JP2021005042A - 光位相変調器 - Google Patents

Abstract

【課題】高い自由度で位相を変調可能な光位相変調器を提供する。【解決手段】光を透過する基板４と、光の透過方向に沿うように面方向が形成され、かつ少なくとも一方の面に金属膜Ｍが形成された板状の可動部２０、２３と、可動部２０、２３の少なくとも一部が光の透過方向と交差する方向に可動可能になるように可動部２０、２３の両端部の各々を一端で保持し、かつ他端が基板４に固定された固定部２１、２２、２４、２５とを、各々の可動部２０、２３の光の透過方向と交差する方向に可動可能な領域が重複しないように、各々の金属膜Ｍの形成面が所定間隔を隔てて対向するように配置して形成される複数のフィンと、複数のフィンのうちの少なくとも１つのフィンに電圧印加して、光が透過する方向と交差する方向に複数のフィンが接近又は離間するように制御する電圧印加制御部５と、を含む。【選択図】図１

Description

本発明は、光位相変調器に関する。

特許文献１〜特許文献４は、透過し又は反射する光の波長又は位相を変調する装置（サブ波長格子、カラーフィルタ、及びメタサーフェス）を開示する。より詳しくは、特許文献１に記載のサブ波長格子は、間隙を構成する二対の梁体と、当該間隙の方向にテンションを付与するアクチュエータとを有し、前記間隙により特定の波長のみを通過させ、また、前記間隙を変化させて異なる特定の波長のみを通過させる。特許文献２に記載のカラーフィルタは、平行かつ周期的に配置された微細な金属ワイヤの周期を光波長よりも狭くし、前記金属ワイヤの前記周期を同時に拡張方向または収縮方向へ適宜変化させることにより、光の透過波長帯域を変化させる。特許文献３に記載のメタサーフェスは、８８０ｎｍ〜４０μｍの波長を含む入力光を変調可能であり、ＧａＡｓ基板と、ＧａＡｓの屈折率よりも低い屈折率を有する中間層と、中間層のＧａＡｓ基板側とは反対側に設けられた複数のＶ字型アンテナ素子と、を備える。特許文献４に記載のメタサーフェスは、基板と、前記基板の光出力面側に設けられ、かつ、厚み方向における寸法が、１００ｎｍ〜４００ｎｍである複数のＶ字型アンテナ素子と、を備える。

特開２０１１−０９９９３６号公報 特開２０１５−２２２３３１号公報 特開２０１８−０４６３９５号公報 特開２０１８−０４５０７３号公報

しかしながら、上記した特許文献１〜４に記載された装置は、光の波長又は位相を変調することができるものの、位相変調に関しては、詳細な考慮がなされていない。光を変調する素子では、一般的に、位相の大きさを自由に変えることができることが望まれている。一方、上記の装置では、位相の変調を固定的に行うので、位相の大きさが異なる複数の変調を行うためには、複数の装置を要し、装置が大型かつ複雑になる等、改善の余地がある。

本開示は、変調された光の位相の大きさが固定的である従来に比して、高い自由度で位相を変調可能な光位相変調器を提供することを目的とする。

上記した課題を解決すべく、本開示の第１態様は、光を透過する基板と、前記光の透過方向に沿うように面方向が形成され、かつ少なくとも一方の面に金属膜が形成されて所定硬度の板状の可動部と、前記所定硬度より大きい硬度であり、前記可動部の少なくとも一部が前記光の透過方向と交差する方向に可動可能になるように前記可動部の両端部の各々を一端で保持し、かつ他端が前記基板に固定された固定部とを、各々の前記可動部の前記光の透過方向と交差する方向に可動可能な領域が重複しないように、各々の前記金属膜の形成面が所定間隔を隔てて対向するように配置して形成される複数のフィンと、前記複数のフィンのうちの少なくとも１つのフィンに電圧印加して、前記光が透過する方向と交差する方向に前記複数のフィンが接近又は離間するように制御する電圧印加制御部と、を含む光位相変調器である。

本開示の第２態様は、第１態様の光位相変調器において、前記複数のフィンは、各々の前記可動可能な領域を含む空間を前記光の透過方向と交差する方向の面に投影した領域を光透過有効領域とし、前記光透過有効領域へ前記光が照射されるように配置される。

本開示の第３態様は、第１態様又は第２態様の光位相変調器において、前記複数のフィンが対向して配置された複数の前記金属膜の形成面により形成される空間を含む固定領域と、前記可動部の前記所定硬度及び前記固定部の前記所定硬度より大きい硬度に基づいて定められる前記可動部の可動領域と、を前記光の透過方向と交差する方向の面に投影した領域を含む光透過有効領域について、前記複数のフィンに向う光を抑制すること、及び、前記複数のフィンからの光を抑制することのいずれかを行う抑制部を含む。

本開示の第４態様は、第１態様から第３態様の何れか１態様に記載の光位相変調器において、前記可動部は、前記光の透過方向に沿う方向の長さより前記光の透過方向と交差する方向の長さを長くする。

本開示の第５態様は、第１態様から第４態様の何れか１態様に記載の光位相変調器において、前記可動部の前記光の透過方向と交差する方向の長さは、４５以上μｍでかつ６０μｍ以下の長さに形成される。

本開示の第６態様は、第１態様から第５態様の何れか１態様に記載の光位相変調器において、前記金属膜は、金を含む金属により形成された膜である。

本発明に係る光位相変調器によれば、透過する光の透過率及び位相を容易に可変することができる。

実施形態の光位相変調器の構成を示す。 実施形態の光位相変調器の断面図である。 実施形態の光位相変調器及び遮光板の上面図である。 実施形態の光位相変調器の動作（概要）を示す上面図である。 実施形態の光位相変調器の動作（詳細）を示す上面図である。 実施形態の光位相変調器の製造プロセスを示す断面図である。 製造プロセスによって作成した光位相変調器の性能について検証結果を示す図であり、（Ａ）は位相差スペクトルを示し、（Ｂ）はスリット幅と位相差との関係を示し、（Ｃ）は電圧印加による位相差変調特性を示す。 実施形態の光位相変調器のスリットの幅及び高さと、ＴＥ偏光の透過率との関係、ＴＭ偏光の透過率との関係、及び、ＴＥ偏光及びＴＭ偏光間の位相差との関係（その１）を示す図である。 実施形態の光位相変調器のスリットの幅及び高さと、ＴＥ偏光の透過率との関係、ＴＭ偏光の透過率との関係、及び、ＴＥ偏光及びＴＭ偏光間の位相差との関係（その２）を示す図である。 比較例の光位相変調器を含む軸対称偏光子の構成を示す図である。 比較例の光位相変調器の動作原理を示す斜視図である。 比較例の光位相変調器の動作原理を示す側面図である。

〈実施形態の概要〉
以下、本開示の技術を実現する実施形態について、図面を参照して説明する。なお、作用、機能が同じ働きを担う構成要素及び処理には、全図面を通して同じ符合を付与し、重複する説明を適宜省略する場合がある。

図１は、実施形態の光位相変調器の構成を示す。図２は、実施形態の光位相変調器の断面図である。図３（Ａ）は、実施形態の光位相変調器の上面図であり、図３（Ｂ）は、実施形態の光位相変調器の遮光板の上面図である。

実施形態の光位相変調器１は、図１〜図３に示されるように、２つの梁部２Ａ、２Ｂと、２つの固定電極部３Ａ、３Ｂと、基板４と、制御部５と、遮光板６とを含む。

ここで、２つの梁部２Ａ、２Ｂは、本開示の『複数のフィン』に対応する。制御部５は、本開示の『電圧印加制御部』に対応する。遮光板６は、本開示の『抑制部』に対応する。

〈光位相変調器（比較例）の原理〉
実施形態の光位相変調器１の構成を詳述することに先立ち、光位相変調器の原理について説明する。

図１０は、比較例の光位相変調器を含む軸対称偏光子の構成を示す。

軸対称偏光子１００は、図１０に示されるように、軸対称偏光子１００に向けて入射する入射光１０１に偏光を施すことにより、偏光された光（例えば、広く知られているラジアル偏光）である出射光１０２を出力すべく、４つの光位相変調器１０３Ａ〜１０３Ｄを含む。光位相変調器１０３Ａ〜１０３Ｄは、それぞれ、２分の１波長板の機能を有する。「２分の１波長板」の機能とは、入射光を複屈折させることにより、入射光を構成する２つの偏光成分（ＴＥ偏光、ＴＭ偏光）間に位相差（光路差）を与えることをいう。具体的には、例えば、光位相変調器１０３Ａの光学軸（図１０中で、光位相変調器における白黒の縞状の直線と平行）が、入射光１０１Ａの偏光方位（矢印で示される方位）からθ傾いているとき、出射光１０２Ａの偏光方位は、入射光１０１Ａの偏光方位から２θ傾くことになる。

入射光１０１の偏光方位と、光位相変調器１０３Ａ〜１０３Ｄの光学軸とにより規定される角度θは、図１０から明らかであるように、それぞれ、０°、＋４５°（または−１３５°）、＋９０°（または−９０°）、＋１３５°（または−４５°）である。

光位相変調器１０３Ａに入射する入射光１０１Ａの偏光方位と、光位相変調器１０３Ａの光学軸との角度θは、上記したように、０°である。従って、光位相変調器１０３Ａからは、何ら偏光を受けていない、換言すれば、入射光１０１Ａの偏光方位と同一の偏光方位を有する出射光１０２Ａが出力される。

光位相変調器１０３Ｂに入射する入射光１０１Ｂの偏光方位と、光位相変調器１０３Ｂの光学軸との角度θは、上記したように、＋４５°である。従って、光位相変調器１０３Ｂからは、入射光１０１Ｂの偏光方位と９０°相違する偏光方位を有する出射光１０２Ｂが出力される。

光位相変調器１０３Ｃに入射する入射光１０１Ｃの偏光方位と、光位相変調器１０３Ｃの光学軸との角度θは、上記したように、＋９０°である。従って、光位相変調器１０３Ｃからは、入射光１０１Ｃの偏光方位と１８０°相違する偏光方位を有する出射光１０２Ｃが出力される。

光位相変調器１０３Ｄに入射する入射光１０１Ｄの偏光方位と、光位相変調器１０３Ｄの光学軸との角度θは、上記したように、−４５°である。従って、光位相変調器１０３Ｄからは、入射光１０１Ｄの偏光方位と−９０°相違する偏光方位を有する出射光１０２Ｄが出力される。

上記したように、入射光１０１を軸対称偏光子１００に入射し通過させることにより、光位相変調器１０３Ａ〜１０３Ｄを通過した出射光１０２Ａ〜１０２Ｄから構成される、広く知られたラジアル偏光を得ることができる。

図１０に図示された軸対称偏光子１００に代えて、入射光１０１の偏光方位と光位相変調器１０３Ａ〜１０３Ｄの光学軸との角度θが上記とは異なる軸対称偏光子１００（図示せず。）に入射光１０１が入射することにより、上記したラジアル偏光に代えて、広く知られたアジマス偏光を得ることができる。

図１１は、比較例の光位相変調器の動作原理を示す斜視図である。図１２は、比較例の光位相変調器の動作原理を示す側面図である。

光位相変調器１０３（図１０に示された光位相変調器１０３Ａ〜１０３Ｄの総称）は、図１１に示されるように、ガラス基板１１０上に、複数のフィン１１１Ａ〜１１１Ｅが、Ｙ軸方向に沿って、かつ、相互に平行に配列されている。図１２に示されるように、Ｚ軸方向に沿って、ガラス基板１１０の底面から入射する入射光１１２は、光位相変調器１０３を通過すると、入射光を構成するＴＥ偏光１１２Ａ（Ｙ軸方向の成分）とＴＭ偏光１１２Ｂ（Ｘ軸方向の成分）との間で位相差が生じる。より詳しくは、ＴＥ偏光１１２Ａについては、例えば、隣接するフィン１１１Ａ、１１１Ｂ間のスリット１１３中で、ＴＥ偏光１１２Ａの波長が長くなることにより、ＴＥ偏光１１２Ａの位相が進む。他方で、ＴＭ偏光１１２Ｂについては、スリット１１３中で、ＴＭ偏光１１２Ｂの波長が短くなることにより、ＴＭ偏光１１２Ｂの位相が遅れる。この結果、光位相変調器１０３を透過した後の出射光１１４を構成するＴＥ偏光１１４ＡとＴＭ偏光１１４Ｂとの間には、位相差（例えば、位相差Ｄ）が存在することになる。

図１０を用いて上述したように、入射光１０１の偏光方位と光位相変調器１０３Ａ〜１０３Ｄの光学軸との角度を相互に異ならせることにより、換言すれば、図１１及び図１２を用いて上述したように、入射光１１２の偏光方位と、光位相変調器１０３を構成する複数のフィン１１１Ａ〜１１１Ｅの光学軸との角度を異ならせることにより、ＴＥ偏光１１４Ａ及びＴＭ偏光１１４Ｂ間の位相差Ｄを変えることができ、即ち、入射光１１２の偏光方位と複数のフィン１１１Ａ〜１１１Ｅの光学軸との角度の大きさに応じて、位相差Ｄが異なる出射光１１４を得ることができる。

〈実施形態の構成〉
〈梁部の構成〉
図１〜図３に戻り、実施形態の光位相変調器１では、梁部２Ａは、可動部２０と、固定部２１、２２とを有する。梁部２Ｂは、可動部２３と、固定部２４、２５とを有する。

〈梁部の可動部の構成〉
可動部２０、２３は、図１に示されるように、入射光６０が入射する（透過しようとする）Ｚ軸方向と交差するＹ軸方向に伸びる板状の部材である。可動部２０、２３は、図１及び図２に示されるように、相互に対峙する側面２０Ａ、２３Ａ（Ｙ軸方向に沿う平面であるＹＺ平面に平行な面）に、金属膜Ｍ（例えば、金。以下、同じ。）が形成されている。可動部２０は、図１及び図２に示されるように、固定電極部３Ａの側面３０Ａと対峙する側面２０Ｂにも、金属膜Ｍが形成されている。同様に、可動部２３は、図１及び図２に示されるように、固定電極部３Ｂの側面３１Ａと対峙する側面２３Ｂにも、金属膜Ｍが形成されている。

可動部２０の側面２０Ａ、２０Ｂ（正確には、側面２０Ａの金属膜Ｍ、側面２０Ｂの金属膜Ｍ）は、図１に示されるように、他の側面（ＸＺ平面に平行な面）、例えば、側面２０Ｃに形成された金属膜Ｍによる側面２０Ａの金属膜Ｍと側面２０Ｂの金属膜Ｍとの接続により、同電位である。同様に、可動部２３の側面２３Ａ、２３Ｂ（正確には、側面２３Ａの金属膜Ｍ、側面２３Ｂの金属膜Ｍ）は、他の側面（ＸＺ平面に平行な面）、例えば、側面２３Ｃに形成された金属膜Ｍによる側面２３Ａの金属膜Ｍと側面２３Ｂの金属膜Ｍとの接続により、同電位である。

可動部２０、２３は、少なくとも撓むことが可能に予め定められた硬度を有する。

可動部２０、２３は、入射光６０の透過方向であるＺ軸方向と交差する方向であるＸ軸方向（又は逆方向）に変位する。可動部２０の変位可能な領域（範囲）と、可動部２３の変位可能な領域（範囲）とが重複することを回避すべく、梁部２Ａ、２Ｂは、可動部２０の側面２０Ａと可動部２３の側面２３Ａとが予め定められた間隔を置いて離れ、かつ、相互に対向するように、配置されている。即ち、梁部２Ａの側面２０Ａと梁部２Ｂの側面２３Ａは、図１及び図２に示されるように、相互間の間隙であるスリットＳを形成している。ここで、図２に示されるように、スリットＳのＸ軸方向の長さを、「Ｗ」と定義し、また、可動部２０の側面２０Ａ及び可動部２３の側面２３Ａの、Ｚ軸方向の長さ（厚さ）を「ｔ」と定義する。

〈梁部の固定部の構成〉
梁部２Ａの固定部２１、２２は、図１から明らかであるように、梁部２Ａの可動部２０を両持ち形式で支持する。より具体的には、梁部２Ａの固定部２１は、梁部２Ａの可動部２０が、上記したように、Ｘ軸方向に変位することができるようにすべく、その一端が可動部２０の一端を保持し、その他端が基板４（図２に図示。）に固定されている。梁部２Ａの固定部２２は、梁部２Ａの固定部２１と同様に、梁部２Ａの可動部２０が、Ｘ軸方向に変位することができるようにすべく、その一端が可動部２０の他端を保持し、その他端が基板４（図２に図示。）に固定されている。

梁部２Ｂの固定部２４、２５は、図１から明らかであるように、梁部２Ａの可動部２０と梁部２Ａの固定部２１、２２との関係と同様に、梁部２Ｂの可動部２３を両持ち形式で支持する。より具体的には、梁部２Ｂの固定部２４は、梁部２Ｂの可動部２３が、上記したように、Ｘ軸方向に変位することができるようにすべく、その一端が可動部２３の一端を保持し、その他端が基板４（図２に図示。）に固定されている。梁部２Ｂの固定部２５は、梁部２Ｂの固定部２４と同様に、梁部２Ｂの可動部２３が、Ｘ軸方向に変位することができるようにすべく、その一端が可動部２３の他端を保持し、その他端が基板４（図２に図示。）に固定されている。

固定部２１、２２、２４、２５は、可動部２０、２３が可動する（少なくとも撓む）場合であっても固定された位置に位置するように、可動部２０、２３の硬度より大きい硬度を有する。

〈固定電極部の構成〉
固定電極部３Ａは、図１及び図２に示されるように、梁部２Ａと対峙している。固定電極部３Ａは、少なくとも、梁部２Ａの側面２０Ｂと対峙する側面３０Ａ（ＹＺ平面に平行な面）に、金属膜Ｍが形成されている。

固定電極部３Ｂは、図１及び図２に示されるように、梁部２Ｂと対峙している。固定電極部３Ｂは、少なくとも、梁部２Ｂの側面２０Ｂと対峙する側面３１Ａ（ＹＺ平面に平行な面）に、金属膜Ｍが形成されている。

２つの梁部２Ａ、２Ｂ、及び、２つの固定電極部３Ａ、３Ｂは、上記した構成を有することから、協働して平行平板型の静電アクチュエータとして機能する。

〈制御部の構成〉
上記した機能を確保すべく、制御部５は、例えば、図１に示されるように、梁部２Ａ及び固定電極部３Ｂに、電圧（電圧Ｖｃｎｔ、接地電圧ＧＮＤ）を印加する。当該電圧の印加のために、制御部５は、電源ＰＳ及びスイッチＳＷを有する。

梁部２Ｂ（正確には、可動部２３の側面２３Ａ、２３Ｂの金属膜Ｍ）は、接地電圧ＧＮＤに接続されている。また、固定電極部３Ａ（正確には、固定電極部３Ａの側面３１Ａの金属膜Ｍ）は、予め定められた電圧Ｖｒｅｆに接続されている。

他方で、梁部２Ａ（正確には、可動部２０の側面２０Ａ、２０Ｂの金属膜Ｍ）、及び、固定電極部３Ｂ（正確には、固定電極部３Ｂの側面３１Ａの金属膜Ｍ）は、制御部５から、電源ＰＳの電圧Ｖｃｎｔ（電圧ｃｎｔの大きさは可変）、または、接地電圧ＧＮＤの印加を受ける。

なお、図１に示す制御部５の構成は、電圧印加のための一例を示したものであり、図１に示す構成に限定されるものではない。すなわち、制御部５は、光位相変調器で可動部の変位（撓み）により透過する光を所定の位相変調するに十分な電圧印加を行えばよく、印加する電圧値は設定値に応じて変化するように制御してもよい。

図４（Ａ）〜（Ｃ）は、実施形態の光位相変調器の動作（概要）を示す上面図である。なお、図４は、光位相変調器の動作についての説明を明瞭に表現するために形状の変化を誇張して示している。

梁部２Ａ及び固定電極部３Ｂが、制御部５から電圧の印加を何ら受けていないとき、又は初期値として設定された基準電圧（例えばバイアス電圧）が印加されたときには、図４（Ａ）に示されるように、可動部２０、２３は、可動部２０の側面２０Ａと可動部２３の側面２３Ａとが平行のままで、静止している。

梁部２Ａ及び固定電極部３Ｂが、制御部５から電圧の印加を受けると、図４（Ｂ）に示されるように、可動部２０、２３は、可動部２０の側面２０Ａと可動部２３の側面２３Ａとが相互に接近するように、変位（図４では湾曲に変形）する。

梁部２Ａ及び固定電極部３Ｂが、制御部５から上記とは異なる電圧の印加を受けると、図４（Ｃ）に示されるように、可動部２０、２３は、可動部２０の側面２０Ａと可動部２３の側面２３Ａが、相互から離間するように、変位（図４では湾曲に変形）する。

〈梁部、固定電極部の構造〉
図２に戻り、梁部２Ａ、２Ｂの可動部２０、２３は、絶縁材料４０（例えば、ＳｉＯ_２）から構成されている。可動部２０、可動部２３の表面には、金属膜Ｍとは異なる他の金属膜４１（例えば、Ｃｒ）が被覆されている。

固定電極部３Ａ、３Ｂは、図２に示されるように、絶縁材料４０から構成されている。固定電極部３Ａ、３Ｂの表面には、上記したと同様な他の金属膜４１が被覆されている。固定電極部３Ａ、３Ｂの絶縁材料４０は、半導体材料４２（例えば、Ｓｉ）により支持されている。

〈基板の構成〉
基板４は、図２に示されるように、入射光６０を透過させるべく、例えば、ガラスで構成されている。

〈寸法について〉
図１に示されるように、梁部２Ａの可動部２０、及び、梁２Ｂの可動部２３について、Ｙ軸方向（入射光６０の透過方向であるＺ軸方向と交差する方向）の長さは、可動部２０、２３がＸ軸方向（及び逆方向）に変位することを容易にすべく、Ｘ軸方向の長さより長いことが望ましい。

図１に示されるように、固定電極部３Ａの側面３０Ａに印加されている電圧Ｖｒｅｆ、及び、制御部５の電圧Ｖｃｎｔが比較的低くても、梁部２Ａの可動部２０、梁部２Ｂの可動部２３が変位することができるように、梁部２Ａの可動部２０、及び、梁部２Ｂの可動部２３のＹ軸方向の長さＬは、概ね、４５μｍから６０μｍまでであることが望ましい。

図２に示されるように、梁部２Ａ、２Ｂ、及びスリットＳのＸ軸方向についての合計の長さは、光位相変調器１の光学素子としての応用の観点からは、例えば、概ね２μｍであることが望ましい。

〈光透過有効領域について〉
光位相変調器１の上面図である図３（Ａ）に一例として示されるように、円状の光透過有効領域ＡＲが、仮想的に存在する。光透過有効領域ＡＲは、光位相変調器１へ照射される光のうち、移動部の変位によって位相変調の対象として有効な透過光の光束を規定する予め定めた領域である。例えば、光透過有効領域ＡＲは、図４（Ａ）〜（Ｃ）を用いて説明した、可動部２０の側面２０Ａ及び可動部２３の側面２３ＡがＸ軸方向（及び逆方向の少なくとも一方向）に変位可能な範囲（空間）が、ＸＹ平面（入射光６０の透過方向であるＺ軸方向と交差する平面）に投影されていると定義される。換言すれば、可動部２０、２３は、入射光６０が光透過有効領域ＡＲに照射されるような位置に設けられている。

光透過有効領域ＡＲは、固定領域ＡＲ１と可動領域ＡＲ２とを含む。固定領域ＡＲ１は、相互に対向して配置された可動部２０の側面２０Ａ、及び、可動部２３の側面２３Ａにより形成される範囲（空間）である。すなわち、固定領域ＡＲ１は、可動部２０の可動の有無に拘らず、位相変調の対象となる透過光の透過領域のみを規定する。可動領域ＡＲ２は、可動部２０、２３の硬度及び固定部２１、２２、２４、２５の硬度に基づき定められる、可動部２０の側面２０Ａ及び可動部２３の側面２３Ａが変位可能な範囲（空間）である。すなわち、可動領域ＡＲ２は、可動部２０が可動した場合を含めて、位相変調の対象となる透過光の透過領域を規定する。

また図３に示す例では、光透過有効領域ＡＲの中心ＣＣは、Ｘ軸方向の中心線ＸＣとＹ軸方向の中心線ＹＣとが交差する点にある。

なお、図３に示す例では、光透過有効領域ＡＲは、円型状としているが、円型状に限定されるものではない。光透過有効領域ＡＲは、上記の可動部２０の側面２０Ａ及び可動部２３の側面２３Ａが変位可能な空間へ入射光６０が照射可能な形状であればよく、楕円、矩形、その他多角形状でもよい。

〈遮光板の構成〉
光位相変調器の上面図である図３（Ｂ）に示されるように、遮光板６の外形は、概ね矩形である。遮光板６には、穴ａｒが設けられている。穴ａｒの中心ｃｃのＸＹ座標上の位置は、光透過有効領域ＡＲの中心ＣＣのＸＹ座標上の位置と一致する。穴ａｒの半径は、固定領域ＡＲ１の半径の長さ以上であり、かつ、可動領域ＡＲ２の半径の長さ以下である。

遮光板６は、図１で、光位相変調器１のＹ軸方向の下方に、又は、光位相変調器１のＹ軸方向の上方に、設けられる。遮光板６は、光位相変調器１のＹ軸方向の下方に設けられているときには、梁部２Ａ、２Ｂ、より正確には、光透過有効領域ＡＲに向けて入射する入射光６０の量を穴ａｒにより抑制する。遮光板６は、また、光位相変調器１のＹ軸方向の上方に設けられているときには、梁部２Ａ、２Ｂを透過した出射光７０の量を穴ａｒにより抑制する。

〈実施形態の動作〉
〈梁部の変位〉
図５（Ａ）〜（Ｇ）は、実施形態の光位相変調器の動作（詳細）を示す上面図である。図５（Ｂ）〜（Ｇ）の光位相変調器１における梁部２Ａ、２Ｂの位置は、図５（Ａ）の光位相変調器１における梁部２Ａ、２Ｂの位置を基準とする。

〈静止〉
梁部２Ａ及び固定電極部３Ｂが、制御部５から電圧Ｖｃｎｔ及び接地電圧ＧＮＤの印加を何ら受けていないとき、又は基準電圧が印加されたとき、即ち、図５（Ａ）に示されるように、梁部２Ａ、２Ｂが静止しているとき、Ｙ軸方向の中心線ＹＣから梁部２Ａの側面２０Ａまでの距離ＬＡと、Ｙ軸方向の中心線ＹＣから梁２Ｂの側面２３Ａまでの距離ＬＢとは同一である。換言すれば、梁部２Ａ、２Ｂは、Ｙ軸方向の中心線ＹＣについて、線対称の位置にある。このとき、スリットＳの幅は、Ｗ（＝ＬＡ＋ＬＢ）である。

〈相違する方向に変位（その１）〉
制御部５によって、（１）梁部２Ａと固定電極部３Ａと間に、相互に引き合うための電圧差（第１の電圧差）が印加され、（２）梁部２Ｂと固定電極部３Ｂとの間に、相互に引き合うための電圧差（第２の電圧差）が印加され、（３）梁部２Ａに印加される電圧と、梁部２Ｂに印加される電圧との間に、電圧差が無く、（４）第１の電圧差と第２の電圧差とが同一であるとき、梁部２Ａと梁部２Ｂとは、相互に離間する方向に変位する。

詳細には、 図５（Ｂ）に示されるように、梁部２Ａ、２Ｂが、Ｘ軸に沿って相互に反対方向に変位し（梁部２Ａが、Ｘ軸のマイナス方向に変位し、梁部２Ｂが、Ｘ軸のプラス方向に変位し）、かつ、両変位の大きさが同一であるとき、Ｙ軸方向の中心線ＹＣから可動部２０の側面２０Ａまでの距離ＬＡ１（＞ＬＡ）と、Ｙ軸方向の中心線ＹＣから可動部２３の側面２３Ａまでの距離ＬＢ１（＞ＬＢ）とは、等しくなる。このとき、スリットＳの幅は、Ｗ１（＝ＬＡ１＋ＬＢ）であり、Ｗ１＞Ｗである。

なお、図示は省略したが、梁部２Ａと固定電極部３Ａと間、及び梁部２Ｂと固定電極部３Ｂと間に、相互に離間するための電圧差が印加されることにより、接近する方向に変位する。

〈相違する方向に変位（その２）〉
制御部５によって、（１）梁部２Ａと固定電極部３Ａと間に、相互に引き合うための電圧差（第１の電圧差）が印加され、（２）梁部２Ｂと固定電極部３Ｂとの間に、相互に引き合うための電圧差（第２の電圧差）が印加され、（３）梁部２Ａに印加される電圧と、梁部２Ｂに印加される電圧との間に、電圧差が無く、（４）第１の電圧差が第２の電圧差より大きいとき、梁部２Ａと梁部２Ｂとは、相互に離間する方向に変位する。

詳細には、図５（Ｃ）に示されるように、梁部２Ａ、２Ｂが、Ｘ軸に沿って相互に反対方向に変位し（梁部２Ａが、Ｘ軸のマイナス方向に変位し、梁部２Ｂが、Ｘ軸のプラス方向に変位し）、かつ、梁部２Ａの変位が、梁部２Ｂの変位より大きいとき、Ｙ軸方向の中心線ＹＣから可動部２０の側面２０Ａまでの距離ＬＡ２（＞Ｌ１）は、Ｙ軸方向の中心線ＹＣから可動部２３の側面２３Ａまでの距離ＬＢ２（≧ＬＢ１）より大きくなる。このとき、スリットＳの幅は、Ｗ２（＝ＬＡ２＋ＬＢ２）であり、Ｗ２＞Ｗ１である。

〈同一の方向に変位（その１）〉
制御部５によって、（１）梁部２Ａと固定電極部３Ａと間に、相互に引き合うための電圧差（第１の電圧差）が印加され、（２）梁部２Ａと梁部２Ｂとの間に、相互に引き合うための電圧差（第２の電圧差）が印加され、（３）梁部２Ｂに印加される電圧と、固定電極部３Ｂに印加される電圧との間に、電圧差が無いとき、梁部２Ａと梁部２Ｂとは、相互に同一の方向に変位する。

詳細には、図５（Ｄ）に示されるように、梁部２Ａ、２Ｂが、Ｘ軸に沿って相互に同一方向に変位し（Ｘ軸のマイナス方向に変位し）、かつ、梁部２Ａの変位が、梁部２Ｂの変位より大きいとき、Ｙ軸方向の中心線ＹＣから可動部２０の側面２０Ａまでの距離ＬＡ３（＞ＬＡ）は、Ｙ軸方向の中心線ＹＣから可動部２３の側面２３Ａまでの距離ＬＢ３（＜ＬＢ）より大きくなる。このとき、スリットＳの幅は、Ｗ３（＝ＬＡ３＋ＬＢ３）であり、また、ＬＡ３、ＬＢ３の大小関係により、Ｗ３＞Ｗ、Ｗ３＝Ｗ、Ｗ３＜Ｗのいずれにもなり得る。

〈同一の方向に変位（その２）〉
制御部５によって、（１）梁部２Ａと固定電極部３Ａと間に、相互に引き合うための電圧差（第１の電圧差）が印加され、（２）梁部２Ａと梁部２Ｂとの間に、相互に引き合うための電圧差（第２の電圧差）が印加され、（３）梁部２Ｂに印加される電圧と、固定電極部３Ｂに印加される電圧との間に、電圧差が無く、（４）第１の電圧差が、第２の電圧差より大きいとき、梁部２Ａと梁部２Ｂとは、相互に同一の方向に変位する。

詳細には、図５（Ｅ）に示されるように、梁部２Ａ、２Ｂが、Ｘ軸に沿って相互に同一方向に変位し（Ｘ軸のマイナス方向に変位し）、かつ、両変位の大きさが同一であるとき、Ｙ軸方向の中心線ＹＣから可動部２０の側面２０Ａまでの距離ＬＡ４は、Ｙ軸方向の中心線ＹＣから可動部２３の側面２３Ａまでの距離ＬＢ４より大きくなる。このとき、スリットＳの幅は、Ｗ４（＝ＬＡ４−ＬＢ４）であり、Ｗ４＞Ｗになり得る。

〈一方の梁部のみが変位（その１）〉
制御部５によって、（１）梁部２Ａと梁部２Ｂとの間に、相互に引き合うための電圧差（第１の電圧差）が印加され、（２）梁部２Ｂと固定電極部３Ｂとの間に、相互に引き合うための電圧差（第２の電圧差）が印加され、（３）梁部２Ａに印加される電圧と、固定電極部３Ａに印加される電圧との間に、電圧差が無いとき、梁部２Ａのみが変位する。

詳細には、図５（Ｆ）に示されるように、梁部２Ｂが、静止しており、かつ、梁部２Ａのみが、Ｘ軸に沿って変位するとき（Ｘ軸のプラス方向に変位するとき）、Ｙ軸方向の中心線ＹＣから可動部２０の側面２０Ａまでの距離ＬＡ５（＜ＬＡ）は、Ｙ軸方向の中心線ＹＣから可動部２３の側面２３ＡまでのＬＢ５（＝ＬＢ）より小さくなる。このとき、スリットＳの幅は、Ｗ５（＝ＬＡ５＋ＬＢ５）であり、Ｗ５＜Ｗである。

〈一方の梁部のみが変位（その２）〉
制御部５によって、（１）梁部２Ａと固定電極３Ａとの間に、相互に引き合う電圧差が印加され、（３）梁部２Ａに印加される電圧と、梁部２Ｂに印加される電圧との間に、電圧差が無く、（３）梁部２Ｂに印加される電圧と固定電極部３Ｂに印加される電圧との間に、電圧差が無いとき、梁部２Ａのみが変位する。

詳細には、梁部２Ｂが、静止しており、かつ、梁部２Ａのみが、Ｘ軸に沿って（Ｘ軸のマイナス方向に）変位するとき、図５（Ｇ）に示されるように、Ｙ軸方向の中心線ＹＣから可動部２０の側面２０Ａまでの距離ＬＡ６（＞ＬＡ）は、Ｙ軸方向の中心線ＹＣから可動部２３の側面２３Ａまでの距離ＬＢ６（＝ＬＢ）より大きくなる。このとき、スリットＳの幅は、Ｗ６（＝ＬＡ６＋ＬＢ６）であり、Ｗ６＞Ｗである。

図５（Ａ）〜図５（Ｇ）に示されるように、Ｙ軸方向の中心線ＹＣに対して対称に、梁部２Ａ、２Ｂを変位させることで、光透過有効領域ＡＲに対して、中心部位を主として、変調対象として制御することが可能になる。

一方、Ｙ軸方向の中心線ＹＣに対して非対称に梁部２Ａ、２Ｂを変位させることで、変調対象の光束の領域を光透過有効領域ＡＲ内で設定することが可能になる。例えば、入射光６０の光プロファイルに応じて、変調対象の光束の領域を設定することが可能になる。

〈光位相変調器の製造プロセス〉
上述の光位相変調器１を形成するため、すなわち、側壁に金属（Ａｕ）を有する両持ち梁構造の光位相変調器１を形成するための製造プロセスの一例について説明する。

図６は、実施形態の光位相変調器の製造プロセスの各過程における光位相変調器１に対応する光学素子部分の断面図である。
図６に示すように、犠牲層としてＳｉ、誘電体であるＳｉＯ_２、電極のためのＣｒをスパッタにより成膜し、電子線描画装置により構造を描画する。表面をＣｒエッチング、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）により構造状に成形した後、金属（Ａｕ）をスパッタにより覆うように成膜する。Ａｒプラズマにより異方性エッチングすることで側壁に金属（Ａｕ）を残し、最後に犠牲層をＸｅＦ_６ガスにより等方性にエッチングして両持ち梁を形成する。

具体的には、図６（Ａ）に示されるように、スパッタリングにより、基板４の表面に、半導体層４２（Ｓｉ層）を形成する。

次に、図６（Ｂ）に示されるように、スパッタリングにより、半導体層４２（Ｓｉ層）の表面に、絶縁層４０（ＳｉＯ_２層）を形成する。

次に、図６（Ｃ）に示されるように、スパッタリングにより、絶縁層４０（ＳｉＯ_２層）の表面に、金属膜Mとは異なる、他の金属膜４１（Ｃｒ膜）を形成する。

以上のようにしてＳｉ、ＳｉＯ_２、及びＣｒの成膜後に、電子線描画装置により構造を描画（パターンニング）する。これにより、図６（Ｄ）に示されるように、構造状のレジスト層Ｒが形成される。

次に、図６（Ｅ）に示されるように、基板表面にＣｒマスクを生成するためＣｒウェットエッチングを行う。

次に、図６（Ｆ）に示されるように、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によるＳｉＯ_２層の異方性エッチングを行う。

次に、図６（Ｇ）に示されるように、金属（Ａｕ）のスパッタリング成膜によって表面（絶縁層４０より上部）を金属（Ａｕ）で覆い、金属膜Ｍ（Ａｕ膜）を形成する。

次に、図６（Ｈ）に示されるように、垂直エッチング、すなわちイオン・ミリング（ion milling）、例えばＡｒプラズマによる異方性エッチングによって、側面以外の金属（Ａｕ）を除去する。このＡｒプラズマによる異方性エッチングによる工程は、形成される光位相変調器１の性能に影響すると考えられる。このため、Ａｒプラズマによる異方性エッチングによる工程における環境及びその他のパラメータを適切に調整することが好ましい。

次に、図６（Ｉ）に示されるように、犠牲層Ｓｉを等方性のガス（ＸｅＦ_６ガス）によるエッチングによって、梁構造を形成する。

上述の製造プロセスによって作成した光位相変調器の性能を検証する。なお、光位相変調器の製作上の都合及び性能検証の都合から、可動部−固定部間のスリット（ｗ２）を測定した結果を検証する。すなわち、可動部−固定部間のスリット（ｗ２）に光透過領域を設定して測定した性能について検証する。

図７に、上述の製造プロセスによって作成した光位相変調器の性能を検証した結果を示す。図７（Ａ）は、位相差スペクトルを示す図であり、図７（Ｂ）は、スリット幅と位相差との関係を示す図であり、図７（Ｃ）は、電圧印加による位相差変調特性を示す図である。

図７（Ａ）に示すように、電圧非印加時（Ｖ＝０Ｖ）の透過光の位相差スペクトルにより、波長６３２．５ｎｍのとき最大の位相差Δ＝３９．０度が得られた。光位相変調器における設計波長は６３３ｎｍであり、この結果と一致した。一方、スリットｗ２の設計値１０００ｎｍから計算される初期位相差Δ（Ｗ２，ｔ）は６３．０度であった。計測結果は、初期位相差６３．０度に比べて小さい値となった。しかし、製作結果は、表１に示すように位相差に大きく関わるスリットの幅ｗと、Ａｕ層の厚さｔは設計値と異なった。そこで、誤差要因は製作した素子の寸法誤差にあると考えられる。

図７（Ｂ）に示すように、スリット幅ｗを独立変数とした際の設計時の位相差Δ（Ｗ，ｔ）及び測定時のΔ（Ｗ，ｔ’）の各々の特性から次のことが検証された。実線は設計値（厚さｔ＝１０００ｎｍ）、一点鎖線は測定値（厚さｔ＝５７６ｎｍ）のプロットである。スリットの長さｗが大きくなると位相差は減少する。そして、厚さｔが小さくなると曲線全体が下方にシフトする。結果として測定した寸法から計算された位相差の計算値は位相差Δ＝２９．９度となり，測定した位相差に近似した値となった。このため、スリットの長さｗと厚さｔが位相差に与える影響が大きくなることが検証された。

また、図７（Ｃ）に位相差変調量が示される。図７（Ｃ）では入射光波長６３３ｎｍでの電圧印加による位相差変調量を示す。図７（Ｃ）に示すように、Ｖ＝７０（Ｖ）で位相差変調量１３．９度が確認された。Ｖ＝８０（Ｖ）ではΔ＝２６．９度と減少しているが、これは素子の破損による影響と考えられる。測定点のばらつきに関しては、測定時の振動による誤差やデータ処理時のフィッティングの影響、および実験時の電圧印加時間が関係すると推察される。

図８（Ａ）は、実施形態の光位相変調器のスリットの幅及び高さと、ＴＥ偏光の透過率との関係を示す。図８（Ｂ）は、実施形態の光位相変調器のスリットの幅及び高さと、ＴＭ偏光の透過率との関係を示す。図８（Ｃ）は、実施形態の光位相変調器のスリットの幅及び高さと、ＴＥ偏光及びＴＭ偏光間の位相差との関係を示す。図８（Ａ）〜（Ｃ）のいずれでも、入射光６０の波長は、６３３ｎｍである。

ＴＥ偏光及びＴＭ偏光の透過率は、図８（Ａ）、（Ｂ）に示されるように、スリットＳの幅Ｗ（図２に図示。）の大きさに左右される。また、ＴＥ偏光及びＴＭ偏光間の位相差Ｄ（図１２に図示。）は、図８（Ｃ）に示されるように、可動部２０、２３の厚さｔ（図２に図示。）に左右される。

ＴＥ偏光及びＴＭ偏光の透過率を０より大きくする観点から、スリットＳの幅Ｗは、図８（Ａ）、（Ｂ）から明らかであるように、５０ｎｍより大きいことが望ましい。

また、ＴＥ偏光及びＴＭ偏光間の位相差Ｄを１８０°まで可変する観点から、可動部２０の側面２０Ａ及び可動部２３の側面２３Ａの厚さｔ（図２に図示。）は、図８（Ｃ）から明らかであるように、２００ｎｍより大きいことが望ましい。

図９（Ａ）は、実施形態の光位相変調器のスリットの幅及び高さと、ＴＥ偏光の透過率との関係を示す。図９（Ｂ）は、実施形態の光位相変調器のスリットの幅及び高さと、ＴＭ偏光の透過率との関係を示す。図９（Ｃ）は、実施形態の光位相変調器のスリットの幅及び高さと、ＴＥ偏光及びＴＭ偏光間の位相差との関係を示す。図９（Ａ）〜（Ｃ）のいずれでも、入射光６０の波長は、７３０ｎｍである。

ＴＥ偏光及びＴＭ偏光の透過率は、図９（Ａ）、（Ｂ）に示されるように、入射光６０の波長が６３３ｎｍであるとき（図８（Ａ）、（Ｂ））と同様に、スリットＳの幅Ｗの大きさに左右される。また、ＴＥ偏光及びＴＭ偏光間の位相差Ｄは、図９（Ｃ）に示されるように、入射光６０の波長が６３３ｎｍであるとき（図８（Ｃ））と同様に、可動部２０、２３の厚さｔに左右される。

ＴＥ偏光及びＴＭ偏光の透過率を０より大きくする観点から、スリットＳの幅Ｗは、図９（Ａ）、（Ｂ）から明らかであるように、５０ｎｍより大きいことが望ましい。

また、ＴＥ偏光及びＴＭ偏光間の位相差Ｄを１８０°まで可変する観点から、可動部２０の側面２０Ａ及び可動部２３の側面２３Ａの厚さｔは、図９（Ｃ）から明らかであるように、２５０ｎｍより大きいことが望ましい。

〈実施形態の効果〉
実施形態の光位相変調器１では、上記構成とすることで、対峙するフィンの間隔を広げたり狭めたりすることが可能となり、透過する入射光６０の透過率及び位相を容易に可変することができ、高い自由度で位相を変調可能な光位相変調器を提供することができる。

以上、本開示の技術について実施形態を用いて説明したが、本開示の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲には限定されない。要旨を逸脱しない範囲で上記実施形態に多様な変更または改良を加えることができ、当該変更または改良を加えた形態も本開示の技術的範囲に含まれる。

また、上記実施形態では、制御部５によって光学位相変調器１における位相差制御を行う場合を説明したが、位相差制御は、ＣＰＵを含むプロセッサによるソフトウエア処理によって実現する形態としてもよく、各処理をハードウェア構成により実現する形態としてもよい。

１：光位相変調器
２Ａ、２Ｂ：梁部
３Ａ、３Ｂ：固定電極部
２０、２３：可動部
２１、２２、２４、２５：固定部
２０Ａ、２０Ｂ、２３Ａ、２３Ｂ、３０Ａ、３１Ａ：側面
Ｓ：スリット
４：基板
５：制御部

Claims (6)

1. 光を透過する基板と、
   前記光の透過方向に沿うように面方向が形成され、かつ少なくとも一方の面に金属膜が形成されて所定硬度の板状の可動部と、前記所定硬度より大きい硬度であり、前記可動部の少なくとも一部が前記光の透過方向と交差する方向に可動可能になるように前記可動部の両端部の各々を一端で保持し、かつ他端が前記基板に固定された固定部とを、各々の前記可動部の前記光の透過方向と交差する方向に可動可能な領域が重複しないように、各々の前記金属膜の形成面が所定間隔を隔てて対向するように配置して形成される複数のフィンと、
   前記複数のフィンのうちの少なくとも１つのフィンに電圧印加して、前記光が透過する方向と交差する方向に前記複数のフィンが接近又は離間するように制御する電圧印加制御部と、
   を含む光位相変調器。
2. 前記複数のフィンは、各々の前記可動可能な領域を含む空間を前記光の透過方向と交差する方向の面に投影した領域を光透過有効領域とし、前記光透過有効領域へ前記光が照射されるように配置された
   請求項１に記載の光位相変調器。
3. 前記複数のフィンが対向して配置された複数の前記金属膜の形成面により形成される空間を含む固定領域と、前記可動部の前記所定硬度及び前記固定部の前記所定硬度より大きい硬度に基づいて定められる前記可動部の可動領域と、を前記光の透過方向と交差する方向の面に投影した領域を含む光透過有効領域について、前記複数のフィンに向う光を抑制すること、及び、前記複数のフィンからの光を抑制することのいずれかを行う抑制部
   を含む請求項１又は請求項２に記載の光位相変調器。
4. 前記可動部は、前記光の透過方向に沿う方向の長さより前記光の透過方向と交差する方向の長さを長くした
   請求項１から請求項３の何れか１項に記載の光位相変調器。
5. 前記可動部の前記光の透過方向と交差する方向の長さは、４５以上μｍでかつ６０μｍ以下の長さに形成される
   請求項１から請求項４の何れか１項に記載の光位相変調器。
6. 前記金属膜は、金を含む金属により形成された膜である
   請求項１から請求項５の何れか１項に記載の光位相変調器。