JP2007149266A - 光情報記録装置、光情報記録再生装置及び空間光変調素子 - Google Patents

Abstract

【課題】ホログラムメモリシステムである光情報記録装置において、高速で動作し、かつ微細化可能であり、さらに簡単な構造を有する反射型の空間光変調素子を使用して、低コスト化、高信頼化を図る。
【解決手段】空間光変調素子として、光源からの光を反射する反射電極３３０と、反射電極３３０より光源側に空間を介して配置され、光源からの光に対して半透過性を示す半透過膜３３１とを有し、反射電極３３０と半透過膜３３１との間隔を制御することによって光源からの光の反射率が変化する反射型光干渉変調素子を有するものを使用する。
【選択図】図２

Description

本発明は、光の干渉縞を記録媒体に記録することにより、高密度・大容量の情報の記録が可能な光情報記録装置及び光情報記録再生装置と、このような記録装置、記録再生装置で用いられる空間光る変調素子とに関する。

今日、世の中はマルチメディア時代に入り、記録媒体に対して記録を行う記録装置や記録媒体に対して記録及び再生を行う記録再生装置の必要性は重要度を増しており、その記録密度も年々上昇している。光情報記録媒体においても、ＣＤ（コンパクトディスク）から、ＤＶＤ(Digital versatile disc)、そしてＢｌｕｅＲａｙ（ブルー・レイ）ディスクといった進歩が見られる。光情報記録媒体における進歩に対応して、ディスクを用いた光情報記録装置及び光情報記録再生装置においても使用する光の波長の短波長化により記録密度を上昇させてきている。近年では、ホログラフィックメモリという新しい記録方式が提案されている。ホログラフィックメモリは、記録すべき情報に応じたホログラムを記録媒体中に形成することにより、情報の記録を行うものである。ホログラムを使用することの特徴から、多重記録が可能であって、隣接するホログラムが相互に重なり合う部分を有していてもこれらのホログラムから独立して情報を再生できる。したがって、ホログラフィックメモリでは、従来の光情報記録媒体では得られないような高記録密度を達成することができる。

ホログラフィックメモリについては、例えば非特許文献１において解説がなされている。図１６は、ホログラフィックメモリによる従来の記録再生装置であって、コリニア方式と呼ばれる同軸タイプのホログラフィックメモリシステム（光情報記録再生装置）の光学系を説明している。

この光情報記録再生装置は、例えばディスク状であるホログラム記録媒体２１６に対して情報の記録及び再生を行うものである。具体的には、情報によって変調された信号光と情報によっては変調されていない参照光とを同時に記録媒体２１６に照射して干渉させることによって、記録媒体２１６内に体積ホログラムを形成し、情報を記録する。また、弱い参照光を記録媒体２１６に照射することによって、体積ホログラムの再生像を取得し、情報を再生する。なお、体積ホログラムとは、記録媒体の体積ホログラムとは、記録媒体の厚み方向も積極的に利用し、３次元的に干渉縞を書き込む方式であり、厚みを増やす事で、回折効率を高め、多重記録を用いて記録容量を増大する方式である。デジタル体積ホログラムとは、体積ホログラムと同様の記録方式を用いつつも、記録する画像情報は２値化したデジタルパターンに限定したホログラム記録方式である。

図示された光学系は、情報の記録及び再生に用いるレーザ光を発生する第１の光源２０１と、信号光を変調するための空間光変調素子（spacial light modulator；以下、ＳＬＭと略記する）２０４と、再生光を検出するための２次元の受光素子２１９を備えている。

まず、上記光学系を用いて、ディスク状の記録媒体２１６に対して記録を行う場合について説明する。

緑色レーザ等からなる第１の光源２０１から出射された光束は、コリメータ２０２によって平行光束とされ、ミラー２０３を経由し、ＳＬＭ２０４を照明する。図１６に示したものでは、ＳＬＭ２０４として、ＤＭＤ(Deformable Mirror Device)が使用されている。このようなＳＬＭ２０４は、２次元に配置された多数の光変調素子（画素）を有し、各画素ごとに「０」、「１」を表わすことができるようになっている。ＳＬＭ２０４において、「１」の情報を表わす画素で反射された光は、記録媒体２１６の方向へ反射され、「０」の情報を表わす画素で反射された光は記録媒体２１６の方向へ反射されない。コリニア方式のホログラフィックメモリシステムで用いられるＳＬＭ２０４では、その中央部分が、情報光２０６を変調する部分とされており、それを環状に取り巻く部分は、参照光２０５を変調する部分となっている。

ＳＬＭ２０４において「１」の情報を表わす画素で反射された情報光２０６及び参照光２０５は、いずれも、偏光ビームスプリッタ（以下、ＰＢＳと略記する）２０７をＰ偏光で透過する。そして、第１のリレーレンズ２０８、ミラー２０９、第２のリレーレンズ２１０、ダイクロイックビームスプリッタ（以下、ＤＢＳと略記する）２１１を経由して記録媒体２１６に向けられる。ＤＢＳ２１１の通過後、１／４波長板（以下、ＱＷＰと略記する）２１２を透過して円偏光（例えば、右回りの円偏光）に変換された参照光２０５と情報光２０６は、ミラー２１３で反射されて、焦点距離Ｆの対物レンズ２１４に入射する。ＳＬＭ２０４上に表示されたパターンは、第１及び第２のリレーレンズ２０８、２１０により、対物レンズ２１４からＦだけ手前に中間像を形成する。これにより、ＳＬＭ２０４上のパターン像（図示せず）、対物レンズ２１４、記録媒体２１６がいずれもＦの距離だけ離れて配置される、４Ｆ光学系が構成される。

ディスク状の記録媒体２１６は、スピンドルモータ２１５上に回転可能に保持されている。対物レンズ２１４によって、参照光２０５と情報光２０６は記録媒体２１６に集光され、干渉して干渉縞を形成する。記録媒体２１６中の高分子材料には、この記録時の干渉縞パターンが屈折率分布として記録され、その結果、デジタル体積ホログラムが形成される。ＳＬＭ２０４により、記録すべき情報に応じて情報光２０６を変調すれば、記録媒体２１６に、その情報に応じたデジタル体積ホログラムが形成される。特に、ＳＬＭ２０４の情報光領域において、記録すべき情報に応じて画素ごとに変調を行えば、記録媒体２１６に、そのような画素数に応じた情報量を有するデジタル体積ホログラムが形成されることとなる。なお、記録媒体２１６中には、反射膜が設けられている。

光情報記録再生装置には、ホログラム化された光情報の記録再生を行う第１の光源２０１以外に、記録媒体２１６に対する感光性のない赤色レーザ等からなる第２の光源２２０が設けられている。この第２の光源２２０を用いて、記録媒体２１６の反射膜を基準面として、記録媒体２１６の変位を高精度に検出することが可能である。これより、記録媒体２１６に面ブレや偏心が発生しても、光サーボ技術を用いてダイナミックに記録スポットを記録媒体面に追従させることが可能となり、高精度に干渉縞パターンを記録することができる。以下、このようなトラッキングについて、簡単に説明する。

赤色レーザ等からなる第２の光源２２０から出射された直線偏光光束は、ビームスプリッタ（以下、ＢＳと略記する）２２１を透過し、レンズ２２２で平行光束とされ、ミラー２２３とＤＢＳ２１１で反射されて、記録媒体２１６に向けられる。ＱＷＰ２１２を透過し、円偏光（例えば、右回りの円偏光）に変換された光束は、ミラー２１３で反射されて対物レンズ２１４に入射して、記録媒体２１６の反射膜に微小な光スポットとして集光される。反射された光束は逆回りの円偏光（例えば、左回りの円偏光）となり、対物レンズ２１４に再入射して平行光束とされ、ミラー２１３で反射されてＱＷＰ２１２を透過して、往路での偏光とは垂直な直線偏光光束に変換される。ＤＢＳ２１１で反射された光束は、往路と同様にミラー２２３、レンズ２２２を経由し、ＢＳ２２１で反射されて、光検出器２２４に導かれる。光検出器２２４は、複数の受光面を有していて、反射面の位置情報を検知する、この検知結果に基づいて対物レンズ２１４のフォーカスとトラッキングを行うことができる。このようなフォーカス及びトラッキングは、ＣＤやＤＶＤなどを用いる従来からよく知られた光情報記録再生装置において行われるものと同様のものである。

次に、上記光学系を用いて、記録媒体２１６に記録されている情報の再生を行う場合について説明する。第１の光源２０１から出射された光束は、記録時と同様にＳＬＭ２０４を照明する。再生時は、ＳＬＭ２０４の参照光２０５を変調する部分のみが「１」の情報を表示し、情報光２０６を変調する部分はすべて「０」の情報を表示する。したがって、参照光２０５の部分の画素で反射された光だけが、記録媒体２１６の方向へ反射され、情報光２０６は記録媒体２１６の方向へ反射されない。

記録時と同様に参照光２０５は、円偏光（例えば、右回りの円偏光）となって記録媒体２１６に集光され、記録されている干渉縞（デジタル体積ホログラム）から情報光を再生する。記録媒体２１６中の反射膜で反射された情報光は、逆回りの円偏光（例えば、左回りの円偏光）となり、対物レンズ２１４に再入射して平行光束とされ、ミラー２１３で反射されてＱＷＰ２１２を透過して、往路での偏光とは垂直な直線偏光光束（Ｓ偏光）に変換される。この時、対物レンズ２１４からＦの距離に再生されたＳＬＭ２０４の表示パターンの中間像が形成される。

ＤＢＳ２１１を透過した光束は、第２のリレーレンズ２１０、ミラー２０９、第１のリレーレンズ２０８を経由してＰＢＳ２０７に向けられる。ＰＢＳ２０７で反射された光束は、ＳＬＭ２０４と共役の位置に、ＳＬＭ２０４の表示パターンの中間像として再結像される。この位置には開口２１７が予め置かれていて、情報光の周辺部にある不要な参照光が遮蔽される。そして、レンズ２１８により、再結像された中間像は、ＣＭＯＳセンサ等の受光素子２１９上に、情報光の部分のみのＳＬＭ２０４の表示パターンを形成する。これにより、不要な参照光２０５が受光素子２１９に入射しないので、Ｓ／Ｎ（信号対ノイズ比）の良い再生信号が得られる。

結局、この光情報記録再生装置では、記録すべき情報を２次元デジタルパターン情報に展開し、この２次元デジタルパターン情報によって情報光が変調される。この処理により、記録情報が２次元空間の光強度分布画像情報となった情報光が生成される。そして情報光と参照光とを干渉させることによって、その干渉縞が記録媒体に記録される。再生時には、参照光を照射する事で再生される光強度分布画像情報から２次元デジタルパターン情報を抽出し、デコードする。このデジタル処理により、Ｓ／Ｎ比の劣化による再生誤り率の低下を抑えることが可能となり、また、２値化データをコード化してエラー訂正を行うことで、極めて忠実に、記録情報を再現することが可能となる。

上述したコリニア方式のホログラフィックメモリシステムでは、情報光と参照光とが角度を持たない同軸上の光学配置を有するので、１つの対物レンズを用いて記録再生を行うことができる。そのため、情報光と参照光とを別々の光路から記録媒体に照射させる２軸２光束干渉方式と比較して、光学系が簡単になるという利点を有する。また、反射膜を有する記録媒体の構造により、ディスク状の記録媒体の片面側に光学系を配置することができる利点を有する。
堀米 秀嘉ほか、「離陸間近のホログラフィック媒体 ２００６年に２００Ｇバイトを実現」、日経エレクトロニクス第８９１号、第１０５〜１１４頁、２００５年１月１７日

しかしながら、従来のホログラフィックメモリシステムにおいて、空間光変調素子（ＳＬＭ）としては、一般にＤＭＤや、上記で説明した光学系とは若干異なるが透過型の液晶素子が用いられている。透過型の液晶素子を用いる場合、光学系が容易になる利点はあるが、液晶素子であるがための微細化の問題や高速性の課題が生ずる。一方、ＤＭＤを用いる場合には、ＤＭＤの製造方法の複雑さによりコスト低下が困難であることや、微細化の問題が生じることが懸念されている。

上記の問題点に鑑み、本発明は、ホログラフィックメモリシステムに用いられる空間光変調素子において、高速で動作し、かつ微細化可能であり、さらに簡単な構造で低コスト化をはかるための反射型の空間光変調素子を提案するものである。

すなわち本発明の目的は、高速で動作し、かつ微細化可能であり、さらには簡単な構造で低コスト化をはかる空間光変調素子を実現することにある。

本発明の別の目的は、そのような空間光変調素子を備えた光情報記録装置及び光情報記録再生装置を実現することにある。

本発明の光情報記録装置は、情報光と参照光との干渉によって生じる干渉縞を記録媒体に形成することにより情報を記録媒体に記録する光情報記録装置において、光源と、複数の変調素子を有して情報に応じて少なくとも情報光を変調する空間光変調素子とを有し、変調素子は、光源からの光を反射する反射電極と、反射電極より光源側に空間を介して配置され、光源からの光に対して半透過性を示す半透過膜とを有し、反射電極と半透過膜との間隔を制御することによって光源からの光の反射率が変化することを特徴とする。

本発明においては、反射電極と半透過膜との間隔が各変調素子ごとに制御されることが好ましい。具体的には、反射電極と半透過膜との間に電圧を印加する手段を備え、反射電極と半透過膜との間の静電引力により、印加電圧に応じて反射電極と半透過膜との間隔が変化するものとすることが好ましい。この場合、複数の変調素子に対して共通に設けられる共通電極として半透過膜を設け、各変調素子ごとに反射電極に制御電圧が印加されるようにすることができる。変調素子は、空間光変調素子において、例えば、ライン状、あるいはマトリクス状に配置される。

本発明では、記録媒体に形成される干渉縞は、デジタル体積ホログラムとすることが好ましい。そのため、変調素子は、前記光源からの光を２値情報に変調するものであることが好ましい。

本発明において、反射電極は、単結晶シリコン回路基板上に形成することが好ましい。反射電極を単結晶シリコン回路基板上に形成することにより、高速駆動が可能になり、記録密度の高い光情報記録装置を実現できる。また、半透過膜は、例えば、Ｔｉを含む材料から構成される。このような半透過膜において印加電圧に対する変位を大きくするために、半透過膜は、各画素領域同士を画素領域と比較して細い構造で接続している構造とすることができる。さらに、半透過膜におけるこのような細い構造を複数に分割することができる。

本発明の光情報記録装置においては、参照光は、変調素子と同一平面にあり変調素子と同じ構造を有するダミー素子により空間光変調素子から反射されるようにすることができる。

本発明の光情報記録再生装置は、上述した本発明の光情報記録装置によって情報光と記録用の参照光との干渉によって生じる干渉縞を記憶媒体に記録させ、記憶媒体に再生用の参照光を照射することにより情報光を再生させることによって情報を記録再生させることを特徴とする。

また本発明の別の光情報記録再生装置は、情報光と参照光との干渉によって生じる干渉縞を記録媒体に形成することにより情報を記録媒体に記録し、記録媒体に参照光をあてて干渉縞を読み出して再生する光情報記録再生装置において、光源と、光源から出射された光束の少なくとも一部を空間的に変調し情報光とし、少なくとも一部を空間的に変調せずに参照光とするための空間光変調素子と、参照光と情報光を記録媒体の所定の深さで干渉させるための光学系と、光源から参照光を記録媒体の所定の深さにあてて、干渉縞から情報光を再生して再生された情報光を取り出す光学系と、受光素子と、取り出された情報光を受光素子へ導入する光学系と、を有し、空間光変調素子は複数の変調素子を有し、変調素子は、光源からの光を反射する反射電極と、反射電極より光源側に空間を介して配置され、光源からの光に対して半透過性を示す半透過膜とを有し、反射電極と半透過膜との間隔を制御することによって前記光源からの光の反射率が変化することを特徴とする。

本発明の空間光変調素子は、光源からの光の強度を変調する空間光変調素子において、複数の変調素子を有し、各変調素子は、光源からの光を反射する反射電極と、反射電極より光源側に空間を介して配置され、光源からの光に対して半透過性を示す半透過膜とを有し、反射電極と半透過膜との間隔を制御することによって光源からの光の反射率が変化することを特徴とする。

本発明によれば、反射電極と、反射電極の前方に空間を介して配置された半透過膜とからなる変調素子を使用して空間光変調素子を構成するので、変調素子として簡易な構造を微細に形成することが可能になり、低コストで光情報記録装置を提供できる。

本発明によれば、空間光変調素子として簡易な構造を有するものを使用するので、低コストで信頼性の高い光情報記録装置及び光情報記録再生装置を提供することができる。また、空間光変調素子と受光素子とを同一チップ上に形成することが可能となるので、両者の位置合わせの必要がなくなり、さらに、低コストで信頼性の高い光情報記録再生装置を提供できる。

次に、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態の光情報記録再生装置を説明するにあたり、まず、この光情報記録再生装置において用いられる空間光変調素子を説明する。本実施形態では、反射型の光干渉変調素子を用いて空間光変調素子を構成している。図１は、本実施形態における空間光変調素子を説明するための等価回路図である。

この空間光変調素子は、２次元に配列された複数の単位変調素子（画素）を備え、画素ごとに光の「０」、「１」を変調できるようにしたものである。複数の垂直信号線と、複数の駆動線（走査線）がマトリクス配線を構成しており、垂直信号線と駆動線との交差位置がそれぞれ画素に対応する。画素ごとに、スイッチングトランジスタからなる画素スイッチ、干渉構造部、保持容量を備えている。画素スイッチのゲートは対応する駆動線に接続し、ドレインは対応する垂直信号線に接続する。保持容量は画素スイッチのソースと定電位点（例えば接地電位点）との間に設けられている。さらに、干渉構造部も画素スイッチのソースに接続している。図１では、２本の垂直信号線３０１、３０２と２本の駆動線３１５，３１６が示されており、４画素分の領域が示されている。これら４画素の画素スイッチが符号３０３〜３０６で、干渉構造部が符号３０７〜３１０で、保持容量が符号３１１〜３１４で示されている。各干渉構造部は、各画素に共通な共通対向電極３２２も備えている。

垂直信号線３０１、３０２の一端は、それぞれサンプリングスイッチ３２０、３２１を介して水平信号線３１９に共通に接続している。サンプリングスイッチ３２０、３２１のゲートは、水平シフトレジスタ３１７に接続する。また、駆動線３１５、３１６の一端は、垂直シフトレジスタ３１８に接続している。

図１では２行２列で画素が配置しているが、本実施形態での空間光変調素子は、例えば１０００行１０００列のような多画素のマトリクスとすることもでき、その場合も同様の構成を有する。

以下、本実施形態における反射型の光干渉変調素子を用いた空間光変調素子の回路動作について説明する。

まず垂直シフトレジスタ３１８から駆動線３１５にオン信号が入力され、画素スイッチ３０３、３０４をオン状態にする。この状態で、水平シフトレジスタ３１７が順次動作し、水平信号線３１９から垂直信号線３０１、３０２に信号を伝達する。すなわち、まずサンプリングスイッチ３２０をオンにして、垂直信号線３０１に水平信号線３１９の信号を書き込む。すると、干渉構造部３０７において、画素スイッチ３０３を通して保持容量３１１に電荷が蓄積され、共通対向電極３２２との間に電界を生じさせる。この電界により干渉構造部３０７を変化させ、入射光に対する反射率を所望の値に変調させる。次いで、サンプリングスイッチ３２０をオフにした後にサンプリングスイッチ３２１をオンにして、今度は水平信号線３１９の信号を垂直信号線３０２に書き込み、画素スイッチ３０４を通して保持容量３１２に書き込む。このシーケンスでＸ方向（図示水平方向）に順次信号を画素に書き込んでいく。１行全て書き込んだ後に、駆動線３１５をオフ状態にし、今度は駆動線３１６にオン信号が入力され、画素スイッチ３０５、３０６をオン状態にする。その後は前述同様に水平方向に順次書き込んでいく。Ｙ方向（図示垂直方向）に配列した行のすべてに信号を書きこんだ後に、再びこの動作を第一行から繰り返し各画素の信号を書き換えていく。

図２に、本実施形態における反射型光干渉変調素子を用いた空間光変調素子の画素部（干渉構造部）の断面図である。

本実施形態における反射型光干渉変調素子は、画素（干渉構造部）ごとに、光を反射する反射電極３３０と、反射電極３３０の前方に配置され、光に対して半透過性を有する半透過膜３３１とを備えるものである。半透過膜３３１は、複数の画素にまたがって設けられており、上述した共通対向電極３２２として機能する。半透過膜３３１では、入射光のうち透過しなかった部分は反射されるようになっている。この構成において、反射電極３３０と半透過膜３３１との空間距離（エアギャップ）を変化させることにより、反射電極３３０で反射された反射光と半透過膜３３１で反射された反射光との干渉作用によって、全体としての反射光の強度を制御することができる。半透過膜３３１には、厚さが５ｎｍから１５ｎｍ程度の薄膜金属材料、例えばＴｉを用いることができるが、特にＴｉ限定されるものではない。反射電極３３０と半透過膜３３１との間の距離を保持するために、これらの間には、支柱状の絶縁膜３３２が設けられている。絶縁膜３３２は、隣接する画素の反射電極３３０間の間隙の位置のみに設けられるようにすることが好ましい。絶縁膜３３２としては、例えばシリコン窒化膜が用いられる。半透過膜３３１の表面のうち、反射電極３３０に対向しない方の面の全面には、例えばシリコン酸化膜からなる保護膜３３３が設けられている。

反射電極３３０には、光の反射率の高い材料を用いることが好ましく、Ａｌ，ＡｌＳｉ，ＡｌＣｕ，Ｔｉ，Ｔａ，Ｗ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｒｕ，Ｎｉ，Ａｕ，ＴｉＮ等の金属膜、あるいはこれら金属の化合物膜、あるいは積層膜を用いることができる。ただし、反射電極３３の材料はこれらのものに限定されるものではない。絶縁膜３３２と保護膜３３３は、異なる材料で構成しても同じ材料でも構成してもよく、絶縁材料であれば電気的に問題なく、材質が特に限定されるものではない。反射電極３３０は、画素ごとに設けられて、図１に示す等価回路において、それぞれ画素スイッチのソースに接続するものである。

次に、図２を用いて干渉構造部の動作について説明する。

まず半透過膜３３１の共通電極には、例えば０Ｖの接地電位を与える。図１を用いて説明したアクティブマトリクス動作により、反射電極３３０に信号に応じた電圧が与えられ、反射電極３３０と半透過膜３３１に電位差が生じる。そしてその電位差によって発生するクーロン力により、画素ごとに反射電極３３０と半透過膜３３１との間のエアギャップが変化する。

図３は、半透過膜３３１の厚さが１０ｎｍであって、エアギャップが１８０ｎｍのときとエアギャップが３０ｎｍのときのそれぞれについて、半透過膜３３１側から入射する光の反射率の値を縦軸に、光の波長を横軸に示したグラフである。図３より、反射電極３３０に与えた信号の電圧に応じてエアギャップが３０ｎｍから１８０ｎｍへと変化すると、それに伴い反射率が大きく変化することが分かる。これは、反射電極３３０で反射した光と半透過膜３３１で反射した光との干渉作用によるものであるが、この干渉作用は、光の波長や半透過膜の材料、エアギャップによりそれぞれ設計可能である。したがって、乾燥構造部における物理的な強度や、反射光において必要とされるコントラスト比等の特性を鑑みて、干渉構造部として必要な構成をとることが重要である。

このような空間光変調素子は、半導体装置製造技術を用いて、シリコン半導体基板の表面に形成されるものである。すなわち、半導体基板に上述した各配線や画素スイッチや保持容量を形成した後、それらの配線、画素スイッチ、保持容量を覆うように、反射電極３３０が設けられる。図２に示したものでは、反射電極３３０は、シリコン基板の表面に層間絶縁膜を介して設けられている。反射電極３３０の下方に下地配線層３３４が設けられて、層間絶縁膜を貫通するプラグ３３６を介して反射電極３３０と電気的に接続する。さらに層間絶縁膜には、反射型光干渉変調素子を用いた空間光変調素子に入射された光が干渉構造部の下部に配置された画素スイッチであるトランジスタの領域に届かないようにするための遮光膜３３５が設けられている。

図４（ａ），（ｂ）は、それぞれこのような反射型光干渉変調素子の平面図と斜視図である。ここでは２画素分の領域が示されており、図示左側の画素は、黒表示状態の反射型光干渉変調素子４０であり、図示右側の画素は、白表示状態の反射型光干渉変調素子４１である。ここでは、これらの画素をまたぐように全面に半透過膜４２が設けられていることが示されている。図４に示したものは、デジタル表示で信号を書き込んだ例で、反射型光干渉変調素子４１は、中心部のエアギャップが狭くなり反射率が増大して白くなっている。このような「０」、「１」のパターンを形成することで、記録情報とすることができる。隣接する画素（反射型光干渉変調素子）４０，４１の間の領域は、構造にもよるが、黒にすることも白にすることも可能である。しかしながら、ホログラフィックメモリシステムへの応用という観点からすれば、隣接する画素間の領域を黒にした方が擾乱はないといえる。素子間の領域を黒にすることは、反射電極３３０の下部に光吸収層を積層させることで実現できる。

なお、反射電極３３１に与えられる信号電圧をアナログ的に連続に変調させると、反射電極３３０と半透過膜３３１との間のエアギャップも連続的に変化し、そのエアギャップに応じて反射率も連続的に変化するため、アナログの記録情報とすることもできる。

図５は、上述したような反射型光干渉変調素子を用いた空間光変調素子を有する半導体チップの平面図である。ここでは、コリニア方式のホログラフィックメモリシステムに対して空間光変調素子を用いることとしているので、参照光のための反射領域（参照光領域４５）も設けられている。参照光領域４５は、常に白状態で光を反射すればよいので、この領域には半透過膜４２は設けられていない。これに対し、情報光領域４６では、半透過膜４２が配置され、反射型光干渉変調素子が設けられている。本実施形態では、参照光領域４５は情報光領域４６の周辺に配置されている。これにより、光学系の構成自体が簡素化されとともに、単一の空間光変調素子を用いて情報光と参照光の両方を形成することができる。

次に、先に説明した反射型光干渉変調素子を用いた空間光変調素子の作製方法について簡単に述べる。

ｎ型単結晶シリコン半導体基板を部分熱酸化し、ＬＯＣＯＳ(Local Oxdation of silicon)酸化膜を形成する。ついでＬＯＣＯＳ酸化膜をマスクとして、ボロン（Ｂ）をドーズ量１０¹¹ ｃｍ^-2程度でイオン注入し、ｐ型不純物領域であるｐ型ウエルを形成する。この基板を再度熱酸化し、厚さ６０ｎｍのゲート酸化膜を形成する。

次に、リン（Ｐ）を１０²⁰ ｃｍ^-3程度ドープしたｎ形型ポリシリコンからなるゲート電極を形成した後、基板全面にリンをドーズ量１０¹³ ｃｍ^-2程度でイオン注入し、不純物濃度１０¹⁸ ｃｍ^-3程度のｎ形不純物領域であるｎ型低濃度ドレインを形成する。引き続き、パターニングされたフォトレジストをマスクとして、リンをドーズ量１０¹⁵ ｃｍ^-2程度でイオン注入し、不純物濃度１０²⁰ ｃｍ^-3程度のソース・ドレイン領域を形成し、ｎＭＯＳトランジスタを形成する。同様にｐＭＯＳトランジスタを形成する。その後、基板全面に層間絶縁膜（不図示）を形成する。層間絶縁膜には、ＰＳＧ(Phospho-silicate Glass)膜やＮＳＧ(Nondope Silicate Glass)／ＢＰＳＧ(Boro-Phospho-Silicate Glass)膜、あるいは、ＴＥＯＳ（テトラエトキシシラン）によるＣＶＤ（化学気相成長）膜等を用いることが可能であり、特に限定されるものではない。

次に、ソース・ドレイン領域の直上にコンタクトホールをパターニングし、スパッタリング等によりアルミニウム（Ａｌ）層を蒸着した後パターニングし、下地配線層３３４を形成する。この下地配線層３３４と、ソース・ドレイン領域とのオーミックコンタクト特性を向上させるために、Ｔｉ／ＴｉＮ等のバリアメタルを下地配線層３３４とソース・ドレイン領域との間に形成することが望ましい。その後、層間絶縁膜を形成し、さらに金属膜によって遮光膜３３５を形成する。遮光膜３３５には、例えばＴｉ、ＴｉＮ、Ａｌ、Ａｇ等の金属膜もしくはそれらの積層膜を用いることができ、特に限定されるものではない。遮光膜３３５をパターニングした後、さらに層間絶縁膜を形成し、下地配線層３３４上の所定の位置にコンタクトホールを開ける。次いで、コンタクトホールにタングステンを堆積した後にＣＭＰ（化学機械研磨）法により平坦化してプラグ３３６を形成する。

その後、金属層をスパッタ法によりおよそ厚さ３００ｎｍ堆積し、パターニングして反射電極３３０を形成する。ついでシリコン窒化膜をプラズマＣＶＤ法により厚さ３００ｎｍ形成し、パターニング後のエッチングにより、支柱状の絶縁膜３３２を形成する。その後、レジストを塗布し平坦化した後におよそ高さ１８０ｎｍの支柱状の絶縁層３３２が均一に残るように平坦化する。次に、低温のスパッタ法により、Ｔｉ層を厚さ１０ｎｍ堆積して、さらにシリコン酸化膜を厚さ３００ｎｍ堆積する。パターニングした後にドライもしくはウエットエッチングでシリコン窒化膜とＴｉ層をエッチングし、その後レジストをウエットエッチングにより除去して半透過膜３３１と保護膜３３３を形成する。その後、ワイアボンディングで電極を取り出す。

このような製造工程を経ることにより、反射型光干渉変調素子を有する空間光変調素子を作製できた。

（第２の実施形態）
図６は、本発明の第２の実施形態における反射型光干渉変調素子の平面図である。第１の実施形態では、半透過膜が画素間をまたがって全面に一様に設けられていた。これに対し本実施形態では、隣接する反射型光干渉変調素子（画素）４０，４１の間の位置で半透過膜４７におけるつなぎ目を細くして、半透過膜４７が低電圧で駆動できるようにして反射型光干渉変調素子を形成した。図７は、反射型光干渉変調素子における信号電圧を横軸とし、反射率を縦軸として、電圧−反射率特性を示したグラフである。図７においては、第１の実施形態で示した全面一様に形成された半透過膜４２を有する素子の特性をＡで示し、本実施形態における画素間のつなぎ目を細く形成した半透過膜４７を有する素子の特性をＢとして示した。図７より、本実施形態の反射型光干渉変調素子は、全面一様の形状のものと比べて低電圧駆動が実現できているとともに、素子の反射率も増加していることが分かる。これは、１つの反射型光変調素子の中でエアギャップの狭くなる領域が大きくなるためで、白状態の開口率が大きい素子といえる。ホログラフィック記録においては、情報光の白と黒とのコントラストが高いほどホログラフ干渉縞のコントラストも高くなるので、本実施形態の反射型光干渉変調素子を用いることにより、再生時にエラーの少ない読み出しが可能となる。

（第３の実施形態）
図８は、本発明の第３の実施形態における反射型光干渉変調素子の平面図である。ここでは、第２の実施形態と同様に、隣接する反射型光干渉変調素子（画素）４０，４１の間の位置で半透過膜におけるつなぎ目を細くして半透過膜を低電圧で駆動できるようにしているが、つなぎ目の形状において第２の実施形態と異なっている。すなわち、半透過膜４２を保持する際の信頼性を向上するために、隣接する画素間の領域では平行な３本の継ぎ目に分離するように、半透過膜４２を構成している。このように継ぎ目を複数箇所に設けることで、半透過膜４２における安定な平面構造が実現する。

以上、本発明の好ましい反射型光干渉変調素子について説明したが、この光干渉変調素子は、光の干渉を利用して光の強度変調を行っている。そのため、半透過膜や反射電極における表面の平坦度は重要な要素であり、表面の平坦度が悪く、光の反射方向が微妙に変化すると、それに応じてホログラムによる干渉縞が所望のものから変化してしまう。本発明の光情報記録装置あるいは光情報記録再生装置では、空間光変調素子として、第１から第３の実施形態で示した素子構造を有するものを任意に選択することができるが、これらのものに限定されるものではない。例えば、第１から第３の実施形態の反射型光干渉変調素子を組み合わせて構成された空間光変調素子を用いることも可能である。

（第４の実施形態）
次に、上述した本発明に基づく空間光変調素子を用いた、本発明に基づく光情報記録再生装置について説明する。本実施形態の光情報記録再生装置は、コリニア方式ホログラフィックメモリシステムとして構成されたものであり、空間光変調素子と、再生光を検出するためのＣＭＯＳイメージセンサなどの受光素子とを同一の半導体チップ上に形成したものである。図９〜図１１は、本実施形態の光情報記録再生装置の光学系を説明する図である。図９は、記録時における光源から空間光変調素子までの光学系を示し、図１０は、記録時における空間光変調素子からホログラムディスク（記録媒体）までの光学系を示し、図１１は、再生時の光学系を示している。

本実施形態の光情報記録再生装置は、例えばディスク状であるホログラム記録媒体１８６に対して、体積ホログラムの書き込みによって情報の記録を行い、体積ホログラムの再生像を取得することによって情報の再生を行うものである。図示された光学系は、情報の記録及び再生に用いるレーザ光を発生する第１の光源１０１と、信号光を変調するための空間光変調素子（ＳＬＭ）と再生光を検出するための２次元の受光素子とを一体的に設けた変調／受光素子（ＳＬＭ／ＣＭＯＳ）１０８とを備えている。変調／受光素子１０８におけるＳＬＭ部分としては、上述の第１乃至第３の実施形態に記載された、反射型光干渉変調素子を有する空間光変調素子が好ましく使用される。そして、隣接する反射型光干渉変調素子（画素）の領域に、各画素に対応した受光セル（例えばフォトダイオード）が配置されており、これにより、ＳＬＭによる光変調と受光素子による受光とを同軸で行うことができるようになっている。後述するように、再生時には情報光の領域でのみ光学的な像パターンを検出すればよいので、受光素子は、ＳＬＭにおける情報光領域にのみ配置すればよい。あるいは、後述するように、シリコン半導体基板上に、反射型光干渉変調素子からなる空間光変調素子と受光素子とを縦方向に一体化して設けたもの（言い換えれば両者を積層したもの）であってもよい。

まず、図９及び１０を用いて、記録媒体１１８に記録を行う場合について説明する。図９において、緑色レーザ等からなる第１の光源１０１から出射された光束は、コリメータ１０２で平行光束とされ、マスク素子１０３に入射する。マスク素子１０３は、光束の中心部の情報光に相当する部分をマスクする働きを有する。光束の中心部を遮蔽するマスクを光路に挿入してもよい。情報の記録時には、このマスク素子１０３は機能せず、すべての光束を透過させている。マスク素子１０３を透過した光は、偏光ビームスプリッタ（以下、ＰＢＳと略記する）１０４に入射する。

Ｐ偏光でＰＢＳ１０４を透過した光束は、１／４波長板（以下、ＱＷＰと略記する）１０５を透過して円偏光（例えば、右回りの円偏光）に変換され、第１のリレーレンズ１０６及び第２のリレーレンズ１０７を経由し、変調／受光素子１０８に照射される。変調／受光素子１０８内のＳＬＭで「１（白）」の情報を表わす画素によって反射された光は、高い反射率で記録媒体１１８の方向へ反射され、ＳＬＭの「０（黒）」の情報を表わす画素で反射された光は、干渉により記録媒体１１８の方向へはわずかしか反射されない。従来例と同様に、そして、図５にも示したように、コリニア方式のＳＬＭには、情報光１１０を変調する部分とそれを環状に取り巻く参照光１０９を変調する部分が設けられている。

以下、図１０によって説明すると、変調／受光素子１０８のＳＬＭによって反射された光束は、逆回りの円偏光（例えば、左回りの円偏光）とされる。第２のリレーレンズ１０７及び第１のリレーレンズ１０６を経由した光束は、ＱＷＰ１０５を透過してＳ偏光に変換され、ＰＢＳ１０４で反射されて記録媒体１１８の方向に向けられる。

変調／受光素子１０８のＳＬＭにおいて、「１」の情報を表わす画素にて反射された情報光１１０及び参照光１０９は、ＰＢＳ１０４で反射され、第３のリレーレンズ１１１、ミラー１１２、第４のリレーレンズ１１３、ダイクロイックビームスプリッタ（以下、ＤＢＳと略記する）１１４を経由して記録媒体１１８に向けられ、ミラー１１５で反射されて焦点距離Ｆの対物レンズ１１６に入射する。変調／受光素子１０８のＳＬＭに表示されたパターンは、第３及び第４のリレーレンズ１１１、１１２により、対物レンズ１１６からＦだけ手前に中間像を形成する。これにより、変調／検出素子１０８のＳＬＭ上のパターン像（不図示）、対物レンズ１１６、記録媒体１１８とがいずれもＦの距離だけ離れて配置されている、４Ｆ光学系が構成されたことになる。

ディスク状の記録媒体１１８は、スピンドルモータ１１７上に回転可能に保持されている。対物レンズ１１６によって、参照光１０９と情報光１１０は記録媒体１１８に集光され、干渉して干渉縞を形成する。記録媒体１１８中の高分子材料には、この記録時の干渉縞パターンが屈折率分布として記録され、デジタル体積ホログラムが形成される。特に、記録すべき情報に応じて情報光１１０を変調すれば、記録媒体１１８に、その情報に応じたデジタル体積ホログラムが形成されることになる。なお、記録媒体１１８中には反射膜が設けられている。

従来のものと同様に、本実施形態の光情報記録再生装置には、ホログラム化された光情報の記録再生を行う第１の光源１０１以外に、記録媒体１１８に対する感光性のない赤色レーザ等からなる第２の光源１１９が設けられている。この第２の光源１１９を用いて、記録媒体１１８の反射膜を基準面として、記録媒体１１８の変位を高精度に検出することが可能である。これより、記録媒体１１８に面ブレや偏心が発生しても、光サーボ技術を用いてダイナミックに記録スポットを記録媒体面に追従させることが可能となり、高精度に干渉縞パターン（デジタル体積ホログラム）を記録することができる。以下に簡単に説明する。

第２の光源１１９から出射された光束は、ビームスプリッタ（以下、ＢＳと略記する）１２０を透過し、レンズ１２１で平行光束とされ、ミラー１２２とＤＢＳ１１４で反射されて、記録媒体１１８に向けられる。その後、ミラー１１５で反射されて対物レンズ１１６に入射して記録媒体１１８の反射膜に微小な光スポットとして集光される。反射された光束は、対物レンズ１１６に再入射して平行光束とされ、ミラー１１５、ＤＢＳ１１４で順次反射され、往路と同様にミラー１２２、レンズ１２１を経由し、ビームスプリッタＢＳ１２０で一部の光束を反射されて、光検出器１２３に導かれる。光検出器１２３は、複数の受光面を有していて、公知の方法で反射面の位置情報を検知し、それに基づいて対物レンズ１１６のフォーカスとトラッキングを行うことができる。

次に、図１１を用いて、記録媒体１１８にデジタル体積ホログラムとして記録されている情報を再生する場合の動作を説明する。第１の光源１０１から出射された光束は、記録時と同様に、変調／受光素子１０８に照射される。この際、第１の光源１０１からの光の強さは、記録媒体１１８に記録されている情報を破壊しないように、記録時に用いられた強度よりも小さいものとされる。再生時において、マスク素子１０３は、光束の中心部の情報光に相当する部分をマスクする。

第１のリレーレンズ１０６及び第２のリレーレンズ１０７は、マスク素子１０３の像を変調／受光素子１０８のＳＬＭに結像させる役目を有する。これにより、参照光の部分の素子のみが照明され、情報光の部分はマスク素子１０３の像によりきちんと遮光がなされることになる。変調／受光素子１０８のＳＬＭにおいては、参照光１０９を変調する部分のみが「１（白）」の情報を表示し、情報光１１０を変調する部分は、すべて「０（黒）」の情報を表示する。したがって、参照光１０９を変調する部分の画素で反射された光だけが、記録媒体１１８の方向へ反射される。情報光１１０を反射する部分の画素の光束は、記録媒体１１８の方向へ反射されないばかりかもともと照明すらされないので、従来例と比較して、一段とＳ／Ｎの良い情報光の再生が可能となる。

記録時と同様に参照光１０９は、ＰＢＳ１０４で反射され、記録媒体１１８に集光され、記録された干渉縞から情報光を再生する。記録媒体１１８中の反射膜で反射された情報光（すなわち再生光）は、対物レンズ１１６に再入射して平行光束とされ、ミラー１１５で反射される。この時、対物レンズ１１６からＦの距離に再生されたＳＬＭの表示パターンの中間像が形成される。

ＤＢＳ１１４を透過した光束は、第４のリレーレンズ１１３、ミラー１１２、第３のリレーレンズ１１１を経由してＰＢＳ１０４に向けられ、第４のリレーレンズ１１３と第３のリレーレンズ１１１とにより、マスク素子１０３と共役の位置にＳＬＭの表示パターンの中間像として再結像される（図示せず）。そして、この再結像された中間像は、ＰＢＳ１０４で反射され、第１のリレーレンズ１０６及び第２のリレーレンズ１０７により、変調／受光素子１０８上に結像される。上述したように、変調／受光素子１０８の受光素子部分は、情報光が照明される部分の画素間のみに配置されている。なお、本実施形態では、受光素子として、画素ごとに、フォトダイオードとフォトダイオードで検出した受光信号を増幅するＭＯＳトランジスタとを有する、ＣＭＯＳセンサを用いている。

上述したようにマスク素子１０３を用いることにより、この光情報記録再生装置では、受光素子が形成されている情報光部分の画素間の領域には不要な参照光は入射しないので、Ｓ／Ｎの良い再生信号を得ることができる。

次に、本実施形態の光情報記録再生装置における、記録・再生の回路動作を説明する。図１２は、本実施形態において用いられた、反射型干渉変調素子を用いたＳＬＭとＣＭＯＳセンサからなる受光素子とを一体型とした変調／受光素子を説明するための等価回路図である。図１２において、符号１〜１０までは、空間光変調素子に係る構成要素に付与され、符号２１〜３３は、ＣＭＯＳイメージセンサとして構成されている受光素子に係る構成要素の付与されている。

列方向（図示垂直方向）に延びる複数の垂直信号線１，１ａ，…と、行方向（図示水平方向）に延びる複数の駆動線（走査線）２，２ａ，…とが設けられてこれらはマトリクス配線を構成しており、垂直信号線と駆動線との交点がそれぞれ画素に対応する。したがって、画素はマトリクス状に配置されていることになり、画素配列の列ごとに垂直信号線が設けられ、行ごとに駆動線が設けられていることになる。垂直信号線１，１ａ，…は空間光変調素子のためのものであり、これと同様に、列ごとに、受光素子のための垂直信号線２６，２６ａ，…が設けられている。さらに、行ごとに、受光素子のための水平読出し線２７，２７ａ，…、水平リセット線２８，２８ａ，…、水平選択線２９，２９ａ，…が設けられている。

各画素には、空間光変調素子のために、スイッチングトランジスタからなる画素スイッチ３，３ａ，…と、干渉構造部４，４ａ，…と、保持容量５，５ａ，…が設けられている。また、各画素には、受光素子のために、フォトダイオード２１，２１ａ，…と、トランジスタからなる転送スイッチ２２，２２ａ，…と、トランジスタからなるリセットスイッチ２３，２３ａ，…と、増幅トランジスタ２４，２４ａ，…と、トランジスタからなる選択スイッチ２５，２５ａ，…とが設けられている。

各画素の空間光変調素子の部分では、画素スイッチ３，３ａ，…のゲートは対応する駆動線２，２ａ，…に接続し、ドレインは対応する垂直信号線１，１ａ，…に接続する。保持容量５，５ａ，…は、画素スイッチのソースと定電位点（例えば接地電位点）との間に設けられている。さらに、干渉構造部４，４ａ，…も画素スイッチのソースに接続している。各干渉構造部は、各画素に共通な共通対向電極６も備えている。垂直信号線１，１ａ，…の一端は、それぞれサンプリングスイッチ９，９ａ，…を介して空間光変調素子のための水平信号線１０に接続し、サンプリングスイッチ９，９ａ，…のゲートは、区間光変調素子の水平シフトレジスタ８に接続する。また駆動線２，２ａ，…の一端は垂直シフトレジスタ７に接続する。

各画素の受光素子の部分では、フォトダイオード２１，２１ａ，…のアノードは接地され、カソードはそれぞれ転送スイッチ２２，２２ａ，…の一端に接続している。転送スイッチ２２，２２ａ，…のゲートは対応する水平読出し線に接続し、他端はリセットスイッチの一端に接続している。リセットスイッチ２３，２３ａ，…は、フォトダイオード及びそれに対して電気的に接続するフローティングディフュージョン（ＦＤ）領域を所定電位までリセットするためのものであって、他端には所定の電位が印加されるとともに、ゲートは水平リセット線に接続している。さらに、転送スイッチ２２，２２ａ，…の他端は、フォトダイオード２１，２１ａ，…による信号電荷を増幅するための増幅トランジスタ２４，２４ａ，…のゲートにも接続している。増幅トランジスタ２４，２４ａ，…の一端には所定電位が印加され、他端は、選択スイッチ２５，２５ａ，…を介して、受光素子の対応する垂直信号線に接続する。選択スイッチのゲートは、対応する水平選択線に接続する。受光素子の垂直信号線２６，２６ａ，…の一端は、サンプリングスイッチ３２，３２ａ，…を介して、受光素子の水平信号線３３に接続する。サンプリングスイッチ３２，３２ａ，…のゲートは、受光素子の水平シフトレジスタ３１に接続する。受光素子のための水平読出し線２７，２７ａ，…、水平リセット線２８，２８ａ，…、水平選択線２９，２９ａの各一端は、いずれも、受光素子の垂直シフトレジスタ３０に接続している。

図１２では、２行２列で画素が配置しているが、当然のことながら、本実施形態の光情報記録再生装置における変調／受光素子１０８の回路は、例えば１０００行１０００列のような多画素のマトリクス構成とすることもできる。

本実施形態の変調／受光素子１０８の回路動作について説明する。まず、書き込みモードについて説明する。書き込み時の動作は、一般の表示装置などにおけるアクティブマトリクス動作と同様の動作である。

まず垂直シフトレジスタ７から駆動線２にオン信号が入力され、画素スイッチ３，３ａがオン状態になる。この状態で、水平シフトレジスタ８が順次動作し、水平信号線１０から垂直信号線１に信号を伝達する。すなわち、まずサンプリングスイッチ９がオンになって、垂直信号線１に水平信号線１０の信号が書き込まれ、画素スイッチ３を通して保持容量５に信号に応じた電荷が蓄積される。ＳＬＭとして第１〜第３の実施形態において示したような反射型光干渉変調素子を用いる場合、干渉構造部４の反射電極（不図示）と共通対向電極６との間の電位差が印加され、この間に電界が生じる。この電界により、干渉構造部４を変化させ、入射光に対する反射率を所望の値に変調させることができる。ホログラフィックメモリシステムにおけるＳＬＭとしては白と黒の２階調があればよいので、反射率としては最大反射率あるいは最小反射率が得られる電圧を干渉構造部４に与えることになる。次いでサンプリングスイッチ９をオフにした後にサンプリングスイッチ９ａをオンにして、今度は、水平信号線１０の信号を垂直信号線１ａに書き込み、この信号を、画素スイッチ３ａを介して保持容量５ａに書き込む。このようなシーケンスで、水平方向（行方向）に順次信号を画素に書き込んでいく。

１行全て書き込んだ後に、駆動線２がオフにされ、今度は駆動線２ａに、画素スイッチ３ｂ、３ｃをオン状態にするべく信号が入力される。後は前述同様に、水平方向に順次画素に信号を書き込んでいく。すべての行に電圧を書きこんだ後に、再びこの動作を第一行から繰り返し、各画素の電圧を書き換えていく。このようにして全画素に信号を書き込んだ後、第１の光源１０１からの光を変調／受光素子１０８に入射させれば、それぞれの画素において変調された光として反射し、その反射光は、参照光１０９と干渉して記録媒体１１８に記録される。

参照光１０９を変調する画素、すなわち参照光領域にある画素は、一定の反射率になるように設定される。例えば、情報光が当たる画素と同じ構造にして、最大反射率が得られるような電圧を与える。また例えば、干渉構造は形成せずに、単純にミラー構造としてもよい。

次に、読出しモードについて説明する。

記録媒体１１８に記録された情報が参照光１０９により再生され、受光画素に「１」（白）あるいは「０」（黒）に相当する光強度が入射され、それに応じた量の電荷がフォトダイオード２１，２１ａ…に蓄積される。垂直シフトレジスタ３０から水平読出し線２７にオン信号を出力し、転送スイッチ２２をオン状態にすることで、フォトダイオードに貯められた電荷が増幅トランジスタ２４のゲートの電位を変化させ、その結果、フォトダイオードに蓄えれた信号に応じた電圧が増幅トランジスタ２４のドレインに出力される。垂直シフトレジスタ３０から水平選択線２９によって選択スイッチ２５をオン状態にすると、増幅トランジスタ２４の出力が垂直信号線２６に伝達する。水平シフトレジスタ３１を順次動作させて、サンプリングスイッチ３２をオンにすることにより、垂直信号線２６から水平信号線３３へ情報が送られる。サンプリングスイッチ３２をオフにした後、次列のサンプリングスイッチ３２ａがオンとなって、同様に信号が送られる。１行すべての信号が送られた後は、垂直シフトレジスタ３０により、次の行に移行し、同様にして、順次、信号が読み出される。あとは読み出された信号に基づいて、記録媒体１１８に記録されている信号を再生すればよい。

なお、反射型光干渉光変調素子を用いたＳＬＭと受光素子であるＣＭＯＳセンサとをシリコン基板上に積層して一体化した場合、あるいは、画素間の位置に受光素子を配置した場合、受光素子も干渉構造部の上述した半透過膜の下側に位置することになる。したがって、読出しモードを行う直前に、情報を受光するすべての画素のＳＬＭのトランジスタ３、３ａ、３ｂ、…を一度オン状態にして、干渉構造部４，４ａ，４ｂ，…が同程度の透過率を示す状態に保持しておく必要がある。

なお、ＳＬＭと受光素子とを縦方向に積層した構成の変調／受光素子を用いる場合を説明したが、同一のシリコン基板において基板表面の異なる位置にＳＬＭと受光素子とを配置した場合においても、回路構成としては上述と同様のものである。すなわち、本実施形態では、シリコン半導体基板の表面において横方向に隣接してＳＬＭとＣＭＯＳセンサとを配置したものも変調／受光素子として使用できる。

次に、本実施形態における反射型光干渉光変調素子を用いたＳＬＭと受光素子であるＣＭＯＳセンサとを縦に一体化にした、すなわち積層した変調／受光素子の構造について説明する。図１３はそのような変調／受光素子の要部の断面構造を示している。ここでは、２画素分の領域が示されている。受光素子として高速読み出しが可能なＣＭＯＳセンサを用いる例を説明しているが、受光素子の種類は特に限定されるものではなく、ＣＣＤやその他の光センサでもよい。

単結晶シリコン（Ｓｉ）基板５１の表面にフォトダイオード５２が形成され、また、ＣＭＯＳセンサの転送スイッチのゲート電極５３が設けられている。これらの全面を覆うように層間絶縁膜６０が設けられ、層間絶縁膜６０内には、ＣＭＯＳセンサの配線５４、ＳＬＭの配線５５及び遮光膜５６が設けられている。そして層間絶縁膜６０の最表面近くには、反射電極５７が設けられている。配線５４は、コンタクトホールを介して転送スイッチのソース／ドレイン電極と接続し、配線５５はコンタクトホールを介して反射電極５７に接続する。層間絶縁膜６０の表面であって、反射電極５７の周縁部にあたる位置には、支柱状の絶縁膜６１が設けられており、この絶縁膜６１に保持されるようにして、半透過膜５８が設けられている。半透過膜５８と反射電極５７との間には、空間（エアギャップ）６２が形成されている。半透過膜５８の表面のうち、空間６２に面しない方の表面の全面に保護膜５９が形成されている。この図では、素子間絶縁するためのＬＯＣＯＳ酸化膜等や、ＣＭＯＳセンサの他のトランジスタ、配線、ＳＬＭの画素スイッチや配線は省略してある。

この変調／受光素子では、入射される光に対して反射電極５７と半透過膜５８との間で干渉を生じさせ、その間の空間（例えば空気）６２の距離（エアギャップ）を変化させることで、反射率及び透過率を変化させている。この構成では、反射型光干渉光変調素子を用いたＳＬＭと受光素子であるＣＭＯＳセンサを縦に一体化した構成となっている。そのため、受光素子であるＣＭＯＳセンサに入射する光を読み取る際に透過モードも使用するため、両ミラー（半透過膜６８及び反射電極５７）とも半透明である必要がある。しかしながら、横配置の場合には、干渉構造部４では透過モードを使用する必要が無いので、反射電極５７は半透明である必要はない。反射電極５７が半透明でない場合には、反射電極５７として、反射率の高い材料を用いることが好ましく、例えば、Ａｌ，ＡｌＳｉ，ＡｌＣｕ，Ｔｉ，Ｔａ，Ｗ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｒｕ，Ｎｉ，Ａｕ，ＴｉＮ等の金属膜、あるいはこれら金属の化合物膜を用いることができる。ただし、反射電極の材質はここに示したものに限定されるものではない。反射電極５７と半透過膜５８との間に配置された支柱状の絶縁膜６１は、例えばシリコン窒化膜で形成され、半透過膜５８の保護膜５９は、例えばシリコン酸化膜で形成される。なお、支柱状の絶縁膜６１、層間絶縁膜６０、保護膜５９としては、電気的な絶縁材料であれば特に限定されることなく使用することができ、またこれらを異なる材料で構成しても同じ材料で構成してもよい。

次に、この変調／受光素子の干渉構造部としての動作について説明する。まずＴｉからなる半透過膜５８には、例えば０Ｖのグランド電位を与える。前述したアクティブマトリクス動作により、反射電極５７には、信号に応じた電圧が与えられ、反射電極５７と半透過膜５８との間に電位差が生じ、それによって発生するクーロン力によりエアギャップが変化する。図１４は、半透過膜５８が厚さ５ｎｍのＴｉ、反射電極５７が厚さ１５ｎｍのＴｉの層構成の干渉構造部を構成した場合に、エアギャップが１７０ｎｍの時と１０ｎｍの時での反射率の波長変化を表わしたグラフである。保護膜５９としては、厚さ１０ｎｍのＳｉＯ₂が用いられている。図１４に示すように、波長５５０ｎｍの光において、エアギャップが１７０ｎｍの時の反射率は５２．５％であり、１０ｎｍの時の反射率は、１．２％である。反射電極５７に与える信号の電圧により、エアギャップを１０ｎｍから１７０ｎｍへと変化させると、それに伴い反射率が大きく変化することが分かる。この干渉作用は、波長や半透過膜材料、エアギャップによりそれぞれ設計可能であり、したがって、物理的な強度やコントラスト比等の特性を鑑みて、干渉構造部として必要な構成をとることが重要である。

読出しモードの場合には、少なくとも情報光が入射する画素では、光干渉の状態は同じ状態にして透過率を一定にしておく必要がある。そこでこの変調／受光素子においてエアギャップを１０ｎｍにした場合の透過率に波長変化を図１５に示す。この場合、透過率は２３．０％と比較的低いが、一定であることが重要であって透過率の絶対値はそれほど重要ではない。透過率を一定に保つことにより、再生光の強度をＣＭＯＳセンサで判別し、白画素なのか黒画素なのかを識別することが可能になる。

本実施形態では、ＳＬＭと受光素子であるＣＭＯＳセンサとを同一のチップに配しているので、両者間を位置合わせさせるための複雑な機構や高価なリレーレンズ系を廃することができ、光学系のコストダウンとコンパクト化を図ることができる。

本実施形態によれば、情報光と参照光との干渉によって生じる干渉縞を記録して情報を記録させる光情報記録装置あるいは光情報記録再生装置において、情報を書き込むための素子として空間光変調素子を用いている。そして空間光変調素子は、ライン状もしくはマトリクス状に複数存在する反射型の光干渉変調素子を有する。各光干渉変調素子は、光源からの光を反射する反射電極と、反射電極上に空間を介して配置された半透過性の電極とによって構成されている。そして各光干渉変調素子では、反射電極の電位を制御し、反射電極と半透過性の電極との間の間隔を変化させることにより、反射光の強度を変調することができる。このような構成の反射型光変調素子を空間光変調素子は、微細に形成することが可能なシンプルな構造を有する。したがって本実施形態によれば、光情報記録装置あるいは光情報記録再生装置を低コストに構成することができる。

本発明は、光の干渉縞を記録媒体に記録することにより、高密度・大容量の情報の記録が可能な光情報記録装置及び光情報記録再生装置に利用可能である。

本発明の第１の実施形態の光情報記録再生装置で用いられる空間光変調素子の等価回路図である。 空間光変調素子の画素部（干渉構造部）の構成を示す断面図である。 干渉構造部の波長−反射率特性を示すグラフである。 （ａ），（ｂ）はぞれぞれ反射型光干渉変調素子の平面図及び斜視図である。 反射型光干渉変調素子を用いた空間光変調素子を有する半導体チップの平面図である。 第２の実施形態における反射型光干渉変調素子の平面図である。 図６に示す反射型干渉素子の波長−反射率特性を示すグラフである。 第３の実施形態における反射型光干渉変調素子の平面図である。 本発明の第４の実施形態の光情報記録再生装置の光学系を説明する図であって、記録時における光源から変調／受光素子までを示す図である。 第４の実施形態の光情報記録再生装置の光学系を説明する図であって、記録時における変調／受光素子から記録媒体までを示す図である。 第４の実施形態の光情報記録再生装置の光学系を説明する図であって、再生時を示す図である。 変調／受光素子を説明する等価回路図である。 変調／受光素子の要部の断面図である。 変調／受光素子の波長−反射率特性を示すグラフである。 変調／受光素子の波長−透過率特性を示すグラフである。 ホログラフィックメモリを用いる従来の光情報記録装置装置の概略を示す図である。

符号の説明

１，２６，３０１，３０２ 垂直信号線
２，３１５，３１６ 駆動線（走査線）
３，３０３〜３０６ スイッチングトランジスタ
４，３０７〜３１０ 干渉構造部
５，３１１〜３１４ 保持容量
６，３２２ 共通対向電極
７，３０，３１８ 垂直シフトレジスタ
８，３１，３１７ 水平シフトレジスタ
９，３２，３２０，３２１ サンプリングスイッチ
１０，３３，３１９ 水平信号線
２１，５２ フォトダイオード
２２ 転送スイッチ
２３ リセットスイッチ
２４ 増幅トランジスタ
２５ 選択スイッチ
２７ 水平読出し線
２８ 水平リセット線
２９ 水平選択線
４２，４７，５８，３３１ 半透過膜
４５ 参照光領域
４６ 情報光領域
５１ シリコン（Ｓｉ）基板
５３ ゲート電極
５４，５５ 配線
５６，３３５ 遮光膜
５７，３３０ 反射電極
５９，３３３ 保護膜
６０ 層間絶縁膜
６１，３３２ 絶縁膜
６２ 空間
１０１，２０１ 第１の光源（緑色レーザ）
１０２，２０２ コリメータ
１０３ マスク素子
１０４，２０７ 偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）
１０５，２１２ １／４波長板（ＱＷＰ）
１０６，１０７，１１１，１１３，２０８，２１０ リレーレンズ
１０８ 変調／受光素子
１０９，２０５ 参照光
１１０，２０６ 情報光
１１２，１１５，１２２，２０３，２０９，２１３，２２３ ミラー
１１４，２１１ ダイクロイックビームスプリッタ（ＤＢＳ）
１１６，２１４ 対物レンズ
１１７，２１５ スピンドルモータ
１１８，２１６ 記録媒体
１１９，２２０ 第２の光源（赤色レーザ）
１２０，２２１ ビームスプリッタ（ＢＳ）
１２１，２１８，２２２ レンズ
１２３，２２４ 光検出器
３３４ 下地配線層
３３６ プラグ
２０４ 空間光変調素子（ＳＬＭ）
２１７ 開口
２１９ 受光素子

Claims (13)

1. 情報光と参照光との干渉によって生じる干渉縞を記録媒体に形成することにより情報を前記記録媒体に記録する光情報記録装置において、
   光源と、
   複数の変調素子を有して前記情報に応じて少なくとも前記情報光を変調する空間光変調素子とを有し、
   前記変調素子は、前記光源からの光を反射する反射電極と、前記反射電極より前記光源側に空間を介して配置され、前記光源からの光に対して半透過性を示す半透過膜とを有し、前記反射電極と前記半透過膜との間隔を制御することによって前記光源からの光の反射率が変化することを特徴とする、光情報記録装置。
2. 前記反射電極と前記半透過膜との間隔が前記各変調素子ごとに制御されることを特徴とする、請求項１に記載の光情報記録装置。
3. 前記反射電極と前記半透過膜との間に電圧を印加する手段を備え、前記電圧に応じて前記反射電極と前記半透過膜との間隔が変化することを特徴とする、請求項１または２に記載の光情報記録装置。
4. 前記半透過膜は、複数の変調素子に対して共通に設けられる共通電極であり、各変調素子ごとに反射電極に制御電圧が印加されることを特徴とする、請求項３に記載の光情報記録装置。
5. 前記変調素子は、前記光源からの光を２値情報に変調することを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光情報記録装置。
6. 前記反射電極は、単結晶シリコン回路基板上に形成されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光情報記録装置。
7. 前記半透過膜は、Ｔｉを含む材料からなることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光情報記録装置。
8. 前記半透過膜は、各画素領域同士を画素領域と比較して細い構造で接続していることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光情報記録装置。
9. 前記半透過膜における前記細い構造が複数に分割されていることを特徴とする請求項８に記載の光情報記録装置。
10. 前記参照光は、前記変調素子と同一平面にあり前記変調素子と同じ構造を有するダミー素子により前記空間光変調素子から反射されることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の光情報記録装置。
11. 請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の光情報記録装置によって情報光と記録用の前記参照光との干渉によって生じる干渉縞を記憶媒体に記録させ、該記憶媒体に再生用の参照光を照射することにより前記情報光を再生させることによって情報を記録再生させることを特徴とする光情報記録再生装置。
12. 情報光と参照光との干渉によって生じる干渉縞を記録媒体に形成することにより情報を前記記録媒体に記録し、前記記録媒体に参照光をあてて前記干渉縞を読み出して再生する光情報記録再生装置において、
    光源と、
    前記光源から出射された光束の少なくとも一部を空間的に変調し前記情報光とし、少なくとも一部を空間的に変調せずに前記参照光とするための空間光変調素子と、
    前記参照光と前記情報光を前記記録媒体の所定の深さで干渉させるための光学系と、
    前記光源から前記参照光を前記記録媒体の所定の深さにあてて、前記干渉縞から前記情報光を再生して再生された情報光を取り出す光学系と、
    受光素子と、
    前記取り出された情報光を前記受光素子へ導入する光学系と、
    を有し、
    前記空間光変調素子は複数の変調素子を有し、
    前記変調素子は、前記光源からの光を反射する反射電極と、前記反射電極より前記光源側に空間を介して配置され、前記光源からの光に対して半透過性を示す半透過膜とを有し、前記反射電極と前記半透過膜との間隔を制御することによって前記光源からの光の反射率が変化することを特徴とする光情報記録再生装置。
13. 光源からの光の強度を変調する空間光変調素子において、
    複数の変調素子を有し、
    前記各変調素子は、前記光源からの光を反射する反射電極と、前記反射電極より前記光源側に空間を介して配置され、前記光源からの光に対して半透過性を示す半透過膜とを有し、前記反射電極と前記半透過膜との間隔を制御することによって前記光源からの光の反射率が変化することを特徴とする、空間光変調素子。