JPH03220520A

JPH03220520A - 空間光変調器

Info

Publication number: JPH03220520A
Application number: JP2015113A
Authority: JP
Inventors: Katsuhiko Hirabayashi; 克彦平林; Kenichi Ono; 小野　堅一
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1990-01-26
Filing date: 1990-01-26
Publication date: 1991-09-27

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は高解像度・高速応答性・高コントラストを有し
、入射角度依存性が少なく、光の透過率が８０％以上の
空間光変調器に関するものである。

（従来の技術）電気による演算速度が１０　Ｇｂｉｔ／ｓｅｃのレベル
で限界に達し、１００〜１０００　Ｇｂｉｔ／ｓｅｃの
速度で演算を行うには、光による情報処理が不可欠と言
われている。そのキーデバイスとなる光スィッチ、空間
光変調器、光双安定素子などの研究が盛んとなっている
。特に２次元の光で人力した光情報を２次元で一度に処
理できる空間光変調素子はその中心的デバイスである。

空間光変調器とは、入力した光の振幅または位相を空間
的に実時間に変調する光学素子であり、図形やデータパ
ターンのような２次元情報を空間的に表示し、処理する
素子である。

空間光変調器は大きく分けると、電気入力形のものと光
入力形のものとの２種類ある。

まず電気人力形のものについて説明する。大きな電気光
学効果を有する結晶（ＰＬＺＴ、液晶）の両側にマトリ
クス透明電極を設け、行と列から入力信号電圧を印加し
て、その−故点に電圧を印加する。電気光学結晶はこの
電界によって直線偏光を楕円偏光に変換するので、両側
に互いに直行する偏光子を前後に置くと、２次元で入力
した光の強度変調した２次元の光が出射側で得られる。

光入力形のものの動作原理は種々あるが、共通するのは
、■２次元入カバターンに応じた電圧分布を素子上に作
る、■その電圧パターンに応じて、素子上に何等かの光
学的変化をもたらす、ことである。■の過程には材料自
体の持つ光伝導性（ＢＳＯの場合）を利用するか、光伝
導膜を付加する（液晶、サーモプラスチックの場合）。

また■の光学的変化については電気光学効果（ポッケル
ス効果等）を利用する。代表的なものにはＢＳＯ空間光
変調器、液晶とアモルファス５ｉ（ａ−３ｉ）とを組み
合わせた空間光変調器がある。その他、種々の空間光変
調器があるが、これまで開発された空間光変調器は以下
の欠点があった。

■　ボーライザ・アナライザ（偏光子）が必要であり、
このため空間光変調器を通ると光の強度が半分以下に減
衰してしまう。

■　応答速度が遅い。（特に液晶は数ｍ５ｅｃ以上遅い
） ■　ＢＳＯ，ＬＮバルク単結晶を用いた空間光変調器は
印加電圧が高い。（数１０００　Ｖの電圧が必要）■　
解像度が低い。（最高で１００本／ｍｍ程度）のは電気
光学効果を利用する限り、避けられない問題である。■
は液晶の材質の改善を図ることにより最近改善されつつ
ある。■は電気光学常数の画期的に大きな材料を開発し
なければ、解決できない。■は素子の膜厚に大きく依存
し、解像度はその膜厚とほぼ等しい。

これらの問題を解決するため、電気光学効果を用いず、
電界印加による半導体の吸収係数の変化（フランツケル
デイツシュ効果）を利用した空間光変調器も研究されて
いる。ＢａｂｏｎａｓらはＣｄＴｅ多結晶薄膜に電界を
印加してその吸収端をシフトさせ、光の変調を行うこと
を検討した。（Ｓｏｖ、　Ｊ。

Ｏｐｔ、　Ｔｅｃｈｎｏｌ、　３７　（１９７０）　４
０１）ガラス基板上のＣｄＴｅａ膜（０，５〜２．０μ
ｍ）に二つの電極を形威し、その間に電界（Ｉ　Ｘ　１
０’Ｖ／　ｃｍ）を印加し、バンド付近の光（７６０ｎ
ｍ）の変調効果を調べた結果、約２０％の変調ができる
ことを報告している。また本枠はＺｎＺｅバルク多結晶
に電界（５Ｘ１０’Ｖ／ｃｍ）を印加し、Ａｒレーザの
４７６．５　ｎｍの光を入射して、５０％の変調ができ
ると報告している（　Ｊｐｎ、　Ｊ。

Ａｐｐｌ、　Ｐｈｙｓ、、　１６（１９７７）　５９１
）。しかしこれらの素子では高電界を印加すると絶縁破
壊が生じるので、電界を十分高く印加できず、変調率は
低いという問題があった。

（発明が解決しようとする課題）本発明は、光の強度の減衰が少なく、かつ応答速度が速
く、解像度が高く、印加電圧が低く、変調率が１００％
に近い空間光変調器を提供することにある。

（課題を解決するための手段）本発明の空間光変調器は、透明電極／絶縁層／ＺｎＳ、
　ＺｎＳｅに代表されるワイドギャップ多結晶層／絶縁
層／透明電極／ガラスの構造を有する。

すなわち本発明は、フランツケルデインシュ効果を利用
した電気および光書き込み形空間光変調器において、Ｚ
ｎＳ、　ＺｎＳｅ多結晶薄膜をＳ＋Ｏｚ、　ＴａｚＯｓ
＋Ｓｍｚ０３＋　　Ａ　Ｉ２２０＋＋　Ｓｉ：ｌＮ４　
　等の絶縁層で挟み、これらの薄膜に垂直に電界を印加
することにより、高電界（０，２〜２．ＯＭＶ／ｃｍ以
上）を絶縁破壊することなく安定にＺｎＳ、　ＺｎＳｅ
層に印加し、十分な変調を得られるようにする。

本発明でＺｎＳ、　ＺｎＳｅ、　Ｚｎ５ｘＳｅ＋−ｘ多
結晶薄膜に高電界（０，２〜２．ＯＭＶ／ｃｍ以上）が
安定に印加できることについて説明する。

材料の絶縁破壊電界は、その材料の持つイオン化エネル
ギーに大きく依存しており、イオン化エネルギーが大き
いほど絶縁耐圧が高い。イオン化エネルギーはその材料
の不純物がドーピングされていない限り、そのバンドギ
ャップエネルギーに依存し、バンドギャップエネルギー
が大きいほどイオン化エネルギーが大きい。すなわちバ
ンドギャップエネルギーが大きいほど絶縁耐圧が高い。

その意味でワイドギャップ半導体であるＺｎＳ、　Ｚｎ
Ｓｅの絶縁耐圧は高い。しかしＺｎＳ、　ＺｎＳｅ多結
晶薄膜はピンホールを持ち、直接電極を付けて高電圧を
印加すると、そこから本来の絶縁耐圧よりも小さい電界
で絶縁破壊してしまうという問題があった。

しかし本発明でＺｎＳ、　ＺｎＳｅ多結晶薄膜に、５ｉ
ＯｚＴａ２０ｓ、　ＳｍｚｏｌＡ　ｌ　ｚ０３．　Ｓｉ
３Ｎｍなどの絶縁層を、片側または両側に積層すると、
これらの電流の流れが止められ、またピンホールの問題
も解決され、安定に高電界（０，２〜２．ＯＭＶ／ｃｍ
）を印加できるようになることがわかった。ただし、高
電圧を安定に印加できる絶縁膜は限られたものであり、
以下の条件が必要であることがわかった。絶縁膜に要求
される条件としては、■ＺｎＳ、　ＺｎＳｅとの密着性
がよい。■ＺｎＳ、　ＺｎＳｅに有効に電界を印加する
ため、誘電率が高い、■たとえビンポールで絶縁破壊が
起きても、微少な部分で破壊が止まり、空間光変調器全
体に破壊が広がらない、等の条件がある。特にこれは上
側の絶縁層に要求される。本願の発明者らは種々の絶縁
材料を検討した結果、表１の絶縁層または絶縁層の組合
せが高電圧印加可能であることがわかった。

表１高電界印加可能な絶縁層の組合せこれらの絶縁膜を用いると、ＺｎＳｅで約Ｉ　ＭＶ／ｃ
＋ｎ、　ＺｎＳで２ＭＶ／ｃｍの高電界を大面積に印加
できることがわかった。また外部からの電圧をさらに高
くしても、ＺｎＳ、　ＺｎＳｅの電界がこれらの値に一
定に飽和し、絶縁膜にかかる電界が高くなるのみで、空
間光変調器は破壊しないという特異な現象を示すことが
わかった。空間光変調器の耐圧は絶縁膜の絶縁耐圧で決
り、絶縁膜に約５〜６ＭＶ／ｃｍの電界がかかると破壊
を始めた。ガラス基板上、大面積（対角２０ｃｍ以上）
の素子で、安定にＺｎＳ。

ＺｎＳｅ層に１〜２　ＭＶ　７ｃｍの高電界を印加可能
であることがわかった。以上のように高電界を大面積に
印加することが可能であるので、以下のようにフランツ
ケルデイツシュ効果を用いた空間光変調器を実現できた
。

（実施例）以下、本発明の実施例を図面を参照して詳細に説明する
。

裏嵐奥土第１図は、本発明の電気入力型の空間光変調器の一実施
例を示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は側面図であって、
ｌはガラス基板、２はＩｎｚＯ：＋（ＩＴＯ）透明電極
、３はＴａ、Ｏ３絶縁層、４はＺｎ５ｏ、ｏｓ　Ｓｅｏ
、ｑ５多結晶薄膜層、５はＳｉＯ□絶縁層、６は直流電
源、７は入射光、８は出力光である。入射光７にはＡｒ
レーザの４７６．５　ｎｍを用いた。透明電極２、絶縁
層３はスパッタ法により作製し、Ｚｎ５ｏ、。５Ｓｅｏ
、　ｑｓ多結晶薄膜層４はＥＢ蒸着法により作製した。

上下のＩＴＯ透明電極２はストライプ状にパターニング
され互いに直交する。ＩＴＯｉ３明電極２のピッチは１
００本／ｍｍである。ガラス基板１は２．５Ｘ２．５ｃ
ｍである。有効素子面積は１．ＯＸｌ、Ｏｃｍである。

Ｔａ２０５絶縁層３の膜厚は０．５μｍ　、　５ｉＯｚ
絶縁Ｎ５の薄膜は０．１７１　ｍ　、　Ｚｎ５ｏ、　ｏ
ｓＳｅｏ、　ｑｓ層４の薄膜は１．０μｍである。

Ｚｎ５ｏ、　ｏｓＳｅｏ、　ｑｓ層に３Ｘ１０ｓＶ／ｃ
ｍの電界を印加した場合（印加電圧は約３０Ｖ）の吸収
スペクトルを第２図に示す。約２０　ｎｍのシフトが観
測された。

印加電界と吸収端のシフト量を第３図にプロットする。

シフト量は ΔＥｏ　＝２．７６Ｘ１０９・Ｅ”　（ｍｅＶ）に従う
。

電界は０．９　ＭＶ　／ｃｍｔ、こなった時にクランプ
し、外部電圧を高くしてもそれ以上電界はかからなかっ
た。

Ａｒレーザの波長４７６．５　ｎｒｒｌの光の変調率Ｍ
（＝　１．、　　Ｉ。ｔｔ／　ｌｏ−）の印加電界依存
性を第４図に示す。電界を２Ｘ１０’ν／　ｃｍ以上印
加することにより変調率を１００％とすることができた
。

またパルス電圧を印加した場合の出力光の対応性を第５
図に示す。出力光の立ち上がり、立ち下がり時間は約３
０　ｎ５ｅｃであり、非常に応答速度が速い。

この実験では解像度が１００本／ｍｍであったが、空間
光変調器の薄厚が約２μｍであるので、５００本／ｍｍ
まで解像度を上げることができる。また空間光変調器に
入射する光の入射角度を±２０°変化させたが、出力光
強度に変化は見られなかった。

また本発明の空間光変調器ではアナライザ・ポーラライ
ザ等の偏光子を使用しないので、光の透過率は８０％近
い。この実験では２重絶縁構造のものを用いたが、片側
絶縁構造でも効果は同じであった。

またこの実験ではＺｎ５ｏ、。５Ｓｅｏ、　ｑｓを用い
たが、ＺｎＳ　、　ＺｎＳｅおよびＺｎＳＳｅ混晶でも
同様の効果が得られる。また他のＣａＳ、　ＳｒＳ等の
ワイドギャップ半導体でも効果が期待できる。多結晶薄
膜をＺｎＳにした場合、最大２ＭＶ／ｃｍまで印加でき
、吸収端のシフト量をさらに大きくできた。

夫施班童第６図は、本発明の光入力形空間光変調器の他の実施例
の側面図であって、１〜８は実施例１と１〜８と同一の
ものであり、９は光伝導層アモルファスＳｉ　（ａ−３
ｉ）　、１０は書き込み光である。１１は誘電体多層膜
ミラーであって、これは書き込み光と入射・出力光を分
離し、入射光を有効に反射させるためのものであり、Ｅ
Ｂ蒸着法によって作製した。１２はハーフミラ−である
。ａ　−５ｉの膜厚は３７１　ｍ　、　Ｚｎ５ｏ、　０
５ｓｅ０．１１５の膜厚は１　ｐｍ　、絶縁層の膜厚は
全体で０．５μｍである。

素子全体に１５０ｖの電圧を印加した状態で、６３３ｎ
ｍのＨｅ−Ｎｅレーザでａ　−Ｓｉにパターンを書き込
んだ。その時の反射スペクトルを第７図に示す。

１５０　Ｖ印加した状態でＨｅ　−Ｎｅレーザを入射さ
せないと、ａ−５ｉは高抵抗であり、約３Ｘ１０’Ｖ／
ｃｍの電界がＺｎ５ｏ、　ｏｓＳｅｏ、　９５１１にか
かる。Ｈｅ−Ｎｅを入射させると、ａ−Ｓｉが伝導性と
なり、ＺｎＳ６．。。

Ｓｅｏ、　ｌｌｓ層にＩ　Ｘ１０’Ｖ／ｃｍの電界がか
かる。このため吸収端は約２０ｎｍシフトする。入射光
をＡｒレーザの４７６．５　ｎｍにした場合、Ｈｅ−Ｎ
ｅレーザの書き込みのオン・オフで１００％に近い変調
率を得ることができた。

（発明の効果）以上説明したように、本発明の空間光変調器は、ＺｎＳ
、　ＺｎＳｅに代表されるワイドギャップの多結晶薄膜
に絶縁層を積層することにより、１〜２　ＭＶ／　ｃｍ
の高電界を大面積に安定に印加できる。これにより大き
なフランツケルデイツシュ効果が出現し、この効果を用
いて空間光変調器を実現できた。

この本発明の空間光変調器は、■膜厚が数μｍであるの
で、解像度が非常に高い（数百本／ｍｍ）、■フランツ
ケルデイツシュ効果を利用しているので、応答速度が非
常に速い、■変調率を１００％近くにできる。■入射角
度によりコントラストが変化しない、■光の透過率は８
０％以上である、等の優れた特長を持つ。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の電気入力型の空間光変調器の一実施例
を示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は側面図、第２図は電
圧印加による本発明の空間光変調器の吸収スペクトルの
変化を示す図、第３図は吸収端のシフト量の印加電界依存性を示す図、第４図は本発明の空間光変調器の変調率の電界印加依存
性を示す図、第５図は本発明の空間光変調器の応答特性を示す図、第６図は本発明の光入力形空間光変調器の他の実施例の
側面図、第７図は本発明の空間光変調器の吸収スペクトルの書き
込み光依存性を示す図である。１・・・ガラス基板　　　　　２・・・透明電極３−・
−Ｔａ、０．絶縁層　　　　４−ＺｎＳｏ、　ｏｓｓｅ
ｏ、　ｑｓ層５・・・ＳｉＯ□　　　　　　　　６・・
・直流電源７・・・入射光　　　　　　　８・・・出力
光９・・・ａ　−５ｉ　　　　　　　　１０・・・書き
込み光１１・・・誘電体多層膜ミラー　１２・・・ハー
フミラー第１図（ａ）（ｂ）第２図５皮長（ｐｍ）第３図０３Ｏ４０５ｆ０６印力Ｏ電界Ｅ（Ｖ／ｃｍ）第４図ｆｏｑ−・−丸イ云１層アモルファス５ｉＣａ−８ｉ）グ２
−　　ハーフミラ− 第７図浪長ｃμｍ）

Claims

【特許請求の範囲】１、透明電極／絶縁層／ＺｎＳ、ＺｎＳｅに代表される
ワイドギャップ多結晶層／絶縁層／透明電極／ガラスの
構造を有することを特徴とする空間光変調器。２、透明電極と絶縁層の間に光伝導層を有することを特
徴とする特許請求の範囲第１項記載の空間光変調器。