WO2017057700A1 - 光変調器及び光変調装置 - Google Patents

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WO2017057700A1
WO2017057700A1 PCT/JP2016/079073 JP2016079073W WO2017057700A1 WO 2017057700 A1 WO2017057700 A1 WO 2017057700A1 JP 2016079073 W JP2016079073 W JP 2016079073W WO 2017057700 A1 WO2017057700 A1 WO 2017057700A1
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WO
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refractive index
optical modulator
light
optical
pattern
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Application number
PCT/JP2016/079073
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English (en)
French (fr)
Inventor
拓夫 種村
優地 小杉
Original Assignee
国立大学法人東京大学
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/061—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on electro-optical organic material

Definitions

  • the present invention relates to an optical modulator that receives and modulates incident light on a surface, and an optical modulation device incorporating such an optical modulator.
  • Non-Patent Document 1 a slot-type waveguide type having a slot for propagating light in a direction parallel to the substrate surface of the element and applying a voltage from the side to the electro-optic polymer filled in the slot to generate a phase difference
  • An optical modulator has been proposed (see Non-Patent Document 1).
  • Non-Patent Document 1 the optical modulator as described in Non-Patent Document 1 is premised on a waveguide and has many structural limitations, and it is not easy to reduce the size in the light traveling direction. In particular, as the number of arrays increases, there is a problem that the element size and cost increase.
  • a linear grating having a high refractive index difference with respect to the surrounding is arranged so that a period is equal to or less than a wavelength (patent) Reference 1).
  • the resonance wavelength is continuously tuned by mechanically adjusting the distance between the two reflecting mirrors (see FIG. 7-9, etc.).
  • the present invention has been made in view of the above background art, and an object thereof is to provide a small and high-performance optical modulator.
  • Another object of the present invention is to provide an optical modulation device incorporating the above optical modulator.
  • an optical modulator has a base layer made of a first refractive index material, and has a refractive index different from that of the first refractive index material on the base layer and has conductivity.
  • a variable refractive index portion that fills the plurality of portions.
  • having conductivity means that the electric resistivity is 1.0 ⁇ 10 ⁇ 1 [ ⁇ ⁇ m] or less.
  • the refractive index of the variable refractive index portion changes due to the electro-optic effect, and the pattern portion extends. It is possible to accurately control the reflection and transmission of light incident from the direction intersecting with.
  • the light modulators can be two-dimensionally arrayed in a space-saving manner.
  • the optical modulator having the above structure can be easily manufactured by a MEMS process or the like. In order to make light incident from the crossing direction, the light incident on the optical modulator includes not only light in a direction perpendicular to the surface of the pattern part but also light oblique to the surface of the pattern part.
  • the second refractive index material is any one of a dielectric and a metal having a higher refractive index than the first refractive index material, and the third refractive index.
  • the material is either a material having a lower refractive index than the second refractive index material or a material having a refractive index equivalent to that of the first refractive index material. That is, the plurality of portions formed of the second refractive index material have a higher refractive index than the surrounding base layer and variable refractive index portion. In this case, it becomes easy to achieve normal incidence light modulation.
  • the underlayer and the variable refractive index portion have insulating properties.
  • having an insulating property means that the electric resistivity is larger than 1.0 ⁇ 10 ⁇ 1 [ ⁇ ⁇ m].
  • the pattern portion is formed of either a highly doped semiconductor or a metal. In this case, it is easy to achieve the target refractive index and conductivity.
  • variable refractive index portion is formed of an electro-optic polymer.
  • the electro-optic polymer generally has a large change in refractive index and can increase the response speed. For this reason, a small and high-speed optical modulator can be obtained.
  • the pattern portions are arranged along the surface of the underlayer. That is, the pattern parts are arranged two-dimensionally.
  • the pattern portion has a periodic structure.
  • the plurality of portions have the same shape.
  • the pattern portion can be easily manufactured.
  • the pattern portion has a lattice shape.
  • the pattern portion can be, for example, a linear grid electrode.
  • the plurality of portions alternately apply reverse voltages to the plurality of portions.
  • the variable refractive index portion can be alternately polarized in the opposite direction.
  • the spatial period of the pattern portion is equal to or less than the wavelength used.
  • a clear resonance characteristic can be obtained without generating high-order diffracted light. Thereby, light can be modulated efficiently.
  • any one of intensity modulation and phase modulation is performed by the variable refractive index portion.
  • a reflective film is formed on the side opposite to the pattern portion of the base layer.
  • an efficient phase modulator can be realized.
  • Such an optical modulator is suitable for use in an SLM (Spatial Light Modulator) that controls the light wavefront at high speed.
  • an optical modulation apparatus includes the above-described optical modulator and a voltage application unit that supplies a voltage to the pattern unit of the optical modulator.
  • the light modulation device since the above-described light modulator is used, reflection and transmission of light from the direction intersecting the incident surface of the light modulator can be accurately controlled.
  • the optical modulators can be two-dimensionally arrayed in a space-saving manner, it is possible to provide a small-sized optical modulator having various functions.
  • the light modulation device further includes a control unit that changes a voltage supplied from the voltage application unit to the pattern unit.
  • a control unit that changes a voltage supplied from the voltage application unit to the pattern unit.
  • the wavelength characteristic of at least one of the transmitted light and the reflected light changes, and various functions such as a wavelength selection switch and a variable filter can be obtained by using this wavelength characteristic.
  • inclined light is incident on the optical modulator.
  • it is used for any one of parallel type optical transmission, parallel type optical reception, and wavefront synthesis.
  • FIG. 2A is a diagram illustrating a cross-sectional structure of the optical modulator
  • FIG. 2B is a diagram illustrating a planar structure of the optical modulator.
  • 3A to 3D are conceptual diagrams for explaining an example of a manufacturing method of the optical modulator shown in FIG. 2A.
  • 4A to 4D are diagrams for explaining the characteristics of the optical modulator of the first embodiment of the type shown in FIG. 2A.
  • It is sectional drawing explaining the modification of the optical modulator shown to FIG. 2A etc. 6A to 6D are diagrams for explaining the characteristics of the optical modulator of the third embodiment of the type shown in FIG.
  • FIG. 7A to 7C are cross-sectional views illustrating an optical modulator according to the second embodiment. It is sectional drawing explaining the optical modulator which concerns on 3rd Embodiment. It is a figure explaining the optical transmitter which concerns on 4th Embodiment incorporating the optical modulator shown in FIG. It is a figure explaining the optical receiver which concerns on 5th Embodiment incorporating the optical modulator shown in FIG. It is a figure explaining the image detection apparatus which concerns on 5th Embodiment incorporating the optical modulator shown in FIG. It is a figure explaining the application example of the image detection apparatus shown in FIG. It is a figure explaining the wavefront synthesizing
  • FIG. 15A and 15B are diagrams for explaining the characteristics of the optical modulator of the second embodiment of the type shown in FIG. 2A.
  • 16A and 16B are diagrams for explaining the characteristics of the optical modulator of the fourth embodiment of the type shown in FIG.
  • the light modulation device 100 shown in FIG. 1 is a device that obtains reflected modulated light or transmitted modulated light as emitted light by modulating incident light by adjusting reflectance or transmittance.
  • the light modulation device 100 includes a light modulator 10, a voltage application unit 20, and a control unit 30.
  • the optical modulator 10 is a normal incidence type optical modulator. Specifically, incident light incident from a normal direction perpendicular to the incident surface IS of the light modulator 10 is emitted in the normal direction perpendicular to the incident surface IS as reflected light or transmitted light.
  • the optical modulator 10 shown in FIG. 1 is mainly used as an intensity modulator.
  • the normal incidence type includes not only the case where light is incident from a direction strictly perpendicular to the incident surface IS, but also the case where light is incident from an oblique direction with respect to the incident surface IS.
  • the optical modulator 10 includes a substrate layer 12 that is a support, an underlayer 14 that is formed on the substrate layer 12 and formed of a first refractive index material, and a first layer on the underlayer 14.
  • a variable refractive index portion formed of a third refractive index material of any one of a material having a refractive index and a material having a refractive index equivalent to that of the first refractive index material and filling between the plurality of linear portions 16a of the pattern portion 16 18.
  • each linear portion 16a constituting the pattern portion 16 has a relatively high refractive index, and is surrounded by a material having a relatively low refractive index with respect to the target wavelength.
  • “equivalent” means that the refractive index of the first refractive index material is the same as that of the first refractive index material as long as the refractive index of the third refractive index material is the same as that of the first refractive index material. This also means that the refractive index of the third refractive index material may be slightly higher or lower than the refractive index of the first refractive index material.
  • the substrate layer 12 is a parallel plate-like layer formed of a material having transparency to incident light corresponding to the target wavelength of the optical modulator 10.
  • the refractive index of the substrate layer 12 may be larger or smaller than the refractive index of the base layer 14, but in this embodiment, the refractive index of the substrate layer 12 is larger than the refractive index of the base layer 14. It has become.
  • the substrate layer 12 is formed of a light transmissive material such as Si when the target wavelength is infrared, for example. When the optical modulator 10 is used as a reflective element, it is not essential that the substrate layer 12 has transparency.
  • the underlayer 14 is a parallel plate-like thin film layer having a uniform thickness and made of a material that is transparent to incident light corresponding to the target wavelength of the optical modulator 10.
  • the underlayer 14 is formed of a first refractive index material having a relatively small refractive index, and is formed of a material having optical transparency such as SiO 2 when the target wavelength is, for example, infrared.
  • the refractive index n1 of the underlayer 14 is set to about 1 to 3, for example.
  • the thickness of the underlayer 14 is, for example, about the above target wavelength or more, specifically 1 ⁇ m or more, but is appropriately set according to the purpose and application.
  • the underlayer 14 is formed of a material having sufficient insulation from the viewpoint of not hindering the formation of an electric field on the variable refractive index portion 18 by the pattern portion 16.
  • the pattern portions 16 are two-dimensionally arranged along the plane of the base layer 14 and have a periodic structure.
  • the pattern portion 16 has a structure in which two comb-like portions 16i and 16j are meshed from opposite directions.
  • Each comb-like portion 16i, 16j has a structure in which a plurality of elongated linear portions 16a having high conductivity are periodically arranged, and even in the entire pattern portion 16, a large number of linear portions 16a are striped or It has a structure arranged in a linear grid.
  • the periodic structure means a periodic interval (that is, a lateral width s of a linear portion 16a of the pattern portion 16 and a lateral width s ′ of a linear portion 18a of the variable refractive index portion 18 described later (that is, a periodic interval).
  • Spatial period and the shapes of the linear portions 16a and 18a are the same, but the shapes and periodic intervals of the linear portions 16a and 18a vary at a certain rate according to the position of the underlayer 14. Including things.
  • the shape and periodic interval fluctuate at a certain rate, it can be said to be a local periodic structure.
  • the periodic structure in the strict sense of the pattern portion 16 is particularly effective when a beam having a plane wave is incident.
  • a beam different from a plane wave such as a Gaussian beam is incident, it is preferable to change the periodic interval or the like depending on the position of the underlayer 14 in accordance with the shape of the incident beam.
  • One comb-like portion 16i includes a plurality of first electrodes 51a and a common first conductive portion 52a that electrically connects the first electrodes 51a
  • the other comb-like portion 16j includes a plurality of comb-like portions 16j.
  • Second electrode 51b and a common second conductive portion 52b that electrically connects these second electrodes 51b.
  • the pattern portion 16 has a plurality of first electrodes 51a and a plurality of second electrodes 51b as a plurality of linear portions 16a, and is formed by alternately arranging the electrodes 51a and 51b. Has been.
  • the plurality of first electrodes 51a and the first conductive portion 52a are formed of different conductive materials or the same conductive material, and the plurality of second electrodes 51b and the second conductive portion 52b are different conductive materials or conductive materials. It is made of a functional material.
  • the first electrode 51a and the second electrode 51b are basically formed of the same conductive material, but may be formed of different materials.
  • the lengths of the first and second electrodes 51a and 51b in the y direction are set so as to cover one side of the effective area AR of the optical modulator 10 (see FIG. 1).
  • the conductivity of each electrode 51a, 51b (that is, each linear portion 16a) is extremely higher than the conductivity of the underlayer 14, and has a high conductivity close to that of a metal. Specifically, high conductivity can be ensured by forming the electrodes 51a and 51b, that is, the linear portions 16a with a semiconductor material doped with impurities at a high concentration.
  • the lateral width s in the x direction of each electrode 51a, 51b, ie, each linear portion 16a is set to a common constant value in order to make the optical characteristics uniform, and each electrode 51a, 51b, ie, each linear shape.
  • z direction thickness t g of the portion 16a is set to a constant value common to align the optical properties. That is, the plurality of linear portions 16a have the same shape. Thereby, the pattern part 16 becomes easy to produce. In particular, when the incident light is a plane wave, the modulation efficiency is maximized.
  • the spatial period ⁇ in the x direction of these electrodes 51a and 51b is also set to a common constant value in order to make the optical characteristics uniform.
  • the interval between any pair of adjacent electrodes 51a and 51b is set to a common constant value in order to make the optical characteristics uniform and form the same electric field in the variable refractive index portion 18.
  • the pattern portion 16 not only has high conductivity, but also has a refractive index different from the surroundings. That is, the pattern portion 16 has a refractive index different from both the base layer 14 and the variable refractive index portion 18, and more specifically, each linear portion 16 a constituting the pattern portion 16 has the base layer 14 as described above. And a second refractive index material having a higher refractive index than any of the first and third refractive index materials forming the variable refractive index portion 18.
  • the refractive index n2 of the pattern unit 16 is set to about 3 to 4, for example, and the difference from the refractive index n1 of the base layer 14 is set to about 1 to 2, for example.
  • the pattern portion 16 is formed of a material that originally has optical transparency such as Si.
  • the refractive index of the pattern part 16 having conductivity is different from the refractive index of the pattern part 16 having no conductivity due to an imaginary component.
  • the refractive index of the pattern portion 16 may be compared with the underlayer 14 or the like in consideration of the absolute value of the refractive index with respect to light of the target wavelength.
  • the pattern portion 16 or the linear portion 16a constituting the pattern portion 16 is not limited to a dielectric (for example, a semiconductor material such as a highly doped semiconductor), and may be formed of a metal material. Even when the pattern portion 16 is formed of a metal material, the refractive index of the pattern portion 16 may be compared with the underlayer 14 or the like in consideration of the absolute value of the refractive index with respect to light of the target wavelength.
  • the variable refractive index portion 18 is formed of a material that is transparent to incident light corresponding to the target wavelength of the optical modulator 10 and has an appropriate insulating property, and a plurality of linear portions 16 a that constitute the pattern portion 16. It has the linear part 18a with which it fills in between, and the coating
  • the linear portion 18 a has a complementary shape obtained by inverting the linear portion 16 a of the pattern portion 16. That is, the linear portion 18a is repeated in the x direction with the same spatial period ⁇ as the linear portion 16a, and has the same length as the linear portion 16a of the pattern portion 16 in the y direction.
  • the lateral width s ′ in the x direction of the linear portion 18a is a value ⁇ s obtained by subtracting the lateral width s of the linear portion 16a from the spatial period ⁇ of the linear portion 16a.
  • the covering portion 18b is not essential and can be omitted. In this case, the upper surface of each linear portion 16a is exposed.
  • the variable refractive index portion 18 is formed of an EO polymer in which an internal polarization structure is doped or branched in the host polymer chain.
  • the internal polarization structure is obtained by connecting an electron donating group and an electron accepting group by ⁇ conjugation, and can be obtained, for example, by dispersing EO dye molecules in a polymer.
  • an internal polarization structure such as an EO dye molecule can be aligned along the electric field (polling treatment). Thereafter, the orientation state of the internal polarization structure such as the EO dye molecule is frozen by returning the EO polymer to room temperature.
  • the EO dye molecule or the like is fixed in a strongly polarized or oriented state.
  • the refractive index of the EO polymer becomes an electro-optic effect corresponding to the strength of the applied electric field.
  • the spatial period ⁇ of the linear portion 18 a is about the target wavelength or more.
  • the intensity, phase, and direction of diffracted light that is light or transmitted light can be controlled by a voltage applied between the first and second conductive portions 52a and 52b.
  • the spatial period ⁇ of the linear portion 18a is sufficiently smaller than the target wavelength, the intensity or phase of the non-diffracted light that is reflected light or transmitted light is changed between the first and second conductive portions 52a, 52b. It can be controlled by the applied voltage. Note that the voltage required for modulation can be made relatively small by setting the polarization direction of the incident light applied to the optical modulator 10 to the x direction corresponding to the polarization direction DE.
  • the voltage application unit 20 supplies a predetermined voltage according to the application between the first and second conductive units 52 a and 52 b of the optical modulator 10.
  • Various voltage signals such as a pulse voltage, a high frequency signal, and a DC signal are applied between the first and second conductive portions 52a and 52b.
  • the control unit 30 is a computer or other digital circuit, and controls the operation of the voltage application unit 20.
  • the control unit 30 changes the voltage supplied from the voltage application unit 20 to the pattern unit 16.
  • the control unit 30 can put digital data or the like on the voltage pattern applied to the optical modulator 10 by the voltage application unit 20 and adjust the transmittance, reflectance, etc. of the optical modulator 10 to a desired state.
  • FIG. 2A An example of a method for manufacturing the optical modulator 10 shown in FIG. 2A will be described with reference to FIGS. 3A to 3D.
  • a plate-like substrate layer 12 made of Si or the like is prepared, and a base layer 14 made of SiO 2 or the like is uniformly formed on the substrate layer 12 by physical vapor deposition or the like.
  • a conductive layer 116 made of highly doped Si or the like is formed on the layer 14 by physical vapor deposition or the like.
  • the conductive layer 116 made of highly doped Si or the like is etched to form a pattern portion 16.
  • a photolithography method or the like often used in the semiconductor manufacturing process can be used, and thereby the pattern portion 16 having the linear portion 16a processed precisely can be formed.
  • the pattern portion 16 can be divided into the first and second electrodes 51a and 51b and the first and second conductive portions 52a and 52b.
  • the first and second conductive portions 52a and 52b can be formed after the fabrication of an EO polymer layer 118 described later. In this case, for connection, it is necessary to expose one end of the electrodes 51a and 51b after the EO polymer layer 118 is formed.
  • an EO polymer layer 118 is formed so as to fill the gap 16c (see FIG. 3B) of the pattern portion 16 and cover the entire pattern portion 16.
  • the EO polymer layer 118 is formed, for example, by spin-coating a previously prepared EO polymer material on the pattern portion 16 and curing the EO polymer material by evaporation of a solvent or the like.
  • the precursor 2 having the EO polymer layer 118 formed on the pattern portion 16 is carried into the heating tank 4 and heated, and the first and second conductives of the pattern portion 16 are supplied from the DC power source 6.
  • a predetermined voltage required for intended polarization is applied between the portions 52a and 52b.
  • the EO polymer layer 118 functions as the variable refractive index portion 18 by fixing the polarization of the EO polymer by cooling the precursor 2 to room temperature while applying a voltage between the first and second conductive portions 52a and 52b.
  • the light modulator 10 can be obtained from the precursor 2.
  • Example 1 4A and 4B are charts illustrating the resonance characteristics of the optical modulator 10 of the first embodiment of the type shown in FIG. 2A.
  • 4A shows the reflected light intensity of the optical modulator 10 according to the first embodiment
  • FIG. 4B shows the reflected light phase of the optical modulator 10.
  • the horizontal axis represents wavelength [nm]
  • the vertical axis represents relative reflection intensity or phase change.
  • the solid line indicates the case where the refractive index nEO of the EO polymer is 1.600
  • the dotted line indicates the case where the refractive index nEO of the EO polymer is 1.605.
  • Incident light applied to the optical modulator 10 is incident from the + z direction, which is a normal direction with respect to the xy plane in which the optical modulator 10 extends, and the polarization direction of the incident light is set to the x direction corresponding to the polarization direction DE. .
  • FIG. 4C and 4D are diagrams for explaining the operating characteristics at a wavelength of 1546 nm of the optical modulator 10 according to the first embodiment of the type shown in FIG. 2A.
  • FIG. 4C illustrates the reflected light intensity of the optical modulator 10 according to the first embodiment
  • FIG. 4D illustrates the reflected light phase of the optical modulator 10.
  • the horizontal axis indicates the refractive index that varies with the applied voltage
  • the vertical axis indicates the relative reflection intensity or phase change.
  • the optical modulator 10 has the following characteristics. Specifically, the substrate layer 12 is omitted, and the base layer 14 is sufficiently thick.
  • the spatial period ⁇ in the x direction (transverse direction) of the linear portion 16a constituting the pattern portion 16 is 0.9 ⁇ m, and the occupation ratio s / ⁇ in the x direction (transverse direction) of the linear portion 16a is 0.7.
  • the thickness t g of the linear portion 16a in the z direction (height direction) was 2.27 ⁇ m.
  • the refractive index nEO of the EO polymer of the variable refractive index portion 18 is 1.600 when no voltage is applied, and 1.605 when a specified voltage is applied.
  • Linear portions 16a of the pattern 16 is Si, the refractive index nSi and 3.48, the base layer 14 and SiO 2, the refractive index NSiO 2 and 1.44.
  • the refractive index change ⁇ n is about 0.005.
  • the thickness t 2 of the covering portion 18b was set infinitely thick.
  • the optical modulator 10 greatly changes the intensity or phase of the reflected light in accordance with the change in the refractive index.
  • the reflected light can be switched on and off by a refractive index change of about 0.001.
  • the phase of the reflected light can be almost reversed by a refractive index change of about 0.003.
  • FIG. 15A and 15B are diagrams illustrating the reflection characteristics of the optical modulator 10 according to the second embodiment, which is a reflection type intensity modulator.
  • FIG. 15A shows the reflection spectrum of the optical modulator 10.
  • the horizontal axis indicates the wavelength [nm]
  • the vertical axis indicates the relative reflectance (reflection intensity).
  • FIG. 15B shows a change in reflection intensity of the optical modulator 10 at a wavelength of 1550 nm.
  • the horizontal axis indicates the amount of change in the refractive index of the variable refractive index portion 18, and the vertical axis indicates the logarithm of reflectance.
  • the optical modulator 10 of the second embodiment has the same basic structure as that of the optical modulator 10 of the first embodiment shown in FIG. 2A or the like, but is different in dimensional conditions and the like. Specifically, the substrate layer 12 is omitted, and the base layer 14 made of SiO 2 , the pattern portion 16 made of Si, and the variable refractive index portion 18 made of EO polymer are used.
  • the spatial period ⁇ in the x direction (lateral direction) of the linear portion 16a constituting the pattern portion 16 is 588 nm, the occupation ratio s / ⁇ in the x direction of the linear portion 16a is 0.5, and the linear portion 16a
  • the thickness t g in the z direction (height direction) was 856 nm.
  • the amount ⁇ n was changed to be ⁇ 0.01 to 0.01.
  • the modulation signal voltage applied between the first and second conductive portions 52a and 52b was changed within a range of 0.5 Vpp or less.
  • the resonance wavelength having a Q value of 5 ⁇ 10 4 or more is shifted with the change in refractive index. Thereby, only a specific wavelength can be reflected by the optical modulator 10.
  • the reflectance decreases by about 10 dB when the refractive index change amount
  • 3.8 ⁇ 10 ⁇ 4 . That is, an intensity modulation of about 10 dB can be obtained with a change in refractive index of the order of only 10 ⁇ 4 .
  • FIG. 5 is a side sectional view for explaining a modification of the optical modulator 10 shown in FIG. 2A.
  • An optical modulator 110 shown in FIG. 5 is a reflective modulator, and the substrate layer 12 of the optical modulator 10 shown in FIG. 2A is replaced with a reflective film 112. For this reason, the incident light to the optical modulator 10 is emitted from the optical modulator 10 in the reverse direction as the emission light of the modulated reflected light.
  • the reflective film 112 is formed of a metal such as Au.
  • the optical modulator 110 shown in FIG. 5 is mainly used as a phase modulator.
  • FIG. 6A and 6B are charts for explaining the resonance characteristics of the optical modulator 110 of the third embodiment of the type shown in FIG.
  • FIG. 6A shows the reflected light intensity of the optical modulator 110 of the third embodiment
  • FIG. 6B shows the reflected light phase of the optical modulator 110.
  • the horizontal axis represents wavelength [nm]
  • the vertical axis represents relative reflection intensity or phase change.
  • the solid line indicates the case where the refractive index nEO of the EO polymer is 1.600
  • the dotted line indicates the case where the refractive index nEO of the EO polymer is 1.605.
  • the reflectance is 1.0 regardless of the wavelength and the refractive index, and the phase modulator changes only the phase without changing the light intensity.
  • FIG. 6C and 6D are diagrams for explaining the operating characteristics of the optical modulator 110 of the third embodiment of the type shown in FIG.
  • FIG. 6C shows the reflected light intensity of the optical modulator 110 of the third embodiment
  • FIG. 6D shows the reflected light phase of the optical modulator 110.
  • the horizontal axis indicates the refractive index that varies depending on the applied voltage
  • the vertical axis indicates the relative reflection intensity or phase change.
  • the incident light irradiated to the light modulator 10 is incident from the + z direction which is a normal direction with respect to the xy plane in which the light modulator 10 extends, and the polarization direction of the incident light is x corresponding to the polarization direction DE.
  • the direction is a normal direction with respect to the xy plane in which the light modulator 10 extends.
  • the optical modulator 110 of Example 3 having the structure of FIG. 5 showing the resonance characteristics and the operating characteristics is the same as the optical modulator 10 shown in FIG. 2A with respect to the base layer 14, the pattern unit 16, and the variable refractive index unit 18. It has the structure of. That is, the parameters such as the spatial period ⁇ , the occupation ratio s / ⁇ , the thickness t g , the refractive index nSi, nSiO 2 , and the EO coefficient r33 are the same. In the case of this optical modulator 110, the thickness h in the z direction (height direction) of the underlayer 14 was set to 1.23 ⁇ m.
  • the optical modulator 110 greatly changes the phase of the reflected light in accordance with the change in the refractive index.
  • the phase of the reflected light can be almost reversed by a refractive index change of about 0.003.
  • FIG. 16A and 16B are diagrams illustrating the reflection and phase characteristics of the optical modulator 110 according to the fourth embodiment which is a total reflection type phase modulator.
  • the upper stage shows the reflection characteristics of the optical modulator 110
  • the lower stage shows the phase characteristics.
  • the horizontal axis represents wavelength [nm]
  • the vertical axis represents relative reflectance (reflection intensity) or reflected light phase [rad].
  • FIG. 16B shows a phase change of the optical modulator 110 at a wavelength of 1550 nm.
  • the horizontal axis represents the amount of change in the refractive index of the variable refractive index portion 18, and the vertical axis represents the relative reflected light phase [rad].
  • the optical modulator 110 of the fourth embodiment has the same basic structure as that of the optical modulator 110 of the third embodiment shown in FIG. 5, but is different in dimensional conditions and the like. Specifically, the base layer 14 made of SiO 2 , the pattern portion 16 made of Si, and the variable refractive index portion 18 made of EO polymer were used. In addition, a reflective film 112 made of Ag was provided on the surface of the base layer 14 opposite to the pattern portion 16.
  • the spatial period ⁇ in the x direction (lateral direction) of the linear portion 16a constituting the pattern portion 16 is 588 nm
  • the occupation ratio s / ⁇ in the x direction of the linear portion 16a is 0.5
  • the linear portion 16a The thickness t g in the z direction (height direction) was 856 nm.
  • the amount ⁇ n was changed to be ⁇ 0.01 to 0.01.
  • the modulation signal voltage applied between the first and second conductive portions 52a and 52b was changed within a range of 1 Vpp or less.
  • 5.4 ⁇ 10 ⁇ 4 . That is, a phase modulation of about ⁇ can be obtained with a change in refractive index on the order of only 10 ⁇ 4 .
  • the optical modulator 10 by applying a voltage to the pattern unit 16 to form an electric field in the variable refractive index unit 18, the refractive index of the variable refractive index unit 18 changes due to the electrooptic effect, It is possible to accurately control the reflection and transmission of light incident from the vertical direction or the like that intersects the surface on which the pattern portion 16 extends.
  • the optical modulator 10 can be two-dimensionally arrayed in a space-saving manner. Further, the optical modulator 10 having the above structure can be easily manufactured by a MEMS process or the like.
  • optical modulator according to the second embodiment and an optical modulation device incorporating the optical modulator will be described.
  • optical modulator and the like according to the second embodiment are modifications of the first embodiment, and portions that are not specifically described are the same as those of the first embodiment and will not be described.
  • the shape and the like of the pattern portion 16 and the variable refractive index portion 18 of the first embodiment are changed.
  • at least one of the horizontal width s of the linear portion 16a of the pattern portion 16 and the horizontal width s ′ of the linear portion 18a of the variable refractive index portion 18 is changed at the same periodic interval.
  • the lateral widths s and s' of the linear portions 16a and 18a at least one of the longitudinal direction and the lateral direction of the linear portions 16a and 18a is changed.
  • the lateral width s ′ in the x direction of the linear portion 18a of the variable refractive index portion 18 gradually changes according to the position in the longitudinal y direction.
  • the electric field intensity in the x direction applied to the linear portion 16a gradually changes according to the position in the y direction. That is, the electro-optic effect generated in the linear portion 18a has a variation, and the refractive index change amount ⁇ n has a spread.
  • the resonance characteristics of the optical modulator 10 shown in FIGS. 4A and 4B are smooth. It can be gradual.
  • the horizontal width s ′ in the x direction of the linear portion 18a of the variable refractive index portion 18 gradually changes according to the position in the vertical z direction.
  • the xz cross section of the linear portion 18a is trapezoidal.
  • the electric field intensity in the x direction applied to the linear portion 16a gradually changes according to the position in the z direction. That is, the electro-optic effect generated in the linear portion 18a has a variation, and the refractive index change amount ⁇ n has a spread.
  • the resonance characteristics of the optical modulator 10 shown in FIGS. 4A and 4B are smooth. It can be gradual.
  • the pattern unit 16 and the variable refractive index unit 18 may change the periodic interval depending on the position of the base layer 14. Even if the horizontal width s, s ′ of one of the linear portions 16a, 18a is the same, the periodic interval may change due to the difference of the horizontal width s ′, s of the other linear portion 18a, 16a. is there. As shown in FIG. 7C, in the optical modulator 210, the arrangement interval of the linear portions 18a of the variable refractive index portion 18 is periodically increased or decreased. As a result, the electric field intensity in the x direction applied to the linear portion 16a gradually changes according to the position in the x direction.
  • the electro-optic effect generated in the linear portion 18a has a variation, and the refractive index change amount ⁇ n has a spread.
  • the resonance characteristics of the optical modulator 10 shown in FIGS. 4A and 4B are smooth. It can be gradual.
  • the resonance characteristic can be optimized by changing the periodic interval according to the shape of the incident beam.
  • optical modulator according to the third embodiment and an optical modulation device incorporating the optical modulator will be described.
  • the optical modulator or the like according to the third embodiment is a modification of the first embodiment, and portions that are not specifically described are the same as those of the first embodiment, and description thereof is omitted.
  • the optical modulator 310 shown in FIG. 8 has a structure in which a plurality of modulation layers 10a each including a base layer 14, a pattern portion 16, and a variable refractive index portion 18 are stacked.
  • the extending direction of the linear portion 16a intersects (specifically, orthogonal) between the lower modulation layer 10a and the upper modulation layer 10a, and the polarization direction of each modulation layer 10a also intersects. It is supposed to be.
  • the pattern portions 16 constituting the modulation layer 10a are arranged along the plane of the base layer 14, respectively.
  • the parallel-type optical transmission apparatus according to the fourth embodiment will be described below.
  • the optical transmission apparatus according to the fourth embodiment incorporates the optical modulator or optical modulation apparatus of the first embodiment, and parts that are not specifically described are the same as those of the first embodiment and will not be described. To do.
  • each light source 71 a constituting the light source unit 71 is a surface emitting laser called VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting LASER), for example, and outputs light source light in the normal direction of the plate-like light source unit 71.
  • VCSEL Vertical Cavity Surface Emitting LASER
  • each optical modulator 10 constituting the modulation unit 72 is a normal incidence type transmission optical modulator having the structure shown in FIG.
  • Each light modulator 10 is disposed to face each light source 71a, and modulates light source light from each light source 71a to form signal light LS1.
  • the illustrated optical transmission device 91 can be applied to parallel communication technology in the field of optical communication or optical interconnect.
  • directly modulating the output of the light source 71a it is not easy to increase the modulation speed, but by performing external modulation by the optical modulator 10, light modulation at a high speed becomes possible.
  • the parallel type optical receiver according to the fifth embodiment will be described below. Note that the optical receiver and the like according to the fifth embodiment incorporate the optical modulator or optical modulator of the first embodiment, and parts that are not particularly described are the same as those of the first embodiment and will not be described. Omitted.
  • An optical receiver 92 shown in FIG. 10 includes a light receiving unit 171 including a large number of photodetectors 171a arranged two-dimensionally in a matrix and a modulation unit 72 including a large number of optical modulators 10 arranged two-dimensionally in a matrix.
  • Each photodetector 171a constituting the photodetector 171a is, for example, a two-dimensional array type photodiode, and detects signal light incident from the normal direction of the plate-like modulator 72.
  • each optical modulator 10 constituting the modulation unit 72 is a normal incidence type transmission optical modulator having the structure shown in FIG.
  • Each optical modulator 10 is disposed to face each photodetector 171a, and is a variable filter that switches the transmitted light wavelength at high speed with respect to the signal light LS2 incident on each photodetector 171a.
  • the modulation unit 72 as a matrix-like gate or switch, it is possible to quickly switch the reception wavelength while maintaining the operation speed of the photodetector 171a.
  • the optical receiver 92 shown in FIG. 10 can be used, for example, as a light receiving element of a wavelength division multiplex passive optical network (WDM-PON) system.
  • WDM-PON wavelength division multiplex passive optical network
  • An image detection apparatus 94 shown in FIG. 11 includes a light receiving unit 271 including a large number of detection pixels 271a arranged two-dimensionally in a matrix, and a modulation unit 272 including a large number of optical modulators 10 arranged two-dimensionally in a matrix. Is provided.
  • the image detection device 94 also functions as an optical reception device. In the example shown in the figure, only 3 ⁇ 3 pixels are shown, but usually one vertical or horizontal column is composed of 100 to 1000 or more pixels. For convenience of description, description of the incident-side imaging lens and polarizing filter is omitted.
  • the light receiving unit 271 includes a CCD or CMOS image sensor and its drive circuit.
  • the modulation unit 272 is a variable filter array.
  • each optical modulator 10 included in the modulation unit 272 is a normal incidence type transmitted light modulator having the structure shown in FIG. 2A and the like.
  • Each light modulator 10 is disposed to face each detection pixel 271a, and serves as a wavelength filter that defines a transmission wavelength for image light incident on each detection pixel 271a.
  • a polarizing filter may be disposed in front of the modulation unit 272.
  • Each optical modulator 10 is a rectangular window having one side of submicron to several microns, and the pattern portion 16 is provided with a linear portion 16a that forms a lattice of about 10 cycles or more.
  • This image detection device 94 can adjust the wavelength of the image light incident on the light receiving portion 271 while maintaining the image. That is, only a specific wavelength component can be imaged on the object, and the imaging wavelength can be continuously switched in multiple stages by adjusting the drive voltage.
  • FIG. 12 is a diagram for explaining an application example of the image detection apparatus 94 shown in FIG.
  • the transmission wavelength is changed in the entire modulation unit 272, but the transmission wavelength can be changed in units of pixels.
  • the first column C1 functions as a filter for the first wavelength
  • the second column C2 functions as a filter for the second wavelength
  • the third column C3 functions as a filter for the third wavelength.
  • the first wavelength, the second wavelength, and the third wavelength are different from each other, and image detection can be performed using a set of three color filters.
  • the first wavelength, the second wavelength, and the third wavelength can be, for example, red, green, and blue. In this case, a color image can be acquired.
  • the wavefront synthesis device will be described below.
  • the wavefront synthesizing device incorporates the reflective optical modulator (see FIG. 5) of the first embodiment.
  • a modulation unit 372 including a large number of reflection type optical modulators 10 arranged two-dimensionally in a matrix. In the example shown in the figure, only 3 ⁇ 3 pixels are shown, but usually one vertical or horizontal column is composed of 100 to 1000 or more pixels. For convenience of explanation, the imaging lens and the like are omitted.
  • each optical modulator 10 constituting the modulation unit 372 is a normal incidence type reflection optical modulator having the structure shown in FIG.
  • Each optical modulator 10 is a rectangular window with one side of submicron to several microns, and the pattern portion 16 is provided with a linear portion 16a that forms a lattice of about 10 cycles or more.
  • the phase of the illumination light L1 incident on the modulation unit 372 is adjusted independently for each cell of each light modulator 10, and reflected as output light L2. That is, an arbitrary wavefront can be synthesized with a spatial resolution of submicron to several microns, and can be switched at high speed by adjusting the drive voltage.
  • FIG. 14 is a diagram for explaining an example in which the wavefront synthesis device 95 shown in FIG.
  • the wavefront synthesis device 95 forms the output light L2 in which the beam wavefront of the illumination light L1 is changed to a desired state.
  • the condensing optical system 84 irradiates the sample SA with the output light L2, and the objective optical system 85 images the image light L3 from the sample SA on the detection surface of the image detection device 86.
  • the image detection device 86 includes a CCD or CMOS image sensor and its drive circuit.
  • the wavefront synthesizer 95 enables wavefront synthesis based on the input information, and the image of the target portion in the sample SA is sub-wavelength-resolved by compensation by removing the wavefront information or phase information to be canceled in advance from the output light L2.
  • This observation device (optical imaging device) 96 can be applied to various fields such as biosensing and biological imaging.
  • the illumination light L1 is obliquely incident on the wavefront synthesis device 95. However, if the beam splitter is used, the illumination light L1 can be vertically incident on the wavefront synthesis device 95.
  • a wavefront synthesis device 95 (see FIG. 13) composed of a plurality of optical modulators 10 can be applied to spatial mode conversion of a light beam. Specifically, when light having a certain fixed wavefront (for example, a Gaussian beam) is incident, the wavefront is adjusted and converted into a higher-order spatial mode (for example, a beam having two or more peaks). be able to.
  • a wavefront synthesizing device 95 or spatial light modulator can function as an optical branching switch that branches and dynamically switches an optical path.
  • the emission direction of the output light can be controlled at high speed, and it can be used as a high-speed parallel optical switch.
  • a parallel optical switch can be applied to an apparatus for switching light paths at high speed in a data center network or an optical communication system.
  • the same voltage is applied to all the first electrodes 51a and the same voltage is applied to all the second electrodes 51b.
  • the first and second conductive portions 52a and 52b are individually or in combination. By providing each, a different voltage can be applied to each electrode 51a, 51b or each set.
  • the light incident on the variable refractive index portion 18 is incident in the direction perpendicular to the surface (or the incident surface IS) of the pattern portion 16, but also the light incident on the variable refractive index portion 18 is incident.
  • the light may enter the surface IS in an oblique direction. That is, in the light modulation device 100, the inclined light is incident on the light modulator 10.
  • the inclination of the incident light or the inclined light is adjusted by inclining the light modulator 10 or the light source.
  • the operating wavelength of the optical modulator 10 can be changed by adjusting the inclination of the incident light.
  • a periodic direction and a non-periodic direction can be considered.
  • the operating wavelength can be changed in a wide range.
  • a non-periodic direction that is, a plane perpendicular to the incident surface IS and parallel to the longitudinal direction of the linear portion 16a of the pattern portion 16
  • the operating wavelength can be changed in a wide range. If the incident angle is tilted to a predetermined angle that is highly sensitive to wavelength changes in the initial setting, a wide range of operating wavelengths can be covered with a tilt of several degrees.
  • the example in which the polarization direction of the incident light applied to the light modulator 10 is the x direction corresponding to the polarization direction DE has been described.
  • the y direction perpendicular to the polarization direction DE may be used.
  • it is possible to reduce the thickness t g of the pattern portion 16 may be easier to manufacture the optical modulator 10.
  • the pattern portions 16 are arranged along the plane of the underlayer 14, but the underlayer 14 may be arranged on the curved surface as a curved surface.
  • the curved surface include a cylindrical surface and an aspheric surface.

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Abstract

小型で高性能の光変調器を提供する。光変調器１０は、第１屈折率材料で形成された下地層１４と、下地層１４上に第１屈折率材料と異なる屈折率を有するとともに導電性を有する第２屈折率材料で形成された複数の線状部分１６ａを有するパターン部１６と、第２屈折率材料と異なる屈折率を有し電界下で屈折率が変化する第３屈折率材料で形成されるとともにパターン部１６の複数の線状部分１６ａ間を充填する可変屈折率部１８とを備える。

Description

光変調器及び光変調装置
　本発明は、入射光を面で受けて変調する光変調器、及びかかる光変調器を組み込んだ光変調装置に関する。
　近年、大容量光通信・光インターコネクトシステムでは、高速かつ低コストの光変調／スイッチ素子が求められている。従来では、例えば、素子の基板面に平行な方向に光を伝搬するスロットを有するとともにスロットに充填された電気光学ポリマーに側方から電圧を印加して位相差を生じさせるスロット型の導波路型光変調器が提案されている（非特許文献１参照）。
　しかしながら、上記非特許文献１のような光変調器では、導波路が前提となっており構造的な制約が多いだけでなく光の進行方向に小型化することが容易でない。特に、多アレイ化に伴い、素子サイズとコストとが増大するという問題がある。
　一方で、光センシング・イメージングの分野では、光ビーム波面を合成するための空間光波変調器（ＳＬＭ）への関心が高まっているが、従来用いられている液晶やマイクロマシン（ＭＥＭＳ）型素子は、可変速度がミリ秒程度と遅く、適用範囲が限られるという問題がある。
　なお、面発光レーザー等に利用される垂直入射型の反射鏡として、周囲に対して高屈折率差を有する直線格子を周期が波長以下となるように配置したものが公知となっている（特許文献１参照）。特許文献１では、２つの反射鏡の間隔をメカニカルに調整して、共振波長のチューニングを連続的に行っている（ＦＩＧ．７－９等参照）。
米国特許第７３０４７８１号明細書 S. Koeber, et al., "Femtojoule electro-optic modulation using a silicon-organic hybrid device" Light: Science & Applications (2015) 4, e255; doi:10.1038/lsa.2015.28 ［online］、２０１５年２月２７日
　本発明は、上記背景技術に鑑みてなされたものであり、小型で高性能の光変調器を提供することを目的とする。
　また、本発明は、上記光変調器を組み込んだ光変調装置を提供することを目的とする。
　上記目的を達成するため、本発明に係る光変調器は、第１屈折率材料で形成された下地層と、下地層上に、第１屈折率材料と異なる屈折率を有するとともに導電性を有する第２屈折率材料で形成された複数の部分を有するパターン部と、第２屈折率材料と異なる屈折率を有し電界下で屈折率が変化する第３屈折率材料で形成されるとともにパターン部の複数の部分間を充填する可変屈折率部とを備える。ここで、導電性を有するとは、電気抵抗率が１．０×１０－１〔Ω・ｍ〕以下であること意味する。
　上記光変調器によれば、パターン部に電圧を印加して可変屈折率部に電界を形成することにより、電気光学効果で可変屈折率部の屈折率が変化し、パターン部が延在する面に交差する方向から入射する光の反射及び透過を正確に制御することができる。また、対象とする光を交差方向（具体的には、例えば垂直方向）から入射させる構造であるため、光変調器を省スペースで２次元的にアレイ化することができる。また、上記構造を有する光変調器は、ＭＥＭＳプロセス等で容易に作製することができる。なお、光を交差方向から入射させるため、光変調器に入射する光は、パターン部の面に垂直な方向の光だけでなく、パターン部の面に対して斜め方向の光も含む。
　本発明の具体的な側面によれば、上記光変調器において、第２屈折率材料は、第１屈折率材料よりも高い屈折率を有する誘電体及び金属のいずれかであり、第３屈折率材料は、第２屈折率材料よりも低い屈折率を有する材料及び第１屈折率材料と同等の屈折率を有する材料のいずれかである。つまり、第２屈折率材料で形成された複数の部分は、周囲の下地層や可変屈折率部よりも高屈折率となっている。この場合、垂直入射型の光変調を達成しやすくなる。
　本発明の別の側面によれば、下地層及び可変屈折率部は、絶縁性を有する。ここで、絶縁性を有するとは、電気抵抗率が１．０×１０－１〔Ω・ｍ〕より大きいこと意味する。
　本発明のさらに別の側面によれば、パターン部は、高ドープ半導体及び金属のいずれかで形成されている。この場合、目標とする屈折率及び導電性を達成しやすい。
　本発明のさらに別の側面によれば、可変屈折率部は、電気光学ポリマーで形成されている。電気光学ポリマーは、一般に屈折率変化が大きく応答速度を速くできる。このため、小型で高速動作する光変調器を得ることができる。
　本発明のさらに別の側面によれば、パターン部は、下地層の面に沿って配列されている。つまり、パターン部は、２次元的に配列されている。
　本発明のさらに別の側面によれば、パターン部は、周期的構造を有する。
　本発明のさらに別の側面によれば、複数の部分は、同一形状を有する。この場合、パターン部が作製しやすくなる。
　本発明のさらに別の側面によれば、パターン部は、格子状の形状を有する。この場合、パターン部を例えば直線格子状の電極とすることができる。
　本発明のさらに別の側面によれば、複数の部分は、複数の部分に交互に逆向きの電圧を印加する。例えば、パターン部を一対のくし歯が交互にかみ合うように配置した場合、可変屈折率部を交互に逆向きに分極させることができる。
　本発明のさらに別の側面によれば、パターン部の空間的な周期は、使用波長以下である。この場合、高次の回折光が発生せずに、明確な共振特性を得ることができる。これにより、効率良く光を変調することができる。
　本発明のさらに別の側面によれば、可変屈折率部により、強度変調及び位相変調のいずれか一方を行う。
　本発明のさらに別の側面によれば、下地層のパターン部とは反対側に形成された反射膜を有する。この場合、光の強度を変えずに位相のみを変化させることができ、効率の良い位相変調器を実現することができる。このような光変調器は、光波面を高速で制御するＳＬＭ（Spatial Light Modulator）等への利用に適する。
　上記目的を達成するため、本発明に係る光変調装置は、上述した光変調器と、光変調器のパターン部に電圧を供給する電圧印加部と、を備える。
　上記光変調装置によれば、上述した光変調器を用いているので、光変調器の入射面に交差する方向からの光の反射及び透過を正確に制御することができる。また、光変調器を省スペースで２次元的にアレイ化することができるので、小型で多様な機能を持った光変調装置を提供することができる。
　本発明の具体的な側面によれば、上記光変調装置において、電圧印加部からパターン部に供給する電圧を変化させる制御部をさらに備える。この場合、透過光及び反射光の少なくともいずれか一方の波長特性が変化し、この波長特性を利用することにより、波長選択スイッチや可変フィルター等の多様な機能が得られる。
　本発明の別の側面によれば、光変調器に傾斜光を入射させる。
　本発明のさらに別の側面によれば、並列型の光送信、並列型の光受信、及び波面合成のいずれかの用途に用いられる。
第１実施形態に係る光変調器を組み込んだ光変調装置について説明する概念図である。 図２Ａは光変調器の断面の構造を説明する図であり、図２Ｂは光変調器の平面の構造を説明する図である。 図３Ａ～３Ｄは図２Ａに示す光変調器の製造方法の一例を説明する概念図である。 図４Ａ～４Ｄは図２Ａに示すタイプの実施例１の光変調器の特性を説明する図である。 図２Ａ等に示す光変調器の変形例を説明する断面図である。 図６Ａ～６Ｄは図５に示すタイプの実施例３の光変調器の特性を説明する図である。 図７Ａ～７Ｃは第２実施形態に係る光変調器を説明する断面図である。 第３実施形態に係る光変調器を説明する断面図である。 図１等に示す光変調器を組み込んだ第４実施形態に係る光送信装置を説明する図である。 図１等に示す光変調器を組み込んだ第５実施形態に係る光受信装置を説明する図である。 図１等に示す光変調器を組み込んだ第５実施形態に係る画像検出装置を説明する図である。 図１１に示す画像検出装置の応用例を説明する図である。 図５に示す光変調器を組み込んだ第６実施形態に係る波面合成装置を説明する図である。 図１３に示す波面合成装置を組み込んだ観察装置を説明する図である。 図１５Ａ及び１５Ｂは図２Ａに示すタイプの実施例２の光変調器の特性を説明する図である。 図１６Ａ及び１６Ｂは図５に示すタイプの実施例４の光変調器の特性を説明する図である。
　〔第１実施形態〕
　以下、図１等を参照して、本発明の第１実施形態に係る光変調器及びこれを組み込んだ光変調装置について説明する。
　図１に示す光変調装置１００は、反射率又は透過率の調整によって入射光を変調することにより、射出光として反射変調光又は透過変調光を得る装置である。光変調装置１００は、光変調器１０と、電圧印加部２０と、制御部３０とを備える。
　ここで、光変調器１０は、垂直入射型の光変調器である。具体的には、光変調器１０の入射面ＩＳに垂直な法線方向から入射した入射光は、反射光又は透過光として、入射面ＩＳに垂直な法線方向に射出される。図１に示す光変調器１０は、主に強度変調器として用いられる。なお、本明細書において、垂直入射型とは、入射面ＩＳに厳密に垂直な方向から光を入射させる場合に限らず、入射面ＩＳに対して斜め方向から光を入射させる場合も含むものとする。
　図２Ａに示すように、光変調器１０は、支持体である基板層１２と、基板層１２上にあって第１屈折率材料で形成された下地層１４と、下地層１４上に第１屈折率材料よりも高屈折率を有する誘電体及び金属のいずれかの第２屈折率材料でそれぞれ形成された複数の線状部分１６ａを有するパターン部１６と、第２屈折率材料よりも低屈折率を有する材料及び第１屈折率材料と同等の屈折率を有する材料のいずれかの第３屈折率材料で形成されるとともにパターン部１６の複数の線状部分１６ａ間を充填する可変屈折率部１８とを備える。つまり、パターン部１６を構成する各線状部分１６ａは、相対的に高屈折率であり、その縦横の周囲を対象波長に関して相対的に低屈折率の材料で囲まれた状態となっている。なお、「同等」とは、第２屈折率材料の屈折率が第１及び第３屈折率材料の屈折率よりも大きく異なれば、第１及び第３屈折率材料の屈折率が同じ場合以外にも、第３屈折率材料の屈折率が第１屈折率材料の屈折率より多少高くても低くてもよいことを意味する。
　基板層１２は、光変調器１０の対象波長に対応する入射光に対して透過性を有する材料で形成された平行平板状の層である。基板層１２の屈折率は、下地層１４の屈折率に対して大きくても小さくてもよいが、本実施形態の場合、基板層１２の屈折率の方が下地層１４の屈折率よりも大きくなっている。基板層１２は、対象波長が例えば赤外線である場合、Ｓｉ等の光透過性を有する材料で形成される。なお、光変調器１０が反射型の素子として用いられる場合、基板層１２が透過性を有することは必須でない。
　下地層１４は、光変調器１０の対象波長に対応する入射光に対して透過性を有する材料で形成された一様な厚みを有する平行平板状の薄膜層である。下地層１４は、比較的屈折率の小さい第１屈折率材料で形成され、対象波長が例えば赤外線である場合、ＳｉＯ２等の光透過性を有する材料で形成される。また、下地層１４の屈折率ｎ１は、例えば１～３程度に設定される。下地層１４の厚みは、例えば上記対象波長程度以上、具体的には１μｍ以上とするが、目的や用途に応じて適宜に設定される。
　なお、下地層１４は、パターン部１６による可変屈折率部１８への電界形成を邪魔しない観点で、十分な絶縁性を有する材料で形成される。
　図２Ｂに示すように、パターン部１６は、下地層１４の平面に沿って２次元的に配列されており、周期的構造を有している。具体的には、パターン部１６は、２つのくし歯状部分１６ｉ，１６ｊを逆方向から噛み合わせたような構造を有する。各くし歯状部分１６ｉ，１６ｊは、高い導電性を有する細長い複数の線状部分１６ａを周期的に配列した構造を有し、パターン部１６全体としても、多数の線状部分１６ａをストライプ状又は直線格子状に配列した構造を有する。ここで、周期的構造とは、厳密には、パターン部１６の線状部分１６ａの横幅ｓと、後述する可変屈折率部１８の線状部分１８ａの横幅ｓ'とを合わせた周期間隔（つまり、空間的な周期）や線状部分１６ａ，１８ａの形状が同じであることであるが、下地層１４の位置に応じて一定の割合で線状部分１６ａ，１８ａの形状や周期間隔が変動するものも含む。一定の割合で形状や周期間隔が変動する場合、局所的な周期的構造と言える。パターン部１６の厳密な意味での周期的構造は、平面波を有するビームを入射する場合に特に有効である。一方、ガウシアンビーム等の平面波とは異なるビームを入射する場合、入射するビーム形状に合わせて、下地層１４の位置によって周期間隔等を変化させることが好ましい。
　一方のくし歯状部分１６ｉは、複数の第１電極５１ａと、これらの第１電極５１ａを電気的に接続する共通の第１導電部５２ａとを備え、他方のくし歯状部分１６ｊは、複数の第２電極５１ｂと、これらの第２電極５１ｂを電気的に接続する共通の第２導電部５２ｂとを備える。見方を変えれば、パターン部１６は、複数の線状部分１６ａとして、複数の第１電極５１ａと、複数の第２電極５１ｂとを有し、両電極５１ａ，５１ｂを交互に配置することによって形成されている。複数の第１電極５１ａと第１導電部５２ａとは、異なる導電性材料又は同一の導電性材料で形成され、複数の第２電極５１ｂと第２導電部５２ｂとは、異なる導電性材料又は導電性材料で形成される。また、第１電極５１ａと第２電極５１ｂとは、同一の導電性材料で形成することが原則であるが、別の材料で形成することもできる。第１及び第２電極５１ａ，５１ｂのｙ方向の長さは、光変調器１０の有効領域ＡＲの一辺をカバーできるように設定されている（図１参照）。各電極５１ａ，５１ｂ（つまり各線状部分１６ａ）の導電率は、下地層１４の導電率に比較して極めて高く、金属に近い高い導電率を有している。具体的には、電極５１ａ，５１ｂすなわち線状部分１６ａを高濃度で不純物をドープした半導体材料で形成することによって、高導電性を確保することができる。
　本実施形態の具体例において、各電極５１ａ，５１ｂすなわち各線状部分１６ａのｘ方向の横幅ｓは、光学的特性を揃えるため共通の一定値に設定されるとともに、各電極５１ａ，５１ｂすなわち各線状部分１６ａのｚ方向の厚みｔｇは、光学的特性を揃えるため共通の一定値に設定されている。つまり、複数の線状部分１６ａは、同一形状を有している。これにより、パターン部１６が作製しやすくなる。また、特に、入射光が平面波の場合、変調効率が最大となる。また、これらの電極５１ａ，５１ｂすなわち各線状部分１６ａのｘ方向の空間的な周期Λも、光学的特性を揃えるため共通の一定値に設定されている。結果的に、任意の隣接する一対の電極５１ａ，５１ｂ間の間隔は、光学的特性を揃えるとともに可変屈折率部１８に同一電界を形成するため、共通の一定値に設定されている。
　パターン部１６は、高い導電性を有するだけでなく、周囲と異なる屈折率を有する。すなわち、パターン部１６は、下地層１４及び可変屈折率部１８のいずれとも異なる屈折率を有し、より詳細には、パターン部１６を構成する各線状部分１６ａは、上述のように下地層１４及び可変屈折率部１８を形成している第１及び第３屈折率材料のいずれよりも高い屈折率を有する第２屈折率材料で形成されている。具体的には、パターン部１６の屈折率ｎ２は、例えば３～４程度に設定され、下地層１４の屈折率ｎ１との差は、例えば１～２程度に設定される。パターン部１６は、対象波長が例えば赤外線である場合、Ｓｉ等の本来光透過性を有する材料で形成される。
　パターン部１６が導電性を有する場合、導電性を有するパターン部１６の屈折率は、虚数成分に起因して導電性を有しないパターン部１６の屈折率とは異なるものとなる。この場合、パターン部１６の屈折率を対象波長の光に関して屈折率の絶対値で考えて下地層１４等と比較すればよい。
　なお、既述のように、パターン部１６又はこれを構成する線状部分１６ａは、誘電体（例えば、高ドープ半導体等の半導体材料）に限らず、金属材料で形成することもできる。パターン部１６が金属材料で形成される場合も、パターン部１６の屈折率を対象波長の光に関して屈折率の絶対値で考えて下地層１４等と比較すればよい。
　可変屈折率部１８は、光変調器１０の対象波長に対応する入射光に対して透過性を有するとともに適度な絶縁性を有する材料で形成され、パターン部１６を構成する複数の線状部分１６ａ間に充填される線状部分１８ａと、パターン部１６や線状部分１８ａを覆う被覆部１８ｂとを有する。線状部分１８ａは、パターン部１６の線状部分１６ａに対してこれを反転した相補的な形状を有している。すなわち、線状部分１８ａは、ｘ方向に線状部分１６ａと同じ空間的な周期Λで繰り返され、ｙ方向にパターン部１６の線状部分１６ａと同じ長さを有する。線状部分１８ａのｘ方向の横幅ｓ'は、線状部分１６ａの空間的な周期Λからの線状部分１６ａの横幅ｓを引いた値Λ－ｓとなっている。
　なお、被覆部１８ｂは、必須のものでなく、省略することができる。この場合、各線状部分１６ａの上面を露出させることになる。
　可変屈折率部１８は、ホストポリマー鎖中に内部分極構造をドープ又はブランチさせたＥＯポリマーで形成されている。ここで、内部分極構造は、電子供与基と電子受容基とをπ共役で連結したものであり、例えばポリマー中にＥＯ色素分子を分散することによって得られる。ＥＯポリマー（電気光学ポリマー）に高温下で高電界を印加することで、ＥＯ色素分子等の内部分極構造を電界に沿って配向させることができる（ポーリング処理）。その後、ＥＯポリマーを常温に戻すことで、ＥＯ色素分子等の内部分極構造の配向状態が凍結される。つまり、ＥＯポリマー内で、ＥＯ色素分子等が強く分極又は配向した状態で固定される。この状態で、ＥＯポリマーに対してＥＯ色素分子等の内部分極構造の分極又は配向方向ＤＥに沿って電界を加えると、ＥＯポリマーの屈折率が、加えた電界の強度に応じた電気光学効果として、ＥＯ色素分子等の内部分極構造の分極又は配向方向ＤＥに関して変化する。つまり、可変屈折率部１８のうち、線状部分１８ａは、予め±ｘ方向に交互に分極又は配向されており、電気光学定数は、線状部分１８ａの分極率に比例するものとなっている。よって、線状部分１８ａに対して分極に対応させて±ｘ方向に電界を加えることで、±ｘ方向に分極率に比例する屈折率変化を生じさせることができる。
　ここで、第１導電部５２ａと第２導電部５２ｂとの間にＤＣ電圧を印加した場合、隣接する一対の線状部分１８ａ間には、図示のように＋ｘ方向と－ｘ方向とに互い違いに逆向きで同じ強度の電界が形成される。つまり、可変屈折率部１８の線状部分１８ａを加熱してＥＯポリマー内でＥＯ色素分子等が強く分極又は配向した状態を形成する際には、分極方向ＤＥに相当するｘ方向に関して同様に互い違いの逆向きで同じ強度の電界が形成される。同様に、分極又は配向の固定後の常温の線状部分１８ａに対してＥＯ効果を生じさせる際にも、分極方向ＤＥに相当するｘ方向に関して同様に互い違いの逆向きで同じ強度の電界が形成される。つまり、隣接する一対の線状部分１８ａ間に印加する電圧は、方向に関して一致性を持たせたものになっており、第１及び第２導電部５２ａ，５２ｂ間に交流的又は直流的な電圧を与えた場合、一連の線状部分１８ａは、ｘ方向に関して略等しい屈折率変化が生じることになる。第１及び第２導電部５２ａ，５２ｂ間に付与する電圧によって線状部分１８ａ全体の屈折率をｘ方向に関して変化させる屈折率変調を行うことができる。よって、例えば光変調器１０にｘ方向に電界が一致するように偏光させた入射光を入射させた場合、線状部分１８ａの空間的な周期Λが対象波長程度かそれ以上であれば、反射光又は透過光である回折光の強度や位相や方向を第１及び第２導電部５２ａ，５２ｂ間に付与する電圧によって制御することができる。その一方で、線状部分１８ａの空間的な周期Λが対象波長よりも十分小さければ、反射光又は透過光である非回折光の強度や位相を第１及び第２導電部５２ａ，５２ｂ間に付与する電圧によって制御することができる。なお、光変調器１０に照射する入射光の偏光方向を、分極方向ＤＥに相当するｘ方向とすることにより、変調に必要な電圧を比較的小さくすることができる。
　図１に戻って、電圧印加部２０は、光変調器１０の第１及び第２導電部５２ａ，５２ｂ間に用途に応じた所定の電圧を供給する。第１及び第２導電部５２ａ，５２ｂ間には、例えばパルス電圧、高周波信号、直流的信号等の各種電圧信号が印加される。
　制御部３０は、コンピューターその他のデジタル回路であり、電圧印加部２０の動作を制御している。制御部３０は、電圧印加部２０からパターン部１６に供給する電圧を変化させる。制御部３０は、電圧印加部２０が光変調器１０に印加する電圧パターンにデジタルデータ等を乗せることができ、光変調器１０の透過率、反射率等を所望の状態に調整する。
　図３Ａ～３Ｄを参照して、図２Ａに示す光変調器１０の製造方法の一例について説明する。
　図３Ａに示すように、Ｓｉ等からなる板状の基板層１２を準備し、この基板層１２上にＳｉＯ２等からなる下地層１４を物理蒸着その他によって一様に成膜し、この下地層１４上に高ドープＳｉ等からなる導電層１１６を物理蒸着その他によって成膜する。
　次に、図３Ｂに示すように、高ドープＳｉ等からなる導電層１１６をエッチングしてパターン部１６を形成する。導電層１１６のエッチングには、半導体製造工程で多用されているフォトリソグラフィ法等を用いることができ、これにより、精密に加工された線状部分１６ａを有するパターン部１６を形成することができる。なお、パターン部１６を一括して形成するのではなく、第１及び第２電極５１ａ，５１ｂと、第１及び第２導電部５２ａ，５２ｂとに分けて形成することができる。特に第１及び第２導電部５２ａ，５２ｂについては、後述するＥＯポリマー層１１８の作製後に形成することができる。この場合、結線のため、ＥＯポリマー層１１８の作製後に電極５１ａ，５１ｂの一端を露出させておく必要がある。
　次に、図３Ｃに示すように、パターン部１６の隙間１６ｃ（図３Ｂ参照）を充填してパターン部１６全体を覆うようにＥＯポリマー層１１８を形成する。ＥＯポリマー層１１８は、例えば予め準備したＥＯポリマー材料をパターン部１６上にスピンコートし、溶媒の蒸発等によってＥＯポリマー材料を硬化させることによって形成される。
　その後、図３Ｄに示すように、パターン部１６上にＥＯポリマー層１１８を形成した前駆体２を加熱槽４に搬入して加熱しつつ、ＤＣ電源６からパターン部１６の第１及び第２導電部５２ａ，５２ｂ間に所期の分極に必要な所定の電圧を印加する。その後、第１及び第２導電部５２ａ，５２ｂ間に電圧をかけたままで前駆体２を常温まで冷却してＥＯポリマーの分極を固定することで、ＥＯポリマー層１１８が可変屈折率部１８として機能し、前駆体２から光変調器１０を得ることができる。
（実施例１）
　図４Ａ及び４Ｂは、図２Ａに示すタイプの実施例１の光変調器１０の共振特性を説明するチャートである。図４Ａは、実施例１の光変調器１０の反射光強度を示し、図４Ｂは、同光変調器１０の反射光位相を示す。両チャートにおいて、横軸は波長〔ｎｍ〕を示し、縦軸は相対的な反射強度又は位相変化を示す。なお、実線はＥＯポリマーの屈折率ｎＥＯが１．６００の場合であり、点線はＥＯポリマーの屈折率ｎＥＯが１．６０５の場合である。光変調器１０に照射する入射光は、光変調器１０が延びるｘｙ面に対して法線方向である＋ｚ方向から入射させ、入射光の偏光方向は、分極方向ＤＥに相当するｘ方向とした。
　図４Ｃ及び４Ｄは、図２Ａに示すタイプの実施例１の光変調器１０の波長１５４６ｎｍにおける動作特性を説明する図である。図４Ｃは、実施例１の光変調器１０の反射光強度を示し、図４Ｄは、同光変調器１０の反射光位相を示す。両チャートにおいて、横軸は印加電圧によって変化する屈折率を示し、縦軸は相対的な反射強度又は位相変化を示す。
　上記共振特性及び動作特性を得るため、光変調器１０は、以下のような特性を有するものとした。具体的には、基板層１２を省略し、下地層１４が十分厚いとした。パターン部１６を構成する線状部分１６ａのｘ方向（横断方向）における空間的な周期Λを０．９μｍとし、線状部分１６ａのｘ方向（横断方向）における占有率ｓ／Λを０．７とし、線状部分１６ａのｚ方向（高さ方向）における厚みｔｇを２．２７μｍとした。また、可変屈折率部１８のＥＯポリマーの屈折率ｎＥＯは、電圧を印加しない状態で１．６００であるとし、規定の電圧を印加した状態で１．６０５であるとした。パターン部１６の線状部分１６ａは、Ｓｉであり、屈折率ｎＳｉを３．４８とし、下地層１４をＳｉＯ２とし、屈折率ｎＳｉＯ２を１．４４とした。ＥＯ係数ｒ３３が１００ｐｍ／Ｖであるとして、第１及び第２導電部５２ａ，５２ｂ間に印加する電圧を６．５Ｖとすると、屈折率変化量Δｎは約０．００５となる。なお、被覆部１８ｂの厚みｔ２は、無限に厚いとした。
　図４Ａ及び４Ｂから明らかなように、光変調器１０は、高い共振感度を有しており、共振波長の周辺では、大きな強度変調又は位相変調が得られることが分かる。また、ＥＯポリマーの屈折率ｎＥＯをΔｎ＝０．００５程度変化させることによって、共振波長を１ｎｍ程度以上変化させ得ることが分かる。
　図４Ｃ及び４Ｄから明らかなように、光変調器１０は、屈折率の変動に応じて反射光の強度又は位相を大きく変化させることが分かる。例えば、図４Ｃに示す例では、０．００１程度の屈折率変化によって反射光のＯＮ及びＯＦＦを切り換え可能であることが分かる。また、図４Ｄに示す例では、０．００３程度の屈折率変化によって反射光の位相を殆ど反転させ得ることが分かる。
（実施例２）
　図１５Ａ及び１５Ｂは、反射型強度変調器である実施例２の光変調器１０の反射特性を説明する図である。図１５Ａは、光変調器１０の反射スペクトルを示す。図１５Ａにおいて、横軸は波長〔ｎｍ〕を示し、縦軸は相対的な反射率（反射強度）を示す。また、図１５Ｂは、光変調器１０の波長１５５０ｎｍにおける反射強度変化を示す。図１５Ｂにおいて、横軸は可変屈折率部１８の屈折率変化量を示し、縦軸は反射率の対数を示す。
　実施例２の光変調器１０は、図２Ａ等に示す実施例１の光変調器１０と基本的な構造が一致するが、寸法条件等において異なるものとなっている。具体的には、基板層１２を省略し、ＳｉＯ２製の下地層１４と、Ｓｉ製のパターン部１６と、ＥＯポリマー製の可変屈折率部１８とを有する構成とした。パターン部１６を構成する線状部分１６ａのｘ方向（横方向）における空間的な周期Λを５８８ｎｍとし、線状部分１６ａのｘ方向における占有率ｓ／Λを０．５とし、線状部分１６ａのｚ方向（高さ方向）における厚みｔｇを８５６ｎｍとした。また、可変屈折率部１８のＥＯポリマーの屈折率は、電圧を印加しない状態で１．６００（つまり、屈折率変化量Δｎ＝０）であるとし、規定の電圧を印加した状態で屈折率変化量Δｎが－０．０１～０．０１となるように変化させた。第１及び第２導電部５２ａ，５２ｂ間に印加する変調信号電圧を０．５Ｖｐｐ以下の範囲で変化させた。
　図１５Ａに示すように、５×１０４以上のＱ値を有する共振波長が屈折率変化とともにシフトしていることが分かる。これにより、光変調器１０によって、特定の波長のみを反射させることができる。
　図１５Ｂに示すように、屈折率変化量｜Δｎ｜＝３．８×１０－４で反射率が約１０ｄＢ下がることが分かる。つまり、わずか１０－４のオーダーの屈折率変化で、約１０ｄＢの強度変調が得られる。
　図５は、図２Ａに示す光変調器１０の変形例を説明する側方断面図である。図５に示す光変調器１１０は、反射型の変調器であり、図２Ａに示す光変調器１０の基板層１２を反射膜１１２に置き換えたものとなっている。このため、光変調器１０への入射光は、変調された反射光の射出光として光変調器１０から逆方向に射出される。反射膜１１２は、例えばＡｕ等の金属で形成される。図５に示す光変調器１１０は、主に位相変調器として用いられる。
（実施例３）
　図６Ａ及び６Ｂは、図５に示すタイプの実施例３の光変調器１１０の共振特性を説明するチャートである。図６Ａは、実施例３の光変調器１１０の反射光強度を示し、図６Ｂは、同光変調器１１０の反射光位相を示す。横軸は波長〔ｎｍ〕を示し、縦軸は相対的な反射強度又は位相変化を示す。なお、実線はＥＯポリマーの屈折率ｎＥＯが１．６００の場合であり、点線はＥＯポリマーの屈折率ｎＥＯが１．６０５の場合である。図６Ａでは、波長や屈折率に関わらず反射率が１．０となっており、光強度を変化させずに、位相のみを変化させる位相変調器になっている。
　図６Ｃ及び６Ｄは、図５に示すタイプの実施例３の光変調器１１０の動作特性を説明する図である。図６Ｃは、実施例３の光変調器１１０の反射光強度を示し、図６Ｄは、同光変調器１１０の反射光位相を示す。横軸は印加電圧によって変化する屈折率を示し、縦軸は相対的な反射強度又は位相変化を示す。
　以上において、光変調器１０に照射する入射光は、光変調器１０が延びるｘｙ面に対して法線方向である＋ｚ方向から入射させ、入射光の偏光方向は、分極方向ＤＥに相当するｘ方向とした。
　上記共振特性及び動作特性を示す図５の構造を有する実施例３の光変調器１１０は、下地層１４、パターン部１６、及び可変屈折率部１８に関して、図２Ａに示す光変調器１０と同一の構造を有する。すなわち、空間的な周期Λ、占有率ｓ／Λ、厚みｔｇ、屈折率ｎＳｉ，ｎＳｉＯ２、ＥＯ係数ｒ３３等のパラメータは同じとした。なお、この光変調器１１０の場合、下地層１４のｚ方向（高さ方向）における厚みｈを１．２３μｍとした。
　図６Ｂから明らかなように、光変調器１１０は、高い共振感度を有しており、共振波長の周辺では、大きな位相変調が得られることが分かる。また、ＥＯポリマーの屈折率ｎＥＯをΔｎ＝０．００５程度変化させることによって、共振波長を１ｎｍ程度以上変化させ得ることが分かる。
　図６Ｄから明らかなように、光変調器１１０は、屈折率の変動に応じて反射光の位相を大きく変化させることが分かる。例えば、図６Ｄに示す例では、０．００３程度の屈折率変化によって反射光の位相を殆ど反転させ得ることが分かる。
（実施例４）
　図１６Ａ及び１６Ｂは、全反射型位相変調器である実施例４の光変調器１１０の反射及び位相特性を説明する図である。図１６Ａにおいて、上段は光変調器１１０の反射特性を示し、下段は位相特性を示す。図１６Ａにおいて、横軸は波長〔ｎｍ〕を示し、縦軸は相対的な反射率（反射強度）又は反射光位相〔ｒａｄ〕を示す。また、図１６Ｂは、光変調器１１０の波長１５５０ｎｍにおける位相変化を示す。図１６Ｂにおいて、横軸は可変屈折率部１８の屈折率変化量を示し、縦軸は相対的な反射光位相〔ｒａｄ〕を示す。
　実施例４の光変調器１１０は、図５に示す実施例３の光変調器１１０と基本的な構造が一致するが、寸法条件等において異なるものとなっている。具体的には、ＳｉＯ２製の下地層１４と、Ｓｉ製のパターン部１６と、ＥＯポリマー製の可変屈折率部１８とを有する構成とした。また、下地層１４のパターン部１６の反対側の面に、Ａｇ製の反射膜１１２を設けた。パターン部１６を構成する線状部分１６ａのｘ方向（横方向）における空間的な周期Λを５８８ｎｍとし、線状部分１６ａのｘ方向における占有率ｓ／Λを０．５とし、線状部分１６ａのｚ方向（高さ方向）における厚みｔｇを８５６ｎｍとした。また、可変屈折率部１８のＥＯポリマーの屈折率は、電圧を印加しない状態で１．６００（つまり、屈折率変化量Δｎ＝０）であるとし、規定の電圧を印加した状態で屈折率変化量Δｎが－０．０１～０．０１となるように変化させた。第１及び第２導電部５２ａ，５２ｂ間に印加する変調信号電圧を１Ｖｐｐ以下の範囲で変化させた。
　図１６Ａの上段に実線で示すように、屈折率が変化しても反射率は９５％以上であり、屈折率に関係なく全反射することが分かる。また、図１６Ａの下段に点線で示すように、屈折率変化とともに位相が変化することが分かる。これにより、光変調器１１０によって、反射光の強度をほとんど変化させずに、位相のみを変化させることができる。
　図１６Ｂに示すように、屈折率変化量｜Δｎ｜＝５．４×１０－４で位相が約πシフトしていることが分かる。つまり、わずか１０－４のオーダーの屈折率変化で、約πの位相変調が得られる。
　以上で説明した光変調器１０によれば、パターン部１６に電圧を印加して可変屈折率部１８に電界を形成することにより、電気光学効果で可変屈折率部１８の屈折率が変化し、パターン部１６が延在する面に交差する垂直方向等から入射する光の反射及び透過を正確に制御することができる。また、対象とする入射光を垂直方向等から入射させる構造であるため、光変調器１０を省スペースで２次元的にアレイ化することができる。また、上記構造を有する光変調器１０は、ＭＥＭＳプロセス等で容易に作製することができる。
　〔第２実施形態〕
　以下、第２実施形態に係る光変調器及びこれを組み込んだ光変調装置について説明する。なお、第２実施形態に係る光変調器等は、第１実施形態を変形したものであり、特に説明しない部分については、第１実施形態と同様であり説明を省略する。
　本実施形態は、第１実施形態のパターン部１６及び可変屈折率部１８の形状等を変化させたものである。例えば、同じ周期間隔でパターン部１６の線状部分１６ａの横幅ｓ及び可変屈折率部１８の線状部分１８ａの横幅ｓ'の少なくとも一方の配分を変化させる。線状部分１６ａ，１８ａの横幅ｓ，ｓ'については、線状部分１６ａ，１８ａの長手方向及び短手方向の少なくともいずれかを変化させる。
　図７Ａに示すように、光変調器２１０は、可変屈折率部１８の線状部分１８ａのｘ方向の横幅ｓ'が長手のｙ方向の位置に応じて徐々に変化するものとなっている。この結果、線状部分１６ａに印加されるｘ方向の電界強度がｙ方向の位置に応じて徐々に変化するものとなる。つまり、線状部分１８ａに生じさせる電気光学効果がバラツキを有するものとなって、屈折率変化量Δｎが広がりを有するものとなり、図４Ａ及び４Ｂ等に示す光変調器１０の共振特性を滑らかで緩やかなものとできる。
　また、図７Ｂに示すように、光変調器２１０は、可変屈折率部１８の線状部分１８ａのｘ方向の横幅ｓ'が縦のｚ方向の位置に応じて徐々に変化するものとなっている。具体的には、線状部分１８ａのｘｚ断面は台形状となっている。この結果、線状部分１６ａに印加されるｘ方向の電界強度がｚ方向の位置に応じて徐々に変化するものとなる。つまり、線状部分１８ａに生じさせる電気光学効果がバラツキを有するものとなって、屈折率変化量Δｎが広がりを有するものとなり、図４Ａ及び４Ｂ等に示す光変調器１０の共振特性を滑らかで緩やかなものとできる。
　また、パターン部１６及び可変屈折率部１８は、下地層１４の位置によって周期間隔を変化させてもよい。なお、線状部分１６ａ，１８ａのいずれか一方の横幅ｓ，ｓ'が同じでも、他方の線状部分１８ａ，１６ａのいずれかの横幅ｓ'，ｓが異なることで周期間隔が変化する場合がある。図７Ｃに示すように、光変調器２１０は、可変屈折率部１８の線状部分１８ａの配列間隔が周期的に増減している。この結果、線状部分１６ａに印加されるｘ方向の電界強度がｘ方向の位置に応じて徐々に変化するものとなる。つまり、線状部分１８ａに生じさせる電気光学効果がバラツキを有するものとなって、屈折率変化量Δｎが広がりを有するものとなり、図４Ａ及び４Ｂ等に示す光変調器１０の共振特性を滑らかで緩やかなものとできる。また、入射するビーム形状に合わせて周期間隔を変化させることにより、共振特性を最適なものにすることもできる。
　〔第３実施形態〕
　以下、第３実施形態に係る光変調器及びこれを組み込んだ光変調装置について説明する。なお、第３実施形態に係る光変調器等は、第１実施形態を変形したものであり、特に説明しない部分については、第１実施形態と同様であり説明を省略する。
　図８に示す光変調器３１０は、下地層１４とパターン部１６と可変屈折率部１８とを一組とする変調層１０ａを複数積層した構造を有する。図示の例では、下側の変調層１０ａと上側の変調層１０ａとで、線状部分１６ａの延びる方向が交差（具体的には直交）しており、各変調層１０ａの分極の方向も交差するものとなっている。本実施形態においても、変調層１０ａを構成するパターン部１６は、下地層１４の平面に沿ってそれぞれ配列されている。
　〔第４実施形態〕
　以下、第４実施形態に係る並列型の光送信装置について説明する。なお、第４実施形態に係る光送信装置は、第１実施形態の光変調器又は光変調装置を組み込んだものであり、特に説明しない部分については、第１実施形態と同様であり説明を省略する。
　図９に示す光送信装置９１は、マトリクス状に２次元配置された多数の光源７１ａを含む光源部７１と、マトリクス状に２次元配置された多数の光変調器１０を含む変調部７２とを備える。光源部７１を構成する各光源７１ａは、例えばＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting LASER）と呼ばれる面発光レーザーであり、板状の光源部７１の法線方向に光源光を出力する。変調部７２において、変調部７２を構成する各光変調器１０は、図２Ａ等に示す構造を有する垂直入射型の透過光変調器である。各光変調器１０は、各光源７１ａに対向して配置されており、各光源７１ａからの光源光を変調して信号光ＬＳ１を形成する。
　図示の光送信装置９１は、光通信又は光インターコネクト分野において、並列通信技術に応用可能である。光源７１ａの出力を直接変調する場合、変調速度を高めることが容易でないが、光変調器１０によって外部変調を行うことにより、高速度での光変調が可能になる。
　〔第５実施形態〕
　以下、第５実施形態に係る並列型の光受信装置等について説明する。なお、第５実施形態に係る光受信装置等は、第１実施形態の光変調器又は光変調装置を組み込んだものであり、特に説明しない部分については、第１実施形態と同様であり説明を省略する。
　図１０に示す光受信装置９２は、マトリクス状に２次元配置された多数の光検出器１７１ａを含む受光部１７１と、マトリクス状に２次元配置された多数の光変調器１０を含む変調部７２とを備える。光検出器１７１ａを構成する各光検出器１７１ａは、例えば２次元配列型のフォトダイオードであり、板状の変調部７２の法線方向から入射した信号光を検出する。変調部７２において、変調部７２を構成する各光変調器１０は、図２Ａ等に示す構造を有する垂直入射型の透過光変調器である。各光変調器１０は、各光検出器１７１ａに対向して配置されており、各光検出器１７１ａに入射する信号光ＬＳ２に対して透過光波長を高速に切り替える可変フィルターとなっている。変調部７２をマトリックス状のゲート又はスイッチとして用いることで、光検出器１７１ａの動作速度を維持した迅速で省電力な受信波長の切り替えが可能になる。
　図１０に示す光受信装置９２は、例えば波長多重パッシブ光ネットワーク（ＷＤＭ－ＰＯＮ）システムの受光素子として用いることができる。
　図１１に示す画像検出装置９４は、マトリクス状に２次元配置された多数の検出画素２７１ａを含む受光部２７１と、マトリクス状に２次元配置された多数の光変調器１０を含む変調部２７２とを備える。画像検出装置９４も光受信装置として機能する。なお、図示の例では、３×３個の画素のみを示すが、通常は縦又は横の一列が１００～１０００以上の画素からなる。また、説明の便宜上、入射側の結像レンズや偏光フィルターについては説明を省略している。
　受光部２７１は、ＣＣＤ又はＣＭＯＳ撮像素子及びその駆動回路で構成される。変調部２７２は、可変フィルターアレイである。変調部２７２において、変調部２７２を構成する各光変調器１０は、図２Ａ等に示す構造を有する垂直入射型の透過光変調器である。各光変調器１０は、各検出画素２７１ａに対向して配置されており、各検出画素２７１ａに入射する画像光に対して透過波長を規定する波長フィルターとなっている。変調部２７２の前段には、偏光フィルターを配置することもできる。なお、各光変調器１０は、一辺がサブミクロン～数ミクロンの矩形窓になっており、そのパターン部１６には、１０周期分程度以上の格子を形成する線状部分１６ａを設けている。
　この画像検出装置９４では、画像を維持したままで受光部２７１に入射する画像光の波長を調整できる。つまり、対象について特定の波長成分のみのイメージングを行うことができ、駆動電圧の調整によってイメージング波長を多段かつ連続的に切り換えることができる。
　図１２は、図１１に示す画像検出装置９４の応用例を説明する図である。図１１に示す例では、変調部２７２全体で透過波長を変更することを前提としていたが、画素単位で透過波長を変更することもできる。図１２に示す例では、第１列Ｃ１が第１波長のフィルターとして機能し、第２列Ｃ２が第２波長のフィルターとして機能し、第３列Ｃ３が第３波長のフィルターとして機能している。第１波長、第２波長、第３波長は互いに異なり、３色のフィルターを一組として像検出を行うことができる。ここで、第１波長、第２波長、第３波長は、例えば赤色、緑色、及び青色とすることができ、この場合、カラー画像を取得することができる。
　〔第６実施形態〕
　以下、第６実施形態に係る波面合成装置について説明する。なお、第６実施形態に係る波面合成装置は、第１実施形態の反射型光変調器（図５参照）を組み込んだものである。
　図１３に示す波面合成装置９５は、マトリクス状に２次元配置された多数の反射型光変調器１０を含む変調部３７２を備える。なお、図示の例では、３×３個の画素のみを示すが、通常は縦又は横の一列が１００～１０００以上の画素からなる。また、説明の便宜上、結像レンズ等については省略している。
　変調部３７２において、変調部３７２を構成する各光変調器１０は、図５に示す構造を有する垂直入射型の反射型光変調器である。各光変調器１０は、一辺がサブミクロン～数ミクロンの矩形窓になっており、そのパターン部１６には、１０周期分程度以上の格子を形成する線状部分１６ａを設けている。
　この波面合成装置９５では、変調部３７２に入射する照明光Ｌ１の位相を、各光変調器１０のセル毎に独立に調整し、出力光Ｌ２として反射する。つまり、サブミクロン～数ミクロンの空間解像度で任意の波面を合成することができ、駆動電圧の調整によって高速に切り換えることができる。
　図１４は、図１３に示す波面合成装置９５を観察装置９６に応用した例を説明する図である。
　図１４に示す例では、波面合成装置９５において、照明光Ｌ１のビーム波面を所望の状態に変更した出力光Ｌ２を形成する。集光光学系８４は、サンプルＳＡに出力光Ｌ２を照射し、対物光学系８５は、サンプルＳＡからの画像光Ｌ３を画像検出装置８６の検出面上に結像する。画像検出装置８６は、ＣＣＤ又はＣＭＯＳ撮像素子及びその駆動回路で構成される。
　ここで、波面合成装置９５は、入力情報に基づく波面合成を可能にし、予めキャンセルすべき波面情報又は位相情報を出力光Ｌ２から除く補償によってサンプルＳＡ中の対象部分の映像を波長以下の空間分解能で画像検出装置８６の検出面上に形成する。この観察装置（光イメージング装置）９６は、バイオセンシング、生体イメージング等の各種分野に応用可能である。
　なお、図１４では、波面合成装置９５に照明光Ｌ１を斜め入射させているが、ビームスプリッターを用いれば波面合成装置９５に照明光Ｌ１を垂直入射させることもできる。
　以上の実施形態で説明された構造、形状、大きさ及び配置関係については、本発明を理解できる程度に概略的に示したものにすぎない。したがって、本発明は、以上の実施形態に限定されるものではなく、その思想の範囲内において様々な形態に変更することができる。
　例えば、複数の光変調器１０で構成される波面合成装置９５（図１３参照）は、光ビームの空間モード変換に適用できる。具体的には、ある１つの決まった波面の光（例えばガウシアンビーム）が入射されたときに、その波面を調整して高次空間モード（例えば、２つ以上のピークがあるビーム）に変換することができる。このような波面合成装置９５又は空間光変調装置は、光路を分岐し動的に切り換える光分岐スイッチとして機能させることができる。
　また、光変調器１０の各セルの位相を線形に変化させることで、出力光の出射方向を高速に制御することができ、高速な並列光スイッチとして用いることができる。このような並列光スイッチは、データーセンター内ネットワークや、光通信システムにおいて、光の経路を高速に切り替える装置に適用できる。
　以上では、全ての第１電極５１ａに同一の電圧を印加し、全ての第２電極５１ｂに同一の電圧を印加しているが、第１及び第２導電部５２ａ，５２ｂを個別に或いは複数組毎に設けることで、各電極５１ａ，５１ｂ又は各組に異なる電圧を印加することができる。
　既述のように、可変屈折率部１８に入射させる光をパターン部１６の面（又は入射面ＩＳ）に対して垂直方向に入射させるだけでなく、可変屈折率部１８に入射させる光を入射面ＩＳに対して斜め方向に入射させてもよい。つまり、光変調装置１００において、光変調器１０に傾斜光が入射される。入射光又は傾斜光の傾きは、光変調器１０又は光源を傾けることで調整する。入射光の傾きを調整することにより、光変調器１０の動作波長を変更することができる。傾き方向については、周期方向と非周期方向とが考えられる。特に、非周期方向、すなわち入射面ＩＳに垂直、かつパターン部１６の線状部分１６ａの長手方向に平行な面に沿って入射光を傾斜させると、広い範囲で動作波長を変更することができる。初期設定で入射角度を波長変化に対する感度が高い所定の角度に傾けておけば、数度の傾きで動作波長を幅広く網羅することができる。
　上記実施形態において、光変調器１０に照射する入射光の偏光方向を、分極方向ＤＥに相当するｘ方向とする例を挙げたが、分極方向ＤＥに垂直なｙ方向としてもよい。これにより、パターン部１６の厚みｔｇを薄くすることができ、光変調器１０の製造をより容易にすることができる。
　上記実施形態において、パターン部１６を下地層１４の平面に沿って配列させたが、下地層１４を湾曲状の面として、その湾曲面上に配列させてもよい。湾曲面としては、例えば、シリンドリカル面や非球面等がある。

Claims (17)

  1. 　第１屈折率材料で形成された下地層と、
    　前記下地層上に、前記第１屈折率材料と異なる屈折率を有するとともに導電性を有する第２屈折率材料で形成された複数の部分を有するパターン部と、
    　前記第２屈折率材料と異なる屈折率を有し電界下で屈折率が変化する第３屈折率材料で形成されるとともに前記パターン部の前記複数の部分間を充填する可変屈折率部とを備える光変調器。
  2. 　前記第２屈折率材料は、前記第１屈折率材料よりも高い屈折率を有する誘電体及び金属のいずれかであり、前記第３屈折率材料は、前記第２屈折率材料よりも低い屈折率を有する材料及び前記第１屈折率材料と同等の屈折率を有する材料のいずれかである、請求項１に記載の光変調器。
  3. 　前記下地層及び前記可変屈折率部は、絶縁性を有する、請求項１及び２のいずれか一項に記載の光変調器。
  4. 　前記パターン部は、高ドープ半導体及び金属のいずれかで形成されている、請求項１から３までのいずれか一項に記載の光変調器。
  5. 　前記可変屈折率部は、電気光学ポリマーで形成されている、請求項１から４までのいずれか一項に記載の光変調器。
  6. 　前記パターン部は、前記下地層の面に沿って配列されている、請求項１から５までのいずれか一項に記載の光変調器。
  7. 　前記パターン部は、周期的構造を有する、請求項１から６までのいずれか一項に記載の光変調器。
  8. 　前記複数の部分は、同一形状を有する、請求項１から７までのいずれか一項に記載の光変調器。
  9. 　前記パターン部は、格子状の形状を有する、請求項１から８までのいずれか一項に記載の光変調器。
  10. 　前記複数の部分は、前記複数の部分に交互に逆向きの電圧を印加する、請求項１から９までのいずれか一項に記載の光変調器。
  11. 　前記パターン部の空間的な周期は、使用波長以下である、請求項１から１０までのいずれか一項に記載の光変調器。
  12. 　前記可変屈折率部により、強度変調及び位相変調のいずれか一方を行う、請求項１から１１までのいずれか一項に記載の光変調器。
  13. 　前記下地層の前記パターン部とは反対側に形成された反射膜を有する、請求項１２に記載の光変調器。
  14. 　請求項１から１３までのいずれか一項に記載の光変調器と、
    　前記光変調器の前記パターン部に電圧を供給する電圧印加部と、
    を備える光変調装置。
  15. 　前記電圧印加部から前記パターン部に供給する電圧を変化させる制御部をさらに備える、請求項１４に記載の光変調装置。
  16. 　前記光変調器に傾斜光を入射させる、請求項１４及び１５のいずれか一項に記載の光変調装置。
  17. 　並列型の光送信、並列型の光受信、及び波面合成のいずれかの用途に用いられる、請求項１４から１６までのいずれか一項に記載の光変調装置。
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