な光変調素子、並びに該光変調素子を複数搭載した複合型光変調素子に関するものである。

従来から、フォトニクス等の分野において、光の特性を変調する光変調素子が広く使われている。

上記光変調素子としては、導波モード共鳴格子（guided-mode resonant grating）を用いた光変調素子が挙げられる（例えば、特許文献１参照）。

導波モード共鳴格子は、導波路と、入射光の波長と同程度の周期を持つ回折格子とを備えており、共鳴条件を満たす特定の波長を持つ入射光のみを選択的に反射し、それ以外の入射光を透過させるという性質を有している。

図１２は、従来の導波モード共鳴格子を用いた光変調素子の側面図である。

図１２に示すように、上記光変調素子９１０は、基板９０１と、導波路を形成する部材９０２と、格子部材９０５が周期的に配置された格子層（回折格子）９０３とを備えている。基板９０１の上には導波路を形成する部材９０２が積層されており、導波路を形成する部材９０２の上には格子部材９０５が周期的に配置され、格子層９０３が形成されている。格子層９０３は、入射光の特定波長（共鳴波長）と同程度の周期を有した構造であり、入射光の特定波長（共鳴波長）を透過させない導波モード共鳴格子である。

図１４に、電圧未印加時に格子パターンと偏光方向が垂直な光を、光変調素子９１０に垂直方向から入射させたときの結果を示す。図１４は、基板９０１の屈折率が１．５、導波路を形成する部材９０２の屈折率が２．０、導波路を形成する部材９０２の厚さｈが１６０ｎｍ、格子部材９０５の屈折率が１．６、格子層９０３の厚さｄが１２５ｎｍ、格子層９０３の周期Λが３９０ｎｍ、格子層９０３の周期Λに格子部材９０５の幅ｗが占める割合（以後、充填率と記載する）ｆ（＝ｗ／Λ）が５０％の条件で作製した光変調素子の結果である。このように、導波モード共鳴格子を使用した光変調素子９１０は、反射率８０％以上の波長帯域が略１ｎｍである鋭い波長選択性を有している。

格子部材９０５は、導電性であり電圧を印加することができる。導波路を形成する部材９０２は、電界によって屈折率が変化する電気光学効果を有する材料からなっている。光変調素子９１０において、格子部材９０５に異なる電圧を印加すると、図１３に示すように、隣り合う格子部材９０５の間で、導波路を形成する部材９０２を介して電界が発生する。そして、発生した電界により、導波路を形成する部材９０２の屈折率が変化し、入射光の共鳴波長を変化させることができる。このようにして、導波路を形成する部材９０２に電圧を印加させることによって、上記光変調素子９１０の反射波長帯域を切り替えることが可能となる。
国際公開第９６／０５５３６号パンフレット（１９９６年２月２２日公開）

しかしながら、上記従来の構成では、鋭い波長選択性を有するため、波長変動の大きい民生用途の光源に利用することが困難であるという問題を生じる。民生用途の光源は、波長にバラつきがあり、さらには同じ光源であっても、環境によって波長が変動する。例えば、赤色半導体レーザからのレーザ光では、同じ光源であっても光源の温度等の環境の変化により波長が２０ｎｍ程度変化する。

上記光変調素子では、反射率８０％以上の波長範囲が図１４に示すように１ｎｍ程度しかない。このため、入射光を反射させる必要がある場合に、光源波長の変動にともない入射光が透過してしまうという不具合や、逆に透過させる必要がある場合に入射光を反射してしまうという不具合が生じる。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、民生用途で使用することが可能である光変調素子を実現することにある。

本発明に係る光変調素子は、上記課題を解決するために、基板上に、電気光学効果を有する格子部材が周期的に配置される格子層と、導電性部材とを備える光変調素子であって、上記格子層の平均屈折率は上記基板の屈折率よりも大きく、上記導電性部材が、上記格子層における導波方向に対して、垂直の方向に電圧を印加するようになっているものであることを特徴としている。

上記の構成によれば、格子層に、導波方向に対して垂直の方向の電界が発生するため、基板の屈折率よりも大きい格子層の屈折率を、さらに大きく変化させることができる。このため、民生用途で必要な反射波長の広帯域化を行った場合でも、電圧印加時の反射波長帯域を電圧未印加時の反射波長帯域と重ならないようにシフトさせることが可能である光変調素子を提供することができるという効果を奏する。

本発明に係る光変調素子では、上記格子部材が空間を隔てて周期的に配置されていることが好ましい。

これにより、格子部材の空間を透明部材で埋めた構成の光変調素子と比較して、格子層内の屈折率差が大きくなり、光変調素子の反射波長範囲がより広がるというさらなる効果を奏する。

また、本発明に係る光変調素子では、上記導電性部材は、第１の導電性部材と第２の導電性部材とを含み、上記基板の上に、上記第１の導電性部材、上記格子層、上記第２の導電性部材の順に積層されていることが好ましい。

これにより、格子層は、第１の導電性部材と上記第２の導電性部材との間に、導波方向に対して垂直の方向で挟持されている。よって、格子層に、導波方向に対して垂直の方向の電界が効率良く発生するため、格子層の屈折率をより大きく変化させることができるというさらなる効果を奏する。

また、本発明に係る光変調素子では、上記基板と上記格子部材とが隣接していることが好ましい。

これにより、格子層が基板の上に直接積層されるため、基板の材質を適宜選択することにより、容易に格子部材を結晶化させることができるというさらなる効果を奏する。

また、本発明に係る光変調素子では、上記導電性部材は、第１の導電性部材と第２の導電性部材とを含み、上記基板の上に、上記第１の導電性部材が周期的に配置され、上記基板における上記第１の導電性部材が配置されていない領域に、上記格子部材が配置され、上記格子部材の上に、上記第２の導電性部材が積層されていることが好ましい。

これにより、格子層は、基板付近で第１の導電性部材と隣接し、格子層の上で第２の導電性部材と隣接している。よって、格子層に、導波方向に対して垂直の方向の電界が効率良く発生するため、格子層の屈折率をより大きく変化させることができるというさらなる効果を奏する。

また、本発明に係る光変調素子では、上記第１の導電性部材の厚さと上記第２の導電性部材の厚さとが略等しいことが好ましい。

これにより、第１の導電性部材と第２の導電性部材とを同時に成膜することにより、光変調素子を作製することができる。よって、製造工程を短縮することができ、製造コストを削減することができるというさらなる効果を奏する。

また、本発明に係る光変調素子では、上記格子部材の格子幅が、第２の導電性部材から上記基板の方向に向かって、狭くなっていることが好ましい。

これにより、第１の導電性部材と第２の導電性部材とを同時に成膜する場合に、第１の導電性部材と第２の導電性部材とが互いに接触され難い。よって、より容易に第１の導電性部材と第２の導電性部材４とを同時に成膜させることができるというさらなる効果を奏する。

また、本発明に係る光変調素子では、上記格子部材と上記導電性部材とが、少なくとも変調対象の光の波長帯域において光学的に透明であることが好ましい。

これにより、部材による光の吸収を抑制できるため、光の利用効率を高めることができる。よって、光源の消費電力を削減することができるというさらなる効果を奏する。

また、本発明に係る光変調素子では、上記格子層における格子部材が配置される周期は、変調対象の光の空気中の波長よりも短いことが好ましい。

これにより、入射光の高次回折光の発生がなくなるため、光の利用効率を上げることができるというさらなる効果を奏する。

また、本発明に係る複合型光変調素子は、上記課題を解決するために、上記光変調素子を複数備えたものであることを特徴としている。

上記の構成によれば、１つの素子で複数の入射光を制御することが可能である複合型光変調素子を提供することができるという効果を奏する。

また、本発明に係る複合型光変調素子では、上記複数備えられた光変調素子間の距離は、変調対象の光の空気中の波長よりも長いことが好ましい。

これにより、上記複数備えられた光変調素子における導波モード共鳴格子を導波した光同士が結合することを抑制することができるというさらなる効果を奏する。

本発明に係る光変調素子は、以上のように、格子層に対して、導波方向に垂直の方向に電圧を印加するようになっている導電性部材を備えている。このため、民生用途で必要な反射波長の広帯域化を行った場合でも、電圧印加時の反射波長帯域を電圧未印加時の反射波長帯域と重ならないようにシフトさせることが可能である光変調素子を提供することができるという効果を奏する。

また、本発明に係る複合型光変調素子は、上記光変調素子を複数備えている。このため、１つの素子で複数の入射光を制御することが可能である複合型光変調素子を提供することができるという効果を奏する。

（実施の形態１）
本発明の１実施形態について図１〜図３に基づいて説明すると以下の通りである。

図１は、本実施の形態に係る光変調素子の斜視図である。

図１に示すように、光変調素子１０１は、基板１、第１の導電性部材（導電性部材）２、格子層３、第２の導電性部材（導電性部材）４およびを備えている。光変調素子１０１は、基板１の上に、第１の導電性部材２、格子層３、第２の導電性部材４が、この順番で積層された構造となっている。

第１の導電性部材２は、第２の導電性部材４と共に、格子層３に電圧を印加するようになっているものである。第２の導電性部材４は、第１の導電性部材２と共に、格子層３に電圧を印加するようになっているものである。

格子層３は、導波モード共鳴格子における導波路となるものであり、格子部材５が周期的に、つまり所定の間隔で配置されたものである。格子部材５は、電気光学効果を有する材料からなるものである。

電気光学効果を有する材料としてはＰＬＺＴ（チタン酸ジルコン酸ランタン鉛）等が挙げられ、２次電気光学定数が大きいためＰＬＺＴがより好ましい。

第１の導電性部材２及び第２の導電性部材４を構成する材料としてはＩＴＯ（インジウム・ティン・オキサイド）等が挙げられ、可視光に対する透過率及び導電率が高いためＩＴＯがより好ましい。また第１の導電性部材２と第２の導電性部材４とを構成する材料は、同じであっても異なっていても良い。

格子層３における格子周期Λは、光の利用効率を高めるため、入射光の波長λよりも短いことが好ましい。格子層３による回折光は、格子層３への入射角をθ_１、回折角をθ_２、回折次数をｍ、回折格子周期をΛ、波長をλとすると、
Λ（ｓｉｎθ_１−ｓｉｎθ_２）＝ｍλ
で表される。このため、Λ＜λであれば多くても１次回折光までしか発生しなくなり、高次回折光の発生がなくなるため、光利用効率を上げることができる。

光変調素子１０１を構成する、第１の導電性部材２、格子部材５、第２の導電性部材部材４は入射光に対して光学的に透明であることが好ましい。ここで、入射光に対して光学的に透明とは、該素子に入射させる波長領域において、透過率が７０％以上であることを意味する。光変調素子１０１を構成する上記部材が、入射光に対して光学的に透明であることにより、該部材による光の吸収を抑制でき、該部材に入射する光の利用効率を上げることが可能となる。よって、該部材が入射光に対して光学的に透明であれば、該素子の光利用効率は７０％程度となり、光源の消費電力を削減することができる。

導波モード共鳴格子として、（１）格子層３を形成する部材と導波路を形成する部材との両方を備える構成、又は（２）導波路として高屈折率部材と低屈折率部材とを備える構成、が構造的な前提である。本願研究者は鋭意研究を行った結果、導波モード共鳴格子の広帯域化を行うためには、導波路内に大きな屈折率差が生じるように部材を配置することが有効であることを確認した。そこで、光変調素子１０１は、導波路として部材を格子状に配置した層を用いる（２）構成とした。光変調素子１０１は、（２）の構成において、低屈折率部材を空気に置き換えた構造を有している。空気の屈折率は１であり、導波モード共鳴格子素子において低屈折率の格子部材として通常用いられる一般的な透明部材の屈折率（例えば、ガラスの場合、約１．５）と比べてさらに小さい。このため、本実施の形態に係る導波モード共鳴格子素子においては、格子層内の屈折率差を確保することができ、反射波長範囲を広げることが可能となっている。

電気光学効果を有する格子層３を導波路とするためには、基板１の屈折率ｎ_１より格子層３の平均屈折率ｎ_ａｖｅを高くしなければならない。平均屈折率ｎ_ａｖｅは、格子層３の格子周期Λに格子部材５の幅ｗが占める割合である充填率ｆ（＝ｗ／Λ）と格子部材５の屈折率ｎ_２とを用いて
ｎ_ａｖｅ＝ｎ_２×ｆ＋（１−ｆ） ・・・（１）
により計算される。そして、格子層３を導波路として作用させるには、格子層３の平均屈折率ｎ_ａｖｅと基板１の屈折率ｎ_１との関係は、ｎ_ａｖｅ＞ｎ_１を満たさなければならない。よって
ｆ＞（ｎ_１−１）／（ｎ_２−１） ・・・（２）
の関係を満たすことが必要である。

本実施の形態では、格子層３と基板１との間に第１の導電性部材２の層がある。このため、（２）式を満たしている場合、第１の導電性部材２の屈折率をｎ_３とすると、ｎ_１＜ｎ_３であれば、基板１と第１の導電性部材２との境界で入射光は全反射される。また、ｎ_１＞ｎ_３であれば、第１の導電性部材２と回折格子３の層との境界で入射光は全反射される。よって、格子層３を導波路として作用させることができる。

光変調素子１０１における格子層３に発生する電界について以下に説明する。

図２は、光変調素子１０１の格子層３に発生する電界を説明するための説明図である。

光変調素子１０１は、格子層３の上下にそれぞれ第１の導電性部材２と第２の導電性部材４とが接している。つまり、格子層３は、第１の導電性部材２と第２の導電性部材４とに挟持されている。このため、第１の導電性部材２と第２の導電性部材４とにそれぞれ異なる電圧を印加することにより、図２に示すように、導波方向に対して垂直方向の電界を格子層３内に効率的に発生させることができる。尚、図２で矢印の密度は電界密度の大きさを表している。よって、格子層３と空気中とでは、矢印の密度が異なっている。

光変調素子１０１の格子層３に発生する電界は、垂直方向に効率良く発生しているため、格子層３の屈折率を大きく変化させることができる。これにより、入射光の反射波長の波長帯域を大きく変化させることが可能となる。よって、民生用途で必要な反射波長の広帯域化を行った場合でも、電圧印加時の反射波長帯域を電圧未印加時の反射波長帯域と重ならないようにシフトさせることが可能となり、導波モード共鳴格子を光変調素子として利用できるようになる。

光変調素子１０１の作製方法について、図３を用いて以下に説明する。

図３は、本実施の形態に係る光変調素子１０１の製造工程を示す説明図である。図３に示すように、まず、基板１の表面に第１の導電性部材２を成膜する。次に、第１の導電性部材２の表面に、ナノインプリント等の方法で格子部材５を形成する。次に、第１の導電性部材２及び格子部材５の表面に、犠牲層７を成膜する。そして、ＣＭＰ（chemical mechanical polishing）により犠牲層７を格子部材５の高さまで平滑化する。次に、平滑化させた犠牲層７及び格子部材５の表面に、第２の導電性部材４を成膜する。最後に、犠牲層７を除去することにより、光変調素子１０１を作製することができる。

尚、格子部材５の形成方法は従来通り、格子部材５を成膜後、レジスト塗布、露光、現像、エッチング、レジスト剥離によって行っても良い。

以上のように、光変調素子１０１は、格子層３に導波する光に対して垂直方向の電界を印加するための第１の導電性部材２及び第２の導電性部材４を備えている。このため、格子層３の屈折率を大きく変化させることが可能である。よって、民生用途で必要な反射波長の広帯域化を行った場合でも、電圧印加時の反射波長帯域を電圧未印加時の反射波長帯域と重ならないようにシフトさせることが可能である光変調素子を提供することができる。

（実施の形態２）
本発明の第２の実施形態について、図４及び図５に基づいて以下に説明するが、上述した実施の形態と同一部分には同一符号を付し、その説明は省略する。

実施の形態２において、第２の導電性部材４の形状が異なっていること以外は、実施の形態１と同じ構成で光変調素子２０１を形成している。

図４は、本実施の形態に係る光変調素子２０１の斜視図である。

図４に示すように、光変調素子２０１は、基板１の上に、第１の導電性部材２、格子部材５、第２の導電性部材４が、この順番で積層された構造となっている。ここで、第２の導電性部材４は、格子部材５の上に格子部材５と同じ格子周期で格子状に形成されている。つまり、格子部材５と第２の導電性部材４とによって、同じ格子周期の格子が形成されている。

光変調素子２０１は、光変調素子１０１と同様に、格子部材５の上下にそれぞれ第１の導電性部材２と第２の導電性部材４とが接している。つまり、格子層３は、第１の導電性部材２と第２の導電性部材４とに挟持されている。このため、第１の導電性部材２と第２の導電性部材４とにそれぞれ異なった電圧を印加することにより、導波方向に対して垂直方向の電界を格子層３内に効率的に発生させることができる。よって、民生用途で必要な反射波長の広帯域化を行った場合でも、電圧印加時の反射波長帯域を電圧未印加時の反射波長帯域と重ならないようにシフトさせることが可能となり、導波モード共鳴格子を光変調素子として利用できるようになる。

光変調素子２０１の作製方法について、図５を用いて以下に説明する。

図５は、光変調素子２０１の製造工程を示す説明図である。

図５に示すように、まず、基板１の表面に、第１の導電性部材２、格子部材５、第２の導電性部材４を順に成膜して、第２の導電性部材４の表面にレジスト８を塗布する。その後、露光、現像を行い、格子部材５と第２の導電性部材４とをエッチングし、最後にレジスト８を除去することにより、光変調素子２０１を作製することができる。このように光変調素子２０１では、光変調素子１０１の作製では必要である犠牲層は不要である。よって、光変調素子の製造工程を短縮することができるため、より容易に光変調素子を作製することができる。

尚、図５では、第１の導電性部材２の層がエッチングされていないが、実際にはエッチング時間を調整して、このような構造を作製するため、第１の導電性部材２が一部エッチングされたり、格子部材５が一部エッチングされずに残ったりする場合がある。このような構成であったとしても、格子層３内の電界は垂直方向に発生するため、効率的に格子層３の屈折率を変化させることが可能である。

以上のように、光変調素子２０１は、格子層３に導波する光に対して垂直方向の電界を印加するための第１の導電性部材２及び第２の導電性部材４を備えている。このため、格子層３の屈折率を大きく変化させることが可能である。よって、民生用途で必要な反射波長の広帯域化を行った場合でも、電圧印加時の反射波長帯域を電圧未印加時の反射波長帯域と重ならないようにシフトさせることが可能である光変調素子を提供することができる。

（実施の形態３）
本発明の第３の実施形態について、図６及び図７に基づいて以下に説明するが、上述した実施の形態と同一部分には同一符号を付し、その説明は省略する。

図６は、本実施の形態に係る光変調素子３０１の斜視図である。

図６に示すように、光変調素子３０１は、基板１の上に、第１の導電性部材２及び格子部材５が積層されている。格子部材５は、光変調素子１０１及び光変調素子２０１とは異なり、基板１に隣接して積層されている。そして、第１の導電性部材２は、格子部材５の間に、基板１と隣接して積層されている。つまり、第１の導電性部材２が周期的に基板１の上に配置され、基板１における第１の導電性部材２が配置されていない領域に、格子部材５が配置されている。格子部材５の上には、第２の導電性部材４が、光変調素子２０１と同様に、格子部材５と同じ格子周期で格子状に形成されている。つまり、格子部材５と第２の導電性部材４とによって、同じ格子周期の格子が形成されている。

光変調素子３０１における、格子層３に発生する電界について図７を用いて以下に説明する。

図７は、光変調素子３０１の格子層３に発生する電界を説明するための説明図である。

光変調素子３０１では、第１の導電性部材２が基板１の上に周期的に配置され、基板１における第１の導電性部材２が配置されていない領域に、格子部材５が配置されている。第２の導電性部材４は、格子部材５の上に積層されている。つまり、格子部材５の上下に第１の導電性部材２と第２の導電性部材４とが、それぞれ交互に格子を形成するように、格子部材５と隣接して配置されている。第１の導電性部材２と第２の導電性部材４とにそれぞれ異なる電圧を印加すると、図７に示すように、電界は格子層３の中心部分においては、導波方向に対して垂直方向となる。このため、光変調素子３０１では、垂直方向の電界を格子層３内に効率的に発生させることができる。よって、民生用途で必要な反射波長の広帯域化を行った場合でも、電圧印加時の反射波長帯域を電圧未印加時の反射波長帯域と重ならないようにシフトさせることが可能となり、導波モード共鳴格子を光変調素子として利用できるようになる。

光変調素子３０１の作製方法について、以下に説明する。

まず、基板１の表面に、格子部材５を成膜する。そして、格子部材５の表面にレジストを塗布し、その後、露光、現像を行い、格子部材５をエッチングする。レジスト除去後、第１の導電性部材２及び第２の導電性部材４を成膜することにより、光変調素子３０１を作製することができる。

光変調素子３０１において、第１の導電性部材２及び第２の導電性部材４の厚さは、略等しくすることが好ましい。第１の導電性部材２と第２の導電性部材４との厚さを、略等しくすることにより、格子部材５を形成後に、第１の導電性部材２と第２の導電性部材４とを同時に成膜することができる。よって、光変調素子３０１の製造コストを削減することが可能となる。

一般的に、大きな電気光学効果を有する格子部材５には、結晶化が必要なものが多い。格子部材５の結晶化には、格子部材５を積層させる部位を格子部材５の結晶化に適したものにすることが好ましい。光変調素子１０１及び光変調素子２０１では、格子部材５は第１の導電性部材２の上に積層させている。このため、第１の導電性部材２を格子部材５の結晶化に適したものにすることが好ましいが、第１の導電性部材２には導電性が必要であるため、材料の選択に制限がある。一方、光変調素子３０１では、格子部材５を基板１の上に直接積層させている。基板１は、第１の導電性部材２とは異なり、材料の選択に制限が少ない。このため、光変調素子３０１の構成では、基板１の材質を適宜選択することにより、容易に格子部材５を結晶化させることが可能である。

以上のように、光変調素子３０１は、格子層３に導波する光に対して垂直方向の電界を印加するための第１の導電性部材２及び第２の導電性部材４を備えている。このため、格子層３の屈折率を大きく変化させることが可能である。よって、民生用途で必要な反射波長の広帯域化を行った場合でも、電圧印加時の反射波長帯域を電圧未印加時の反射波長帯域と重ならないようにシフトさせることが可能である光変調素子を提供することができる。

（実施の形態４）
本発明の第４の実施形態について、図８に基づいて以下に説明するが、上述した実施の形態と同一部分には同一符号を付し、その説明は省略する。

図８は、本実施の形態に係る光変調素子４０１の斜視図である。

図８に示すように、光変調素子４０１は、基板１の上に、第１の導電性部材２及び格子部材５が積層されている。基板１の表面には、格子部材５と同じ格子周期である格子状の凸部と凹部とが設けられている。そして、基板１の凹部には、凹部を埋めるようにして第１の導電性部材２が凸部の高さまで積層されている。凸部の上には、格子部材５が基板１の格子周期に沿って、格子状に積層されている。格子部材５の上には、第２の導電性部材４が、光変調素子２０１と同様に、格子部材５と同じ格子周期で格子状に形成されている。つまり、基板１の凸部と格子部材５と第２の導電性部材４とによって、同じ格子周期の格子が形成されている。

光変調素子４０１は、光変調素子３０１と同様に、格子部材５の上下に第１の導電性部材２と第２の導電性部材４とが、それぞれ交互に格子を形成するように、格子部材５と隣接して配置されている。このため、第１の導電性部材２と第２の導電性部材４とにそれぞれ異なる電圧を印加することにより、導波方向に対して垂直方向の電界を格子層３内に効率的に発生させることができる。よって、民生用途で必要な反射波長の広帯域化を行った場合でも、電圧印加時の反射波長帯域を電圧未印加時の反射波長帯域と重ならないようにシフトさせることが可能となり、導波モード共鳴格子を光変調素子として利用できるようになる。

光変調素子４０１の作製方法について、以下に説明する。

まず、基板１の表面にレジストを塗布し、露光、現像を行い、基板１をエッチングし、レジストを除去することにより、基板１の表面を格子状の凸部と凹部とにする。そして、その後は光変調素子３０１と同様に、基板１の表面に格子部材５を成膜、エッチング、レジスト除去により形成した後、第１の導電性部材２及び第２の導電性部材４を成膜することにより、光変調素子４０１を作製することができる。

光変調素子４０１において、第１の導電性部材２及び第２の導電性部材４の厚さは、略等しくすることが好ましい。第１の導電性部材２と第２の導電性部材４との厚さを、略等しくすることにより、格子部材５を形成後に、第１の導電性部材２と第２の導電性部材４とを同時に成膜することができる。よって、光変調素子４０１の製造コストを削減することが可能となる。

光変調素子４０１では、光変調素子３０１と同様に、格子部材５を基板１の上に直接積層させている。このため、光変調素子４０１の構成では、容易に格子部材５を結晶化させることが可能である。

光変調素子４０１では、基板１の凹部に第１の導電性部材２が積層されている構成であるため、第１の導電性部材２と第２の導電性部材４との厚さを等しくする場合において、光変調素子３０１等の他の構成と比べてより容易に反射防止構造とすることができる。

反射防止構造とするには、高屈折率材料と低屈折率材料とが交互に積層されている場合、それぞれの層における膜厚ｔと屈折率ｎとをｔ＝λ／２ｎの関係にする必要がある。これにより、例えば、第一層と第二層との境界で反射した光と、第二層と第三層との境界で反射した光とが打ち消し合うように、それぞれの層の境界における反射光の位相は互いにπずれることになり、反射光を抑制することができる。

例えば、光変調素子３０１において、第１の導電性部材２と格子部材５とからなる第１層と、格子部材５と空気とからなる第２層と、第２の導電性部材４と空気とからなる第３層との平均屈折率に応じて膜厚を調整することにより、変調する波長に対して反射防止構造とすることができる。より具体的には、第１層の平均屈折率をｎ_ａｖｅ１、第３層の平均屈折率をｎ_ａｖｅ２とすると、第１層は第２層の空気部分が第１の導電性部材２になっているため、必ずｎ_ａｖｅ＜ｎ_ａｖｅ１となる。よって、ｎ_ａｖｅ１＝ｎ_ａｖｅ２の場合、第１層と第３層の膜厚をλ／２ｎ_ａｖｅ１、第２層の膜厚をλ／２ｎ_ａｖｅとすれば、反射防止構造となる。しかしながら、ｎ_ａｖｅ１≠ｎ_ａｖｅ２の場合、反射防止構造とするためには第１層と第３層とを異なる膜厚にする必要がある。このため、第１の導電性部材２と第２の導電性部材４との厚さを等しくすることはできない。

一方、光変調素子４０１では、第１層が、基板１と第１の導電性部材２とからなっている。このため、例えばｎ_ａｖｅ１＝ｎ_ａｖｅとなるように基板１の材料を選択するか、あるいはｎ_ａｖｅ１＝ｎ_ａｖｅとなるように充填率を選択することにより、第１層と第２層との屈折率の境界を無くすことができる。よって、第１層と第３層との膜厚が等しい場合でも容易に光変調素子の構成を反射防止構造とすることができる。光変調素子の構成を反射防止構造とすることにより、光変調素子の反射時と透過時との光量の比であるコントラストを向上させることが可能となる。

以上のように、光変調素子４０１は、格子層３に導波する光に対して垂直方向の電界を印加するための第１の導電性部材２及び第２の導電性部材４を備えている。このため、格子層３の屈折率を大きく変化させることが可能である。よって、民生用途で必要な反射波長の広帯域化を行った場合でも、電圧印加時の反射波長帯域を電圧未印加時の反射波長帯域と重ならないようにシフトさせることが可能である光変調素子を提供することができる。

（実施の形態５）
本発明の第５の実施形態について、図９に基づいて以下に説明するが、上述した実施の形態と同一部分には同一符号を付し、その説明は省略する。

図９は、本実施の形態に係る光変調素子５０１の側面図である。

図９に示すように、光変調素子５０１は、基板１の上に格子部材５が積層されている。格子部材５は、表面に格子状の凸部と凹部とが設けられている。そして、光変調素子４０１等とは異なり、格子部材５は互いに繋がって１つの部材となっており、基板１の表面は全て覆われている。そして、格子部材５の凹部には、凹部を一部埋めるようにして第１の導電性部材２が積層されている。格子部材５の凸部の上には、第２の導電性部材４が格子部材５の格子周期に沿って、格子状に積層されている。つまり、格子部材５と第２の導電性部材４とによって、格子周期が同じ格子が形成されている。

光変調素子５０１は、光変調素子３０１と同様に、格子部材５の上下に第１の導電性部材２と第２の導電性部材４とが、それぞれ交互に格子を形成するように、格子部材５と隣接して配置されている。このため、第１の導電性部材２と第２の導電性部材４とにそれぞれ異なる電圧を印加することにより、導波方向に対して垂直方向の電界を格子層３内に効率的に発生させることができる。よって、民生用途で必要な反射波長の広帯域化を行った場合でも、電圧印加時の反射波長帯域を電圧未印加時の反射波長帯域と重ならないようにシフトさせることが可能となり、導波モード共鳴格子を光変調素子として利用できるようになる。

光変調素子５０１の作製方法について、以下に説明する。

まず、基板１の表面に、格子部材５を成膜する。そして、格子部材５の表面にレジストを塗布し、その後、露光、現像を行い、格子部材５をエッチングする。この際、実施の形態３のように格子部材５を基板１が露出するまでエッチングするのではなく、エッチング時間を調整して格子部材５が一部残存するようにエッチングを行う。そしてレジスト除去後、実施の形態３と同様に、第１の導電性部材２及び第２の導電性部材４を成膜することにより、光変調素子５０１を作製することができる。

光変調素子５０１において、第１の導電性部材２及び第２の導電性部材４の厚さは、略等しくすることが好ましい。第１の導電性部材２と第２の導電性部材４との厚さを、略等しくすることにより、格子部材５を形成後に、第１の導電性部材２と第２の導電性部材４とを同時に成膜することができる。よって、光変調素子５０１の製造コストを削減することが可能となる。

光変調素子５０１では、光変調素子３０１と同様に、格子部材５を基板１の上に直接積層させている。このため、光変調素子５０１の構成では、容易に格子部材５を結晶化させることが可能である。

以上のように、光変調素子５０１は、格子層３に導波する光に対して垂直方向の電界を印加するための第１の導電性部材２及び第２の導電性部材４を備えている。このため、格子層３の屈折率を大きく変化させることが可能である。よって、民生用途で必要な反射波長の広帯域化を行った場合でも、電圧印加時の反射波長帯域を電圧未印加時の反射波長帯域と重ならないようにシフトさせることが可能である光変調素子を提供することができる。

（実施の形態６）
本発明の第６の実施形態について、図１０に基づいて以下に説明するが、上述した実施の形態と同一部分には同一符号を付し、その説明は省略する。

図１０は、本実施の形態に係る光変調素子６０１の側面図である。

図１０に示すように、光変調素子６０１では、第１の導電性部材２が基板１の上に周期的に配置され、基板１における第１の導電性部材２が配置されていない領域に、格子部材５が配置されている。第２の導電性部材４は、格子部材５の上に積層されている。つまり、格子部材５の上には、第２の導電性部材４が、格子部材５と同じ格子周期で格子状に形成されている。ここで、格子部材５は、第２の導電性部材４から基板１の方向に向かって、格子幅が狭くなっている。よって、第１の導電性部材２と格子部材５との間には、格子部材５における第２の導電性部材に接する面と基板１に接する面との格子幅差の半分とほぼ等しい隙間が生じる。

光変調素子６０１は、光変調素子３０１と同様に、格子層３の上下にそれぞれ第１の導電性部材２と第２の導電性部材４とが接している。このため、第１の導電性部材２と第２の導電性部材４とにそれぞれ異なる電圧を印加することにより、導波方向に対して垂直方向の電界を格子層３内に効率的に発生させることができる。よって、民生用途で必要な反射波長の広帯域化を行った場合でも、電圧印加時の反射波長帯域を電圧未印加時の反射波長帯域と重ならないようにシフトさせることが可能となり、導波モード共鳴格子を光変調素子として利用できるようになる。

光変調素子６０１の作製方法について、以下に説明する。

まず、基板１の表面に、犠牲層を成膜する。そして、犠牲層の表面にレジストを塗布し、その後、露光、現像を行い、犠牲層をエッチングする。ここで、エッチング後の犠牲層の形状は、表面から基板１の方向に向かって幅が広くなる台形形状となる。レジスト除去後、格子部材５を成膜し、ＣＭＰにより犠牲層の上の格子部材５を犠牲層の高さまで平滑化する。最後に、犠牲層の除去後、第１の導電性部材２及び第２の導電性部材４を成膜することにより、光変調素子６０１を作製することができる。

光変調素子６０１において、第１の導電性部材２及び第２の導電性部材４の厚さは、略等しくすることが好ましい。第１の導電性部材２と第２の導電性部材４との厚さを、略等しくすることにより、格子部材５を形成後に、第１の導電性部材２と第２の導電性部材４とを同時に成膜することができる。よって、光変調素子６０１の製造コストを削減することが可能となる。

光変調素子６０１では、光変調素子３０１と同様に、格子部材５を基板１の上に直接積層させている。このため、光変調素子６０１の構成では、容易に格子部材５を結晶化させることが可能である。

光変調素子６０１では、格子部材５の格子幅が、第２の導電性部材から上記基板の方向に向かって狭くなっている。このため、第１の導電性部材２と第２の導電性部材４とを同時に成膜する場合に、第１の導電性部材２と第２の導電性部材４とが互いに接触され難い。よって、より容易に第１の導電性部材２と第２の導電性部材４とを同時に成膜することが可能となる。

以上のように、光変調素子６０１は、格子層３に導波する光に対して垂直方向の電界を印加するための第１の導電性部材２及び第２の導電性部材４を備えている。このため、格子層３の屈折率を大きく変化させることが可能である。よって、民生用途で必要な反射波長の広帯域化を行った場合でも、電圧印加時の反射波長帯域を電圧未印加時の反射波長帯域と重ならないようにシフトさせることが可能である光変調素子を提供することができる。

（実施の形態７）
本発明の第７の実施形態について、図１１に基づいて以下に説明するが、上述した実施の形態と同一部分には同一符号を付し、その説明は省略する。

図１１は、本実施の形態に係る複合型光変調素子７０１の上面図である。

図１１に示すように、複合型光変調素子７０１は、１つの光変調素子の中に９つの光変調素子８０１を含むアレー化された構成となっている。光変調素子８０１は、共通の１つの基板１の上に、第１の導電性部材２、格子部材５、第２の導電性部材４が、この順番でそれぞれ９つ積層された構造となっている。基板１は、上面から見たとき略正方形の形状を有している。光変調素子８０１は、上面から見たときそれぞれの大きさが同じである略正方形の形状を有している。光変調素子８０１は、基板１の上に基板１の正方形の１辺あたり３個づつ、基板１の正方形の辺と光変調素子８０１の正方形の辺とが平行になるように、略等間隔で配置されている。

複合型光変調素子７０１は、１つの素子の中に複数の光変調素子を備えているため、１つの素子で複数の入射光の制御が可能となる。

光変調素子８０１における、第１の導電性部材２、格子部材５、第２の導電性部材４の素子構造は、光変調素子１０１と同じ構造であるが、これに限定されるものではない。第１の導電性部材２、格子部材５、第２の導電性部材４の他の素子構造としては、例えば光変調素子２０１、光変調素子３０１、光変調素子４０１、光変調素子５０１、光変調素子６０１と同じ素子構造等が挙げられる。また、光変調素子８０１の素子構造は、それぞれ同じであっても良く、異なっていても良い。製造の容易さから、光変調素子８０１の素子構造はそれぞれ同じであることが、より好ましい。

本実施の形態では、複合型光変調素子７０１は光変調素子８０１を９つ備えた構造であるが、複合型光変調素子７０１が備える光変調素子８０１の数は、これに限定されるものではない。

また、本実施の形態では、光変調素子８０１の上面から見たときの形状は略正方形の形状であるが、これに限定されるものでもない。

複合型光変調素子７０１は、光変調素子８０１における隣接する導波モード共鳴格子を導波した光同士が結合しないように、隣接する光変調素子８０１間の距離は、変調対象の光の空気中における波長以上に離すことが好ましい。

複合型光変調素子７０１の作製は、光変調素子１０１と同様な方法によって行うことができる。

以上のように、複合型光変調素子７０１は、１つの素子の中に光変調素子８０１を複数個備えている。光変調素子８０１は、民生用途で必要な反射波長の広帯域化を行った場合でも、電圧印加時の反射波長帯域を電圧未印加時の反射波長帯域と重ならないようにシフトさせることが可能である。このため、民生用途で使用することが可能な複数の入射光を制御することができる複合型光変調素子を提供することができる。

上述の説明では、格子層３における低屈折率部材を空気に置き換えた構造となっているが、低屈折率部材がガラス等のような屈折率が低い材料からなるものであっても良い。格子層３が、高屈折率部材として格子部材５、低屈折率部材としてガラスなどの屈折率が低い材料を備える構成であっても、本実施形態と略同様の効果が得られる。

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

本発明に係る光変調素子は、民生用途で必要な反射波長の広帯域化を行った場合でも、電圧印加時の反射波長帯域を電圧未印加時の反射波長帯域と重ならないようにシフトさせることが可能である。このため、例えば投射型ディスプレ等に利用することができる。従って、本発明に係る光変調素子は、家庭から工業設備にいたる様々な電気製品の分野に好適に用いることができる。

また、本発明に係る複合型光変調素子は、１つの素子で複数の入射光を制御することが可能である。このため、上記光変調素子と同様に、例えば投射型ディスプレ等に利用することができる。従って、本発明に係る複合型光変調素子は、家庭から工業設備にいたる様々な電気製品の分野に好適に用いることができる。

本発明の実施の一形態に係る光変調素子の斜視図である。 上記光変調素子における格子層に発生する電界を説明するための説明図である。 上記光変調素子の製造工程を説明するための説明図である。 本発明の実施の他の形態に係る光変調素子の斜視図である。 本発明の実施の他の形態に係る光変調素子の製造工程を説明するための説明図である。 本発明の実施のさらに他の形態に係る光変調素子の斜視図である。 本発明の実施のさらに他の形態に係る光変調素子における格子層に発生する電界を説明するための説明図である。 本発明の実施のさらに他の形態に係る光変調素子の側面図である。 本発明の実施のさらに他の形態に係る光変調素子の側面図である。 本発明の実施のさらに他の形態に係る光変調素子の側面図である。 本発明の実施の一形態に係る複合型光変調素子の上面図である。 従来技術を示すものであり、光変調素子の側面図である。 従来技術を示すものであり、光変調素子における格子層に発生する電界を説明するための説明図である。 従来技術を示すものであり、光変調素子における入射光の波長と反射率との関係を示すグラフである。

符号の説明

１ 基板
２ 第１の導電性部材（導電性部材）
３ 格子層
４ 第２の導電性部材（導電性部材）
５ 格子部材
１０１ 光変調素子
７０１ 複合型光変調素子
Ｗ 格子幅

Claims (11)

1. 基板上に、
   電気光学効果を有する格子部材が周期的に配置された格子層と、
   導電性部材とを備える光変調素子であって、
   上記格子層の平均屈折率は上記基板の屈折率よりも大きく、
   上記導電性部材は、上記格子層における導波方向に対して、垂直の方向に電圧を印加するようになっているものであることを特徴とする光変調素子。
2. 上記格子部材が空間を隔てて周期的に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の光変調素子。
3. 上記導電性部材は、第１の導電性部材と第２の導電性部材とを含み、
   上記基板の上に、上記第１の導電性部材、上記格子層、上記第２の導電性部材の順に積層されていることを特徴とする請求項１に記載の光変調素子。
4. 上記基板と上記格子部材とが隣接していることを特徴とする請求項１に記載の光変調素子。
5. 上記導電性部材は、第１の導電性部材と第２の導電性部材とを含み、
   上記基板の上に、上記第１の導電性部材が周期的に配置され、
   上記基板における上記第１の導電性部材が配置されていない領域に、上記格子部材が配置され、
   上記格子部材の上に、上記第２の導電性部材が積層されていることを特徴とする請求項４に記載の光変調素子。
6. 上記第１の導電性部材の厚さと上記第２の導電性部材の厚さとが略等しいことを特徴とする請求項５に記載の光変調素子。
7. 上記格子部材の格子幅が、第２の導電性部材から上記基板の方向に向かって、狭くなっていることを特徴とする請求項５に記載の光変調素子。
8. 上記格子部材と上記導電性部材とが、少なくとも変調対象の光の波長帯域において光学的に透明であることを特徴とする請求項１に記載の光変調素子。
9. 上記格子層における格子部材が配置される周期は、変調対象の光の空気中の波長よりも短いことを特徴とする請求項１に記載の光変調素子。
10. 請求項１〜９の光変調素子を複数備えた複合型光変調素子。
11. 上記複合型光変調素子に備えられた光変調素子間の距離は、変調対象の光の空気中の波長よりも長いことを特徴とする請求項１０に記載の光変調素子。

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