JP5155562B2 - 電圧制御回路、電圧制御方法およびそれを用いた光制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、光制御装置に関し、特に強誘電体に電圧を印加する電圧制御技術に関する。

近年、大容量の記録方式として、ホログラムの原理を利用したデジタル情報記録システムが知られている（たとえば特許文献１）。

ホログラム記録装置の空間光変調器ＳＬＭの材料としては、たとえばチタン酸ジルコン酸ランタン鉛（以下、ＰＬＺＴという）等の電気光学効果を有するものを用いることができる。ＰＬＺＴは、（Ｐｂ_1-yＬａ_y）（Ｚｒ_1-xＴｉ_x）Ｏ₃の組成を有する透明セラミックスである。電気光学効果とは、物質に電界を印加するとその物質に分極が生じ屈折率が変化する現象をいう。電気光学効果を利用すると、印加電圧をオン、オフすることにより光の位相を切り替えることができる。そのため、電気光学効果を有する光変調材料を空間光変調器ＳＬＭ等の光シャッターに適用することができる。

こうした光シャッター等の素子への適用においては、従来、バルクのＰＬＺＴが広く利用されてきた（特許文献２）。しかし、バルクＰＬＺＴを用いた光シャッターは、微細化、集積化の要請や、動作電圧の低減や低コスト化の要請に応えることは困難である。また、バルク法は、原料となる金属酸化物を混合した後、１０００℃以上の高温で処理する工程を含むため、素子形成プロセスに適用した場合、材料の選択や素子構造等に多くの制約が加わることとなる。

こうしたことから、バルクＰＬＺＴに代え、基材上に形成した薄膜のＰＬＺＴを光制御素子へ応用する試みが検討されている。特許文献３には、ガラス等の透明基板上にＰＬＺＴ膜を形成し、その上に櫛形電極を設けた表示装置が記載されている。この表示装置は、ＰＬＺＴ膜が形成された表示基板の両面に偏光板が設けられた構成を有する。ここで、各画素の電極端子部が外部の駆動回路と接続されることにより、所望の画素が駆動され、表示基板の一面側に設けられた光源からの透過光により所望の表示をすることができるようになっている。
特開２００２−２９７００８号公報 特開平５−２５７１０３号公報 特開平７−１４６６５７号公報

上述の空間光変調器の光変調材料に用いられるＰＬＺＴなどの強誘電体は、インプリント現象を有することが知られている。このインプリント現象は、強誘電体に同一方向の電界を印加し続けることにより、強誘電体に発生する分極量がメモリされる現象をいう。ＰＬＺＴなどの強誘電体材料を用いて光制御素子を構成した場合、同一方向に電界を印加し続けることによってインプリント現象が発生し、屈折率変化が徐々にシフトしてしまう。この屈折率変化のシフトは、空間光変調器の変調精度を悪化させるという問題があった。

本発明はこうした状況に鑑みなされたものであり、その目的は、電極に対する電圧印加方向を変更可能な電圧制御回路および変調精度を安定化した光制御装置の提供にある。

本発明のある態様は電圧制御回路に関する。この電圧制御回路は、第１、第２電極を含む電極対に印加する電圧を制御する電圧制御回路であって、本回路の動作モードに応じて、電極対に印加する電圧を切り替える制御部と、制御部の指示にもとづき、第１、第２電極それぞれに、第１電圧または第１電圧より低く設定される第２電圧を印加する電圧印加部と、を備える。電圧印加部は、通常モードにおいて、第１電極に第１電圧を固定的に印加し、第２電極に第１電圧または第２電圧のデータ電圧を印加する一方、反転モードにおいて、第１電極に第２電圧を固定的に印加し、第２電極に、第１電圧または第２電圧のデータ電圧を反転して印加する。

この態様によると、通常モードと反転モードにおいて、電極対に印加される電圧を逆相とすることができ、２つのモードを柔軟に切り替えることができる。

電圧の印加対象となる電極対は、強誘電体に電界を印加するための電極対であってもよい。
この場合、強誘電体に印加される電界が、通常モードと反転モードにおいて逆方向となるため、インプリント現象を抑制することができる。

制御部は、所定の周期で通常モードと反転モードを切り替えてもよい。

制御部は、通常モードと反転モードを切り替えるモード制御電圧と、電極対に印加すべき電圧を指示するデータ電圧とが入力された排他的論理和回路を備えてもよい。電圧印加部は、モード制御電圧を第１電極に印加するとともに、排他的論理和回路から出力される電圧を第２電極に印加してもよい。
この態様によれば、通常モードにおいては、第１電極に第１電圧が印加され、第２電極にデータ信号に応じた第１、第２電圧が印加される。また反転モードにおいては、第１電極に第２電圧が印加され、第２電極にデータ信号に応じた第１、第２電圧が印加され、電極間に発生する電界の向きを切り替えることができる。

電圧印加部は、第１電極および第２電極に電圧を印加する経路上にそれぞれ第１、第２バッファ回路を備えてもよい。
バッファ回路により電極対により構成されるキャパシタに対する電流供給能力を向上することができる。

第１、第２バッファ回路は、それぞれインバータ回路を含んでもよい。この場合、第１、第２電極それぞれには、第１、第２電圧としてインバータ回路のハイレベル、ローレベルレベルに対応する電圧が印加されることになるため、電極対に印加される電圧を安定化することができる。
また、インバータ回路を偶数段設けた場合、論理反転させることなく、第１、第２電極に電圧を印加することができる。

第１、第２バッファ回路は、演算増幅器を含む帰還増幅器であってもよい。
演算増幅器を用い、反転あるいは非反転増幅器を構成した場合においても、電流供給能力を向上することができる。また、バッファ回路は、反転入力端子と出力端子が短絡された演算増幅器であってもよい。演算増幅器によりボルテージフォロア回路を構成することで電流供給能力を向上することができる。

電圧印加部は、第１電極および第２電極に電圧を印加する経路上にそれぞれ、電圧の印加をオンオフする第１、第２スイッチを備えてもよい。この場合、スイッチがオンの期間のみ電極対に電圧が印加されるため、より正確な電圧制御を行うことができる。

電圧印加部は、第１電極および第２電極に電圧を印加する経路上にそれぞれ第１、第２論理演算素子を備えてもよい。第１論理演算素子の第１の入力には第１電極に印加すべき電圧が入力され、第２の入力には電圧の印加を指示する指示信号が入力され、第２論理演算素子の第１の入力には第２電極に印加すべき電圧が入力され、第２の入力には指示信号が入力されてもよい。
「論理演算素子」とは、２入力のＮＡＮＤ、ＮＯＲ、ＡＮＤ、ＯＲ回路などをいう。
この態様によれば、指示信号によって電極対に電圧の印加が指示される期間以外は、第１、第２電極に印加する電圧を等しくすることにより、回路の安定性を高めることができる。

第２電圧は接地電圧であってもよい。

本発明の別の態様は、光制御装置である。この装置は、基板と、基板上に設けられた第１の反射層と、第１の反射層上に設けられ、印加した電界により屈折率が制御可能な強誘電体で形成される光変調膜と、光変調膜に電界を印加するための第１、第２電極を含む電極対と、電極対に電圧を印加する上述の電圧制御回路と、を備える。

この態様によると、光制御装置の光変調膜に印加される電界を、モードの切り替えに応じて反転することができ、インプリント現象を低減し、光制御装置の変調精度を維持することができる。

光変調膜は、印加した電界の２乗に比例して屈折率が変化する電気光学材料であってもよい。
また、電気光学材料は、チタン酸ジルコン酸鉛またはチタン酸ジルコン酸ランタン鉛であってもよい。

電圧制御回路は、光変調膜の上面に透明電極をさらに備えてもよい。当該透明電極と第１の反射層とが、電極対を形成してもよい。この場合、電極対は光変調膜を挟むように形成される。

電極対は、マトリクス状に複数配置され、電圧制御回路は、各電極対ごとに複数設けられてもよい。
複数の電圧制御回路は、列単位または行単位にて前記モードが切り替えられてもよい。

電極対は、マトリクス状に複数配置され、電圧制御回路は、マトリクスの各行ごとに設けられており、それぞれの電極対は、電極対ごとに設けられたスイッチを介して当該電極対と同一の行に設けられた電圧制御回路に接続されてもよい。この場合、マトリクスの列ごとにスイッチをオンすることにより、すべての電極対に順番に電圧を印加することができる。

本発明のさらに別の態様は、電圧制御方法である。この電圧制御方法は、第１、第２電極を含む電極対に対する電圧制御方法であって、通常モードにおいて、第１電極に第１電圧を固定的に印加し、第２電極に第１電圧または第１電圧より低く設定される第２電圧のいずれかを印加する一方、反転モードにおいて、第１電極に第２電圧を固定的に印加し、第２電極に、第１、第２電圧のいずれかを印加する。

本発明に係る電圧制御回路によれば、電極に対する電圧印加方向を切り替えることができる。

第１の実施の形態における光制御装置を空間光変調器ＳＬＭとして用いた場合のホログラム記録装置を示す図である。 図２（ａ）、（ｂ）は、第１の実施の形態に係る光制御装置を示す図である。 光制御装置の画素の動作状態を模式的に示す図である。 光制御装置に入射する光の波長λと反射率Ｒの関係を示す図である。 図４の光制御装置において、光変調膜の電極対に電圧を印加する電圧制御回路の構成を示す図である。 第１の実施の形態に係る電圧制御回路の動作を示す図である。 図７（ａ）、（ｂ）は、光変調膜の強誘電体ＰＬＺＴに対する印加電圧と分極量および光制御装置の反射率の関係を示す図である。 電圧制御回路の動作状態を示すタイムチャートである。 電圧制御回路の第１の変形例を示す図である。 電圧制御回路の第２の変形例を示す図である。 電圧制御回路の第３の変形例を示す図である。 電圧制御回路の第４の変形例を示す図である。 図２に示すマトリクス状に配置された画素に対応した設けられた電極対およびそれを駆動する電圧制御回路の構成を示す図である。

符号の説明

８ 光制御装置、 ３０ 基板、 ３２ 第１反射層、 ３４ 光変調膜、 ３６ 透明電極、 ３８ 配線、 ４０ 第２反射層、 ４２ 第１誘電体膜、 ４４ 第２誘電体膜、 ２０２ データ入力端子、 ２０４ モード制御端子、 ２０６ 第１出力端子、 ２０８ 第２出力端子、 ２１０ 制御部、 ２１２ 排他的論理和回路、 ２２０ 電圧印加部、 ３００ 電極対、 ３０２ 第１電極、 ３０４ 第２電極。

（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態に係る光制御装置の概要を説明する。この光制御装置は、たとえばホログラム記録再生装置における空間光変調器ＳＬＭとして使用される。
図１は、本実施の形態における光制御装置を空間光変調器ＳＬＭとして用いた場合のホログラム記録装置を示す図である。ホログラム記録装置７０は、光制御装置８と、制御部６０と、レーザ光源７２と、ビームエキスパンダ７４と、フーリエ変換レンズ７６と、記録媒体７８とを含む。

ホログラム記録装置７０において、レーザ光源７２から発せられたレーザ光は、図示しないビームスプリッタで２つの光に分割される。このうち一方の光は、参照光として用いられ、記録媒体７８内に導かれる。もう一方の光は、ビームエキスパンダ７４でビーム径が拡大され、平行光として空間変調器ＳＬＭ（光制御装置８）に照射される。

光制御装置８は、マトリクス状に配置された画素を有し、各画素毎に反射率が変化するように構成されている。制御部６０は、制御信号ＣＮＴによって光制御装置８の各画素の反射率を制御する。空間変調器ＳＬＭに照射された光は、画素毎に異なる強度を有する信号光として空間変調器ＳＬＭから反射される。この信号光は、フーリエ変換レンズ７６を通過してフーリエ変換され、記録媒体７８内に集光される。記録媒体７８内において、ホログラムパターンを含む信号光と参照光の光路とが交差して光干渉パターンを形成する。光干渉パターン全体が屈折率の変化（屈折率格子）として記録媒体７８に記録される。

図２（ａ）は、本実施の形態に係る光制御装置８の平面図を示す。光制御装置８は、基板３０上に８行８列の２次元状に配列された複数の画素１０を備える。各画素１０は、２０μｍ×２０μｍ程度のサイズにて構成される。各画素１０には、図１の制御部６０から出力される制御信号ＣＮＴが入力される。
図２（ｂ）は、図２（ａ）に示す光制御装置のＡ−Ａ’線断面図を示す。光制御装置８は、基板３０、第１反射層３２、光変調膜３４、透明電極３６、配線３８、第２反射層４０を含む。

本実施の形態に係る光制御装置８は、基板３０上に形成される。この基板３０の材料としては、表面が平坦なガラス、シリコンなどを好適に用いることができる。
基板３０上には、第１反射層３２が形成される。第１反射層３２の材料としては、たとえばＰｔなどの金属材料を好適に用いることができる。第１反射層３２の厚みは、２００ｎｍ程度とする。本実施の形態において、第１反射層３２はＰｔで形成され、この第１反射層３２は、後述するように光変調膜３４に電界を印加する電極として機能する。
第１反射層３２をＰｔで形成した場合、第１反射層３２の反射率は６０％から８０％程度となる。

第１反射層３２の上面には光変調膜３４が設けられる。この光変調膜３４の材料としては、印加した電界に応じて屈折率が変化する固体の電気光学材料を選択する。このような電気光学材料としては、ＰＬＺＴ、ＰＺＴ、ＬｉＮｂＯ_３、ＧａＡ−ＭＱＷ、ＳＢＮ（（Ｓｒ，Ｂａ）Ｎｂ_２Ｏ_６）等を用いることができるが、特にＰＬＺＴが好適に用いられる。光変調膜３４の厚みｔは、入射光の入射角および波長に応じて決定され、たとえば入射光を６５０ｎｍ付近の赤色光とした場合、５００ｎｍから１５００ｎｍの範囲で形成するのが望ましい。後述のように、光変調膜３４に印加される電界は、厚み方向に印加されるため、膜厚が１５００ｎｍ以上であると、十分な屈折率変化を得るための電界を印加することが困難となる。また、膜厚が５００ｎｍ以下であると、十分な光学膜厚変化Δｎｔが得られない。

光変調膜３４の上面には、透明電極３６が設けられる。透明電極３６は、たとえば、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）、ＺｎＯ、ＩｒＯ_２などにより形成することができる。透明電極３６をＩＴＯやＺｎＯで形成した場合、その厚みは１００ｎｍ〜１５０ｎｍ程度とする。ＩｒＯ_２で形成する場合には、膜厚をより薄く、例えば５０ｎｍ程度とすることが望ましい。この透明電極３６は、抵抗値と透過率がトレードオフの関係となるため、その厚みは実験的に定めてもよい。
この透明電極３６は、画素１０ごとにマトリクス状に配置して形成される。

透明電極３６の上面には、第２反射層４０が形成される。この第２反射層４０は、誘電体多層膜によって形成され、屈折率の異なる第１誘電体膜４２、第２誘電体膜４４が交互に積層される。第１誘電体膜４２、第２誘電体膜４４の材料の組み合わせとしては、ＳｉＯ_２（ｎ＝１．４８）、Ｓｉ_３Ｎ_４（ｎ＝２．０）を用いることができる。

誘電体多層膜をシリコン酸化膜およびシリコン窒化膜で形成する場合、シリコン半導体集積回路の製造プロセスおよび製造装置をそのまま使用することができる。
誘電体多層膜は、プラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により形成することができる。ＳｉＯ_２膜は、ＴＥＯＳ、Ｏ_２雰囲気中で温度２００℃の条件で成長させ、Ｓｉ_３Ｎ_４膜は、ＳｉＨ_４、ＮＨ_３雰囲気中で温度２００℃の条件で好適に成長させることができる。
また、誘電体多層膜は、イオンビームスパッタ法により形成してもよい。

第１誘電体膜４２、第２誘電体膜４４のそれぞれの厚みｔ１、ｔ２は、光制御装置８に入射する光の波長の１／４となるように設計する。すなわち、光制御装置８に入射する光の波長をλ、誘電体膜の屈折率をｎとすると、各誘電体膜１層分の厚みｔは、ｔ＝λ／（ｎ×４）となるように調節する。

たとえば、光制御装置８に波長λ＝６３３ｎｍの赤色のレーザ光が用いられる場合には、第１誘電体膜４２の厚みｔ１は、その材料としてＳｉＯ_２（ｎ＝１．４８）とした場合、ｔ１＝６３３／（４×１．４８）＝１０６ｎｍ程度とする。また、第２誘電体膜４４の厚みｔ２は、材料としてＳｉ_３Ｎ_４（ｎ＝２．０）を用いた場合、ｔ２＝６３３／（４×２）＝７９ｎｍ程度とする。第２反射層４０を構成する誘電体膜の厚みｔ１、ｔ２は、必ずしも厳密にλ／４に設計されている必要はない。

誘電体膜の材料としてはシリコン窒化膜に替えて、ＴｉＯ_３（ｎ＝２．２）を用いてもよい。この場合、第２誘電体膜４４の厚みｔ２は、ｔ２＝６３３／（４×２．２）＝７２ｎｍ程度とする。

図２（ｂ）において、光変調膜３４から第２反射層４０に入射する光の反射率Ｒ２は、光変調膜３４から第１反射層３２に入射する光の反射率Ｒ１と等しくなるように設計する。反射率Ｒ１は、第１反射層３２に用いる金属材料によって定まり、Ｐｔを選択する場合、６０〜８０％となる。
従ってこのとき、反射率Ｒ２も６０〜８０％となるように設計する。第２反射層４０の反射率Ｒ２は、第１誘電体膜４２、第２誘電体膜４４の材料および厚みによって調節することができる。本実施の形態においては、図２に示すように、第２反射層４０は、第１誘電体膜４２および第２誘電体膜４４をそれぞれ３層づつ交互に積層している。第２反射層４０において、第１誘電体膜４２、第２誘電体膜４４を積層する順番は逆であってもよい。また、反射率Ｒ２を微調節するために、第３の誘電体膜をさらに積層してもよい。

第２反射層４０は開口されており、ビアおよび配線３８を介して透明電極３６が外部に引き出されている。配線３８の材料としてはＡｌなどが好適に用いられる。
配線３８の上面には、さらに保護膜を形成してもよい。

本実施の形態においては、透明電極３６と第１反射層３２とが電極対を形成する。第１反射層３２と各画素の透明電極３６の電位は制御信号ＣＮＴによって制御される。この制御信号ＣＮＴは後述のデータ電圧ＤＡＴＡおよびモード制御信号ＭＯＤＥに相当する電圧である。

以上のように構成された光制御装置８の動作について説明する。
図３は、光制御装置８の１画素の動作状態を模式的に示す。同図において、図２と同一の構成要素には同一の符号を付している。また、簡略化のため、透明電極３６などの構成要素は省略している。
光制御装置８の上方から、強度Ｉｉｎのレーザ光が入射される。光制御装置８の第１反射層３２、光変調膜３４、第２反射層４０は、ファブリーペロー型の共振器を構成し、入射された光の一部が閉じこめられ、その一部が反射される。入射するレーザ光の強度をＩｉｎとし、光制御装置８によって反射されるレーザ光の強度をＩｏｕｔとするとき、光制御装置８の反射率Ｒは、Ｒ＝Ｉｏｕｔ／Ｉｉｎで定義される。
図４は、光制御装置８に入射する光の波長λと反射率Ｒの関係を示す。

第１反射層３２、光変調膜３４、第２反射層４０により構成されるファブリーペロー型の共振器は、λｍ＝２ｎｔｃｏｓθ／ｍの共振波長を有する。ここで、ｍは次数、ｎは光変調膜３４の屈折率、ｔは光変調膜３４の厚み、θは、レーザ光の入射角を表す。図４に示すように、光制御装置８の反射率Ｒは、共振波長λｍにおいて最小値をとる。

上述のように、光変調膜３４の屈折率ｎは、電極対に印加される電界に依存する。いま、第１反射層３２を接地電位とし、図示しない透明電極３６に制御電圧Ｖｃｎｔを印加すると、光変調膜３４には、厚み方向に電界Ｅ＝Ｖｃｎｔ／ｔが印加される。光変調膜３４の屈折率ｎの変化量Δｎと、印加される電界Ｅとの間には、Δｎ＝１／２×ｎ^３×Ｒ×Ｅ^２の関係が成り立つ。ここでＲは電気光学定数（カー定数）である。

図４の（Ｉ）は、制御電圧Ｖｃｎｔを印加しないときの反射特性を示す。
いま、各画素１０の透明電極３６に制御電圧Ｖｃｎｔとして電圧Ｖ１を印加すると、光変調膜３４の屈折率が変化し、共振器の共振波長がλｍ１からλｍ２にシフトする。このときの反射特性を図４に（ＩＩ）で示す。
光制御装置８に入射するレーザ光の波長をλｍ１とした場合、制御電圧Ｖｃｎｔを接地電位からある電圧値Ｖ１に変化させると、共振波長がシフトすることにより、光制御装置８の反射率はＲｍ１からＲｍ２に変化する。

ここで、電圧を印加しない場合の反射率Ｒｏｎと、電圧を印加した場合の反射率Ｒｏｆｆの比をオンオフ比と定義する。入射光の強度Ｉｉｎが一定のとき、反射光の強度Ｉｏｕｔは、反射率に比例することになる。したがって、オンオフ比が大きい方が反射光の強度Ｉｏｕｔをより精度良く制御できることを意味する。
共振波長λｍにおける光制御装置８の反射率Ｒは、第１反射層３２での反射率Ｒ１および第２反射層４０での反射率Ｒ２が近い程低くなる。したがって、上述のように、第２反射層４０の誘電体多層膜の層数、材料を調節し、第１反射層３２での反射率Ｒ１と第２反射層４０での反射率Ｒ２を等しく設計することにより、オフ時の反射率Ｒ１を低く設定し、オンオフ比を高くとることができる。

このように、本実施の形態に係る光制御装置８においては、光変調膜３４に印加する電界を変化させることにより、反射率を変化させ、反射光Ｉｏｕｔの強度を制御する光スイッチ素子を実現することができる。また、光変調膜３４の屈折率を変化させることにより、反射光の位相も制御することができるため、ホログラム記録装置などに好適に用いることができる。
この光制御装置８は反射型の構成となっているため、入射光Ｉｉｎを基板３０を透過させる必要がない。その結果、従来の透過型の光制御装置に比べて、光の利用効率を向上することができる。

また、光変調膜３４に電界を印加するための上部電極として透明電極３６を用いることにより、開口率を向上することができ、また回折を最小限に抑えることができるため、光の利用効率が向上する。光の利用効率の向上は、入射するレーザ光の強度Ｉｉｎを低くするできることを意味し、消費電力の低減を図ることが可能となる。

さらに、本実施の形態に係る光制御装置８では、光変調膜３４の上層に透明電極３６を形成し、その上に第２反射層４０を形成している。その結果、第２反射層４０の上層に透明電極３６を形成した場合に比べて、上部電極と下部電極間の距離を短くすることができるため、光変調膜３４に印加される電界Ｅを高くすることができる。これは、別の観点からは、同一の電界を印加するために電極間に印加すべき電圧を低くできることを意味し、これにより光制御装置８を低電圧動作させることが可能となる。

また、本実施の形態に係る光制御装置８では、反射率Ｒを制御することによって反射光の強度Ｉｏｕｔを変化させるため、偏向板や検光子を必要とせず、光の利用効率が高いという利点を有する。

図５は、図４の光制御装置８において、光変調膜３４の電極対３００に電圧を印加する電圧制御回路２００の構成を示す。光変調膜３４は、下面電極である第１電極３０２および上面電極である第２電極３０４に挟まれている。第１電極３０２、第２電極３０４は、それぞれ図２の第１反射層３２、透明電極３６に相当する。
この電圧制御回路２００は、各画素ごとに設けられている。

電圧制御回路２００は、入出力端子として、データ入力端子２０２、モード制御端子２０４、第１出力端子２０６、第２出力端子２０８を備える。
データ入力端子２０２には、電極対３００に印加すべき電圧を指示するデータ電圧ＤＡＴＡが入力される。このデータ電圧ＤＡＴＡは、ハイレベルＶＨまたはローレベルＶＬの２値をとる信号である。
モード制御端子２０４には、モード制御電圧ＭＯＤＥが入力される。モード制御電圧ＭＯＤＥは、本電圧制御回路２００の動作モードを切り替える信号であり、ハイレベルＶＨのとき通常モード、ローレベルＶＬのとき反転モードとなる。

第１出力端子２０６は、第１電極３０２に印加する電圧を出力する。第２出力端子２０８は、第２電極３０４に印加する電圧を出力する。第１電極３０２、第２電極３０４に印加される電圧をそれぞれ電圧Ｖｘ１、Ｖｘ２とする。

本実施の形態に係る電圧制御回路２００は、通常モードと反転モードの２つの動作モードが切り替えられる。通常モードにおいては、Ｖｘ１≧Ｖｘ２の範囲で電圧を印加し、反転モードにおいては、Ｖｘ１≦Ｖｘ２の範囲で電圧を印加する。
制御部２１０は、本電圧制御回路２００のモード制御電圧ＭＯＤＥにより指示される動作モードに応じて、電極対３００に印加する電圧を切り替える。
電圧印加部２２０は、制御部２１０の指示にもとづき、第１電極３０２、第２電極３０４それぞれに、ハイレベルＶＨまたはローレベルＶＬを印加する。

制御部２１０は、排他的論理和回路２１２を含む。この排他的論理和回路２１２には、モード制御電圧ＭＯＤＥと、データ電圧ＤＡＴＡとが入力される。排他的論理和回路２１２の出力は、２つの入力信号の排他的論理和を出力する。
電圧印加部２２０は、モード制御電圧ＭＯＤＥを第１出力端子２０６を介して第１電極３０２に印加する。また、排他的論理和回路２１２から出力される電圧を第２出力端子２０８を介して第２電極３０４に印加する。

以上のように構成された電圧制御回路２００の動作について説明する。
図６は、本実施の形態に係る電圧制御回路２００の動作を示す図である。
モード制御電圧ＭＯＤＥがハイレベルＶＨのとき、通常モードとなる。このモード制御電圧ＭＯＤＥは、電圧印加部２２０により第１電極３０２にそのまま印加され、電圧Ｖｘ１＝ＶＨとなる。モード制御電圧ＭＯＤＥは、電極対３００に電圧を印加する期間、一定値をとり、第１電極３０２の電位はハイレベルで固定される。

この状態において、データ電圧ＤＡＴＡとしてローレベルＶＬが入力されると、排他的論理和回路２１２の出力はハイレベルＶＨとなる。逆にデータ電圧ＤＡＴＡとしてハイレベルＶＨが入力されると、排他的論理和回路２１２の出力はローレベルＶＬとなる。
このように電圧制御回路２００は、通常モードにおいて、第１電極３０２に第１電圧であるハイレベルＶＨを固定的に印加する。また、第２電極３０４に、ハイレベルＶＨまたはローレベルＶＬのデータ電圧ＤＡＴＡを反転して印加する。

モード制御電圧ＭＯＤＥがローレベルＶＬのとき、反転モードとなる。このモード制御電圧ＭＯＤＥは、電圧印加部２２０により第１電極３０２にそのまま印加され、電圧Ｖｘ１＝ＶＬとなる。モード制御電圧ＭＯＤＥは、電極対３００に電圧を印加する期間、一定値をとり、第１電極３０２の電位はローレベルＶＬで固定される。

この状態において、データ電圧ＤＡＴＡとしてローレベルＶＬが入力されると、排他的論理和回路２１２の出力はローレベルＶＬとなる。逆にデータ電圧ＤＡＴＡとしてハイレベルＶＨが入力されると、排他的論理和回路２１２の出力はハイレベルＶＨとなる。
このように電圧制御回路２００は、反転モードにおいて、第１電極３０２に第１電圧であるローレベルＶＬを固定的に印加する。また、第２電極３０４に、ハイレベルＶＨまたはローレベルＶＬのデータ電圧ＤＡＴＡをそのまま印加する。

電極対３００に印加される電極間電圧をΔＶｘ＝Ｖｘ１−Ｖｘ２で定義する。
本実施の形態に係る電圧制御回路２００では、通常モードにおいては、電極間電圧ΔＶｘは０または（ＶＨ−ＶＬ）の電圧が印加される。ここで、ＶＨ＞ＶＬであるため、光変調膜３４には、０Ｖまたは、正の電圧（ＶＨ−ＶＬ）が印加されることになる。
逆に反転モードにおいては、電極間電圧ΔＶｘには、０Ｖまたは（ＶＬ−ＶＨ）の電圧が印加される。ＶＨ＞ＶＬであるため、光変調膜３４には、０Ｖまたは負の電圧が印加されることになる。

ここで、本実施の形態に係る電圧制御回路２００の効果をより明らかにするために、強誘電体である光変調膜３４に発生するインプリント現象について説明する。
図７（ａ）、（ｂ）は、空間光変調器ＳＬＭ１０８における、光変調膜３４の強誘電体ＰＬＺＴに対する印加電圧と分極量、反射率の関係を示す図である。図７（ａ）は、分極量と印加電圧の関係を示しており、初期状態においては（Ｉ）で示す特性を有している。いま、この光変調膜３４に同一方向の電界を印加し続けると分極がメモリされ、（ＩＩ）で示す特性にシフトするインプリント現象が発生する。図７（ｂ）は、空間光変調器ＳＬＭ１０８の反射率と印加電圧の関係を示している。光変調膜３４を、印加した電界の２乗に比例して屈折率が変化するＰＬＺＴで形成した場合、空間光変調器ＳＬＭ１０８の反射率は、（Ｉ）で示す初期状態において、電圧の印加方向を逆にしても等しい反射率が得られる。図７（ａ）に示すインプリント現象により分極量のシフトが生ずると、同一の電圧を印加したときの空間光変調器ＳＬＭ１０８の反射率が変化してしまうため、変調精度が悪化する。

図８は、電圧制御回路２００の動作状態を示すタイムチャートである。データ電圧ＤＡＴＡは、説明のためハイレベルＶＨとローレベルＶＬを繰り返す信号となっているが、実際には、データに応じて変化する信号である。
時刻Ｔ０〜Ｔ１はモード制御電圧ＭＯＤＥがローレベルＶＬとなり、反転モードとして動作する。この間、第２電極３０４の電圧Ｖｘ２は、データ電圧ＤＡＴＡを反転した電圧となる。その結果、電極対３００に印加される電圧ΔＶｘ＝Ｖｘ１−Ｖｘ２は、０Ｖまたは負の電圧となる。
時刻Ｔ１〜Ｔ２は、モード制御電圧ＭＯＤＥがハイレベルＶＨとなり、通常モードとして動作する。この間、第２電極３０４の電圧Ｖｘ２は、データ電圧ＤＡＴＡと等しくなる。

このように、本実施の形態に係る電圧制御回路２００では、通常モードと反転モードを適宜切り替えることにより、通常モードにおいては、光変調膜３４に図７（ｂ）にＮＯＲＭで示す電圧範囲で電圧が印加され、反転モードにおいては、ＩＮＶで示す電圧範囲で電圧が印加される。通常モードと反転モードを切り替えることにより、光変調膜３４に印加される電界方向が逆向きとなるため、インプリント現象が発生するのを抑制することができる。図８では、４データごとに通常モードと反転モードを切り替えているが、毎データごと、あるいは他の周期で切り替えてもよい。

電圧制御回路２００の構成は、図５に示す電圧制御回路２００を基本回路として様々な変形例が考えられる。以下、こうした変形例について説明する。

（変形例１）
図９は、電圧制御回路２００の第１の変形例を示す図である。以降の図において、図５と同一もしくは同等の構成要素には同一の符号を付し、適宜説明を省略する。
電圧印加部２２０は、第１電極３０２および第２電極３０４に電圧を印加する経路上にそれぞれ第１インバータ回路ＩＮＶ１、第２インバータ回路ＩＮＶ２を備える。これらの第１、第２インバータ回路は、バッファ回路として設けられ、電極対により形成されるキャパシタに対する充放電電流の能力を向上するために設けられる。

第１インバータ回路ＩＮＶ１および第２インバータ回路ＩＮＶ２は、いずれもＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｔｕｃｔｏｒ）トランジスタにより構成されている。トランジスタＭ１のソース端子には、電源電圧Ｖｄｄが印加され、トランジスタＭ２のソース端子は接地されている。
本変形例に係る電圧制御回路２００では、第１出力端子２０６、第２出力端子２０８からは、第１インバータ回路ＩＮＶ１および第２インバータ回路ＩＮＶ２によって、図５に示す電圧制御回路２００と反転した電圧が出力される。
また、第１電極３０２、第２電極３０４に印加される電圧は、インバータ回路の出力電圧、すなわち電源電圧Ｖｄｄまたは接地電圧ＧＮＤのいずれかとなる。

本変形例によれば、電極対３００に対する電流供給能力が向上するため、空間光変調器ＳＬＭ１０８の応答速度を速めることができる。また、データ電圧ＤＡＴＡおよびモード制御電圧ＭＯＤＥの電圧であるＶＨまたはＶＬが変動した場合においても、電極対３００に印加される電圧は、電源電圧Ｖｄｄまたは接地電圧ＧＮＤのいずれかとなるため、光制御装置８を安定に制御することができる。
さらに、論理反転を行わない場合、第１インバータ回路ＩＮＶ１および第２インバータ回路ＩＮＶ２をそれぞれ２段直列に接続したバッファ回路を構成してもよい。

（変形例２）
図１０は、電圧制御回路２００の第２の変形例を示す。この電圧制御回路２００は、図９のインバータ回路ＩＮＶ１、ＩＮＶ２に代えて、演算増幅器ＡＭＰ１、ＡＭＰ２を備える。演算増幅器ＡＭＰ１、ＡＭＰ２は、いずれも反転入力端子と出力端子が接続されたボルテージフォロア回路を構成する。ボルテージフォロア回路を用いることにより、本変形例に係る電圧制御回路２００は、図５の電圧制御回路２００と同じ電圧を出力することができる。
この演算増幅器ＡＭＰ１、ＡＭＰ２は、バッファ回路として機能し、電極対３００に対する電流供給能力を向上することができ、空間光変調器ＳＬＭ１０８の応答速度を速めることができる。

図１０では、バッファ回路を、演算増幅器の出力端子と反転入力端子を短絡する全帰還型のボルテージフォロア回路としているが、帰還抵抗により定まる利得を有する非反転増幅器、あるいは反転増幅器としてもよい。

（変形例３）
図１１は、電圧制御回路２００の第３の変形例を示す。この電圧制御回路２００は、図８または図９においてインバータ回路または演算増幅器により構成されるバッファ回路ＢＵＦ１、ＢＵＦ２に加えて、第１電極３０２および第２電極３０４に電圧を印加する経路上にそれぞれ第１スイッチＳＷ１、第２スイッチＳＷ２を備える。
各スイッチＳＷ１、ＳＷ２は、いずれもＮ型ＭＯＳトランジスタＭ３とＰ型ＭＯＳトランジスタＭ４により構成されており、ゲート端子に印加される書込指示信号ＷＲＴによってオンオフが制御される。

本変形例においては、光変調膜３４にデータを書き込む期間のみ、第１スイッチＳＷ１、第２スイッチＳＷ２をオンし、その他の期間は第１スイッチＳＷ１、第２スイッチＳＷ２をオフする。
その結果、本変形例によれば、データ書込期間のみ電極対３００に電圧を印加し、その他の期間においては電圧印加を停止することができるため、正確なデータ書込が実現できるとともに、電圧印加時間を短縮することにより、インプリント現象の発生をより好適に抑制することができる。
第１電極３０２には所定の期間、一定値をとるモード制御信号ＭＯＤＥが印加されるため、第１スイッチＳＷ２は常時オンとし、あるいは外してもよい。

（変形例４）
図１２は、電圧制御回路２００の第４の変形例を示す。この電圧制御回路２００において、電圧印加部２２０は、第１電極３０２および第２電極３０４に電圧を印加する経路上にそれぞれ第１論理演算素子としてＮＡＮＤ１、第２論理演算素子としてＮＡＮＤ２が設けられている。
第１論理演算素子ＮＡＮＤ１の第１の入力には第１電極３０２に印加すべき電圧が入力され、第２の入力にはデータの書込を指示する書込指示信号ＷＲＴが入力される。
第２論理演算素子ＮＡＮＤ２の第１の入力には第２電極３０４に印加すべき電圧として制御部２１０の出力電圧が入力され、第２の入力には書込指示信号ＷＲＴが入力される。

本変形例に係る電圧制御回路２００においては、書込指示信号ＷＲＴがハイレベルの期間、第１電極３０２にハイレベルＶＨまたはローレベルＶＬの電圧が印加され、書込指示信号ＷＲＴがローレベルの書込禁止期間中、第１電極３０２の電位はハイレベルＶＨに固定される。
同様に、第２電極３０４にも、書込指示信号ＷＲＴがハイレベルの期間、第１電極３０２にハイレベルＶＨまたはローレベルＶＬの電圧が印加され、書込指示信号ＷＲＴがローレベルＶＬの書込禁止期間中、第２電極３０４の電位はハイレベルＶＨに固定される。

図８のようにスイッチを用いた場合では、スイッチがオフの期間に、電極に印加される電圧が不定となるが、本変形例によれば、書込指示信号ＷＲＴがローレベルの期間、第１電極３０２、第２電極３０４がいずれもハイレベルＶＨに固定されるため、より安定な回路動作を実現できる。

本変形例のさらなる変形として、ＮＡＮＤ回路に代えて、ＮＯＲ回路、ＡＮＤ回路、ＯＲ回路などを用いてもよい。これらの選択は、書込指示信号ＷＲＴによる書込指示をハイレベル、ローレベルのいずれに対応させるかや、書込禁止期間において、第１電極３０２、第２電極３０４の電位をハイレベル、ローレベルのいずれで固定するかに応じて決めればよい。

第３、または第４の変形例に示したように、電圧印加部２２０にスイッチまたは論理演算素子を設け、書込期間の制御を行うことにより、マトリクス状に配置された複数の電極対のうち、複数を１つの電圧制御回路２００で制御することができる。これについては後述する。

（第２の実施の形態）
図２の光制御装置８においては、複数の画素１０がマトリクス状に配置されており、各画素１０ごとに電極対を有するため、画素毎に反射率を制御することができ、空間光変調器ＳＬＭとして用いられる。そのため、各画素１０に対応した電極対ごとに印加電圧を制御する必要がある。第１の実施の形態では、各電極対ごとに電圧制御回路２００が設けられる場合について説明した。
本発明の第２の実施の形態は、マトリクス状に配置された複数の電極対３００に、走査信号およびデータ信号にもとづいて電圧を印加する電圧制御回路２００である。

図１３は、光制御装置８の構成を示す図であり、図２に示すマトリクス状に配置された画素１０に対応した設けられた電極対３００およびそれを駆動する電圧制御回路２００の構成を示す図である。
各電圧制御回路２００については、第１の実施の形態で説明した電圧制御回路２００が用いられる。
電圧制御回路２００は、マトリクスの行ごとに設けられており、同一の行上に配置される電極対３００には、同一の電圧制御回路２００から出力される電圧が印加される。本実施の形態における行、列は便宜的に決められたものであり、行と列は入れ替わってもよい。
各電圧制御回路２００の第１出力端子２０６、第２出力端子２０８には、第１データライン５０６、第２データライン５０８が接続されている。

同一の行上に配置された電極対３００は、それぞれに設けられたスイッチＳＷ１、ＳＷ２を介して共通のデータライン５０６、５０８に接続される。マトリクスの各列には、スキャンライン６００が設けられており、このスキャンライン６００に印加される走査信号ＳＣＡＮによって各スイッチＳＷ１、ＳＷ２のオンオフが制御される。

以上のように構成された光制御装置８の動作について説明する。
走査信号ＳＣＡＮ１、ＳＣＡＮ２と順にハイレベルとなり、スキャンライン６００が左から右に向かって順に選択されていく。選択されたスキャンライン上のスイッチＳＷ１、ＳＷ２は順次オンしていく。
この走査信号ＳＣＡＮは、第１の実施の形態における書込信号ＷＲＴに対応する。書込指示信号ＷＲＴにより書込が指示され、スイッチＳＷ１、ＳＷ２がオンすると、その列上の電極対には電圧制御回路２００から出力される電圧が印加される。このとき、その他の列上のスイッチＳＷ１、ＳＷ２はオフ状態となる。

このように、本実施の形態に係る光制御装置８によればスイッチＳＷ１、ＳＷ２により電極対３００に対する電圧の印加のオンオフを制御することにより、マトリクス状に配置された画素に対応する電極対にそれぞれデータを書き込むことができる。
また、一定周期でモード制御電圧ＭＯＤＥを切り替えることにより、インプリント現象の発生を好適に抑制することができる。

本実施の形態の変形例としては、各電極対毎に設けられたスイッチＳＷ１、ＳＷ２を、図１２に示すＮＡＮＤ回路をはじめとする論理演算回路に置換してもよい。
また、第１スイッチＳＷ１は必ずしも必要ではなく、単に配線としてもよい。スイッチＳＷ２がオフすることにより、電極対３００の第２電極３０４への電圧印加が停止するため、マトリクス状に配置された各画素に適切にデータを書き込むことができる。

以上、本発明を実施の形態に基づいて説明した。この実施の形態はあくまで例示であり、種々の変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

実施の形態では、上部電極となる透明電極３６および下部電極となる第１反射層３２により電極対を形成する場合について説明したが、これには限定されず、たとえば、光変調膜３４に電界を印加するための電極対は光変調膜３４の上面に櫛形電極として形成してよい。このとき、電界は光変調膜３４に対して横方向に印加される。この場合においても、櫛形電極は、ＩＴＯなどで形成された透明電極とすることが望ましい。
こうした櫛形電極に対しても電圧制御回路２００により電圧の印加方向を切り替えることにより、インプリント現象の発生を低減することができ、光制御装置８の変調精度の劣化を防止することができる。

実施の形態に係る光制御装置８によれば、反射型の変調器を構成するため、基板３０として、不透明な材料を用いることができる。たとえば、基板３０としてシリコンを用いた場合、シリコン内にトランジスタ素子などを形成することができるため、画素毎に制御電圧Ｖｃｎｔの制御手段を設けるアクティブマトリクス駆動を行うこともできる。

実施の形態では、データ電圧ＤＡＴＡは、ハイレベルＶＨまたはローレベルＶＬの２値をとる場合について説明したがこれには限定されず、より多階調のデジタルデータであってもよいし、連続的に変化するアナログ値であってもよい。

実施の形態では、透明電極３６の上層に第２反射層４０を形成したが、これは逆であってもよい。この場合、第２反射層４０の上層に透明電極３６を形成することになるため、第２反射層４０をより平坦化することができる。

第２反射層４０は、金属薄膜で形成されるハーフミラーとしてもよい。この場合、誘電体多層膜を形成する場合に比べて製造工程を簡易化することができる。

実施の形態では、光制御装置８をホログラム記録装置７０の光空間変調器として用いる場合について説明したがこれには限定されず、表示装置、光通信用スイッチ、光通信用変調器、光演算装置、および暗号化回路等にも使用することができる。

実施の形態では、光変調膜３４として電気光学材料を用い、光変調膜３４に電界を印加する電極対を備える場合について説明した。本発明は、光変調膜３４に磁気光学材料を用いた場合にも用いることができ、この場合、電界を印加する電極対を磁界を印加するための磁界印加手段に置換すればよい。

本発明に係る電圧制御回路は、光制御装置などに利用することができる。

Claims (18)

1. 第１電圧または第２電圧の２値をとるデータ電圧を受け、第１、第２電極を含む電極対に前記データ電圧に応じた電圧を印加する電圧制御回路であって、
   本回路の動作モードに応じて、前記電極対に印加する電圧の向きを切り替える制御部と、
   前記制御部の指示にもとづき、前記第１、第２電極それぞれに、第１電圧または前記第１電圧より低く設定される第２電圧を印加する電圧印加部と、を備え、
   前記電圧印加部は、
   通常モードにおいて、前記第１電極に前記第１電圧を固定的に印加し、前記第２電極に前記データ電圧を印加する一方、
   反転モードにおいて、前記第１電極に前記第２電圧を固定的に印加し、前記第２電極に前記データ電圧を反転して印加することを特徴とする電圧制御回路。
2. 電圧の印加対象となる電極対は、強誘電体に電界を印加するための電極対であることを特徴とする請求項１に記載の電圧制御回路。
3. 前記制御部は、所定の周期で前記通常モードと前記反転モードを切り替えることを特徴とする請求項１に記載の電圧制御回路。
4. 前記制御部は、
   前記通常モードと前記反転モードを切り替えるモード制御電圧と、前記電極対に印加すべき電圧を指示するデータ電圧とが入力された排他的論理和回路を備え、
   前記電圧印加部は、前記モード制御電圧を前記第１電極に印加するとともに、前記排他的論理和回路から出力される電圧を前記第２電極に印加することを特徴とする請求項１に記載の電圧制御回路。
5. 前記電圧印加部は、
   前記第１電極および第２電極に電圧を印加する経路上にそれぞれ第１、第２バッファ回路を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の電圧制御回路。
6. 前記第１、第２バッファ回路は、それぞれインバータ回路を含むことを特徴とする請求項５に記載の電圧制御回路。
7. 前記第１、第２バッファ回路は、演算増幅器を含む帰還増幅器であることを特徴とする請求項５に記載の電圧制御回路。
8. 前記電圧印加部は、
   前記第１電極および第２電極に電圧を印加する経路上にそれぞれ、電圧の印加をオンオフする第１、第２スイッチを備えることを特徴とする請求項１または２に記載の電圧制御回路。
9. 前記電圧印加部は、
   前記第１電極および第２電極に電圧を印加する経路上にそれぞれ第１、第２論理演算素子を備え、
   前記第１論理演算素子の第１の入力には前記第１電極に印加すべき電圧が入力され、第２の入力には電圧の印加を指示する指示信号が入力され、
   前記第２論理演算素子の第１の入力には前記第２電極に印加すべき電圧が入力され、第２の入力には前記指示信号が入力されることを特徴とする請求項１または２に記載の電圧制御回路。
10. 前記第２電圧は接地電圧であることを特徴とする請求項１に記載の制御回路。
11. 基板と、
    前記基板上に設けられた第１の反射層と、
    前記第１の反射層上に設けられ、印加した電界により屈折率が制御可能な強誘電体で形成される光変調膜と、
    前記光変調膜に電界を印加するための第１、第２電極を含む電極対と、
    前記電極対に電圧を印加する請求項１から４のいずれかに記載の電圧制御回路と、
    を備えることを特徴とする光制御装置。
12. 前記光変調膜は、印加した電界の２乗に比例して屈折率が変化する電気光学材料であることを特徴とする請求項１１に記載の光制御装置。
13. 前記電気光学材料は、チタン酸ジルコン酸鉛またはチタン酸ジルコン酸ランタン鉛であることを特徴とする請求項１２に記載の光制御装置。
14. 前記光変調膜の上面に透明電極をさらに備え、
    当該透明電極と前記第１の反射層とが、前記電極対を形成することを特徴とする請求項１３に記載の光制御装置。
15. 前記電極対は、マトリクス状に複数配置され、
    前記電圧制御回路は、各電極対ごとに複数設けられることを特徴とする請求項１１に記載の光制御装置。
16. 前記電極対は、マトリクス状に複数配置され、
    前記電圧制御回路は、マトリクスの各行ごとに設けられており、
    それぞれの電極対は、電極対ごとに設けられたスイッチを介して当該電極対と同一の行に設けられた前記電圧制御回路に接続されることを特徴とする請求項１１に記載の光制御装置。
17. 第１電圧または前記第１電圧より低く設定される第２電圧の２値をとるデータ電圧にもとづき、第１、第２電極を含む電極対に印加する電圧を制御する電圧制御方法であって、
    通常モードにおいて、前記第１電極に第１電圧を固定的に印加し、前記第２電極に前記データ電圧を印加する一方、
    反転モードにおいて、前記第１電極に前記第２電圧を固定的に印加し、前記第２電極に、前記データ電圧を反転して印加することを特徴とする電圧制御方法。
18. 前記本回路の動作モードを指示する信号を前記制御部に入力するための制御端子をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の電圧制御回路。

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