WO2006109724A1

WO2006109724A1 - 光変調装置および光変調システム

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Publication number: WO2006109724A1
Application number: PCT/JP2006/307452
Authority: WO
Inventors: Yoshikazu Fujimori
Original assignee: Rohm Co., Ltd.
Priority date: 2005-04-11
Filing date: 2006-04-07
Publication date: 2006-10-19
Also published as: KR20070119003A; TW200643506A; EP1852730A1; CN101061418A; JP2006293018A; US20090073547A1

Abstract

　光の利用効率を改善した光変調装置を提供する。　光変調装置１０は、発光部２２と、ファブリーペロー型の共振器１６と、共振器１６に制御電圧を印加する制御部１２とを備える。共振器１６は、印加する電界に応じて屈折率が変化する光変調膜３４と、光変調膜３４に電界を印加する櫛形電極３５、３６とを備える。発光部２２から発光された光は、光変調膜３４に印加される電界の方向と実質的に垂直に、かつ光入射面の法線方向から傾いて、光入射面に入射される。

Description

明細書

光変調装置および光変調システム

技術分野

[0001] 本発明は、電気光学効果を利用した光変調装置および光変調システムに関する。

背景技術

[0002] 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)。

[0003] ホログラム記録装置の空間光変調器の材料としては、たとえばチタン酸ジノレコン酸ランタン以下、 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 La ) (Zr Ti ) 0の組成を有する透明セラミックスである。電気光

1 1

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等の光シャッターに適用することができる。

[0004] 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、バルタの PLZTが広く利用されてきた（特許文献 2)。しかし、バルタ 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、バルタ法は、原料となる金属酸化物を混合した後、 1000°C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。

[0005] こうしたことから、バルタ 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 PL ZT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力 Sできるようになってレ、る。特許文献 1 :特開 2002— 297008号公報

特許文献 2 :特開平 5— 257103号公報

特許文献 3：特開平 7 _ 146657号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0006] ここで、薄膜の PLZTを利用した光制御素子への光の入射方向について考察する。特許文献 3に記載されるような光制御素子においては、入射光を、光制御素子の光入射面の法線方向から入射させていた。光入射面の法線方向力傾けて光を入射させた場合、 PLZT内の光路長が長くなり、光制御素子の動作電圧を低くすることができる。 PLZTを用いた光制御素子は、十分な電気光学効果を得るためには高い動作電圧を必要とするが、実用上の観点からは、できるだけ低い動作電圧で利用できることが望ましい。

[0007] しかし、光入射面の法線方向から傾けて光を入射させた場合、入射光の一部は、電極に遮られて出射できないため、開口率が小さくなり、光の利用効率が低下してしまうという問題があった。

[0008] 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、光の利用効率を改善した光変調装置および光変調システムを提供することにある。

課題を解決するための手段

[0009] 上記課題を解決するために、本発明のある態様の光変調装置は、発光部と、印加する電界に応じて屈折率が変化する光変調膜と、光変調膜に電界を印加する電極対と、を備えた光変調装置であって、発光部から発光された光は、光変調膜に印加される電界の方向と実質的に垂直に、かつ光入射面の法線方向から傾いて、光入射面に入射される。

[0010] この態様によると、発光部から発光された光は、光入射面の法線方向力傾レ、て光入射面に入射されるので、光変調膜内の光路長が長くなり、光変調装置の動作電圧を低下することができる。また、電極対を構成する電極間に電界を発生させ、その電界に実質的に垂直な方向から光を入射することで、電極によって吸収される光が減少する。そのため、開口率が大きくなり、光の利用効率を改善することができる。 [0011] 電極対は、光変調膜において、光入射面と平行となる電界を発生させてもよい。電極対は、それぞれ互い違いに延びる複数の櫛歯電極を備えた 2つの櫛形電極から構成されてもよい。電極対を櫛形電極とした場合、好適に光変調膜に電界を印加すること力 Sできる。

[0012] 発光部は、一方の櫛形電極における櫛歯電極から、他方の櫛形電極における櫛歯電極への垂線に実質的に垂直となる入射方向をもつ光を発光してもよい。

[0013] 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形成されてもよい。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。

[0014] 光変調膜の下に光反射層を有してもよい。この場合は、反射型の光変調装置となり

、光変調膜内の光路長を長くすることができるので、光変調装置の動作電圧を低下すること力 Sできる。

[0015] 電極対に制御電圧を印加することにより、発光部から発光された光を変調して出射せしめる制御部をさらに備えてもよい。

[0016] 光変調装置の共振波長を調整するためのバイアス電圧を、電極対に印加するバイァス部をさらに備えてもよい。この場合、光変調装置の共振波長をシフトさせることができるので、共振波長を好適に調整することができる。

[0017] 本発明の別の態様もまた、光変調装置である。この装置は、印加する電界に応じて屈折率が変化する光変調膜と、光変調膜に電界を印加する電極対と、電極対に制御電圧を印加することにより、入射光を変調して出射せしめる制御部と、当該光変調装置の共振波長を調整するためのバイアス電圧を、電極対に印加するバイアス部と、を半導体集積回路装置として 1チップ化された光変調装置であって、光変調膜への入射光が、光変調膜に印加される電界の方向と垂直に、かつ光入射面の法線方向力傾いて、入射される。この態様によると、小型の光変調装置を実現することができる。なお、光変調装置は、発光部をさらに備えてもよい。このとき光変調装置は、半導体集積回路装置と発光部とを備えて構成される。

[0018] バイアス電圧を調整するよう指示する信号を入力するための端子を備えてもよい。

この場合、光検出素子を用いてバイアス電圧のフィードバック制御を行うことができる [0019] 本発明の別の態様は、光変調システムである。この光変調システムは、光変調装置と、光変調装置から出射される光を受ける受光部と、を備える。この態様によると、たとえばホログラム記録装置や、表示装置を実現することができる。

発明の効果

[0020] 本発明に係る光変調装置および光変調システムによれば、光の利用効率を改善すること力 Sできる。

図面の簡単な説明

[0021] [図 l] (a)は、共振器の平面図である。（b)は、図 1 (a)の X—X'線に沿った共振器の断面図である。

[図 2]光の入射方向を説明するための図である。

[図 3]図 2の Y—Y'線に沿った共振器の断面図である。

[図 4]図 2の X—X'線に沿った共振器の断面図である。

[図 5]光変調装置の動作状態を模式的に示す図である。

[図 6]共振器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 7]共振波長 λ を調整可能な光変調装置の構成を示す図である。

m

[図 8]バイアス電圧 Vbを自動制御により設定する光変調装置の構成を示す図である

[図 9] (a)は、空間光変調装置の平面図である。（b)は、（a)に示す空間光変調装置の A— A'線断面図である。

[図 10]空間光変調装置を用いたホログラム記録装置を示す図である。

符号の説明

[0022] 10 光変調装置、 12 制御部、 16 共振器、 22 発光部、 30 基板、 32 第 1反射層、 33 電極対、 34 光変調膜、 35 櫛形電極、 36 櫛形電極、 4 0 第 2反射層、 42 第 1誘電体膜、 44 第 2誘電体膜。

発明を実施するための最良の形態

[0023] 本実施の形態に係る光変調装置の概要を説明する。この光変調装置は、電界の印加に応じて屈折率の変化する光変調膜を備えた光変調装置である。光変調膜に制御電圧を与え、光変調膜に印加される電界を制御することによって、光変調装置から出射される光の強度を変化させることができる。本実施の形態においては、発光部から発光された光が、光変調膜に印加される電界の方向と実質的に垂直に、かつ光入射面の法線方向力傾いて、光入射面に入射される。たとえば、平行な 2つの電極が光変調膜上ないしは光変調膜中に形成された光変調装置の場合、電界に実質的に垂直な方向から光を入射することで、電極に吸収される光が減少し、光の利用効率が改善する。また、光入射面の法線方向力傾いて光を入射することによって光変調膜内の光路長が長くなり、動作電圧が低下する。

[0024] 光変調装置から出射される光を記録媒体あるいは光検出素子等により記録、検出することによりさまざまなアプリケーションに利用することができる。本実施の形態に係る光変調装置は、光が透過して出射される透過型の変調装置と、反射して出射される反射型の変調装置とがある。本発明の実施の形態として、以下においては、反射型の光変調装置について説明する。

[0025] 図 1 (a)、図 1 (b)は、本実施の形態に係る光変調装置 10の構成を示す図である。

光変調装置 10は、制御部 12と、共振器 16と、図示しない発光部とを備える。

[0026] 図 1 (a)は、共振器 16の平面図である。図 1 (b)は、図 1 (a)の X— X'線に沿った共振器 16の断面図である。共振器 16は、基板 30、第 1反射層 32、光変調膜 34、電極対 33、第 2反射層 40を含む。基板 30、第 1反射層 32、光変調膜 34、電極対 33、第 2反射層 40は積層構造として形成される。電極対 33は、同一面上に形成され、それぞれ互い違いに延びる複数の櫛歯電極を備えた 2つの櫛形電極 35、 36から構成される。櫛形電極 35、 36は互いに対向して設けられ、一方の櫛形電極における 2つの櫛歯電極の間に、他方の櫛形電極における 1つの櫛歯電極が配置された構造をとつてもよレ、。なお、図 1 (a)は、光変調装置 10における櫛形電極 35、 36を含む層を透視して示している。

[0027] 共振器 16は、基板 30と一体化されて形成される。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。たとえばシリコンからなる基板 30であれば、基板上にスイッチング素子を設け、その上に共振器 16を形成してもよい。

[0028] 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。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 50%から 80%程度となる。

[0029] 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 (チタン酸ジルコン酸鉛）、 LiNbO 、 G

3 aA—MQW、 SBN ( (Sr, Ba) Nb O )等を用いることができる力特に PLZTが好適

2 6

に用いられる。

[0030] 光変調膜 34の膜厚 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以上とすることが望ましい。膜厚を 500nm以上とすることで、十分な光学膜厚変化を得ることができる。

[0031] 光変調膜 34の上面には、櫛形電極 35、 36力 S設けられる。櫛形電極 35、 36は、それぞれの櫛歯電極が交互に配置され、櫛歯電極の長手辺が互いに対向するように設けられる。櫛形電極 35、 36は、櫛歯電極の短手辺の幅が 1 /i m程度、対向する櫛歯電極の長手辺の間隔が 1 /i m程度に形成される。なお、長手辺と短手辺の比は 5対 1以上であってよい。

[0032] 櫛形電極 35、 36は、たとえば Ir〇、 SrRuO 、 La Sr CoOなどにより形成する

2 3 0. 5 0. 5 3

ことができる。 IrOで形成する場合には、膜厚を 200nm程度とする。この櫛形電極 3

2

5、 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レ、。櫛形電極 35、 36は、スパッタ法により、 IrOを堆積させた後に、フォトリソ

2

グラフィ一によつて櫛形電極 35、 36を焼き付け、エッチングを行うことによって形成すること力 Sできる。

[0033] 櫛形電極 35、 36を設けた光変調膜 34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 n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、 Si〇 (n= l . 48)、 Si N (n= 2. 0)を用いることができる。

[0034] 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使用することができる。

[0035] 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。 Si〇膜は、 TE〇S、 O雰囲気中で温度 200°Cの条件で成長させ

2 2

、 Si N膜は、 SiH、 NH雰囲気中で温度 200°Cの条件で好適に成長させることが

3 4 4 3

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。

[0036] 第 1誘電体膜 42、第 2誘電体膜 44のそれぞれの膜厚 tl、 t2は、共振器 16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、共振器 16に入射する光の波長をえ、誘電体膜の屈折率を nとすると、各誘電体膜 1層分の膜厚 tは、 t=え/ (n X

4)となるように調節する。

[0037] たとえば、光変調装置 10に波長え =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の膜厚 tlは、その材料として Si〇 (n= l . 48)とした場合、 tl

2

= 633/ (4 X 1. 48) = 106nm程度とする。また、第 2誘電体膜 44の膜厚 t2は、材料として Si N (n= 2. 0)を用いた場合、 t2 = 633/ (4 X 2) = 79nm程度とする。第

3 4

2反射層 40を構成する誘電体膜の膜厚 tl、 t2は、必ずしも厳密にえ/ (n X 4)に設計されている必要はない。

[0038] 誘電体膜の材料としてはシリコン窒化膜に替えて、 TiO (n = 2. 2)を用いてもよい

3

。この場合、第 2誘電体膜 44の膜厚 t2は、 t2 = 633/ (4 X 2. 2) = 72nm程度とする。

[0039] 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、 50〜80%となる。

[0040] 従ってこのとき、反射率 R2も 50〜80%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の材料および膜厚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 1 (b)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層づっ交互に積層してレ、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レ、。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。

[0041] 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レ、。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。

[0042] 本実施の形態においては、櫛形電極 35と櫛形電極 36とが電極対 33を形成する。

櫛形電極 35の電位はたとえば接地電位に固定され、櫛形電極 36の電位は制御部 1 2によって制御される。

[0043] 制御部 12は、光変調装置 10に入射した光を変調して出射せしめる制御電圧 Vent を生成し、出力する機能を有する。制御電圧 Ventは、ハイレベル VHまたはローレべル VLの 2値をとる信号である。

[0044] 発光部（図示せず）は、共振器 16に光を照射する。発光部はレーザ光源であってよレ、。発光部から発光された光は、光変調膜 34に印加される電界の方向と実質的に垂直に、かつ光入射面の法線方向から傾いて、光入射面に入射される。

[0045] 図 2は、光の入射方向を説明するための図である。同図において、図 1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、第 2反射層 40などの構成要素は省略している。

[0046] 制御部 12から櫛形電極 36に制御電圧 Ventを印加した場合、櫛形電極 36の櫛歯電極の長手辺から、櫛形電極 35の櫛歯電極の長手辺に向力う方向に電界が発生する。したがって、図 2において、電界の実質的な方向は Y軸と平行である。このとき電界の方向と光入射面は平行となる。

[0047] 本実施の形態においては、図 2に示すように、発光部 22は、一方の櫛形電極における櫛歯電極の長手辺から、他方の櫛形電極における櫛歯電極の長手辺への垂線に実質的に垂直となる入射方向をもつ光を発光する。

[0048] 共振器 16に印加すべき制御電圧 Ventは、光変調膜 34内を通過する光の光路長によって変わる。共振器 16の光入射面の法線方向から傾いて光を入射することによつて、共振器 16の光変調膜 34を通る光の光路長が長くなるので、制御電圧 Ventを低くすることができる。

[0049] 入射光を、電界の方向と垂直に入射する効果について説明する。そのため、以下では図 3と図 4を参照して、入射光を電界の方向に垂直に入射しない場合の光路と、垂直に入射する場合の光路を比較して、それぞれの開口率を示す。

[0050] 図 3は、図 2の Y—Y'線に沿った共振器 16の断面図である。簡略化のため、基板 3 0などの構成要素は省略している。ここで、光は、 YZ平面と平行に、かつ共振器 16 の光入射面の法線方向力傾いて入射されるとする。この場合、図 3に示すように、櫛形電極 35、 36のそれぞれの櫛歯電極 35c、 36cの間に入射した光の一部は、第 1 反射層 32で反射された後に櫛歯電極 36cに吸収されるため、反射光が減少してしまう。櫛形電極 35、 36の櫛歯電極の幅を a、櫛歯電極の間隔を b、光変調膜 34の膜厚を t、光の入射角を Θとすると、この場合の共振器 16の開口率 ARは、

AR= (b- 2ttan 0 ) / (a + b) …（式：!）

で表される。式 1から分かるように、光路長を長くするために入射角 Θを大きくするほど、開口率 ARは小さくなり、光の利用効率は低下する。なお、ここでは櫛形電極 35、 36の厚みは考慮していなレ、が、厚みを考慮した場合はさらに開口率は小さくなる。

[0051] 次に、本実施の形態に係る、電界の方向と実質的に垂直に光を入射した場合の光路について説明する。図 4は、図 2の X—X'線に沿った共振器 16の断面図である。光は、 XZ平面と平行に、かつ共振器 16の光入射面の法線方向から傾いて入射されるとする。このとき、入射光は、電界の方向と実質的に垂直である。この場合、櫛形電極 35、 36のそれぞれの櫛歯電極の間に入射した光は、第 1反射層 32で反射して櫛形電極 35、 36に吸収されることなくそれぞれの櫛歯電極の間から出射する。この場合の共振器 16の開口率 ARは、

AR=b/ (a + b) …（式 2)

で表される。式 2から分かるように、開口率 ARは入射角 Θに依存しないので、光入射面の法線方向力傾けて光を入射しても、開口率 ARは一定となる。すなわち、光の利用効率を保ったまま、制御電圧 Ventを低下することができる。

[0052] 以上のように構成された光変調装置 10の動作について説明する。図 5は、光変調装置 10の動作状態を模式的に示す。同図において、図 1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、電極対 33などの構成要素は省略している。

[0053] 発光部 22から、共振器 16に強度 Iinのレーザ光が入射される。共振器 16の第 1反射層 32、光変調膜 34、第 2反射層 40は、フアブリ一^ ^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、共振器 16によって反射されるレーザ光の強度を loutとするとき、共振器 16の反射率 Rは、 R=IoutZlinで定義される。

[0054] 図 6は、共振器 16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。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アブリーペロー型の共振器の共振波長 λ は、

m

λ = (2ntcos Θ ) /m …（式 3)

m

で与えられる。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の膜厚、 Θは、光変調膜 34におけるレーザ光の入射角である。図 6に示すように、共振器 1 6の反射率 Rは、共振波長 λ におレ、て最小値をとる。

m

[0055] 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 Eに依存する。

いま、第 1反射層 32を接地電位とし、櫛形電極 36に制御電圧 Ventを印加すると、光変調膜 34には、櫛形電極 36から櫛形電極 35に向力う方向に電界 E=Vcnt/tが印カロされる。光変調膜 34として PLZTを用いた場合、光変調膜 34の屈折率 nの変化量 Δ ηと、印加される電界 Εとの間には、

Δ η= 1/2 Χ (n) ³ X R X E² …（式 4)

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。

[0056] 図 6に示す (I)は、共振器 16に電圧を印加しない場合の反射特性である。このとき、共振器 16の共振波長は; I 1である。共振器 16に電圧を印加すると、光変調膜 34 m

の屈折率が変化し、共振波長がえ 1からえ 2にシフトする。； I 2は; I 1より大きい m m m m

値である。このときの反射特性を図 6に (II)で示す。

[0057] 共振器 16に入射するレーザ光の波長を; I 1とした場合、制御電圧 Ventを接地電 m

位からある電圧値 vlに変化させると、共振波長がシフトすることにより、共振器 16の反射率 Rは Rmlから Rm2に変化する。

[0058] ここで、電圧を印加しない場合の反射率 Roffと、電圧を印加した場合の反射率 Ro nの比 Ron/Roff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 lout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 loutを精度よく制御でき、光の利用効率も高いことを意味する。

[0059] 共振波長; I における共振器 16の反射率 Rは、第 1反射層 32での反射率 R1およ m

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 Rを低く設定し、オンオフ比を高くとることができる。

[0060] このように、本実施の形態に係る光変調装置 10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 loutの強度を制御する光スィッチ素子を実現することができる。

[0061] 以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにレ、ろレ、ろな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。

[0062] 本実施の形態においては、櫛形電極 35、 36を光変調膜 34上に形成する場合について説明したが、櫛形電極 35、 36は、その一部または全部が光変調膜 34に埋め込まれるように形成されてもよい。この場合は、光変調膜 34に印加される電界が強い領域が増えるので、光学膜厚変化を高めることができる。

[0063] 実施の形態では、制御部 12から櫛形電極 36に制御電圧 Ventを印加する構成とした力制御電圧 Ventにバイアス電圧 Vbを重畳して印加してもょレ、。

[0064] 共振器 16の共振波長 λ は、式 3によって与えられるため、光変調膜 34の膜厚 tに m

比例する。よって、光変調膜 34の膜厚 tがばらついてしまうと、共振波長 λ もばらつ m いてしまう可能性がある。

[0065] 上述したように、共振波長; I は、共振器 16に電圧を印加することによって変化さ m

せることができる。よって、制御電圧 Ventにバイアス電圧 Vbを重畳し、共振波長 λ m を調整可能としておくことで、膜厚 tのばらつきを校正することができる。

[0066] 図 7は、共振波長 λ を調整可能な光変調装置 10の構成を示す図である。同図に m

おいて、図 1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、電極対 33などの構成要素は省略している。図 7の光変調装置 10は、共振器 16と、制御部 12と、共振波長 λ を調整するためのバイアス電圧 Vbを生成するバイアス部 14とを備える。

[0067] 図 7に示すバイアス部 14は、バイアス電圧 Vbを生成する定電圧回路である。バイァス部 14は、可変抵抗 45と、抵抗 46と、定電圧ダイオード 48と、オペアンプ 49と、トランジスタ 50とを備える。

[0068] バイアス部 14に電源電圧を供給すると、バイアス部 14の出力端子 52には、バイァス電圧 Vb=Vz (l +RlZR2)が出力される。 R1は可変抵抗 45の抵抗値、 R2は抵抗 46の抵抗値、 Vzは定電圧ダイオード 48のッヱナ一電圧である。バイアス電圧 Vb は、電源電圧の値によらない定電圧であり、可変抵抗 45の抵抗値を変化させることによって調整可能である。

[0069] 制御電圧 Ventに重畳する好適なバイアス電圧 Vbの値は、光変調膜 34の膜厚 tを測定することにより求めることができる。フアブリ一ペロー型共振器の共振波長えは m

、式 3で与えられる。よって、光変調膜 34の膜厚 tが分かれば共振器の共振波長え m は求めることができる。共振波長えと共振波長の目標値との差 Δ

m λから、共振波長 λ を目標値にシフトするのに必要な光変調膜 34の変化量 Δ ηが求まる。光変調膜 3 m

4の屈折率 nの変化量 Δ ηと、印加される電界 Εとの間には、式 4の関係が成り立つので、共振波長えを目標値にシフトさせるのに必要な電界 Εを求めることができる。電 m

界と電圧は、 E=V/tの関係があるので、共振器 16に印加する好適なバイアス電圧 Vbの値を求めることができる。

[0070] このように、光変調膜 34の膜厚 tがばらついていた場合でも、バイアス部 14の可変抵抗 45を調整することにより、制御電圧 Ventに好適なバイアス電圧 Vbを重畳することができ、共振波長 λ を校正することができる。

m

[0071] 図 7に示すバイアス部 14は、定電圧回路の一例であり、バイアス電圧 Vbは、他の定電圧回路や、レギユレータを用いて生成してもよレ、。また、バイアス電圧 Vbの設定は、制御電圧 Ventがローレベル VLの状態で、共振器 16にレーザ光を入射し、反射光の強度をモニタしながら可変抵抗 45を調節することによって行ってもよい。このとき、反射光の強度が最小値となるべく可変抵抗 45を調節する。この場合、高精度に共振波長; I の校正を行うことが可能である。

m

[0072] 上述したように、共振器 16に電圧を印加した場合、共振器 16の共振波長えは、大きくなる方向にシフトする。また、フアブリ一^ ^ロー型共振器において、共振波長; I は、式 3で与えられるので、膜厚 tが厚くなると共振波長 λ は大きくなり、膜厚 tが薄 m m

くなると共振波長 I は小さくなる。したがって、共振波長 I の調整を行うために、目 m m

標とする共振波長 λ になる膜厚はりも、膜厚が薄くなるように光変調膜 34を形成す m

るとよレ、。

[0073] バイアス電圧 Vbは、自動制御により設定してもよレ、。バイアス電圧 Vbの自動制御を行った場合、光変調膜 34の特性が経時的に変化した場合や、入射するレーザ光の波長が変化した場合であっても、好適な共振波長 λ に制御することができる。たとえ m

ば、 PLZTなどの強誘電体は、同一方向の電圧を印加し続けることにより、強誘電体に発生する分極量力メモリされるインプリント現象を有することが知られている。

[0074] 図 8は、バイアス電圧 Vbを自動制御により設定する光変調装置 10の構成を示す図である。図 8に示すバイアス部 14は、 A/D変換部 54と、 CPUメモリ 56と、 D/A変換部 58とを備える。

[0075] 図 8に示す光変調装置 10の動作について説明する。図 8の光変調装置 10は、共振器 16から反射する光の強度をモニタし、フィードバック制御を行うことによってバイァス電圧 Vbを調整する。

[0076] 発光部であるレーザ光源 62から共振器 16に照射され、反射された光は、ホトダイオードや、 CCDなどの光検出素子 64によって電気信号に変換される。受光部である光検出素子 64は、共振器 16から反射されたレーザ光を検出可能な位置に設けられる。たとえば、図示しないビームスプリッタにより、反射光を分岐させて、光検出素子 6 4に入射させてもよい。

[0077] 光検出素子 64によって生成された電気信号は、入力端子 51からバイアス部 14に入力される。電気信号は、 A/D変換部 54によってデジタル値に変換され、 CPUメモリ 56に取り込まれる。 CPUメモリ 56は、光検出素子 64で検出される光の強度が最小になるベく、バイアス電圧 Vbを制御する。 CPUメモリ 56から出力された信号は、 D ZA変換部 58によってアナログ値に変換され、出力端子 52にバイアス電圧 Vbを出力する。

[0078] バイアス電圧 Vbの自動制御を行うことによって、共振器 16の共振波長 λ を常にレ一ザ光源 62の波長と等しい値に制御することができる。

[0079] 図 8に示すバイアス部 14は、図 1に示す基板 30に集積化して形成してもよい。本実施の形態に係る光変調装置 10は、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れば、制御部 12とバイアス部 14を基板 30に形成し、制御部 12、ノィァス部 14、共振器 16を備えた光変調装置 10を半導体集積回路装置として 1チップィ匕することができる。

[0080] 本実施の形態に係る光変調装置は、共振器と制御部を複数組備えていてもよい。

たとえば、図 1に示す共振器 16をマトリクス状に配置することによって、空間光変調装置を構成することができる。

[0081] 図 9 (a)、図 9 (b)は、共振器 16がマトリクス状に配置された空間光変調装置を示す図である。図 9 (a)は、空間光変調装置 8の平面図である。空間光変調装置 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 20を備える。画素 20は、 20 μ m X 20 μ m程度のサイズにて構成される。

[0082] 図 9 (b)は、図 9 (a)に示す空間光変調装置の A— A'線断面図である。光変調膜 3 4などの構成要素については、図 1に示す共振器 16とほぼ同様である力櫛形電極 35、 36が光変調膜 34に坦め込まれるように形成されている点が異なっている。このようにして共振器 16を形成してもよい。

[0083] 図 9 (b)に示すように、ビアおよび配線 38を介して櫛形電極 36が外部に引き出されている。配線 38の材料としては A1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。

[0084] 空間光変調装置 8には、画素 20ごとに制御部 12から制御電圧 Ventが与えられ、画素 20ごとに反射率を制御することができる。

[0085] 空間光変調装置 8は、バイアス部 14を備えていてもよレ、。バイアス部 14の構成およびバイアス電圧 Vbの設定方法に関しては、図 7、図 8を用いて説明した構成および方法と同様である。空間光変調装置 8において、各画素 20間の膜厚ばらつきが小さい場合には、各画素 20に共通のバイアス電圧 Vbを重畳すればよいため、バイアス部 14は、 1つの空間光変調装置 8に対して少なくとも 1つ備えていればよい。

[0086] ノくィァス部 14は画素 20ごとに備えていてもよい。この場合は、より高精度に共振波長; l の校正を行うことができる。

m

[0087] 空間光変調装置 8を用いてさまざまな光変調システムを構成することができる。図 1 0は、空間光変調装置 8を用いたホログラム記録装置 70を示す図である。ホログラム記録装置 70は、発光部 80と、受光部 82と、空間光変調装置 8とを備える。発光部 80 は、レーザ光源 72と、ビームェクスパンダ 74とを備える。受光部 82は、フーリエ変換レンズ 76と、記録媒体 78とを備える。

[0088] 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、ビームェクスパンダ 74でビーム径が拡大され、平行光として空間光変調装置 8に照射される。

[0089] 空間光変調装置 8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光変調装置 8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、ホロダ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

[0090] 上記においては、空間光変調装置 8をホログラム記録装置 70に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、光通信用スィッチ、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。

[0091] 上記においては、実施の形態として反射型の光変調装置について説明したが、本実施の形態に係る光変調装置は、透過型の光変調装置であってもよい。たとえば、印加する電界に応じて屈折率が変化する光変調膜と偏光板とを備えた光変調装置において、光変調膜に入射する光を、光変調膜に印加される電界の方向と実質的に垂直に、かつ光入射面の法線方向力傾いて、入射させることによって、光路長を長くし、開口率を大きくすることができる。そのため、動作電圧を下げるとともに光の利用効率を改善した透過型の光変調装置を提供することができる。

産業上の利用可能性

[0092] 本発明に係る光変調装置および光変調システムによれば、光の利用効率を改善すること力 Sできる。

Claims

請求の範囲

[1] 発光部と、

印加する電界に応じて屈折率が変化する光変調膜と、

前記光変調膜に電界を印加する電極対と、

を備えた光変調装置であって、

前記発光部から発光された光は、前記光変調膜に印加される電界の方向と実質的に垂直に、かつ光入射面の法線方向力傾いて、光入射面に入射されることを特徴とする光変調装置。

[2] 前記電極対は、前記光変調膜において、光入射面と平行となる電界を発生させることを特徴とする請求項 1に記載の光変調装置。

[3] 前記電極対は、それぞれ互レ、違いに延びる複数の櫛歯電極を備えた 2つの櫛形電極力も構成されることを特徴とする請求項 1または 2に記載の光変調装置。

[4] 前記発光部は、一方の櫛形電極における櫛歯電極から、他方の櫛形電極における櫛歯電極への垂線に実質的に垂直となる入射方向をもつ光を発光することを特徴とする請求項 3に記載の光変調装置。

[5] 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形成されることを特徴とする請求項 1から 4のいずれかに記載の光変調装置。

[6] 前記電気光学材料は、チタン酸ジノレコン酸鉛またはチタン酸ジノレコン酸ランタン鉛であることを特徴とする請求項 5に記載の光変調装置。

[7] 前記光変調膜の下に光反射層を有することを特徴とする請求項 1から 6のいずれかに記載の光変調装置。

[8] 前記電極対に制御電圧を印加することにより、前記発光部から発光された光を変調して出射せしめる制御部をさらに備えることを特徴とする請求項 1から 7のいずれかに記載の光変調装置。

[9] 当該光変調装置の共振波長を調整するためのバイアス電圧を、前記電極対に印加するバイアス部をさらに備えることを特徴とする請求項 8に記載の光変調装置。

[10] 印加する電界に応じて屈折率が変化する光変調膜と、

前記光変調膜に電界を印加する電極対と、前記電極対に制御電圧を印加することにより、入射光を変調して出射せしめる制御部と、当該光変調装置の共振波長を調整するためのバイアス電圧を、前記電極対に印加するバイアス部と、

を半導体集積回路装置として 1チップ化された光変調装置であって、

前記光変調膜への入射光が、前記光変調膜に印加される電界の方向と垂直に、かつ光入射面の法線方向力傾いて、入射されることを特徴とする光変調装置。

[11] 前記バイアス電圧を調整するよう指示する信号を入力するための端子を備えることを特徴とする請求項 10に記載の光変調装置。

[12] 請求項 1から 9のレ、ずれかに記載の光変調装置と、

当該光変調装置力出射される光を受ける受光部と、

を備えることを特徴とする光変調システム。