(57)【要約】【課題】片持ち梁構造に比べ、可動薄膜からの高い弾性力が得られ、高速応答性を高めることができる光変調素子を得る。【解決手段】基板２１に可動薄膜２５が空隙２３を隔てて両端支持され、可動薄膜２５の表面に形成した反射膜３１で光を反射させる一方、可動薄膜２５の一端側の一部分又は他端側の一部分のみを静電気力により基板２１面に対して変位させることで基板２１に対して所定角度で傾斜した傾斜面を可動薄膜２５に形成させ、反射膜３１によって反射する反射光の向きをこの傾斜面の形成によって可変可能とした。【選択図】        図１
2004198829.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板面に可動薄膜が空隙を隔てて少なくとも両端が支持され、前記可動薄膜の表面に形成した反射膜で光を反射させる一方、
前記可動薄膜の一端側の一部分又は他端側の一部分のみを静電気力により前記基板面に対して変位させることで前記基板面に対して所定角度で傾斜した傾斜面を前記可動薄膜に形成させ、
前記反射膜によって反射する反射光の向きを該傾斜面の形成によって可変可能としたことを特徴とする光変調素子。
【請求項２】
請求項１記載の光変調素子であって、
前記可動薄膜が、
単一材料からなり、
且つ可動部と、該可動部の両端に連設されて該可動部を前記空隙を隔てて前記基板面に支持する支持部とから構成されることを特徴とする光変調素子。
【請求項３】
請求項１記載の光変調素子であって、
前記可動薄膜が、
別体の柱部材によって前記基板面に支持されることを特徴とする光変調素子。
【請求項４】
請求項３記載の光変調素子であって、
前記柱部材が、
前記可動薄膜より低バネ定数の材料からなることを特徴とする光変調素子。
【請求項５】
請求項１、２又は３記載の光変調素子であって、
前記可動薄膜に静電気力を発生させる複数の電極が少なくとも前記基板面又は前記可動薄膜の一方に形成され、それぞれの該電極ごとに前記可動薄膜の一部分が変位可能であることを特徴とする光変調素子。
【請求項６】
請求項１、２又は３記載の光変調素子であって、
前記反射膜が多層反射膜であることを特徴とする光変調素子。
【請求項７】
請求項１、２又は３記載の光変調素子であって、
光の入出射側に、入射光又は出射光／入射光及び出射光を集光するマイクロレンズアレイが設けられていることを特徴とする光変調素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、静電気力により可動薄膜を変位又は弾性復帰（電気機械動作）させて、可動薄膜を反射する光の向きを可変可能とした光変調素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光の振幅、位相、周波数を時間的に変化させる制御素子に光変調素子がある。光変調素子は、光を透過させる物質の屈折率を、物質に印加する外場によって変化させ、屈折、回折、吸収、散乱等などの光学現象を介して、最終的にこの物質を透過又は反射する光の強度を制御する。この一つに、マイクロマシニングにより作製された可動薄膜を、静電気力により機械的動作させることで光変調する電気機械的な光変調素子が知られている。
【０００３】
この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては次のものがある。
【特許文献１】
特開平７−２１８８４５号公報
【０００４】
上記特許文献１に開示される光変調素子である静電型ミラーデバイスは、図１０に示すように、ミラーが配設された反射層３は支持部材５により支持され、該支持部材５は片持ち梁４を介して基板１上方に支持されている。該片持ち梁４は絶縁膜６が設けられた基板１上に設けられている。該支持部材５のもう一方の端は吸着膜２により基板１上の絶縁膜６に接続されている。また、基板１と絶縁膜６との間には電極７が設けられ、絶縁膜６と吸着膜２とが電極位置上方で接続されている。なお、図中、１０は入射光、１１は反射光を示す。
【０００５】
この静電型ミラーデバイスでは、電極７に電圧が印加されると静電力により吸着膜２が電極方向に引き付けられ、これに伴い支持部材５がたわみ、反射層３が傾斜する。これにより、反射層３に入射した光の反射方向を変化させることができる。この静電型ミラーデバイスによれば、小型化、集積化が可能で且つ従来のミラーデバイスに比べて広い範囲にわたって反射光の振れ角が制御可能とされている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来の光変調素子は、反射層３が支持部材５により支持され、この支持部材５が片持ち梁４を介して基板１上方に支持される所謂片持ち梁構造であるので、可動薄膜からの高い弾性力が得られず、高速な応答性を実現する上で不利が生じた。また、吸着膜２を傾斜面で形成しなければならないため、空隙の形成プロセスが複雑且つ困難となる虞があった。さらに、一つの吸着膜２のみを電極７に吸着させることで、反射層３を傾斜させるため、反射層３の反射角度範囲を広く確保し難い問題があった。
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、その第１の目的は、片持ち梁構造に比べ、可動薄膜からの高い弾性力が得られ、高速応答性を高めることができる光変調素子を得ることにある。また、その第２の目的は、傾斜面を形成しなければならない片持ち梁構造に比べ、空隙の形成プロセスを簡単にすることができる光変調素子を得ることにある。また、その第３の目的は、複数の異なる傾斜面によって反射が可能となり、反射角度範囲を広くできる光変調素子を得ることにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明に係る請求項１記載の光変調素子は、基板面に可動薄膜が空隙を隔てて少なくとも両端が支持され、前記可動薄膜の表面に形成した反射膜で光を反射させる一方、前記可動薄膜の一端側の一部分又は他端側の一部分のみを静電気力により前記基板面に対して変位させることで前記基板面に対して所定角度で傾斜した傾斜面を前記可動薄膜に形成させ、前記反射膜によって反射する反射光の向きを該傾斜面の形成によって可変可能としたことを特徴とする。
【０００８】
この光変調素子では、可動薄膜が空隙を隔てて基板面に対向配置され、この可動薄膜の一端側の一部分又は他端側の一部分のみが静電気力により基板面に対して変位することで、傾斜面が可動薄膜に形成される。そして、この傾斜面の形成によって、反射膜によって反射する反射光の向きが可変可能となる。したがって、従来の片持ち梁構造に比べ、可動薄膜の撓み箇所が増え、可動薄膜からの高い弾性力が得られて、高速応答性が高められる。
【０００９】
請求項２記載の光変調素子は、請求項１記載の光変調素子であって、前記可動薄膜が、単一材料からなり、且つ可動部と、該可動部の両端に連設されて該可動部を前記空隙を隔てて前記基板面に支持する支持部とから構成されることを特徴とする。
【００１０】
この光変調素子では、可動薄膜が、単一材料からなり、この可動薄膜の可動部が空隙を隔てて基板面と平行に配置される。したがって、傾斜面を形成しなければならない片持ち梁構造に比べ、空隙の形成プロセスが簡単となる。
【００１１】
請求項３記載の光変調素子は、請求項１記載の光変調素子であって、前記可動薄膜が、別体の柱部材によって前記基板面に支持されることを特徴とする。
【００１２】
この光変調素子では、可動薄膜が、別体の柱部材によって基板面に支持されることから、柱部材の形成高さを変更することで、容易に空隙が広く形成可能となる。その結果、高低差の大きい変形動作が可動薄膜において可能となり、反射角度範囲が広く確保できるようになる。
【００１３】
請求項４記載の光変調素子は、請求項３記載の光変調素子であって、前記柱部材が、前記可動薄膜より低バネ定数の材料からなることを特徴とする。
【００１４】
この光変調素子では、柱部材が可動薄膜より低バネ定数を有する柔らかい材料からなることで、可動薄膜の撓み抵抗が軽減され、高速応答性が高められるとともに、駆動電圧の低電圧化も可能となる。
【００１５】
請求項５記載の光変調素子は、請求項１、２又は３記載の光変調素子であって、前記可動薄膜に静電気力を発生させる複数の電極が少なくとも前記基板面又は前記可動薄膜の一方に形成され、それぞれの該電極ごとに前記可動薄膜の一部分が変位可能であることを特徴とする。
【００１６】
この光変調素子では、それぞれの電極ごとに可動薄膜の一部分が変位可能となり、複数の異なる傾斜面によって反射が可能となる。したがって、これらの異なる反射面での組み合せによって、反射角度範囲が広く確保可能となる。
【００１７】
請求項６記載の光変調素子は、請求項１、２又は３記載の光変調素子であって、前記反射膜が多層反射膜であることを特徴とする。
【００１８】
この光変調素子では、反射膜が多層反射膜からなることで、金属反射膜のみに比べて反射率が高まり、反射膜の光吸収が少なくなって、反射膜の光吸収による発熱が低減される。これにより、反射型の光変調素子においての高出力光源に対する高パワー耐性が高められる。
なお、本明細書中で云う『多層反射膜』とは、誘電体多層反射膜、誘電体多層反射膜に金属ハーフミラーを備えたものを含むものとする。
【００１９】
請求項７記載の光変調素子は、請求項１、２又は３記載の光変調素子であって、光の入出射側に、入射光又は出射光／入射光及び出射光を集光するマイクロレンズアレイが設けられていることを特徴とする。
【００２０】
この光変調素子では、入射光又は出射光／入射光及び出射光がマイクロレンズアレイによって集光され、光の利用効率が高まり、小さな開口面積においても、高効率で明るい変調光が得られるようになる。また、光の利用効率が高まり、マイクロレンズを設けない場合に対し、反射膜が小さく形成可能となり、反射膜の変位量を小さくでき、反射膜（即ち、可動薄膜）の駆動エネルギーの低減が可能となる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る光変調素子の好適な実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
図１は本発明に係る光変調素子の可動薄膜が単一材料からなる実施形態の断面図、図２は図１に示した光変調素子の動作説明図である。
【００２２】
この実施の形態に係る光変調素子１００は、図１に示すように、基板２１と、この基板２１の上面に空隙２３を隔てて中央部が平行に対向配置される可動薄膜２５とを基本構成として有している。可動薄膜２５は、弾性を有し、両端部が基板２１上に接合されて中央部が浮上したブリッジ状に形成されている。可動薄膜２５は、単一材料からなり、且つ可動部２７と、可動部２７の両端に連設されて可動部２７を空隙２３を隔てて基板２１に支持する支持部２９とから構成される。また、可動部２７と対向した基板２１上には固定電極３７が設けられている。可動薄膜２５としては、例えばセラミック、樹脂などの他、ポリシリコンなどの半導体、絶縁性のシリコン酸化物、シリコン窒化物を用いることができる。
【００２３】
可動薄膜２５の表面には反射膜３１が形成され、反射膜３１は入射光を反射させる。可動薄膜２５は、固定電極３７を配置した例えば一端側（図１の右端側）の一部分のみが、静電気力により基板２１に対して変位（近接するように位置変更）することで、図２に示すように、基板２１に対して所定角度で傾斜した傾斜面３３を形成する。これにより、可動薄膜２５と一体に被着された反射膜３１も、同様の傾斜面３３を形成する。光変調素子１００は、反射膜３１によって反射する反射光の向きを、この傾斜面３３の形成によって可変可能としている。
【００２４】
高出力光源を使用する場合に反射膜３１は、誘電体多層反射膜であることが好ましい。反射膜３１が誘電体多層反射膜からなることで、金属反射膜のみに比べて反射率が高まり、反射膜３１の光吸収が少なくなって、反射膜３１の光吸収による発熱が低減される。これにより、反射型の光変調素子１００においての高出力光源に対する高パワー耐性が高められることになる。
【００２５】
光変調素子１００は、複数の可動薄膜２５が例えば１次元状或いは２次元状に配設されてアレイ状に形成される。この可動薄膜２５は、静電気力による基板２１側への吸着力によって弾性変形され、図２に示すように、一部分が基板２１上面に密着するように変位する一方、静電気力による吸着力がなくなると、弾性復帰力によって再びその一部分が図１に示すように、空隙２３を隔てた位置に浮上して配置される。
【００２６】
この可動薄膜２５の浮上高さは、空隙２３によって決定される。空隙２３の高さは、例えば、０．１μｍから１０μｍ程度となる。この空隙２３は、通常、犠牲層（空隙を形成するために後に除去する層）のエッチング除去により形成することができる。
【００２７】
基板２１は、ガラス基板３５、固定電極３７、図示しない絶縁膜等を順次積層した構造となっている。可動薄膜２５は、反射膜３１、図示しない可動電極とからなる。光変調素子１００は、固定電極３７と可動電極とに電圧が印加されることにより、固定電極３７と可動薄膜２５との間に静電気が発生し、この静電気によるクーロン力によって可動薄膜２５、即ち、反射膜３１を変位（電気機械動作）させる。なお、基板２１には、ガラス基板３５の他に、シリコン基板、支持体（ＰＥＴ、ポリイミド等のフイルム）等を適用することもできる。
【００２８】
固定電極３７、可動電極としては、例えば金、銀、パラジウム、亜鉛、アルミニウム、ニッケルなどの金属薄膜を用いることができる他、ＩＴＯ、ＩＺＯなどの金属酸化物、非常に薄い金属薄膜、金属微粒子を透明絶縁体に分散した薄膜、又は高濃度ドープしたワイドハンドギャップ半導体などを用いることができる。
【００２９】
この光変調素子１００によれば、可動薄膜２５が空隙２３を隔てて基板２１に対向配置され、この可動薄膜２５の一端側の一部分又は他端側の一部分のみが静電気力により基板２１に対して変位することで、傾斜面３３が可動薄膜２５に形成される。そして、この傾斜面３３の形成によって、反射膜３１によって反射する反射光の向きが可変可能となる。したがって、従来の片持ち梁構造に比べ、可動薄膜２５の撓み箇所が増え（図２に示す２箇所に増え）、可動薄膜２５からの高い弾性力が得られて、高速応答性が高められる。
【００３０】
また、可動薄膜２５が、単一材料からなり、この可動薄膜２５の可動部２７が空隙２３を隔てて基板２１と平行に配置される。したがって、傾斜面３３を形成しなければならない片持ち梁構造に比べ、空隙２３の形成プロセスが簡単となる。
【００３１】
次に、本発明に係る光変調素子の第２の実施の形態を説明する。
図３は本発明に係る光変調素子の複数の電極が設けられた実施形態の断面図、図４は図３に示した光変調素子の動作説明図である。なお、以下の各実施の形態において、図１に示した部材と同一の部材には同一の符号を付し、重複する説明は省略するものとする。
【００３２】
この実施の形態に係る光変調素子２００は、可動薄膜２５に静電気力を発生させる複数（この実施の形態では２つ）の固定電極３７ａ、３７ｂが基板２１に設けられている。そして、可動薄膜２５は、それぞれの固定電極３７ａ、３７ｂごとに、可動薄膜２５の一部分が変位するようになっている。つまり、固定電極３７ａと可動電極とに電圧が印加されれば、図４（ａ）に示すように、可動薄膜２５の左側の一部分が変位し、固定電極３７ｂと可動電極とに電圧が印加されれば、図４（ｂ）に示すように、可動薄膜２５の右側の一部分が変位するようになっている。これにより、可動薄膜２５の中央部には、基板２１に垂直な仮想線を境に対称となる二つの傾斜面３３ａ、３３ｂが形成されるようになっている。
なお、複数の固定電極３７ａ、３７ｂに代えて、図示しない可動電極を複数に形成したり、固定電極３７ａ、３７ｂ及び可動電極の双方を複数に形成してそれぞれに対応する電極間に電圧を印加して、可動薄膜２５の一部分が変位するようにしても良い。但し、可動電極を複数に形成した場合でも、反射膜３１はこれら可動電極間上に連続して設けられていることは当然である。
【００３３】
この光変調素子２００によれば、それぞれの固定電極３７ａ、３７ｂごとに可動薄膜２５の一部分が変位可能となり、複数の異なる傾斜面３３ａ、３３ｂによって反射が可能となる。したがって、これらの異なる傾斜面３３ａ、３３ｂでの組み合せによって、反射角度範囲が広く確保可能となる。
【００３４】
次に、本発明に係る光変調素子の第３の実施の形態を説明する。
図５は本発明に係る光変調素子の可動薄膜が別体の柱部材によって基板面に支持される実施形態の断面図、図６は図５に示した光変調素子の動作説明図である。
【００３５】
この実施の形態に係る光変調素子３００は、可動薄膜２５が平らな可動部２７のみからなり、この可動部２７が柱部材４１を介して支持される。柱部材４１の上端は、可動部２７と接合される。つまり、本実施の形態における可動薄膜２５は、別体の柱部材４１によって基板２１に支持される。
【００３６】
ここで、柱部材４１は、可動薄膜２５より低バネ定数の材料からなる。これにより、柱部材４１は、クッション層を兼ねるようになっている。このクッション層によって可動部２７が外力によって移動し易くなる。また、この材料は、成膜、パターニングが可能であることが必要となる。このような材料としては、例えばポリイミド、フォトレジスト、ポリカーボネート、ポリエチレン、ポリスチレン、その他の樹脂、有機物を挙げることができる。
【００３７】
この光変調素子３００では、例えば一端側（図６の右端側）の一部分のみが、静電気力により基板２１に対して変位（近接するように位置変更）することで、基板２１に対して所定角度で傾斜した傾斜面３３を形成する。これにより、可動薄膜２５と一体に被着された反射膜３１も、同様の傾斜面３３を形成する。光変調素子３００は、反射膜３１によって反射する反射光の向きを、この傾斜面３３の形成によって可変可能としている。
【００３８】
この光変調素子３００によれば、可動薄膜２５が、別体の柱部材４１によって基板２１に支持されることから、柱部材４１の形成高さを変更することで、容易に空隙２３が広く形成可能となる。その結果、高低差の大きい変形が可動薄膜２５において可能となり、反射角度範囲が広く確保できるようになる。また、柱部材４１が可動薄膜２５より低バネ定数の材料からなることで、可動薄膜２５の撓み抵抗が軽減され、高速応答性が高められるとともに、駆動電圧の低電圧化も可能となる。
【００３９】
次に、本発明に係る光変調素子の第４の実施の形態を説明する。
図７は本発明に係る光変調素子の可動薄膜が別体の柱部材によって基板面に支持され且つ複数の電極が設けられた実施形態の断面図、図８は図７に示した光変調素子の動作説明図である。
この実施の形態に係る光変調素子４００は、第３の実施の形態で説明した柱部材４１を用いた支持構造で、第２の実施の形態で説明した複数の固定電極３７ａ、３７ｂを備えた構成となっている。
【００４０】
したがって、固定電極３７ａと可動電極とに電圧が印加されれば、図８（ａ）に示すように、可動薄膜２５の左側の一部分が変位し、固定電極３７ｂと可動電極とに電圧が印加されれば、図８（ｂ）に示すように、可動薄膜２５の右側の一部分が変位するようになっている。これにより、可動薄膜２５の中央部には、基板２１に垂直な仮想線を境に対称となる二つの傾斜面３３ａ、３３ｂが形成されるようになっている。
【００４１】
この光変調素子４００によれば、第２の実施の形態による光変調素子２００と同様に異なる傾斜面３３ａ、３３ｂでの組み合せによって、反射角度範囲が広く確保可能となるとともに、第３の実施の形態による光変調素子３００と同様に、高低差の大きい変形が可動薄膜２５において可能となり、反射角度範囲が広く確保できるようになり、しかも、可動薄膜２５の撓み抵抗が軽減され、高速応答性が高められるとともに、駆動電圧の低電圧化も可能となる。
【００４２】
次に、本発明に係る光変調素子の第５の実施の形態を説明する。
図９は本発明に係る光変調素子のマイクロレンズアレイが設けられた実施形態の断面図である。
この実施の形態に係る光変調素子５００は、基板２１の光の入出射側に、入射光又は出射光／入射光及び出射光を集光するマイクロレンズアレイ５１が設けられている。マイクロレンズアレイ５１は、入射光路、反射光路に位置する複数のマイクロレンズ５３を有している。このマイクロレンズアレイ５１は、図示しないスペーサ等によって、基板２１に対して所定の距離を隔てて一体に固定されている。
【００４３】
この光変調素子５００によれば、入射光又は出射光／入射光及び出射光がマイクロレンズアレイ５１によって集光され、光の利用効率が高まり、小さな開口面積においても、高効率で明るい変調光が得られるようになる。また、光の利用効率が高まり、マイクロレンズ５１を設けない場合に対し、反射膜３１が小さく形成可能となり、反射膜３１の変位量を小さくでき、反射膜（即ち、可動薄膜２５）３１の駆動エネルギーの低減が可能となる。
【００４４】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明に係る請求項１記載の光変調素子によれば、可動薄膜の一端側の一部分又は他端側の一部分のみを静電気力により基板面に対して変位させることで基板面に対して所定角度で傾斜した傾斜面を可動薄膜に形成させ、反射膜によって反射する反射光の向きをこの傾斜面の形成によって可変可能としたので、片持ち梁構造に比べ、可動薄膜からの高い弾性力が得られ、高速応答性を高めることができる。
【００４５】
請求項２記載の光変調素子によれば、可動薄膜が、単一材料からなり、且つ可動部と、この可動部の両端に連設されて可動部を空隙を隔てて基板面に支持する支持部とから構成されるので、傾斜面を形成しなければならない片持ち梁構造に比べ、空隙の形成プロセスを簡単にすることができる。
【００４６】
請求項３記載の光変調素子によれば、可動薄膜が、別体の柱部材によって基板面に支持されるので、空隙を広く形成することができ、反射角度範囲を広く確保できるようになる。
【００４７】
請求項４記載の光変調素子によれば、柱部材が、可動薄膜より柔らかい材料からなるので、撓み抵抗を軽減して、高速応答性を高めるとともに、駆動電圧の低電圧化を可能にすることができる。
【００４８】
請求項５記載の光変調素子によれば、可動薄膜に静電気力を発生させる複数の電極が基板面に設けられ、それぞれの電極ごとに可動薄膜の一部分が変位可能であるので、複数の異なる傾斜面によって反射が可能となり、反射角度範囲を広くできる。
【００４９】
請求項６記載の光変調素子によれば、反射膜が、誘電体多層反射膜であるので、反射膜の光吸収が少なくなり、反射膜の光吸収による発熱が低減される。この結果、反射型の光変調素子においての高出力光源に対する高パワー耐性を高めることができる。
【００５０】
請求項７記載の光変調素子によれば、光の入出射側に、入射光又は出射光／入射光及び出射光を集光するマイクロレンズアレイが設けられているので、光の利用効率が高まり、小さな開口面積においても、高効率で明るい変調光を得ることができる。また、光の利用効率が高まり、マイクロレンズを設けない場合に対し、反射膜が小さく形成可能となるので、反射膜の変位量を小さくでき、反射膜（即ち、可動薄膜）の駆動エネルギーの低減が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る光変調素子の可動薄膜が単一材料からなる実施形態の断面図である。
【図２】図１に示した光変調素子の動作説明図である。
【図３】本発明に係る光変調素子の複数の電極が設けられた実施形態の断面図である。
【図４】図３に示した光変調素子の動作説明図である。
【図５】本発明に係る光変調素子の可動薄膜が別体の柱部材によって基板面に支持される実施形態の断面図である。
【図６】図５に示した光変調素子の動作説明図である。
【図７】本発明に係る光変調素子の可動薄膜が別体の柱部材によって基板面に支持され且つ複数の電極が設けられた実施形態の断面図である。
【図８】図７に示した光変調素子の動作説明図である。
【図９】本発明に係る光変調素子のマイクロレンズアレイが設けられた実施形態の断面図である。
【図１０】片持ち梁構造による従来の光変調素子の断面図である。
【符号の説明】
２１  基板面
２３  空隙
２５  可動薄膜
２７  可動部
２９  支持部
３１  反射膜
３３  傾斜面
３７ａ、３７ｂ  複数の電極
４１  柱部材
５１  マイクロレンズアレイ
１００、２００、３００、４００、５００  光変調素子
【図１】
2004198829.tif 000003
【図２】
2004198829.tif 000004
【図３】
2004198829.tif 000005
【図４】
2004198829.tif 000006
【図５】
2004198829.tif 000007
【図６】
2004198829.tif 000008
【図７】
2004198829.tif 000009
【図８】
2004198829.tif 000010
【図９】
2004198829.tif 000011
【図１０】
2004198829.tif 000012