WO2020137632A1 - 光変調器 - Google Patents

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optical modulator
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Definitions

  • the present invention relates to an optical modulator.
  • Patent Document 1 discloses an optical modulator that modulates incident light, and an optical modulator that incorporates the optical modulator.
  • This optical modulator includes a base layer, a pattern portion, and a variable refractive index portion.
  • the base layer is made of the first refractive index material.
  • the pattern portion is provided on the base layer and has a plurality of portions.
  • the plurality of portions are made of a second refractive index material having a refractive index different from that of the first refractive index material and having electrical conductivity.
  • the variable refractive index portion is made of a third refractive index material which has a refractive index different from that of the second refractive index material and whose refractive index changes under an electric field.
  • the variable refractive index portion fills a plurality of portions of the pattern portion.
  • Non-Patent Document 1 discloses an optical modulator that modulates UV light (wavelength 355 nm) using the Pockels effect.
  • the inventors found the following problems. That is, in recent years, for example, in the fields of laser processing and microscope observation, a technique for obtaining a desired time waveform and a focused shape by modulating light using a spatial light modulator (SLM) has been realized. ing.
  • SLM spatial light modulator
  • an SLM an LCOS (Liquid Crystal On Silicon) type SLM that modulates the phase of light in a liquid crystal layer is known.
  • LCOS Liquid Crystal On Silicon
  • the response to the input of the control signal is slow, and therefore an SLM capable of high-speed modulation is desired.
  • the present invention has been made to solve the above problems, and an object thereof is to provide an optical modulator capable of high-speed modulation as compared with an SLM using a liquid crystal.
  • an optical modulator includes a plurality of refractive index regions, a first conductive film, and a second conductive film.
  • the plurality of refractive index regions are sequentially arranged on the reference surface at a constant array pitch so as to form a grating along the first direction on the reference surface.
  • each of the plurality of refractive index regions includes a pair of side surfaces including a non-linear optical crystal and sequentially arranged along the first direction while intersecting with the first direction.
  • the first conductive film is selected from a plurality of refractive index regions and is provided on one of the pair of side faces in one or more refractive index regions belonging to the first group.
  • the second conductive film is selected from a plurality of refractive index regions, and in one or more refractive index regions belonging to the second group, one of the pair of side surfaces does not overlap with the first conductive film. It is provided on the side of the. Further, each of the plurality of refractive index regions is surrounded by a region having a refractive index lower than that of each of the plurality of refractive index regions.
  • optical modulator it is possible to perform high-speed modulation as compared with an SLM using liquid crystal.
  • FIG. 1 is a plan view showing an optical modulator 1A according to this embodiment.
  • FIG. 2 is a sectional view of the optical modulator 1A taken along the line II-II of FIG.
  • FIG. 3A and FIG. 3B are graphs showing examples of reflection characteristics of the optical modulator 1A by the plurality of first refractive index regions 7, respectively.
  • FIGS. 4A and 4B are graphs showing examples of reflection characteristics of the optical modulator 1A by the plurality of first refractive index regions 7, respectively.
  • FIG. 5 is a graph for explaining a phenomenon in which the wavelength range of the peak waveform P1 shifts according to the magnitude of the voltage.
  • a voltage is applied between the first conductive film 11 and the second conductive film 12 so that the refractive index of the first refractive index region 7 is in a range of ⁇ 0.01.
  • 7 is a graph showing a phase change of outgoing light Lout with respect to incident light Lin when the phase is changed inside.
  • 7A and 7B a voltage is applied between the first conductive film 11 and the second conductive film 12 so that the refractive index of the first refractive index region 7 is in a range of ⁇ 0.01.
  • 7 is a graph showing a phase change of outgoing light Lout with respect to incident light Lin when the phase is changed inside.
  • a voltage is applied between the first conductive film 11 and the second conductive film 12 so that the refractive index of the first refractive index region 7 is in a range of ⁇ 0.01.
  • 7 is a graph showing a phase change of outgoing light Lout with respect to incident light Lin when the phase is changed inside.
  • 9A to 9C are cross-sectional views showing each step in the method of manufacturing the optical modulator 1A.
  • 10A and 10B are cross-sectional views showing each step in the method of manufacturing the optical modulator 1A.
  • FIG. 11A and FIG. 11B are cross-sectional views showing each step in the method of manufacturing the optical modulator 1A.
  • 12(a) and 12(b) show that the refractive index of the first refractive index region 7 is within ⁇ 0.01 by applying a voltage between the first conductive film 11 and the second conductive film 12.
  • 7 is a graph showing the phase change of the output light Lout with respect to the input light Lin when the refractive index change amount is ⁇ 0.01 in the operation of changing the inside.
  • 13A and 13B show that the refractive index of the first refractive index region 7 is within a range of ⁇ 0.01 by applying a voltage between the first conductive film 11 and the second conductive film 12.
  • 7 is a graph showing the phase change of the outgoing light Lout with respect to the incident light Lin when the refractive index change amount is 0 in the operation of changing the inside.
  • the refractive index of the first refractive index region 7 is within ⁇ 0.01 by applying a voltage between the first conductive film 11 and the second conductive film 12.
  • 7 is a graph showing a phase change of the output light Lout with respect to the input light Lin when the refractive index change amount is +0.01 in the operation of changing the inside.
  • FIG. 15 is a schematic view showing a one-dimensional non-equilibrium Fabry-Perot resonator structure.
  • 16A and 16B are graphs showing the relationship between the wavelength of the incident light Lin and the phase change amount ⁇ .
  • FIG. 17 is a graph showing an example of the relationship between the refractive index change amount ⁇ n of each first refractive index region 7 and the phase difference of the emitted light Lout with respect to the incident light Lin.
  • FIG. 18 is a plan view showing an optical modulator 1B according to a modification.
  • the optical modulator according to the present embodiment includes, as one aspect thereof, a plurality of refractive index regions (a plurality of first refractive index regions), a first conductive film, and a second conductive film.
  • the plurality of refractive index regions are sequentially arranged on the reference surface at a constant arrangement pitch so as to form a grating along the first direction on the reference surface (adjacent refractive index regions are separated from each other). ..
  • each of the plurality of refractive index regions includes a pair of side surfaces including a non-linear optical crystal and sequentially arranged along the first direction while intersecting with the first direction.
  • the first conductive film is selected from a plurality of refractive index regions and is provided on one of the pair of side faces in one or more refractive index regions belonging to the first group.
  • the second conductive film is selected from a plurality of refractive index regions, and in one or more refractive index regions belonging to the second group, one of the pair of side surfaces does not overlap with the first conductive film. It is provided on the side of the. That is, one continuous conductive film is not provided on both the pair of side surfaces at the same time. Further, each of the plurality of refractive index regions is surrounded by a region having a refractive index lower than that of each of the plurality of refractive index regions.
  • the refractive index and the thickness of each of the plurality of refractive index regions are formed in the thickness direction (second direction orthogonal to the reference plane).
  • a high reflectance is obtained for light in a narrow wavelength region corresponding to the array pitch of the regions.
  • the refractive index of the plurality of refractive index regions changes according to the magnitude of the voltage due to the electro-optic effect in the nonlinear optical crystal. .. That is, the wavelength range where high reflectance is obtained shifts according to the magnitude of the voltage.
  • the reflectance changes depending on the magnitude of the applied voltage. Therefore, the intensity of the emitted light can be arbitrarily modulated with respect to the intensity of the incident light (that is, a light intensity modulator can be realized). Further, this modulation action is realized by the electro-optic effect of the solid-state nonlinear optical crystal, but the response of the nonlinear optical crystal to the input of the voltage signal is significantly faster than the response of the liquid crystal. That is, the optical modulator according to the present embodiment having the above-described structure has a quick response to the input of the control signal and enables high-speed modulation, as compared with the SLM using the liquid crystal.
  • the liquid crystal has low resistance to high-energy light such as ultraviolet light
  • the SLM using the liquid crystal is practically limited to use in a wavelength range of 400 nm or more, for example.
  • the resistance of the nonlinear optical crystal to high energy light such as ultraviolet light is much higher than that of the liquid crystal. Therefore, according to the present embodiment, it is possible to provide an optical modulator that is particularly useful for high energy light such as ultraviolet light.
  • the wavelength of 355 nm corresponds to the third harmonic of the YAG laser and is considered to be extremely useful as a laser processing application of carbon fiber reinforced plastics (Carbon Fiber Reinforced Plastics: CFRP).
  • CFRP Carbon Fiber Reinforced Plastics
  • CFRP is a material whose use is expanding in, for example, the automobile industry and the aerospace industry, and it is considered that it is desired to process the CFRP with ultraviolet light in the future.
  • At least one of the refractive index regions belonging to the first group also belongs to the second group.
  • the first conductive film is provided on one of the pair of side surfaces, and the first conductive film is provided on the other of the pair of side surfaces. Two conductive films may be provided.
  • the first group is a group to which the refractive index region in which the first conductive film is provided on any one of the pair of side surfaces belongs.
  • the second group is a group to which the refractive index region in which the second conductive film is provided on any one of the pair of side surfaces without overlapping the first conductive film belongs. Therefore, in the refractive index regions belonging to both the first and second groups, the first conductive film is provided on one of the pair of side surfaces and the second conductive film is provided on the other side (the first conductive film and the second conductive film). Conductive films are not overlapped). On the contrary, neither the first conductive film nor the second conductive film is provided on the pair of side surfaces of the refractive index region that does not belong to either the first group or the second group. Further, all of the plurality of refractive index regions may belong to both the first and second groups (the first and second conductive films are provided on the respective side surfaces of the plurality of refractive index regions without overlapping).
  • a material having a refractive index lower than the refractive index of each of the plurality of refractive index regions is embedded in a region surrounding each of the plurality of refractive index regions.
  • the low refractive index region can be arranged in a part of the periphery of the plurality of refractive index regions. Further, by filling the gaps between the plurality of refractive index regions, it becomes possible to increase the mechanical strength of the optical modulator.
  • the optical modulator may further include a low refractive index layer in contact with a plurality of refractive index regions so as to sandwich the reference plane.
  • the low refractive index layer has a refractive index lower than that of each of the plurality of refractive index regions. Also with such a configuration, it is possible to arrange the low refractive index region in a part of the periphery of the plurality of refractive index regions. Further, the presence of such a low refractive index layer makes it possible to easily form a plurality of refractive index regions thereon.
  • one of the first and second conductive films has the two adjacent refractive indices. It may be continuously provided on the mutually facing side surfaces of the index region and on a part of the low refractive index layer located between the mutually facing side surfaces. With such a configuration, formation of the first and second conductive films is facilitated.
  • the optical modulator has a plurality of refractions along a second direction orthogonal to the reference plane in a space on the opposite side of the plurality of refractive index regions with respect to the reference plane. You may further provide the light reflection layer provided in the state spaced apart from the index area
  • the region surrounding the plurality of refractive index regions (including the region between the plurality of refractive index regions and the light reflecting layer) has a lower refractive index than the plurality of refractive index regions.
  • the resonator structure is formed between the plurality of refractive index regions and the light reflecting layer, and the light reflectances of the plurality of refractive index regions serving as the other light reflecting layer are the first and the second as described above. 2 It is variable by applying a voltage to the conductive film.
  • the light incident on the optical modulator is emitted from the optical modulator in a phase according to the magnitude of the voltage applied to the first and second conductive films.
  • the optical modulator according to the present embodiment it is possible to modulate the phase of incident light to an arbitrary size (that is, an optical phase modulator can be realized).
  • the optical phase modulator having such a structure also has a quick response to the input of the control signal and enables high-speed modulation, as compared with the SLM using the liquid crystal.
  • the light reflection layer includes a metal film or a dielectric multilayer film. In this case, it becomes possible to easily realize a light reflecting layer having a high reflectance.
  • the optical distance between the light reflecting layer and the plurality of refractive index regions is an integral multiple of 1 ⁇ 4 of the wavelength of the incident light. Is preferred.
  • the phase modulation width can be further expanded. For example, phase modulation with a width of 2 ⁇ (rad) is also possible.
  • the nonlinear optical crystal preferably contains at least one of lithium niobate and lithium tantalate.
  • the nonlinear optical crystal includes cesium lithium borate CLBO (CsLiB 6 O 10 ), ⁇ -barium metaborate BBO ( ⁇ -BaB 2 O 4 ), and lithium borate LBO (LiB 3 O 5 ) may be included.
  • each of the first conductive film and the second conductive film preferably has optical transparency. In this case, it is possible to reduce the optical loss in each of the first conductive film and the second conductive film. That is, it can be expected that the light input/output efficiency of the optical modulator is improved.
  • each aspect listed in the [Description of Embodiments of the Invention of the Present Application] is applicable to each of all the remaining aspects, or to all combinations of these remaining aspects. ..
  • FIG. 1 is a plan view showing an optical modulator 1A according to this embodiment.
  • FIG. 2 is a sectional view of the optical modulator 1A taken along the line II-II of FIG.
  • the second refractive index region 9 shown in FIG. 2 is omitted for easy understanding.
  • the optical modulator 1A of the present embodiment includes a substrate 3, a light reflection layer 4, a low refractive index layer 5, a plurality of first refractive index regions 7, and a plurality of first refractive index regions 7.
  • the second refractive index region 9 region surrounding each of the plurality of first refractive index regions 7 ), the first conductive film 11, and the second conductive film 12.
  • the substrate 3 is a flat plate-shaped member having a flat main surface 3a and a flat back surface 3b facing the main surface 3a.
  • the main surface 3a and the back surface 3b are parallel to each other.
  • the substrate 3 mainly contains, for example, a nonlinear optical crystal or an inorganic material other than the nonlinear optical crystal.
  • the substrate 3 is made of a nonlinear optical crystal or an inorganic material other than the nonlinear optical crystal.
  • the nonlinear optical crystal include at least one of lithium niobate (LiNbO 3 ) and lithium tantalate (LiTaO 3 ).
  • nonlinear optical crystal cesium lithium borate CLBO (CsLiB 6 O 10 ), ⁇ -barium metaborate BBO ( ⁇ -BaB 2 O 4 ), and lithium borate LBO (LiB 3 O 5 ) are also used. Good.
  • the inorganic material other than the nonlinear optical crystal include silicon (Si).
  • the thickness of the substrate 3 is, for example, in the range of 400 to 1000 ⁇ m.
  • the light reflection layer 4 is provided when the optical modulator 1A is used as an optical phase modulator, and is not provided when the optical modulator 1A is used as a light intensity modulator.
  • the light reflection layer 4 has a plurality of first refractions, which will be described later, along the thickness direction (the second direction orthogonal to the reference plane) by the optical distance Z1. It is provided apart from the rate region 7.
  • a suitable optical distance between the light reflecting layer 4 and the plurality of first refractive index regions 7 is an integral multiple of 1/4 of the wavelength of incident light.
  • the light reflection layer 4 is in contact with the main surface 3 a of the substrate 3.
  • the light reflection layer 4 is made of, for example, a metal film, and is an aluminum (Al) film in one embodiment.
  • the thickness of the light reflection layer 4 is within the range of 10 to 150 nm, for example.
  • the light reflection layer 4 may have a multilayer metal structure of Cr (10 to 100 nm)/Au (10 nm to 150 nm)/Cr (10 to 100 nm) from the substrate 3 side.
  • the light reflection layer 4 may be composed of a dielectric multilayer film.
  • the dielectric multilayer film is formed by alternately stacking SiO 2 and HfO 2 , for example.
  • the optical film thickness of each layer of the light reflection layer 4 is an integral multiple of 1/4 of the wavelength of incident light, and the number of layers is, for example, 20 or more.
  • the low refractive index layer 5 is provided between the plurality of first refractive index regions 7 and the light reflecting layer 4 (or between the plurality of first refractive index regions 7 and the substrate 3) on the main surface 3a of the substrate 3. It is provided.
  • the surface of the low refractive index layer 5 opposite to the surface located on the substrate 3 side is in contact with the plurality of first refractive index regions 7.
  • the surface of the low refractive index layer 5 located on the substrate 3 side is in contact with the light reflection layer 4.
  • the optical distance Z1 between the plurality of first refractive index regions 7 and the light reflecting layer 4 is defined by the optical film thickness of the low refractive index layer 5.
  • the material forming the low refractive index layer 5 has an insulating property and has a refractive index lower than that of the material forming the plurality of first refractive index regions 7.
  • the low refractive index layer 5 mainly contains an inorganic material other than the nonlinear optical crystal.
  • the low refractive index layer 5 is made of an inorganic material other than the nonlinear optical crystal.
  • the inorganic material other than the nonlinear optical crystal include an insulating inorganic silicon compound such as SiO 2 or SiN.
  • the optical film thickness of the low refractive index layer 5 is preferably, for example, an integral multiple of 1 ⁇ 4 of the wavelength of incident light.
  • Each of the plurality of first refractive index regions 7 is provided on the low refractive index layer 5. Therefore, in the examples of FIGS. 1 and 2, the upper surface of the low refractive index layer 5 (the surface opposite to the surface located on the substrate 3 side) coincides with the reference surface.
  • the plurality of first refractive index regions 7 are arranged at a predetermined array pitch along a predetermined direction D1 (matching the first direction on the reference surface).
  • the predetermined direction D1 is a direction along the main surface 3a of the substrate 3, and in one example, a direction parallel to the main surface 3a of the substrate 3.
  • Each first refractive index region 7 has an insulating property and includes a nonlinear optical crystal.
  • each first refractive index region 7 comprises a non-linear optical crystal.
  • the nonlinear optical crystal include at least one of LiNbO 3 and LiTaO 3 .
  • CLBO CsLiB 6 O 10
  • BBO ⁇ -BaB 2 O 4
  • LBO LiB 3 O 5
  • the like are applicable as examples of the nonlinear optical crystal.
  • the plurality of first refractive index regions 7 are surrounded by regions having a refractive index lower than that of each of the plurality of first refractive index regions 7. That is, the low refractive index layer 5 is arranged below each first refractive index region 7 (on the side of the substrate 3 ), and the side surface of each first refractive index region 7 is surrounded by the second refractive index region 9 described later. Has been. Atmosphere exists above each of the first refractive index regions 7 (on the side opposite to the substrate 3), and the refractive index of the atmosphere is smaller than that of the first refractive index regions 7. In the present embodiment, the upper surface of each first refractive index region 7 is exposed and exposed to the atmosphere, but the upper surface of each first refractive index region 7 is covered with a protective film such as an inorganic silicon compound film. Good.
  • each first refractive index region 7 has a planar shape whose longitudinal direction is a direction D2 intersecting (for example, orthogonal to) the predetermined direction D1.
  • the plurality of first refractive index regions 7 are arranged along the respective lateral directions with a predetermined interval.
  • the arrangement pitch of the plurality of first refractive index regions 7 is, for example, 150 to 800 nm. And corresponds to the period that functions as a sub-wavelength grating for the wavelength of the incident light Lin. Further, as shown in FIG.
  • each first refractive index region 7 has a trapezoidal shape whose long side is on the low refractive index layer 5 side. Therefore, each side surface of each first refractive index region 7 is inclined with respect to the thickness direction of each first refractive index region 7.
  • the width of each first refractive index region 7 in the predetermined direction D1 gradually widens as it approaches the low refractive index layer 5, and the side surface intervals of the first refractive index regions 7 adjacent to each other face each other. It spreads gradually away from.
  • each first refractive index region 7 along the thickness direction is not limited to a trapezoidal shape, and may be, for example, a rectangular shape.
  • each side surface of each first refractive index region 7 extends along the thickness direction of each first refractive index region 7.
  • the width of each first refractive index region 7 in the predetermined direction D1 is uniform in the thickness direction, and the facing side surface intervals of the adjacent first refractive index regions 7 are also uniform in the thickness direction.
  • the plurality of first refractive index regions 7 may be connected to each other via a film-shaped portion including a non-linear optical crystal formed on the low refractive index layer 5.
  • each first refractive index region 7 (that is, the height along the second direction from the surface on the low refractive index layer 5 side) is, for example, in the range of 50 nm to 1 ⁇ m.
  • the width of each first refractive index region 7 in the predetermined direction D1 is within a range of 150 to 800 nm, for example.
  • the length in the direction D2 is within the range of 5 to 20 ⁇ m, for example.
  • the inclination angle ⁇ of the side surface of each first refractive index region 7 with respect to the upper surface of the low refractive index layer 5 is within the range of 70 to 90 degrees, for example.
  • the first conductive film 11 and the second conductive film 12 are light transmissive electrodes.
  • the light-transmitting conductive material include a zinc oxide (ZnO)-based conductive material (for example, AZO in which Al is added to ZnO), ITO, and the like.
  • the first conductive film 11 is provided on one side surface (first side surface) that intersects the predetermined direction D1 among the side surfaces of each first refractive index region 7, and the second conductive film 12 is on the side opposite to the one side surface. Is provided on the side surface (second side surface) of the.
  • the first conductive film 11 has a comb-shaped planar shape as shown in FIG. 1, and connects the plurality of voltage applying portions 11a and the plurality of voltage applying portions 11a to each other. And a connecting portion 11b for connecting.
  • the plurality of voltage applying portions 11a are portions provided in the gaps between the first refractive index regions 7 adjacent to each other, and have a shape having the direction D2 as the longitudinal direction.
  • each voltage application unit 11 a of the present embodiment includes the first refractive index regions 7 adjacent to each other from the side surface of one of the first refractive index regions 7 to the low refractive index layer 5. And it is provided continuously over the side surface of the other first refractive index region 7.
  • connection portion 11b is arranged on one side of both ends (a portion having a surface intersecting the direction D2) of each first refractive index region 7 on the low refractive index layer 5, and extends along the predetermined direction D1.
  • the connection part 11b is connected to one end of the plurality of voltage application parts 11a. A voltage signal is applied to each voltage application unit 11a from outside the optical modulator 1A via the connection unit 11b.
  • the second conductive film 12 also has a comb-shaped planar shape, and includes a plurality of voltage applying portions 12a and a connecting portion 12b connecting the plurality of voltage applying portions 12a to each other.
  • the plurality of voltage applying portions 12a are portions provided in the gaps between the first refractive index regions 7 adjacent to each other, and have a shape having the direction D2 as the longitudinal direction.
  • each voltage application unit 12 a of the present embodiment is arranged such that the first refractive index region 7 is adjacent to the first refractive index region 7 and the low refractive index layer 5 is arranged on the side surface of the first refractive index region 7. And it is provided continuously over the side surface of the other first refractive index region 7.
  • connection portion 12b is arranged on the other side of both ends (a portion having a surface intersecting the direction D2) of each first refractive index region 7 on the low refractive index layer 5, and extends along the predetermined direction D1.
  • the connecting portion 12b is connected to one end of the plurality of voltage applying portions 12a. A voltage signal is applied to each voltage application unit 12a from the outside of the optical modulator 1A via the connection unit 12b.
  • a gap is provided between each voltage applying portion 11a of the first conductive film 11 and the connecting portion 12b of the second conductive film 12 for electrically separating them. There is. Similarly, a gap is provided between each voltage application portion 12a of the second conductive film 12 and the connection portion 11b of the first conductive film 11 for electrically separating them.
  • the electric field E1 along the predetermined direction D1 is formed by the voltage applied between the connection portion 11b of the first conductive film 11 and the connection portion 12b of the second conductive film 12. .. Since the connection portions 11b of the first conductive film 11 and the connection portions 12b of the second conductive film 12 are alternately arranged in the predetermined direction D1, the directions of the electric fields E1 of the adjacent first refractive index regions 7 are opposite to each other. Becomes
  • each second refractive index region 9 fill the regions between the plurality of first refractive index regions 7, respectively. More specifically, each second refractive index region 9 is provided on the first conductive film 11 and the second conductive film 12, and covers the first conductive film 11 and the second conductive film 12. The upper surface of each second refractive index area 9 (the surface opposite to the substrate 3) and the upper surface of each first refractive index area 7 are flush with each other, forming one flat surface. ing.
  • the material forming each second refractive index region 9 is insulative and has a lower refractive index than the material forming each first refractive index region 7.
  • Each second refractive index region 9 mainly contains an inorganic material other than the nonlinear optical crystal.
  • each second refractive index region 9 is made of an inorganic material other than the nonlinear optical crystal. Examples of the inorganic material other than the nonlinear optical crystal include inorganic silicon compounds such as SiO 2 and SiN.
  • the plurality of first refractive index regions 7 are arranged in the predetermined direction D1 at regular intervals, and the periphery thereof is surrounded by the low refractive index region. That is, the plurality of first refractive index regions 7 form a grating (diffraction grating) along the predetermined direction D1.
  • the first refraction is performed. A high reflectance is selectively obtained with respect to the light Lin in a narrow wavelength region corresponding to the refractive index, the thickness, and the arrangement pitch of the index region 7.
  • FIGS. 4A and 4B show an optical modulator including a plurality of first refractive index regions 7 when the optical modulator 1A is a light intensity modulator (that is, when the light reflecting layer 4 is not provided). It is a graph which shows the example of the reflection characteristic of 1A. Further, FIGS. 4A and 4B show optical modulation by the plurality of first refractive index regions 7 when the optical modulator 1A is an optical phase modulator (that is, when the optical reflection layer 4 is provided). It is a graph which shows the example of the reflection characteristic of container 1A. In these graphs, the horizontal axis represents the wavelength ( ⁇ m) and the vertical axis represents the thickness of each first refractive index region 7 (indicated as “grating thickness ( ⁇ m)” in the figure).
  • the array pitch of the plurality of first refractive index regions 7 is 216 nm
  • the filling rate of the first refractive index regions 7 in the layer including the first refractive index regions 7 and the second refractive index regions 9 ( The duty ratio) is 70%.
  • the polarization direction of the incident light Lin is TE (that is, the polarization direction along the direction D2), and the incident light Lin enters from the direction perpendicular to the main surface 3a of the substrate 3. Referring to FIGS. 3A to 4B, when the thickness of the first refractive index region 7 is about 180 nm and the wavelength of the incident light Lin is 355 nm (FIGS. 3A and 4A).
  • a peak waveform P1 having a narrow half width and a high reflectance is generated at the position where the two white lines shown in () intersect.
  • Such a wavelength range of the peak waveform P1 is called a High-Q characteristic area. Due to this High-Q characteristic, the incident light Lin is strongly confined in the first refractive index region 7.
  • FIG. 5 is a graph for explaining such a phenomenon.
  • the vertical axis represents the reflectance and the horizontal axis represents the wavelength ( ⁇ m).
  • the light modulator 1A is a light intensity modulator (that is, when the light reflection layer 4 is not provided)
  • the intensity of the reflected light that is, the emitted light Lout
  • the intensity of the emitted light Lout can be arbitrarily modulated by controlling the applied voltage.
  • An intensity modulation type spatial light modulator (SLM) is realized by arranging such light modulators 1A two-dimensionally.
  • the optical modulator 1A is an optical phase modulator
  • the light reflecting layer 4 is separated from the plurality of first refractive index regions 7 by the optical distance Z1.
  • the region surrounding the plurality of first refractive index regions 7 is the region between the plurality of first refractive index regions 7 and the light reflecting layer 4, that is, the low refractive index layer 5) is the plurality of first refractive index regions. It has a refractive index lower than that of the index region 7. Therefore, a resonator structure is formed between the plurality of first refractive index regions 7 and the light reflecting layer 4.
  • the light reflectances of the plurality of first refractive index regions 7 serving as the other light reflecting layer are variable by applying a voltage to the first conductive film 11 and the second conductive film 12 as described above. ..
  • the light Lin that has entered the optical modulator 1A is modulated in a phase according to the magnitude of the voltage applied to the first conductive film 11 and the second conductive film 12.
  • the emitted light Lout is emitted from the optical modulator 1A.
  • the optical modulator 1A is an optical phase modulator
  • the phase of the incident light Lin can be modulated to an arbitrary magnitude.
  • FIG. 6A to 8B a voltage is applied between the first conductive film 11 and the second conductive film 12 so that the refractive index of the first refractive index region 7 is in a range of ⁇ 0.01.
  • 7 is a graph showing a phase change of outgoing light Lout with respect to incident light Lin when the phase is changed inside.
  • 6(a) and 6(b) show the case where the refractive index change amount is ⁇ 0.01
  • FIG. 7(a) and FIG. 7(b) show the case where the refractive index change amount is 0.
  • FIG. 8A and FIG. 8B respectively show the case where the refractive index change amount is +0.01.
  • FIG. 6A, FIG. 7A, and FIG. 8A show amplitude changes.
  • FIG. 7B, and FIG. 8B show the phase change.
  • the magnitude of the value is expressed by the shade of color.
  • the vertical axis represents the position in the device thickness direction (the incident light Lin is at the position of -1 ⁇ m and the substrate 3 is up to +2 ⁇ m) in the case of the unit cell (the grating has only one cycle), and the horizontal axis represents the position of the unit cell in the predetermined direction D1 Indicates.
  • the wavelength of the incident light Lin is 355 nm
  • the thickness of the low refractive index layer 5 that is, the distance between the plurality of first refractive index regions 7 and the light reflecting layer 4
  • the phase change amount of the outgoing light Lout with respect to the incident light Lin was about ⁇ /6 (rad), that is, 30°.
  • the optical modulator 1A of this embodiment can be used in a wide wavelength range of 290 nm to 5.5 ⁇ m by adjusting at least one of the refractive index, the thickness, and the arrangement pitch of the first refractive index region 7. Is.
  • laser processing with a wavelength of 355 nm, a wavelength of 532 nm, a wavelength of 1060 nm, or a wavelength of 1064 nm becomes possible. It also enables operation at a wavelength of 1.55 ⁇ m used in the optical communication field.
  • the modulation speed is determined by the RC time constants of the first conductive film 11 and the second conductive film 12, which are comb-teeth type electrodes, and can be operated at, for example, several GHz or more.
  • FIG. 9A to 11B are cross-sectional views showing each step in the method of manufacturing the optical modulator 1A.
  • the substrate 3 is prepared. The details of the substrate 3 are as described above.
  • the light reflection layer 4 is formed on the main surface 3a of the substrate 3 as needed.
  • the light reflecting layer 4 is made of a metal film
  • the light reflecting layer 4 is formed by, for example, vacuum deposition or sputtering.
  • the light reflecting layer 4 is made of a dielectric multilayer film
  • the light reflecting layer 4 is formed by, for example, vacuum deposition or sputtering.
  • the low refractive index layer 5 is formed on the light reflection layer 4 (or on the main surface 3a of the substrate 3) by the direct bonding method.
  • the low refractive index layer 5 is, for example, a SiO 2 layer.
  • the layer containing the nonlinear optical crystal is irradiated with He ions to modify the nonlinear optical crystal.
  • the position of the layer to be modified is determined depending on the acceleration voltage of He ions.
  • the modified nonlinear optical crystal is further directly bonded to the layer previously formed by the direct bonding method (see FIG. 9B).
  • the modified layer of the nonlinear optical crystal is separated by raising the temperature to form the layer 71 containing the nonlinear optical crystal shown in FIG. 9C.
  • an etching mask by photolithography or electron beam lithography is formed on the layer 71.
  • a plurality of first refractive index regions 7 are formed as shown in FIG.
  • the pattern shape of the etching mask corresponds to the planar shape of the plurality of first refractive index regions 7.
  • the etching is performed until the low refractive index layer 5 is exposed, and is stopped at the same time when the low refractive index layer 5 is exposed.
  • the etching is, for example, dry etching. Due to this dry etching condition, the cross-sectional shape of each first refractive index region 7 becomes rectangular.
  • the conductive film 13 is formed on the exposed portions (on the side surface and the upper surface) of the plurality of first refractive index regions 7 and on the exposed upper surface of the low refractive index layer 5. Is deposited.
  • the constituent material of the conductive film 13 is the same as the constituent material of the first conductive film 11 and the second conductive film 12.
  • the conductive film 13 is formed by a thin film forming method used in a semiconductor process such as an atomic layer deposition (ALD) method.
  • ALD atomic layer deposition
  • the dielectric layer 91 is deposited on the conductive film 13.
  • the dielectric layer 91 is made of the same material as the plurality of second refractive index regions 9.
  • the dielectric layer 91 may be thicker than the plurality of second refractive index regions 9 and may cover all portions including the tops of the plurality of first refractive index regions 7.
  • the tops of the plurality of first refractive index regions 7 may be exposed from the dielectric layer 91.
  • the dielectric layer 91 is formed by, for example, a vacuum vapor deposition method or a sputtering method.
  • the portions of the dielectric layer 91 and the conductive film 13 formed on the upper surfaces of the plurality of first refractive index regions 7 and the tops of the plurality of first refractive index regions 7 are polished.
  • the plurality of first refractive index regions 7 are exposed from the conductive film 13.
  • the dielectric layer 91 is divided and a plurality of second refractive index regions 9 are formed.
  • the conductive film 13 is divided with the first refractive index region 7 in between, and the first conductive film 11 including the voltage applying portion 11a and the second conductive film 12 including the voltage applying portion 12a are formed.
  • the effects obtained by the optical modulator 1A of the present embodiment described above will be described.
  • the above-mentioned modulation operation by the optical modulator 1A is realized by the electro-optical effect of the nonlinear optical crystal which is a solid. Then, the response of the nonlinear optical crystal to the input of the voltage signal is significantly faster than the response of the liquid crystal. Therefore, according to the optical modulator 1A of the present embodiment, compared to the SLM using the liquid crystal, the response to the input of the control signal is quick and the high speed modulation is possible.
  • the present embodiment can provide the optical modulator 1A that is particularly useful for high-energy light such as ultraviolet light.
  • the wavelength of 355 nm corresponds to the third harmonic of the YAG laser, and is considered to be extremely useful as a laser processing application of CFRP.
  • CFRP is a material whose use is expanding in, for example, the automobile industry and the aerospace industry, and it is considered that it is desired to process the CFRP with ultraviolet light in the future.
  • the region between the plurality of first refractive index regions 7 may be filled with the second refractive index region 9 having a refractive index lower than that of the plurality of first refractive index regions 7. .
  • the low refractive index regions can be arranged in a part of the periphery of the plurality of first refractive index regions 7. Further, by filling the gaps between the plurality of first refractive index regions 7, the mechanical strength of the optical modulator 1A can be increased.
  • the optical modulator 1A includes the low refractive index layer 5 that is in contact with the plurality of first refractive index regions 7 and has a refractive index lower than the refractive index of the plurality of first refractive index regions 7. May be.
  • the low refractive index regions can be arranged in a part of the periphery of the plurality of first refractive index regions 7.
  • the presence of such a low refractive index layer 5 makes it possible to easily form a plurality of first refractive index regions 7 thereon.
  • the light reflection layer 4 may include a metal film or a dielectric multilayer film. In this case, the light reflection layer 4 having a high reflectance can be easily realized.
  • the first conductive film 11 and the second conductive film 12 are formed on the side surface of the first refractive index region 7 adjacent to each other from the side of the low refractive index layer 5 and the first refractive index region 7 of the other. May be continuously provided over the side surface of the. This structure facilitates the formation of the first conductive film 11 and the second conductive film 12.
  • the nonlinear optical crystal may include at least one of lithium niobate and lithium tantalate. Furthermore, the nonlinear optical crystal may include at least one of cesium lithium borate, ⁇ -barium metaborate, and lithium borate.
  • the action of the optical modulator 1A described above can be suitably exhibited.
  • the Pockels effect in which the refractive index changes linearly with respect to the applied voltage is used, but the Kerr effect in which the refractive index changes quadratically with respect to the applied voltage is also used. Good.
  • the first conductive film 11 and the second conductive film 12 may be light transmissive. Thereby, the light loss in the 1st conductive film 11 and the 2nd conductive film 12 can be reduced, and the light entrance/exit efficiency of the optical modulator 1A can be improved.
  • the optical distance Z1 between the light reflection layer 4 and the plurality of first refractive index regions 7 may be an integral multiple of 1/4 of the wavelength of the incident light Lin.
  • the phase modulation width can be further expanded. For example, phase modulation with a width of 2 ⁇ (rad) is also possible.
  • the wavelength of the incident light Lin is 355 nm
  • the thickness of the low refractive index layer 5 is an integral multiple of 1/4 of the wavelength of the incident light Lin (specifically, 1.910 ⁇ m).
  • the incident light Lin when the voltage is applied between the first conductive film 11 and the second conductive film 12 and the refractive index of the first refractive index region 7 is changed within the range of ⁇ 0.01 5 is a graph showing changes in amplitude and phase of outgoing light Lout with respect to FIG. 12(a) and 12(b) show a case where the refractive index change amount is ⁇ 0.01, and FIGS. 13(a) and 13(b) show a case where the refractive index change amount is 0. 14(a) and FIG.
  • FIG. 14(b) respectively show the case where the refractive index change amount is +0.01. Further, FIG. 12A, FIG. 13A, and FIG. 14A show changes in amplitude when the optical modulator 1A is a light intensity modulator. 12(b), 13(b), and 14(b) show phase changes when the optical modulator 1A is an optical phase modulator. The magnitude of the value is expressed by the shade of color.
  • the vertical axis represents the position in the device thickness direction (the incident light Lin is at the position of -1 ⁇ m and the substrate 3 is up to +2 ⁇ m) in the case of the unit cell (the grating has only one cycle), and the horizontal axis represents the position of the unit cell in the predetermined direction D1 Indicates. Referring to FIG.
  • FIG. 15 is a schematic view showing a one-dimensional unbalanced Fabry-Perot resonator structure.
  • the resonator structure 60 includes a front surface reflection film 61, a back surface reflection film 62, and a cavity 63 provided therebetween.
  • the surface reflection film 61 corresponds to the grating structure of the first refractive index region 7 and the second refractive index region 9 in this embodiment, and the light reflectance thereof is less than 1.
  • the back surface reflection film 62 corresponds to the light reflection layer 4 in this embodiment.
  • FIG. 16A and 16B are graphs showing the relationship between the wavelength of the incident light Lin and the phase change amount ⁇ .
  • FIG. 16A shows the case where the reflectance of the surface reflection film 61 is 0.95
  • FIG. 16B shows the case where the reflectance of the surface reflection film 61 is 0.90.
  • the phase changes sharply in a certain wavelength range.
  • the structure has an extremely high reflectance as shown in FIGS. 4A and 4B, and thus the phase change can be made sharp.
  • the wavelength at which the phase change becomes steep depends on the thickness (optical film thickness) of the low refractive index layer 5.
  • the reflectance of the surface reflection film 61 changes slightly.
  • the characteristics of the grating composed of the plurality of first refractive index regions 7 change, and the reflectance of the surface reflection film 61 changes.
  • the phase can be modulated.
  • FIG. 17 is a graph showing an example of the relationship between the refractive index change amount ⁇ n of each first refractive index region 7 and the phase difference of the emitted light Lout with respect to the incident light Lin.
  • the substrate 3 and each first refractive index region 7 were made of LiTaO 3
  • the light reflection layer 4 was made of Al
  • the low refractive index layer 5 was made of SiO 2 .
  • 180° to ⁇ 180°, 360° or 2 ⁇ (rad) 180° to ⁇ 180°, 360° or 2 ⁇ (rad). It can be seen that the change in phase difference can be realized.
  • either the voltage applying portion 11a of the first conductive film 11 or the voltage applying portion 12a of the second conductive film 12 is provided in all the gaps between the plurality of first refractive index regions 7. There is. However, the voltage applying units 11a and 12a may be provided only in a part of the gap between the plurality of first refractive index regions 7.
  • FIG. 18 is a plan view showing an optical modulator 1B according to a modification of the above embodiment. In this optical modulator 1B, the voltage applying units 11a and 12a are provided only in a part of the gap between the plurality of first refractive index regions 7.
  • each first refractive index region 7 means a surface arranged along the predetermined direction D1 while intersecting with the predetermined direction D1. However, it does not include a surface arranged along the direction D2 in a state intersecting the direction D2 (direction orthogonal to the predetermined direction D1). Further, a group of the first refractive index regions provided with the voltage applying unit 11a on the side surface is referred to as a first group, and a group of the first refractive index regions 7 provided with the voltage applying unit 12a on the side surface is referred to as a second group.
  • the first refractive index region 7 (first refractive index regions belonging to both the first and second groups) provided with the voltage applying units 11a and 12a on both side faces and the voltage applying unit on both sides.
  • One or more first refractive index regions 7 (first and second refractive index regions 7 in which one of the voltage applying portions 11a and 12a is not provided between the first refractive index regions 11a and 12a).
  • the arrangement order of the voltage applying portions 11a and 12a, that is, the voltage direction is the same.

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Abstract

本実施形態に係る光変調器は、液晶を用いたＳＬＭと比較して高速な変調を可能にする。当該光変調器は、基準面上の第１方向に沿って配置され複数の第１屈折率領域と、屈折率領域それぞれを囲む領域であって各屈折率領域の屈折率よりも低い屈折率を有する領域と、第１導電膜と、第２導電膜と、を備える。第１導電膜は、複数の屈折率領域から選択され、かつ、第１グループに属する少なくとも１つの屈折率領域において、第１方向に沿って配置された一対の側面のいずれか一方の上に設けられている。第２導電膜は、複数の屈折率領域から選択され、かつ、第２グループに属する少なくとも１つの屈折率領域において、第１導電膜と重複することなく一対の側面のいずれか一方の上に設けられている。

Description

光変調器
　本発明は、光変調器に関するものである。
　特許文献１には、入射光を変調する光変調器、および該光変調器を組み込んだ光変調装置が開示されている。この光変調器は、下地層と、パターン部と、可変屈折率部と、を備える。下地層は、第１屈折率材料からなる。パターン部は、下地層上に設けられ、複数の部分を有する。複数の部分は、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屈折率材料からなる。可変屈折率部は、第２屈折率材料と異なる屈折率を有するとともに電界下で屈折率が変化する第３屈折率材料からなる。可変屈折率部は、パターン部の複数の部分間を充填する。また、非特許文献１には、ポッケルス効果を利用してＵＶ光（波長３５５ｎｍ）を変調する光変調器が開示されている。
国際公開第２０１７／０５７７００号
Masahide Okazaki et al., "EO Spatial UV-Light Modulator Using Periodically-Poled Deep-Proton-Exchanged s-LiTaO3 Waveguide", European Conference On Integrated Optics, (2012)
　発明者らは、従来の光変調器について検討した結果、以下のような課題を発見した。すなわち、近年、例えばレーザ加工や顕微鏡観察などの分野において、空間光変調器（Spatial Light Modulator：ＳＬＭ）を用いて光を変調することにより、所望の時間波形や集光形状を得る技術が実現されている。例えばＳＬＭとして、液晶層において光の位相を変調するＬＣＯＳ（Liquid Crystal On Silicon）型のＳＬＭが知られている。しかしながら、液晶を用いたこのようなＳＬＭでは、制御信号の入力に対する応答が遅いため、高速変調を可能にするＳＬＭが望まれる。
　本発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、液晶を用いたＳＬＭと比較して高速な変調が可能な光変調器を提供することを目的としている。
　上述の課題を解決するために、本発明の一実施形態に係る光変調器は、複数の屈折率領域と、第１導電膜と、第２導電膜と、を備える。複数の屈折率領域は、基準面上の第１方向に沿ってグレーティングを構成するよう一定の配列ピッチで該基準面上に順次配置されている。また、複数の屈折率領域それぞれは、非線形光学結晶を含むとともに第１方向に交差した状態で該第１方向に沿って順に配置された一対の側面を有する。第１導電膜は、複数の屈折率領域から選択され、かつ、第１グループに属する１またはそれ以上の屈折率領域において、一対の側面のうちいずれかの側面上に設けられる。同様に、第２導電膜は、複数の屈折率領域から選択され、かつ、第２グループに属する１またはそれ以上の屈折率領域において、第１導電膜と重複することなく一対の側面のうちいずれかの側面上に設けられている。更に、複数の屈折率領域それぞれは、該複数の屈折率領域それぞれの屈折率よりも低い屈折率を有する領域によって囲まれている。
　本発明の一実施形態に係る光変調器によれば、液晶を用いたＳＬＭと比較して高速な変調が可能になる。
図１は、本実施形態に係る光変調器１Ａを示す平面図である。 図２は、図１のII－II線に沿った光変調器１Ａの断面図である。 図３（ａ）および図３（ｂ）は、複数の第１屈折率領域７による光変調器１Ａの反射特性の例をそれぞれ示すグラフである。 図４（ａ）および図４（ｂ）は、複数の第１屈折率領域７による光変調器１Ａの反射特性の例をそれぞれ示すグラフである。 図５は、ピーク波形Ｐ１の波長域が該電圧の大きさに応じてシフトする現象を説明するためのグラフである。 図６（ａ）および図６（ｂ）は、第１導電膜１１と第２導電膜１２との間に電圧を印加して、第１屈折率領域７の屈折率を±０．０１の範囲内で変化させたときの、入射光Ｌｉｎに対する出射光Ｌｏｕｔの位相変化を示すグラフである。 図７（ａ）および図７（ｂ）は、第１導電膜１１と第２導電膜１２との間に電圧を印加して、第１屈折率領域７の屈折率を±０．０１の範囲内で変化させたときの、入射光Ｌｉｎに対する出射光Ｌｏｕｔの位相変化を示すグラフである。 図８（ａ）および図８（ｂ）は、第１導電膜１１と第２導電膜１２との間に電圧を印加して、第１屈折率領域７の屈折率を±０．０１の範囲内で変化させたときの、入射光Ｌｉｎに対する出射光Ｌｏｕｔの位相変化を示すグラフである。 図９（ａ）～図９（ｃ）は、光変調器１Ａを作製する方法における各工程を示す断面図である。 図１０（ａ）および図１０（ｂ）は、光変調器１Ａを作製する方法における各工程を示す断面図である。 図１１（ａ）および図１１（ｂ）は、光変調器１Ａを作製する方法における各工程を示す断面図である。 図１２（ａ）および図１２（ｂ）は、第１導電膜１１と第２導電膜１２との間に電圧を印加することで第１屈折率領域７の屈折率を±０．０１の範囲内で変化させる動作において、屈折率変化量が－０．０１のときの入射光Ｌｉｎに対する出射光Ｌｏｕｔの位相変化を示すグラフである。 図１３（ａ）および図１３（ｂ）は、第１導電膜１１と第２導電膜１２との間に電圧を印加することで第１屈折率領域７の屈折率を±０．０１の範囲内で変化させる動作において、屈折率変化量が０のときの入射光Ｌｉｎに対する出射光Ｌｏｕｔの位相変化を示すグラフである。 図１４（ａ）および図１４（ｂ）は、第１導電膜１１と第２導電膜１２との間に電圧を印加することで第１屈折率領域７の屈折率を±０．０１の範囲内で変化させる動作において、屈折率変化量が＋０．０１のときの入射光Ｌｉｎに対する出射光Ｌｏｕｔの位相変化を示すグラフである。 図１５は１次元構造の非平衡ファブリペロー共振器構造を示す模式図である。 図１６（ａ）および図１６（ｂ）は、入射光Ｌｉｎの波長と、位相変化量Φとの関係を示すグラフである。 図１７は、各第１屈折率領域７の屈折率変化量Δｎと、入射光Ｌｉｎに対する出射光Ｌｏｕｔの位相差との関係の一例を示すグラフである。 図１８は、一変形例に係る光変調器１Ｂを示す平面図である。
　[本願発明の実施形態の説明]
  最初に本願発明の実施形態の内容をそれぞれ個別に列挙して説明する。
　（１）　本実施形態に係る光変調器は、その一態様として、複数の屈折率領域（複数の第１屈折率領域）と、第１導電膜と、第２導電膜と、を備える。複数の屈折率領域は、基準面上の第１方向に沿ってグレーティングを構成するよう一定の配列ピッチで該基準面上に順次配置されている（隣接する屈折率領域同士は互いに離間した状態）。また、複数の屈折率領域それぞれは、非線形光学結晶を含むとともに第１方向に交差した状態で該第１方向に沿って順に配置された一対の側面を有する。第１導電膜は、複数の屈折率領域から選択され、かつ、第１グループに属する１またはそれ以上の屈折率領域において、一対の側面のうちいずれかの側面上に設けられる。同様に、第２導電膜は、複数の屈折率領域から選択され、かつ、第２グループに属する１またはそれ以上の屈折率領域において、第１導電膜と重複することなく一対の側面のうちいずれかの側面上に設けられている。すなわち、１つの連続する導電膜が一対の側面の双方に同時に設けられることはない。更に、複数の屈折率領域それぞれは、該複数の屈折率領域それぞれの屈折率よりも低い屈折率を有する領域によって囲まれている。
　上述のような構造を有する光変調器に、厚み方向（基準面に直交する第２方向）に沿って光が入射すると、複数の屈折率領域それぞれの屈折率および厚みの他、複数の屈折率領域の配列ピッチに対応する狭い波長域の光に対して高い反射率が得られる。また、第１導電膜と第２導電膜との間に電圧が印加されると、非線形光学結晶における電気光学効果によって、複数の屈折率領域の屈折率が該電圧の大きさに応じて変化する。すなわち、高い反射率が得られる波長域が該電圧の大きさに応じてシフトする。或る波長について見ると、印加電圧の大きさに応じて反射率が変化する。したがって、出射光の強度を、入射光の強度に対して任意に変調することができる（すなわち、光強度変調器を実現できる）。また、この変調作用は固体である非線形光学結晶の電気光学効果によって実現されるが、電圧信号の入力に対する非線形光学結晶の応答は、液晶の応答よりも格段に早い。つまり、上述のような構造を有する本実施形態に係る光変調器は、液晶を用いたＳＬＭと比較して、制御信号の入力に対する応答が早く、高速な変調を可能にする。
　また、例えば紫外光のような高エネルギー光に対する液晶の耐性は低いので、液晶を用いたＳＬＭの場合、実用上は、例えば４００ｎｍ以上の波長域での使用に限定されてしまう。これに対し、紫外光のような高エネルギー光に対する非線形光学結晶の耐性は、液晶よりも格段に高い。したがって、本実施形態によれば、紫外光のような高エネルギー光に対して特に有用な光変調器の提供が可能になる。特に、波長３５５ｎｍは、ＹＡＧレーザの３倍波に相当し、炭素繊維強化プラスチック（Carbon Fiber Reinforced Plastics：ＣＦＲＰ）のレーザ加工用途として極めて有用であると考えられる。ＣＦＲＰは、例えば自動車産業や航空宇宙産業等における利用が拡大されている材料であり、今後、ＣＦＲＰを紫外光によって加工することが望まれると考えられる。
　（２）なお、本実施形態の一態様として、第１グループに属する屈折率領域のうち少なくとも１つの屈折率領域は、第２グループにも属するものとする。また、本実施形態の一態様として、複数の屈折率領域それぞれにおいて、一対の側面のうち一方の上には第１導電膜が設けられており、該一対の側面のうち他方の上には第２導電膜が設けられていてもよい。
　すなわち、第１グループは、一対の側面のうちいずれかの側面に第１導電膜が設けられている屈折率領域が属するグループである。また、第２グループは、第１導電膜と重複することなく一対の側面のうちいずれかの側面に第２導電膜が設けられている屈折率領域が属するグループである。したがって、第１および第２グループの双方に属する屈折率領域は、その一対の側面の一方に第１導電膜が設けられるとともに、他方に第２導電膜が設けられる（第１導電膜と第２導電膜は重複配置されない）。逆に、第１および第２グループのいずれにも属さない屈折率領域の一対の側面には、第１および第２導電膜のいずれも設けられない。また、複数の屈折率領域の全てが第１および第２グループの双方に属していてもよい（複数の屈折率領域それぞれの側面に第１および第２導電膜が重複することなく設けられる）。
　（３）　本実施形態の一態様として、複数の屈折率領域それぞれを囲んでいる領域には、該複数の屈折率領域それぞれの屈折率よりも低い屈折率を有する材料が埋め込まれているのが好ましい。このような構成によって、複数の屈折率領域の周囲の一部に低屈折率領域を配置することができる。また、複数の屈折率領域の隙間を埋めることにより、光変調器の機械的強度を高めることが可能になる。
　（４）　本実施形態の一態様として、当該光変調器は、基準面を挟むように複数の屈折率領域に接した低屈折率層を更に備えてもよい。この場合、低屈折率層は、複数の屈折率領域それぞれの屈折率よりも低い屈折率を有する。このような構成によっても、複数の屈折率領域の周囲の一部に低屈折率領域を配置することが可能になる。また、このような低屈折率層が存在することにより、その上に複数の屈折率領域を容易に形成することができる。
　（５）　本実施形態の一態様として、複数の屈折率領域のうち第１方向に沿って隣接する２つの屈折率領域において、第１および第２導電膜の一方は、該隣接する２つの屈折率領域の互いに対面した側面と、該互いに対面した側面の間に位置する低屈折率層の一部に、連続的に設けられてもよい。このような構成により、第１および第２導電膜の形成が容易になる。
　（６）　本実施形態の一態様として、当該光変調器は、基準面に対して複数の屈折率領域の反対側の空間内において、該基準面に直交する第２方向に沿って複数の屈折率領域から離間した状態で設けられた光反射層を更に備えてもよい。この場合、複数の屈折率領域を囲む領域（複数の屈折率領域と光反射層との間の領域を含む）は、該複数の屈折率領域よりも低い屈折率を有する。したがって、複数の屈折率領域と光反射層との間に共振器構造が構成され、かつ、他方の光反射層となる複数の屈折率領域の光反射率は、上述のように第１および第２導電膜への電圧の印加によって可変となっている。このような非平衡ファブリペロー共振器構造により、光変調器に入射した光は、第１および第２導電膜への印加電圧の大きさに応じた位相で該光変調器から出射される。このように、本実施形態に係る光変調器によれば、入射光の位相を任意の大きさに変調することが可能になる（すなわち、光位相変調器を実現できる）。このような構造を有する光位相変調器もまた、液晶を用いたＳＬＭと比較して、制御信号の入力に対する応答が早く、高速変調を可能にする。
　（７）　本実施形態の一態様として、光反射層は、金属膜または誘電体多層膜を含むのが好ましい。この場合、高い反射率を有する光反射層を容易に実現することが可能になる。
　（８）　本実施形態の一態様として、光反射層と複数の屈折率領域との光学距離（第２方向に沿って定義される）は、入射光の波長の１／４の整数倍であるのが好ましい。この場合、印加電圧の変化に伴う位相変化が急峻となるので、位相変調幅をより拡げることができる。例えば幅２π（ｒａｄ）の位相変調も可能になる。
　（９）　本実施形態の一態様として、非線形光学結晶は、ニオブ酸リチウムおよびタンタル酸リチウムの少なくとも一方を含むのが好ましい。例えば非線形光学結晶がこれらの材料を含むことにより、上述のような当該光変調器の作用を好適に得られる。更に、本実施形態の一態様として、非線形光学結晶は、セシウム・リチウム・ボレートＣＬＢＯ（ＣｓＬｉＢ６Ｏ１０）、β-メタホウ酸バリウムＢＢＯ（β－ＢａＢ２Ｏ４）、およびホウ酸リチウムＬＢＯ（ＬｉＢ３Ｏ５）の少なくともいずれかを含んでもよい。
　（１０）　本実施形態の一態様として、第１導電膜および第２導電膜それぞれは、光透過性を有するのが好ましい。この場合、第１導電膜および第２導電膜それぞれにおける光損失の低減が可能になる。すなわち、当該光変調器の光入出射効率の向上が期待できる。
　以上、この[本願発明の実施形態の説明]の欄に列挙された各態様は、残りの全ての態様のそれぞれに対して、または、これら残りの態様の全ての組み合わせに対して適用可能である。
　［本願発明の実施形態の詳細］
  以下、本実施形態に係る光変調器の具体的な構造を、添付図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。また、図面の説明において同一の要素には同一符号を付して重複する説明を省略する。
　図１は、本実施形態に係る光変調器１Ａを示す平面図である。図２は、図１のII－II線に沿った光変調器１Ａの断面図である。図１においては、理解の容易の為、図２に示された第２屈折率領域９の図示を省略している。図１および図２に示されたように、本実施形態の光変調器１Ａは、基板３と、光反射層４と、低屈折率層５と、複数の第１屈折率領域７と、複数の第２屈折率領域９（複数の第１屈折率領域７それぞれを取り囲む領域）と、第１導電膜１１と、第２導電膜１２とを備える。
　基板３は、平坦な主面３ａと、主面３ａに対向する平坦な裏面３ｂとを有する平板状の部材である。主面３ａと裏面３ｂとは互いに平行である。基板３は、例えば非線形光学結晶、若しくは非線形光学結晶以外の無機材料を主に含む。一例では、基板３は非線形光学結晶からなるか、または、非線形光学結晶以外の無機材料からなる。非線形光学結晶としては、例えばニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3）およびタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ3）のうち少なくとも一方が挙げられる。更に、非線形光学結晶の例としては、セシウム・リチウム・ボレートＣＬＢＯ（ＣｓＬｉＢ６Ｏ１０）、β-メタホウ酸バリウムＢＢＯ（β－ＢａＢ２Ｏ４）、およびホウ酸リチウムＬＢＯ（ＬｉＢ３Ｏ５）でもよい。非線形光学結晶以外の無機材料としては、例えばシリコン（Ｓｉ）が挙げられる。基板３の厚み（主面３ａと裏面３ｂとの距離）は、例えば４００～１０００μｍの範囲内である。
　光反射層４は、光変調器１Ａを光位相変調器として用いる場合に設けられ、光変調器１Ａを光強度変調器として用いる場合には設けられない。光反射層４が設けられる場合、基板３の主面３ａ上において、光反射層４は、厚み方向（基準面に直交する第２方向）に沿って光学距離Ｚ１だけ後述する複数の第１屈折率領域７から離れた状態で設けられる。光反射層４と複数の第１屈折率領域７との好適な光学距離は、入射光の波長の１／４の整数倍である。一例では、光反射層４は基板３の主面３ａに接している。光反射層４は、例えば金属膜によって構成され、一実施例ではアルミニウム（Ａｌ）膜である。この場合、光反射層４の厚みは、例えば１０～１５０ｎｍの範囲内である。なお、光反射層４は、基板３側から、Ｃｒ（１０～１００ｎｍ）／Ａｕ（１０ｎｍ～１５０ｎｍ）／Ｃｒ（１０～１００ｎｍ）の多層金属構造を有してもよい。更に、光反射層４は、誘電体多層膜によって構成されてもよい。誘電体多層膜は、例えばＳｉＯ2とＨｆＯ2とが交互に積層されてなる。この場合、光反射層４の各層の光学膜厚は入射光の波長の１／４の整数倍であり、層数は例えば２０層以上である。
　低屈折率層５は、基板３の主面３ａ上において、複数の第１屈折率領域７と光反射層４との間（または複数の第１屈折率領域７と基板３との間）に設けられている。低屈折率層５の、基板３側に位置する面とは反対側の面は、複数の第１屈折率領域７に接している。一例では、低屈折率層５の、基板３側に位置する面は、光反射層４に接している。その場合、複数の第１屈折率領域７と光反射層４との光学距離Ｚ１は、低屈折率層５の光学膜厚によって定義される。低屈折率層５を構成する材料は、絶縁性を有しており、かつ、複数の第１屈折率領域７を構成する材料の屈折率よりも低い屈折率を有する。低屈折率層５は、非線形光学結晶以外の無機材料を主に含む。一例では、低屈折率層５は、非線形光学結晶以外の無機材料からなる。非線形光学結晶以外の無機材料としては、例えばＳｉＯ2若しくはＳｉＮといった絶縁性の無機シリコン化合物が挙げられる。低屈折率層５の光学膜厚は、例えば入射光の波長の１／４の整数倍であることが望ましい。
　複数の第１屈折率領域７それぞれは、低屈折率層５上に設けられる。したがって、図１および図２の例では、低屈折率層５の上面（基板３側に位置する面とは反対側の面）が基準面に一致している。また、複数の第１屈折率領域７は、所定方向Ｄ１（基準面上の第１方向に一致）に沿って所定の配列ピッチで並んでいる。所定方向Ｄ１は、基板３の主面３ａに沿った方向であり、一例では基板３の主面３ａに平行な方向である。各第１屈折率領域７は、絶縁性を有し、非線形光学結晶を含む。一例では、各第１屈折率領域７は、非線形光学結晶からなる。非線形光学結晶としては、例えばＬｉＮｂＯ3およびＬｉＴａＯ3のうち少なくとも一方が挙げられる。更に、非線形光学結晶の例として、ＣＬＢＯ（ＣｓＬｉＢ６Ｏ１０）、ＢＢＯ（β－ＢａＢ２Ｏ４）、およびＬＢＯ（ＬｉＢ３Ｏ５）などの適用可能である。
　複数の第１屈折率領域７は、該複数の第１屈折率領域７それぞれの屈折率よりも低い屈折率を有する領域によって囲まれている。すなわち、各第１屈折率領域７の下側（基板３側）には低屈折率層５が配置されており、各第１屈折率領域７の側面は後述する第２屈折率領域９によって囲まれている。各第１屈折率領域７の上側（基板３とは反対側）には大気が存在しており、大気の屈折率は第１屈折率領域７の屈折率よりも小さい。なお、本実施形態では各第１屈折率領域７の上面は露出しており大気に触れているが、各第１屈折率領域７の上面は無機シリコン化合物膜などの保護膜に覆われていてもよい。
　図１に示されたように、各第１屈折率領域７は、所定方向Ｄ１と交差する（例えば直交する）方向Ｄ２を長手方向とする平面形状を呈している。換言すると、複数の第１屈折率領域７は、それぞれの短手方向に沿って所定の間隔を取って並んでいる。複数の第１屈折率領域７の配列ピッチ（所定方向Ｄ１に沿った１つの第１屈折率領域の幅と、隣接する別の第１屈折率領域までの距離の和）は、例えば１５０～８００ｎｍの範囲内であり、入射光Ｌｉｎの波長に対してサブ波長グレーティングとして機能する周期に相当する。また、図２に示されたように、各第１屈折率領域７の厚み方向に沿った断面は、低屈折率層５側を長辺とする台形状を呈している。したがって、各第１屈折率領域７の各側面は、各第１屈折率領域７の厚み方向に対して傾斜している。そして、各第１屈折率領域７の所定方向Ｄ１における幅は低屈折率層５に近づくに従って次第に拡がっており、互いに隣り合う第１屈折率領域７の対向する側面間隔は、低屈折率層５から離れるに従って次第に拡がっている。
　なお、各第１屈折率領域７の厚み方向に沿った断面は台形状に限られず、例えば長方形状等であってもよい。第１屈折率領域７の断面形状が長方形状である場合、各第１屈折率領域７の各側面は、各第１屈折率領域７の厚み方向に沿う。また、各第１屈折率領域７の所定方向Ｄ１における幅は厚み方向に均一であり、互いに隣り合う第１屈折率領域７の対向する側面間隔もまた、厚み方向に均一である。また、複数の第１屈折率領域７は、低屈折率層５上に形成された非線形光学結晶を含む膜状部を介して互いに繋がっていてもよい。
　各第１屈折率領域７の厚み（すなわち低屈折率層５側の面からの第２方向に沿った高さ）は、例えば５０ｎｍ～１μｍの範囲内である。各第１屈折率領域７の所定方向Ｄ１における幅は例えば１５０～８００ｎｍの範囲内である。方向Ｄ２における長さは例えば５～２０μｍの範囲内である。低屈折率層５の上面に対する各第１屈折率領域７の側面の傾斜角θは、例えば７０～９０度の範囲内である。
　第１導電膜１１および第２導電膜１２は、光透過性を有する電極である。光透過性を有する導電性の材料としては、例えば酸化亜鉛（ＺｎＯ）系の導電材料（例えばＺｎＯにＡｌが添加されたＡＺＯ）、ＩＴＯ等が挙げられる。第１導電膜１１は、各第１屈折率領域７の側面のうち所定方向Ｄ１と交差する一側面（第１側面）上に設けられ、第２導電膜１２は、該一側面とは反対側の側面（第２側面）上に設けられている。
　具体的には、第１導電膜１１は、図１に示されたように櫛歯型の平面形状を有しており、複数の電圧印加部１１ａと、複数の電圧印加部１１ａを相互に接続する接続部１１ｂとを含む。複数の電圧印加部１１ａは、互いに隣り合う第１屈折率領域７の間隙部に設けられている部分であり、方向Ｄ２を長手方向とする形状を有する。図２に示されたように、本実施形態の各電圧印加部１１ａは、互いに隣り合う第１屈折率領域７のうち一方の第１屈折率領域７の側面上から、低屈折率層５上および他方の第１屈折率領域７の側面上に亘って連続して設けられている。また、接続部１１ｂは、低屈折率層５上において、各第１屈折率領域７の両端（方向Ｄ２と交差する面を有する部分）のうち一方側に配置され、所定方向Ｄ１に沿って延在している。接続部１１ｂは、複数の電圧印加部１１ａの一端に接続されている。各電圧印加部１１ａには、光変調器１Ａの外部から接続部１１ｂを介して電圧信号が与えられる。
　第２導電膜１２もまた、櫛歯型の平面形状を有しており、複数の電圧印加部１２ａと、複数の電圧印加部１２ａを相互に接続する接続部１２ｂとを含む。複数の電圧印加部１２ａは、互いに隣り合う第１屈折率領域７の間隙部に設けられている部分であり、方向Ｄ２を長手方向とする形状を有する。図２に示されたように、本実施形態の各電圧印加部１２ａは、互いに隣り合う第１屈折率領域７のうち一方の第１屈折率領域７の側面上から、低屈折率層５上および他方の第１屈折率領域７の側面上に亘って連続して設けられている。また、接続部１２ｂは、低屈折率層５上において、各第１屈折率領域７の両端（方向Ｄ２と交差する面を有する部分）のうち他方側に配置され、所定方向Ｄ１に沿って延在している。接続部１２ｂは、複数の電圧印加部１２ａの一端に接続されている。各電圧印加部１２ａには、光変調器１Ａの外部から接続部１２ｂを介して電圧信号が与えられる。
　図１に示されたように、第１導電膜１１の各電圧印加部１１ａと第２導電膜１２の接続部１２ｂとの間には、これらを電気的に分離するための隙間が設けられている。同様に、第２導電膜１２の各電圧印加部１２ａと第１導電膜１１の接続部１１ｂとの間にも、これらを電気的に分離するための隙間が設けられている。
　各第１屈折率領域７では、第１導電膜１１の接続部１１ｂと第２導電膜１２の接続部１２ｂとの間に印加される電圧によって、所定方向Ｄ１に沿った電界Ｅ１が形成される。第１導電膜１１の接続部１１ｂと第２導電膜１２の接続部１２ｂとは所定方向Ｄ１において交互に並んでいるので、互いに隣り合う第１屈折率領域７の電界Ｅ１の向きは互いに逆向きとなる。
　複数の第２屈折率領域９は、それぞれ複数の第１屈折率領域７間の領域を埋めている。より具体的には、各第２屈折率領域９は、第１導電膜１１上および第２導電膜１２上に設けられ、第１導電膜１１および第２導電膜１２を覆っている。そして、各第２屈折率領域９の上面（基板３とは反対側の面）と、各第１屈折率領域７の上面とは、互いに面一となっており、一つの平坦面を形成している。各第２屈折率領域９を構成する材料は、絶縁性を有しており、かつ、各第１屈折率領域７を構成する材料の屈折率よりも低い屈折率を有する。各第２屈折率領域９は、非線形光学結晶以外の無機材料を主に含む。一例では、各第２屈折率領域９は、非線形光学結晶以外の無機材料からなる。非線形光学結晶以外の無機材料としては、例えばＳｉＯ2、ＳｉＮなどの無機シリコン化合物が挙げられる。
　上述のような構造を備える本実施形態の光変調器１Ａの動作について説明する。当該光変調器１Ａでは、複数の第１屈折率領域７が所定方向Ｄ１に一定間隔で並んでおり、その周囲は低屈折率領域によって囲まれている。すなわち、複数の第１屈折率領域７は、所定方向Ｄ１に沿ってグレーティング（回折格子）を構成する。このような光変調器１Ａに厚み方向（所定方向Ｄ１と交差する方向であって、図２の例では実質的には基準面に直交する方向）に沿って光Ｌｉｎが入射すると、第１屈折率領域７の屈折率、厚み、および配列ピッチに対応する狭い波長域の光Ｌｉｎに対して選択的に、高い反射率が得られる。
　図３（ａ）および図３（ｂ）は、光変調器１Ａが光強度変調器である場合（すなわち光反射層４を備えない場合）の、複数の第１屈折率領域７による光変調器１Ａの反射特性の例を示すグラフである。また、図４（ａ）および図４（ｂ）は、光変調器１Ａが光位相変調器である場合（すなわち光反射層４を備える場合）の、複数の第１屈折率領域７による光変調器１Ａの反射特性の例を示すグラフである。これらのグラフにおいて、横軸は波長（μｍ）を表し、縦軸は各第１屈折率領域７の厚み（図中、「グレーティング厚さ（μｍ）」と記す）を表す。なお、これらのグラフでは、複数の第１屈折率領域７の配列ピッチは２１６ｎｍであり、第１屈折率領域７および第２屈折率領域９からなる層における第１屈折率領域７の充填率（デューティ比）は７０％である。また、入射光Ｌｉｎの偏光方向はＴＥ（すなわち、方向Ｄ２に沿った偏光方向）で、入射光Ｌｉｎは基板３の主面３ａに対して垂直な方向から入射するものとする。図３（ａ）～図４（ｂ）を参照すると、第１屈折率領域７の厚みが約１８０ｎｍ、かつ、入射光Ｌｉｎの波長が３５５ｎｍであるとき（図３（ａ）および図４（ａ）中に示された２本の白線が交差した位置）、半値幅が狭く、かつ、反射率が高いピーク波形Ｐ１が生じていることがわかる。このようなピーク波形Ｐ１の波長域はＨｉｇｈ－Ｑ特性領域と呼ばれる。このＨｉｇｈ－Ｑ特性のため、入射光Ｌｉｎは第１屈折率領域７内に強く閉じ込められる。
　また、第１導電膜１１と第２導電膜１２との間に電圧が印加されると、非線形光学結晶における電気光学効果（ポッケルス効果）によって、複数の第１屈折率領域７の屈折率が該電圧の大きさに応じて変化する。すなわち、ピーク波形Ｐ１の波長域が該電圧の大きさに応じてシフトする。図５は、そのような現象を説明するためのグラフである。図５において、縦軸は反射率を表し、横軸は波長（μｍ）を表す。第１導電膜１１と第２導電膜１２との間の印加電圧を次第に大きくすると、ピーク波形Ｐ１は、図５中のＰ１１の位置から次第にＰ１２，Ｐ１３の位置へ変化する。すなわち、入射光Ｌｉｎの波長を固定すると、印加電圧の大きさに応じて反射率が連続的に変化することになる。したがって、光変調器１Ａが光強度変調器である場合（すなわち光反射層４を備えない場合）、印加電圧の大きさに応じて反射光（すなわち出射光Ｌｏｕｔ）の強度が変化する。故に、印加電圧を制御することにより、出射光Ｌｏｕｔの強度を任意に変調することができる。そして、このような光変調器１Ａが二次元状に配列されることによって、強度変調型の空間光変調器（ＳＬＭ）が実現される。
　一方、光変調器１Ａが光位相変調器である場合、複数の第１屈折率領域７の厚み方向には、光学距離Ｚ１だけ複数の第１屈折率領域７から離れた状態で光反射層４が設けられる。そして、複数の第１屈折率領域７を囲む領域（複数の第１屈折率領域７と光反射層４との間の領域、すなわち低屈折率層５を含む）は、該複数の第１屈折率領域７の屈折率よりも低い屈折率を有する。したがって、複数の第１屈折率領域７と光反射層４との間に共振器構造が構成される。加えて、他方の光反射層となる複数の第１屈折率領域７の光反射率は、上述のように第１導電膜１１および第２導電膜１２への電圧の印加によって可変となっている。このような非平衡ファブリペロー共振器構造により、光変調器１Ａに入射した光Ｌｉｎは、第１導電膜１１および第２導電膜１２への印加電圧の大きさに応じた位相で変調された後、出射光Ｌｏｕｔとして光変調器１Ａから出射される。このように、光変調器１Ａが光位相変調器である場合、入射光Ｌｉｎの位相を任意の大きさに変調することができる。そして、このような光変調器１Ａが二次元状に配列されることによって、位相変調型の空間光変調器（ＳＬＭ）が実現される。
　図６（ａ）～図８（ｂ）は、第１導電膜１１と第２導電膜１２との間に電圧を印加して、第１屈折率領域７の屈折率を±０．０１の範囲内で変化させたときの、入射光Ｌｉｎに対する出射光Ｌｏｕｔの位相変化を示すグラフである。なお、図６（ａ）および図６（ｂ）は、屈折率変化量が－０．０１である場合、図７（ａ）および図７（ｂ）は、屈折率変化量が０である場合、図８（ａ）および図８（ｂ）は、屈折率変化量が＋０．０１である場合をそれぞれ示す。また、図６（ａ）、図７（ａ）、および図８（ａ）は、振幅変化を表す。図６（ｂ）、図７（ｂ）、および図８（ｂ）は、位相変化を表す。値の大小は、色の濃淡によって表現されている。縦軸は単位セル（グレーティングが１周期のみ）の場合におけるデバイスの厚み方向位置（入射光Ｌｉｎが－１μｍの位置にあり、＋２μｍまでが基板３）、横軸は単位セルの所定方向Ｄ１における位置を示す。なお、これらのグラフにおいて、入射光Ｌｉｎの波長は３５５ｎｍであり、低屈折率層５の厚み（すなわち複数の第１屈折率領域７と光反射層４との距離）は２μｍである。図６（ａ）～図８（ｂ）を参照すると、この場合、入射光Ｌｉｎに対する出射光Ｌｏｕｔの位相変化量は約π／６（ｒａｄ）すなわち３０°であった。
　なお、本実施形態の光変調器１Ａは、第１屈折率領域７の屈折率、厚み、および配列ピッチのうち少なくとも一つを調整することにより、２９０ｎｍ～５．５μｍの広い波長域で使用可能である。この場合、波長３５５ｎｍ、波長５３２ｎｍ、波長１０６０ｎｍ、または波長１０６４ｎｍでのレーザ加工が可能になる。また、光通信分野で使用される波長１．５５μｍでの動作も可能にする。変調速度は、櫛歯型電極である第１導電膜１１および第２導電膜１２のＲＣ時定数によって決定され、例えば数ＧＨｚ以上での動作が可能である。
　ここで、本実施形態の光変調器１Ａを作製する方法について説明する。図９（ａ）～図１１（ｂ）は、光変調器１Ａを作製する方法における各工程を示す断面図である。まず、図９（ａ）に示されたように、基板３が用意される。基板３の詳細は上述のとおりである。次に、図９（ｂ）に示されたように、基板３の主面３ａ上に光反射層４が必要に応じて形成される。光反射層４が金属膜からなる場合、光反射層４は、例えば真空蒸着やスパッタ法により形成される。また、光反射層４が誘電体多層膜からなる場合、光反射層４は、例えば真空蒸着やスパッタ法により形成される。その後、光反射層４上（若しくは基板３の主面３ａ上）に、低屈折率層５がダイレクトボンディング法により形成される。低屈折率層５は例えばＳｉＯ2層である。続いて、非線形光学結晶を含む層にＨｅイオンを照射することで非線形光学結晶が改質される。このとき、Ｈｅイオンの加速電圧に依存して、改質される層の位置が決定される。その後、先にダイレクトボンディング法により形成された層（図９（ｂ）を参照）に、改質された非線形光学結晶が更にダイレクトボンディングされる。その後、高温にすることにより非線形光学結晶の改質層を分離させて、図９（ｃ）に示された非線形光学結晶を含む層７１が形成される。これらの工程はイオンスライス技術として既に知られており、国外においてＬＮＯＩ基板として入手が可能である。
　続いて、フォトリソグラフィまたは電子線リソグラフィによるエッチングマスクが層７１上に形成される。該エッチングマスクを介して層７１をエッチングすることにより、図１０（ａ）に示されたように、複数の第１屈折率領域７が形成される。このとき、エッチングマスクのパターン形状は、複数の第１屈折率領域７の平面形状に対応する。また、エッチングは、低屈折率層５が露出するまで行われ、低屈折率層５の露出と同時に停止される。エッチングは、例えばドライエッチングである。このドライエッチングの条件により、各第１屈折率領域７の断面形状は長方形状となる。
　続いて、図１０（ｂ）に示されたように、複数の第１屈折率領域７の露出部分（側面上および上面上）、更に低屈折率層５の露出した上面上に、導電膜１３が成膜される。導電膜１３の構成材料は、第１導電膜１１および第２導電膜１２の構成材料と同じである。この工程では、導電膜１３が、例えば原子層堆積（ＡＬＤ）法のような、半導体プロセスにおいて使用される薄膜形成方法により形成される。
　続いて、図１１（ａ）に示されたように、導電膜１３上に誘電体層９１が堆積される。誘電体層９１は、複数の第２屈折率領域９と同じ材料からなる。ただし、誘電体層９１の厚みは、複数の第２屈折率領域９の厚みよりも厚く、複数の第１屈折率領域７の頂部を含む全ての部分を覆ってもよい。或いは、複数の第１屈折率領域７の頂部が誘電体層９１から露出してもよい。この工程では、誘電体層９１が、例えば真空蒸着法やスパッタ法により形成される。
　続いて、誘電体層９１、導電膜１３のうち複数の第１屈折率領域７の上面上に形成された部分、および複数の第１屈折率領域７の頂部が研磨される。そして、図１１（ｂ）に示されたように、複数の第１屈折率領域７が導電膜１３から露出した状態になる。この工程により、誘電体層９１が分割されて複数の第２屈折率領域９が形成される。また、導電膜１３が第１屈折率領域７を挟んで分割され、電圧印加部１１ａを含む第１導電膜１１、および電圧印加部１２ａを含む第２導電膜１２が形成される。以上の工程を経て、本実施形態の光変調器１Ａが作製される。
　以上に説明した本実施形態の光変調器１Ａによって得られる効果について説明する。光変調器１Ａによる上述の変調動作は、固体である非線形光学結晶の電気光学効果によって実現される。そして、電圧信号の入力に対する非線形光学結晶の応答は、液晶の応答よりも格段に早い。したがって、本実施形態の光変調器１Ａによれば、液晶を用いたＳＬＭと比較して、制御信号の入力に対する応答が早く、高速な変調が可能となる。
　例えば紫外光のような高エネルギー光に対する液晶の耐性は低いので、液晶を用いたＳＬＭの場合、実用上は、例えば４００ｎｍ以上の波長域での使用に限定されてしまう。これに対し、紫外光のような高エネルギー光に対する非線形光学結晶の耐性は、液晶よりも格段に高い。したがって、本実施形態は、紫外光のような高エネルギー光に対して特に有用な光変調器１Ａを提供できる。更に、波長３５５ｎｍは、ＹＡＧレーザの３倍波に相当し、ＣＦＲＰのレーザ加工用途として極めて有用であると考えられる。ＣＦＲＰは、例えば自動車産業や航空宇宙産業等における利用が拡大されている材料であり、今後、ＣＦＲＰを紫外光によって加工することが望まれると考えられる。
　本実施形態のように、複数の第１屈折率領域７間の領域は、複数の第１屈折率領域７の屈折率よりも低い屈折率を有する第２屈折率領域９で埋められてもよい。例えばこのような構成によって、複数の第１屈折率領域７の周囲の一部に低屈折率領域を配置することができる。また、複数の第１屈折率領域７の隙間を埋めることにより、光変調器１Ａの機械的強度を高めることができる。
　本実施形態のように、複数の第１屈折率領域７に接しており、複数の第１屈折率領域７の屈折率よりも低い屈折率を有する低屈折率層５を光変調器１Ａが備えてもよい。例えばこのような構成によって、複数の第１屈折率領域７の周囲の一部に低屈折率領域を配置することができる。また、このような低屈折率層５が存在することにより、その上に複数の第１屈折率領域７を容易に形成することができる。
　本実施形態のように、光反射層４は、金属膜若しくは誘電体多層膜を含んでもよい。この場合、高い反射率を有する光反射層４を容易に実現することができる。
　本実施形態のように、第１導電膜１１および第２導電膜１２は、互いに隣り合う一方の第１屈折率領域７の側面上から低屈折率層５上および他方の第１屈折率領域７の側面上に亘って連続して設けられてもよい。この構成により、第１導電膜１１および第２導電膜１２の形成が容易になる。
　本実施形態のように、非線形光学結晶は、ニオブ酸リチウムおよびタンタル酸リチウムの少なくとも一方を含んでもよい。更に、非線形光学結晶は、セシウム・リチウム・ボレート、β-メタホウ酸バリウム、およびホウ酸リチウムの少なくともいずれかを含んでもよい。例えば非線形光学結晶がこれらの材料を含むことにより、上述の光変調器１Ａの作用を好適に奏することができる。なお、本実施形態では、印加電圧に対して屈折率が線形に変化するポッケルス効果を利用しているが、印加電圧に対して２次関数的に屈折率が変化するカー効果を利用してもよい。
　本実施形態のように、第１導電膜１１および第２導電膜１２は光透過性を有してもよい。これにより、第１導電膜１１および第２導電膜１２における光損失を低減し、光変調器１Ａの光入出射効率を高めることができる。
　本実施形態のように、光反射層４と複数の第１屈折率領域７との光学距離Ｚ１は、入射光Ｌｉｎの波長の１／４の整数倍であってもよい。この場合、印加電圧の変化に伴う位相変化が急峻となるので、位相変調幅をより拡げることができる。例えば幅２π（ｒａｄ）の位相変調も可能になる。
　図１２（ａ）～図１４（ｂ）は、入射光Ｌｉｎの波長を３５５ｎｍとし、低屈折率層５の厚みを入射光Ｌｉｎの波長の１／４の整数倍（具体的には１．９１０μｍ）として、第１導電膜１１と第２導電膜１２との間に電圧を印加し、第１屈折率領域７の屈折率を±０．０１の範囲内で変化させたときの、入射光Ｌｉｎに対する出射光Ｌｏｕｔの振幅変化および位相変化を示すグラフである。なお、図１２（ａ）および図１２（ｂ）は屈折率変化量が－０．０１である場合、図１３（ａ）および図１３（ｂ）は屈折率変化量が０である場合、図１４（ａ）および図１４（ｂ）は屈折率変化量が＋０．０１である場合をそれぞれ示す。また、図１２（ａ）、図１３（ａ）、および図１４（ａ）は、光変調器１Ａを光強度変調器とした場合の振幅変化を表す。図１２（ｂ）、図１３（ｂ）、および図１４（ｂ）は、光変調器１Ａを光位相変調器とした場合の位相変化を表す。値の大小は、色の濃淡によって表現されている。縦軸は単位セル（グレーティングが１周期のみ）の場合におけるデバイスの厚み方向位置（入射光Ｌｉｎが－１μｍの位置にあり、＋２μｍまでが基板３）、横軸は単位セルの所定方向Ｄ１における位置を示す。図１２（ｂ）、図１３（ｂ）、および図１４（ｂ）を参照すると、低屈折率層５の光学膜厚を入射光Ｌｉｎの波長の１／４の整数倍とすることによって、入射光Ｌｉｎに対する出射光Ｌｏｕｔの位相変化量を２π（ｒａｄ）すなわち３６０°まで拡大できることがわかる。
　ここで、図１５、図１６（ａ）、および図１６（ｂ）を参照して、光変調器１Ａを光位相変調器とした場合の位相変化の原理を説明する。図１５は、１次元構造の非平衡ファブリペロー共振器構造を示す模式図である。この共振器構造６０は、表面反射膜６１と、裏面反射膜６２と、これらの間に設けられたキャビティ６３とを備える。表面反射膜６１は、本実施形態における第１屈折率領域７および第２屈折率領域９によるグレーティング構造に相当し、その光反射率は１未満である。また、裏面反射膜６２は、本実施形態における光反射層４に相当する。また、図１６（ａ）および図１６（ｂ）は、入射光Ｌｉｎの波長と、位相変化量Φとの関係を示すグラフである。特に、図１６（ａ）は、表面反射膜６１の反射率を０．９５とした場合を示し、図１６（ｂ）は、表面反射膜６１の反射率を０．９０とした場合を示す。
　図１６（ａ）に示されたように、表面反射膜６１の反射率が高い場合、或る波長領域において位相が急峻に変化する。光反射層４を設けた場合、図４（ａ）および図４（ｂ）に示されたように極めて高い反射率を有する構造となるため、このように位相変化を急峻にできる。位相変化が急峻となる波長は、低屈折率層５の厚み（光学膜厚）によって決まる。各第１屈折率領域７に電圧が印加されると、表面反射膜６１の反射率がわずかに変化する。これによって、複数の第１屈折率領域７により構成されるグレーティングの特性が変化し、表面反射膜６１の反射率が変化する。その結果、位相を変調することができる。
　図１７は、各第１屈折率領域７の屈折率変化量Δｎと、入射光Ｌｉｎに対する出射光Ｌｏｕｔの位相差との関係の一例を示すグラフである。なお、このグラフでは、基板３および各第１屈折率領域７をＬｉＴａＯ3とし、光反射層４をＡｌとし、低屈折率層５をＳｉＯ2とした。この図１７を参照すると、Δｎ＝０からΔｎ＝０．００５（３Ｖの印加電圧に対応）までの僅かな屈折率変化の間に、１８０度から－１８０度まで、３６０度すなわち２π（ｒａｄ）の位相差の変化を実現できることがわかる。
　（変形例）
  上述の実施形態では、複数の第１屈折率領域７同士の間隙部の全てにおいて、第１導電膜１１の電圧印加部１１ａおよび第２導電膜１２の電圧印加部１２ａのいずれかが設けられている。しかしながら、電圧印加部１１ａ，１２ａは、複数の第１屈折率領域７同士の間隙部の一部にのみ設けられてもよい。図１８は、上述の実施形態の一変形例に係る光変調器１Ｂを示す平面図である。この光変調器１Ｂでは、電圧印加部１１ａ，１２ａが、複数の第１屈折率領域７同士の間隙部の一部にのみ設けられている。なお、本明細書において（以下の説明には限定されない）、各第１屈折率領域７の「側面」は、所定方向Ｄ１と交差した状態で該所定方向Ｄ１に沿って配置された面を意味し、方向Ｄ２（所定方向Ｄ１と直交する方向）と交差した状態で該方向Ｄ２に沿って配置された面は含まないものとする。また、電圧印加部１１ａが側面に設けられた第１屈折率領域のグループを第１グループとし、電圧印加部１２ａが側面に設けられた第１屈折率領域７のグループを第２グループとする。具体的な構成では、両側面に電圧印加部１１ａ，１２ａが設けられた第１屈折率領域７（第１および第２グループの双方に属する第１屈折率領域）と、両側面に電圧印加部１１ａ，１２ａが設けられた別の第１屈折率領域７との間に、電圧印加部１１ａ，１２ａの一方が設けられていない、一またはそれ以上の第１屈折率領域７（第１および第２グループのいずれか一方のみに属する第１屈折率領域）と、電圧印加部１１ａ，１２ａのいずれも設けられていない、一またはそれ以上の第１屈折率領域７（第１および第２グループのいずれにも属していない第１屈折率領域）が存在している。そして、両側面に電圧印加部１１ａ，１２ａが設けられた第１屈折率領域７においては、電圧印加部１１ａ，１２ａの並び順すなわち電圧の向きがいずれも同じ向きとなっている。例えばこのような構成であっても、上記実施形態と同様の作用効果を好適に奏することができる。
　１Ａ，１Ｂ…光変調器、３…基板、３ａ…主面、３ｂ…裏面、４…光反射層、５…低屈折率層、７…第１屈折率領域、９…第２屈折率領域、１１…第１導電膜、１１ａ…電圧印加部、１１ｂ…接続部、１２…第２導電膜、１２ａ…電圧印加部、１２ｂ…接続部、１３…導電膜、６０…共振器構造、６１…表面反射膜、６２…裏面反射膜、６３…キャビティ、９１…誘電体層、Ｄ１…所定方向、Ｄ２…方向、Ｅ１…電界、Ｌｉｎ…入射光、Ｌｏｕｔ…出射光、Ｐ１…ピーク波形。

Claims (12)

  1. 　基準面上の第１方向に沿ってグレーティングを構成するよう一定の配列ピッチで前記基準面上に順次配置された複数の屈折率領域であって、非線形光学結晶を含むとともに前記第１方向に交差した状態で前記第１方向に沿って順に配置された一対の側面を有する複数の屈折率領域と、
    　前記複数の屈折率領域から選択され、かつ、第１グループに属する１またはそれ以上の屈折率領域において、前記一対の側面のうちいずれかの側面上に設けられた第１導電膜と、
    　前記複数の屈折率領域から選択され、かつ、第２グループに属する１またはそれ以上の屈折率領域において、前記第１導電膜と重複することなく前記一対の側面のうちいずれかの側面上に設けられた第２導電膜と、
    　を備え、
    　前記複数の屈折率領域それぞれは、前記複数の屈折率領域それぞれの屈折率よりも低い屈折率を有する領域によって囲まれている、
    　光変調器。
  2. 　前記第１グループに属する前記屈折率領域のうち少なくとも１つの屈折率領域は、前記第２グループに属する、請求項１に記載の光変調器。
  3. 　前記複数の屈折率領域それぞれにおいて、前記一対の側面のうち一方の上には前記第１導電膜が設けられており、前記一対の側面のうち他方の上には前記第２導電膜が設けられている、請求項１または２に記載の光変調器。
  4. 　前記複数の屈折率領域それぞれを囲んでいる前記領域は、前記複数の屈折率領域それぞれの前記屈折率よりも低い屈折率を有する材料が埋め込まれている、請求項１～３のいずれか一項に記載の光変調器。
  5. 　前記基準面を挟むように前記複数の屈折率領域に接した低屈折率層であって、前記複数の屈折率領域それぞれの前記屈折率よりも低い屈折率を有する低屈折率層を更に備える、請求項１～４のいずれか一項に記載の光変調器。
  6. 　前記複数の屈折率領域のうち前記第１方向に沿って隣接する２つの屈折率領域において、前記第１導電膜および前記第２導電膜の一方は、前記隣接する２つの屈折率領域の互いに対面した側面と、前記互いに対面した側面の間に位置する前記低屈折率層の一部に、連続的に設けられている、請求項５に記載の光変調器。
  7. 　前記基準面に対して前記複数の屈折率領域の反対側の空間内において、前記基準面に直交する第２方向に沿って前記複数の屈折率領域から離間した状態で設けられた光反射層を更に備える、請求項１～６のいずれか一項に記載の光変調器。
  8. 　前記光反射層は、金属膜または誘電体多層膜を含む、請求項７に記載の光変調器。
  9. 　前記第２方向に沿って定義される光学距離であって前記光反射層と前記複数の屈折率領域との光学距離は、入射光の波長の１／４の整数倍である、請求項７または８に記載の光変調器。
  10. 　前記非線形光学結晶は、ニオブ酸リチウムおよびタンタル酸リチウムの少なくとも一方を含む、請求項１～９のいずれか一項に記載の光変調器。
  11. 　前記非線形光学結晶は、セシウム・リチウム・ボレート、β-メタホウ酸バリウム、およびホウ酸リチウムの少なくともいずれかを含む、請求項１～９のいずれか一項に記載の光変調器。
  12. 　前記第１導電膜および前記第２導電膜それぞれは、光透過性を有する、請求項１～１１のいずれか一項に記載の光変調器。
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