(57)【要約】【課題】  電極材料として透明電極を用いた光制御装置を提供する。【解決手段】  光制御装置８は、２次元状に配列された複数の画素１０を備える。基板３０上には、第１反射層３２が形成される。第１反射層３２の上面には光変調膜３４が設けられる。この光変調膜３４の材料としては、印加した電界に応じて屈折率が変化するＰＬＺＴなどの電気光学材料を選択する。光変調膜３４の上面には保護層５０を備える。この光変調膜３４の上面には、この保護層５０を挟んで透明電極３６が設けられる。透明電極３６の上面には、第２反射層４０が形成される。第２反射層４０は、誘電体多層膜によって形成され、屈折率の異なる第１誘電体膜４２、第２誘電体膜４４が交互に積層される。第１反射層３２、光変調膜３４、第２反射層４０は共振器を構成する。透明電極３６および第１反射層３２は電極対を形成し、光変調膜３４に印加する電界によって光制御装置８の反射率を制御する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に設けられた第１の反射層と、
前記第１の反射層上に設けられ、印加した電界により屈折率が制御可能な光変調膜と、
前記光変調膜上に設けられた保護層と、
前記保護層上に設けられ、前記光変調膜に電界を印加する透明電極と、
を備えることを特徴とする光制御装置。
【請求項２】
前記保護層は、酸化イリジウムで形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光制御装置。
【請求項３】
前記保護層の厚みは、１ｎｍから５０ｎｍの範囲であることを特徴とする請求項２に記載の光制御装置。
【請求項４】
前記保護層は、ルテニウム酸ストロンチウムで形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光制御装置。
【請求項５】
前記保護層は、ランタンストロンチウムコバルト酸化物で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光制御装置。
【請求項６】
前記透明電極は、酸化インジウムスズで形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光制御装置。
【請求項７】
前記透明電極は、酸化亜鉛で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光制御装置。
【請求項８】
前記光変調膜は、チタン酸ジルコン酸鉛またはチタン酸ジルコン酸ランタン鉛で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光制御装置。
【請求項９】
前記透明電極上に設けられた第２の反射層をさらに備え、当該透明電極と前記第１の反射層とが、前記電極対を形成することを特徴とする請求項１に記載の光制御装置。
【請求項１０】
電気光学材料を用いて形成される光変調膜と、
前記光変調膜上に設けられた保護層と、
前記保護層上に設けられ、前記光変調膜に電界を印加する透明電極層と、
を備え、前記光変調膜に電界を印加し、その屈折率変化を利用して光を変調する光制御装置に設けられることを特徴とする構造体。
【請求項１１】
前記保護層は、酸化イリジウムで形成されていることを特徴とする請求項１０に記載の構造体。
【請求項１２】
前記保護層は、ルテニウム酸ストロンチウムで形成されていることを特徴とする請求項１０に記載の構造体。
【請求項１３】
前記保護層は、ランタンストロンチウムコバルト酸化物で形成されていることを特徴とする請求項１０に記載の構造体。
【請求項１４】
前記透明電極層は、酸化インジウムスズで形成されていることを特徴とする請求項１０に記載の構造体。
【請求項１５】
前記光変調膜は、チタン酸ジルコン酸鉛またはチタン酸ジルコン酸ランタン鉛で形成されていることを特徴とする請求項１０に記載の光制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光制御装置に関し、特にその電極形成技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、大容量の記録方式として、ホログラムの原理を利用したデジタル情報記録システムが知られている（たとえば特許文献１）。
【０００３】
ホログラム記録装置の空間光変調器の材料としては、たとえばチタン酸ジルコン酸ランタン鉛（以下、ＰＬＺＴという）等の電気光学効果を有するものを用いることができる。ＰＬＺＴは、（Ｐｂ1-yＬａy）（Ｚｒ1-xＴｉx）Ｏ3の組成を有する透明セラミックスである。電気光学効果とは、物質に電界を印加するとその物質に分極が生じ屈折率が変化する現象をいう。電気光学効果を利用すると、印加電圧をオン、オフすることにより光の位相を切り替えることができる。そのため、電気光学効果を有する光変調材料を空間光変調器等の光シャッターに適用することができる。
【０００４】
こうした光シャッター等の素子への適用においては、従来、バルクのＰＬＺＴが広く利用されてきた（特許文献２）。しかし、バルクＰＬＺＴを用いた光シャッターは、微細化、集積化の要請や、動作電圧の低減や低コスト化の要請に応えることは困難である。また、バルク法は、原料となる金属酸化物を混合した後、１０００℃以上の高温で処理する工程を含むため、素子形成プロセスに適用した場合、材料の選択や素子構造等に多くの制約が加わることとなる。
【０００５】
こうしたことから、バルクＰＬＺＴに代え、基材上に形成した薄膜のＰＬＺＴを光制御素子へ応用する試みが検討されている。特許文献３には、ガラス等の透明基板上にＰＬＺＴ膜を形成し、その上に櫛形電極を設けた表示装置が記載されている。この表示装置は、ＰＬＺＴ膜が形成された表示基板の両面に偏光板が設けられた構成を有する。ここで、各画素の電極端子部が外部の駆動回路と接続されることにより、所望の画素が駆動され、表示基板の一面側に設けられた光源からの透過光により所望の表示をすることができるようになっている。
【特許文献１】特開２００２−２９７００８号公報
【特許文献２】特開平５−２５７１０３号公報
【特許文献３】特開平７−１４６６５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ここで、特許文献３に記載されるような薄膜のＰＬＺＴを利用した光制御素子への電界の印加方法について考察する。ＰＬＺＴの表面にＡｕ、ＩｒＯ２、Ａｌなどを材料として電極を形成する場合、その電極部分については光が透過しないため、開口率、光の利用効率の低下は避けられない。そこで、本発明者は、光の利用効率をさらに改善するために、ＰＬＺＴ上に形成する電極を、透明電極を用いて形成するという改良を試みた。
【０００７】
代表的な透明電極の材料としては、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ  Ｔｉｎ  Ｏｘｉｄｅ）などが知られている。本発明者は、このＩＴＯを電極材料としてＰＬＺＴ膜上に電極を形成し、その電気的特性を測定した。図７は、ＩｒＯ２を用いて不透明な電極を形成した場合と、ＩＴＯを用いて透明電極を形成した場合の印加電界と分極の関係を示す図である。いずれの材料についても、スパッタ法により電極を形成している。
【０００８】
この図７から明らかなように、電極をＩＴＯで形成した場合、Ｉｒ／ＩｒＯ２で形成した場合に比べて、同一の電界を印加したときの分極量が大きく減少していることが分かる。
また、比誘電率について実測したところ、Ｉｒ／ＩｒＯ２により電極を形成したときの比誘電率がε＝１２７０であったのに対し、ＩＴＯで形成した場合、ε＝８２０にまで低下していることが明らかとなった。
【０００９】
本発明はこうした状況に鑑みなされたものであり、その目的は、電極材料として透明電極を用いても電気的特性の劣化しない光制御装置の提供にある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明のある態様は、光制御装置に関する。この光制御装置は、基板と、基板上に設けられた第１の反射層と、第１の反射層上に設けられ、印加した電界により屈折率が制御可能な光変調膜と、光変調膜上に設けられた保護層と、保護層上に設けられ、光変調膜に電界を印加する透明電極と、を備える。
【００１１】
この態様によると、光変調膜と、透明電極の間に保護層を形成することにより、光変調膜の電気的特性が悪化するのを防止することができ、電気的特性の優れた光制御装置を構成することができる。
【００１２】
保護層は、酸化イリジウムＩｒＯ２で形成されてもよい。酸化イリジウムは導電性を有するため、透明電極により光変調膜に印加される電界に対して影響を及ぼすことなく、好適に光変調膜を保護することができる。
【００１３】
保護層の厚みは、１ｎｍから５０ｎｍの範囲であってもよい。保護膜を酸化イリジウムで形成した場合、光制御装置の特性として、１ｎｍから５０ｎｍの範囲において有意な効果が認められ、より好適には３ｎｍから２５ｎｍとすることでさらに有意な効果を得ることができる。
【００１４】
保護層は、ルテニウム酸ストロンチウムＳｒＲｕＯ３で形成されていてもよく、また、ランタンストロンチウムコバルト酸化物Ｌａ０．５Ｓｒ０．５ＣｏＯ３で形成されていてもよい。
酸化イリジウムに代えて、これらの導電性酸化物を用いた場合においても、保護層として好適に機能する。
【００１５】
透明電極は、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）で形成されていてもよい。また、透明電極は、酸化亜鉛（ＺｎＯ）で形成されていてもよい。
【００１６】
光変調膜は、チタン酸ジルコン酸鉛ＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ1-xＴｉx）Ｏ３）またはチタン酸ジルコン酸ランタン鉛ＰＬＺＴ（（Ｐｂ1-yＬａy）（Ｚｒ1-xＴｉx）Ｏ3）で形成されてもよい。
【００１７】
光制御装置は、透明電極上に設けられた第２の反射層をさらに備えてもよい。
当該透明電極と第１の反射層とが、電極対を形成してもよい。この場合、光変調膜の厚み方向に電界が印加されることになるため、光変調膜の内部に生ずる電界を均一にすることができる。
【００１８】
第２の反射層は、屈折率の異なる複数の誘電体膜を含む積層構造を有してもよい。誘電体多層膜により第２の反射層を形成することにより、多層膜の材料、層数、厚みの選択によって反射率を好適に制御することができる。第１の反射層と第２の反射層の反射率は略同一であってもよい。
【００１９】
本発明の別の態様は、構造体に関する。この構造体は、電気光学材料を用いて形成される光変調膜と、光変調膜上に設けられた保護層と、保護層上に設けられ、光変調膜に電界を印加する透明電極層と、を備える。この構造体は、光変調膜に電界を印加し、その屈折率変化を利用して光を変調する光制御装置に設けられる。
【００２０】
この態様によると、保護層により光変調膜に電界を印加するための透明電極を形成する際に、光変調膜の電気的特性が悪化するのを防止することができる。
【００２１】
上記構造体の保護層の材料としては、導電性酸化膜を好適に用いることができ、酸化イリジウム、ルテニウム酸ストロンチウム、またはランタンストロンチウムコバルト酸化物などで形成されてもよい。
【００２２】
上記構造体の透明電極層は、酸化インジウムスズまたは酸化亜鉛で形成されてもよい。
【００２３】
上記構造体の光変調膜は、チタン酸ジルコン酸鉛またはチタン酸ジルコン酸ランタン鉛で形成されていてもよい。
【発明の効果】
【００２４】
本発明に係る光制御装置によれば、電気的特性の悪化を抑制しつつ、開口率を向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
本実施の形態に係る光制御装置の概要を説明する。この光制御装置は、たとえばホログラム記録再生装置における空間光変調器（Ｓｐａｔｉａｌ  Ｌｉｇｈｔ  Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）として使用される。
図１は、本実施の形態における光制御装置を空間光変調器として用いた場合のホログラム記録装置を示す図である。ホログラム記録装置７０は、空間変調器ＳＬＭ（光制御装置８）、制御部６０、レーザ光源７２、ビームエキスパンダ７４、フーリエ変換レンズ７６、記録媒体７８とを含む。
【００２６】
ホログラム記録装置７０において、レーザ光源７２から発せられたレーザ光は、図示しないビームスプリッタで２つの光に分割される。このうち一方の光は、参照光として用いられ、記録媒体７８内に導かれる。もう一方の光は、ビームエキスパンダ７４でビーム径が拡大され、平行光として空間変調器ＳＬＭ（光制御装置８）に照射される。
【００２７】
光制御装置８は、マトリクス状に配置された画素を有し、各画素毎に反射率が変化するように構成されている。制御部６０は、制御信号ＣＮＴによって光制御装置８の各画素の反射率を制御する。空間変調器ＳＬＭに照射された光は、画素毎に異なる強度を有する信号光として空間変調器ＳＬＭから反射される。この信号光は、フーリエ変換レンズ７６を通過してフーリエ変換され、記録媒体７８内に集光される。記録媒体７８内において、ホログラムパターンを含む信号光と参照光の光路とが交差して光干渉パターンを形成する。光干渉パターン全体が屈折率の変化（屈折率格子）として記録媒体７８に記録される。
【００２８】
図２（ａ）は、本実施の形態に係る光制御装置８の平面図を示す。光制御装置８は、基板３０上に８行８列の２次元状に配列された複数の画素１０を備える。各画素１０は、２０μｍ×２０μｍ程度のサイズにて構成される。各画素１０には、図１の制御部６０から出力される制御信号ＣＮＴが入力される。
図２（ｂ）は、図２（ａ）に示す光制御装置のＡ−Ａ’線断面図を示す。光制御装置８は、基板３０、第１反射層３２、光変調膜３４、保護層５０、透明電極３６、配線３８、第２反射層４０を含む。
【００２９】
本実施の形態に係る光制御装置８は、基板３０上に形成される。この基板３０の材料としては、表面が平坦なガラス、シリコンなどを好適に用いることができる。
基板３０上には、第１反射層３２が形成される。第１反射層３２の材料としては、たとえばＰｔなどの金属材料を好適に用いることができる。第１反射層３２の厚みは、２００ｎｍ程度とする。本実施の形態において、第１反射層３２はＰｔで形成され、この第１反射層３２は、後述するように光変調膜３４に電界を印加する電極として機能する。
第１反射層３２をＰｔで形成した場合、第１反射層３２の反射率は６０％から８０％程度となる。
【００３０】
第１反射層３２の上面には光変調膜３４が設けられる。この光変調膜３４の材料としては、印加した電界に応じて屈折率が変化する固体の電気光学材料を選択する。このような電気光学材料としては、ＰＬＺＴ、ＰＺＴ、ＬｉＮｂＯ３、ＧａＡ−ＭＱＷ、ＳＢＮ（（Ｓｒ，Ｂａ）Ｎｂ２Ｏ６）等を用いることができるが、特にＰＬＺＴが好適に用いられる。光変調膜３４の厚みｔは、入射光の入射角および波長に応じて決定され、たとえば入射光を６５０ｎｍ付近の赤色光とした場合、５００ｎｍから１５００ｎｍの範囲で形成するのが望ましい。後述のように、光変調膜３４に印加される電界は、厚み方向に印加されるため、膜厚が１５００ｎｍ以上であると、十分な屈折率変化を得るための電界を印加することが困難となる。また、膜厚が５００ｎｍ以下であると、十分な光学膜厚変化Δｎｔを得にくくなる。
【００３１】
本実施の形態に係る光制御装置８においては、光変調膜３４の上面には保護層５０が形成される。この保護層５０は、その上面に形成される透明電極３６によって光変調膜３４の電気的特性が悪化するのを防止する役割を果たす。
保護層５０の材料としては、導電性酸化膜である酸化イリジウムＩｒＯ２、ルテニウム酸ストロンチウムＳｒＲｕＯ３、またはランタンストロンチウムコバルト酸化物Ｌａ０．５Ｓｒ０．５ＣｏＯ３などを好適に用いることができる。本実施の形態においては、酸化イリジウムＩｒＯ２を用いる場合について説明する。
【００３２】
保護層５０は、スパッタ法により形成することができる。酸素雰囲気中に、ＰＬＺＴ膜が形成された基板３０と、イリジウムＩｒのターゲットを配置し、イリジウムＩｒのターゲットにアルゴンイオンを照射する。その結果、スパッタされたイリジウムが酸素と結合し、酸化イリジウムＩｒＯ２としてＰＬＺＴ上に堆積されていく。
保護層５０の膜厚ｔｐについては、後述するが、１ｎｍから５０ｎｍの範囲であることが望ましく、より好適には３ｎｍから２５ｎｍの範囲であることが望ましい。
【００３３】
光変調膜３４上に形成された保護層５０の上層には、透明電極３６が形成される。透明電極３６は、たとえば、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ  Ｔｉｎ  Ｏｘｉｄｅ）、ＺｎＯなどにより形成することができる。透明電極３６をＩＴＯやＺｎＯで形成した場合、その厚みは１００ｎｍ〜１５０ｎｍ程度とする。この透明電極３６は、抵抗値と透過率がトレードオフの関係となるため、その厚みは実験的に定めてもよい。
透明電極３６は、保護層５０と同様にスパッタ法により形成することができる。この透明電極３６は、画素１０ごとにマトリクス状に配置して形成される。
【００３４】
透明電極３６の上面には、第２反射層４０が形成される。この第２反射層４０は、誘電体多層膜によって形成され、屈折率の異なる第１誘電体膜４２、第２誘電体膜４４が交互に積層される。第１誘電体膜４２、第２誘電体膜４４の材料の組み合わせとしては、ＳｉＯ２（ｎ＝１．４８）、Ｓｉ３Ｎ４（ｎ＝２．０）を用いることができる。
【００３５】
誘電体多層膜をシリコン酸化膜およびシリコン窒化膜で形成する場合、シリコン半導体集積回路の製造プロセスおよび製造装置をそのまま使用することができる。
誘電体多層膜は、プラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により形成することができる。ＳｉＯ２膜は、ＴＥＯＳ、Ｏ２雰囲気中で温度２００℃の条件で成長させ、Ｓｉ３Ｎ４膜は、ＳｉＨ４、ＮＨ３雰囲気中で温度２００℃の条件で好適に成長させることができる。
また、誘電体多層膜は、イオンビームスパッタ法により形成してもよい。
【００３６】
第１誘電体膜４２、第２誘電体膜４４のそれぞれの厚みｔ１、ｔ２は、光制御装置８に入射する光の波長の１／４となるように設計する。すなわち、光制御装置８に入射する光の波長をλ、誘電体膜の屈折率をｎとすると、各誘電体膜１層分の厚みｔは、ｔ＝λ／（ｎ×４）となるように調節する。
【００３７】
たとえば、光制御装置８に波長λ＝６３３ｎｍの赤色のレーザ光が用いられる場合には、第１誘電体膜４２の厚みｔ１は、その材料としてＳｉＯ２（ｎ＝１．４８）とした場合、ｔ１＝６３３／（４×１．４８）＝１０６ｎｍ程度とする。また、第２誘電体膜４４の厚みｔ２は、材料としてＳｉ３Ｎ４（ｎ＝２．０）を用いた場合、ｔ２＝６３３／（４×２）＝７９ｎｍ程度とする。第２反射層４０を構成する誘電体膜の厚みｔ１、ｔ２は、必ずしも厳密にλ／４に設計されている必要はない。
【００３８】
誘電体膜の材料としてはシリコン窒化膜に替えて、ＴｉＯ３（ｎ＝２．２）を用いてもよい。この場合、第２誘電体膜４４の厚みｔ２は、ｔ２＝６３３／（４×２．２）＝７２ｎｍ程度とする。
【００３９】
図２（ｂ）において、光変調膜３４から第２反射層４０に入射する光の反射率Ｒ２は、光変調膜３４から第１反射層３２に入射する光の反射率Ｒ１と等しくなるように設計する。反射率Ｒ１は、第１反射層３２に用いる金属材料によって定まり、Ｐｔを選択する場合、５０〜８０％となる。
従ってこのとき、反射率Ｒ２も５０〜８０％となるように設計する。第２反射層４０の反射率Ｒ２は、第１誘電体膜４２、第２誘電体膜４４の材料および厚みによって調節することができる。本実施の形態においては、図２に示すように、第２反射層４０は、第１誘電体膜４２および第２誘電体膜４４をそれぞれ３層づつ交互に積層している。第２反射層４０において、第１誘電体膜４２、第２誘電体膜４４を積層する順番は逆であってもよい。また、反射率Ｒ２を微調節するために、第３の誘電体膜をさらに積層してもよい。
【００４０】
第２反射層４０は開口されており、ビアおよび配線３８を介して透明電極３６が外部に引き出されている。配線３８の材料としてはＡｌなどが好適に用いられる。
配線３８の上面には、さらに保護層を形成してもよい。
【００４１】
本実施の形態においては、透明電極３６と第１反射層３２とが電極対を形成する。第１反射層３２の電位はたとえば接地電位に固定され、各画素の透明電極３６の電位は制御信号ＣＮＴによって制御される。
【００４２】
以上のように構成された光制御装置８の動作について説明する。
図３は、光制御装置８の１画素の動作状態を模式的に示す。同図において、図２と同一の構成要素には同一の符号を付している。また、簡略化のため、透明電極３６などの構成要素は省略している。
光制御装置８の上方から、強度Ｉｉｎのレーザ光が入射される。光制御装置８の第１反射層３２、光変調膜３４、第２反射層４０は、ファブリーペロー型の共振器を構成し、入射された光の一部が閉じこめられ、その一部が反射される。入射するレーザ光の強度をＩｉｎとし、光制御装置８によって反射されるレーザ光の強度をＩｏｕｔとするとき、光制御装置８の反射率Ｒは、Ｒ＝Ｉｏｕｔ／Ｉｉｎで定義される。
図４は、光制御装置８に入射する光の波長λと反射率Ｒの関係を示す。
【００４３】
第１反射層３２、光変調膜３４、第２反射層４０により構成されるファブリーペロー型の共振器は、λｍ＝２ｎｔｃｏｓθ／ｍの共振波長を有する。ここで、ｍは次数、ｎは光変調膜３４の屈折率、ｔは光変調膜３４の厚み、θは、レーザ光の入射角を表す。図４に示すように、光制御装置８の反射率Ｒは、共振波長λｍにおいて最小値をとる。
【００４４】
上述のように、光変調膜３４の屈折率ｎは、電極対に印加される電界に依存する。いま、第１反射層３２を接地電位とし、図示しない透明電極３６に制御電圧Ｖｃｎｔを印加すると、光変調膜３４には、厚み方向に電界Ｅ＝Ｖｃｎｔ／ｔが印加される。光変調膜３４の屈折率ｎの変化量Δｎと、印加される電界Ｅとの間には、Δｎ＝１／２×ｎ３×Ｒ×Ｅ２の関係が成り立つ。ここでＲは電気光学定数（カー定数）である。
【００４５】
図４の（Ｉ）は、制御電圧Ｖｃｎｔを印加しないときの反射特性を示す。
いま、各画素１０の透明電極３６に制御電圧Ｖｃｎｔとして電圧Ｖ１を印加すると、光変調膜３４の屈折率が変化し、共振器の共振波長がλｍ１からλｍ２にシフトする。このときの反射特性を図４に（ＩＩ）で示す。
光制御装置８に入射するレーザ光の波長をλｍ１とした場合、制御電圧Ｖｃｎｔを接地電位からある電圧値Ｖ１に変化させると、共振波長がシフトすることにより、光制御装置８の反射率はＲｍ１からＲｍ２に変化する。
【００４６】
ここで、電圧を印加しない場合の反射率Ｒｏｎと、電圧を印加した場合の反射率Ｒｏｆｆの比をオンオフ比と定義する。入射光の強度Ｉｉｎが一定のとき、反射光の強度Ｉｏｕｔは、反射率に比例することになる。したがって、オンオフ比が大きい方が反射光の強度Ｉｏｕｔをより精度良く制御できることを意味する。
共振波長λｍにおける光制御装置８の反射率Ｒは、第１反射層３２での反射率Ｒ１および第２反射層４０での反射率Ｒ２が近い程低くなる。したがって、上述のように、第２反射層４０の誘電体多層膜の層数、材料を調節し、第１反射層３２での反射率Ｒ１と第２反射層４０での反射率Ｒ２を等しく設計することにより、オフ時の反射率Ｒ１を低く設定し、オンオフ比を高くとることができる。
【００４７】
このように、本実施の形態に係る光制御装置８においては、光変調膜３４に印加する電界を変化させることにより、反射率を変化させ、反射光Ｉｏｕｔの強度を制御する光スイッチ素子を実現することができる。また、光変調膜３４の屈折率を変化させることにより、反射光の位相も制御することができるため、ホログラム記録装置などに好適に用いることができる。
この光制御装置８は反射型の構成となっているため、入射光Ｉｉｎを基板３０を透過させる必要がない。その結果、従来の透過型の光制御装置に比べて、光の利用効率を向上することができる。
【００４８】
本実施の形態に係る光制御装置８においては、複数の画素１０がマトリクス状に配置されており、各画素１０ごとに電極対を有するため、画素毎に反射率を制御することができ、空間光変調器ＳＬＭとして用いることができる。
【００４９】
本実施の形態に係る光制御装置８では、第１反射層３２と透明電極３６により電極対を形成するため、光変調膜３４の厚み方向に一様に電界を印加することができ、光変調膜３４の内部の屈折率を均一に変化させることができる。
【００５０】
さらに、本実施の形態に係る光制御装置８によれば、反射型の変調器を構成するため、基板３０として、不透明な材料を用いることができる。たとえば、基板３０としてシリコンを用いた場合、シリコン内にトランジスタ素子などを形成することができるため、画素毎に制御電圧Ｖｃｎｔの制御手段を設けるアクティブマトリクス駆動を行うこともできる。
【００５１】
また、光変調膜３４に電界を印加するための上部電極として透明電極３６を用いることにより、開口率を向上することができ、また回折を最小限に抑えることができるため、光の利用効率が向上する。光の利用効率の向上は、入射するレーザ光の強度Ｉｉｎを低くするできることを意味し、消費電力の低減を図ることが可能となる。
【００５２】
さらに、本実施の形態に係る光制御装置８では、光変調膜３４の上層に透明電極３６を形成し、その上に第２反射層４０を形成している。その結果、第２反射層４０の上層に透明電極３６を形成した場合に比べて、上部電極と下部電極間の距離を短くすることができるため、光変調膜３４に印加される電界Ｅを高くすることができる。これは、別の観点からは、同一の電界を印加するために電極間に印加すべき電圧を低くできることを意味し、これにより光制御装置８を低電圧動作させることが可能となる。
【００５３】
また、本実施の形態に係る光制御装置８では、反射率Ｒを制御することによって反射光の強度Ｉｏｕｔを変化させるため、偏向板や検光子を必要とせず、光の利用効率が高いという利点を有する。
【００５４】
図５は、保護層５０厚みｔｐと、ＰＬＺＴの比誘電率εの関係を示す図である。同図は、ＰＬＺＴ上に保護層５０としてＩｒＯ２膜を形成し、その上層にＩＴＯを用いて透明電極３６を形成した場合の比誘電率εをＩｒＯ２膜の膜厚ｔｐをパラメータとして測定したものである。
保護層５０の膜厚ｔｐが０ｎｍのとき、すなわち、ＰＬＺＴ上にＩＴＯの透明電極３６を直接形成した場合、比誘電率は８００程度となる。ここで、保護層５０の厚みを５ｎｍ、１０ｎｍと厚くしていくことにより、比誘電率は大きくなっていく。
【００５５】
ＰＬＺＴ上の電極を、膜厚５０ｎｍ程度のＩｒＯ２のみを用いて形成し、その上面にＩＴＯによる電極を形成しない場合、ＰＬＺＴの比誘電率は１２００程度であった。すなわち、保護層５０の厚みｔｐを厚くしていくことにより、ＰＬＺＴの比誘電率を、ＩｒＯ２のみで電極を形成した場合の比誘電率に近づけることができる。
このことから、ＩＴＯとＰＬＺＴの間にＩｒＯ２の薄膜を形成することにより、このＩｒＯ２が、保護層として機能していると考えられる。
【００５６】
ＩｒＯ２が保護層として機能する理由としては、以下の２つが考えられる。まずひとつは、ＩＴＯがＰＬＺＴ上に堆積される際に、ＰＺＬＴの界面に加わるダメージが、ＩｒＯ２の保護層を設けることにより緩和されることが考えられる。もうひとつは、ＩｒＯ２の保護層の形成により、ＩＴＯの電極形成後、このＩＴＯがＰＬＺＴの内部に拡散して電気的特性を悪化させるのを防止していることも一因として考えられる。
【００５７】
ＰＬＺＴを光変調膜３４として用いる際には比誘電率が高い方がよい。一方、保護層５０を形成するＩｒＯ２の光の透過率はＩＴＯ程高くないため、保護層５０を厚くすることにより光の透過率が低下してしまう。そこで、保護層５０の厚みｔｐは、透過率とＰＬＺＴの電気的特性との両方から定める必要がある。図５に示すように、保護層５０の厚みｔｐを厚くするほど比誘電率は改善されていき、比誘電率ε＝１２００程度でほぼ一定値をとることがわかる。したがって、保護層５０をＩｒＯ２にて形成する場合、その厚みは１ｎｍ以上あれば有意な効果を認めることができ、さらに３ｎｍ〜５ｎｍとすることで比誘電率を１００以上改善することができる。さらに膜厚を厚くし、１０ｎｍから２５ｎｍの範囲とすると、ＩＴＯを用いず、ＩｒＯ２のみで電極形成を行った場合と同等の比誘電率を得ることができる。保護層５０の厚みは、厚くするほどＰＬＺＴの電気的特性は改善されるが、製造コスト、製造時間も考慮し、５０ｎｍ以下とすることが望ましい。
【００５８】
図４に示すように、光制御装置８は電極間に電圧を印加することにより、反射率の周波数特性が波長シフトする。図６は、光制御装置８における保護層５０の厚みｔｐと波長シフト量Δλｍ（＝λｍ２−λｍ１）の関係を示す図である。図６は、同一の電界を印加したときの波長シフト量を保護層の厚みをパラメータとして示している。
【００５９】
保護層５０の膜厚が０ｎｍのとき、すなわち、ＰＬＺＴ上にＩＴＯの透明電極３６を直接形成した場合、波長シフト量Δλｍは２．４ｎｍ程度となる。保護層５０の厚みを５ｎｍ、２０ｎｍと厚くしていくことにより、波長シフト量Δλｍは大きくなっていく。波長シフト量Δλｍと保護層の厚みは、図５の比誘電率と同様の傾向を示しており、その厚みは、１ｎｍ以上あれば有意な効果を認めることができ、さらに３ｎｍ〜５ｎｍとすることで波長シフト量を１ｎｍ程度を大きくすることができる。さらに膜厚を厚くし、１０ｎｍから２５ｎｍの範囲とすると、１．５ｎｍ程度改善することができる。
図４に示すように、波長シフト量Δλｍが大きいほど、光制御装置８の反射率のオンオフ比を高くとることができるため、３ｎｍ〜２５ｎｍの範囲とすることが望ましい。
保護層５０の厚みをこの範囲に設定することにより、光の透過率の低下を抑制しつつ、光制御装置８として光の利用効率を高めることができる。
【００６０】
このように、光変調膜３４、保護層５０、透明電極３６を含む構造体を使用することにより、電極による光透過率の低下を抑制しつつ、良好な変調が可能な光制御装置８を実現することができる。
【００６１】
以上、本発明を実施の形態に基づいて説明した。この実施の形態はあくまで例示であり、種々の変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
【００６２】
実施の形態においては、光変調膜３４、保護層５０、透明電極３６の組み合わせとして、ＰＬＺＴ、ＩｒＯ２、ＩＴＯの場合について説明したが、これには限定されない。ＰＬＺＴに代えてＰＺＴを用いてもよいし、ＩＴＯに代えてＺｎＯを用いてもよい。また、保護層５０としては、ＳｒＲｕＯ３、Ｌａ０．５Ｓｒ０．５ＣｏＯ３を用いてもよい。これらの任意の組み合わせにおいて、実施の形態で説明した効果を得ることができる。
【００６３】
実施の形態では、上部電極となる透明電極３６および下部電極となる第１反射層３２により電極対を形成する場合について説明したが、これには限定されず、たとえば、光変調膜３４に電界を印加するための電極対は保護層５０の上面に櫛形電極として形成してよい。このとき、電界は光変調膜３４に対して横方向に印加される。
この場合においても、櫛形電極は、ＩＴＯなどで形成された透明電極とすることが望ましく、透明電極３６と光変調膜３４であるＰＬＺＴ膜との間には、保護膜を形成することにより、光変調膜３４の電気的特性の劣化を抑制することができる。
【００６４】
第２反射層４０は、金属薄膜で形成されるハーフミラーとしてもよい。この場合、誘電体多層膜を形成する場合に比べて製造工程を簡易化することができる。また、保護層５０によって、ハーフミラーの金属薄膜が光変調膜３４へ及ぼす影響の低減も期待できる。
【００６５】
実施の形態では、光制御装置８をホログラム記録装置７０の光空間変調器として用いる場合について説明したがこれには限定されず、表示装置、光通信用スイッチ、光通信用変調器、光演算装置、および暗号化回路等にも使用することができる。
【００６６】
実施の形態では、光変調膜３４として電気光学材料を用い、光変調膜３４に電界を印加する電極対を備える場合について説明した。本発明は、光変調膜３４に磁気光学材料を用いた場合にも用いることができ、この場合、電界を印加する電極対を磁界を印加するための磁界印加手段に置換すればよい。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】実施の形態における光制御装置を空間光変調器として用いた場合のホログラム記録装置を示す図である。
【図２】図２（ａ）、（ｂ）は、実施の形態に係る光制御装置の構造を示す図である。
【図３】光制御装置の画素の動作状態を模式的に示す図である。
【図４】光制御装置に入射する光の波長λと反射率Ｒの関係を示す図である。
【図５】光制御装置における保護層の厚みｔｐと、ＰＬＺＴの比誘電率εの関係を示す図である。
【図６】光制御装置における保護層の厚みｔｐと波長シフト量Δλｍの関係を示す図である。
【図７】ＩｒＯ２を用いて不透明電極の電極を形成した場合と、ＩＴＯを用いて透明電極を形成した場合の印加電界と分極の関係を示す図である。
【符号の説明】
【００６８】
８  光制御装置、  ３０  基板、  ３２  第１反射層、  ３４  光変調膜、  ３６  透明電極、  ３８  配線、  ４０  第２反射層、  ４２  第１誘電体膜、  ４４  第２誘電体膜、  ５０  保護層。
【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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