JPH0367218A

JPH0367218A - 光変調器

Info

Publication number: JPH0367218A
Application number: JP20440589A
Authority: JP
Inventors: Akira Morinaka; 森中　彰; Yasuyuki Sugiyama; 泰之杉山; Ikutake Yagi; 生剛八木; Takuji Yoshida; 卓史吉田; Iwao Hatakeyama; 畠山　巌
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1989-08-07
Filing date: 1989-08-07
Publication date: 1991-03-22

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、制御光により出力光を変調することのできる
光−光変調器に関する。

〈従来の技術〉レーザ光学、光情報処理、光ニューラルネットワークの
研究進展につれて、光スィッチ。

光変調器の重要性が認識されるようになって来ｔこ。

光変調器は、例えば、カメラ等に用いられている機械的
シャッタの様な光路のｏｎ−ｏｆｆを行なうものから、
連続的な２次元平面の変調を行なうものまで幅広い分野
に渡っているが、ここでは、本発明に関連する２次元平
函の光変調器について従来の技術を述べる。

第４図に示す従来の光変調器は、格子状に形成した液晶
によるライトバルブを応用したものである。即ち、この
光変調器は、電気４１号−光信号変換型であり、透光性
基板２１゜透明電極２２．偏光板２３．ライトバルブユ
ニット２４．ＩＩＪ押用慣用電極線２５晶２８等から構
成されるものである。従って、縦横に配列するライトバ
ルブユニット２４のウチ任意の組み合せで透明電極２２
に電圧を加えると（電圧の印加された部分を２１０、印
加されていない部分を２９とする。）、電圧印加部２９
の液晶２８が透明となるので、入力光２６として平面光
を入力すると、電圧印加部２９の液晶２８を透過した出
力光２７に変換されろことになる。つまり、出力光２７
の透過、！！断は各ライトバルブユニット２４ごとに電
圧の制御により行なわれろことになる。

この光度ｉＩｉ器は構成が容易であり、テレビジｐンの
拡大投影用プロジェクタ−′として広（用いられるもの
の、ｆｔ１ｌＪ御用電極線２５を各ライトバルブユニッ
ト２４についての透明電極２２に接続しなければならな
い。このため、画素の有効面積が減る欠点があり、画素
数が増えるに従って、その傾向が顕著となる。特に、液
晶コントラストを高めるために制御用電極線２５をマト
リックス駆動ではなく、直接駆動する場合には、ｌ！ｉ
Ｉ制御用電極線２５の数が極めて多数となり、ＴＰＴの
様なスイッチング用素子を透光性基板２１上に設けろ必
要も生じる。よた、ライトバルブユニット２４自捧の動
作速度の制御は、液晶２８の電界によろ配向を利用する
ため、スメクティック液晶の場合で、１００〜１０　ｍ
５ｅｃ、強誘電性液晶の場合でｔｍｓｅｃ〜１０μｓｅ
Ｃオーダーであり、スイッチ周波数に限界があった。

次に、第５図に示す他の従来の光変調器について説明す
る。この光変調器は、ポッケルス効果を利用した光度ｐ
ｉ器であり、透明ガラス基板３１．透明電１ｉｌｉ３２
．誘電体ミラー３３゜強誘電体３４．光導電層３５．偏
光ビームスプリッタ、ｆｌＪｍ用１４極３１０等から構
成されている。この光変調器において；よ、入力像３６
が図中に示される方向から光導電層３５に入射すると、
ホール電子により誘電体ミラー３３と光導電層３５の界
面に電荷が生じ、その結果強誘電体３４に電圧が印加さ
れることになる。このｔこめ、電圧印加部分についてポ
ッケルス効果が部分的に生じて、偏光ビームスプリッタ
３８で偏光面回転を受けた光が出力光として取り出され
ることになる。

しかし、この光変調器；よ誘電体ミラー３３が光導電１
１３５と強誘電体３４との間に存在するため、印加電界
強度が低下し、そのｔコめ、高電圧を対向する透明電極
３２の間にかける必要がある。また、ＩＫｗｌ界をかけ
ろために、入力像３６によって生じる光導電層３５のイ
メージが乱れて広がり像の解像度が低下する問題点があ
る。

〈発明が解決しようとする課題〉本発明は上記従来技術に鑑みてなされたものであり、解
像度や時間安定性を向上させた光度１１器を提供するこ
とを目的とし、強誘電体の厚みを薄くし、多層化すれば
、強誘電体に印加されろ電界が同一電圧を加えた場合に
比べ高くなり、有効なポッケルス効果を示すことに着目
して完成されたものである。

く課題を解決するための手段〉斯かる目的を達成する本発明の構成は、電気信号により
光学的効果を生じろ電気光学効果素子と、入射した光信
号により前記電気光学効果素子に対して電気信号を与え
る光電変換素子とを有し、前記光電変換素子に制御光と
して入射する光信号により、前記電気光学効果素子に入
力された光信号を変調して出力する光変調器において、
前記’ｊｌｄＱ光学効果素子として誘電体及び強誘電体
の多層薄膜を用い、また前記光電変換素子として光導電
性素子を用いたことを特徴とするものであり、更に、前
記電気光学効果素子として用いられる誘電体及び強誘電
体の多層薄膜の各膜厚を所定の値に設定することにより
、電圧印加時に前記強誘電体薄膜の光学定数の変化に起
因する入出力光信号の反射率を最大又は最小とするよう
にしてち良く、また前記電気光学効果素子として用いら
れる誘電体及び強誘電体の多１！１Ｍ＋￥４の屈折率を
所定の値に設定することにより、電圧印加時に傾斜して
入力される光信号のうちの特定波長の偏光を透過又は反
射させろようにしても良い。

く作　　　用〉一軸性電気光学素子に対するポッケルス光学効果は、一
般に以下に述べる式で説明される。

光学素子の屈折率楕円体は、電圧印加前は（１）式で示
され、電圧印加後は（２）式で示される。

・・・（２）ここで電界Ｅ　（Ｅ、、　Ｅ、、　Ｅりによる変化を次
のように置く。

イ旦し　　ｘ＝１ｙ＝２７、　＝　３ｚ−４ｘ　ｚ　＝＋　５ｘ　ｙ　＝　にこで、ｒ　ｌ　Ｊは６行３列のテンソル成分で示される
電気光学定数である。

例えば、ｘｙ方向（ｎ　＝　６　）については（４）式
のようになる。

’　”ｅ　＝ｒ６１Ｅ１＋ｒ８２Ｅ２”６３Ｅ３　　　
　　　・”　（４１＝ｒ　　Ｅ十ｒ　　Ｅ＋ｒ　　Ｅｅｌｍ　　　　６２ｙ　　　　６３ｚ従って、電界に対してｒ　、、−ＥＫ’ｑ　Ｏの成分が
あれば屈折率が電圧によって変化する。実際には新しい
主軸（Ｘ’、ｙ’、ｚ’）が決まる。

つまり、電気光学素子に適度な方向（ｒ１ＥＫζＯ）に
電界が印加すれば屈折率は変化する。

次に、誘電体と強誘電体とからなる多層膜の干渉につい
ては、−殻内には、それらの屈折率、吸収係数等の光学
定数、光学的厚みδλ（δは位相差、λは波長）などの
条件によるが、ここでは、第６図の例により説明する。

第６図に示す例は、屈折率ｎ０の中間層の上下に多層膜
Ａ、Ｂを対称に配置し、各多層膜Ａ、Ｂとして屈折率ｎ
、、ｎ、で厚さλ／４の誘電体薄膜２強誘電体薄膜をＰ
組積層したものを用いた。

ここで、第６図中上方から入射し、多層膜Ａ、Ｂへ入射
する光の振幅反射率をｒｏ　ｉｐ＋ｔ、透過率をｔ２Ｐ
＋１．。とすれば、下式がなり立つ。

ここでγは膜内を多重反射するための位相遅れであり、
例えば、第７図より求められる。

即ち、（Ａ峠ｃ’）と（Ａ−、Ｂ→Ｃ）の光路差Δは下
式で示される。

、°、光路差Δ＝＝　２　ｎ　、Ａ　Ｂ　−ｎ　２Ａ　
Ｃ’、’、　　ＡＣ’　＝ＡＣ−θ ２ＡＢ　　ＡＣ／幽θ ＡＣ＝２ｄ　　−−θ ＝２ｎ１ｄ１ｃａｂθ１ここで、光路差Δに対応する位相遅れγを２π γ＝了Δで定義する。

２π 同様に、７．＝７ΔＦ（Δ、＝２ｎｐｄＰｃ＆ｏθＰ）
、どなる。

一方、Ｓ偏光、Ｐ［光に対して、それぞれ、（６）式の
ように置けば、ｐ、ｓ＠光を区別せずにエネルギ反射率
Ｒ２透過率Ｔ、光波振幅反射率ｒ／、透過率ｔは（７）
式で示される。

・・・（５）Ｓ細光：　Ｙｓ、＝ｎ、慟θ 光波鋤娼反射率、透過率：・・・（７）ここで、Ｙ’　＝Ｙ　二・・＝”２ＰＹ　　＝Ｙ　　＝・・・ＹＡ２Ｐ＝Ｙ、　（Ｙ２）　２ｐＢ２ｐ＝（Ｙｌ）Ｙ２Ｐ＋１　とおけろ。

（５）式においてこれらのＹ、、Ｙ２に対し”Ｃ１以下の様に置いてＡ、
Ｂを定義する。

Ａ、＝Ｙ　ｔＢ、＝ＹｏＹ２が成り立つから ’２Ｐ＋１、ｏ＝’ｏ、２Ｐ＋　１透過率十反射率−１よりｔ　　　　　　ｔ　　　　　　−ｒ　　　　　　ｒＯ，
？Ｐ＋１　　２Ｐ◆１．ＯＱ、２Ｆ４！　　１．ｌρｌ
ｔ、０ｆ５ｊ式と（８）式より＝１・（８）一般化するとｎ、、ｎ２を交互にＰ組重ねた系は次のよ
うになる。

Ａ２ｐ＝Ｙ２ｐＢ２ｐ−、＝ＹｏＹ、、ｔＹ４ｔ−Ｙ、
Ｐ’Ｂ２ｐ＝Ａ、ｐ−、Ｙ２Ｐ、＝Ｙ、’Ｙ２’・・・
Ｙ、Ｐ−、Ｙ２Ｐや１己こで”２Ｐ＋ｌに１の時ぬ２（
γ／２）が小さくて、”　　”２ｐ＋ｔ、　ｏ）　’　
）４Ｒ２ｐ＊ｓ−”子であればＲた０となるが、ａｂｈ
２（ｉ　）が少し増加すればＲ；１．Ｏとなる。いわゆ
るエタロン共鳴となる。

λ 結局（９）式においてＦｍπかつｎ。ｄＯＣｋＤθ。二
ｍ百のとき、Ｔ＝１００％となるが、この条件から外れ
ろとＴ＝Ｏ％となる。

この結果を、第２図中に実線４１で示す。

実線４１で示されるのは電圧非印加時の状態であるが、
前述したように電圧を印加すると屈折率が変化するので
、同図中、破線で示すように反射率が急峻に変化するこ
とになる。

例えば第１図に示すように誘電体及び強誘電体の多層溝
ｖＩＡ（以下、２色性ミラーという）１３に光導電層１
４を重ね合せ、更にその両側に透明電極１２．透光性基
板１１，１１’を設けた光変換器において、Ｔｉ源１５
により透明Ｔｉ３１２，１２間に電圧が印加され、図中
右方から制御光として微弱なバタン光を照射されろと、
照射された部分についての光導電層１４に電荷が生じ、
その結果、電荷の生じた部分の２色性ミラー１３にだけ
高電圧が印加されることになって、第２図に示す反射条
件が実線から破線へとシフトし、２色性ミラー１３に対
し、図中左方から平面光として入力される単一波長のレ
ーザ（コヒーレント光）が変調されろことになる。

尚、２色性ミラー１３に対して斜めに入射する場合には
、特定の偏光面についての光のみが透過し、反射するこ
とになる。

ここで、第８図に示すように、屈折率ｎＨｐｎＬの多Ｎ
膜の第ｉ［に対し、角度θ。で入射光が入射しｔコ場合
に、多Ｓ膜の各境界にブリュースター角の条件が成り立
てば下式が導かれる。

１ＨｎＬ（ト）θ　　　（ト）θ スネルの法則より下式も導かれろ。

ｎＨｍθ、　＝　ｎＬ幽θ、　＝　ｎ６幽θ。

従って、これらより、下式が与えられろ。

つまりθ。をブリュースター角にした時ｎＨｌＮＬを選
択することによって特定波長の偏光面の光のみを透過又
は反射する素子が得られる。

この構成において高屈折率層に強誘電体の電気光学効果
を持った薄膜を用い、第１図のような透明ｒｉ極で電圧
を印加すると偏光条件は崩れて出力光を更に（静的）ｌ
ｉ光フィルタを通すと消光比の高い出力バタンが得られ
ろ。

例えば、第３図に示すように光度ｆｉｌ器として、透光
性基板５１．透明型ｆ！ｉ１５２．光導電層５４．入射
光を光導電層５４に照射しないための光ブｎツク層を含
めた嫡光性強誘電体／誘電体Ｗ４稍ミラー明５３等【こ
より構成し、透明電極５２に電圧を印加しｔコ状態で、
制御光として微弱な光パターン５５金光導電層５４に入
射すればフォトン電流が流れ、上記ミラー層５３の偏光
条件が変化し、入力光５６のうち偏光条件を満足する偏
光のみが偏光ビームスプリッタ５７を介し出カバターン
５８として取り出される乙とになる。

く実　施　例〉以下、本発明の実施例について、図面を参照して詳細に
説明する。

実施例１第１図に示した構成の光変調器を以下の条件で構成した
。透光性基板１１，１１’としては４〇−平方厚さ１ｍ
両面を光学研摩した石英板を用い、各々に透明電極１２
としてＩＴＯ（酸化インジウム、スズ透明！極を２００
０　Ａ）スパッタした。一方の透光性基板１１′の透明
型８ｉｉｉ１２上に５ｉｎ２．　ＬｉＮｂ０．を電圧非
印加状態で波長４８８　ｎｍに対してλ／４厚となるよ
う４ＷＢずつスパッタリング積層し、その上にＳｉＯを
４８８０人中間層としてスパッタした後更に４Ｊ！Ｉの
５ｉｎ２．　ＬｉＮｂ０．を４層積層して２色性ミラー
１３を作製した。ここで、λ／４は真空中の波長４８８
　ｎｍの４分の１の長さではな（、各媒質中における屈
折率の値により変化する波長の４分の１の長さの意味で
ある。従って、５ｉｎＱ、　ＬｉＮｂＯ３とでは屈折率
が異なるので、その厚さもそれに応じて変化する。次に
光導電層１４としてＣｄＳを２０００人積層６、残りの
透明ｆＩ！極１２をスパッタした透光性基板１１と真空
圧着し、第１図の構成の光変調器を作製した。この光変
調器に電圧を１（ＫＶ印加しく暗所テ）　、ＬｉＮｂ０
゜の微細結晶粒を５００℃、２４ｈｒ７二−ルして電界
方向に成長さ＋１−に後、光度ｔｌｉ器としての効果を
測定した。

電圧３’ＫＶ印加の状態で波長４　）１８　ｎｍのＡｒ
レーザに対して、０．５ｍＷ／ｄの光導電層１４の光バ
タン（４００本／　ｘｎｓ　）に対して消光比１、／２
０が得られた。

また、入力バタンに対して出力光パタンが固定するまで
の立ち上がり（感度速度）は３μｓｅｃであった。

従来の光変調器（第５図）と比較すると解像度で約２．
２倍、立ち上がり速度で１０倍、印加電圧で６０％以下
となる改善が得られた。

実施例２第１図と同様の光変調器を下表の構成で作製し、特性を
評価した。

波長４８８　ｎｍのＡｒ”レーザ用に設計し結果も表に
まとめた。

消光比その他の特性は変調素子を恒温、恒圧チャンバに
入れて測定したものである。

従来型と比較して平均で解像度１．２倍以上、立ち上が
りで５倍以上、印加電圧の大きさ６０％以下となる改善
結果が得られた。

実施例３石英基板（４０Ｍ平方１．２ｍｍ厚さ）上に透明電極（
２０００人）をスパッタ後、光導電層として非晶′Ｉｉ
Ｓ　ｉを２０００人スパッタした。

この上に波長４８８　ｎｍのＡｒレーザに対してλ （Ｓｉｎ　２　（λ／４）　／ＬｉＮｂ０．　憎）／Ｓ
ｉｎ、（λ／４））の積層を５［ｉねてスパッタした。

但し、５ｉｎ２の屈折率は１．４５．ＬｉＮｂ０の屈折
率ば２，３である。このミラーに電圧非印加条件で、角
度５３．８°の条件でＳ偏光を照射すると９９％以上の
反射率が得られた。これを偏光ビームスプリッタでＲ偏
光分のみを取り出すと０．１％のバックグラウンド（漏
れ光）がａｍできた。次に電圧を印加し基板側から入力
バタン（白色光）を照射すると入力光の５０％のＲ傷光
分のバタンか偏光ビームスプリッタから取り出せて消光
比１１５００の値で、解像／ｆタン３００本／鵬が得ら
れる空間光度ｍｗＪが得られた。立ち上がり速度は３μ
ｓｅｃ以下で、解像度、消光比とも従来にない変調特性
を示した。

〈発明の効果〉以上説明した様に本発明による光変調器は、全固体型の
変ｒＡＰＪで変ｙ４諸本体は小型で薄く光学系に組み込
むことが容易な利点がある。

また、アナログ光入力を直接コヒーレント光変換するこ
とができ、動作の為に要する印加電界も原型の結晶素子
が数ＫＶ以上必要であるのに対し約１４の３ＫＶ〜０．
５ＫＶと低電圧で動作が可能である。

また、薄膜干渉型のフィルタ構成をとっている為に、わ
ずかな変調による光路差を鋭敏に出力する為、２値型の
＠値をもった変調素子に近く並列光演算等の２値処理に
向いている。

また、印加電圧が低下する為、光導電層内での横方向拡
散が少なく、分解能が高くなる利点を持った優れた光変
調器である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例にかかる光変調器の斜視図
、第２図は位相遅れγに対する反射率、透過率のグラフ
、第３図は本発明の実施例を示す構成図、第４図、第５
図はそれぞれ従来の光変調器の構成図、第６図は多層膜
内における屈折率と反射率、透過率の関係を示す説明図
、第７図は干渉の条件を示す説明図、第８図はブリュー
スター角の説明図である。図　　面　　中、１１．１１’　　５１は透光性基板、１２．５２は透明電極、１３は２色性ミラー１４．５４は光導電層、１５．５９は印加用電源、３は偏光性強誘電体／誘電体ミラー層、５は制御光、６は入力光、７はり、！光ビームスプリッター８は出力光である。特　　許　　出　　願　人日本ｔｌｌ　４Ｍ電話株式会社代　　　　理　　　　人

Claims

【特許請求の範囲】

（１）電気信号により光学的効果を生じる電気光学効果
素子と、入射した光信号により前記電気光学効果素子に
対して電気信号を与える光電変換素子とを有し、前記光
電変換素子に制御光として入射する光信号により、前記
電気光学効果素子に入力された光信号を変調して出力す
る光変調器において、前記電気光学効果素子として誘電
体及び強誘電体の多層薄膜を用い、また前記光電変換素
子として光導電性素子を用いたことを特徴とする光変調
器。
（２）請求項（１）において、前記電気光学効果素子と
して用いられる誘電体及び強誘電体の多層薄膜の各膜厚
を所定の値に設定することにより、電圧印加時に前記強
誘電体薄膜の光学定数の変化に起因する出力光信号の反
射率を最大又は最小としたことを特徴とする光変調器。
（３）請求項（１）（２）において、前記電気光学効果
素子として用いられる誘電体及び強誘電体の多層薄膜の
屈折率を所定の値に設定することにより、電圧印加時に
傾斜して入力される光信号のうちの特定波長の偏光を透
過又は反射することを特徴とする光変調器。