(57)【要約】【課題】入射光の偏光方向に関わらず印加電圧に応じて直進透過する０次回折光の効率を変化できる光変調素子が実現する。【解決手段】断面が凹凸状の回折格子１のそれぞれの凸部が複屈折性固体材料からなり、回折格子１のそれぞれの凹部には液晶２が充填されており、それぞれの複屈折性固体材料には液晶２への電圧印加用の電極３Ａ、３Ｂが形成されていて、隣接する複屈折性固体材料の電極間に電圧が印加できるように構成されていることを特徴とする光変調素子１０とする。【選択図】図１
2004325790.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
断面が凹凸状の回折格子のそれぞれの凸部が複屈折性固体材料からなり、回折格子のそれぞれの凹部には液晶が充填されており、複屈折性固体材料と液晶のそれぞれの常光屈折率同士およびそれぞれの異常光屈折率同士が実質的に等しく、それぞれの複屈折性固体材料には液晶への電圧印加用の電極が形成されていて、隣接する複屈折性固体材料の電極間に電圧が印加できるように構成されていることを特徴とする光変調素子。
【請求項２】
前記複屈折性固体材料が高分子液晶からなる請求項１に記載の光変調素子。
【請求項３】
前記複屈折性固体材料に形成されたそれぞれの電極が一つ置きに、異なる２つの共通電極に分配されて接続されている請求項１に記載の光変調素子。
【請求項４】
前記電極は前記複屈折性固体材料の少なくとも側面に形成されている請求項１、２または３に記載の光変調素子。
【請求項５】
回折格子の凸部または凹部のいずれか一方に均一屈折率の透光性材料層を重ねて形成し、前記電極間に電圧を印加しない状態において回折格子の凸部の透過光と回折格子の凹部の透過光との間に位相差を発生させない請求項１から４に記載の光変調素子。
【請求項６】
請求項１から５に記載の光変調素子を、それぞれの回折格子の格子長手方向を異ならせて重ねて構成された２層型の光変調素子。
【請求項７】
前記電極に電圧が印加されて入射光の回折効率が変化する請求項１から６のいずれかに記載の光変調素子と、入射光のうち光変調素子を直進透過する０次回折光と直進透過しない非０次回折光とを分離し、０次回折光のみまたは非０次回折光のみを選別して受光する分別手段とを備え、印加電圧の大きさに応じて受光する光量が調整されることを特徴とする光減衰器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光変調素子および光減衰器に関し、特に回折格子と液晶とを組み合わせて、液晶に電圧を印加することにより、液晶の実質的な屈折率を制御して、入射光を回折させて０次回折光（透過光）量を制御する光変調素子とこの光変調素子を用いる光減衰器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
回折格子と液晶とを組み合わせて、液晶の実質的屈折率を制御することにより入射光に所望の回折現象を生じさせる光変調素子として、均一屈折率材料からなる断面が凹凸状の位相型回折格子と、この回折格子の凹部に存る液晶と、この液晶の配向状態を変化させる制御手段としての電極からなる素子が報告されている。ここで、電極に電圧を印加しない静的状態において位相型回折格子を形成する材料の屈折率ｎを液晶の常光屈折率ｎｏ（ＬＣ）と等しく設定しておくことにより、入射光は回折作用を受けることなく本素子を直進透過する０次回折光（透過光）が最大となる。
【０００３】
しかしながら、電極に電圧を印加することにより液晶分子の配向方向が変化し、液晶の異常光屈折率ｎｅ（ＬＣ）を感じる入射光の偏光成分は、この異常光屈折率ｎｅ（ＬＣ）と位相型回折格子の屈折率ｎとの屈折率差に起因して回折光が発生し０次回折光の光量が減少するが、液晶の常光屈折率ｎｏ（ＬＣ）を感じる入射光の偏光成分は位相型回折格子との屈折率差が生じないため０次回折光の光量は変化しない。その結果、入射光の偏光方向によっては充分な消光比が得られない問題があった。また、入射光の偏光方向に関わらず入射光を変調するために、それぞれ直交する入射光の偏光成分に位相型回折格子として機能する２個の素子を積層させた構成が必要となり、構造が複雑になる問題があった。
【０００４】
また、回折格子と液晶とを組み合わせて液晶の屈折率を制御することにより入射光に所望の回折現象を生じせさせる他の光変調素子の従来例として次のものも報告されている。すなわち、一対の透明基板の片面に電極層および配向層が形成され、この一対の基板間に配向層と接するように配置した液晶層を有する液晶素子の配向層として複屈折材料を用いた、断面が凹凸状の格子を有する位相型回折格子からなる素子である。ここで、一対の電極間に電圧印加しない状態で、位相型回折格子を構成する複屈折材料の常光屈折率ｎｏおよび異常光屈折率ｎｅと、この回折格子の凹部にある液晶の常光屈折率ｎｏ（ＬＣ）および異常光屈折率ｎｅ（ＬＣ）とを実質的に等しくなるすなわち、ｎｏ＝ｎｏ（ＬＣ）およびｎｅ＝ｎｅ（ＬＣ）となるようにすることにより、入射光はその偏光方向に関わらず回折作用を受けることなく本素子を直進透過する０次回折光が最大となる。
【０００５】
しかしながら、電極間に電圧を印加することにより液晶分子の配向方向が変化し、異常光偏光の入射光に対する液晶の異常光屈折率ｎｅ（ＬＣ）が見かけ上変化するため、液晶の異常光屈折率ｎｅ（ＬＣ）と位相型回折格子の異常光屈折率ｎｅとの屈折率差に起因して回折光が発生し０次回折光の光量が減少するが、常光偏光の入射光に対する液晶の常光屈折率ｎｏ（ＬＣ）は変化しないため、液晶の常光屈折率ｎｏ（ＬＣ）は位相型回折格子の常光屈折率ｎｏと等しいままであり０次回折光の光量は変化しない。
【０００６】
その結果、入射光の偏光方向によっては充分な消光比が得られない問題があった。また、入射光の偏光方向に関わらず入射光を変調するために、一対の透明基板上の配向層を両方とも複屈折材料を用いた位相回折格子とし、各回折格子の格子の配列方向および光軸方向（異常光屈折率の方向）を直交させた構成が必要となり、構造が複雑になるとともに電極間隔の増大に伴い駆動電圧が上昇する問題があった。
【０００７】
また、回折格子の回折効率は波長に依存するため、広い波長帯域で高い消光比を有する光変調素子を得るためには、同一入射偏光に対して回折格子として作用する素子を積層することが有効である。しかし、高消光比と入射偏光依存性の無い光変調素子を実現しようとすると、４素子の積層に相当する極めて複雑な構成が必要となり問題であった。
【０００８】
【特許文献１】
特公平６−５２３５３号公報
【特許文献２】
特表平９−５１２３５６号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述の実情に鑑み、量産性に優れた構成により入射光の偏光方向に関わらず、高い光の利用効率と低い駆動電圧でも高い消光比が実現できる光変調素子および光減衰器を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、断面が凹凸状の回折格子のそれぞれの凸部が複屈折性固体材料からなり、回折格子のそれぞれの凹部には液晶が充填されており、複屈折性固体材料と液晶のそれぞれの常光屈折率同士およびそれぞれの異常光屈折率同士が実質的に等しく、それぞれの複屈折性固体材料には液晶への電圧印加用の電極が形成されていて、隣接する複屈折性固体材料の電極間に電圧が印加できるように構成されていることを特徴とする光変調素子を提供する。
【００１１】
また、前記複屈折性固体材料が高分子液晶からなる上記の光変調素子を提供する。
【００１２】
また、前記複屈折性固体材料に形成されたそれぞれの電極が一つ置きに、異なる２つの共通電極に分配されて接続されている上記の光変調素子を提供する。
【００１３】
また、前記電極は前記複屈折性固体材料の少なくとも側面に形成されている上記の光変調素子を提供する。
【００１４】
また、回折格子の凸部または凹部のいずれか一方に均一屈折率の透光性材料層を重ねて形成し、前記電極間に電圧を印加しない状態において回折格子の凸部の透過光と回折格子の凹部の透過光との間に位相差を発生させない上記の光変調素子を提供する。
【００１５】
また、上記の光変調素子を、それぞれの回折格子の格子長手方向を異ならせて重ねて構成された２層型の光変調素子を提供する。
【００１６】
さらに、前記電極に電圧が印加されて入射光の回折効率が変化する上記の光変調素子と、入射光のうち光変調素子を直進透過する０次回折光と直進透過しない非０次回折光とを分離し、０次回折光のみまたは非０次回折光のみを選別して受光する分別手段とを備え、印加電圧の大きさに応じて受光する光量が調整されることを特徴とする光減衰器を提供する。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の光変調素子では、液晶の配向状態を変化させる制御手段である電極に電圧を印加しない静的状態において、断面形状が凹凸状の格子を有する位相型回折格子の凸部を構成する複屈折性固体材料の常光屈折率ｎｏおよび異常光屈折率ｎｅと、回折格子の凹部に存する液晶の常光屈折率ｎｏ（ＬＣ）および異常光屈折率ｎｅ（ＬＣ）とを実質的に等しくするすなわち、ｎｏ＝ｎｏ（ＬＣ）およびｎｅ＝ｎｅ（ＬＣ）となるようにすることにより、入射光はその偏光方向に関わらず回折作用を受けることなく本素子を直進透過する０次回折光が最大となる。
【００１８】
一方、前記電極間に印加する電圧値Ｖの増加に応じて液晶の配向方向が電位勾配の発生する面内すなわち回折格子面内で変化し、位相型回折格子の凸部を構成する複屈折性固体材料の常光屈折率ｎｏに対応する入射光の偏光（常光偏光と定める）に対して該回折格子の凹部に存する液晶の常光屈折率ｎｏ（ＬＣ：Ｖ）はｎｏ（ＬＣ）から見かけ上増加する。一方、位相型回折格子を構成する複屈折材料の異常光屈折率ｎｅに対応する入射光の偏光（異常光偏光と定める）に対して該回折格子の凹部に存する液晶の異常屈折率ｎｅ（ＬＣ：Ｖ）はｎｅ（ＬＣ）から見かけ上減少する。
【００１９】
ここで、位相型回折格子の凸部をなす複屈折性固体材料と凹部に存する液晶との屈折率が常光偏光および異常光偏光のいずれの入射光に対しても異なるため、回折格子の凹凸段差、すなわち凸部の高さｄに応じて回折光が発生し、０次回折光が減少する。波長λの常光偏光と異常光偏光の入射光に対する凹凸段差に起因した位相差△Φｏ（Ｖ）および△Φｅ（Ｖ）はそれぞれ（式１）および（式２）のように記述される。
【００２０】
【数１】
2004325790.tif 000003
【００２１】
また、断面が凹凸状（矩形）で凹部と凸部との幅が等しい位相型回折格子において格子ピッチが波長より大きな場合、回折格子の凹凸段差による位相差△Φの０次回折光の効率η０は（式３）式で近似できる。
【００２２】
【数２】
2004325790.tif 000004
【００２３】
したがって、電圧Ｖ０で０次回折光を最小とするためには、△Φｏ（Ｖ０）および△Φｅ（Ｖ０）が略πとなるようｎｏ（ＬＣ：Ｖ０）、ｎｅ（ＬＣ：Ｖ０）、ｄを規定すればよい。
【００２４】
その結果、単一の回折格子および該回折格子の凹部に存する液晶からなる素子構成により、入射光の偏光方向に関わらず電圧非印加時に直進透過する０次回折光の高い利用効率が得られるとともに印加電圧に応じて０次回折光の効率を変化できて高い消光比を有する光変調素子が実現する。
【００２５】
複屈折性固体材料は液晶と同程度の複屈折性（常光屈折率および異常光屈折率）を有することが好ましいため、液晶分子を高分子化した固体材料である高分子液晶を用いることが好ましい。また、液晶は電界に応じて配向方向が変化する液体材料であればネマティック液晶、強誘電性液晶、反強誘電性液晶、コレステリック液晶などいずれでもよい。
【００２６】
印加電圧に応じて格子の配列方向（長手方向）と角度をなすように液晶分子の配向方向が傾斜する正の誘電異方性を有するネマチチック液晶を用いることにより、回折格子の格子（凸部）毎に形成された電極間に印加された電圧の大きさに応じて液晶分子の配向方向が連続的に変化し、電圧非印加時に液晶分子の配向方向が格子の配列方向に安定しやすいため好ましい。
【００２７】
なお、光変調素子を直進透過する０次回折光と直進透過しない非０次回折光（通常の回折光）とを分離し０次回折光または非０次回折光のみを受光する分別手段としては、例えばレンズや集光鏡などの集光素子がある。光源から放射された光をレンズや集光鏡などの集光素子を用いて光検出器の受光部に集光する光学系において、本発明の光変調素子を光源から光検出器に至る光路中に配置することにより、光変調素子内の電極間に印加する電圧値に応じて光検出器に集光される光量を調整できる光減衰器となる。
【００２８】
すなわち、光変調素子内の電極間印加電圧の大きさに応じて生成された、回折格子により発生する直進透過成分である０次回折光以外の回折光は集光手段により光検出器の受光面に集光されないが、回折格子により回折されない０次回折光は光検出器の受光面に集光される。電極間印加電圧の大きさに応じて０次回折光量が変化するため、光検出器の信号光量が可変な光減衰器となる。
【００２９】
ここで、高い消光比を得るためには直進透過光（０次回折光）と回折光を分離することが必要で、指向性の揃った光束を生成する光源と光変調素子を直進透過した光を光検出器の微少な受光面に集光する集光素子とした構成が好ましい。光源と光変調素子の間、または光検出器と光変調素子との間に光ファイバーや光導波路などの光伝送路が介在してもよい。
【００３０】
本発明の光変調素子および光減衰器のさらなる特徴については、以下に示す実施例により具体的に説明する。
【００３１】
【実施例】
「例１」
本例の光変調素子１０の断面図を図１に、平面図を図２に示す。ガラス基板５の片面にＩＴＯ透明電極を成膜し、フォトリソグラフィによりＸ軸方向に直線状となるよう電極幅５μｍで電極間隔５μｍの櫛形透明電極形状にパターニングし、図２に示すように一本置きに電気的に結合した共通電極である電極３Ａと電極３Ｂを形成する。
【００３２】
次に、ガラス基板５の同じ面上にポリイミド膜を塗布してＸ軸方向に配向処理を施した配向膜４とする。さらに、配向膜上に液晶モノマ−液を塗布して重合固化することによりガラス基板面に対して平行でＸ軸方向に分子配向した膜厚ｄが３μｍの高分子液晶層を形成する。フォトリソグラフィと反応性イオンエッチングにより、櫛形電極形状の電極３Ａおよび電極３Ｂのパターン上を高分子液晶が覆うように加工し、凸部の幅５μｍ格子ピッチ１０μｍで断面が矩形状（凹凸状）の回折格子１とする。すなわち、凸部の複屈折性固体材料が高分子液晶層からなる回折格子とする。
【００３３】
ここで、電極３Ａおよび電極３Ｂは高分子液晶層からなる回折格子１の全面に形成する必要はなく、入射光を光変調するために必要な格子の中心領域のみでよい。すなわち、電極３Ａおよび電極３Ｂの電極幅は格子ピッチの半分以下でもよい。波長λ＝４１０ｎｍにおける回折格子１の複屈折は、Ｘ軸方向に異常光屈折率ｎｅ＝１．７５、Ｙ軸方向に常光屈折率ｎｏ＝１．５５である。
【００３４】
次に、従来の液晶素子と同様にギャップ制御用のスペーサが混入したシール材を用いて、Ｘ軸方向に配向処理を施した配向膜６が形成されたガラス基板７の片面にシール８を印刷塗布し、ガラス基板５に圧着固化することによりセル化する。シールの一部に設けられた注入口（図示せず）から液晶を注入して回折格子１の凹部に液晶２が充填され、注入口を封止して光変調素子１０が完成する。
【００３５】
ここで用いる液晶は、その異常光屈折率ｎｅ（ＬＣ）が高分子液晶の異常光屈折率ｎｅと略等しく、その常光屈折率ｎｏ（ＬＣ）が高分子液晶の常光屈折率ｎｏと略等しいとともに、電界方向に液晶分子が揃う正の誘電異方性のネマティック液晶とし、電圧非印加時にＸ軸方向に分子配向が揃った水平ホモジニアス配向となっている。
【００３６】
また、ガラス基板５および７の光入出射表面には反射防止膜（図示せず）が形成されている。なお、電極３Ａと電極３Ｂに電圧を印加したとき、回折格子１の凹部の液晶が同一方向に揃うように、高分子液晶および液晶の配向方向が電極３Ａと電極３Ｂの直線状方向であるＸ軸に対して少し角度をなすように配向膜４と６を配向処理することが好ましい。また、電極３Ａと電極３Ｂは入射光を光変調するのに必要な領域以外はＣｒやＡｕなどの、透明電極以外の金属電極としてもよい。
【００３７】
このようにして得られた光変調素子１０の光変調機能について以下に説明する。電極３Ａと電極３Ｂに矩形電圧波形の交流電源９を接続し、電極間に電圧Ｖを印加する。電圧Ｖの増加に伴い回折格子１の凹部の液晶にはＹ軸方向に電界が発生し、電界強度に応じて電圧非印加時にＸ軸方向に配向していた液晶のダイレクタ（異常光屈折率方向）は電界方向すなわちＹ軸方向に傾斜する。その結果、液晶の常光屈折率ｎｏ（ＬＣ：Ｖ）は見かけ上ｎｏ（ＬＣ）からｎｅ（ＬＣ）まで増加し、異常屈折率ｎｅ（ＬＣ：Ｖ）は見かけ上ｎｅ（ＬＣ）からｎｏ（ＬＣ）まで減少する。
【００３８】
Ｚ軸方向に進行する波長λ＝４１０ｎｍの光が光変調素子１０に入射すると、電極間印加電圧Ｖ＝０のときは（式１）および（式２）で記述される常光偏光と異常光偏光の入射光に対する回折格子の凹凸段差に起因した位相差△Φｏ（Ｖ）および△Φｅ（Ｖ）は生じないため、図３（ａ）に示すように入射光は直進透過し９０％以上の高い０次回折光効率が得られる。
【００３９】
一方、電極間の印加電圧Ｖを増加するとＶ０＝５Ｖから１０Ｖで△Φｏ（Ｖ０）および△Φｅ（Ｖ０）が略π、すなわちｎｏ（ＬＣ：Ｖ０）＝１．６２、ｎｅ（ＬＣ：Ｖ０）＝１．６８となる。このとき、図３（ｂ）に示すように入射光は回折され０次回折光は略ゼロとなる。したがって、入射光の偏光方向に依存しないで印加電圧Ｖの増加とともに０次回折光効率が減少する。その結果、電圧非印加時に高い０次回折光効率を示すとともに低電圧で消光比の高い光変調素子が得られる。
【００４０】
このようにして得られた光変調素子１０は、例えば、４１０ｎｍ波長帯域で発光する青紫色半導体レーザからの出射光が、光記録媒体の情報記録面に集光されて情報の記録または再生を行う光ヘッド装置において、半導体レーザから光記録媒体に至る光路中に配置され、光記録媒体への光量を調整する光変調器として用いられる。このとき、本素子を用いることにより半導体レーザの出射偏光方向に関わらず情報記録面に集光する０次回折光の光量調整ができるため、レーザ出力が安定する高出力レーザ発振状態で情報記録面の集光光量を減衰させて既に記録された情報を消去することなく安定した再生が可能となる。
【００４１】
「例２」（比較例）
比較例として、回折格子１を形成せずにセル内を液晶２で満たした素子構成とした場合、電極間の印加電圧の増加に伴い電極３Ａおよび電極３Ｂに面する液晶の配向が電界の大きさに応じて変化するため０次回折光が残留し、低電圧で高い消光比が得らない。
【００４２】
「例３」
本例の光変調素子２０の断面図を図４に示す。図１および図２に示す構成要素と同一のものは同じ番号を用いてある。平面図は図２と同様である。例１との素子構成上の相違点は、ＩＴＯ透明電極が高分子液晶からなる回折格子１の壁面（側面）に形成され、電極３Ａと電極３Ｂに電圧印加する構造としている点である。
【００４３】
図５に示す回折格子の部分拡大図を用いて電極３Ａの接続例を説明する。回折格子１の格子側壁面に形成された透明電極３Ａ１は、格子一本置きに、格子端のガラス基板５の表面に形成された電極３Ａ２と電気的に接続され、電極３Ａ２に印加された電圧が格子側壁面の透明電極に伝わる。図４および図５に示す例では透明電極３Ａ１が格子の側壁面のみに形成されているが、格子のガラス基板５に面する平面、またはその反対側平面にも形成されてもよい。
【００４４】
格子壁面の透明電極３Ａ１は、高分子液晶からなる回折格子１を加工した後スパッタ成膜などのステップカバレッジにすぐれた成膜法にて透明電極膜を回折格子１の壁面に形成する。そして、回折格子１の凸部間である凹部の平面に成膜された透明電極をフォトリソグラフィとリフトオフまたはエッチングにより除去し、電極３Ａと電極３Ｂの導電接続を断つことにより作製できる。回折格子１の凸部平面（側面ではない）の透明電極は残存したままでもよいが、凸部間の凹部平面の透明電極とともに除去することにより透過率が向上するため好ましい。
【００４５】
本例では光通信波長帯域である波長λ＝１５５０ｎｍの入射光を光変調するために、回折格子１の高分子液晶の膜厚ｄを５μｍとしている。波長１５５０ｎｍでは高分子液晶の複屈折は異常光屈折率ｎｅ＝１．６７および常光屈折率ｎｏ＝１．５０となり、液晶の異常光屈折率ｎｅ（ＬＣ）および常光屈折率ｎｏ（ＬＣ）と略等しい。
【００４６】
このようにして得られた光変調素子２０の光変調機能について、例１である光変調素子１０と比較して以下に説明する。光変調素子１０の電極３Ａと電極３Ｂはガラス基板５の表面に形成されているため、電極間隔が５μｍ程度で印加電圧が１０Ｖ以下の場合、回折格子１の凹部に充填された液晶２の厚さ方向に実効的に生成される電界は３μｍ以下に限られる。
【００４７】
入射光の波長が比較的短い場合は最大回折を得るために必要な位相差△Φｏおよび△Φｅが略πとなる回折格子１の厚さ（膜厚）ｄは薄くてもよい。しかし、入射光の波長が比較的長い場合は回折格子１の厚さｄを厚くする必要があり、回折格子１の凹部に充填された液晶全体の配向方向に揃えるために、電極間に高い電圧を印加することが必要となる。駆動電圧の増加は電極間の短絡を招きやすく素子の信頼性を低下させる。
【００４８】
本例の光変調素子２０では回折格子１の側壁面に電極を形成しているため、回折格子１の厚さｄの大小にかかわらず、その凹部に充填された液晶２の全体に均一な電界を生成できる。その結果、入射光の波長が比較的長い場合でも位相差△Φｏおよび△Φｅが略πとなる構造が可能で、低い駆動電圧で高い消光比が実現できる。
【００４９】
このようにして得られた光変調素子２０は、例えば、波長多重光通信用の１５５０ｎｍ波長帯域で発光する半導体レーザからの出射光をレンズなどの集光素子を用いて光ファイバや光導波路に集光する光学システムの光路中、または光ファイバや光導波路から出射した１５５０ｎｍ波長帯の光を別の光ファイバや光導波路や光検出器などに伝送結合する光路中に配置することにより、印加電圧の大きさに応じて伝送光量を調整できる光減衰器となる。
【００５０】
すなわち、光通信に用いられる光ファイバや光導波路の光結合面および光検出器の受光面は極めて小面積であるため、光変調素子２０を直進透過する０次回折光は伝送または受光できるが、回折光は拡散して伝送されないまたは受光されないため、光強度変調素子である光減衰器として機能する。
【００５１】
例１および例２の光変調素子１０および２０は入射光の偏光方向に関わらず電圧可変光減衰器として機能するため汎用な用途に適用できる。また、光変調機能が発現する部分は回折格子１と液晶２からなる厚さ１０μｍ以下の領域であるため、これらを狭持するガラス基板５および７を薄片化することにより、例えば素子厚５０μｍ程度の光変調素子も実現できる。
【００５２】
その結果、レンズなどの集光素子を用いないで、光ファイバと光ファイバとを直接結合する中間位置や光導波路に幅５０μｍ程度の溝入れ加工してその溝に光変調素子を挿入することにより、容積の増大を抑えて光学システム中の光ファイバ間または光導波路間の光結合効率を電圧により変化させる光減衰器が導入できる。この場合、消光比を維持するためには格子ピッチを１０μｍ以下とすることが好ましい。
【００５３】
上記例１および例３では回折格子の凸部である高分子液晶からなる複屈折性固体材料と格子の凹部に充填された液晶が同程度の複屈折（常光屈折率および異常光屈折率）を有する場合について説明したが、電圧非印加持の複屈折が異なる場合は回折格子の凸部または凹部のいずれか一方に均一屈折率の透光性材料層を形成し、回折格子の凸部の透過光と凹部の透過光との位相差が発生しないように調整すれば高い０次回折光の効率が得られる。
【００５４】
高分子液晶の方が液晶に比べて複屈折が大きい場合は、回折格子の凸部を液晶の常光屈折率率ｎｏ（ＬＣ）より小さな均一屈折率材料層と高分子液晶層とを積層した格子とし、液晶の方が高分子液晶に比べて複屈折が大きい場合は回折格子の凹部に液晶の異常光屈折率率ｎｅ（ＬＣ）より大きな均一屈折率材料層を所望の厚さ形成した後液晶を充填すればよい。
【００５５】
本発明の光変調素子は光回折現象を利用しているため、０次回折光の効率は入射光の波長に依存する。したがって、広い波長帯域の入射光に対して高い消光比を得るためには、本発明の光変調素子を積層した構成とすることが好ましい。入射光が単一波長や狭帯域波長の場合でも積層することにより消光比は大幅に向上する。ただし、光変調素子を積層する場合は各素子の回折格子の配列方向が異なるようにすることが好ましい。これにより、一つの回折格子で回折された光が別の回折格子で回折されて０次回折光に重畳する多重回折光成分を排除できるため高い消光比が得られる。
【００５６】
上記例１および例３では回折格子の断面形状が矩形の場合について説明したが、鋸波形状のブレーズ格子や三角形状や正弦波形状などでもよい。また、格子ピッチが一定で格子の凹凸部のそれぞれの幅が等しい回折格子でその平面形状が直線状の場合について説明したが、円形などの曲線、格子ピッチが面内で分布しているまたは凹凸部の幅が異なっていてもよい。格子ピッチを空間的に分布させることにより電極間隔も分布するため、回折格子の凹部に充填された液晶に作用する電界も空間的に異なり、その結果回折格子パターンの設計により電圧と０次光回折効率の依存性を空間的に分布させることができる。
【００５７】
ただし、回折格子の凹部に充填された液晶に作用する電界の強さは電極３Ａと電極３Ｂの間隔に反比例して変化するため、駆動電圧を２０Ｖ以下に抑えるためには電極間隔を２０μｍ以下で格子ピッチを４０μｍ以下とすることが好ましい。上記例１および例３では０次回折光成分を用いているが特定の回折次数の回折光を信号光としてもよい。
【００５８】
また、上記例１および例３では電極３Ａと電極３Ｂとを一対として単一電圧を印加しているが、電極を分割してそれぞれ独立に駆動してもよい。例えば、電極３Ａを共通電極とし、電極３Ｂを分割してそれぞれ独立に交流電源に接続する。光ファイバアレイや光導波路アレイなどと組み合わせて各チャネル毎に独立に光変調駆動できる。
【００５９】
図１および図４に示す光変調素子において、例えば表面に反射層が形成されたガラス基板５を用い、その上に配向膜４および回折格子１などを形成することにより、反射型の光変調素子を得ることができる。すなわち、ガラス基板７から入射した光が反射層により反射され回折格子を往復してガラス基板７から出射する。透過型の光変調素子に比べ、回折格子１の複屈折性固体材料からなる凸部と凹部に充填された液晶とをそれぞれ往復するため、回折格子の凹凸段差により発生する同じ位相差を得るのに、格子の厚さｄは半分でよい。したがって、回折格子１が加工しやすくなる。なお、反射層として金属などの導電体を使用できないため、ＴｉＯ２やＴａ２Ｏ５などの高屈折率誘電体とＳｉＯ２などの低屈折率誘電体を交互に波長程度の光学膜厚で積層した誘電体多層膜ミラーを用いることが好ましい。
【００６０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の光変調素子では複屈折性固体材料からなる断面が凹凸状の回折格子の凹部に充填された液晶の配向方向が、格子毎に分割して形成された電極間に電圧を印加することにより変化するため、入射光の偏光方向に関わらず印加電圧に応じて直進透過する０次回折光の効率を変化できる光変調素子が実現する。
【００６１】
また、回折格子を形成する複屈折性固体材料として高分子液晶を用いることにより回折格子の凹部に充填された液晶と同程度の複屈折が得やすいため、電圧非印加時に直進透過する０次回折光の高い利用効率が得られる。
【００６２】
また、正の誘電異方性を有するネマチツク液晶を用いることにより、回折格子の格子毎に形成された電極間に印加された電圧の大きさに応じて液晶の配向方向が連続的に変化し、電圧非印加時には回折格子の格子長手方向に液晶分子の配向方向が安定して揃いやすいため、連続的かつ安定に０次回折光の効率を変化できる光変調素子が実現する。
【００６３】
また、回折格子の側壁面に電極を形成することにより格子の厚さの大小にかかわらずその凹部に充填された液晶全体に均一な電界を印加できるため、入射光の波長が比較的長い場合でも、低い駆動電圧で高い消光比が実現できる。
【００６４】
また、回折格子を形成する複屈折性固体材料と回折格子の凹部に充填された液晶との複屈折が異なる場合、回折格子の凸部または凹部のいずれか一方に均一屈折率の透光性材料層を形成することにより回折格子の凸部の透過光と凹部の透過光とに位相差が発生しないよう調整できるため、高い０次回折光の透過効率が得られる。
【００６５】
また、本発明の光変調素子を少なくとも２個、各光変調素子に形成された回折格子の格子長手方向が互いに異なるように積層することにより、消光比が大幅に向上する。
【００６６】
本発明の光変調素子を、例えば光ヘッド装置において半導体レーザから光記録媒体に至る光路中に配置して、光記録媒体への光量を調整する光変調器として用いることにより、レーザ出力が安定する高出力レーザ発振状態で情報記録面の集光光量を減衰させて既に記録された情報を消去することなく安定した再生ができる。
【００６７】
本発明の光変調素子を、例えば波長多重光通信用の１５５０ｎｍ波長帯域で発光する半導体レーザからの出射光をレンズなどの集光素子を用いて光ファイバや光導波路に集光する光学システムの光路中、または光ファイバや光導波路から出射した１５５０ｎｍ波長帯の光を別の光ファイバや光導波路や光検出器などに伝送結合する光路中に配置することにより、印加電圧に応じて伝送光量を調整できる光減衰器となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光変調素子の構成例を示す側面図。
【図２】本発明の光変調素子の構成例を示す平面図。
【図３】図１に示す光変調素子に光が入射した場合の作用を示す側面図。
（ａ）は電圧非印加時の透過状態、（ｂ）は電圧印加時で最大回折状態。
【図４】本発明の光変調素子の他の構成例を示す側面図。
【図５】本発明の光変調素子の他の構成例における回折格子と電極との関係を説明するための部分的に拡大した模式図。
【符号の説明】
１：回折格子
２：液晶
３Ａ、３Ｂ、３Ａ２：電極
３Ａ１：透明電極
４、６：配向膜
５、７：ガラス基板
８：シール
９：交流電源
１０、２０：光変調素子
【図１】
2004325790.tif 000005
【図２】
2004325790.tif 000006
【図３】
2004325790.tif 000007
【図４】
2004325790.tif 000008
【図５】
2004325790.tif 000009