(57)【要約】【課題】  光の利用効率を改善した光変調装置を提供する。【解決手段】  光変調装置１０は、発光部２２と、ファブリーペロー型の共振器１６と、共振器１６に制御電圧を印可する制御部１２とを備える。共振器１６は、印可する電界に応じて屈折率が変化する光変調膜３４と、光変調膜３４に電界を印可する櫛形電極３５、３６とを備える。発光部２２から発光された光は、光変調膜３４に印可される電界の方向と実質的に垂直に、かつ光入射面の法線方向から傾いて、光入射面に入射される。【選択図】  図２
2006293018.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光部と、
印可する電界に応じて屈折率が変化する光変調膜と、
前記光変調膜に電界を印可する電極対と、
を備えた光変調装置であって、
前記発光部から発光された光は、前記光変調膜に印可される電界の方向と実質的に垂直に、かつ光入射面の法線方向から傾いて、光入射面に入射されることを特徴とする光変調装置。
【請求項２】
前記電極対は、前記光変調膜において、光入射面と平行となる電界を発生させることを特徴とする請求項１に記載の光変調装置。
【請求項３】
前記電極対は、それぞれ互い違いに延びる複数の櫛歯電極を備えた２つの櫛形電極から構成されることを特徴とする請求項１または２に記載の光変調装置。
【請求項４】
前記発光部は、一方の櫛形電極における櫛歯電極から、他方の櫛形電極における櫛歯電極への垂線に実質的に垂直となる入射方向をもつ光を発光することを特徴とする請求項３に記載の光変調装置。
【請求項５】
前記光変調膜は、印可した電界の２乗に比例して屈折率が変化する電気光学材料で形成されることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の光変調装置。
【請求項６】
前記電気光学材料は、チタン酸ジルコン酸鉛またはチタン酸ジルコン酸ランタン鉛であることを特徴とする請求項５に記載の光変調装置。
【請求項７】
前記光変調膜の下に光反射層を有することを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の光変調装置。
【請求項８】
前記電極対に制御電圧を印加することにより、前記発光部から発光された光を変調して出射せしめる制御部をさらに備えることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の光変調装置。
【請求項９】
当該光変調装置の共振波長を調整するためのバイアス電圧を、前記電極対に印加するバイアス部をさらに備えることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の光変調装置。
【請求項１０】
印可する電界に応じて屈折率が変化する光変調膜と、
前記光変調膜に電界を印可する電極対と、
前記電極対に制御電圧を印加することにより、入射光を変調して出射せしめる制御部と、  当該光変調装置の共振波長を調整するためのバイアス電圧を、前記電極対に印加するバイアス部と、
を半導体集積回路装置として１チップ化された光変調装置であって、
前記光変調膜への入射光が、前記光変調膜に印可される電界の方向と垂直に、かつ光入射面の法線方向から傾いて、入射されることを特徴とする光変調装置。
【請求項１１】
前記バイアス電圧を調整するよう指示する信号を入力するための端子を備えることを特徴とする請求項１０に記載の光変調装置。
【請求項１２】
請求項１から９のいずれかに記載の光変調装置と、
当該光変調装置から出射される光を受ける受光部と、
を備えることを特徴とする光変調システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気光学効果を利用した光変調装置および光変調システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、大容量の記録方式として、ホログラムの原理を利用したデジタル情報記録システムが知られている（たとえば特許文献１）。
【０００３】
ホログラム記録装置の空間光変調器の材料としては、たとえばチタン酸ジ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、薄膜のＰＬＺＴを利用した光制御素子への光の入射方向について考察する。特許文献３に記載されるような光制御素子においては、入射光を、光制御素子の光入射面の法線方向から入射させていた。光入射面の法線方向から傾けて光を入射させた場合、ＰＬＺＴ内の光路長が長くなり、光制御素子の動作電圧を低くすることができる。ＰＬＺＴを用いた光制御素子は、十分な電気光学効果を得るためには高い動作電圧を必要とするが、実用上の観点からは、できるだけ低い動作電圧で利用できることが望ましい。
【０００７】
しかし、光入射面の法線方向から傾けて光を入射させた場合、入射光の一部は、電極に遮られて出射できないため、開口率が小さくなり、光の利用効率が低下してしまうという問題があった。
【０００８】
本発明はこうした状況に鑑みなされたものであり、その目的は、光の利用効率を改善した光変調装置および光変調システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明のある態様の光変調装置は、発光部と、印可する電界に応じて屈折率が変化する光変調膜と、光変調膜に電界を印可する電極対と、を備えた光変調装置であって、発光部から発光された光は、光変調膜に印可される電界の方向と実質的に垂直に、かつ光入射面の法線方向から傾いて、光入射面に入射される。
【００１０】
この態様によると、発光部から発光された光は、光入射面の法線方向から傾いて光入射面に入射されるので、光変調膜内の光路長が長くなり、光変調装置の動作電圧を低下することができる。また、電極対を構成する電極間に電界を発生させ、その電界に実質的に垂直な方向から光を入射することで、電極によって吸収される光が減少する。そのため、開口率が大きくなり、光の利用効率を改善することができる。
【００１１】
電極対は、光変調膜において、光入射面と平行となる電界を発生させてもよい。電極対は、それぞれ互い違いに延びる複数の櫛歯電極を備えた２つの櫛形電極から構成されてもよい。電極対を櫛形電極とした場合、好適に光変調膜に電界を印可することができる。
【００１２】
発光部は、一方の櫛形電極における櫛歯電極から、他方の櫛形電極における櫛歯電極への垂線に実質的に垂直となる入射方向をもつ光を発光してもよい。
【００１３】
光変調膜は、印可した電界の２乗に比例して屈折率が変化する電気光学材料で形成されてもよい。電気光学材料は、チタン酸ジルコン酸鉛またはチタン酸ジルコン酸ランタン鉛であってもよい。
【００１４】
光変調膜の下に光反射層を有してもよい。この場合は、反射型の光変調装置となり、光変調膜内の光路長を長くすることができるので、光変調装置の動作電圧を低下することができる。
【００１５】
電極対に制御電圧を印加することにより、発光部から発光された光を変調して出射せしめる制御部をさらに備えてもよい。
【００１６】
光変調装置の共振波長を調整するためのバイアス電圧を、電極対に印加するバイアス部をさらに備えてもよい。この場合、光変調装置の共振波長をシフトさせることができるので、共振波長を好適に調整することができる。
【００１７】
本発明の別の態様もまた、光変調装置である。この装置は、印可する電界に応じて屈折率が変化する光変調膜と、光変調膜に電界を印可する電極対と、電極対に制御電圧を印加することにより、入射光を変調して出射せしめる制御部と、当該光変調装置の共振波長を調整するためのバイアス電圧を、電極対に印加するバイアス部と、を半導体集積回路装置として１チップ化された光変調装置であって、光変調膜への入射光が、光変調膜に印可される電界の方向と垂直に、かつ光入射面の法線方向から傾いて、入射される。この態様によると、小型の光変調装置を実現することができる。なお、光変調装置は、発光部をさらに備えてもよい。このとき光変調装置は、半導体集積回路装置と発光部とを備えて構成される。
【００１８】
バイアス電圧を調整するよう指示する信号を入力するための端子を備えてもよい。この場合、光検出素子を用いてバイアス電圧のフィードバック制御を行うことができる。
【００１９】
本発明の別の態様は、光変調システムである。この光変調システムは、光変調装置と、光変調装置から出射される光を受ける受光部と、を備える。この態様によると、たとえばホログラム記録装置や、表示装置を実現することができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明に係る光変調装置および光変調システムによれば、光の利用効率を改善することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本実施の形態に係る光変調装置の概要を説明する。この光変調装置は、電界の印可に応じて屈折率の変化する光変調膜を備えた光変調装置である。光変調膜に制御電圧を与え、光変調膜に印可される電界を制御することによって、光変調装置から出射される光の強度を変化させることができる。本実施の形態においては、発光部から発光された光が、光変調膜に印可される電界の方向と実質的に垂直に、かつ光入射面の法線方向から傾いて、光入射面に入射される。たとえば、平行な２つの電極が光変調膜上ないしは光変調膜中に形成された光変調装置の場合、電界に実質的に垂直な方向から光を入射することで、電極に吸収される光が減少し、光の利用効率が改善する。また、光入射面の法線方向から傾いて光を入射することによって光変調膜内の光路長が長くなり、動作電圧が低下する。
【００２２】
光変調装置から出射される光を記録媒体あるいは光検出素子等により記録、検出することによりさまざまなアプリケーションに利用することができる。本実施の形態に係る光変調装置は、光が透過して出射される透過型の変調装置と、反射して出射される反射型の変調装置とがある。本発明の実施の形態として、以下においては、反射型の光変調装置について説明する。
【００２３】
図１（ａ）、図１（ｂ）は、本実施の形態に係る光変調装置１０の構成を示す図である。光変調装置１０は、制御部１２と、共振器１６と、図示しない発光部とを備える。
【００２４】
図１（ａ）は、共振器１６の平面図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）のＸ−Ｘ’線に沿った共振器１６の断面図である。共振器１６は、基板３０、第１反射層３２、光変調膜３４、電極対３３、第２反射層４０を含む。基板３０、第１反射層３２、光変調膜３４、電極対３３、第２反射層４０は積層構造として形成される。電極対３３は、同一面上に形成され、それぞれ互い違いに延びる複数の櫛歯電極を備えた２つの櫛形電極３５、３６から構成される。櫛形電極３５、３６は互いに対向して設けられ、一方の櫛形電極における２つの櫛歯電極の間に、他方の櫛形電極における１つの櫛歯電極が配置された構造をとってもよい。なお、図１（ａ）は、光変調装置１０における櫛形電極３５、３６を含む層を透視して示している。
【００２５】
共振器１６は、基板３０と一体化されて形成される。この基板３０の材料としては、表面が平坦なガラス、シリコンなどを好適に用いることができる。たとえばシリコンからなる基板３０であれば、基板上にスイッチング素子を設け、その上に共振器１６を形成してもよい。
【００２６】
基板３０上には、第１反射層３２が形成される。第１反射層３２の材料としては、たとえばＰｔなどの金属材料を好適に用いることができる。第１反射層３２の厚みは、２００ｎｍ程度とする。第１反射層３２をＰｔで形成した場合、第１反射層３２の反射率は５０％から８０％程度となる。
【００２７】
第１反射層３２の上面には光変調膜３４が設けられる。この光変調膜３４の材料としては、印加した電界に応じて屈折率が変化する固体の電気光学材料を選択する。このような電気光学材料としては、ＰＬＺＴ、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）、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。
【００２８】
光変調膜３４の膜厚ｔは、入射光の入射角および波長に応じて決定され、たとえば入射光を６５０ｎｍ付近の赤色光とした場合、５００ｎｍ以上とすることが望ましい。膜厚を５００ｎｍ以上とすることで、十分な光学膜厚変化を得ることができる。
【００２９】
光変調膜３４の上面には、櫛形電極３５、３６が設けられる。櫛形電極３５、３６は、
それぞれの櫛歯電極が交互に配置され、櫛歯電極の長手辺が互いに対向するように設けられる。櫛形電極３５、３６は、櫛歯電極の短手辺の幅が１μｍ程度、対向する櫛歯電極の長手辺の間隔が１μｍ程度に形成される。なお、長手辺と短手辺の比は５対１以上であってよい。
【００３０】
櫛形電極３５、３６は、たとえばＩｒＯ２、ＳｒＲｕＯ３、Ｌａ０．５Ｓｒ０．５ＣｏＯ３などにより形成することができる。ＩｒＯ２で形成する場合には、膜厚を２００ｎｍ程度とする。この櫛形電極３５、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。櫛形電極３５、３６は、スパッタ法により、ＩｒＯ２を堆積させた後に、フォトリソグラフィーによって櫛形電極３５、３６を焼き付け、エッチングを行うことによって形成することができる。
【００３１】
櫛形電極３５、３６を設けた光変調膜３４の上面には、第２反射層４０が形成される。この第２反射層４０は、誘電体多層膜によって形成され、屈折率ｎの異なる第１誘電体膜４２、第２誘電体膜４４が交互に積層される。第１誘電体膜４２、第２誘電体膜４４の材料の組み合わせとしては、ＳｉＯ２（ｎ＝１．４８）、Ｓｉ３Ｎ４（ｎ＝２．０）を用いることができる。
【００３２】
誘電体多層膜をシリコン酸化膜およびシリコン窒化膜で形成する場合、シリコン半導体集積回路の製造プロセスおよび製造装置を使用することができる。
【００３３】
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。
【００３４】
第１誘電体膜４２、第２誘電体膜４４のそれぞれの膜厚ｔ１、ｔ２は、共振器１６に入射する光の波長の１／４となるように設計する。すなわち、共振器１６に入射する光の波長をλ、誘電体膜の屈折率をｎとすると、各誘電体膜１層分の膜厚ｔは、ｔ＝λ／（ｎ×４）となるように調節する。
【００３５】
たとえば、光変調装置１０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の膜厚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の膜厚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膜厚ｔ１、ｔ２は、必ずしも厳密にλ／（ｎ×４）に設計されている必要はない。
【００３６】
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の膜厚ｔ２は、ｔ２＝６３３／（４×２．２）＝７２ｎｍ程度とする。
【００３７】
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。
【００３８】
従ってこのとき、反射率Ｒ２も５０〜８０％となるように設計する。第２反射層４０の反射率Ｒ２は、第１誘電体膜４２、第２誘電体膜４４の材料および膜厚によって調節することができる。本実施の形態においては、図１（ｂ）に示すように、第２反射層４０は、第１誘電体膜４２および第２誘電体膜４４をそれぞれ３層づ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。
【００３９】
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。
【００４０】
本実施の形態においては、櫛形電極３５と櫛形電極３６とが電極対３３を形成する。櫛形電極３５の電位はたとえば接地電位に固定され、櫛形電極３６の電位は制御部１２によって制御される。
【００４１】
制御部１２は、光変調装置１０に入射した光を変調して出射せしめる制御電圧Ｖｃｎｔを生成し、出力する機能を有する。制御電圧Ｖｃｎｔは、ハイレベルＶＨまたはローレベルＶＬの２値をとる信号である。
【００４２】
発光部（図示せず）は、共振器１６に光を照射する。発光部はレーザ光源であってよい。発光部から発光された光は、光変調膜３４に印可される電界の方向と実質的に垂直に、かつ光入射面の法線方向から傾いて、光入射面に入射される。
【００４３】
図２は、光の入射方向を説明するための図である。同図において、図１と同一の構成要素には同一の符号を付している。また、簡略化のため、第２反射層４０などの構成要素は省略している。
【００４４】
制御部１２から櫛形電極３６に制御電圧Ｖｃｎｔを印可した場合、櫛形電極３６の櫛歯電極の長手辺から、櫛形電極３５の櫛歯電極の長手辺に向かう方向に電界が発生する。したがって、図２において、電界の実質的な方向はＹ軸と平行である。このとき電界の方向と光入射面は平行となる。
【００４５】
本実施の形態においては、図２に示すように、発光部２２は、一方の櫛形電極における櫛歯電極の長手辺から、他方の櫛形電極における櫛歯電極の長手辺への垂線に実質的に垂直となる入射方向をもつ光を発光する。
【００４６】
共振器１６に印可すべき制御電圧Ｖｃｎｔは、光変調膜３４内を通過する光の光路長によって変わる。共振器１６の光入射面の法線方向から傾いて光を入射することによって、共振器１６の光変調膜３４を通る光の光路長が長くなるので、制御電圧Ｖｃｎｔを低くすることができる。
【００４７】
入射光を、電界の方向と垂直に入射する効果について説明する。そのため、以下では図３と図４を参照して、入射光を電界の方向に垂直に入射しない場合の光路と、垂直に入射する場合の光路を比較して、それぞれの開口率を示す。
【００４８】
図３は、図２のＹ−Ｙ’線に沿った共振器１６の断面図である。簡略化のため、基板３０などの構成要素は省略している。ここで、光は、ＹＺ平面と平行に、かつ共振器１６の光入射面の法線方向から傾いて入射されるとする。この場合、図３に示すように、櫛形電極３５、３６のそれぞれの櫛歯電極３５ｃ、３６ｃの間に入射した光の一部は、第１反射層３２で反射された後に櫛歯電極３６ｃに吸収されるため、反射光が減少してしまう。櫛形電極３５、３６の櫛歯電極の幅をａ、櫛歯電極の間隔をｂ、光変調膜３４の膜厚をｔ、光の入射角をθとすると、この場合の共振器１６の開口率ＡＲは、
ＡＲ＝（ｂ−２ｔｔａｎθ）／（ａ＋ｂ）  …（式１）
で表される。式１から分かるように、光路長を長くするために入射角θを大きくするほど、開口率ＡＲは小さくなり、光の利用効率は低下する。なお、ここでは櫛形電極３５、３６の厚みは考慮していないが、厚みを考慮した場合はさらに開口率は小さくなる。
【００４９】
次に、本実施の形態に係る、電界の方向と実質的に垂直に光を入射した場合の光路について説明する。図４は、図２のＸ−Ｘ’線に沿った共振器１６の断面図である。光は、ＸＺ平面と平行に、かつ共振器１６の光入射面の法線方向から傾いて入射されるとする。このとき、入射光は、電界の方向と実質的に垂直である。この場合、櫛形電極３５、３６のそれぞれの櫛歯電極の間に入射した光は、第１反射層３２で反射して櫛形電極３５、３６に吸収されることなくそれぞれの櫛歯電極の間から出射する。この場合の共振器１６の開口率ＡＲは、
ＡＲ＝ｂ／（ａ＋ｂ）  …（式２）
で表される。式２から分かるように、開口率ＡＲは入射角θに依存しないので、光入射面の法線方向から傾けて光を入射しても、開口率ＡＲは一定となる。すなわち、光の利用効率を保ったまま、制御電圧Ｖｃｎｔを低下することができる。
【００５０】
以上のように構成された光変調装置１０の動作について説明する。図５は、光変調装置１０の動作状態を模式的に示す。同図において、図１と同一の構成要素には同一の符号を付している。また、簡略化のため、電極対３３などの構成要素は省略している。
【００５１】
発光部２２から、共振器１６に強度Ｉｉｎのレーザ光が入射される。共振器１６の第１反射層３２、光変調膜３４、第２反射層４０は、フ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、共振器１６によって反射されるレーザ光の強度をＩｏｕｔとするとき、共振器１６の反射率Ｒは、Ｒ＝Ｉｏｕｔ／Ｉｉｎで定義される。
【００５２】
図６は、共振器１６に入射する光の波長λと反射率Ｒの関係を示す図である。第１反射層３２、光変調膜３４、第２反射層４０により構成されるファブリーペロー型の共振器の共振波長λｍは、
λｍ＝（２ｎｔｃｏｓθ）／ｍ  …（式３）
で与えられる。ここで、ｍは次数、ｎは光変調膜３４の屈折率、ｔは光変調膜３４の膜厚、θは、光変調膜３４におけるレーザ光の入射角である。図６に示すように、共振器１６の反射率Ｒは、共振波長λｍにおいて最小値をとる。
【００５３】
上述のように、光変調膜３４の屈折率ｎは、電極対に印加される電界Ｅに依存する。いま、第１反射層３２を接地電位とし、櫛形電極３６に制御電圧Ｖｃｎｔを印可すると、光変調膜３４には、櫛形電極３６から櫛形電極３５に向かう方向に電界Ｅ＝Ｖｃｎｔ／ｔが印可される。光変調膜３４としてＰＬＺＴを用いた場合、光変調膜３４の屈折率ｎの変化量Δｎと、印加される電界Ｅとの間には、
Δｎ＝１／２×（ｎ）３×Ｒ×Ｅ２  …（式４）
の関係が成り立つ。ここでＲは電気光学定数（カー定数）である。
【００５４】
図６に示す（Ｉ）は、共振器１６に電圧を印可しない場合の反射特性である。このとき、共振器１６の共振波長はλｍ１である。共振器１６に電圧を印可すると、光変調膜３４の屈折率が変化し、共振波長がλｍ１からλｍ２にシフトする。λｍ２はλｍ１より大きい値である。このときの反射特性を図６に（ＩＩ）で示す。
【００５５】
共振器１６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、共振器１６の反射率ＲはＲｍ１からＲｍ２に変化する。
【００５６】
ここで、電圧を印加しない場合の反射率Ｒｏｆｆと、電圧を印加した場合の反射率Ｒｏｎの比Ｒｏｎ／Ｒｏｆｆをオンオフ比と定義する。入射光の強度Ｉｉｎが一定のとき、反射光の強度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を精度よく制御でき、光の利用効率も高いことを意味する。
【００５７】
共振波長λｍにおける共振器１６の反射率Ｒは、第１反射層３２での反射率Ｒ１および第２反射層４０での反射率Ｒ２が近い程低くなる。したがって、上述のように、第２反射層４０の誘電体多層膜の層数、材料を調節し、第１反射層３２での反射率Ｒ１と第２反射層４０での反射率Ｒ２を等しく設計することにより、オフ時の反射率Ｒを低く設定し、オンオフ比を高くとることができる。
【００５８】
このように、本実施の形態に係る光変調装置１０においては、光変調膜３４に印加する電界を変化させることにより、反射率を変化させ、反射光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。
【００５９】
以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。
【００６０】
本実施の形態においては、櫛形電極３５、３６を光変調膜３４上に形成する場合について説明したが、櫛形電極３５、３６は、その一部または全部が光変調膜３４に埋め込まれるように形成されてもよい。この場合は、光変調膜３４に印可される電界が強い領域が増えるので、光学膜厚変化を高めることができる。
【００６１】
実施の形態では、制御部１２から櫛形電極３６に制御電圧Ｖｃｎｔを印可する構成としたが、制御電圧Ｖｃｎｔにバイアス電圧Ｖｂを重畳して印可してもよい。
【００６２】
共振器１６の共振波長λｍは、式３によって与えられるため、光変調膜３４の膜厚ｔに比例する。よって、光変調膜３４の膜厚ｔがばらついてしまうと、共振波長λｍもばらついてしまう可能性がある。
【００６３】
上述したように、共振波長λｍは、共振器１６に電圧を印可することによって変化させることができる。よって、制御電圧Ｖｃｎｔにバイアス電圧Ｖｂを重畳し、共振波長λｍを調整可能としておくことで、膜厚ｔのばらつきを校正することができる。
【００６４】
図７は、共振波長λｍを調整可能な光変調装置１０の構成を示す図である。同図において、図１と同一の構成要素には同一の符号を付している。また、簡略化のため、電極対３３などの構成要素は省略している。図７の光変調装置１０は、共振器１６と、制御部１２と、共振波長λｍを調整するためのバイアス電圧Ｖｂを生成するバイアス部１４とを備える。
【００６５】
図７に示すバイアス部１４は、バイアス電圧Ｖｂを生成する定電圧回路である。バイアス部１４は、可変抵抗４５と、抵抗４６と、定電圧ダイオード４８と、オペアンプ４９と、トランジスタ５０とを備える。
【００６６】
バイアス部１４に電源電圧を供給すると、バイアス部１４の出力端子５２には、バイアス電圧Ｖｂ＝Ｖｚ（１＋Ｒ１／Ｒ２）が出力される。Ｒ１は可変抵抗４５の抵抗値、Ｒ２は抵抗４６の抵抗値、Ｖｚは定電圧ダイオード４８のツェナー電圧である。バイアス電圧Ｖｂは、電源電圧の値によらない定電圧であり、可変抵抗４５の抵抗値を変化させることによって調整可能である。
【００６７】
制御電圧Ｖｃｎｔに重畳する好適なバイアス電圧Ｖｂの値は、光変調膜３４の膜厚ｔを測定することにより求めることができる。ファブリーペロー型共振器の共振波長λｍは、式３で与えられる。よって、光変調膜３４の膜厚ｔが分かれば共振器の共振波長λｍは求めることができる。共振波長λｍと共振波長の目標値との差Δλから、共振波長λｍを目標値にシフトするのに必要な光変調膜３４の変化量Δｎが求まる。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、式４の関係が成り立つので、共振波長λｍを目標値にシフトさせるのに必要な電界Ｅを求めることができる。電界と電圧は、Ｅ＝Ｖ／ｔの関係があるので、共振器１６に印可する好適なバイアス電圧Ｖｂの値を求めることができる。
【００６８】
このように、光変調膜３４の膜厚ｔがばらついていた場合でも、バイアス部１４の可変抵抗４５を調整することにより、制御電圧Ｖｃｎｔに好適なバイアス電圧Ｖｂを重畳することができ、共振波長λｍを校正することができる。
【００６９】
図７に示すバイアス部１４は、定電圧回路の一例であり、バイアス電圧Ｖｂは、他の定電圧回路や、レギュレータを用いて生成してもよい。また、バイアス電圧Ｖｂの設定は、制御電圧ＶｃｎｔがローレベルＶＬの状態で、共振器１６にレーザ光を入射し、反射光の強度をモニタしながら可変抵抗４５を調節することによって行ってもよい。このとき、反射光の強度が最小値となるべく可変抵抗４５を調節する。この場合、高精度に共振波長λｍの校正を行うことが可能である。
【００７０】
上述したように、共振器１６に電圧を印可した場合、共振器１６の共振波長λｍは、大きくなる方向にシフトする。また、ファブリーペロー型共振器において、共振波長λｍは、式３で与えられるので、膜厚ｔが厚くなると共振波長λｍは大きくなり、膜厚ｔが薄くなると共振波長λｍは小さくなる。したがって、共振波長λｍの調整を行うために、目標とする共振波長λｍになる膜厚ｔよりも、膜厚が薄くなるように光変調膜３４を形成するとよい。
【００７１】
バイアス電圧Ｖｂは、自動制御により設定してもよい。バイアス電圧Ｖｂの自動制御を行った場合、光変調膜３４の特性が経時的に変化した場合や、入射するレーザ光の波長が変化した場合であっても、好適な共振波長λｍに制御することができる。たとえば、ＰＬＺＴなどの強誘電体は、同一方向の電圧を印可し続けることにより、強誘電体に発生する分極量がメモリされるインプリント現象を有することが知られている。
【００７２】
図８は、バイアス電圧Ｖｂを自動制御により設定する光変調装置１０の構成を示す図である。図８に示すバイアス部１４は、Ａ／Ｄ変換部５４と、ＣＰＵメモリ５６と、Ｄ／Ａ変換部５８とを備える。
【００７３】
図８に示す光変調装置１０の動作について説明する。図８の光変調装置１０は、共振器１６から反射する光の強度をモニタし、フィードバック制御を行うことによってバイアス電圧Ｖｂを調整する。
【００７４】
発光部であるレーザ光源６２から共振器１６に照射され、反射された光は、ホトダイオードや、ＣＣＤなどの光検出素子６４によって電気信号に変換される。受光部である光検出素子６４は、共振器１６から反射されたレーザ光を検出可能な位置に設けられる。たとえば、図示しないビームスプリッタにより、反射光を分岐させて、光検出素子６４に入射させてもよい。
【００７５】
光検出素子６４によって生成された電気信号は、入力端子５１からバイアス部１４に入力される。電気信号は、Ａ／Ｄ変換部５４によってデジタル値に変換され、ＣＰＵメモリ５６に取り込まれる。ＣＰＵメモリ５６は、光検出素子６４で検出される光の強度が最小になるべく、バイアス電圧Ｖｂを制御する。ＣＰＵメモリ５６から出力された信号は、Ｄ／Ａ変換部５８によってアナログ値に変換され、出力端子５２にバイアス電圧Ｖｂを出力する。
【００７６】
バイアス電圧Ｖｂの自動制御を行うことによって、共振器１６の共振波長λｍを常にレーザ光源６２の波長と等しい値に制御することができる。
【００７７】
図８に示すバイアス部１４は、図１に示す基板３０に集積化して形成してもよい。本実施の形態に係る光変調装置１０は、反射型の変調器を構成するため、基板３０として不透明な材料を用いることができる。たとえば、基板３０としてシリコンを用いれば、制御部１２とバイアス部１４を基板３０に形成し、制御部１２、バイアス部１４、共振器１６を備えた光変調装置１０を半導体集積回路装置として１チップ化することができる。
【００７８】
本実施の形態に係る光変調装置は、共振器と制御部を複数組備えていてもよい。たとえば、図１に示す共振器１６をマトリクス状に配置することによって、空間光変調装置を構成することができる。
【００７９】
図９（ａ）、図９（ｂ）は、共振器１６がマトリクス状に配置された空間光変調装置を示す図である。図９（ａ）は、空間光変調装置８の平面図である。空間光変調装置８は、基板３０上に８行８列の２次元状に配列された複数の画素２０を備える。画素２０は、２０μｍ×２０μｍ程度のサイズにて構成される。
【００８０】
図９（ｂ）は、図９（ａ）に示す空間光変調装置のＡ−Ａ’線断面図である。光変調膜３４などの構成要素については、図１に示す共振器１６とほぼ同様であるが、櫛形電極３５、３６が光変調膜３４に埋め込まれるように形成されている点が異なっている。このようにして共振器１６を形成してもよい。
【００８１】
図９（ｂ）に示すように、ビアおよび配線３８を介して櫛形電極３６が外部に引き出されている。配線３８の材料としてはＡｌなどが好適に用いられる。配線３８の上面には、さらに保護膜を形成してもよい。
【００８２】
空間光変調装置８には、画素２０ごとに制御部１２から制御電圧Ｖｃｎｔが与えられ、画素２０ごとに反射率を制御することができる。
【００８３】
空間光変調装置８は、バイアス部１４を備えていてもよい。バイアス部１４の構成およびバイアス電圧Ｖｂの設定方法に関しては、図７、図８を用いて説明した構成および方法と同様である。空間光変調装置８において、各画素２０間の膜厚ばらつきが小さい場合には、各画素２０に共通のバイアス電圧Ｖｂを重畳すればよいため、バイアス部１４は、１つの空間光変調装置８に対して少なくとも１つ備えていればよい。
【００８４】
バイアス部１４は画素２０ごとに備えていてもよい。この場合は、より高精度に共振波長λｍの校正を行うことができる。
【００８５】
空間光変調装置８を用いてさまざまな光変調システムを構成することができる。図１０は、空間光変調装置８を用いたホログラム記録装置７０を示す図である。ホログラム記録装置７０は、発光部８０と、受光部８２と、空間光変調装置８とを備える。発光部８０は、レーザ光源７２と、ビームエクスパンダ７４とを備える。受光部８２は、フーリエ変換レンズ７６と、記録媒体７８とを備える。
【００８６】
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、ビームエクスパンダ７４でビーム径が拡大され、平行光として空間光変調装置８に照射される。
【００８７】
空間光変調装置８に照射された光は、画素毎に異なる強度を有する信号光として空間光変調装置８から反射される。この信号光は、フーリエ変換レンズ７６を通過してフーリエ変換され、記録媒体７８内に集光される。記録媒体７８内において、ホロ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。
【００８８】
上記においては、空間光変調装置８をホログラム記録装置７０に用いる場合について説明したがこれには限定されず、表示装置、光通信用スイッチ、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。
【００８９】
上記においては、実施の形態として反射型の光変調装置について説明したが、本実施の形態に係る光変調装置は、透過型の光変調装置であってもよい。たとえば、印可する電界に応じて屈折率が変化する光変調膜と偏光板とを備えた光変調装置において、光変調膜に入射する光を、光変調膜に印可される電界の方向と実質的に垂直に、かつ光入射面の法線方向から傾いて、入射させることによって、光路長を長くし、開口率を大きくすることができる。そのため、動作電圧を下げるとともに光の利用効率を改善した透過型の光変調装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１】（ａ）は、共振器の平面図である。（ｂ）は、図１（ａ）のＸ−Ｘ’線に沿った共振器の断面図である。
【図２】光の入射方向を説明するための図である。
【図３】図２のＹ−Ｙ’線に沿った共振器の断面図である。
【図４】図２のＸ−Ｘ’線に沿った共振器の断面図である。
【図５】光変調装置の動作状態を模式的に示す図である。
【図６】共振器に入射する光の波長λと反射率Ｒの関係を示す図である。
【図７】共振波長λｍを調整可能な光変調装置の構成を示す図である。
【図８】バイアス電圧Ｖｂを自動制御により設定する光変調装置の構成を示す図である。
【図９】（ａ）は、空間光変調装置の平面図である。（ｂ）は、図９（ａ）に示す空間光変調装置のＡ−Ａ’線断面図である。
【図１０】空間光変調装置を用いたホログラム記録装置を示す図である。
【符号の説明】
【００９１】
１０  光変調装置、  １２  制御部、  １６  共振器、  ２２  発光部、  ３０  基板、  ３２  第１反射層、  ３３  電極対、  ３４  光変調膜、  ３５  櫛形電極、  ３６  櫛形電極、  ４０  第２反射層、  ４２  第１誘電体膜、  ４４  第２誘電体膜。
【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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