JP2011197554A - Optical modulation device and exposure device - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical modulation device which has a high-power resistance and high resistance to optical damage with respect to short wavelength light and achieves high-speed modulation, and to provide an exposure device using the optical modulation device.SOLUTION: An electro-optical crystal substrate 15 having an outer shape of a quadrangular prism is formed in such a manner that the periphery of an electro-optical crystal layer 11 is surrounded by a crystal part 14 (electro-optical crystal layers 12, 13) with both end faces 11a, 11b exposed. Electrodes 16a, 16b are formed on the upper surface and lower surface of the electro-optical crystal substrate 15, respectively. The electrodes 16a, 16b are electrically connected with a potential applying part 17. When a positive potential and a negative potential are supplied from the potential applying part 17 to the electrodes 16a, 16b, the refractive indexes of the electro-optical crystal layer 11 and the crystal part 14 are increased and reduced, respectively. Incident light Lin is confined in the electro-optical crystal layer 11 and propagated. When the opposite potential is applied, the incident light Lin is spread so as to be sucked into the crystal part 14.

Description

この発明は、電気光学結晶を用いた光変調デバイスおよび当該光変調デバイスを装備する露光装置に関するものである。   The present invention relates to a light modulation device using an electro-optic crystal and an exposure apparatus equipped with the light modulation device.

電気光学結晶を用いた光変調デバイスとして、例えばMach-Zehnder型の光変調デバイスが広く知られている。この光変調デバイスは、リチウムナイオベート(LiNbO)等の電界により屈折率が変化する電気光学結晶に対して分岐する2つの光導波路を形成したものであり、これらの光導波路に電圧を加えることにより光変調を行うものである。つまり、電圧印加により光導波路中の光の位相を変化させることで相対的に位相差を設け、各光導波路を伝搬してきた光を合成する際の干渉を利用しており、同位相の場合にON状態となり、逆位相の場合にOFF状態となる。 As a light modulation device using an electro-optic crystal, for example, a Mach-Zehnder type light modulation device is widely known. This light modulation device is a device in which two optical waveguides branching to an electro-optic crystal whose refractive index changes due to an electric field such as lithium niobate (LiNbO 3 ) are formed, and voltage is applied to these optical waveguides. Is used for optical modulation. In other words, a phase difference is provided by changing the phase of light in the optical waveguide by applying voltage, and interference is used when combining the light propagating through each optical waveguide. It will be in the ON state and will be in the OFF state in the case of reverse phase.

社団法人応用物理学会編「応用物理ハンドブック」丸善株式会社、平成2年3月30日、p.109“Applied Physics Handbook” edited by the Society of Applied Physics, Maruzen Co., Ltd., March 30, 1990, p. 109

上記のように構成された光変調デバイスでは、光導波路の分岐や合成の際に発生する光損失を抑制すべく、光導波路の急な屈曲を避けて比較的緩やかに光導波路を曲げている。このため、光導波路を光が進む光伝搬方向において光変調デバイスを長く設計する必要があり、光伝搬方向でのデバイスの長さが5センチを超えることも珍しくない。また、各光導波路を伝搬する光が互いに影響し合わないようにするには、光伝搬方向に直交する幅方向において光導波路同士を十分に離間する必要があり、このことが光導波路同士の配置密度を高める上で大きな障害となっている。そして、一般に光導波路の幅は数ミクロン程度であり、プロトン交換やチタン拡散などの方法で形成される。その結果、光導波路を構成する光学部材の屈折率が比較的高くなり、光導波路に光を封じ込める力が高くなる。そこで、多モード化を避けるため、つまり光導波路をシングルモード導波路にするために、幅方向における光導波路の幅は数ミクロン程度に狭く設計されている。このことが幸いして光分岐や光合成などを行う屈曲部においても、光損失を少なくし上手く光を導波することができる。しかしながら、その一方で、このような技術背景から光導波路の幅を狭くせざるを得なくなったことで光導波路内のパワー密度が上がり、耐パワー限界や短波長光などでは光損傷などの問題が生じている。   In the optical modulation device configured as described above, the optical waveguide is bent relatively gently while avoiding a sharp bend of the optical waveguide in order to suppress optical loss that occurs when the optical waveguide is branched or combined. For this reason, it is necessary to design the light modulation device long in the light propagation direction in which light travels through the optical waveguide, and it is not uncommon for the length of the device in the light propagation direction to exceed 5 cm. In addition, in order to prevent the light propagating through the optical waveguides from affecting each other, the optical waveguides must be sufficiently separated in the width direction orthogonal to the light propagation direction. This is a major obstacle to increasing density. In general, the width of the optical waveguide is about several microns and is formed by a method such as proton exchange or titanium diffusion. As a result, the refractive index of the optical member constituting the optical waveguide is relatively high, and the force for confining light in the optical waveguide is increased. Therefore, in order to avoid a multimode, that is, to make the optical waveguide into a single mode waveguide, the width of the optical waveguide in the width direction is designed to be as narrow as several microns. Fortunately, even in a bent portion where light branching or photosynthesis is performed, light loss can be reduced and light can be guided well. However, on the other hand, due to such a technical background, the width of the optical waveguide has to be narrowed to increase the power density in the optical waveguide, and there are problems such as optical damage in the power resistance limit and short wavelength light. Has occurred.

この発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、高い耐パワー性能と短波長光での光損傷性能が高く、かつ高速な変調が可能な光変調デバイスおよび当該光変調デバイスを用いた露光装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and provides a light modulation device having high power resistance performance, high optical damage performance with short wavelength light, and capable of high-speed modulation, and an exposure apparatus using the light modulation device The purpose is to provide.

この発明にかかる光変調デバイスは、上記目的を達成するため、一方端面から内部に入射される光を第1方向に導光して他方端面から出射させる第1電気光学結晶層を、第1電気光学結晶層と異なる結晶軸方位を有する第2電気光学結晶層および第3電気光学結晶層で第1方向に対して直交する第2方向から挟み込むように構成される電気光学結晶基板と、第2電気光学結晶層の表面に設けられる第1電極と、第3電気光学結晶層の表面に設けられる第2電極と、第1電極と第2電極とに付与する電位を制御して入射光に対する第1電気光学結晶層、第2電気光学結晶層および第3電気光学結晶層の屈折率を変化させて他方端面から出射される光の強度を変化させる電位付与部とを備えることを特徴としている。   In order to achieve the above object, the light modulation device according to the present invention includes a first electro-optic crystal layer that guides light incident from one end face in the first direction and emits the light from the other end face. An electro-optic crystal substrate configured to be sandwiched from a second direction orthogonal to the first direction by a second electro-optic crystal layer and a third electro-optic crystal layer having a crystal axis orientation different from that of the optical crystal layer; The first electrode provided on the surface of the electro-optic crystal layer, the second electrode provided on the surface of the third electro-optic crystal layer, and the potential applied to the first electrode and the second electrode are controlled to control the incident light. And a potential applying unit that changes the refractive index of the first electro-optic crystal layer, the second electro-optic crystal layer, and the third electro-optic crystal layer to change the intensity of light emitted from the other end face.

この発明にかかる露光装置は、上記目的を達成するため、上記のように構成される光変調デバイスと、第1電気光学結晶層の一方端面に光を入射させる光源部と、光変調デバイスにより変調されて第1電気光学結晶層の他方端面から出射される変調光を被露光面に導く光学系とを備えたことを特徴としている。   In order to achieve the above object, an exposure apparatus according to the present invention modulates a light modulation device configured as described above, a light source unit that makes light incident on one end face of the first electro-optic crystal layer, and a light modulation device. And an optical system that guides the modulated light emitted from the other end face of the first electro-optic crystal layer to the exposed surface.

このように構成された発明(光変調デバイスおよび露光装置)では、第1電気光学結晶層を、第1電気光学結晶層と異なる結晶軸方位を有する第2電気光学結晶層および第3電気光学結晶層で挟み込んで電気光学結晶基板が構成されている。また、第2電気光学結晶層の表面に対して第1電極が設けられるとともに、第3電気光学結晶層の表面に対して第2電極が設けられ、これらの電極に電位付与部から電位が与えられる。そして、第1電極および第2電極の間での電位差を制御することで第1電極および第2電極の間で発生する電界の向きや大きさを変化させることができる。一方、電気光学結晶基板内では、第1電気光学結晶層に入射される光に対する第1電気光学結晶層、第2電気光学結晶層および第3電気光学結晶層の屈折率がそれぞれ電界に応じた値となる。このように第1電極および第2電極への電位付与を制御することで電気光学結晶基板内での屈折率の分布状態を制御することが可能となっており、その屈折率の分布状態により第1電気光学結晶層で導光されて他方端面から出射される光の強度が変化する。すなわち、第1電極および第2電極の電位を制御することによって光変調を行うことが可能となっている。   In the invention thus configured (light modulation device and exposure apparatus), the first electro-optic crystal layer is formed by using the second electro-optic crystal layer and the third electro-optic crystal having a crystal axis orientation different from that of the first electro-optic crystal layer. An electro-optic crystal substrate is formed by sandwiching the layers. In addition, the first electrode is provided on the surface of the second electro-optic crystal layer, and the second electrode is provided on the surface of the third electro-optic crystal layer, and a potential is applied to these electrodes from the potential applying unit. It is done. Then, by controlling the potential difference between the first electrode and the second electrode, the direction and magnitude of the electric field generated between the first electrode and the second electrode can be changed. On the other hand, in the electro-optic crystal substrate, the refractive indexes of the first electro-optic crystal layer, the second electro-optic crystal layer, and the third electro-optic crystal layer with respect to the light incident on the first electro-optic crystal layer correspond to the electric field, respectively. Value. Thus, by controlling the potential application to the first electrode and the second electrode, it is possible to control the refractive index distribution state in the electro-optic crystal substrate. The intensity of light guided by one electro-optic crystal layer and emitted from the other end face changes. That is, light modulation can be performed by controlling the potentials of the first electrode and the second electrode.

ここで、第2電気光学結晶層および第3電気光学結晶層は一体的に形成されて結晶部を構成し、第1方向に対する断面において結晶部が第1電気光学結晶層を取り囲むに構成してもよい。この場合、電位制御によって第1電気光学結晶層がコアであり、結晶部がクラッドに相当する光導波路のように、電気光学結晶基板を作用させて第1電気光学結晶層に入射された光を第1電気光学結晶層の内部に閉じ込めながら第1方向に伝搬することが可能となる。   Here, the second electro-optic crystal layer and the third electro-optic crystal layer are integrally formed to form a crystal part, and the crystal part surrounds the first electro-optic crystal layer in a cross section with respect to the first direction. Also good. In this case, the first electro-optic crystal layer is the core by potential control, and the light incident on the first electro-optic crystal layer is caused by the action of the electro-optic crystal substrate, like an optical waveguide whose crystal portion corresponds to the clad. It is possible to propagate in the first direction while confining within the first electro-optic crystal layer.

また、第2電気光学結晶層および第3電気光学結晶層を第2方向において互いに離間して形成する、つまり電気光学結晶基板が第2方向において(第2電気光学結晶層−第1電気光学結晶層−第3電気光学結晶層)の3層構造を有するように構成してもよい。   Further, the second electro-optic crystal layer and the third electro-optic crystal layer are formed apart from each other in the second direction, that is, the electro-optic crystal substrate is arranged in the second direction (second electro-optic crystal layer-first electro-optic crystal). It may be configured to have a three-layer structure of (layer-third electro-optic crystal layer).

また、第1電気光学結晶層の結晶軸方位と、第2電気光学結晶層および第3電気光学結晶層の結晶軸方位とは、互いに異なっておればよいが、特に互いに180゜ずれるように構成するのが望ましい。また、第1電気光学結晶層の結晶軸方位と、第2電気光学結晶層および第3電気光学結晶層の結晶軸方位とが、第2方向に平行な方位となるように構成するのが望ましい。また、第1電気光学結晶層、第2電気光学結晶層および第3電気光学結晶層を同一種類の結晶で構成してもよく、この場合、第1電極および第2電極に同電位を付与すると、電気光学結晶基板が全体として同一の結晶で形成されるのと等価となる。   Further, the crystal axis orientations of the first electro-optic crystal layer and the crystal axis orientations of the second electro-optic crystal layer and the third electro-optic crystal layer may be different from each other. It is desirable to do. In addition, it is desirable that the crystal axis orientation of the first electro-optic crystal layer and the crystal axis orientations of the second and third electro-optic crystal layers are parallel to the second direction. . Further, the first electro-optic crystal layer, the second electro-optic crystal layer, and the third electro-optic crystal layer may be composed of the same type of crystal. In this case, when the same potential is applied to the first electrode and the second electrode, This is equivalent to forming the electro-optic crystal substrate with the same crystal as a whole.

また、第1方向における第1電気光学結晶層の長さについては1mm以上50mm以下にするのが好ましく、第2方向における第1電気光学結晶層の厚みについては5μm以上100μm以下にするのが好ましい。   The length of the first electro-optic crystal layer in the first direction is preferably 1 mm or more and 50 mm or less, and the thickness of the first electro-optic crystal layer in the second direction is preferably 5 μm or more and 100 μm or less. .

さらに、第1電極および第2電極の個数は「1」に限定されるものではなく、複数個設けてもよく、これによって多チャンネルの光変調デバイスが得られる。すなわち、第1電極を第1方向および第2方向に直交する第3方向において互いに離間して第2電気光学結晶層の第1表面上にn(n≧2)個設けるとともに、第2電極を第3方向において互いに離間して第3電気光学結晶層の第2表面上にn個設けて、第1電気光学結晶層を挟んで互いに対向する第1電極と第2電極とにより構成される電極対をn組設けてもよい。そして、n組の電極対に対して付与する電位を独立して制御することで各電極対で光変調を独立して行うことができる。なお、この場合、第1電極および第2電極を第1方向と平行に延設することで各電極対での光変調を安定して行うことができる。   Furthermore, the number of the first electrodes and the second electrodes is not limited to “1”, and a plurality of the first electrodes and the second electrodes may be provided, thereby obtaining a multi-channel light modulation device. That is, n (n ≧ 2) first electrodes are provided on the first surface of the second electro-optic crystal layer so as to be separated from each other in the third direction orthogonal to the first direction and the second direction, and the second electrode is provided N electrodes spaced apart from each other in the third direction and provided on the second surface of the third electro-optic crystal layer, and composed of a first electrode and a second electrode facing each other across the first electro-optic crystal layer N pairs may be provided. Then, by independently controlling the potential applied to the n pairs of electrodes, light modulation can be performed independently on each electrode pair. In this case, the first electrode and the second electrode are extended in parallel with the first direction, so that light modulation at each electrode pair can be performed stably.

この発明によれば、第1電極および第2電極に付与する電位を制御することによって電気光学結晶基板内での屈折率の分布状態を制御して第1電気光学結晶層に入射される光を変調しているので、高速な光変調が可能となっている。また、電位差を与えて電気光学結晶基板内の屈折率を変化させる場合、その屈折率の変化は僅かであるため、入射光の伝搬方向(第1方向)に対する第1電気光学結晶層の断面積を比較的広く設定することができ、高いパワーの光や短波長光を第1電気光学結晶層に入射したとしても、光損傷などの不具合を発生させることなく、光変調することができる。つまり、高い耐パワー性能と短波長光での光損傷性能を高めることができる。   According to the present invention, the light applied to the first electro-optic crystal layer is controlled by controlling the potential applied to the first electrode and the second electrode, thereby controlling the refractive index distribution in the electro-optic crystal substrate. Since modulation is performed, high-speed optical modulation is possible. In addition, when the refractive index in the electro-optic crystal substrate is changed by applying a potential difference, since the change in the refractive index is slight, the cross-sectional area of the first electro-optic crystal layer with respect to the propagation direction (first direction) of incident light. Can be set relatively wide, and even if high-power light or short-wavelength light is incident on the first electro-optic crystal layer, light modulation can be performed without causing defects such as light damage. That is, high power resistance performance and optical damage performance with short wavelength light can be enhanced.

本発明にかかる光変調デバイスの第1実施形態を示す図である。It is a figure which shows 1st Embodiment of the light modulation device concerning this invention. 図1の光変調デバイスの構成および動作を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the structure and operation | movement of a light modulation device of FIG. ON状態でのBPM法によるシミュレーションの結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of the simulation by BPM method in an ON state. 中間状態でのBPM法によるシミュレーションの結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of the simulation by the BPM method in an intermediate state. OFF状態でのBPM法によるシミュレーションの結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of the simulation by BPM method in an OFF state. 本発明にかかる光変調デバイスの第2実施形態を示す図である。It is a figure which shows 2nd Embodiment of the light modulation device concerning this invention. 本発明にかかる光変調デバイスの第3実施形態を示す図である。It is a figure which shows 3rd Embodiment of the light modulation device concerning this invention. 本発明にかかる光変調デバイスの第4実施形態を示す図である。It is a figure which shows 4th Embodiment of the light modulation device concerning this invention. 本発明にかかる光変調デバイスの第5実施形態を示す図である。It is a figure which shows 5th Embodiment of the light modulation device concerning this invention. 本発明にかかる光変調デバイスを装備した露光装置の一実施形態を示す図である。It is a figure which shows one Embodiment of the exposure apparatus equipped with the light modulation device concerning this invention. 本発明にかかる光変調デバイスを装備した露光装置の他の実施形態を示す図である。It is a figure which shows other embodiment of the exposure apparatus equipped with the light modulation device concerning this invention. 図11に示す露光装置の本体部を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the main-body part of the exposure apparatus shown in FIG. 図11の露光装置の電気的構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the electric constitution of the exposure apparatus of FIG. 光学ヘッドの内部構成を簡略化して示す図である。It is a figure which simplifies and shows the internal structure of an optical head. スリット板の斜視図である。It is a perspective view of a slit board.

<光変調デバイスの第1実施形態>
図1は本発明にかかる光変調デバイスの第1実施形態を示す図であり、同図(a)は光変調デバイスの斜視図であり、同図(b)〜(d)は光変調デバイスの光変調動作を模式的に示す図である。また、図2は図1の光変調デバイスの構成および動作を模式的に示す図である。この光変調デバイス1Aは、Z方向に延設された四角柱形状の一軸性電気光学結晶層11を有している。この電気光学結晶層11の両端面11a、11bは矩形形状を有しており、一方端面11aを介して光Linが電気光学結晶層11の内部に入射されると、方向Zに導光されて他方端面11bから出射させられる。この電気光学結晶層11としては、例えばLN(LiNbO)やLT(LiTaO)などの一軸性電気光学結晶を用いることができる。
<First Embodiment of Optical Modulation Device>
FIG. 1 is a diagram showing a first embodiment of a light modulation device according to the present invention. FIG. 1A is a perspective view of the light modulation device, and FIGS. 1B to 1D are views of the light modulation device. It is a figure which shows a light modulation operation | movement typically. FIG. 2 is a diagram schematically showing the configuration and operation of the light modulation device of FIG. This light modulation device 1A includes a uniaxial electro-optic crystal layer 11 having a quadrangular prism shape extending in the Z direction. Both end surfaces 11a and 11b of the electro-optic crystal layer 11 have a rectangular shape. When light Lin enters the electro-optic crystal layer 11 through the one end surface 11a, the electro-optic crystal layer 11 is guided in the direction Z. The light is emitted from the other end face 11b. As the electro-optic crystal layer 11, uniaxial electro-optic crystals such as LN (LiNbO 3 ) and LT (LiTaO 3 ) can be used, for example.

また、光伝搬方向Zに対して直交する上下方向Yから電気光学結晶層11を挟み込むように、電気光学結晶層11と同一材料で構成される電気光学結晶層12、13が配置されるとともに、これら電気光学結晶層12、13が一体化されて結晶部14が構成されている。すなわち、両端面11a、11bを露出させたまま電気光学結晶層11の周囲が結晶部14(電気光学結晶層12、13)で取り囲まれて四角柱形状の外観を有する電気光学結晶基板15が形成されている。   In addition, electro-optic crystal layers 12 and 13 made of the same material as the electro-optic crystal layer 11 are disposed so as to sandwich the electro-optic crystal layer 11 from the vertical direction Y perpendicular to the light propagation direction Z. These electro-optic crystal layers 12 and 13 are integrated to form a crystal portion 14. That is, the electro-optic crystal substrate 15 having a quadrangular prism appearance is formed by surrounding the electro-optic crystal layer 11 with the crystal portion 14 (electro-optic crystal layers 12 and 13) with both end faces 11a and 11b exposed. Has been.

また、本実施形態では、後述するように電気光学係数の最も大きなr33を用いる向きで使用するため、電気光学結晶層11の結晶軸方位(結晶のC軸方位とも言う)は図1の端面11a中の矢印で示すように上向きになっている。一方、結晶部14は電気光学結晶層11の結晶軸方位と異なる方位を有しており、特に本実施形態では結晶部14の結晶軸方位を電気光学結晶層11の結晶軸方位から180゜ずれた向き、つまり電気光学結晶層11と反対の下向きとなっている。このように結晶部14中の矢印は分極の向きを示している(この点については、後で説明する図面においても同様である)。   Further, in the present embodiment, as will be described later, since r33 having the largest electrooptic coefficient is used, the crystal axis orientation of the electrooptic crystal layer 11 (also referred to as the crystal C axis orientation) is the end face 11a of FIG. It is facing upward as shown by the arrow in the middle. On the other hand, the crystal part 14 has an orientation different from the crystal axis orientation of the electro-optic crystal layer 11. In particular, in this embodiment, the crystal axis orientation of the crystal part 14 is shifted by 180 ° from the crystal axis orientation of the electro-optic crystal layer 11. In other words, the direction is opposite to the electro-optic crystal layer 11. As described above, the arrow in the crystal portion 14 indicates the direction of polarization (this also applies to the drawings described later).

このように構成された電気光学結晶基板15の上面(電気光学結晶層12の上面)はXZ平面に平行な水平面に仕上げられており、この上面全体に第1電極16aが形成される。また、電気光学結晶基板15の下面(電気光学結晶層12の下面)もXZ平面に平行な水平面に仕上げられている。そして、電気光学結晶基板15の下面全体に第2電極16bが形成されており、これら2つの電極16a、16bで電気光学結晶基板15が上下方向Yから挟み込まれている。また、電極16a、16bは電位付与部17と電気的に接続されており、電位付与部17は電極16a、16bに与える電位を任意に制御可能となっている。そして、電極16a、16bの間で電位差を与えることで電気光学結晶層11および結晶部14の結晶軸方位と平行な方向、つまり上下方向Yに電界が発生する。したがって、第1電極16aおよび第2電極16bの間での電位差を制御することで、電界の向きや大きさを変化させることができ、次に説明するように、電気光学結晶基板15内での屈折率の分布状態を制御することが可能となっており、その屈折率の分布状態に応じて第1電気光学結晶層11の他方端面11bから出射される光Loutの強度が変化する。   The upper surface of the electro-optic crystal substrate 15 thus configured (the upper surface of the electro-optic crystal layer 12) is finished in a horizontal plane parallel to the XZ plane, and the first electrode 16a is formed on the entire upper surface. Further, the lower surface of the electro-optic crystal substrate 15 (the lower surface of the electro-optic crystal layer 12) is also finished in a horizontal plane parallel to the XZ plane. The second electrode 16b is formed on the entire lower surface of the electro-optic crystal substrate 15, and the electro-optic crystal substrate 15 is sandwiched between the two electrodes 16a and 16b in the vertical direction Y. The electrodes 16a and 16b are electrically connected to the potential applying unit 17, and the potential applying unit 17 can arbitrarily control the potential applied to the electrodes 16a and 16b. Then, by applying a potential difference between the electrodes 16a and 16b, an electric field is generated in a direction parallel to the crystal axis orientation of the electro-optic crystal layer 11 and the crystal portion 14, that is, the vertical direction Y. Therefore, by controlling the potential difference between the first electrode 16a and the second electrode 16b, the direction and magnitude of the electric field can be changed. As will be described next, in the electro-optic crystal substrate 15, The distribution state of the refractive index can be controlled, and the intensity of the light Lout emitted from the other end face 11b of the first electro-optic crystal layer 11 changes according to the distribution state of the refractive index.

図1(c)および図2(b)に示すように電極16a、16bに対して同電位を与えて電位差をゼロに設定した場合、電気光学結晶基板15全体は、入射光Linに対する屈折率が「n」の一様な結晶と等価である。したがって、結晶軸の方向に偏光した異常光線のシングルモード光(ガウス分布を有する光)Linを電気光学結晶層11の一方端面11aを介して電気光学結晶層11に入射すると、この光Linは一様な結晶中を伝搬するのと同様に末広がり状に広がりながら電気光学結晶基板15の内部を光伝搬方向Zにシングルモードで伝搬する。よって、光伝搬方向Zにおける電気光学結晶基板15の長さが長くなるにしたがって電気光学結晶層11の他方端面11bから出射される光Loutの強度は徐々に低下する。なお、このように電位差をゼロに設定して比較的低い光強度の光Loutを出射させる状態を「中間状態」という。また、以下の説明において、特に言及しない限り「屈折率」とは、入射光Linに対する屈折率を意味する。   When the same potential is applied to the electrodes 16a and 16b and the potential difference is set to zero as shown in FIGS. 1C and 2B, the entire electro-optic crystal substrate 15 has a refractive index with respect to the incident light Lin. It is equivalent to “n” uniform crystals. Therefore, when an extraordinary single-mode light (light having a Gaussian distribution) Lin polarized in the direction of the crystal axis is incident on the electro-optic crystal layer 11 through the one end face 11a of the electro-optic crystal layer 11, the light Lin is one. The light propagates in a single mode in the light propagation direction Z through the inside of the electro-optic crystal substrate 15 while spreading in a divergent manner in the same manner as in propagation in such a crystal. Therefore, the intensity of the light Lout emitted from the other end face 11b of the electro-optic crystal layer 11 gradually decreases as the length of the electro-optic crystal substrate 15 in the light propagation direction Z increases. A state in which the potential difference is set to zero and light Lout having a relatively low light intensity is emitted is referred to as an “intermediate state”. In the following description, “refractive index” means a refractive index with respect to incident light Lin unless otherwise specified.

また、図1(b)および図2(a)に示すように、電気光学結晶層11の結晶軸方位側、つまり上側の電極16aの電位が下側の電極16bの電位よりも高くなるように電圧を印加すると、上から下を向いた電界が電気光学結晶基板15内に発生して電気光学結晶層11の屈折率はΔneだけ増加し、(n+Δne)となる一方、結晶部14(電気光学結晶層12、13)の屈折率はΔneだけ減少し、(n−Δne)となる。このため、電気光学結晶層11がコアであり、光伝搬方向Zと直交する断面において電気光学結晶層11を取り囲む結晶部14がクラッドに相当する光導波路のように、電気光学結晶基板15は作用して光Linを電気光学結晶層11に閉じ込めながら光伝搬方向Zにシングルモードで伝搬する。したがって、電気光学結晶層11の他方端面11bから出射される光Loutの強度は中間状態(図1(b)や図2(b)の状態)に比べて高くなっている。なお、このように電圧を印加して電気光学結晶層11の他方端面11bから比較的高い光強度の光Loutを出射させる状態を「ON状態」という。   Further, as shown in FIGS. 1B and 2A, the potential of the electro-optic crystal layer 11 on the crystal axis orientation side, that is, the upper electrode 16a is higher than the potential of the lower electrode 16b. When a voltage is applied, an electric field directed from top to bottom is generated in the electro-optic crystal substrate 15 and the refractive index of the electro-optic crystal layer 11 is increased by Δne to become (n + Δne), while the crystal portion 14 (electro-optics). The refractive index of the crystal layers 12, 13) decreases by Δne and becomes (n−Δne). For this reason, the electro-optic crystal substrate 15 acts like an optical waveguide in which the electro-optic crystal layer 11 is a core and the crystal portion 14 surrounding the electro-optic crystal layer 11 in a cross section orthogonal to the light propagation direction Z corresponds to a clad. The light Lin is confined in the electro-optic crystal layer 11 and propagates in the light propagation direction Z in a single mode. Therefore, the intensity of the light Lout emitted from the other end face 11b of the electro-optic crystal layer 11 is higher than that in the intermediate state (the state shown in FIG. 1B or FIG. 2B). The state in which the voltage L is applied and the light Lout having a relatively high light intensity is emitted from the other end surface 11b of the electro-optic crystal layer 11 is referred to as an “ON state”.

また、ON状態とは真逆の電圧を印加する、つまり図1(d)および図2(c)に示すように、電気光学結晶層11の結晶軸方位側、つまり上側の電極16aの電位が下側の電極16bの電位よりも低くなるように電圧を印加すると、下から上を向いた電界が電気光学結晶基板15内に発生して電気光学結晶層11の屈折率はΔneだけ減少し、(n−Δne)となる一方、結晶部14(電気光学結晶層12、13)の屈折率はΔneだけ高くなり、(n+Δne)となる。このように結晶部14の屈折率が中央部の電気光学結晶層11よりも上がっているため、電気光学結晶層11に入射した光Linは積極的に結晶部14に吸い込まれるように広がっていく。よって、光伝搬方向Zにおける電気光学結晶基板15の長さが長くなるにしたがって電気光学結晶層11の他方端面11bから出射される光Loutの強度は極端に低下し、中間状態よりも光強度は更に低く、ゼロに近くなる。なお、このように電圧を印加して電気光学結晶層11の他方端面11bから出射される光Loutの強度がほぼゼロに近い状態を「OFF状態」という。   In addition, a voltage opposite to the ON state is applied, that is, as shown in FIGS. 1D and 2C, the potential of the electrode 16a on the crystal axis orientation side of the electro-optic crystal layer 11, that is, the upper electrode 16a is When a voltage is applied so as to be lower than the potential of the lower electrode 16b, an electric field directed from the bottom to the top is generated in the electro-optic crystal substrate 15, and the refractive index of the electro-optic crystal layer 11 is decreased by Δne, On the other hand, the refractive index of the crystal part 14 (electro-optic crystal layers 12 and 13) is increased by Δne and becomes (n + Δne). Thus, since the refractive index of the crystal part 14 is higher than that of the electro-optic crystal layer 11 in the central part, the light Lin incident on the electro-optic crystal layer 11 spreads so as to be actively sucked into the crystal part 14. . Therefore, as the length of the electro-optic crystal substrate 15 in the light propagation direction Z increases, the intensity of the light Lout emitted from the other end face 11b of the electro-optic crystal layer 11 decreases extremely, and the light intensity is higher than that in the intermediate state. It is even lower and close to zero. A state in which the intensity of the light Lout emitted from the other end surface 11b of the electro-optic crystal layer 11 by applying a voltage in this way is nearly zero is referred to as an “OFF state”.

以上のように、第1実施形態にかかる光変調デバイス1Aによれば、電位付与部17から電極16a、16bに与える電位を制御することで電気光学結晶層11の他方端面11bから出射される光Loutの強度を良好に変調することができ、高速な光変調が可能となっている。ここで、上記のように構成された光変調デバイス1Aの変調性能を検証するため、以下の条件
・電気光学結晶層11〜13:LN(LiNbO
・電気光学結晶層11の端面11a、11b:30μm角
・結晶部14の厚み:15μm
・Z方向の長さ:20mm
・電気光学結晶層11の結晶軸(C軸)方位:上向き(第1電極16a側)
・結晶部14の結晶軸(C軸)方位:下向き(第2電極16b側)
・入射光Linの波長λ:633ナノメートル(nm)
・ON状態での電位付与:上から下向きに10V
・中間状態での電位付与:電位差0V
・OFF状態での電位付与:下から上向きに10V
で光のピークの1/e径で30μmの結晶軸の方向に偏光した異常光線のガウスビームを電気光学結晶層11に入射させたときの様子を2次元のBPM(Beam Propagation Method)法によりシミュレーションした。
As described above, according to the light modulation device 1 </ b> A according to the first embodiment, the light emitted from the other end surface 11 b of the electro-optic crystal layer 11 by controlling the potential applied from the potential applying unit 17 to the electrodes 16 a and 16 b. The intensity of Lout can be favorably modulated, and high-speed light modulation is possible. Here, in order to verify the modulation performance of the optical modulation device 1 </ b> A configured as described above, the following conditions are provided: Electro-optic crystal layers 11 to 13: LN (LiNbO 3 )
End faces 11a and 11b of the electro-optic crystal layer 11: 30 μm square Thickness of the crystal part 14: 15 μm
・ Length in Z direction: 20mm
-Crystal axis (C axis) orientation of the electro-optic crystal layer 11: upward (on the first electrode 16a side)
-Crystal axis (C-axis) orientation of crystal part 14: downward (second electrode 16b side)
-Wavelength λ of incident light Lin: 633 nanometers (nm)
-Potential application in the ON state: 10 V from top to bottom
-Potential application in the intermediate state: potential difference 0V
・ Electric potential application in OFF state: 10V from bottom to top
A two-dimensional BPM (Beam Propagation Method) method is used to simulate an extraordinary Gaussian beam polarized in the direction of the crystal axis of 1 / e diameter and 30 μm of the light peak. did.

図3はON状態でのBPM法によるシミュレーションの結果を示すグラフである。このON状態では、図1(b)および図2(a)に示すように、電気光学結晶層11の屈折率はΔneだけ増加し、(n+Δne)となる一方、結晶部14(電気光学結晶層12、13)の屈折率はΔneだけ減少し、(n−Δne)となり、電気光学結晶層11がコアであるとともに結晶部14がクラッドに相当する光導波路のように、電気光学結晶基板15は作用する。そして、シミュレーション結果からわかるように、光損失を抑制しながら電気光学結晶層11から光Loutが出射することができる。   FIG. 3 is a graph showing the result of simulation by the BPM method in the ON state. In this ON state, as shown in FIGS. 1B and 2A, the refractive index of the electro-optic crystal layer 11 increases by Δne and becomes (n + Δne), while the crystal portion 14 (electro-optic crystal layer) 12 and 13) is decreased by Δne to (n−Δne), and the electro-optic crystal substrate 15 is like an optical waveguide in which the electro-optic crystal layer 11 is a core and the crystal portion 14 is a clad. Works. As can be seen from the simulation results, the light Lout can be emitted from the electro-optic crystal layer 11 while suppressing light loss.

図4は中間状態でのBPM法によるシミュレーションの結果を示すグラフである。この中間状態では、図1(c)および図2(b)に示すように、電気光学結晶基板15全体が一様な屈折率をもつ結晶と同じになる。そして、シミュレーション結果からわかるように、入射光は一様な結晶中を伝搬するのと同様に末広がり状に広がりながら電気光学結晶基板15の内部を光伝搬方向Zにシングルモードで伝搬し、電気光学結晶層11の他方端面11bから出射される光Loutの強度はゼロにまで減少していないが、ON状態に比べて大幅に低減されている。   FIG. 4 is a graph showing the result of simulation by the BPM method in the intermediate state. In this intermediate state, as shown in FIGS. 1C and 2B, the entire electro-optic crystal substrate 15 is the same as a crystal having a uniform refractive index. As can be seen from the simulation results, the incident light propagates in the single-mode in the light propagation direction Z in the light propagation direction Z while spreading in a divergent manner in the same manner as propagating in a uniform crystal. The intensity of the light Lout emitted from the other end face 11b of the crystal layer 11 does not decrease to zero, but is significantly reduced compared to the ON state.

図5はOFF状態でのBPM法によるシミュレーションの結果を示すグラフである。このOFF状態では、図1(d)および図2(c)に示すように、結晶部14の屈折率が中央部の電気光学結晶層11よりも上がっている。そして、シミュレーション結果からわかるように、入射光は結晶部14に積極的に導光されて電気光学結晶層11の他方端面11bから出射される光Loutの強度は中間状態よりもさらに減少し、ゼロに近い値となっている。   FIG. 5 is a graph showing the result of simulation by the BPM method in the OFF state. In this OFF state, as shown in FIGS. 1D and 2C, the refractive index of the crystal portion 14 is higher than that of the electro-optic crystal layer 11 in the central portion. As can be seen from the simulation results, the incident light is actively guided to the crystal portion 14 and the intensity of the light Lout emitted from the other end face 11b of the electro-optic crystal layer 11 is further reduced from the intermediate state, and is zero. The value is close to.

このように本実施形態にかかる光変調デバイス1Aによれば、優れた変調性能で3段階の光変調を行うことができる。もちろん、変調の段数は「3」に限定されるものではなく、第1電極16aおよび第2電極16bに付与する電位を2段階に切り替えてON/OFF制御したり、逆に電位の切替段数を増やすことで階調変調を行うことも可能である。すなわち、屈折率の変化量の絶対値Δneは次式で示すように電極16a、16bの間で発生する電界に応じて変化する。また、符号は結晶軸方位と電界方位により決まり、同じ場合は(−)マイナスで減少、逆の場合は(+)プラスで増加となる。なお、同式中の符号Γは電界低減係数である。

Figure 2011197554
As described above, according to the light modulation device 1A according to the present embodiment, three-stage light modulation can be performed with excellent modulation performance. Of course, the number of stages of modulation is not limited to “3”, and the potential applied to the first electrode 16a and the second electrode 16b is switched to two stages for ON / OFF control, or conversely, the number of potential switching stages is set. It is also possible to perform gradation modulation by increasing the number. That is, the absolute value Δne of the change amount of the refractive index changes according to the electric field generated between the electrodes 16a and 16b as shown in the following equation. Further, the sign is determined by the crystal axis orientation and the electric field orientation, and in the same case, it decreases by (−) minus, and in the opposite case, it increases by (+) plus. The symbol Γ in the equation is an electric field reduction coefficient.
Figure 2011197554

このように電界発生を制御することで屈折率の変化量Δneを異ならせて光Lを変調することができるが、電界は次式に示すように方向Yにおける電極16a、16bのギャップg(図1(c)参照)と電極16a、16bの電位差vで決まる。

Figure 2011197554
By controlling the generation of the electric field in this way, the light L can be modulated by changing the change amount Δne of the refractive index. However, as shown in the following equation, the electric field is the gap g between the electrodes 16a and 16b in the direction Y (see FIG. 1 (c)) and the potential difference v between the electrodes 16a and 16b.
Figure 2011197554

したがって、上記数2を数1に代入することで次式が得られる。そして、次式から明らかなように電位差vを制御することで屈折率の変化量Δneを制御可能であることがわかる。

Figure 2011197554
Therefore, the following equation is obtained by substituting Equation 2 into Equation 1. As is apparent from the following equation, it is understood that the refractive index change Δne can be controlled by controlling the potential difference v.
Figure 2011197554

例えば電気光学結晶層11〜13をいずれもLN(LiNbO)で構成する。また、電気光学結晶層11の一方端面11aおよび他方端面11bを30μm角に設定し、結晶部14の厚みを15μmに設定すると、方向Yにおける電極16a、16bのギャップgは60μmとなる。そして、波長λが633nmで結晶軸の方向に偏光した異常光線の光Linを電気光学結晶層11の一方端面11aに入射するとともに、電圧v=10Vで第1電極16aおよび第2電極16bに電位を付与した場合、数3に基づき計算すると、屈折率の変化量Δneは約2.73×10−5となる。なお、ここでは、電界低減係数Γが1であると仮定して計算している。 For example, the electro-optic crystal layers 11 to 13 are all composed of LN (LiNbO 3 ). Further, when the one end face 11a and the other end face 11b of the electro-optic crystal layer 11 are set to 30 μm square and the thickness of the crystal part 14 is set to 15 μm, the gap g between the electrodes 16a and 16b in the direction Y becomes 60 μm. Then, an extraordinary ray of light Lin having a wavelength λ of 633 nm and polarized in the direction of the crystal axis is incident on one end face 11a of the electro-optic crystal layer 11, and a potential is applied to the first electrode 16a and the second electrode 16b at a voltage v = 10V. Is calculated based on Equation 3, the refractive index change Δne is about 2.73 × 10 −5 . Here, the calculation is performed on the assumption that the electric field reduction coefficient Γ is 1.

また、図1に示す構成の光変調デバイス1Aでは、屈折率差は中央部と周辺部で互いに逆向きに変化するので、デバイス全体の屈折率差は、2×Δne≒5.46×10−5となり、光ファイバーなどの通常の光導波路に比べて非常に小さい。したがって、図1(b)および図2(a)に示すようにON状態で使用する場合、電気光学結晶層11がコアであり、結晶部14がクラッドに相当する光導波路のように、電気光学結晶基板15は作用するが、電気光学結晶層(コア部分)11に光Linを封じ込める力は非常に弱い。したがって、電気光学結晶層11で基本モード光、つまりガウス分布を有する光を通そうとすると、例えば薮哲郎著「光導波路解析入門」森北出版、2007年10月5日発行、p.43〜46などに記載されているモード伝搬の理論に基づけば数十μmの導波路が必要となり、光ファイバーや集積光回路の光導波路と比較して十分に太い入射断面および出射断面が必要となる。このように電気光学結晶層11の端面11a、11bを広げることは、電気光学結晶層11内での光エネルギー密度を低減させることに直結し、高エネルギー光を伝搬する場合や光損傷を低減させるのに好適である。つまり、本実施形態によれば、入射光Linの伝搬方向(第1方向)Zに対する電気光学結晶層11の断面積を比較的広く設定することができ、高いパワーの光や短波長光を電気光学結晶層11に入射したとしても、光損傷などの不具合を発生させることなく、光変調することができる。 Further, in the optical modulation device 1A having the configuration shown in FIG. 1, the refractive index difference changes in the opposite direction between the central portion and the peripheral portion, so that the refractive index difference of the entire device is 2 × Δne≈5.46 × 10 −. 5 , which is much smaller than a normal optical waveguide such as an optical fiber. Accordingly, when used in the ON state as shown in FIGS. 1B and 2A, the electro-optic crystal layer 11 is a core and the crystal portion 14 is an optical waveguide corresponding to a cladding. Although the crystal substrate 15 acts, the force for confining the light Lin in the electro-optic crystal layer (core portion) 11 is very weak. Therefore, if fundamental mode light, that is, light having a Gaussian distribution is allowed to pass through the electro-optic crystal layer 11, for example, “Introduction to optical waveguide analysis” written by Tetsuro Tsuji, published by Morikita Publishing, October 5, 2007, p. Based on the theory of mode propagation described in 43 to 46, etc., a waveguide of several tens of μm is required, and a sufficiently large incident cross section and output cross section are required as compared with the optical waveguide of an optical fiber or an integrated optical circuit. . In this way, widening the end surfaces 11a and 11b of the electro-optic crystal layer 11 is directly connected to reducing the light energy density in the electro-optic crystal layer 11, and reduces high energy light propagation or optical damage. It is suitable for. That is, according to the present embodiment, the cross-sectional area of the electro-optic crystal layer 11 with respect to the propagation direction (first direction) Z of the incident light Lin can be set relatively wide, and high-power light and short-wavelength light can be electrically Even if the light is incident on the optical crystal layer 11, light modulation can be performed without causing problems such as light damage.

また、上記実施形態では、電気光学結晶基板15の上面(電気光学結晶層12の上面)全体および下面(電気光学結晶層12の下面)全体に対して電極16a、16bがそれぞれ形成されている。このため、電極16a、16bの間で発生する電界と、入射光Linとの相互作用範囲が広がり、低電圧で光変調を行うことができる。   In the above embodiment, the electrodes 16a and 16b are formed on the entire upper surface (the upper surface of the electro-optic crystal layer 12) and the entire lower surface (the lower surface of the electro-optic crystal layer 12) of the electro-optic crystal substrate 15, respectively. For this reason, the interaction range between the electric field generated between the electrodes 16a and 16b and the incident light Lin is widened, and light modulation can be performed at a low voltage.

また、電気光学結晶層11と結晶部14(電気光学結晶層12、13)とを同一材料で構成しているため、電極16a、16bの電位差をゼロにしたときに光Linを電気光学結晶層11に封じ込める力がなくなり、光変調を良好に行うことができる。   Further, since the electro-optic crystal layer 11 and the crystal portion 14 (electro-optic crystal layers 12 and 13) are made of the same material, the light Lin is transmitted when the potential difference between the electrodes 16a and 16b is zero. Therefore, the light can be favorably modulated.

また、第1実施形態では、本発明の「第1方向」に相当する光伝搬方向Zにおける第1電気光学結晶層11の長さを20mmに設定した光変調デバイス1Aが優れた光変調性能を発揮することを説明したが、光伝搬方向Zにおける第1電気光学結晶層11の長さについては1mm以上50mm以下に設定するのが望ましい。それは次の理由からである。この長さは光と電界(E)との相互作用距離に相当するため、長くすることで駆動電圧を下げることができ、高速変調を図ることができる。また、OFF状態では上記したように第1電気光学結晶層11から結晶部14に光が逃げることで第1電気光学結晶層11から出射する光Loutの強度低下を図っているため、長くすることで消光比を高めることができる。このような理由から低電圧で光変調を行うためには、光伝搬方向Zにおける第1電気光学結晶層11の長さを20mmに最低限1mm以上に設定する必要がある。また、第1電気光学結晶層11をZ方向に長くするにしたがって電圧低下や消光比は向上するが、電気光学結晶を切り出すインゴット(ウエハ)の製造限界、従来の光変調デバイスよりも小型化したいという要望、光減衰による光強度の低下などの観点からは、50mm以下にするのが望ましい。   In the first embodiment, the light modulation device 1A in which the length of the first electro-optic crystal layer 11 in the light propagation direction Z corresponding to the “first direction” of the present invention is set to 20 mm has excellent light modulation performance. As described above, the length of the first electro-optic crystal layer 11 in the light propagation direction Z is preferably set to 1 mm or more and 50 mm or less. This is because of the following reason. Since this length corresponds to the interaction distance between the light and the electric field (E), the drive voltage can be lowered and the high-speed modulation can be achieved by increasing the length. In the OFF state, the light Lout emitted from the first electro-optic crystal layer 11 is reduced by light escaping from the first electro-optic crystal layer 11 to the crystal portion 14 as described above. The extinction ratio can be increased. For this reason, in order to perform light modulation at a low voltage, it is necessary to set the length of the first electro-optic crystal layer 11 in the light propagation direction Z to 20 mm and at least 1 mm. Further, although the voltage drop and the extinction ratio are improved as the first electro-optic crystal layer 11 is lengthened in the Z direction, the manufacturing limit of an ingot (wafer) from which the electro-optic crystal is cut out is desired to be smaller than the conventional light modulation device. From the standpoints of such a demand and a decrease in light intensity due to light attenuation, it is desirable to make it 50 mm or less.

さら、第1実施形態では、本発明の「第2方向」に相当する上下方向Yにおける第1電気光学結晶層11の厚みを30μmに設定した光変調デバイス1Aが優れた光変調性能を発揮することを説明したが、上下方向Yにおける第1電気光学結晶層11の厚みについては5μm以上100μm以下に設定するのが望ましい。それは次の理由からである。上記のように電気光学結晶基板15中に電界を発生させるように構成しているので、本発明の「第2方向」に相当する上下方向Yにおける第1電気光学結晶層11の厚みが大きくなると、電極16a、16b間での電位差を大きくする必要が生じ、100μmを超えると、従来装置程度あるいはそれ以下の変調速度しか得られない。したがって、高速変調を確保するためには、第1電気光学結晶層11の厚みを100μm以下に抑えるのが望ましい。また、光変調デバイス1Aでは電極16a、16bの間での電位差を制御した場合でも、第1電気光学結晶層11と結晶部14(第2電気光学結晶層12、第3電気光学結晶層113)との屈折率差は光ファイバーなどの導波路に比べて大幅に小さい。したがって、大きなパワーを有する光を第1電気光学結晶層11内に閉じこめながら伝搬させるためには、5μm以上の厚みが必要となる。   Furthermore, in the first embodiment, the light modulation device 1A in which the thickness of the first electro-optic crystal layer 11 in the vertical direction Y corresponding to the “second direction” of the present invention is set to 30 μm exhibits excellent light modulation performance. As described above, the thickness of the first electro-optic crystal layer 11 in the vertical direction Y is preferably set to 5 μm or more and 100 μm or less. This is because of the following reason. Since the electric field is generated in the electro-optic crystal substrate 15 as described above, when the thickness of the first electro-optic crystal layer 11 in the vertical direction Y corresponding to the “second direction” of the present invention increases. Therefore, it becomes necessary to increase the potential difference between the electrodes 16a and 16b, and when it exceeds 100 μm, only a modulation speed equivalent to or lower than that of the conventional device can be obtained. Therefore, in order to ensure high-speed modulation, it is desirable to suppress the thickness of the first electro-optic crystal layer 11 to 100 μm or less. In the light modulation device 1A, even when the potential difference between the electrodes 16a and 16b is controlled, the first electro-optic crystal layer 11 and the crystal portion 14 (the second electro-optic crystal layer 12 and the third electro-optic crystal layer 113). The refractive index difference is significantly smaller than that of a waveguide such as an optical fiber. Therefore, a thickness of 5 μm or more is required to propagate light having a large power while confining it within the first electro-optic crystal layer 11.

<光変調デバイスの第2実施形態>
図6は本発明にかかる光変調デバイスの第2実施形態を示す図であり、同図(a)は光変調デバイスの斜視図であり、同図(b)〜(d)は光変調デバイスの光変調動作を模式的に示す図である。この第2実施形態が第1実施形態と大きく相違する点は、電気光学結晶層11の断面構成である。すなわち、第1実施形態では電気光学結晶層11の断面が矩形形状であるのに対し、第2実施形態では電気光学結晶層11の断面が円形形状となっている。つまり、第2実施形態では円柱状の電気光学結晶層11が設けられており、上下方向Yから電気光学結晶層11を挟み込むように、電気光学結晶層11と同一材料で構成される電気光学結晶層12、13が配置されるとともに、これら電気光学結晶層12、13が一体化されて結晶部14が構成されている。なお、電気光学結晶基板15の外観形状は第1実施形態と同様に四角柱形状である。また、その他の構成は第1実施形態と同一である。したがって、同一構成については、同一符号を付して説明を省略する(この点については以下の実施形態においても同様である)。
<Second Embodiment of Optical Modulation Device>
FIG. 6 is a view showing a second embodiment of the light modulation device according to the present invention. FIG. 6A is a perspective view of the light modulation device, and FIGS. 6B to 6D are views of the light modulation device. It is a figure which shows a light modulation operation | movement typically. The second embodiment is greatly different from the first embodiment in the cross-sectional configuration of the electro-optic crystal layer 11. In other words, the cross section of the electro-optic crystal layer 11 is rectangular in the first embodiment, whereas the cross section of the electro-optic crystal layer 11 is circular in the second embodiment. That is, in the second embodiment, the cylindrical electro-optic crystal layer 11 is provided, and the electro-optic crystal composed of the same material as the electro-optic crystal layer 11 so as to sandwich the electro-optic crystal layer 11 from the vertical direction Y. The layers 12 and 13 are disposed, and the electro-optic crystal layers 12 and 13 are integrated to form a crystal portion 14. Note that the external shape of the electro-optic crystal substrate 15 is a quadrangular prism shape as in the first embodiment. Other configurations are the same as those of the first embodiment. Therefore, about the same structure, the same code | symbol is attached | subjected and description is abbreviate | omitted (this is the same also in the following embodiment).

このように構成された光変調デバイス1Bにおいては、電気光学結晶層11の円形端面11aに対して光Linが入射されるとともに、第1電極16aおよび第2電極16bに付与される電位を制御することでON状態(同図(b))、中間状態(同図(c)およびOFF状態(同図(d))に切り替えられて3段階の光変調が実行される。したがって、第1実施形態と同様の作用効果が得られる。   In the light modulation device 1B configured as described above, the light Lin is incident on the circular end surface 11a of the electro-optic crystal layer 11, and the potential applied to the first electrode 16a and the second electrode 16b is controlled. As a result, it is switched to the ON state (FIG. 2B), the intermediate state (FIG. 3C), and the OFF state (FIG. 3D), and three-stage light modulation is executed. The same effect can be obtained.

<光変調デバイスの第3実施形態>
図7は本発明にかかる光変調デバイスの第3実施形態を示す図であり、同図(a)は光変調デバイスの斜視図であり、同図(b)〜(d)は光変調デバイスの光変調動作を模式的に示す図である。この第3実施形態が第1実施形態と大きく相違する点は、電気光学結晶基板15の構造である。この第3実施形態にかかる光変調デバイス1Cでは、Z方向に延設された四角柱形状の一軸性電気光学結晶層11の上面に電気光学結晶層12が形成される一方、電気光学結晶層11の下面に電気光学結晶層13が形成されている。すなわち、第3実施形態では、電気光学結晶層12、13が方向Yにおいて互いに離間した状態で電気光学結晶層11を上下方向Yから挟み込んだ3層構造を有している。また、これらの電気光学結晶層11〜13は、第1実施形態と同様に、同一材料、例えばLN(LiNbO)やLT(LiTaO)などの一軸性電気光学結晶で構成されているが、電気光学結晶層11の結晶軸方位は図7の端面11a中の矢印で示すように上向きになっている一方、電気光学結晶層12、13の結晶軸方位は図7の端面12a、13a中の矢印で示すように下向きになっている。このように電気光学結晶層11の結晶軸方位と、電気光学結晶層12、13の結晶軸方位とは互いに180゜ずれており、正反対の向きとなっている。なお、その他の構成は第1実施形態と同一である。
<Third Embodiment of Optical Modulation Device>
FIG. 7 is a view showing a third embodiment of the light modulation device according to the present invention. FIG. 7 (a) is a perspective view of the light modulation device, and FIGS. 7 (b) to (d) are views of the light modulation device. It is a figure which shows a light modulation operation | movement typically. The third embodiment is greatly different from the first embodiment in the structure of the electro-optic crystal substrate 15. In the light modulation device 1 </ b> C according to the third embodiment, the electro-optic crystal layer 12 is formed on the upper surface of the uniaxial electro-optic crystal layer 11 having a quadrangular prism shape extending in the Z direction. An electro-optic crystal layer 13 is formed on the lower surface of the substrate. That is, the third embodiment has a three-layer structure in which the electro-optic crystal layer 11 is sandwiched from the vertical direction Y in a state where the electro-optic crystal layers 12 and 13 are separated from each other in the direction Y. These electro-optic crystal layers 11 to 13 are made of the same material, for example, uniaxial electro-optic crystals such as LN (LiNbO 3 ) and LT (LiTaO 3 ), as in the first embodiment. The crystal axis orientation of the electro-optic crystal layer 11 is upward as shown by the arrow in the end face 11a in FIG. 7, while the crystal axis orientation of the electro-optic crystal layers 12 and 13 is in the end faces 12a and 13a in FIG. It is facing down as shown by the arrow. As described above, the crystal axis orientation of the electro-optic crystal layer 11 and the crystal axis orientations of the electro-optic crystal layers 12 and 13 are shifted from each other by 180 ° and are in opposite directions. Other configurations are the same as those of the first embodiment.

このように構成された光変調デバイス1Cにおいては、図7(a)に示すように、スラブ状に整形された光Linが電気光学結晶層11の一方端面11aに入射される。そして、第1電極16aおよび第2電極16bに付与される電位を制御することでON状態(同図(b))、中間状態(同図(c)およびOFF状態(同図(d))に切り替えられて3段階の光変調が実行される。したがって、第1実施形態と同様の作用効果が得られる。   In the light modulation device 1 </ b> C configured as described above, as illustrated in FIG. 7A, the light Lin shaped into a slab is incident on the one end surface 11 a of the electro-optic crystal layer 11. Then, the potential applied to the first electrode 16a and the second electrode 16b is controlled to be in an ON state (FIG. (B)), an intermediate state (FIG. (C), and an OFF state (FIG. (D)). Thus, the three-stage optical modulation is performed, so that the same effect as the first embodiment can be obtained.

<光変調デバイスの第4実施形態>
図8は本発明にかかる光変調デバイスの第4実施形態を示す図であり、同図(a)は光変調デバイスの斜視図であり、同図(b)〜(d)は光変調デバイスの光変調動作を模式的に示す図である。この第4実施形態の特徴は、電気光学結晶基板15の構造と、電極構造である。これらのうち電気光学結晶基板15の構造は、第3実施形態と同様に、電気光学結晶層12、13が方向Yにおいて互いに離間して状態で電気光学結晶層11を上下方向Yから挟み込んだ3層構造となっている。
<Fourth Embodiment of Light Modulation Device>
FIG. 8 is a view showing a light modulation device according to a fourth embodiment of the present invention. FIG. 8 (a) is a perspective view of the light modulation device, and FIGS. 8 (b) to (d) are views of the light modulation device. It is a figure which shows a light modulation operation | movement typically. The features of the fourth embodiment are the structure of the electro-optic crystal substrate 15 and the electrode structure. Among these, the structure of the electro-optic crystal substrate 15 is the same as that of the third embodiment in that the electro-optic crystal layer 11 is sandwiched from the vertical direction Y with the electro-optic crystal layers 12 and 13 being separated from each other in the direction Y 3. It has a layer structure.

一方、電極構造については、第3実施形態と異なっている。すなわち、この第4実施形態では、光伝搬方向Zおよび上下方向Yの両方に直交する左右方向Xでの電気光学結晶層12の両側面に第1電極16aが形成されるとともに、左右方向Xでの電気光学結晶層13の両側面に第2電極16bが形成されている。なお、その他の構成は第3実施形態と同一である。   On the other hand, the electrode structure is different from that of the third embodiment. That is, in the fourth embodiment, the first electrodes 16a are formed on both side surfaces of the electro-optic crystal layer 12 in the left-right direction X orthogonal to both the light propagation direction Z and the up-down direction Y, and in the left-right direction X Second electrodes 16 b are formed on both side surfaces of the electro-optic crystal layer 13. Other configurations are the same as those of the third embodiment.

このように構成された光変調デバイス1Dにおいては、図8(a)に示すように、結晶軸の方向に偏光した異常光線のスラブ状に整形された光Linが電気光学結晶層11の一方端面11aに入射される。そして、第1電極16a、16aおよび第2電極16b、16bに付与される電位を制御することでON状態(同図(b))、中間状態(同図(c)およびOFF状態(同図(d))に切り替えられて3段階の光変調が実行される。したがって、第1実施形態と同様の作用効果が得られる。また、第4実施形態では、電気光学結晶基板15の側面に電極16a、16bを形成しているため、上下方向Yにおいて光変調デバイス1Dを小型化することができる。   In the light modulation device 1D configured in this way, as shown in FIG. 8A, the light Lin shaped into a slab of extraordinary rays polarized in the crystal axis direction is one end face of the electro-optic crystal layer 11 11a. Then, by controlling the potentials applied to the first electrodes 16a and 16a and the second electrodes 16b and 16b, the ON state (FIG. (B)), the intermediate state (FIG. (C) and the OFF state (FIG. Therefore, the same effect as in the first embodiment can be obtained, and in the fourth embodiment, the electrode 16a is formed on the side surface of the electro-optic crystal substrate 15. 16b, the light modulation device 1D can be downsized in the vertical direction Y.

<光変調デバイスの第5実施形態>
図9は本発明にかかる光変調デバイスの第5実施形態を示す図である。この光変調デバイス1Eは複数のチャンネルについて独立して光変調を行うことができるものであり、次のように構成されている。この光変調デバイス1Eの電気光学結晶基板15は、厚み5〜100μmの平板状電気光学結晶層11を電気光学結晶層12、13で上下方向Yから挟み込んだ3層構造を有している。また、この第5実施形態においても、第3実施形態および第4実施形態と同様に、電気光学結晶層11〜13は同一の一軸性電気光学結晶で構成されているが、電気光学結晶層11の結晶軸方位は図9の側面中の矢印で示すように上向きになっている一方、電気光学結晶層12、13の結晶軸方位は図9の側面中の矢印で示すように下向きになっている。このように電気光学結晶層11の結晶軸方位と、電気光学結晶層12、13の結晶軸方位とは互いに180゜ずれており、正反対の向きとなっている。
<Fifth Embodiment of Optical Modulation Device>
FIG. 9 is a view showing a fifth embodiment of the light modulation device according to the present invention. This light modulation device 1E can perform light modulation independently for a plurality of channels, and is configured as follows. The electro-optic crystal substrate 15 of the light modulation device 1E has a three-layer structure in which a plate-like electro-optic crystal layer 11 having a thickness of 5 to 100 μm is sandwiched between the electro-optic crystal layers 12 and 13 from the vertical direction Y. Also in the fifth embodiment, the electro-optic crystal layers 11 to 13 are made of the same uniaxial electro-optic crystal as in the third and fourth embodiments, but the electro-optic crystal layer 11 9 is directed upward as indicated by the arrow in the side surface of FIG. 9, while the crystal axis orientation of the electro-optic crystal layers 12 and 13 is directed downward as indicated by the arrow in the side surface of FIG. Yes. As described above, the crystal axis orientation of the electro-optic crystal layer 11 and the crystal axis orientations of the electro-optic crystal layers 12 and 13 are shifted from each other by 180 ° and are in opposite directions.

このように構成された電気光学結晶基板15の上面(電気光学結晶層12の上面)はXZ平面に平行な水平面に仕上げられている。そして、この上面に複数本(この実施形態では5本)の第1電極16aが一定間隔だけX方向に離間しながら互いに平行に配置されている。この第5実施形態では、各第1電極16aは光伝搬方向Zと平行に、しかも電気光学結晶基板15の(−Z)側端部から(+Z)側端部まで延設されている。また、電気光学結晶基板15の下面(電気光学結晶層13の下面)もXZ平面に平行な水平面に仕上げられるとともに、下面に対して第1電極16aと同数の第2電極16bが第1電極16aと1対1の関係で電気光学結晶基板15を挟んで配置されている。こうして、図9(b)に示すように5組の電極対が形成されており、電気光学結晶基板15には電極16a、16bで挟まれた領域(以下「チャンネル領域」という)がX方向に並んで存在している。したがって、1つのチャンネル領域に着目すると、上面に第1電極16aが配置されるとともに下面に第2電極16bが配置されており、このような構成は第3実施形態の光変調デバイス1Cと同一である。つまり、第5実施形態にかかる光変調デバイス1Eでは、第3実施形態の光変調デバイス1Cと等価な構成がX方向に5つ並設されている。そして、同図(a)に示すように、結晶軸の方向に偏光した異常光線のX方向に延びる断面を有するスラブ状の光Linが電気光学結晶層11の一方端面11aに入射され、チャンネル領域を伝搬する。   The upper surface of the electro-optic crystal substrate 15 thus configured (the upper surface of the electro-optic crystal layer 12) is finished in a horizontal plane parallel to the XZ plane. A plurality (five in this embodiment) of first electrodes 16a are arranged on the upper surface in parallel to each other while being spaced apart from each other in the X direction by a predetermined interval. In the fifth embodiment, each first electrode 16 a extends in parallel with the light propagation direction Z and extends from the (−Z) side end of the electro-optic crystal substrate 15 to the (+ Z) side end. Further, the lower surface of the electro-optic crystal substrate 15 (the lower surface of the electro-optic crystal layer 13) is also finished in a horizontal plane parallel to the XZ plane, and the same number of second electrodes 16b as the first electrodes 16a with respect to the lower surface are the first electrodes 16a. And the electro-optic crystal substrate 15 in a one-to-one relationship. Thus, five pairs of electrodes are formed as shown in FIG. 9B, and a region sandwiched between the electrodes 16a and 16b (hereinafter referred to as “channel region”) in the X direction is formed on the electro-optic crystal substrate 15. It exists side by side. Accordingly, focusing on one channel region, the first electrode 16a is disposed on the upper surface and the second electrode 16b is disposed on the lower surface. Such a configuration is the same as that of the light modulation device 1C of the third embodiment. is there. That is, in the light modulation device 1E according to the fifth embodiment, five configurations equivalent to those of the light modulation device 1C according to the third embodiment are arranged in parallel in the X direction. Then, as shown in FIG. 6A, slab-shaped light Lin having a cross section extending in the X direction of extraordinary rays polarized in the direction of the crystal axis is incident on one end face 11a of the electro-optic crystal layer 11 to form a channel region. To propagate.

また、各電極16a、16bは電位付与部17と電気的に接続されており、電位付与部17から電極16a、16bに与える電位を任意に制御可能となっている。例えば図9(b)中の左端に位置するチャンネル領域CR1の上面に配置される第1電極16aに付与される電位がチャンネル領域CR1の下面に配置される第2電極16bに付与される電位よりも高くなるように、これらの電極16a、16bに電位が付与されると、同チャンネル領域CR1では次のように屈折率が分布する。つまり、チャンネル領域CR1において、上下方向Yの中央に位置する電気光学結晶層11の屈折率は同図(d)に示すようにΔneだけ増加し、(n+Δne)となる。一方、チャンネル領域CR1において電気光学結晶層11の上下方向に位置する電気光学結晶層12、13の屈折率は同図(e)に示すようにΔneだけ減少し、(n−Δne)となる。このため、チャンネル領域CR1を伝搬される光Linは電気光学結晶層11に閉じ込められながら光伝搬方向Zにシングルモードで伝搬する。したがって、電気光学結晶層11の他方端面11bから出射される光Loutの強度は同図(c)に示すように比較的高くなる、つまり「ON状態」となる。また、図9(b)中の左端から2番目および3番目に位置するチャンネル領域についてもチャンネル領域CR1と同様に、「ON状態」となる。   The electrodes 16a and 16b are electrically connected to the potential applying unit 17, and the potential applied from the potential applying unit 17 to the electrodes 16a and 16b can be arbitrarily controlled. For example, the potential applied to the first electrode 16a disposed on the upper surface of the channel region CR1 located at the left end in FIG. 9B is based on the potential applied to the second electrode 16b disposed on the lower surface of the channel region CR1. When a potential is applied to these electrodes 16a and 16b so that the height is higher, the refractive index is distributed in the channel region CR1 as follows. That is, in the channel region CR1, the refractive index of the electro-optic crystal layer 11 located at the center in the vertical direction Y increases by Δne as shown in FIG. On the other hand, the refractive indexes of the electro-optic crystal layers 12 and 13 positioned in the vertical direction of the electro-optic crystal layer 11 in the channel region CR1 are decreased by Δne as shown in FIG. 5E and become (n−Δne). For this reason, the light Lin propagated through the channel region CR1 propagates in the light propagation direction Z in a single mode while being confined in the electro-optic crystal layer 11. Therefore, the intensity of the light Lout emitted from the other end face 11b of the electro-optic crystal layer 11 becomes relatively high as shown in FIG. Further, the channel regions located second and third from the left end in FIG. 9B are also in the “ON state” as in the channel region CR1.

また、図9(b)中の左端から4番目に位置するチャンネル領域CR4の上面に配置される第1電極16aおよび下面に配置される第2電極16bに対して同電位が付与されると、同チャンネル領域CR4では同図(d)および(e)に示すように電気光学結晶基板15全体が屈折率nとなる。このため、電気光学結晶層11の他方端面11bから出射される光Loutの強度は同図(c)に示すようにON状態よりも低い値となる、つまり「中間状態」となる。   When the same potential is applied to the first electrode 16a disposed on the upper surface of the channel region CR4 located fourth from the left end in FIG. 9B and the second electrode 16b disposed on the lower surface, In the channel region CR4, the entire electro-optic crystal substrate 15 has a refractive index n as shown in FIGS. For this reason, the intensity of the light Lout emitted from the other end face 11b of the electro-optic crystal layer 11 is lower than that in the ON state as shown in FIG.

さらに、図9(b)中の右端に位置するチャンネル領域CR5の上面に配置される第1電極16aに付与される電位がチャンネル領域CR5の下面に配置される第2電極16bに付与される電位よりも低くなるように、これらの電極16a、16bに電位が付与されると、同チャンネル領域CR5では次のように屈折率が分布する。つまり、チャンネル領域CR5において、上下方向Yの中央に位置する電気光学結晶層11の屈折率は同図(d)に示すようにΔneだけ減少し、(n−Δne)となる。一方、チャンネル領域CR5において電気光学結晶層11の上下方向に位置する電気光学結晶層12、13の屈折率は同図(e)に示すようにΔneだけ増加し、(n+Δne)となる。このため、チャンネル領域CR5を伝搬される光Linは電気光学結晶層12、13に吸い込まれるように広がっていき、電気光学結晶層11の他方端面11bから出射される光Loutの強度は極端に低下し、中間状態よりも光強度は更に低く、ゼロに近くなる、つまり「OFF状態」となる。   Further, the potential applied to the first electrode 16a disposed on the upper surface of the channel region CR5 located at the right end in FIG. 9B is the potential applied to the second electrode 16b disposed on the lower surface of the channel region CR5. When a potential is applied to these electrodes 16a and 16b so as to be lower, the refractive index is distributed in the channel region CR5 as follows. That is, in the channel region CR5, the refractive index of the electro-optic crystal layer 11 located at the center in the up-down direction Y decreases by Δne as shown in FIG. On the other hand, in the channel region CR5, the refractive indexes of the electro-optic crystal layers 12 and 13 positioned in the vertical direction of the electro-optic crystal layer 11 increase by Δne as shown in FIG. 5E and become (n + Δne). Therefore, the light Lin propagating through the channel region CR5 spreads so as to be sucked into the electro-optic crystal layers 12 and 13, and the intensity of the light Lout emitted from the other end face 11b of the electro-optic crystal layer 11 is extremely reduced. However, the light intensity is lower than that in the intermediate state and is close to zero, that is, the “OFF state”.

このように第5実施形態によれば、第1電極16aをX方向において互いに離間して電気光学結晶層12の表面上に5個設けるとともに、第2電極16bをX方向において互いに離間して電気光学結晶層13の表面上に5個設けて、5組の電極対を設けるとともに、各電極対に対して付与する電位を独立して制御している。したがって、各電極対で光変調を独立して行うことができる。つまり、図9に示すように構成された光変調デバイス1Eでは、5チャンネルの空間光変調を行うことが可能となっている。もちろん、各チャンネルとも第3実施形態の光変調デバイス1Cと基本的に構成および動作が共通しているため、第3実施形態と同様の作用効果、つまり高い耐パワー性能と短波長光での光損傷性能が高く、かつ高速な変調が可能であるという作用効果を有している。   As described above, according to the fifth embodiment, five first electrodes 16a are provided on the surface of the electro-optic crystal layer 12 so as to be separated from each other in the X direction, and the second electrodes 16b are provided so as to be separated from each other in the X direction. Five are provided on the surface of the optical crystal layer 13 to provide five electrode pairs, and the potential applied to each electrode pair is controlled independently. Therefore, light modulation can be performed independently for each electrode pair. That is, the light modulation device 1E configured as shown in FIG. 9 can perform spatial light modulation of five channels. Of course, since each channel basically has the same configuration and operation as the optical modulation device 1C of the third embodiment, the same effects as in the third embodiment, that is, high power resistance performance and light with short wavelength light. It has the effect of high damage performance and high-speed modulation.

また、第5実施形態にかかるマルチチャンネルの光変調デバイス1Eでは、隣り合うチャンネル領域に対して特段の制限を設ける必要がないため、チャンネル間の距離を縮めることができ、小型で高密度な多チャンネル駆動が可能となっている。   Further, in the multi-channel optical modulation device 1E according to the fifth embodiment, since there is no need to provide a special restriction for adjacent channel regions, the distance between the channels can be reduced, and a small, high-density multi-channel device can be provided. Channel drive is possible.

<露光装置>
図10は本発明にかかる光変調デバイスを装備した露光装置の一実施形態を示す図であり、同図(a)はYZ平面における構成を示す図であり、同図(b)は光変調デバイスとアパーチャとの配置関係を示す斜視図である。この露光装置100Aは単一光源部173から出射される光Linを第1実施形態にかかる光変調デバイス1Aによって変調して基板表面などの被露光面ESに照射する装置である。この露光装置100Aは、所定の波長(例えば633nm)の光を出射する半導体レーザなどにより構成された光源部173を有している。この光源部173はコリメータレンズ(図示省略)を有しており、半導体レーザなどから出射される光はコリメータレンズを介して平行光とされて正のパワーを有する単レンズで構成される照明光学系174に入射する。なお、この露光装置100Aでは、光変調デバイス1Aを用いて光変調を行うため、入射させる光Linは直線偏光レーザで偏光面を光変調デバイス1Aの電気光学結晶層11〜13の結晶軸と平行に向かせている。そして、光源部173から出射してきた光Linは照明光学系174を介して光変調デバイス1Aの電気光学結晶層11の一方端面11aに入射する。
<Exposure device>
FIG. 10 is a view showing an embodiment of an exposure apparatus equipped with a light modulation device according to the present invention. FIG. 10 (a) is a view showing a configuration in the YZ plane, and FIG. 10 (b) is a light modulation device. It is a perspective view which shows the arrangement | positioning relationship between an aperture and an aperture. The exposure apparatus 100A is an apparatus that modulates the light Lin emitted from the single light source unit 173 by the light modulation device 1A according to the first embodiment and irradiates the exposed surface ES such as the substrate surface. The exposure apparatus 100A includes a light source unit 173 configured by a semiconductor laser or the like that emits light having a predetermined wavelength (for example, 633 nm). The light source unit 173 has a collimator lens (not shown), and an illumination optical system composed of a single lens having a positive power in which light emitted from a semiconductor laser or the like is converted into parallel light via a collimator lens. 174 is incident. In this exposure apparatus 100A, since light modulation is performed using the light modulation device 1A, the incident light Lin is a linearly polarized laser and the plane of polarization is parallel to the crystal axes of the electro-optic crystal layers 11 to 13 of the light modulation device 1A. It is suitable for. Then, the light Lin emitted from the light source unit 173 enters the one end face 11a of the electro-optic crystal layer 11 of the light modulation device 1A via the illumination optical system 174.

この露光装置100Aでは、光源部173および光変調デバイス1Aとして具体的に以下の構成を採用している。光源部173の光源として波長λが633nmの直線偏光を発生させるヘリウム−ネオン(He−Ne)レーザを用いている。また、光変調デバイス1Aの電気光学結晶基板15を構成する電気光学結晶層11および結晶部14をLN(LiNbO)で形成している。また、電気光学結晶層11の両端面11a、11bは30μm角であるのに対し、結晶部14の厚みは15μmである。したがって、第1電極16aと第2電極16bとのギャップg(図1(c)参照)は60μmとなっている。また、Z方向における電気光学結晶基板15の長さは20mmである。この電気光学結晶基板15では、第1実施形態と同様に、電気光学結晶層11の結晶軸方位は図10(a)の端面11a中の矢印で示すように上向きで、結晶部14は下向きとなっている。このように、本実施形態では入射光Linに波長633nmのヘリウム−ネオンレーザ光を用いているため、LN結晶のポッケルス定数r33=30.8×10−6(μm/V)で、異常光線の屈折率ne=2.200である。 In the exposure apparatus 100A, the following configuration is specifically adopted as the light source unit 173 and the light modulation device 1A. As the light source of the light source unit 173, a helium-neon (He-Ne) laser that generates linearly polarized light having a wavelength λ of 633 nm is used. Further, the electro-optic crystal layer 11 and the crystal part 14 constituting the electro-optic crystal substrate 15 of the light modulation device 1A are formed of LN (LiNbO 3 ). Further, both end faces 11a and 11b of the electro-optic crystal layer 11 are 30 μm square, whereas the thickness of the crystal part 14 is 15 μm. Therefore, the gap g (see FIG. 1C) between the first electrode 16a and the second electrode 16b is 60 μm. The length of the electro-optic crystal substrate 15 in the Z direction is 20 mm. In this electro-optic crystal substrate 15, as in the first embodiment, the crystal axis orientation of the electro-optic crystal layer 11 is upward as indicated by the arrow in the end face 11a of FIG. 10A, and the crystal portion 14 is downward. It has become. Thus, in this embodiment, since helium-neon laser light having a wavelength of 633 nm is used as the incident light Lin, the Pockels constant r33 = 30.8 × 10 −6 (μm / V) of the LN crystal and Refractive index ne = 2.200.

そして、第1電極16aに+5ボルト、第2電極16bに−5ボルトを印加すると、電界は上から下向きにかかる。したがって、数3により屈折率の変化量Δne=2.73×10−5であるため、電気光学結晶層11ではΔneだけ屈折率が増加するのに対し、電気光学結晶層11の周辺部、つまり結晶部14ではΔneだけ屈折率が減少して「ON状態」となり、電気光学結晶層11で入射光Linを導波する。そして、光Linは電気光学結晶層11の端面11bから伝播光Loutとして出射される。また、逆の電圧すなわち第1電極16aに−5ボルト、第2電極16bに+5ボルトを印加すると、屈折率変化の符号は電気光学結晶層11と結晶部14とで逆転し、電気光学結晶層11に入射された光Linは結晶部14へ逃げて非伝播光L′となって電気光学結晶基板15から出射される。 When +5 volts is applied to the first electrode 16a and -5 volts is applied to the second electrode 16b, the electric field is applied downward from above. Therefore, since the refractive index change amount Δne = 2.73 × 10 −5 according to Equation 3, the refractive index of the electro-optic crystal layer 11 increases by Δne, whereas the peripheral portion of the electro-optic crystal layer 11, that is, In the crystal portion 14, the refractive index is decreased by Δne to be “ON”, and the electro-optic crystal layer 11 guides the incident light Lin. The light Lin is emitted from the end face 11b of the electro-optic crystal layer 11 as propagating light Lout. When a reverse voltage, that is, -5 volts is applied to the first electrode 16a and +5 volts is applied to the second electrode 16b, the sign of the refractive index change is reversed between the electro-optic crystal layer 11 and the crystal portion 14, and the electro-optic crystal layer 11 enters the crystal portion 14 and becomes non-propagating light L ′ and is emitted from the electro-optic crystal substrate 15.

光変調デバイス1Aの出射側(図10(a)の右手側)では、光変調デバイス1Aで変調された光Loutを被露光面ESに結像して露光スポットを形成する光学系として結像レンズ176が配置されている。また、光変調デバイス1Aは上記したように電極16a、16bに付与する電位に応じて伝播光Loutと非伝播光L′を出射する。そこで、本実施形態にかかる露光装置100Aでは、光変調デバイス1Aと結像レンズ176との間に、アパーチャ板177が配置されている。このアパーチャ板177の中央部にはアパーチャ177aが形成されており、光変調デバイス1Aから出射される伝播光Loutのみを通過させて非伝播光L′をアパーチャ板177で遮断する。したがって、第1電極16aに+5ボルト、第2電極16bに−5ボルトを印加して光変調デバイス1Aを「ON状態」にしたときに、高い光強度を有する伝播光Loutが被露光面ESに照射される。また、両電極16a、16bを同一電位にして光変調デバイス1Aを「中間状態」にしたときに、「ON状態」よりも低い光強度の伝播光Loutが被露光面ESに照射される。さらに、第1電極16aに−5ボルト、第2電極16bに+5ボルトを印加して光変調デバイス1Aを「OFF状態」にしたときには電気光学結晶層11に入射された光Linの大部分は結晶部14の端面から非伝播光L′として出射されるとともに、アパーチャ板177で遮蔽されて被露光面ESへの伝播光Loutの照射量はゼロとなる。   On the emission side of the light modulation device 1A (the right-hand side in FIG. 10A), an imaging lens as an optical system that forms an exposure spot by forming an image of the light Lout modulated by the light modulation device 1A on the exposure surface ES 176 is arranged. Further, as described above, the light modulation device 1A emits the propagation light Lout and the non-propagation light L ′ according to the potential applied to the electrodes 16a and 16b. Therefore, in the exposure apparatus 100A according to the present embodiment, the aperture plate 177 is disposed between the light modulation device 1A and the imaging lens 176. An aperture 177a is formed at the center of the aperture plate 177, and only the propagating light Lout emitted from the light modulation device 1A is allowed to pass through, and the non-propagating light L ′ is blocked by the aperture plate 177. Accordingly, when +5 volts is applied to the first electrode 16a and -5 volts is applied to the second electrode 16b to turn on the light modulation device 1A, the propagation light Lout having high light intensity is applied to the exposed surface ES. Irradiated. Further, when both the electrodes 16a and 16b are set to the same potential and the light modulation device 1A is set to the “intermediate state”, the propagation surface Lout having a light intensity lower than that of the “ON state” is irradiated to the exposed surface ES. Further, when -5 volts is applied to the first electrode 16a and +5 volts is applied to the second electrode 16b to turn off the light modulation device 1A, most of the light Lin incident on the electro-optic crystal layer 11 is crystallized. The light is emitted as non-propagating light L ′ from the end surface of the portion 14 and is shielded by the aperture plate 177 so that the irradiation amount of the propagating light Lout to the exposed surface ES becomes zero.

以上のように、高い耐パワー性能を有する光変調デバイス1Aを用いることで、光源部173に比較的高いパワーの光源を用いることができ、露光効率を高めることができる。また、光変調デバイス1Aは短波長光での光損傷性能が高いため、露光装置100Aで使用することができる波長範囲が広がり、汎用性に優れている。さらに、10V程度の電位差によって光変調を行うことができるため、変調速度を高めて露光効率をさらに高めることができる。   As described above, by using the light modulation device 1A having high power resistance, a light source having a relatively high power can be used for the light source unit 173, and the exposure efficiency can be increased. In addition, since the light modulation device 1A has high optical damage performance with short-wavelength light, the wavelength range that can be used in the exposure apparatus 100A is widened and excellent in versatility. Furthermore, since light modulation can be performed with a potential difference of about 10 V, the modulation speed can be increased to further increase the exposure efficiency.

また、上記露光装置100Aで採用している光変調デバイス1Aは、従来の光変調デバイス、例えば非特許文献1に記載の装置における変調原理と大きく異なり、波長依存性が少ない。そのため、互いに波長が異なる複数の光をまとめて光変調デバイス1Aに入射することで、これらの光を一度に変調することができる。また、光変調デバイス1Aでは波長範囲(半値幅)の広いブロードな光についても良好に光変調することができるため、このような光を用いて露光処理を行う露光装置に対しても、良好に適用することができる。   The light modulation device 1A employed in the exposure apparatus 100A is significantly different from the modulation principle in a conventional light modulation device, for example, the apparatus described in Non-Patent Document 1, and has little wavelength dependency. Therefore, a plurality of lights having different wavelengths can be combined and incident on the light modulation device 1A to modulate these lights at a time. In addition, since the light modulation device 1A can favorably modulate even broad light having a wide wavelength range (half-value width), it is also favorable for an exposure apparatus that performs exposure processing using such light. Can be applied.

また、露光装置100Aでは、光変調デバイス1Aを用いて光変調しているが、図6〜図8に示す光変調デバイス1B〜1Dを用いても同様の作用効果が得られる。また、露光装置100Aは単一光によって露光処理を行っているが、光源部173と光変調デバイス1A(または1B〜1D)との組み合わせを複数個設けることで露光処理の効率をさらに高めることができる。また、多チャンネルの光変調デバイス1Eを用いることで単一光源でありながら、マルチ露光を行うことも可能である。以下、図11ないし図14を参照しながら露光装置の他の実施形態について説明する。   Further, in the exposure apparatus 100A, light modulation is performed using the light modulation device 1A. However, similar effects can be obtained by using the light modulation devices 1B to 1D shown in FIGS. Further, the exposure apparatus 100A performs the exposure process with a single light, but the efficiency of the exposure process can be further improved by providing a plurality of combinations of the light source unit 173 and the light modulation device 1A (or 1B to 1D). it can. Further, by using the multi-channel light modulation device 1E, it is possible to perform multi-exposure while using a single light source. Hereinafter, another embodiment of the exposure apparatus will be described with reference to FIGS.

図11は本発明にかかる光変調デバイスを装備した露光装置の他の実施形態を示す図であり、図12は図11に示す露光装置の本体部を示す斜視図であり、図13は図11の露光装置の電気的構成を示すブロック図である。この露光装置100Bは、感光材料が表面に付与された半導体基板やガラス基板等の基板Wの表面に光を照射してパターンを描画する装置であり、光を上記第5実施形態にかかるマルチチャンネルの光変調デバイス1Eを用いて光変調し、その変調された光を用いてパターンを描画する。以下、露光装置100Bの全体構成を説明した後で、光変調デバイス1Eを用いて光を変調するための構成および動作について詳述する。   11 is a view showing another embodiment of the exposure apparatus equipped with the light modulation device according to the present invention, FIG. 12 is a perspective view showing the main body of the exposure apparatus shown in FIG. 11, and FIG. It is a block diagram which shows the electric structure of the exposure apparatus of this. This exposure apparatus 100B is an apparatus for drawing a pattern by irradiating light onto the surface of a substrate W such as a semiconductor substrate or a glass substrate having a photosensitive material applied to the surface, and the light is emitted from the multichannel according to the fifth embodiment. The light modulation device 1E is used for light modulation, and a pattern is drawn using the modulated light. Hereinafter, after describing the overall configuration of the exposure apparatus 100B, the configuration and operation for modulating light using the light modulation device 1E will be described in detail.

この露光装置100Bでは、本体フレーム101に対してカバー102が取り付けられて形成される本体内部に装置各部が配置されて本体部が構成されるとともに、本体部の外側(本実施形態では、図11に示すように本体部の右手側)に基板収納カセット110が配置されている。この基板収納カセット110には、露光処理を受けるべき未処理基板Wが収納されており、本体内部に配置される搬送ロボット120によって本体部にローディングされる。また、未処理基板Wに対して露光処理(パターン描画処理)が施された後、当該基板Wが搬送ロボット120によって本体部からアンローディングされて基板収納カセット110に戻される。   In this exposure apparatus 100B, each part of the apparatus is arranged inside a main body formed by attaching a cover 102 to the main body frame 101 to form the main body, and the outside of the main body (in this embodiment, FIG. 11). The substrate storage cassette 110 is disposed on the right hand side of the main body as shown in FIG. The substrate storage cassette 110 stores an unprocessed substrate W to be subjected to exposure processing, and is loaded into the main body by a transfer robot 120 disposed inside the main body. Further, after the exposure process (pattern drawing process) is performed on the unprocessed substrate W, the substrate W is unloaded from the main body by the transfer robot 120 and returned to the substrate storage cassette 110.

この本体部では、図11および図12に示すように、カバー102に囲まれた本体内部の右手端部に搬送ロボット120が配置されている。また、この搬送ロボット120の左手側には基台130が配置されている。この基台130の一方端側領域(図11および図12の右手側領域)が、搬送ロボット120との間で基板Wの受け渡しを行う基板受渡領域となっているのに対し、他方端側領域(図11および図12の左手側領域)が基板Wへのパターン描画を行うパターン描画領域となっている。この基台130上では、基板受渡領域とパターン描画領域の境界位置にヘッド支持部140が設けられている。このヘッド支持部140では、基台130から上方に2本の脚部材141、142が立設されるとともに、それらの脚部材141、142の頂部を橋渡しするように梁部材143が横設されている。そして、図11に示すように、梁部材143のパターン描画領域側側面にカメラ(撮像部)150が固定されてステージ160に保持された基板Wの表面(被描画面、被露光面)を撮像可能となっている。   In this main body, as shown in FIGS. 11 and 12, the transfer robot 120 is arranged at the right hand end inside the main body surrounded by the cover 102. A base 130 is disposed on the left hand side of the transfer robot 120. One end side area (the right hand side area in FIGS. 11 and 12) of the base 130 is a substrate transfer area for transferring the substrate W to and from the transfer robot 120, whereas the other end side area (Left-hand side region in FIGS. 11 and 12) is a pattern drawing region for pattern drawing on the substrate W. On the base 130, a head support 140 is provided at the boundary position between the substrate delivery area and the pattern drawing area. In the head support portion 140, two leg members 141 and 142 are erected upward from the base 130, and a beam member 143 is laterally provided so as to bridge the top portions of the leg members 141 and 142. Yes. Then, as shown in FIG. 11, the camera (imaging unit) 150 is fixed to the side of the pattern drawing area of the beam member 143 and the surface of the substrate W (the drawing surface and the exposed surface) held on the stage 160 is imaged. It is possible.

このステージ160は基台130上でステージ移動機構161によりX方向、Y方向ならびにθ方向に移動される。すなわち、ステージ移動機構161は基台130の上面にY軸駆動部161Y(図13)、X軸駆動部161X(図13)およびθ軸駆動部161T(図13)をこの順序で積層配置したものであり、ステージ160を水平面内で2次元的に移動させて位置決めする。また、ステージ160をθ軸(鉛直軸)回りの回転させて後述する光学ヘッド170に対する相対角度を調整して位置決めする。なお、このようなステージ移動機構161としては、従来より多用されているX−Y−θ軸移動機構を用いることができる。   The stage 160 is moved on the base 130 by the stage moving mechanism 161 in the X direction, the Y direction, and the θ direction. That is, the stage moving mechanism 161 has a Y-axis drive unit 161Y (FIG. 13), an X-axis drive unit 161X (FIG. 13), and a θ-axis drive unit 161T (FIG. 13) stacked on the upper surface of the base 130 in this order. The stage 160 is moved and positioned two-dimensionally in a horizontal plane. Further, the stage 160 is rotated around the θ axis (vertical axis) to adjust the relative angle with respect to the optical head 170 described later for positioning. As such a stage moving mechanism 161, an XY-θ axis moving mechanism that has been widely used conventionally can be used.

また、このように構成されたヘッド支持部140のパターン描画領域側で光学ヘッド170が上下方向に移動自在に取り付けられており、露光制御部181からの動作指令に応じてヘッド移動機構171が作動することで後述するステージ160に保持される基板Wとの距離を高精度に調整可能となっている。なお、光学ヘッド170は上記第5実施形態にかかる光変調デバイス1Eを装備して基板Wに対して光を照射して露光するものであり、その構成および動作については後で詳述する。   Further, the optical head 170 is mounted on the pattern drawing area side of the head support unit 140 configured in this manner so as to be movable in the vertical direction, and the head moving mechanism 171 is activated in response to an operation command from the exposure control unit 181. By doing so, the distance from the substrate W held on the stage 160 described later can be adjusted with high accuracy. The optical head 170 is equipped with the light modulation device 1E according to the fifth embodiment and irradiates the substrate W with light, and the configuration and operation thereof will be described in detail later.

また、基台130の反基板受渡側端部(図11および図12の左手側端部)においても、2本の脚部材144が立設されている。そして、この梁部材143と2本の脚部材144の頂部を橋渡しするように光学ヘッド170の照明光学系を収納したボックス172が設けられており、基台130のパターン描画領域を上方から覆っている。したがって、露光装置100Bが設置されるクリーンルーム内に供給されているダウンフローを本体内部に引き入れたとしても、パターン描画領域にダウンフローが供給されない空間SPが形成される。   Also, two leg members 144 are erected on the opposite end of the base 130 on the side opposite to the board delivery side (the left-hand side end in FIGS. 11 and 12). A box 172 containing the illumination optical system of the optical head 170 is provided so as to bridge the beam member 143 and the top of the two leg members 144, and covers the pattern drawing region of the base 130 from above. Yes. Therefore, even if the downflow supplied into the clean room in which the exposure apparatus 100B is installed is drawn into the main body, a space SP in which the downflow is not supplied is formed in the pattern drawing area.

そこで、本実施形態にかかる露光装置100Bでは、上記空間SPの反搬送ロボット側にステージ160と光学ヘッド170のボックス172とに挟まれた空間SPに向けて温調された気体を吹き出す気体吹出部190が配置されている。この実施形態では、本体部の左手側壁を構成するカバー102を貫通するように2つの気体吹出部190が上下に取り付けられている。これらの気体吹出部190は空調器191に接続されており、露光制御部181から指令に応じて作動して空調器191で温調された空気を空間SPに向けて吹き出す。これによって、気体吹出部190から吹き出された温調気体が横向きに流れて空間SPを通過する。これによって上記空間SPの雰囲気が入替えられてパターン描画領域での温度変化が抑制される。また、このように上記空間SPを通過した空気は搬送ロボット120に流れ込むが、この実施形態では、搬送ロボット120の下方部に排気口192が設けられるとともに、排気口192が配管193を介して空調器191に接続されている。したがって、排気口192を設けたことで搬送ロボット120を取り囲む雰囲気は排気されて同雰囲気内で下向きの気流、つまりダウンフローが形成される。したがって、搬送ロボット120でパーティクルが舞い上がり散乱するのが効果的に防止される。   Therefore, in the exposure apparatus 100B according to the present embodiment, a gas blowing unit that blows out the temperature-controlled gas toward the space SP sandwiched between the stage 160 and the box 172 of the optical head 170 on the side opposite to the space SP of the space SP. 190 is arranged. In this embodiment, the two gas blowing parts 190 are attached up and down so that the cover 102 which comprises the left-hand side wall of a main-body part may be penetrated. These gas blowing units 190 are connected to an air conditioner 191 and operate according to a command from the exposure control unit 181 to blow out the air temperature-controlled by the air conditioner 191 toward the space SP. Thereby, the temperature-controlled gas blown out from the gas blowing unit 190 flows sideways and passes through the space SP. As a result, the atmosphere of the space SP is switched, and the temperature change in the pattern drawing area is suppressed. In addition, the air that has passed through the space SP flows into the transfer robot 120 in this way, but in this embodiment, an exhaust port 192 is provided in the lower portion of the transfer robot 120 and the exhaust port 192 is air-conditioned via the pipe 193. Connected to the device 191. Therefore, by providing the exhaust port 192, the atmosphere surrounding the transfer robot 120 is exhausted, and a downward airflow, that is, a downflow is formed in the atmosphere. Accordingly, it is possible to effectively prevent the particles from rising and scattering by the transfer robot 120.

次に光学ヘッド170の構成および動作について説明する。この実施形態では、光学ヘッド170は上記したようにヘッド支持部140に対して上下方向Zに移動自在に取り付けられており、光学ヘッド170の直下位置で移動している基板Wに対して光を落射することでステージ160に保持された基板Wを露光してパターンを描画する。なお、本実施形態では、光学ヘッド170はX方向に複数チャンネルで光を同時に照射可能となっており、X方向が「副走査方向」に相当している。また、ステージ160をY方向に移動させることで基板Wに対してパターンを2次元的に描画することが可能となっており、Y方向が「主走査方向」に相当している。   Next, the configuration and operation of the optical head 170 will be described. In this embodiment, the optical head 170 is attached to the head support portion 140 so as to be movable in the vertical direction Z as described above, and light is applied to the substrate W moving immediately below the optical head 170. The substrate W held on the stage 160 is exposed by being reflected and a pattern is drawn. In this embodiment, the optical head 170 can simultaneously irradiate light in a plurality of channels in the X direction, and the X direction corresponds to the “sub-scanning direction”. Further, by moving the stage 160 in the Y direction, a pattern can be drawn two-dimensionally on the substrate W, and the Y direction corresponds to the “main scanning direction”.

図14は光学ヘッドの内部構成を簡略化して示す図であり、同図(a)は光学ヘッド170の光軸OAおよび副走査方向Xに沿って光学ヘッド170を上方から見た場合の光学ヘッド170の内部構成を示し、同図(b)は主走査方向Yに沿って側方から光学ヘッド170側を見た場合の光学ヘッド170の内部構成を示している。   FIG. 14 is a diagram showing the internal configuration of the optical head in a simplified manner. FIG. 14A is an optical head when the optical head 170 is viewed from above along the optical axis OA and the sub-scanning direction X of the optical head 170. 170B shows the internal configuration of the optical head 170 when the optical head 170 side is viewed from the side along the main scanning direction Y. FIG.

図14に示す光学ヘッド170は、所定の波長の光を出射する半導体レーザなどにより構成された光源部173を有している。この光源部173はコリメータレンズ(図示省略)を有しており、半導体レーザなどから出射される光はコリメータレンズを介して平行光とされて照明光学系174に入射する。   The optical head 170 shown in FIG. 14 has a light source unit 173 configured by a semiconductor laser or the like that emits light of a predetermined wavelength. The light source unit 173 has a collimator lens (not shown), and light emitted from a semiconductor laser or the like is converted into parallel light through the collimator lens and enters the illumination optical system 174.

この照明光学系174は3枚のシリンドリカルレンズ174a〜174cにより構成されており、光源部173から出射してきた光Linはシリンドリカルレンズ174a〜174cの順で通過して光変調デバイス1Eの電気光学結晶層11の一方端面11aに入射する。これらのうちシリンドリカルレンズ174aはX方向にのみ負のパワーを有しており、シリンドリカルレンズ174aを通過した光は光軸OAに垂直な光束断面が円形から次第にX方向に長い楕円形へと変化する。一方、光軸OAおよびX方向に垂直なY方向に関して、シリンドリカルレンズ174aを通過した光Linの光束断面の幅は(ほぼ)一定とされる。   The illumination optical system 174 is composed of three cylindrical lenses 174a to 174c, and the light Lin emitted from the light source unit 173 passes through the cylindrical lenses 174a to 174c in this order, and the electro-optic crystal layer of the light modulation device 1E. 11 is incident on one end face 11a. Of these, the cylindrical lens 174a has a negative power only in the X direction, and the light passing through the cylindrical lens 174a changes from a circular cross section perpendicular to the optical axis OA to an ellipse having a longer length in the X direction. . On the other hand, with respect to the optical axis OA and the Y direction perpendicular to the X direction, the width of the light beam cross section of the light Lin that has passed through the cylindrical lens 174a is (almost) constant.

また、シリンドリカルレンズ174bはX方向にのみ正のパワーを有しており、シリンドリカルレンズ174aを通過した光Linはシリンドリカルレンズ174bによりビーム整形される。つまり、シリンドリカルレンズ174bを通過した光Linは、光束断面がX方向に長い一定の大きさの楕円形とされてシリンドリカルレンズ174cへと入射する。   The cylindrical lens 174b has a positive power only in the X direction, and the light Lin that has passed through the cylindrical lens 174a is shaped by the cylindrical lens 174b. That is, the light Lin that has passed through the cylindrical lens 174b is formed into an elliptical shape having a constant cross-section that is long in the X direction, and is incident on the cylindrical lens 174c.

このシリンドリカルレンズ174cは、Y方向にのみ正のパワーを有し、Y方向のみに着目した場合には、図14(b)に示すように、シリンドリカルレンズ174cを通過した光Linは集光しつつ電気光学結晶層11の一方端面11aへと入射する。また、X方向に関しては、図14(a)に示すように、シリンドリカルレンズ174cからの光Linは平行光として電気光学結晶層11の一方端面11aに入射する。なお、光変調デバイス1Eの構成および動作については既に説明しているため、ここでは説明を省略する。   The cylindrical lens 174c has a positive power only in the Y direction. When attention is paid only to the Y direction, the light Lin that has passed through the cylindrical lens 174c is condensed as shown in FIG. 14B. The light enters the one end face 11 a of the electro-optic crystal layer 11. Regarding the X direction, as shown in FIG. 14A, the light Lin from the cylindrical lens 174c is incident on the one end face 11a of the electro-optic crystal layer 11 as parallel light. Since the configuration and operation of the light modulation device 1E have already been described, description thereof is omitted here.

光変調デバイス1Eの出射側(図14の右手側)では、スリット板178、Y方向にのみ正のパワーを有するシリンドリカルレンズ175およびシュリーレン光学系176がこの順序で配置されている。   On the emission side (right hand side in FIG. 14) of the light modulation device 1E, a slit plate 178, a cylindrical lens 175 having a positive power only in the Y direction, and a schlieren optical system 176 are arranged in this order.

図15はスリット板の斜視図である。このスリット板178の中央部には、電気光学結晶層11の端面11bから出射される伝播光Loutのみを通過させるスリット178aが設けられている。一方、電気光学結晶層11中を導波できない光(非導波光)、つまり非伝播光L′については、図14(b)の破線で示すように、結晶部14の端面から出射され、スリット板178で遮蔽される。したがって、伝播光Loutのみがシリンドリカルレンズ175に入射される。   FIG. 15 is a perspective view of the slit plate. At the center of the slit plate 178, a slit 178a that allows only the propagation light Lout emitted from the end face 11b of the electro-optic crystal layer 11 to pass is provided. On the other hand, light that cannot be guided through the electro-optic crystal layer 11 (non-guided light), that is, non-propagating light L ′ is emitted from the end face of the crystal portion 14 as shown by the broken line in FIG. It is shielded by a plate 178. Therefore, only the propagation light Lout is incident on the cylindrical lens 175.

このシリンドリカルレンズ175はY方向にのみ正のパワーを有しており、光変調デバイス1Eの電気光学結晶層11の他方端面11bから出射される伝播光Loutを図14(b)に示すように、
シリンドリカルレンズ175にてY方向に関してほぼ平行な光とされ、シュリーレン光学系176に入射する。このシュリーレン光学系176はレンズ176a、アパーチャ176b1を有するアパーチャ板176b、レンズ176cで構成されており、伝播光Loutはアパーチャ176b1をすり抜けて基板Wの表面に達する。なお、この実施形態では、アパーチャ板176bを設けているが、これは必須構成ではなく、アパーチャ板176bを省略してもよい。
This cylindrical lens 175 has a positive power only in the Y direction, and the propagation light Lout emitted from the other end surface 11b of the electro-optic crystal layer 11 of the light modulation device 1E is as shown in FIG.
The light is made substantially parallel with respect to the Y direction by the cylindrical lens 175 and enters the schlieren optical system 176. The schlieren optical system 176 includes a lens 176a, an aperture plate 176b having an aperture 176b1, and a lens 176c. The propagating light Lout passes through the aperture 176b1 and reaches the surface of the substrate W. In this embodiment, the aperture plate 176b is provided. However, this is not an essential configuration, and the aperture plate 176b may be omitted.

このように本実施形態では、非伝播光L′についてはスリット板178で遮蔽する一方、電極対毎に電位を制御することにより変調された伝播光Loutについては基板Wの表面(被露光面)に照射される。このようにして5チャンネルの各々について光変調が行われる。例えば図9(b)で示したように各電極16a、16bに付与する電位を制御することで第1ないし第3チャンネルを「ON状態」にした場合、電気光学結晶層11のうち、これらのチャンネルに対応する領域で光Linが導波されて電気光学結晶層11の他方端面11bから出射されて基板Wの表面に照射される。その結果、第1ないし第3チャンネルに対応してスポット状に露光される。また、図9(b)では第4チャンネルについては「中間状態」となっているため、第4チャンネルに対応する電気光学結晶層11の他方端面11bから光Loutが出射されて基板Wの表面に照射される。ただし、その光量は僅かであるため、図14(a)では第1ないし第3チャンネルの露光位置を黒丸のスポットで図示する一方、第4チャンネルの露光位置を梨地模様のスポットで図示して第4チャンネルでの露光光量が第1ないし第3チャンネルでの露光光量より低いことを図示している。さらに、図9(b)では第5チャンネルについては「OFF状態」となっているため、チャンネルに対応する電気光学結晶層11の他方端面11bから光Loutがほとんど出射されないため、第5チャンネルに対応するスポットは形成されない。   As described above, in this embodiment, the non-propagating light L ′ is shielded by the slit plate 178, while the propagating light Lout modulated by controlling the potential for each electrode pair is the surface (exposed surface) of the substrate W. Is irradiated. In this way, optical modulation is performed for each of the five channels. For example, as shown in FIG. 9B, when the first to third channels are set to the “ON state” by controlling the potentials applied to the electrodes 16a and 16b, the electro-optic crystal layer 11 includes these layers. Light Lin is guided in a region corresponding to the channel, is emitted from the other end surface 11 b of the electro-optic crystal layer 11, and is irradiated onto the surface of the substrate W. As a result, exposure is performed in a spot shape corresponding to the first to third channels. Further, in FIG. 9B, the fourth channel is in the “intermediate state”, so that the light Lout is emitted from the other end surface 11b of the electro-optic crystal layer 11 corresponding to the fourth channel to the surface of the substrate W. Irradiated. However, since the amount of light is very small, in FIG. 14 (a), the exposure positions of the first to third channels are shown as black circle spots, while the exposure position of the fourth channel is shown as a satin pattern spot. The figure shows that the exposure light quantity in the four channels is lower than the exposure light quantity in the first to third channels. Further, in FIG. 9B, since the fifth channel is in the “OFF state”, the light Lout is hardly emitted from the other end face 11b of the electro-optic crystal layer 11 corresponding to the channel, and therefore corresponds to the fifth channel. No spot is formed.

このように、本実施形態では、レンズ176a、アパーチャ板176bおよびレンズ176cにより、いわゆるシュリーレン光学系176を構成している。このシュリーレン光学系176は両側テレセントリック光学系と同等の配置であり、図14に示すように、複数のチャンネルを有する光学ヘッド170で基板Wに露光する場合にも、その露光面(基板Wの表面)に対して各チャンネルの伝播光Loutは垂直であり、露光面(基板Wの表面)のピント方向Zの変動に対して倍率の変化を受けない。その結果、高精度な露光が可能となる。   Thus, in this embodiment, the lens 176a, the aperture plate 176b, and the lens 176c constitute a so-called Schlieren optical system 176. This schlieren optical system 176 has the same arrangement as the double-sided telecentric optical system. As shown in FIG. 14, even when the substrate W is exposed by the optical head 170 having a plurality of channels, the exposure surface (the surface of the substrate W). ), The propagation light Lout of each channel is perpendicular, and is not affected by a change in magnification with respect to a change in the focus direction Z of the exposure surface (the surface of the substrate W). As a result, highly accurate exposure is possible.

なお、上記のように構成された露光装置100Bは装置全体を制御するためにコンピュータ200を有している。このコンピュータ200はCPUやメモリ201等を有しており、露光制御部181とともに電装ラック(図示省略)内に配置されている。また、コンピュータ200内のCPUが所定のプログラムに従って演算処理することにより、ラスタライズ部202、伸縮率算出部203、データ修正部204およびデータ生成部205が実現される。例えば1つのLSIに相当するパターンのデータは外部のCAD等により生成されたデータであり、予めLSIデータ211としてメモリ201に準備されており、当該LSIデータ211に基づき次のようにしてLSIのパターンが基板W上に描画される。   Note that the exposure apparatus 100B configured as described above includes a computer 200 for controlling the entire apparatus. The computer 200 includes a CPU, a memory 201, and the like, and is arranged in an electrical rack (not shown) together with the exposure control unit 181. In addition, the rasterization unit 202, the expansion / contraction rate calculation unit 203, the data correction unit 204, and the data generation unit 205 are realized by the CPU in the computer 200 performing arithmetic processing according to a predetermined program. For example, pattern data corresponding to one LSI is data generated by an external CAD or the like, and is prepared in advance in the memory 201 as LSI data 211. Based on the LSI data 211, the LSI pattern is as follows. Is drawn on the substrate W.

ラスタライズ部202は、LSIデータ211が示す単位領域を分割してラスタライズし、ラスタデータ212を生成してメモリ201に保存する。こうしてラスタデータ212の準備後、または、ラスタデータ212の準備と並行して、上記のようにしてカセットCSに収納されている未処理の基板Wが搬送ロボット120により搬出されてステージ160に載置される。   The rasterizing unit 202 divides and rasterizes the unit area indicated by the LSI data 211, generates raster data 212, and stores it in the memory 201. Thus, after preparing the raster data 212 or in parallel with the preparation of the raster data 212, the unprocessed substrate W stored in the cassette CS as described above is carried out by the transfer robot 120 and placed on the stage 160. Is done.

その後、ステージ移動機構161によりステージ160がカメラ150の直下位置に移動して基板W上の各アライメントマーク(基準マーク)を順番にカメラ150の撮像可能位置に位置決めし、カメラ150によるマーク撮像が実行される。カメラ150から出力される画像信号は電装ラック内の画像処理回路により処理され、アライメントマークのステージ160上の位置が正確に求められる。そして、これらの位置情報に基づきθ軸駆動部161Tが作動してステージ160を鉛直軸回りに微小回転させて基板Wへのパターン描画に適した向きにアライメント(位置合わせ)される。ここで、ステージ160を光学ヘッド170の直下位置に移動させた後で当該アライメントを行ってもよい。   Thereafter, the stage 160 is moved to a position immediately below the camera 150 by the stage moving mechanism 161, and the alignment marks (reference marks) on the substrate W are sequentially positioned at the imageable positions of the camera 150, and mark imaging by the camera 150 is executed. Is done. The image signal output from the camera 150 is processed by an image processing circuit in the electrical rack, and the position of the alignment mark on the stage 160 is accurately determined. Then, the θ-axis drive unit 161T operates based on these pieces of position information, and the stage 160 is slightly rotated about the vertical axis to be aligned (positioned) in a direction suitable for pattern drawing on the substrate W. Here, the alignment may be performed after the stage 160 is moved to a position directly below the optical head 170.

図13に示す伸縮率算出部203は、画像処理回路にて求められた基板W上のアライメントマークの位置、および基板Wの向きの修正量を取得し、アライメント後のアライメントマークの位置、並びに、主走査方向Yおよび副走査方向Xに対する基板Wの伸縮率(すなわち、主面の伸縮率)を求める。   The stretch rate calculation unit 203 illustrated in FIG. 13 acquires the alignment mark position on the substrate W and the correction amount of the orientation of the substrate W obtained by the image processing circuit, the alignment mark position after alignment, and The expansion / contraction ratio of the substrate W with respect to the main scanning direction Y and the sub-scanning direction X (that is, the expansion ratio of the main surface) is obtained.

一方、データ修正部204はラスタデータ212を取得し、伸縮の検出結果である伸縮率に基づいてデータの修正を行う。なお、このデータ修正については、例えば特許第4020248号に記載の方法を採用することができ、1つの分割領域のデータ修正が終了すると、修正後のラスタデータ212がデータ生成部205へと送られる。データ生成部205では、変更後の分割領域に対応する描画データ、すなわち、1つのストライプに相当するデータが生成される。   On the other hand, the data correction unit 204 acquires the raster data 212 and corrects the data based on the expansion / contraction rate that is the detection result of expansion / contraction. For this data correction, for example, the method described in Japanese Patent No. 40020248 can be adopted. When the data correction of one divided area is completed, the corrected raster data 212 is sent to the data generation unit 205. . The data generation unit 205 generates drawing data corresponding to the changed divided area, that is, data corresponding to one stripe.

こうして生成された描画データは、データ生成部205から露光制御部181へと送られ、露光制御部181が電位付与部17、ヘッド移動機構171およびステージ移動機構161の各部を制御することにより1ストライプ分の描画が行われる。なお、露光動作については上記したとおり電位付与部17により電極16a、16bに付与する電位制御により行われる。1つのストライプに対する露光記録が終了すると、次の分割領域に対して同様の処理が行われ、ストライプごとの描画が繰り返される。こうして、基板W上の全ストライプの描画が終了して基板Wの表面への所望パターンの描画が完了すると、ステージ160は描画済み基板Wを載置したまま基板受渡位置に移動した後、搬送ロボット120により基板WがカセットCSへと戻され、次の基板Wが取り出されて上記したと同様の一連の処理が繰り返される。さらに、カセットCSに収納されている全ての基板Wに対するパターン描画が終了すると、カセットCSが露光装置100Bから搬出される。   The drawing data generated in this way is sent from the data generation unit 205 to the exposure control unit 181, and the exposure control unit 181 controls each part of the potential applying unit 17, the head moving mechanism 171, and the stage moving mechanism 161, thereby creating one stripe. Minutes are drawn. The exposure operation is performed by controlling the potential applied to the electrodes 16a and 16b by the potential applying unit 17 as described above. When the exposure recording for one stripe is completed, the same processing is performed for the next divided region, and drawing for each stripe is repeated. Thus, when drawing of all the stripes on the substrate W is completed and drawing of a desired pattern on the surface of the substrate W is completed, the stage 160 moves to the substrate delivery position with the drawn substrate W placed thereon, and then the transfer robot. The substrate W is returned to the cassette CS by 120, the next substrate W is taken out, and a series of processes similar to those described above are repeated. Further, when the pattern drawing on all the substrates W stored in the cassette CS is completed, the cassette CS is unloaded from the exposure apparatus 100B.

なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能である。例えば上記第1ないし第4実施形態では、電気光学結晶層12、13の表面全体や側面全体に電極を形成している。また、第5実施形態では、第1電極16aおよび第2電極16bを電気光学結晶基板15の(−Z)側端部から(+Z)側端部まで延設している。しかしながら、電極16a、16bの形成範囲はこれに限定されるものではない。   The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications other than those described above can be made without departing from the spirit of the present invention. For example, in the first to fourth embodiments, electrodes are formed on the entire surface and side surfaces of the electro-optic crystal layers 12 and 13. In the fifth embodiment, the first electrode 16 a and the second electrode 16 b are extended from the (−Z) side end of the electro-optic crystal substrate 15 to the (+ Z) side end. However, the formation range of the electrodes 16a and 16b is not limited to this.

また、図11に示す実施形態では、本発明にかかる光変調デバイスを装備した光学ヘッド170にヘッド移動機構171を設けて基板Wと光学ヘッド170との距離を調整しているが、ステージ移動機構161に昇降駆動部を設けて上記距離を調整可能としてもよい。また、上記光学ヘッド170に対して基板Wを相対移動させる構成は上記実施形態に限定されるものではない。つまり、光変調デバイス1Eから出射される複数の光Loutをステージ160に保持された基板Wに照射する位置を基板Wに対して相対的に移動しつつ描画(LSI)データに応じて光変調デバイス1Eを制御してパターンを描画するパターン描画装置全般に本発明を適用することができる。   In the embodiment shown in FIG. 11, the head moving mechanism 171 is provided in the optical head 170 equipped with the light modulation device according to the present invention to adjust the distance between the substrate W and the optical head 170. However, the stage moving mechanism 161 may be provided with an elevating drive unit so that the distance can be adjusted. Further, the configuration for moving the substrate W relative to the optical head 170 is not limited to the above embodiment. That is, the light modulation device according to the drawing (LSI) data while moving the position where the plurality of lights Lout emitted from the light modulation device 1E are irradiated to the substrate W held on the stage 160 relative to the substrate W. The present invention can be applied to all pattern drawing apparatuses that draw a pattern by controlling 1E.

また、パターンを描画する記録材料は、プリント配線基板や半導体基板等の感光性材料が塗布された、あるいは、感光性を有する他の材料であってもよく、光の照射による熱に反応する材料であってもよい。   The recording material for drawing the pattern may be a photosensitive material such as a printed wiring board or a semiconductor substrate, or may be another photosensitive material, and is a material that reacts to heat due to light irradiation. It may be.

さらに、上記のように構成された光変調デバイス1A〜1Eはパターン描画以外の用途に用いられてもよく、この場合、光の照射の対象物も記録材料以外であってもよい。   Furthermore, the light modulation devices 1A to 1E configured as described above may be used for applications other than pattern drawing, and in this case, the object to be irradiated with light may be other than the recording material.

1A〜1E…光変調デバイス
11…第1電気光学結晶層
12…第2電気光学結晶層
13…第4電気光学結晶層
11a…(第1電気光学結晶層の)一方端面
11b…(第1電気光学結晶層の)他方端面
15…電気光学結晶基板
16a…第1電極
16b…第2電極
17…電位付与部
100A、100B…露光装置
173…光源部
175…シリンドリカルレンズ(光学系)
176…シュリーレン光学系、結像レンズ(光学系)
Lin…入射光
Lout…伝播光
L′…非伝播光
W…基板
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1A-1E ... Light modulation device 11 ... 1st electro-optic crystal layer 12 ... 2nd electro-optic crystal layer 13 ... 4th electro-optic crystal layer 11a ... (1st electro-optic crystal layer) one end surface 11b ... (1st electricity The other end face (of the optical crystal layer) 15 ... electro-optical crystal substrate 16a ... first electrode 16b ... second electrode 17 ... potential application unit 100A, 100B ... exposure device 173 ... light source unit 175 ... cylindrical lens (optical system)
176 ... Schlieren optical system, imaging lens (optical system)
Lin ... Incident light Lout ... Propagating light L '... Non-propagating light W ... Substrate

Claims (10)

一方端面から内部に入射される光を第1方向に導光して他方端面から出射させる第1電気光学結晶層を、前記第1電気光学結晶層と異なる結晶軸方位を有する第2電気光学結晶層および第3電気光学結晶層で前記第1方向に対して直交する第2方向から挟み込むように構成される電気光学結晶基板と、
前記第2電気光学結晶層の表面に設けられる第1電極と、
前記第3電気光学結晶層の表面に設けられる第2電極と、
前記第1電極と前記第2電極とに付与する電位を制御して前記入射光に対する前記第1電気光学結晶層、前記第2電気光学結晶層および前記第3電気光学結晶層の屈折率を変化させて前記他方端面から出射される光の強度を変化させる電位付与部と
を備えることを特徴とする光変調デバイス。
A second electro-optic crystal having a crystal axis orientation different from that of the first electro-optic crystal layer, wherein the first electro-optic crystal layer that guides light incident from the one end face in the first direction and emits the light from the other end face An electro-optic crystal substrate configured to be sandwiched between a layer and a third electro-optic crystal layer from a second direction orthogonal to the first direction;
A first electrode provided on a surface of the second electro-optic crystal layer;
A second electrode provided on the surface of the third electro-optic crystal layer;
The potential applied to the first electrode and the second electrode is controlled to change the refractive indexes of the first electro-optic crystal layer, the second electro-optic crystal layer, and the third electro-optic crystal layer with respect to the incident light. And a potential applying unit that changes the intensity of the light emitted from the other end face.
前記第2電気光学結晶層および前記第3電気光学結晶層は一体的に形成されて結晶部を構成し、前記第1方向に対する断面において前記結晶部で前記第1電気光学結晶層を取り囲む請求項1に記載の光変調デバイス。   The second electro-optic crystal layer and the third electro-optic crystal layer are integrally formed to form a crystal part, and the crystal part surrounds the first electro-optic crystal layer in a cross section with respect to the first direction. 2. The light modulation device according to 1. 前記第2電気光学結晶層および前記第3電気光学結晶層は前記第2方向において互いに離間して形成される請求項1に記載の光変調デバイス。   The light modulation device according to claim 1, wherein the second electro-optic crystal layer and the third electro-optic crystal layer are formed apart from each other in the second direction. 前記第1電気光学結晶層の結晶軸方位と、前記第2電気光学結晶層および前記第3電気光学結晶層の結晶軸方位とは、互いに180゜ずれている請求項1ないし3のいずれか一項に記載の光変調デバイス。   4. The crystal axis orientation of the first electro-optic crystal layer and the crystal axis orientations of the second electro-optic crystal layer and the third electro-optic crystal layer are shifted from each other by 180 °. The light modulation device according to item. 前記第1電気光学結晶層の結晶軸方位と、前記第2電気光学結晶層および前記第3電気光学結晶層の結晶軸方位とは、前記第2方向に平行な方位である請求項4に記載の光変調デバイス。   5. The crystal axis orientation of the first electro-optic crystal layer and the crystal axis orientations of the second electro-optic crystal layer and the third electro-optic crystal layer are orientations parallel to the second direction. Light modulation device. 前記第1電気光学結晶層、前記第2電気光学結晶層および前記第3電気光学結晶層は同一種類の結晶である請求項1ないし5のいずれか一項に記載の光変調デバイス。   6. The light modulation device according to claim 1, wherein the first electro-optic crystal layer, the second electro-optic crystal layer, and the third electro-optic crystal layer are the same type of crystal. 前記第1方向における前記第1電気光学結晶層の長さは1mm以上50mm以下であり、前記第2方向における前記第1電気光学結晶層の厚みは5μm以上100μm以下である請求項1ないし6のいずれか一項に記載の光変調デバイス。   The length of the first electro-optic crystal layer in the first direction is not less than 1 mm and not more than 50 mm, and the thickness of the first electro-optic crystal layer in the second direction is not less than 5 μm and not more than 100 μm. The light modulation device according to any one of claims. 前記第2電気光学結晶層は前記第2方向と直交する第1表面を有するとともに、前記第3電気光学結晶層は前記第2方向と直交する第2表面を有し、
前記第1電極が前記第1方向および前記第2方向に直交する第3方向において互いに離間して前記第1表面上にn(n≧2)個設けられるとともに、前記第2電極が前記第3方向において互いに離間して前記第2表面上にn個設けられて、前記第1電気光学結晶層を挟んで互いに対向する前記第1電極と前記第2電極とにより構成される電極対がn組設けられ、
前記電位付与部は前記n組の電極対に対して付与する電位を独立して制御する請求項1ないし7のいずれか一項に記載の光変調デバイス。
The second electro-optic crystal layer has a first surface perpendicular to the second direction, and the third electro-optic crystal layer has a second surface perpendicular to the second direction;
N (n ≧ 2) first electrodes are provided on the first surface so as to be spaced apart from each other in the third direction orthogonal to the first direction and the second direction, and the second electrode is provided in the third direction. N pairs of electrode pairs, which are provided on the second surface so as to be spaced apart from each other in the direction and are constituted by the first electrode and the second electrode facing each other across the first electro-optic crystal layer Provided,
The light modulation device according to claim 1, wherein the potential applying unit independently controls a potential applied to the n sets of electrode pairs.
前記n個の第1電極および前記n個の第2電極は前記第1方向と平行に延設されている請求項8に記載の光変調デバイス。   The light modulation device according to claim 8, wherein the n first electrodes and the n second electrodes extend in parallel with the first direction. 被露光面に光を照射して露光する露光装置であって、
請求項1ないし9のいずれか一項に記載の光変調デバイスと、
前記第1電気光学結晶層の一方端面に光を入射させる光源部と、
前記光変調デバイスにより変調されて前記第1電気光学結晶層の他方端面から出射される変調光を前記被露光面に導く光学系と
を備えたことを特徴とする露光装置。
An exposure apparatus that irradiates and exposes an exposed surface with light,
The light modulation device according to any one of claims 1 to 9,
A light source unit that makes light incident on one end face of the first electro-optic crystal layer;
An exposure apparatus comprising: an optical system that guides the modulated light modulated by the light modulation device and emitted from the other end face of the first electro-optic crystal layer to the exposed surface.
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