JP2989883B2

JP2989883B2 - 固体光空間変調素子

Info

Publication number: JP2989883B2
Application number: JP30328690A
Authority: JP
Inventors: 厚遊佐
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1990-11-08
Filing date: 1990-11-08
Publication date: 1999-12-13
Anticipated expiration: 2014-12-13
Also published as: JPH04176173A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、入射光に空間的（２次元）な変調を与える
画像を実時間で形成し、主に大画面デイスプレイ、光情
報処理、記憶素子等として利用される固体光空間変調素
子に関する。

［従来の技術］従来、この種の固体空間変調素子の代表的なものとし
て、光導電体−強誘電体結晶を組み合わせた素子が知ら
れている。この光伝導体−強誘電体結晶の組み合わせ素
子は入力画像を光導電体によって強誘電体結晶への電荷
分布に変換し、この電荷分布によって生じる電圧が結晶
を透過する光を電気光学効果によって制御することを動
作原理とする。この素子の動作を以下に第５図に参照し
て説明する。この図中、符号１は印加された電界の強度
分布に応じて、光の偏光角が変化するような電気光学結
晶を示す。この結晶としては、例えば、PLZT、LiNbO₃等
が使用される。この結晶１の一側面には誘電体ミラー２
を介して光導電材料３が積層されている。そして、これ
ら電気光学結晶と光導電材料の外端面には、夫々第１並
びに第２の透明電極4,5が設けられている。前記電気光
学結晶は、印加された電界の強度分布に応じて光の偏光
角が変化するような電気光学結晶、例えば、PLZTやLiNb
O₃により形成されている。前記両透明電極4,5は端子6,7
を介して電源回路８に接続されている。この電源回路８
は、一方の端子６に夫々接続され、互いに極性が反対の
第１並びに第２の直流電源8a,8bと、他方の端子７に接
続され、これら電源8a,8bに選択的に接続される切り替
えスイッチ９とを有する。尚、図中符号LWは入力画像の
光を、LRは読み出し光を、そしてLEは入力画像を消去す
るための消去光を夫々示し、矢印の方向から変調素子に
入射される。

上記構成の従来の変調素子の動作を次ぎに説明する。

先ず、切り替えスイッチを図示のように第１の電源8a
側に接続し、両電極4,5間に正のバイアス電圧を印加す
る。この状態で、入力画像の光LWが入射されない時は、
光導電材料の電気抵抗が高いため、電気光学結晶の両端
には電界が印加されない。今、光導電材料に第２の透明
電極５を通して入力画像の光LWを入射すると、光導電材
料の光入射部分の電気抵抗が下がり、入力画像の光LWに
対応した電荷像が電気光学結晶と光導電材料との界面に
生じる。この結果、入射像に対応した強度分布を持つ電
界が電気光学結晶の両端面間に印加され、電気光学効果
により電気光学結晶中の分極ドメインは、光学像の強度
分布に対応した配列をとる。即ち、入力像が電気光学結
晶の分極ドメイン分布像に変換されて記憶される。この
状態で、変調素子の電気光学結晶に第１の透明電極４を
通して読み出し光LRを照射すると、読み出し光LRは電気
光学結晶を通過して誘電体ミラー２に至り、ここで反射
されて透明電極４の方向に戻る。この戻る反射光は、分
極ドメイン分布像、即ち力画像の情報を含んでいる。こ
の読み出し光LRとして一様な強度分布の光を使用すれ
ば、反射光には入力画像がそのまま再現されるので、こ
の変調素子は光メモリ装置に利用できる。一方、読み出
し光LRとして、ある画像情報を含んだ光を使用すれば、
反射光の画像は、この画像が電気光学結晶に記憶された
入力画像情報によって変調された画像となり、変調素子
は並列光演算素子に応用可能となる。

前記変調素子の電気光学結晶に書き込まれた画像情報
を消去するのには、前記切り替えスイッチ９を第２の電
源8bへの接続に切り替えて、電極間4,5に逆バイアス電
圧を印加する。この状態で、入力画像と光LWと同じ方向
から、一様な強度分布を持つ消去光LEを第２の透明電極
５を通して変調素子に照射させる。この結果、消去光LE
は光導電材料３の電気抵抗を一様に下げ、電気光学結晶
と光導電材料との界面にあった電荷像が消去される。か
くして、電気光学結晶通の分極ドメインの分布も一様と
なり、ここに記憶されていた情報が消失される。

［当該発明が解決しょうとする課題］上記のような構成の従来の変調素子においては、電気
光学結晶を大口径比に形成することが難しく、また印加
電圧が極力低くて済むように、電気光学結晶を薄くする
加工研磨が必要である等の製造上の問題がある。また、
電気光学結晶の光感度が悪いので、入力画像の光エネル
ギーを大きくしなければならない、高い駆動電圧を必要
とする、応答速度（入力画像書き込み速度）が遅い等の
素子性能上の問題がある。

従って、本発明の目的は、上記製造上の問題と、素子
性能上の問題との両者を解決できる固体光空間変調素子
を提供することである。

［課題を解決するための手段］本発明の固体光空間変調素子は、光増幅機能を有する
受光素子を半導体基板に２次元アレイ状に形成し、該受
光素子の一方の主電極上に強誘電体膜と透明導電性膜と
を順次積層し、この透明導電性膜と受光素子の他方の主
電極との間にバイアス電圧が印加され、前記半導体基板
に情報光が入射されることを特徴とする。

また前記受光素子はパンチスルー型バイポーラトラン
ジスター又は静電誘導トラジスターからなり、これらト
ランジスタの副電極はフローテングとなっていることが
好ましい。

［作用］書き込み時には、入力画像の光を受光素子に入射させ
る。この入射光により受光素子は導通し、強誘電体膜を
挟む透明導電性膜と受光素子の電極との間にバイアス電
圧が印加される。この結果、強誘電体膜の分極ドメイン
が反転され、情報が記憶される。読み出し時には、読み
出し光を透明電極側より強誘電体膜に入射させる。

［実施例］以下に本発明の一実施例に係わる固体光空間変調素子
を、これの書き込み手段並びに読み取り手段を有する走
査系と共に、添付図面を参照して、説明する。

走査系を示す第１図において、符号10は固体光空間変
調素子を示し、透明絶縁基板11上に、順次積層された真
性半導体層12と強誘電体薄膜13とを具備する。これら真
性半導体層12と強誘電体薄膜13とで透明絶縁基板11上に
２次元アレイ状には配設された後述する多数の変調セル
14を構成している。

前記固体光空間変調素子10の透明絶縁基板11側には、
これに対面するように結像レンズL1が設けられている。
この結像レンズL1は、図示していない光源からの入力画
像の光LWを固体光空間変調素子10に結像して、入力画像
を書き込む書き込み手段を構成している。一方、固体光
空間変調素子10の強誘電体薄膜13側には、読取り手段が
設けられている。この読取り手段は、一様な強度分布の
光を射出する照射光源Ｓと、この光を読み出し光LRとし
て固体光空間変調素子10に照射させる照射レンズL2と、
この照射レンズL2と固体光空間変調素子10との間に配置
された偏光子P2とを具備する。この読取り手段は、また
固体光空間変調素子10からの反射光をスクリーン15上に
結像させる結像レンズL3と、前記偏光子P2とは直交する
ように、結像レンズL3と固体光空間変調素子10との間に
配置された検光子P3とを具備する。

上記構成の走査系においては、記録は、入力画像の光
LWを結像レンズL1を介して、固体光空間変調素子10に入
射させることにより行う。この入射入力画像の光LWは、
真正半導体層12に結像され、次に強誘電体薄膜13に画像
情報とし、個々の変調セルに入射した光の強度として記
憶される。このように記憶された画像情報の読み出し
は、照射光源Ｓからの一様な強度分布を持つ光を照射レ
ンズL2、偏光子P2を通し、読み出し光LRとして固体光空
間変調素子10に垂直に照射することにより行う。この入
射光は固体光空間変調素子10で角度θにて反射され、検
光子P3、結像レンズL3を介して、スクリーン15上に結像
される。また、入力画像の消去は入力画像の光LWの代わ
りに、一様な強度分布をもつ消去光LEを結像レンズL1を
介して、固体光空間変調素子10に照射することにより行
う。

次ぎに、上記固体光空間変調素子10の増幅セルの１個
を、固体光空間変調素子10の一部の断面図である第2A図
を参照して説明する。

前記透明絶縁基板11は、透明ガラス板又はサファイヤ
のような透明単結晶基板で構成されており、この上に
は、前記真正半導体層12が透明導電性膜20を介して積層
されている。この実施例では、真正半導体層12は低濃度
のｎ型不純物がドープされたｎ導電型の砒化ガリウム層
により構成されている。この真正半導体層12の下面中央
には、n⁺導電型のコレクター領域21が、前記透明導電性
膜（主電極）20と電気的に接続するように形成されてい
る。そして、この真正半導体層12の上面には、中央にコ
レクター領域21と対面するようにn⁺導電型のエミッター
領域22が、またこのエミッター領域22を囲むようにp⁺導
電型のベース領域23（副電極がフローテングになってい
る）が、それぞれ形成されている。このエミッター領域
22上を除いて、真正半導体層12の上面には誘電体絶縁膜
24が形成されている。さらに、このエミッター領域22の
露出した上面並びにこの周りの誘電体絶縁膜24の上面の
部分には金属膜（主電極）25が、エミッター領域22と電
気的に接続するようにして取着されている。かくして、
真正半導体層12には上記３つの領域21,22,23を有するパ
ンチスルーホトトランジスターが設けられている。そし
て、前記金属膜25を埋設するようにして、前記誘電絶縁
膜24上には前述した強誘電体薄膜13が積層され、さらに
この強誘電体薄膜13上面には透明導電性膜26が取着され
ている。

上記構成の変調セル14においては、使用時には図示の
ように直流電源27を、これの負側を透明導電性膜26に、
また正側を透明導電性膜20に、それぞれ接続して、トラ
ンドスターにバイアス電圧E_Bをかける。この状態で、入
力画像書き込みのために、入力画像の光LWを透明絶縁基
板11を介して真正半導体層12中に照射すると、ここに電
子−正孔対が発生する。この電子−正孔対のうち正孔は
ベース領域23へと移動してここに蓄積される。この結
果、ベース領域23の電位は高くなり、エミッター領域22
から電子がベース領域23に移動する。さらにこの電子は
ベース領域23から真正半導体層12,ドレイン領域21並び
に透明導電性膜20を順次通って前記バイアス電圧E_Bに流
れる。この結果、エミッター領域22に接続されている金
属膜25は正に帯電し、金属膜25と透明導電性膜26との間
に位置する強誘電体薄膜13に厚み方向（上下方向）の電
界が加わり強誘電体の分極ドメインが反転し、情報が記
憶される（この状態を電気回路的に示すと第2B図のよう
になる。尚、この図で、FEは強酸電体キヤパシタを示
す。）。一方、このようにして分極ドメインの正逆いず
れかの反転状態として強誘電体薄膜13に記憶された情報
を読み出す時には、読み出し光LRを透明導電性膜26を介
して固体光空間変調素子10に照射する。この読み出し光
LRは強誘電体薄膜13を透過した後、金属膜25で反射さ
れ、再び強誘電体薄膜13に戻る。この後は、第１図を参
照して説明した通りの過程を経て、スクリーン15上に情
報が結像される。

次に第3A図並びに第3B図、および第４図を参照して、
それぞれ別の実施例を説明する。なお、これら実施例
で、前記第１の実施例と実質的に同じ箇所は同じ符号を
付して説明を省略する。

第２の実施例を示す第3A図において、真正半導体層12
はｉ導電型を有し、この中には、コレクター領域21に代
えてn⁺導電型のドレイン領域31が、エミッター領域22に
代えてn⁺導電型のソース領域32が、そしてベース領域23
に代えて、ソース領域32の下側を除く周囲に形成された
p⁺導電型のゲート領域33がそれぞれ設けられており、こ
れらで静電誘導ホトトランジスターが構成されている。

上記構成の第２の実施例の固体光空間変調素子10にお
いて、入力画像の光LWを真正半導体層12と透明絶縁基板
11を介して、照射すると、前記ドレイン領域31,真正半
導体層12,ゲート領域33からなるnipダイオードに光電荷
が発生し、これら電荷のうち正孔はゲート領域33に移動
し、蓄積される。この正孔の蓄積によりゲート電位が上
昇して、ドレイン領域31とソース領域32との間の電位障
壁が下がり、この結果、電子がソース領域32から、真正
半導体層12,ドレイン領域31並びに透明導電性膜20を順
次介して外部電源27に流れる。従って、ソース領域32
は、即ち、金属膜25は正に帯電する（この状態を電気回
路的に示すと第3B図のようになる）。この後の強誘電体
薄膜13内での分極ドメインによる記憶動作、並びに読み
出し光LRによる読み出し操作は前記第１の実施例と同じ
なので省略する。

前記実施例では透明絶縁基板11を介して入力画像の光
LWを入射させているが、この透明絶縁基板11は必ずしも
必要ではなく、直接真正半導体層12に入力画像の光LWを
照射しても良い。この例を第４図を参照して説明する。
図中符号40は真正半導体層12の下面に形成された透明の
誘電体絶縁膜を示す。この誘電体絶縁膜40の中央には開
口が形成されており、n⁺導電型のドレイン領域31に電気
的に接続された透明導電性膜20が設けられている。この
ドレイン領域31の周囲には、これの上面を除いてp⁺導電
型のゲート領域33が形成されている。また真正半導体層
12の上面には金属膜25と電気的に接続されたn⁺導電型の
ソース領域32が、設けられ、これら領域で静電誘導ホト
トランジスターが構成されている。このような構造の固
体光空間変調素子10では、入力画像の光LWは40並びに透
明導電性膜20を介して直接真正半導体層12に入射され第
にの実施例と同様にして入力情報の書き込みが行われ
る。

以上説明した実施例では１個の変調セル14について説
明したが、共通の半導体層（基板）12にパンチスルー型
バイポーラトランジスターや静電誘導トラジスター（SI
T）からなる半導体受光素子を２次元アレイ状に多数形
成することにより変調セル14の二次元アレイを形成し
て、固体光空間変調素子10が構成されている。

［効果］本発明の固体光空間変調素子においては、電化像形成
のために２次元受光素子アレイを使用しているので、通
常の半導体集積技術により大口径比のものが加工研磨等
の面倒な手間を必要としないで容易に形成することがで
きる。また、これら受光素子で形成された変調セルは、
同時に光入力信号を並列して増幅できるので、高い駆動
電圧を必要とせず、また書き込みエネルギーが小さくて
も良い。例えばCdSのような光導電材料を使用した従来
の固体光空間変調素子に比べて、1/100〜1/1000のエネ
ルギーですむ。そして、応答速度も早くでき、例えば、
従来のものに対して数10msecから10μsec高速にするこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係わる固体光空間変調素子をその走査
系と共に概略的に示す斜視図、第2A図は第１の実施例の
固体光空間変調素子の変調セルを示す断面図、第2B図は
同変調セルの等価回路図、第3A図は第２の固体光空間変
調素子の変調セルを示す断面図、第3B図は同変調セルの
等価回路図、第４図は第３の実施例の変調セルを示す断
面図、そして第５図は従来の固体光空間変調素子を説明
するための図である。 10……固体光空間変調素子、11……透明絶縁基板、12…
…真正半導体層、13……強誘電体薄膜、14……変調セ
ル、27……電源、LW……入力画像の光、LR……読み出し
光、LE……消去光。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】光増幅機能を有する受光素子を半導体基板
に２次元アレイ状に形成し、該受光素子の一方の主電極
上に強誘電体膜と透明導電性膜とを順次積層し、この透
明導電性膜と受光素子の他方の主電極との間にバイアス
電圧が印加され、前記半導体基板に情報光が入射される
ことを特徴とする固体光空間変調素子。
【請求項２】前記受光素子はパンチスルー型バイポーラ
トランジスター又は静電誘導トランジスターからなり、
これらトランジスタの副電極はフローテングとなってい
ることを特徴とする請求項１に記載の固体光空間変調素
子。