JP2023028311A - 光変調器及び光変調器アレイ - Google Patents
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Abstract
【課題】 対象光の強度の変調を高速で行うとともに、広い波長領域で好適に動作させることが可能な光変調器を提供する。【解決手段】 光変調器１Ａは、基体層１０と、基体層１０上に形成された金属反射層２０と、反射層２０上に形成された非線形光学結晶の変調層２５と、第１方向に周期的に配列されるとともに、第２方向にそれぞれ延びる複数のパターン部３１を含んで変調層２５上に形成された導電パターン層３０とを備える。変調層２５は、反射層２０と導電パターン層３０との間での電圧の印加によって屈折率が変化することで、対象光に対する反射率を変化させる。光変調器１Ａは、変調層２５の上面側から入射し、変調層２５を通過して反射層２０で反射された対象光を、反射率の変化によって強度が変調された変調光として外部へと出射する。【選択図】 図１
Description
本発明は、変調対象光の強度を変調する光変調器、及び光変調器がアレイ状に配列された光変調器アレイに関するものである。
非特許文献１には、電気光学（Electro-Optic：ＥＯ）ポリマーを用いた光変調器が開示されている。非特許文献１に記載された光変調器は、反射層となる下部Ａｕ層と、下部Ａｕ層上に形成されたＥＯポリマー層及び上部Ａｕ層とを備える。また、ＥＯポリマー層及び上部Ａｕ層は、複数のパターン部が所定の方向に周期的に配列された格子状のパターンによって形成されている。この光変調器では、ＥＯポリマー層を挟む下部Ａｕ層と上部Ａｕ層との間での電圧の印加によって反射率を変化させることで、変調対象となる対象光の強度が変調される。
非特許文献２には、非線形光学結晶のニオブ酸リチウム（ＬＮ：LithiumNiobate）を用いた反射型のフレネルレンズ素子が開示されている。非特許文献２に記載されたレンズ素子は、反射層となる下部Ａｕ層と、下部Ａｕ層上に形成されたＬＮ薄膜層と、ＬＮ層上に同心円状のパターンで形成された上部Ａｕ層とを備える。このレンズ素子では、ＬＮ層を挟む下部Ａｕ層と上部Ａｕ層との間での電圧の印加によって、上部Ａｕ層のパターンによるフレネルレンズの動作が制御される。
J. Zhang et al., "Electricaltuning of metal-insulator-metal metasurface with electro-optic polymer",Appl. Phys. Lett. Vol.113 (2018) pp.231102-1-231102-5
C. Damgaard-Carstensen et al.,"Electrical Tuning of Fresnel Lens in Reflection", ACS PhotonicsVol.8 (2021) pp.1576-1581
S. Ogawa and M. Kimata, "Metal-Insulator-Metal-BasedPlasmonic Metamaterial Absorbers at Visible and Infrared Wavelengths: A Review",Materials Vol.11, 458 (2018)
光の変調に用いられる空間光変調器（Spatial LightModulator：ＳＬＭ）として、例えば、液晶層を用いて光の位相を変調するＬＣＯＳ（LiquidCrystal On Silicon）型のＳＬＭが用いられている。このＬＣＯＳ型ＳＬＭのように、光変調に液晶層を用いる構成では、その動作速度は液晶の応答速度に依存し、結果的に光変調器の応答速度は、例えば１ｋＨｚ未満に制限される。
一方、上記の非特許文献１に記載された光変調器では、液晶よりも高速で応答するＥＯポリマーを変調層に用いることで、対象光の強度変調を高速で行うことができる。しかしながら、この光変調器では、例えば波長１３００ｎｍよりも短い波長において、ＥＯポリマーによる光の吸収が大きく、そのような波長領域で動作させることが難しい。
本発明は、変調対象光の強度の変調を高速で行うとともに、広い波長領域で好適に動作させることが可能な光変調器、及び光変調器アレイを提供することを目的とする。
本発明による光変調器は、（１）基体層と、（２）変調対象となる対象光に対して反射性を有する金属材料からなり、基体層の上面上に形成された反射層と、（３）対象光に対して透過性を有する非線形光学結晶からなり、反射層の上面上に所定の厚さで形成された変調層と、（４）導電性材料からなり、各層の積層方向に直交する第１方向に周期的に配列されるとともに、積層方向及び第１方向に直交する第２方向にそれぞれ延びる複数のパターン部を含んで変調層の上面上に形成された導電パターン層と、を備え、（５）変調層は、反射層と導電パターン層との間での電圧の印加によって屈折率が変化することで、対象光に対する反射率を変化させるように構成され、導電パターン層を介して変調層の上面から入射し、変調層を通過して反射層で反射された対象光を、反射率の変化によって強度が変調された変調光として変調層の上面から外部へと出射する。
上記構成の光変調器では、基体層上に設けられた金属反射層の上面上に、非線形光学結晶からなる変調層と、所定の方向に周期的に配列された複数のパターン部を含む格子状の導電パターン層とを形成し、基体層とは反対側となる変調層及び導電パターン層の上面側を、変調対象光の入射面とする。また、変調層を挟んで設けられた反射層、及び導電パターン層を、それぞれ下部電極層、上部電極層として機能させる。
そして、このような構成において、反射層と導電パターン層との間で電圧を印加し、変調層の屈折率を変化させて対象光に対する反射率を制御することで、対象光の強度を変調する。このような構成によれば、変調層において、液晶よりも高速で応答して、波長１３００ｎｍよりも短い波長の対象光に対しても適用が可能な非線形光学結晶を用いることにより、変調対象光の強度の変調を高速で行うとともに、広い波長領域で好適に動作させることが可能な光変調器を実現することができる。
上記の光変調器において、導電パターン層における複数のパターン部の配列周期は、対象光の波長未満に設定されている構成としてもよい。このように、変調層上に配列された導電パターン層の複数のパターン部において、その配列周期が対象波長よりも小さく設定されたサブ波長構造（メタサーフェス構造）を用いることにより、対象光の強度変調を好適に実現することができる。
上記の光変調器において、導電パターン層における複数のパターン部のパターン幅は、一定に設定されている構成としてもよい。このように、変調層上に配列された導電パターン層の複数のパターン部を、パターン幅が一定の格子状パターンに形成することによっても、対象光の強度変調を好適に実現することができる。
上記の光変調器において、反射層の厚さ、及び導電パターン層の厚さは、それぞれ表皮深さ（skin depth）以上に設定されている構成としてもよい。このような構成によれば、金属反射層、変調層、及び導電パターン層による対象光の反射率制御及び強度変調を好適に実現することができる。
上記の光変調器を構成する各層の材料については、変調層の非線形光学結晶は、ニオブ酸リチウム及びタンタル酸リチウムの少なくとも一方を含む構成としてもよい。また、導電パターン層の導電性材料は、金属材料である構成としてもよい。
本発明による光変調器アレイは、上記構成の光変調器を複数備え、複数の光変調器が、１次元または２次元アレイ状に配列されて構成されている。また、光変調器アレイは、具体的には例えば、Ｍを１以上の整数、Ｎを２以上の整数として、複数の光変調器が、Ｍ行Ｎ列に１次元または２次元アレイ状に配列されて構成されていても良い。このような構成によれば、上記構成の光変調器を変調セル（変調画素）として、１次元または２次元の変調パターンによる対象光の強度変調を好適に実現することができる。
本発明の光変調器及び光変調器アレイによれば、変調対象光の強度の変調を高速で行うとともに、広い波長領域で好適に動作させることが可能となる。
以下、図面とともに、光変調器、及び光変調器アレイの実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては、同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。
図１は、光変調器を含む光変調装置の一実施形態の構成を示す平面図である。図２は、図１に示した光変調器の構成を示す図であり、図２（ａ）は、Ａ－Ａ線に沿った側面断面図を示し、図２（ｂ）は、Ｂ－Ｂ線に沿った側面断面図を示している。また、図３は、図２（ａ）に示した光変調器の構成を一部拡大して示すとともに、光変調器の動作について説明するための図である。
なお、以下の各図においては、説明の容易のため、ｘｙｚ直交座標系を合わせて図示している。この座標系において、ｚ軸は、光変調器を構成する各層の積層方向（各層の厚さ方向）を示し、光変調器に対する変調対象光の入射方向を示している。また、ｘ軸は、積層方向に直交する第１方向を示している。また、ｙ軸は、積層方向及び第１方向に直交する第２方向を示している。
本実施形態による光変調装置２Ａは、光変調器１Ａと、電圧印加部５１と、制御部５２とを備えている。また、光変調器１Ａは、変調対象として入射した対象光Ｌ１に対して強度変調を行って変調光Ｌ２として外部へと出射するものであり、基体層１０と、反射層２０と、変調層２５と、導電パターン層３０とを備えて構成されている。
基体層１０は、光変調器１Ａを構成する各層を支持する支持層である。基体層１０を構成する材料としては、光変調器１Ａの各層を形成、支持することが可能なものであれば、任意の材料を用いてよい。そのような基体層１０としては、具体的には例えば、石英（ＳｉＯ２）基板、シリコン（Ｓｉ）基板等を用いることができる。
反射層２０は、変調対象となる対象光Ｌ１に対して反射性を有する金属材料からなり、基体層１０の上面１０ａ上に形成されている。この反射層２０は、変調層２５に電圧を印加するための下部電極層としても機能する。反射層２０を構成する金属材料としては、例えば、Ａｕ（金）、Ａｌ（アルミ）、Ａｇ（銀）、Ｐｔ（白金）、Ｔｉ（チタン）、Ｃｒ（クロム）等を用いることができる。
変調層２５は、対象光Ｌ１に対して透過性を有する非線形光学結晶からなり、反射層２０の上面２０ａ上に所定の厚さで形成されている。変調層２５を構成する非線形光学結晶としては、例えば、ニオブ酸リチウム（ＬＮ：Lithium Niobate、ＬｉＮｂＯ３）、タンタル酸リチウム（ＬＴ：Lithium Tantalate、ＬｉＴａＯ３）等の非線形光学材料を用いることができる。
導電パターン層３０は、導電性材料からなり、変調層２５の上面２５ａ上に所定のパターンで形成されている。この導電パターン層３０は、下部電極層の反射層２０とともに、変調層２５に電圧を印加するための上部電極層としても機能する。導電パターン層３０を構成する導電性材料としては、例えば、Ａｕ（金）、Ａｌ（アルミ）、Ａｇ（銀）、Ｐｔ（白金）、Ｔｉ（チタン）、Ｃｒ（クロム）等の金属材料を用いることができる。
導電パターン層３０は、具体的には、光変調器１Ａを構成する各層の積層方向であるｚ軸方向に直交するｘ軸方向において周期的に配列された複数のパターン部３１を含む格子状のパターンで形成されている。複数のパターン部３１のそれぞれは、ｚ軸方向及びｘ軸方向に直交するｙ軸方向に延びる、所定の幅を有する直線状のパターンによって形成されている。また、複数のパターン部３１のパターン幅は、好ましくは一定に設定される。
複数のパターン部３１は、変調層２５上でｙ軸方向の一方側（図中の上側）に形成された接続パターン部３２を介して、電極パターン部３３に電気的に接続されている。また、変調層２５及び導電パターン層３０は、ｙ軸方向の他方側（図中の下側、電極パターン部３３の反対側）における一定幅の領域には設けられておらず、この領域において露出している反射層２０の部分が、電極部２１となっている。
このような構成において、非線形光学結晶からなる変調層２５は、反射層２０と導電パターン層３０との間での電圧の印加（電界の印加）によって屈折率が変化することで、光変調器１Ａにおける対象光Ｌ１に対する反射率を変化させるように構成されている。対象光Ｌ１は、図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、光変調器１Ａに対して、導電パターン層３０を介して変調層２５の上面２５ａから入射する。そして、変調層２５を通過して反射層２０で反射された対象光Ｌ１が、反射率の変化によって強度が変調された変調光Ｌ２として、変調層２５の上面２５ａから外部へと出射される。なお、光変調器１Ａにおける光の変調動作については、詳しくは後述する。
光変調装置２Ａでは、図１に示すように、上記構成の光変調器１Ａに対して、電圧印加部５１及び制御部５２が設けられている。電圧印加部５１の一方の端子は、ワイヤ１６を介して反射層２０の電極部２１に電気的に接続され、他方の端子は、ワイヤ１７を介して導電パターン層３０の電極パターン部３３に電気的に接続されている。これにより、反射層２０と導電パターン層３０との間に、電圧印加部５１から所定の電圧が印加される。
制御部５２は、電圧印加部５１による光変調器１Ａに対する電圧印加動作（電界印加動作）を制御することにより、光変調器１Ａにおける変調対象光Ｌ１の強度変調動作を制御する。このような構成において、電圧印加部５１としては、例えば電源装置を用いることができる。また、制御部５２としては、例えばＣＰＵ、記憶部、表示部、入力部等を含むコンピュータを用いることができる。
光変調器１Ａにおいて、導電パターン層３０の格子状の複数のパターン部３１が設けられている領域が、対象光Ｌ１の強度を変調する変調領域として機能する。図１の構成例において、変調領域のｘ軸方向の幅はｌｘ、ｙ軸方向の幅はｌｙである。このような変調領域は、後述するように光変調器アレイを構成する場合の単位変調セルとなるものであり、そのセルサイズは、例えばｌｘ×ｌｙ＝３００μｍ×３００μｍである。
また、図３に示すように、光変調器１Ａにおいて、導電パターン層３０を構成する格子状パターンにおけるパターン部３１の幅をｓ、間隔をｇとし、高さをｈとし、ｘ軸方向における配列周期をΛ（＝ｓ＋ｇ）とする。導電パターン層３０における各パターン部の断面形状は、具体的な設計条件、作製条件により任意の形状として良いが、例えば矩形、台形、あるいは、矩形または台形で頂点が丸みを有するもの、等である。また、反射層２０を構成する金属層の厚さをｔｒとし、変調層２５の厚さをｔｇとする。
このような構成の光変調器１Ａにおいて、導電パターン層３０における複数のパターン部３１の配列周期Λは、好ましくは強度変調の対象となる対象光Ｌ１の波長λ未満に設定される。このように、変調層２５上に配列された導電パターン層３０のパターン部３１において、その配列周期Λが対象波長λよりも小さく設定されたサブ波長構造（メタサーフェス構造）を用いることにより、高次回折光の発生を抑制でき、非線形光学結晶の変調層２５を利用した対象光Ｌ１の変調を好適に実現することができる。また、サブ波長構造を用いた構成では、変調セルの小型化、及びその集積化が可能であり、また、液晶層を用いるＬＣＯＳ型ＳＬＭよりも、変調画素のサイズを小さくすることが可能である。
上記構成を有する光変調器１Ａにおける対象光Ｌ１の強度の変調動作について、図３を参照しつつ説明する。なお、以下においては、光変調器１Ａを構成する各層の具体的な材料について、基体層１０をＳｉＯ２層（ＳｉＯ２基板）とし、反射層２０及び導電パターン層３０をそれぞれＡｕ層とし、また、変調層２５を構成する非線形光学結晶をニオブ酸リチウム（ＬＮ）とする。
また、光変調器１Ａの特性等の計算においては、特に指定がない限り、反射層２０及び導電パターン層３０の厚さをｔｒ＝ｈ＝１００ｎｍとし、Ｚ－ｃｕｔのＬＮ変調層２５の厚さをｔｇ＝５００ｎｍとする。また、導電パターン層３０におけるパターン部３１の配列周期をΛ＝７１０ｎｍとし、パターン幅ｓと配列周期Λとの比を０．８２５とする。この場合、導電パターン層３０におけるパターン幅はｓ＝５８６ｎｍである。
本実施形態による光変調器１Ａは、絶縁材料である非線形光学結晶からなる変調層２５を、金属材料からなる反射層２０及び導電パターン層３０で挟んだ、金属－絶縁体－金属（ＭＩＭ：Metal-Insulator-Metal）構造を有する（一般的なＭＩＭ構造については、非特許文献３参照）。このＭＩＭ構造の光変調器１Ａに対して、図３に電場の方向を矢印Ｅによって示すように、変調対象光Ｌ１としてＴＭ偏光の光を垂直に入射させる。
このとき、ＴＭ偏光の対象光Ｌ１は、導電パターン層３０における格子状パターンの周期Λに応じて決まる波長λにおいて、ＭＩＭ共振器モードに高効率に結合し、金属によって吸収される。この対象光Ｌ１の吸収により、対象光Ｌ１の反射スペクトルにおいて反射率が小さくなるディップが生じる。
また、このような構成において、反射層２０と導電パターン層３０との間で電圧を印加することで、変調層２５を構成する非線形光学結晶の屈折率を変化させる。このとき、ＭＩＭ共振器モードにおける共振波長がシフトし、その結果、波長λの対象光Ｌ１に対する反射率が変化する。この電圧印加による反射率の変化を利用することで、対象光Ｌ１に対して強度変調を行うことができる。
なお、非線形光学結晶からなる変調層２５に外部電圧を印加したときの、ポッケルス効果による屈折率の変化Δｎは、下記の（１）式によって見積もることができる。
ここで、ｎは非線形光学結晶の屈折率、ｒ３３は非線形光学結晶のｚ軸方向の非線形光学定数、Ｅは変調層２５への印加電圧を変調層２５の厚さで割った値である。非線形光学結晶がニオブ酸リチウム（ＬＮ）である場合、非線形光学定数はｒ３３＝３１．４５ｐｍ／Ｖである。また、透過波長域は、例えば０．３５μｍ～４．５μｍである。
ここで、ｎは非線形光学結晶の屈折率、ｒ３３は非線形光学結晶のｚ軸方向の非線形光学定数、Ｅは変調層２５への印加電圧を変調層２５の厚さで割った値である。非線形光学結晶がニオブ酸リチウム（ＬＮ）である場合、非線形光学定数はｒ３３＝３１．４５ｐｍ／Ｖである。また、透過波長域は、例えば０．３５μｍ～４．５μｍである。
図４は、導電パターン層３０における格子状パターンの配列周期Λを変化させたときの反射スペクトルの変化について示す図である。図４の反射率分布図において、横軸は対象光Ｌ１の波長（ｎｍ）を示し、縦軸は導電パターン層３０におけるパターンの配列周期Λ（ｎｍ）を示している。また、ここでは、２次元の有限差分時間領域（ＦＤＴＤ：Finite Difference Time Domain）法による反射特性の計算結果を示している。
図４に示すように、導電パターン層３０におけるパターン周期Λが波長以下となるサブ波長領域において、回折が抑制され、ＭＩＭモードの鋭い共振による反射率のディップが得られていることがわかる。本実施形態による光変調器１Ａでは、例えば、図４中に符号Ｃで示した直線状に延びるディップ領域を利用して、対象光Ｌ１の強度変調を行うことができる。
光変調器１Ａの構成及び動作の一例として、パターン周期Λを７１０ｎｍとした構成における電圧印加による反射率の変化、及びそれによる対象光Ｌ１の強度の変調について説明する。図５及び図６は、それぞれ、光変調器１Ａにおける光の反射率の波長依存性を示すグラフである。
図５のグラフにおいて、横軸は対象光の波長（ｎｍ）を示し、縦軸は反射率を示している。また、図５において、グラフＧ１は、反射層２０に対する導電パターン層３０への印加電圧を－１０Ｖとしたときの反射率特性を示し、グラフＧ２は、印加電圧を＋１０Ｖとしたときの反射率特性を示している。
図６のグラフにおいて、横軸は対象光の波長（ｎｍ）を示し、縦軸は反射率（ｄＢ）を示している。また、図６において、グラフＧ６は、印加電圧を－１０ＶとしたときのグラフＧ１に対応する反射率特性を示し、グラフＧ７は、印加電圧を＋１０ＶとしたときのグラフＧ２に対応する反射率特性を示している。また、図６では、印加電圧が－１０Ｖから＋１０Ｖまで変化するときの反射率特性の変化を示すグラフを合わせて図示している。これらのグラフでの印加電圧は、－１０Ｖから＋１０Ｖまで順に－１０Ｖ、－７．７８Ｖ、－５．５６Ｖ、－３．３３Ｖ、－１．１１Ｖ、＋１．１１Ｖ、＋３．３３Ｖ、＋５．５６Ｖ、＋７．７８Ｖ、＋１０Ｖである。
図５及び図６に示すように、上記構成の光変調器１Ａにおいて、反射層２０と導電パターン層３０との間で電圧を印加することにより、対象光Ｌ１に対する反射率のディップ位置などの反射率特性が変化する。図５において、符号Ｃ１は、電圧印加による反射率特性の波長シフトを示している。
また、例えば、図５において符号Ｃ０で示した波長１５６９ｎｍを強度変調の動作点とすると、符号Ｃ２で示した範囲が、印加電圧を－１０Ｖ～＋１０Ｖとしたときの強度変調の範囲となる。この動作例では、±１０Ｖの電圧印加で、挿入損失が３．６ｄＢ、消光比が４．６ｄＢの強度変調が得られている。
上記実施形態による光変調器１Ａ、及び光変調装置２Ａの効果について説明する。
図１及び図２に示した光変調器１Ａでは、基体層１０上に設けられた金属材料の反射層２０の上面上に、非線形光学結晶からなる変調層２５と、ｘ軸方向に周期的に配列された複数のパターン部３１を含む格子状の導電パターン層３０とを形成し、基体層１０とは反対側となる変調層２５及び導電パターン層３０の上面側を、変調対象光Ｌ１の入射面とする。また、変調層２５を挟んで設けられた反射層２０、及び導電パターン層３０を、それぞれ下部電極層、上部電極層として機能させる。
そして、このような構成において、反射層２０と導電パターン層３０との間で電圧を印加し、変調層２５の屈折率を変化させて対象光Ｌ１に対する反射率を制御することで、対象光Ｌ１の強度を変調する。このような構成によれば、変調層２５において、液晶よりも高速で応答して、波長１３００ｎｍよりも短い波長の対象光に対しても適用が可能な非線形光学結晶を用いることにより、対象光Ｌ１の強度の変調を高速で行うとともに、広い波長領域で好適に動作させることが可能な光変調器１Ａを実現することができる。また、光変調器１Ａは、図２に示すように垂直入射型で反射型の構成となっており、導波路型の光変調器等と比較して、高集積化が可能である。
上記の光変調器１Ａにおいて、導電パターン層３０における複数のパターン部３１の配列周期Λは、対象光Ｌ１の波長λ未満に設定されていることが好ましい。また、導電パターン層３０における複数のパターン部３１のパターン幅ｓは、一定に設定されていることが好ましい。このような構成によれば、光変調器１Ａにおける対象光Ｌ１の強度変調を好適に実現することができる。
また、光変調器１Ａにおいて、反射層２０の厚さ、及び導電パターン層３０の厚さは、それぞれ表皮深さ（skin depth）以上に設定されていることが好ましい。このような構成によれば、金属反射層２０、変調層２５、及び導電パターン層３０による対象光Ｌ１に対する反射率制御、及びそれによる強度変調を好適に実現することができる。
光変調器１Ａを構成する各層の材料については、具体的には、変調層２５の非線形光学結晶は、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）及びタンタル酸リチウム（ＬＴ）の少なくとも一方を含むことが好ましい。また、導電パターン層３０の導電性材料としては、Ａｕなどの金属材料を用いることが好ましい。
なお、非特許文献１に記載された構成では、光変調器の変調層としてＥＯポリマー層を用いている。このような構成では、上述したように、波長１３００ｎｍよりも短い波長において、ＥＯポリマーによる光の吸収が大きい。また、この文献の構成では、ＥＯポリマーの変調層が上部Ａｕ層とともに格子状のパターンで形成されている。このような構成では、電圧を印加したときに、パターン側面を介してショートが発生しやすい。
また、非特許文献２に記載された構成では、ニオブ酸リチウムを用いる構成となっているが、上部Ａｕ層が同心円状で幅が一定ではないパターンで形成され、フレネルレンズとして機能する構成となっている。
また、非特許文献３には、ＭＩＭ構造を利用した光の吸収体についての記載がある。しかしながら、この文献には、ＭＩＭ構造において非線形光学結晶を用いる構成、変調層への電圧印加による光変調器としての動作等についての記載はなく、また、後述する（２）式に基づく変調動作等についても記載されていない。
これに対して、上記実施形態による光変調器１Ａは、金属反射層２０上に、非線形光学結晶からなる変調層２５と、導電パターン層３０とを形成するとともに、導電パターン層３０を、ｘ軸方向に周期的に配列され、ｙ軸方向にそれぞれ延びる複数のパターン部３１を含む格子状のパターンで形成することにより、反射層２０と導電パターン層３０との間で電圧を印加することによる対象光Ｌ１に対する反射率制御、及びそれによる強度変調を好適に実現するものである。
上記実施形態による光変調器１Ａの製造方法の一例について、簡単に説明する。まず、基体層１０となるＳｉＯ２層、及び反射層２０となるＡｕ層を有し、さらにその上に変調層２５となるＺ－ｃｕｔされたＬＮ結晶薄膜層を有するＬＮＯＩ基板を用意し、一般的な有機洗浄によってＬＮＯＩ基板を洗浄する。ここでは、例えばアセトン、ＩＰＡ、またはエタノール中にて、ＬＮＯＩ基板の超音波洗浄を行う。次に、スパッタ装置を使用して、ＬＮＯＩ基板のＬＮ層上に約１００ｎｍの厚さのＣｒ層を形成する。
続いて、Ｃｒ層上にフォトレジスト（例えば、ＡＺ５２００ＮＪ）を、例えば４０００ｒｐｍ、３０ｓｅｃでスピンコートし、フォトリソグラフィによってレジストパターンを形成する。次に、レジストパターンを保護膜にしてＣｒ層のドライエッチングを行うことにより、Ｃｒマスクパターンを形成する。さらに、引き続いてＬＮ層をドライエッチングし、電極部となるＡｕ反射層の一部を露出させた後、Ｏ２アッシングにより残ったレジストを除去し、Ｃｒをウエットエッチングにより除去する。Ｃｒのエッチングには、Ａｒ、Ｏ２、及びＣｌ２を用いることができる。ＬＮ層のエッチングには、Ａｒ、Ｃｌ２、及びＢＣｌ３を用いることができる。
その後、スパッタ装置を使用して、ＬＮＯＩ基板のＬＮ層上に、導電パターン層３０となる約１００ｎｍの厚さのＡｕ層を形成する。次に、前処理として、Ａｕ層とレジストとの濡れ性及び密着性の向上を目的に、表面活性剤（例えば、東京応化ＯＡＰ）を塗布し、例えば３０００ｒｐｍ、３０ｓｅｃでスピンコーティングを行った後、１２０℃で１分間のベーキングを行う。
続いて、Ａｕ層上にＥＢレジスト（例えば、ＺＥＰ５２０Ａ）を塗布し、スピンコーティングにより約２００ｎｍの厚さとする。その後、電子線描画装置を使用して描画し、現像を行うことにより、サブ波長構造のレジストパターンを形成する。次に、レジストパターンを保護膜にしてＡｕ層のドライエッチングを行うことにより、Ａｕ層のサブ波長構造を形成する。ドライエッチング用のガスとしては、例えばＡｒを用いることができる。その後、Ａｕ層をエッチングする際にマスクとして使用したＥＢレジストをＯ２アッシングにより除去する。そして、Ａｕ層へのワイヤボンディング等により、マウントとの電気的接続を行う。
上記実施形態による光変調器１Ａの動作原理、及び変調特性について、図３及び図７を参照しつつ、さらに具体的に説明する。
図３に関して上述したように、ＭＩＭ構造を有する光変調器１Ａに対して、対象光Ｌ１としてＴＭ偏光の光を垂直に入射させる。このとき、入射場の振動電界により、導電パターン層３０のパターン部３１中と反射層２０中において、反対方向に振動する電流のペアが誘起され（矢印Ａ１）、これらの電流が変調層２５の内部に磁場を誘起する。さらに、パターン部３１と反射層２０との間で、変調層２５中において、双極子電気共鳴が形成される（矢印Ａ２）。これにより、変調層２５の内部において、大きな電場を形成することができる。
また、パターン部３１と反射層２０との間に形成される２つの双極子の干渉がπシフトとなるため、光変調器１Ａから変調光Ｌ２として出射される反射光は、遠方場で完全にキャンセルされる。したがって、これらの局在化した電気及び磁気双極子共鳴により、上述した光の強い吸収が生じる。
一方、入射光の電場によって誘起された金属中の自由電子は、金属と絶縁体との界面においてプラズモンを形成する。このプラズモンと結合した入射光は、図７に模式的に示すように、導電パターン層３０の格子構造の横方向への周期性からｘ軸方向への波数βを生じ、下記の（２）式を満たすときに、光が強く変調層２５内に閉じ込められる。
ここで、βは上記したようにｘ軸方向の波数、ｓは導電パターン層３０におけるパターン幅、φは周期構造の境界面における位相変化、ｍは正の偶数である。
ここで、βは上記したようにｘ軸方向の波数、ｓは導電パターン層３０におけるパターン幅、φは周期構造の境界面における位相変化、ｍは正の偶数である。
なお、（２）式中の位相変化φについて、上記の構造では、変調層２５内において実質的な境界面は存在しないが、図７中に破線で示すように、その上部に導電パターン層３０のパターン部３１が有る部分と無い部分とでは実効屈折率が異なるため、その境界面において、屈折率差による反射を生じる。
上記の（２）式において、波数βは、金属層である反射層２０及び導電パターン層３０によって挟まれた変調層２５内を、ｘ軸方向に伝搬する波数であり、有限差分固有モード（ＦＤＥ：Finite Difference Eigenmode）法を用いて決定することができる。図８は、変調層２５をｘ軸方向に伝搬する波数βの波長依存性を示すグラフである。図８のグラフにおいて、横軸は光の波長（μｍ）を示し、縦軸は波数β（１／ｍ）を示している。
上記の結果から、反射層２０、変調層２５、及び導電パターン層３０によるＭＩＭ構造中を、ＴＭ０モードの光が伝搬することがわかる。なお、ＭＩＭ構造中では、ＴＭ１、ＴＭ２のような高次のモードも伝搬可能であるが、変調層２５に閉じ込められる光の電場強度はＴＭ０モードが高い。このため、本実施形態の光変調器１Ａにおいては、ＴＭ０モードを用いる。また、光変調器１Ａでは、上記の（２）式においてｍ＝２を用いる。このときにＭＩＭ構造中を伝搬するモードを、ＴＭ０２モードと表記する。
図９は、図４と同様に、導電パターン層３０における格子状パターンの配列周期Λを変化させたときの反射スペクトルの変化について示す図である。図９では、対象光Ｌ１の強度変調に用いるディップ領域Ｃ（図４参照）と合わせて、上記の（２）式でｍ＝２として得られる直線Ｄを示しており、この直線Ｄが、ディップ領域Ｃと良く一致していることがわかる。したがって、この領域Ｃを強度変調に用いることにより、高効率での変調動作が
可能な光変調器１Ａを実現することができる。
可能な光変調器１Ａを実現することができる。
上記実施形態による光変調器１Ａにおける非線形光学結晶からなる変調層２５の厚さについて説明する。変調層２５の厚さｔｇは、例えば、厳密結合波解析（ＲＣＷＡ：Rigorous Coupled Wave Analysis）法または有限差分時間領域（ＦＤＴＤ：Finite Difference Time Domain）法による反射スペクトル解析、及び変調層２５の電場強度解析結果から決定することができる。
図１０は、ＬＮ変調層２５の厚さをｔｇ＝５００ｎｍとしたときの光変調器１Ａの特性について示す図である。図１０（ａ）は、光の反射率の波長依存性を示すグラフである。図１０（ａ）のグラフにおいて、横軸は対象光の波長（μｍ）を示し、縦軸は反射率を示している。この反射スペクトルでは、反射率のディップのピーク位置は波長λ＝１５４８ｎｍとなっている。なお、図１０（ａ）のグラフにおけるピーク位置は、図５のグラフにおけるピーク位置と若干異なっているが、これは、具体的な計算手法や計算上で用いられた光学パタメータの違い等によるものである。
図１０（ｂ）は、光変調器におけるｘｚ断面（図３参照）での電場強度分布を示している。図１０（ｂ）の分布図において、横軸はｘ（μｍ）を示し、縦軸はｚ（μｍ）を示している。また、図中の白線は、ｚのプラス側から、基体層１０、反射層２０、ＬＮ変調層２５、及び導電パターン層３０の各層の境界を示している。この構成例では、ＬＮ変調層２５内での電界強度は大きく、反射スペクトルのＱ値（反射スペクトルの減衰ピーク波長を半値幅で割った値）も高く、良好な特性が得られていることがわかる。
図１１は、ＬＮ変調層２５の厚さをｔｇ＝５０ｎｍとしたときの（ａ）光の反射率の波長依存性、及び（ｂ）光変調器における電場強度分布を示す図である。図１１（ａ）の反射スペクトルでは、ピーク位置は波長λ＝１４７９ｎｍとなっている。図１２は、ＬＮ変調層２５の厚さをｔｇ＝１５００ｎｍとしたときの（ａ）光の反射率の波長依存性、及び（ｂ）光変調器における電場強度分布を示す図である。図１２（ａ）の反射スペクトルでは、ピーク位置は波長λ＝１５５５ｎｍとなっている。
これらの結果から、変調層２５の厚さについては、例えば５０ｎｍ～１５００ｎｍの範囲内で設定することが好ましい。また、対象光Ｌ１の波長λで規定すると、変調層２５の厚さは、０．０３λ～１λの範囲内で設定することが好ましい。
なお、変調層２５の厚さが５０ｎｍと薄い場合、図１１に示すように、変調層２５内の電界は強くなるが、反射スペクトルのＱ値が小さくなるため、変調電圧を印加した際の光の消光比を大きくすることができない。一方、変調層２５の厚さが１５００ｎｍと厚い場合、図１２に示すように、反射スペクトルのディップにおける反射率の減衰量は小さく、変調層２５内の電界も強くない。また、変調層２５の厚さが大きくなると、高い変調電圧の印加が必要となる。変調層２５の厚さについては、これらの特性等を考慮して設定することが好ましい。
また、光変調器１Ａの特性は、導電パターン層３０でのパターン幅ｓと配列周期Λとの比（デューティ比）によっても変化する。上記の構成では、デューティ比が０．２０以下と小さい場合、または０．９０以上と大きい場合、反射スペクトルのディップにおける反射率の減衰が無いか小さい。したがって、この場合、デューティ比を０．２０～０．９０の範囲内で設定することが好ましい。
上記実施形態による光変調器１Ａにおける変調速度について説明する。ここでは、等価回路モデルを用いてＲＣ時定数を計算し、３ｄＢバンド幅を見積もる。
図１３は、変調速度を求めるための光変調器１Ａの等価回路を示す斜視図である。ここでは、光変調器１Ａのうちで、導電パターン層３０の複数のパターン部３１を含む部分を示し、等価回路を破線で図示している。また、導電パターン層３０における格子状のパターン部３１の長さ（パターンサイズ）をＬとしている。この長さＬは、図１に示した変調領域のｙ軸方向の幅ｌｙに対応している。
図１３に示した等価回路において、平行平板モデルを用いて、抵抗値ＲとキャパシタンスＣとは、下記の（３）式、（４）式によって求められる。
ここで、σＡｕはＡｕの導電率で４．２×１０７（Ｓ／ｍ）、ｎはＡｕ格子の数、ε０は真空中の誘電率で８．８５×１０－１２（Ｆ／ｍ）、ε３３はニオブ酸リチウムの結晶軸方向の比誘電率で２７．９である。
ここで、σＡｕはＡｕの導電率で４．２×１０７（Ｓ／ｍ）、ｎはＡｕ格子の数、ε０は真空中の誘電率で８．８５×１０－１２（Ｆ／ｍ）、ε３３はニオブ酸リチウムの結晶軸方向の比誘電率で２７．９である。
また、３ｄＢバンド幅ｆ３ｄＢは、上記した抵抗値Ｒ及びキャパシタンスＣを用いて、下記の（５）式によって求められる。
図１４は、上記の式を用いて求められた、光変調器１Ａにおける３ｄＢバンド幅のパターンサイズ依存性を示すグラフである。図１４のグラフにおいて、横軸はパターンサイズＬ（μｍ）を示し、縦軸は３ｄＢバンド幅（ＧＨｚ）を示している。上記構成の光変調器１Ａにおいて、パターンサイズをＬ＝３００μｍとすると、３ｄＢバンド幅は、ｆ３ｄＢ＝７．５２ＧＨｚとなる。
上記構成の光変調器１Ａを用いた光変調器アレイの構成について説明する。光変調器アレイは、単位変調セルとなる光変調器１Ａを複数用い、複数の光変調器１Ａを１次元または２次元アレイ状に配列して、構成することができる。具体的には例えば、Ｍを１以上の整数、Ｎを２以上の整数として、複数の光変調器（複数の変調セル）をＭ行Ｎ列に１次元または２次元アレイ状に配列することで、光変調器アレイが構成される。このような構成によれば、上記の光変調器１Ａを変調画素として、１次元または２次元の変調パターンによる対象光の位相変調を好適に実現することができる。
図１５は、図１に示した光変調器１Ａを用いた１次元光変調器アレイの構成を示す平面図である。本構成例における光変調器アレイ３Ａは、図１、図２に示した構成を有し、基体層１０、反射層２０、変調層２５、及び導電パターン層３０をそれぞれ備える光変調器１ＡをＮ個の変調セルＰ１～ＰＮとして用い、ｘ軸方向を配列方向として、１次元アレイ状に配列して構成されている。
なお、本構成例では、基体層１０と変調層２５との間に設けられる反射層２０の電極部２１については、図１５中に示すように、Ｎ個の変調セルＰ１～ＰＮの全体に対して共通の電極部２１として形成されている。また、基体層１０については、Ｎ個の変調セルＰ１～ＰＮで個別に設けられていても良く、あるいは一体に設けられていても良い。
図１６は、図１に示した光変調器１Ａを用いた２次元光変調器アレイの構成を示す平面図である。本構成例における光変調器アレイ３Ｂは、図１、図２に示した構成を有し、基体層１０、反射層２０、変調層２５、及び導電パターン層３０をそれぞれ備える光変調器１Ａを４×６個の変調セルＰ１，１～Ｐ４，６として用い、ｘ軸方向及びｙ軸方向を配列方向として、２次元アレイ状に配列して構成されている。なお、図１６においては、導電パターン層における複数のパターン部３１の具体的な構成の図示を省略している。
本構成例の光変調器アレイ３Ｂでは、第１行の変調セルＰ１，１～Ｐ１，６において、各列の変調セルの電極パターン部３３に対して、個別の変調信号線（電圧印加線）Ｗ１１～Ｗ１３、Ｗ１４～Ｗ１６が接続されている。また、第２行の変調セルＰ２，１～Ｐ２，６に対して、個別の変調信号線Ｗ２１～Ｗ２３、Ｗ２４～Ｗ２６が接続されている。また、第３行の変調セルＰ３，１～Ｐ３，６に対して、個別の変調信号線Ｗ３１～Ｗ３３、Ｗ３４～Ｗ３６が接続されている。また、第４行の変調セルＰ４，１～Ｐ４，６に対して、個別の変調信号線Ｗ４１～Ｗ４３、Ｗ４４～Ｗ４６が接続されている。
なお、本構成例では、基体層１０と変調層２５との間に設けられる反射層２０の電極部２１については、図１５に示した構成と同様に、４×６個の変調セルＰ１，１～Ｐ４，６の全体に対して共通の電極部２１として形成されている。また、基体層１０については、４×６個の変調セルＰ１，１～Ｐ４，６で個別に設けられていても良く、あるいは一体に設けられていても良い。
また、図１５、図１６に示すように複数の光変調器１Ａをアレイ状に配列した光変調器アレイでは、光変調器１Ａが垂直入射型であることにより、光ファイバアレイとの接続を好適に実現することができる。図１７は、２次元光変調器アレイと光ファイバアレイとの接続構成を概略的に示す斜視図である。ここでは、図１６に示した複数の光変調器１Ａが２次元アレイ状に配列された光変調器アレイ３Ｂと、複数の光ファイバ６１が２次元アレイ状に配列された光ファイバアレイ６０との接続構成を図示している。本構成では、光変調器アレイ３Ｂの光変調器１Ａと、光ファイバアレイ６０の光ファイバ６１とが、１対１対応で接続されている。
上記構成を有する垂直入射型の光変調器１Ａは、上述したように変調セルの小型化、高集積化が可能であり、例えば空間多重光通信、高速光無線通信などに好適に適用することが可能である。また、例えば、Ｂｅｙｏｎｄ ５Ｇにおける通信データ伝送容量の増大に対応するため、高速大容量の光トランシーバに搭載できる超高速、小型の光変調器としても適用が可能である。Ｂｅｙｏｎｄ ５Ｇ技術においては、１チャンネル当たり１ＧＨｚ以上の変調速度が要求される。
光変調器、及び光変調器アレイは、上記実施形態及び構成例に限られるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、導電パターン層３０におけるパターンについては、上記実施形態では、複数のパターン部３１、接続パターン部３２、及び電極パターン部３３を含む構成を示しているが、このような構成に限られるものではなく、具体的には様々なパターンを用いて良い。
本発明は、変調対象光の強度の変調を高速で行うとともに、広い波長領域で好適に動作させることが可能な光変調器、及び光変調器アレイとして利用可能である。
１Ａ…光変調器、２Ａ…光変調装置、３Ａ、３Ｂ…光変調器アレイ、
１０…基体層、１０ａ…上面、１６、１７…ワイヤ、２０…反射層、２０ａ…上面、２１…電極部、２５…変調層、２５ａ…上面、３０…導電パターン層、３１…パターン部、３２…接続パターン部、３３…電極パターン部、
５１…電圧印加部、５２…制御部、６０…光ファイバアレイ、６１…光ファイバ、Ｐ１～ＰＮ、Ｐ１，１～Ｐ４，６…変調セル、Ｗ１１～Ｗ４６…変調信号線、Ｌ１…対象光、Ｌ２…変調光。
１０…基体層、１０ａ…上面、１６、１７…ワイヤ、２０…反射層、２０ａ…上面、２１…電極部、２５…変調層、２５ａ…上面、３０…導電パターン層、３１…パターン部、３２…接続パターン部、３３…電極パターン部、
５１…電圧印加部、５２…制御部、６０…光ファイバアレイ、６１…光ファイバ、Ｐ１～ＰＮ、Ｐ１，１～Ｐ４，６…変調セル、Ｗ１１～Ｗ４６…変調信号線、Ｌ１…対象光、Ｌ２…変調光。
Claims (7)
- 基体層と、
変調対象となる対象光に対して反射性を有する金属材料からなり、前記基体層の上面上に形成された反射層と、
前記対象光に対して透過性を有する非線形光学結晶からなり、前記反射層の上面上に所定の厚さで形成された変調層と、
導電性材料からなり、各層の積層方向に直交する第１方向に周期的に配列されるとともに、前記積層方向及び前記第１方向に直交する第２方向にそれぞれ延びる複数のパターン部を含んで前記変調層の上面上に形成された導電パターン層と
を備え、
前記変調層は、前記反射層と前記導電パターン層との間での電圧の印加によって屈折率が変化することで、前記対象光に対する反射率を変化させるように構成され、
前記導電パターン層を介して前記変調層の前記上面から入射し、前記変調層を通過して前記反射層で反射された前記対象光を、反射率の変化によって強度が変調された変調光として前記変調層の前記上面から外部へと出射する、光変調器。 - 前記導電パターン層における前記複数のパターン部の配列周期は、前記対象光の波長未満に設定されている、請求項１記載の光変調器。
- 前記導電パターン層における前記複数のパターン部のパターン幅は、一定に設定されている、請求項１または２記載の光変調器。
- 前記反射層の厚さ、及び前記導電パターン層の厚さは、それぞれ表皮深さ以上に設定されている、請求項１～３のいずれか一項記載の光変調器。
- 前記変調層の前記非線形光学結晶は、ニオブ酸リチウム及びタンタル酸リチウムの少なくとも一方を含む、請求項１～４のいずれか一項記載の光変調器。
- 前記導電パターン層の前記導電性材料は、金属材料である、請求項１～５のいずれか一項記載の光変調器。
- 請求項１～６のいずれか一項記載の光変調器を複数備え、
前記複数の光変調器が、１次元または２次元アレイ状に配列されて構成されている、光変調器アレイ。
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| JP2021133941A JP2023028311A (ja) | 2021-08-19 | 2021-08-19 | 光変調器及び光変調器アレイ |
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