(57)【要約】【課題】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。【解決手段】光変調器１Ａは、非線形光学結晶を含み、所定方向Ｄ１に周期的に並ぶ複数の第１屈折率領域７と、各第１屈折率領域７の第１側面上に設けられた第１導電膜１１と、各第１屈折率領域７の第１側面とは反対側の第２側面上に設けられた第２導電膜１２と、を備える。複数の第１屈折率領域７は、該複数の第１屈折率領域７よりも低い屈折率を有する領域によって囲まれている。【選択図】図２
2020106706.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
非線形光学結晶を含み、所定方向に周期的に並ぶ複数の第１屈折率領域と、
各第１屈折率領域の第１側面上に設けられた第１導電膜と、
各第１屈折率領域の前記第１側面とは反対側の第２側面上に設けられた第２導電膜と、
を備え、
前記複数の第１屈折率領域は、該複数の第１屈折率領域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。
【請求項２】
前記複数の第１屈折率領域間の領域は、前記複数の第１屈折率領域よりも低い屈折率を有する材料により埋め込まれている、請求項１に記載の光変調器。
【請求項３】
前記複数の第１屈折率領域に接しており、前記複数の第１屈折率領域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または２に記載の光変調器。
【請求項４】
前記第１導電膜及び前記第２導電膜は、互いに隣り合う一方の前記第１屈折率領域の側面上から前記低屈折率層上及び他方の前記第１屈折率領域の側面上にわたって設けられている、請求項３に記載の光変調器。
【請求項５】
前記複数の第１屈折率領域に対して厚さ方向に間隔をあけて設けられた光反射層を更に備える、請求項１〜４のいずれか１項に記載の光変調器。
【請求項６】
前記光反射層は、金属膜若しくは誘電体多層膜を含む、請求項５に記載の光変調器。
【請求項７】
前記光反射層と前記複数の第１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５または６に記載の光変調器。
【請求項８】
前記非線形光学結晶は、ニオブ酸リチウム及びタンタル酸リチウムの少なくとも一方を含む、請求項１〜７のいずれか１項に記載の光変調器。
【請求項９】
前記第１導電膜及び前記第２導電膜は光透過性を有する、請求項１〜８のいずれか１項に記載の光変調器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光変調器に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、入射光を変調する光変調器、及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屈折率材料により形成されている。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屈折率材料により形成されている。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屈折率材料により形成されている。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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開第２０１７／０５７７００号
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Masahide Okazaki et al., “EO Spatial UV-Light Modulator UsingPeriodically-Poled Deep-Proton-Exchanged s-LiTaO3 Waveguide”, EuropeanConference On Integrated Optics, (2012)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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）を用いて光を変調し、所望の時間波形や集光形状を得ることが行われている。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く、高速な変調が可能なＳＬＭが望まれる。本発明の一側面は、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する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述した課題を解決するために、本発明の一側面に係る光変調器は、非線形光学結晶を含み、所定方向に周期的に並ぶ複数の第１屈折率領域と、各第１屈折率領域の第１側面上に設けられた第１導電膜と、各第１屈折率領域の第１側面とは反対側の第２側面上に設けられた第２導電膜と、を備える。複数の第１屈折率領域は、該複数の第１屈折率領域よりも低い屈折率を有する領域によって囲まれている。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の一側面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を可能にできる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】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】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】図３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】図４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】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】図６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】図７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】図８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】図９の（ａ）〜（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】図１０の（ａ），（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】図１１の（ａ），（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】図１２は、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の位相変化を示すグラフである。
【図１３】図１３は、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の位相変化を示すグラフである。
【図１４】図１４は、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の位相変化を示すグラフである。
【図１５】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】図１６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】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】図１８は、一変形例に係る光変調器１Ｂを示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明の一側面に係る光変調器は、非線形光学結晶を含み、所定方向に周期的に並ぶ複数の第１屈折率領域と、各第１屈折率領域の第１側面上に設けられた第１導電膜と、各第１屈折率領域の第１側面とは反対側の第２側面上に設けられた第２導電膜と、を備える。複数の第１屈折率領域は、該複数の第１屈折率領域よりも低い屈折率を有する領域によって囲まれている。
【００１０】
この光変調器では、複数の第１屈折率領域が所定方向に周期的に並んでおり、その周囲は低屈折率領域によって囲まれている。このような光変調器に厚さ方向（上記の所定方向と交差する方向）から光が入射すると、第１屈折率領域の屈折率、厚さ、及び配列周期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、複数の第１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。すなわち、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。従って、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。従って、上記の光変調器によれば、液晶を用いる場合と比較して、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。
【００１１】
また、例えば紫外光といった高エネルギーの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、紫外光といった高エネルギーの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。従って、上記の光変調器によれば、紫外光といった高エネルギーの光に対して特に有用な光変調器を提供できる。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。
【００１２】
上記の光変調器において、複数の第１屈折率領域間の領域は、複数の第１屈折率領域よりも低い屈折率を有する材料により埋め込まれてもよい。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できる。
【００１３】
上記の光変調器は、複数の第１屈折率領域に接しており、複数の第１屈折率領域よりも低い屈折率を有する低屈折率層を更に備えてもよい。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が存在することにより、その上に複数の第１屈折率領域を容易に形成することができる。
【００１４】
上記の光変調器は、複数の第１屈折率領域に対して厚さ方向に間隔をあけて設けられた光反射層を更に備えてもよい。この場合、複数の第１屈折率領域を囲む領域（複数の第１屈折率領域と光反射層との間の領域を含む）は、該複数の第１屈折率領域よりも低い屈折率を有する。従って、複数の第１屈折率領域と光反射層との間に共振器構造が構成され、且つ他方の光反射層となる複数の第１屈折率領域の光反射率は、上述したように第１導電膜及び第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導電膜及び第２導電膜への印加電圧の大きさに応じた位相でもって光変調器から出射される。このように、上記の光変調器によれば、入射光の位相を任意の大きさに変調することができる。すなわち、光位相変調器を実現できる。この光位相変調器もまた、上記の光強度変調器と同様に、液晶を用いる場合と比較して、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できる。
【００１５】
上記の光変調器において、光反射層は、金属膜若しくは誘電体多層膜を含んでもよい。これにより、高い反射率を有する光反射層を容易に実現することができる。
【００１６】
上記の光変調器において、光反射層と複数の第１屈折率領域との光学距離は、入射光の波長の１／４の整数倍であってもよい。これにより、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、例えば幅２π（ｒａｄ）の位相変調も可能となる。
【００１７】
上記の光変調器において、第１導電膜及び第２導電膜は、互いに隣り合う一方の第１屈折率領域の側面上から低屈折率層上及び他方の第１屈折率領域の側面上にわたって設けられてもよい。これにより、第１導電膜及び第２導電膜の形成が容易になる。
【００１８】
上記の光変調器において、非線形光学結晶は、ニオブ酸リチウム及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。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、上述した光変調器の作用を好適に奏することができる。
【００１９】
上記の光変調器において、第１導電膜及び第２導電膜は光透過性を有してもよい。これにより、第１導電膜及び第２導電膜における光損失を低減し、光変調器の光入出射効率を高めることができる。
【００２０】
以下、添付図面を参照しながら本発明による光変調器の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００２１】
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及び図２に示されるように、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と、第１導電膜１１と、第２導電膜１２とを備えている。
【００２２】
基板３は、平坦な主面３ａと、主面３ａとは反対側に設けられた平坦な裏面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成るか、若しくは非線形光学結晶以外の無機材料から成る。非線形光学結晶としては、例えばニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3）及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。また、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の厚さ（主面３ａと裏面３ｂとの距離）は、例えば４００〜１０００μｍの範囲内である。
【００２３】
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、後述する複数の第１屈折率領域７と厚さ方向に光学距離Ｚ１をあけて設けられる。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の厚さは、例えば１０〜１５０ｎｍの範囲内である。或いは、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。或いは、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。
【００２４】
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側の面は、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規定される。低屈折率層５を構成する材料は、絶縁性を有しており、且つ、複数の第１屈折率領域７を構成する材料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成る。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。
【００２５】
複数の第１屈折率領域７は、低屈折率層５上にそれぞれ設けられ、所定方向Ｄ１に沿って周期的に並んでいる。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んで構成される。一例では、各第１屈折率領域７は非線形光学結晶から成る。非線形光学結晶としては、例えばＬｉＮｂＯ3及びＬｉＴａＯ3のうち少なくとも一方が挙げられる。
【００２６】
複数の第１屈折率領域７は、該複数の第１屈折率領域７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。
【００２７】
図１に示されるように、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並んでいる。複数の第１屈折率領域７の配列周期は、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である。また、図２に示されるように、各第１屈折率領域７の厚さ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。従って、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。
【００２８】
なお、各第１屈折率領域７の厚さ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における幅は厚さ方向に均一であり、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、厚さ方向に均一である。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。
【００２９】
各第１屈折率領域７の厚さ（すなわち低屈折率層５側の面からの高さ）は、例えば５０ｎｍ〜１μｍの範囲内である。また、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の範囲内であり、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。
【００３０】
第１導電膜１１及び第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を添加したＡＺＯ）、或いは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。
【００３１】
具体的には、第１導電膜１１は、図１に示される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に示されるように、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上及び他方の第１屈折率領域７の側面上にわたって設けられている。また、接続部１１ｂは、低屈折率層５上において、複数の第１屈折率領域７に対して方向Ｄ１における一方側に配置され、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。
【００３２】
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に示されるように、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上及び他方の第１屈折率領域７の側面上にわたって設けられている。また、接続部１２ｂは、低屈折率層５上において、複数の第１屈折率領域７に対して方向Ｄ１における他方側に配置され、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。
【００３３】
図１に示されるように、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。
【００３４】
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。
【００３５】
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間の領域を埋め込んでいる。より具体的には、各第２屈折率領域９は、第１導電膜１１上及び第２導電膜１２上に設けられ、第１導電膜１１及び第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、且つ、各第１屈折率領域７を構成する材料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成る。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といった無機シリコン化合物が挙げられる。
【００３６】
上記の構成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。この光変調器１Ａでは、複数の第１屈折率領域７が所定方向Ｄ１に周期的に並んでおり、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に厚さ方向（上記の所定方向Ｄ１と交差する方向）から光Ｌｉｎが入射すると、第１屈折率領域７の屈折率、厚さ、及び配列周期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。
【００３７】
図３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、横軸は波長を表し、縦軸は各第１屈折率領域７の厚さを表す。なお、これらのグラフでは、複数の第１屈折率領域７の配列周期は２１６ｎｍであり、第１屈折率領域７及び第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及び図４を参照すると、第１屈折率領域７の厚さが約１８０ｎｍである場合、入射光Ｌｉｎの波長が３５５ｎｍであるときに、半値幅が狭く、且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。
【００３８】
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となる。従って、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を二次元状に配列することによって、強度変調型の空間光変調器（ＳＬＭ）が実現される。
【００３９】
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の厚さ方向には、光学距離Ｚ１をあけて光反射層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よりも低い屈折率を有する。従って、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、且つ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、上述したように第１導電膜１１及び第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及び第２導電膜１２への印加電圧の大きさに応じた位相でもって変調され、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を二次元状に配列することによって、位相変調型の空間光変調器（ＳＬＭ）が実現される。
【００４０】
図６〜図８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６は屈折率変化量が−０．０１である場合、図７は屈折率変化量が０である場合、図８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〜図８の（ａ）は振幅変化を表し、図６〜図８の（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さ方向位置（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の厚さ（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〜図８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。
【００４１】
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、厚さ、及び配列周期のうち少なくとも一つを調整することにより、２９０ｎｍ〜５．５μｍといった広い波長域で使用可能であり、波長３５５ｎｍ、５３２ｎｍ、１０６０ｎｍ、若しくは１０６４ｎｍといった波長でのレーザ加工、或いは光通信分野で使用される１．５５μｍといった波長での動作が可能である。また、変調速度は櫛歯型電極である第１導電膜１１及び第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。
【００４２】
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〜図１１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の（ａ）に示されるように、基板３を用意する。基板３の詳細は前述したとおりである。次に、図９の（ｂ）に示されるように、基板３の主面３ａ上に光反射層４を必要に応じて形成する。光反射層４が金属膜からなる場合、光反射層４を例えば真空蒸着やスパッタ法により形成する。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を例えば真空蒸着やスパッタ法により形成する。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をダイレクトボンディング法により形成する。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イオンを照射し非線形光学結晶を改質する。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する。その後、先にダイレクトボンディング法により形成したもの（図９（ｂ）を参照）と、改質した非線形光学結晶とを更にダイレクトボンディングする。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）に示される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。
【００４３】
続いて、フォトリソグラフィ若しくは電子線リソグラフィによるエッチングマスクを層７１上に形成し、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の（ａ）に示されるように、複数の第１屈折率領域７を形成する。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。
【００４４】
続いて、図１０の（ｂ）に示されるように、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）、並びに低屈折率層５の露出した上面上に、導電膜１３を成膜する。導電膜１３の構成材料は、第１導電膜１１及び第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を、例えば原子層堆積（ＡＬＤ）法といった、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する。
【００４５】
続いて、図１１の（ａ）に示されるように、導電膜１３上に誘電体層９１を堆積する。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。但し、誘電体層９１の厚さは複数の第２屈折率領域９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を、例えば真空蒸着法やスパッタ法により形成する。
【００４６】
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、及び複数の第１屈折率領域７の頂部を研磨する。そして、図１１の（ｂ）に示されるように、複数の第１屈折率領域７を導電膜１３から露出させる。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、及び電圧印加部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。
【００４７】
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による前述した変調動作は、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。従って、本実施形態の光変調器１Ａによれば、液晶を用いる場合と比較して、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。
【００４８】
また、例えば紫外光といった高エネルギーの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、紫外光といった高エネルギーの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。従って、本実施形態によれば、紫外光といった高エネルギーの光に対して特に有用な光変調器１Ａを提供できる。特に、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。
【００４９】
また、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よりも低い屈折率を有する第２屈折率領域９により埋め込まれてもよい。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。
【００５０】
また、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。
【００５１】
また、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。これにより、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。
【００５２】
また、本実施形態のように、第１導電膜１１及び第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上及び他方の第１屈折率領域７の側面上にわたって設けられてもよい。これにより、第１導電膜１１及び第２導電膜１２の形成が容易になる。
【００５３】
また、本実施形態のように、非線形光学結晶は、ニオブ酸リチウム及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。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、上述した光変調器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。
【００５４】
また、本実施形態のように、第１導電膜１１及び第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及び第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。
【００５５】
また、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、例えば幅２π（ｒａｄ）の位相変調も可能となる。
【００５６】
図１２〜図１４は、入射光Ｌｉｎの波長を３５５ｎｍとし、低屈折率層５の厚さを入射光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の振幅変化及び位相変化を示すグラフである。図１２は屈折率変化量が−０．０１である場合、図１３は屈折率変化量が０である場合、図１４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〜図１４の（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し、図１２〜図１４の（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さ方向位置（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〜図１４の（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。
【００５７】
ここで、図１５及び図１６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及び第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１６の（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の（ｂ）は表面反射膜６１の反射率を０．９０とした場合を示す。
【００５８】
図１６（ａ）に示されるように、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に示されるように極めて高い反射率を有する構造となるので、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の厚さ（光学膜厚）によって決まる。各第１屈折率領域７に電圧を印加すると、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。
【００５９】
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及び各第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。同図を参照すると、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。
【００６０】
（変形例）
上記実施形態では、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及び第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、上記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。具体的には、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の少なくとも一方が設けられていない一又は複数の第１屈折率領域７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。
【００６１】
本発明による光変調器は、上述した実施形態の例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００６２】
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。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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