(57)【要約】【課題】広い帯域幅でイメージ変調が可能で、製作が容易で、かつ高い透過度差を有する、多重ファブリぺロー共振モードと多重吸収モードとを利用した透過型イメージ変調器を提供する。【解決手段】下部反射層１１０と、下部反射層上に配置され、複数の量子ウェル層と複数の障壁層とを備える活性層１２０と、活性層上に配置された上部反射層１３０と、下部反射層および上部反射層のうち少なくとも一層の反射層内に配置される少なくとも一層のマイクロキャビティ層１１１、１３１と、を備え、共振波長をλとする時、活性層と少なくとも一層のマイクロキャビティ層は、λ／２の整数倍の光学的厚さを有する。【選択図】図１
2013122597.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
下部反射層と、
前記下部反射層上に配置され、複数の量子ウェル層と複数の障壁層とを備える活性層と、
前記活性層上に配置された上部反射層と、
前記下部反射層および前記上部反射層のうち少なくとも一層の反射層内に配置される少なくとも一層のマイクロキャビティ層と、を備え、
共振波長をλとする時、前記活性層と前記少なくとも一層のマイクロキャビティ層は、λ／２の整数倍の光学的厚さを有することを特徴とする透過型イメージ変調器。
【請求項２】
前記下部反射層と前記上部反射層は、光学的厚さがそれぞれλ／４であり、屈折率の相異なる第１屈折率層と第２屈折率層とが反復的に交互に積層されたＤＢＲ層であることを特徴とする請求項１に記載の透過型イメージ変調器。
【請求項３】
前記下部反射層は、第１下部反射層と、前記第１下部反射層上に配置された第１マイクロキャビティ層と、前記第１マイクロキャビティ層上に配置された第１位相マッチング層と、前記第１位相マッチング層上に配置された第２下部反射層とを備えることを特徴とする請求項１または２に記載の透過型イメージ変調器。
【請求項４】
前記第１下部反射層は、複数の第１屈折率層と第２屈折率層の第１対を含み、前記第１マイクロキャビティ層は、第１屈折率層で形成され、前記位相マッチング層は、第２屈折率層で形成され、前記第２下部反射層は、複数の第１屈折率層と第２屈折率層の第２対を含むことを特徴とする請求項３に記載の透過型イメージ変調器。
【請求項５】
前記第１対の個数は、前記第２対の個数より少ないことを特徴とする請求項４に記載の透過型イメージ変調器。
【請求項６】
前記上部反射層は、前記活性層上に配置された第１上部反射層と、前記第１上部反射層上に配置された第２位相マッチング層と、前記第２位相マッチング層上に配置された第２マイクロキャビティ層と、前記第２マイクロキャビティ層上に配置された第２上部反射層とを備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の透過型イメージ変調器。
【請求項７】
前記第１上部反射層は、複数の第２屈折率層と第１屈折率層の第３対を含み、前記第２位相マッチング層は、第２屈折率層で形成され、前記第２マイクロキャビティ層は、第１屈折率層で形成され、前記第２上部反射層は、複数の第２屈折率層と第１屈折率層の第４対を含むことを特徴とする請求項６に記載の透過型イメージ変調器。
【請求項８】
前記第３対の個数は、前記第４対の個数より多いことを特徴とする請求項７に記載の透過型イメージ変調器。
【請求項９】
前記下部反射層と前記上部反射層は、前記活性層を中心に対称的な構造を有することを特徴とする請求項６に記載の透過型イメージ変調器。
【請求項１０】
前記第１下部反射層の反射度と、前記第２上部反射層の反射度とが同じであり、第２下部反射層の反射度と、前記第１上部反射層の反射度とが同じであることを特徴とする請求項９に記載の透過型イメージ変調器。
【請求項１１】
前記第２上部反射層の表面で反射された光の位相はπであり、前記第１下部反射層、第２下部反射層、および第１上部反射層の表面で反射された光の位相は０であることを特徴とする請求項６に記載の透過型イメージ変調器。
【請求項１２】
前記第１屈折率層は、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓを含み、第２屈折率層は、ＡｌｙＧａ１−ｙＡｓを含み、０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、ｘ＜ｙであることを特徴とする請求項２に記載の透過型イメージ変調器。
【請求項１３】
前記活性層は、反復的に交互に積層された前記複数の量子ウェル層と複数の障壁層、前記下部反射層と前記活性層との間に配置された第１クラッディング層、および前記上部反射層と前記活性層との間に配置された第２クラッディング層を備えることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一項に記載の透過型イメージ変調器。
【請求項１４】
前記第１クラッディング層は、前記量子ウェル層の屈折率と前記上部反射層の屈折率との間の屈折率を有し、前記第２クラッディング層は、前記量子ウェル層の屈折率と前記下部反射層の屈折率との間の屈折率を有し、前記第１クラッディング層と前記第２クラッディング層は、同じ材料および同じ厚さに形成されることを特徴とする請求項１３に記載の透過型イメージ変調器。
【請求項１５】
前記量子ウェル層は、厚さが相異なる第１量子ウェル層と第２量子ウェル層とを備えることを特徴とする請求項１３に記載の透過型イメージ変調器。
【請求項１６】
前記下部反射層の下部表面に配置される第１コンタクト層と、前記上部反射層の上部表面に配置される第２コンタクト層とをさらに備えることを特徴とする請求項１〜１５のいずれか一項に記載の透過型イメージ変調器。
【請求項１７】
前記第１コンタクト層は、ｎ−ＧａＡｓまたはｎ−ＩｎＧａＰで形成されることを特徴とする請求項１６に記載の透過型イメージ変調器。
【請求項１８】
前記第１コンタクト層の下部表面に配置される基板と、前記基板の中心部で前記基板を除去して形成された透明ウィンドウとをさらに備えることを特徴とする請求項１６または１７に記載の透過型イメージ変調器。
【請求項１９】
前記第２コンタクト層上に塗布された透明樹脂と、前記透明樹脂上に配置された透明カバーとをさらに備えることを特徴とする請求項１６〜１８のいずれか一項に記載の透過型イメージ変調器。
【請求項２０】
基板上に第１コンタクト層を形成するステップと、
前記第１コンタクト層上に、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の透過型イメージ変調器を形成するステップと、
前記上部反射層の上部表面に第２コンタクト層を形成するステップと、
前記基板の中心部を除去して、透明ウィンドウを形成するステップと、を含むことを特徴とする基板上に透過型イメージ変調器を形成する方法。
【請求項２１】
前記第１コンタクト層は、ｎ−ＧａＡｓで形成され、前記基板上に第１コンタクト層を形成するステップは、前記基板上にＡｌＡｓバッファ層を先に形成するステップと、前記ＡｌＡｓバッファ層上に第１コンタクト層を形成するステップとを含むことを特徴とする請求項２０に記載の基板上に透過型イメージ変調器を形成する方法。
【請求項２２】
前記基板の中心部を除去して、透明ウィンドウを形成するステップは、
前記基板の下部表面に第１保護層を形成し、前記第２コンタクト層の上部表面に第２保護層を形成するステップと、
第１保護層のエッジに沿ってフォトレジストを形成し、前記基板が露出されるように前記第１保護層の中心部を除去するステップと、
前記バッファ層が露出される直前まで、ドライエッチング方式により前記露出された基板を除去するステップと、
前記バッファ層が露出されるように、ウェットエッチング方式により前記基板の残った部分を除去するステップと、
前記露出されたバッファ層、前記第１および第２保護層を除去するステップと、を含むことを特徴とする基板上に透過型イメージ変調器を形成する方法。
【請求項２３】
前記第１コンタクト層は、ｎ−ＩｎＧａＰで形成されることを特徴とする請求項２０に記載の基板上に透過型イメージ変調器を形成する方法。
【請求項２４】
前記基板の中心部を除去して、透明ウィンドウを形成するステップは、
前記基板の下部表面に第１保護層を形成し、前記第２コンタクト層の上部表面に第２保護層を形成するステップと、
第１保護層のエッジに沿ってフォトレジストを形成し、前記基板が露出されるように前記第１保護層の中心部を除去するステップと、
前記バッファ層が露出されるように、ウェットエッチング方式により前記基板の露出された部分を除去するステップと、
前記露出されたバッファ層、前記第１および第２保護層を除去するステップと、を含むことを特徴とする請求項２３に記載の基板上に透過型イメージ変調器を形成する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、透過型イメージ変調器に係り、特に多重ファブリぺロー共振モードと多重吸収モードとを利用して、広い帯域幅にわたってイメージ変調が可能な透過型イメージ変調器および透過型イメージ変調器を形成する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的なカメラにより撮影された映像は、カメラから被写体までの距離に関する情報を有していない。３Ｄカメラのような三次元映像獲得装置を実現するためには、被写体の表面上の複数の点からの距離を測定することができる付加的な手段が必要である。被写体についての距離情報は、一般的に二台のカメラを利用した両眼立体視（Ｓｔｅｒｅｏ  Ｖｉｓｉｏｎ）方法や、構造光とカメラとを利用した三角測量法を利用して得られる。しかし、かかる方法は、被写体の距離が遠くなるほど、距離情報についての精度が急激に低下し、被写体の表面状態に依存するため、正確な距離情報を得ることが困難である。
【０００３】
より正確な距離情報を得るために、光時間飛行（Ｔｉｍｅ−ｏｆ−Ｆｌｉｇｈｔ：ＴＯＦ）法が導入された。ＴＯＦ法は、レーザービームを被写体に照射した後、被写体から反射される光が受光部で受光されるまでの光飛行時間を測定する方法である。ＴＯＦ法によれば、特定の波長の光（例えば、８５０ｎｍの近赤外線）を、発光ダイオード（ＬＥＤ）またはレーザーダイオード（ＬＤ）を利用して被写体に投射し、被写体から反射された同じ波長の光を受光部で受光した後、距離情報を抽出するための特別な処理過程を行う。かかる一連の光処理過程による多様なＴＯＦ法が紹介されている。例えば、直接時間測定法は、被写体にパルス光を投射し、被写体に反射されて光が戻る時間をタイマーで測定して距離を求める。相関法は、パルス光を被写体に投射し、被写体に反射されて戻る反射光の輝度から距離を測定する。位相遅延測定法は、サイン波のような連続波の光を被写体に投射し、被写体に反射されて戻る反射光の位相差を感知して、距離に換算する方法である。
【０００４】
また、位相遅延測定法にも色々な方式があるが、そのうち、光変調器により反射光を振幅変調した後、変調された反射光をＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ−Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅ）やＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ  Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）のような撮像素子で撮影して、位相遅延を測定する外部変調方式が、高解像度の距離映像を得るのに有利である。外部変調方式の場合、撮像素子への入力光量を一定の時間累積またはサンプリングして、輝度映像を得て、そこから位相遅延と距離とを計算する。外部変調方式は、一般的な撮像素子をそのまま利用できるが、正確な位相遅延を求めるために、数１０ないし数１００ＭＨｚの超高速で光を変調できる光変調器を必要とする。
【０００５】
光変調器のうち、例えば、映像増幅器や結晶光学に基づいたポッケルス効果やカー効果を利用した透過型変調器があるが、かかる種類の光変調器は、体積が大きく、数ｋＶの高電圧を利用し、かつ高価という短所がある。
【０００６】
最近、実現がより容易であり、小型かつ低電圧駆動が可能なＧａＡｓ半導体基盤の光変調器が提案された。ＧａＡｓ基盤の光変調器は、Ｐ−電極とＮ−電極との間に多重量子ウェル（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｗｅｌｌ：ＭＱＷ）層を配置したものであって、ＰＮ両端に逆方向バイアス電圧が印加されると、多重量子ウェル層内で光が吸収される現象を利用する。ＧａＡｓ基盤の光変調器は、高速駆動が可能であり、駆動電圧が相対的に低く、オン／オフ時の反射度差（すなわち、明暗比）が大きいという長所がある。しかし、ＧａＡｓ基盤の光変調器は、変調器の帯域幅が４ないし５ｎｍと非常に狭い。
【０００７】
３Ｄカメラの場合、複数個の光源を使用するが、光源間には中心波長のばらつきが発生する。また、温度によって、光源の中心波長が変化する。光変調器の場合にも同様に、製造上のばらつきおよび温度変化によって、中心吸収波長が変化する特性を有する。したがって、３Ｄカメラに適用されるためには、広い帯域幅にわたって光変調が可能な光変調器が要求される。しかし、オン／オフ時の反射度差と帯域幅との間には、トレードオフ関係があるため、オン／オフ時の反射度差と帯域幅とを同時に増加させることは難しい。
【０００８】
一方、反射型変調器の場合には、変調された光イメージを撮像素子（例えば、ＣＣＤ、ＣＭＯＳ）に提供するための光路が複雑であり、これによって、追加の光学系の構成が要求される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００１−０３６１９１号公報
【特許文献２】特開２０１１−１３５１０４号公報
【特許文献３】韓国特許公開第１０−２０１０−０１３８１４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の目的は、広い帯域幅にわたってイメージ変調が可能で、製作が容易で、かつ高い透過度差を有する透過型イメージ変調器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明に係る透過型イメージ変調器は、下部反射層と、前記下部反射層上に配置され、複数の量子ウェル層と複数の障壁層とを備える活性層と、前記活性層上に配置された上部反射層と、前記下部反射層および前記上部反射層のうち少なくとも一層の反射層内に配置される少なくとも一層のマイクロキャビティ層と、を備え、ここで、共振波長をλとする時、前記活性層と前記少なくとも一層のマイクロキャビティ層は、λ／２の整数倍の光学的厚さを有する。
【００１２】
一実施形態において、前記下部反射層と前記上部反射層は、光学的厚さがそれぞれλ／４であり、屈折率の相異なる第１屈折率層と第２屈折率層とが反復的に交互に積層されたＤＢＲ層であってもよい。
【００１３】
前記下部反射層は、第１下部反射層と、前記第１下部反射層上に配置された第１マイクロキャビティ層と、前記第１マイクロキャビティ層上に配置された第１位相マッチング層と、前記第１位相マッチング層上に配置された第２下部反射層とを備えてもよい。
【００１４】
前記第１下部反射層は、複数の第１屈折率層と第２屈折率層の第１対を含み、前記第１マイクロキャビティ層は、第１屈折率層で形成され、前記位相マッチング層は、第２屈折率層で形成され、前記第２下部反射層は、複数の第１屈折率層と第２屈折率層の第２対を含んでもよい。
【００１５】
前記第１対の個数は、前記第２対の個数より少なくてもよい。
【００１６】
また、前記上部反射層は、前記活性層上に配置された第１上部反射層と、前記第１上部反射層上に配置された第２位相マッチング層と、前記第２位相マッチング層上に配置された第２マイクロキャビティ層と、前記第２マイクロキャビティ層上に配置された第２上部反射層とを備えてもよい。
【００１７】
前記第１上部反射層は、複数の第２屈折率層と第１屈折率層の第３対を含み、前記第２位相マッチング層は、第２屈折率層で形成され、前記第２マイクロキャビティ層は、第１屈折率層で形成され、前記第２上部反射層は、複数の第２屈折率層と第１屈折率層の第４対を含んでもよい。
【００１８】
前記第３対の個数は、前記第４対の個数より多くてもよい。
【００１９】
前記下部反射層と前記上部反射層は、前記活性層を中心に対称的な構造を有してもよい。
【００２０】
前記第１下部反射層の反射度と前記第２上部反射層の反射度とが同じであり、第２下部反射層の反射度と前記第１上部反射層の反射度とが同じであってもよい。
【００２１】
前記第２上部反射層の表面で反射された光の位相はπであり、前記第１下部反射層、第２下部反射層、および第１上部反射層の表面で反射された光の位相は０であってもよい。
前記第１屈折率層は、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓを含み、第２屈折率層は、ＡｌｙＧａ１−ｙＡｓ（ここで、０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、ｘ＜ｙ）を含んでもよい。
【００２２】
また、前記活性層は、反復的に交互に積層された前記複数の量子ウェル層と複数の障壁層、前記下部反射層と前記活性層との間に配置された第１クラッディング層、および前記上部反射層と前記活性層との間に配置された第２クラッディング層を備えてもよい。
【００２３】
前記第１クラッディング層は、前記量子ウェル層の屈折率と前記上部反射層の屈折率との間の屈折率を有し、前記第２クラッディング層は、前記量子ウェル層の屈折率と前記下部反射層の屈折率との間の屈折率を有し、前記第１クラッディング層と前記第２クラッディング層は、同じ材料および同じ厚さに形成されてもよい。
【００２４】
前記量子ウェル層は、厚さが相異なる第１量子ウェル層と第２量子ウェル層とを備えてもよい。
【００２５】
また、前記透過型イメージ変調器は、前記下部反射層の下部表面に配置される第１コンタクト層と、前記上部反射層の上部表面に配置される第２コンタクト層とをさらに備えてもよい。
【００２６】
例えば、前記第１コンタクト層は、ｎ−ＧａＡｓまたはｎ−ＩｎＧａＰで形成されてもよい。
【００２７】
また、前記透過型イメージ変調器は、前記第１コンタクト層の下部表面に配置される基板と、前記基板の中心部で前記基板を除去して形成された透明ウィンドウとをさらに備えてもよい。
【００２８】
また、前記透過型イメージ変調器は、前記第２コンタクト層上に塗布された透明樹脂と、前記透明樹脂上に配置された透明カバーとをさらに備えてもよい。
【００２９】
一方、一類型による基板上に透過型イメージ変調器を形成する方法は、基板上に第１コンタクト層を形成するステップと、前記第１コンタクト層上に、下部反射層、活性層および上部反射層を有する前述の透過型イメージ変調器を形成するステップと、前記上部反射層の上部表面に第２コンタクト層を形成するステップと、前記基板の中心部を除去して、透明ウィンドウを形成するステップと、を含む。
【００３０】
一実施形態において、前記第１コンタクト層は、ｎ−ＧａＡｓで形成され、前記基板上に第１コンタクト層を形成するステップは、前記基板上にＡｌＡｓバッファ層を先に形成するステップと、前記ＡｌＡｓバッファ層上に第１コンタクト層を形成するステップとを含んでもよい。
【００３１】
一実施形態において、前記基板の中心部を除去して、透明ウィンドウを形成するステップは、前記基板の下部表面に第１保護層を形成し、前記第２コンタクト層の上部表面に第２保護層を形成するステップと、第１保護層のエッジに沿ってフォトレジストを形成し、前記基板が露出されるように、前記第１保護層の中心部を除去するステップと、前記バッファ層が露出される直前まで、ドライエッチング方式により、前記露出された基板を除去するステップと、前記バッファ層が露出されるように、ウェットエッチング方式により、前記基板の残った部分を除去するステップと、前記露出されたバッファ層、前記第１および第２保護層を除去するステップと、を含んでもよい。
【００３２】
他の実施形態において、前記第１コンタクト層は、ｎ−ＩｎＧａＰで形成されてもよい。
【００３３】
他の実施形態において、前記基板の中心部を除去して、透明ウィンドウを形成するステップは、前記基板の下部表面に第１保護層を形成し、前記第２コンタクト層の上部表面に第２保護層を形成するステップと、第１保護層のエッジに沿ってフォトレジストを形成し、前記基板が露出されるように、前記第１保護層の中心部を除去するステップと、前記バッファ層が露出されるように、ウェットエッチング方式により、前記基板の露出された部分を除去するステップと、前記露出されたバッファ層、前記第１および第２保護層を除去するステップと、を含んでもよい。
【発明の効果】
【００３４】
本発明によれば、ＰＩＮ構造の透過型イメージ変調器の上部ミラーと下部ミラーとに複数のマイクロキャビティを形成することで、三つ以上のピークを有する共振波長モードで広い波長領域にわたって透過度を向上させる。マイクロキャビティは、光学的厚さがλ／２の整数倍に設計されて、製作が非常に容易である。かかるイメージ変調器は、透過帯域幅が広く、平滑な特性を有するため、製作工程の誤差による共振波長の変動や、温度などの外部環境による共振波長の変動にも安定した性能を有することができる。したがって、該イメージ変調器は、３Ｄカメラのような三次元映像獲得装置での使用に適当である。その他にも、該イメージ変調器は、光通信分野、光連結分野、光信号処理分野などにも利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】一実施形態によるイメージ変調器の概略的な構造を示す断面図である。
【図２Ａ】多重ファブリぺロー共振モードによって、帯域幅が増加する原理を簡単に示す図面である。
【図２Ｂ】多重ファブリぺロー共振モードによって、帯域幅が増加する原理を簡単に示すグラフである。
【図３Ａ】多重ファブリぺロー共振モードによって、帯域幅が増加する原理を簡単に示す図面である。
【図３Ｂ】多重ファブリぺロー共振モードによって、帯域幅が増加する原理を簡単に示すグラフである。
【図４Ａ】多重ファブリぺロー共振モードによって、帯域幅が増加する原理を簡単に示す図面である。
【図４Ｂ】多重ファブリぺロー共振モードによって、帯域幅が増加する原理を簡単に示すグラフである。
【図５】三つのキャビティによる多重ファブリぺロー共振モードで、ミラーの反射度による透過度ピークの変化を示すグラフである。
【図６】三つのキャビティによる多重ファブリぺロー共振モードで、ミラーの反射度を対称に設計した場合に、反射度の変化による透過度ピークの変化を示すグラフである。
【図７Ａ】活性層に一種類の量子ウェル層が配置された場合に、活性層の光吸収特性を示すグラフである。
【図７Ｂ】活性層に一種類の量子ウェル層が配置された場合に、活性層の光吸収特性を示すグラフである。
【図８Ａ】活性層に２種類の量子ウェル層が配置された場合に、活性層の光吸収特性を示すグラフである。
【図８Ｂ】活性層に２種類の量子ウェル層が配置された場合に、活性層の光吸収特性を示すグラフである。
【図９】一実施形態によるイメージ変調器の例示的な層の構造および層の厚さを示す図面である。
【図１０Ａ】イメージ変調器の例示的な設計結果を示す図面である。
【図１０Ｂ】図１０Ａに示したイメージ変調器の光学的特性を示すグラフである。
【図１１Ａ】イメージ変調器の他の例示的な設計結果を示す図面である。
【図１１Ｂ】図１１Ａに示したイメージ変調器の光学的特性を示すグラフである。
【図１２Ａ】イメージ変調器のさらに他の例示的な設計結果を示す図面である。
【図１２Ｂ】図１２Ａに示したイメージ変調器の光学的特性を示すグラフである。
【図１３Ａ】イメージ変調器のさらに他の例示的な設計結果を示す図面である。
【図１３Ｂ】図１３Ａに示したイメージ変調器の光学的特性を示すグラフである。
【図１４Ａ】基板に透明ウィンドウを形成するための方法を概略的に示す断面図である。
【図１４Ｂ】基板に透明ウィンドウを形成するための方法を概略的に示す断面図である。
【図１４Ｃ】基板に透明ウィンドウを形成するための方法を概略的に示す断面図である。
【図１４Ｄ】基板に透明ウィンドウを形成するための方法を概略的に示す断面図である。
【図１４Ｅ】基板に透明ウィンドウを形成するための方法を概略的に示す断面図である。
【図１４Ｆ】基板に透明ウィンドウを形成するための方法を概略的に示す断面図である。
【図１４Ｇ】基板に透明ウィンドウを形成するための方法を概略的に示す断面図である。
【図１４Ｈ】基板に透明ウィンドウを形成するための方法を概略的に示す断面図である。
【図１５Ａ】基板に透明ウィンドウを形成するための他の方法を概略的に示す断面図である。
【図１５Ｂ】基板に透明ウィンドウを形成するための他の方法を概略的に示す断面図である。
【図１５Ｃ】基板に透明ウィンドウを形成するための他の方法を概略的に示す断面図である。
【図１６】イメージ変調器の上部面に透明な補強構造物を装着した例を示す概略的な断面図である。
【図１７】図１に示した複数のイメージ変調器のアレイを含む大面積のイメージ変調器アレイを概略的に示す図面である。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
以下、図面を参照して、多重ファブリぺロー共振モードと多重吸収モードとを利用した透過型イメージ変調器について詳細に説明する。以下の図面において、同じ参照符号は、同じ構成要素を指し、図面上で、各構成要素のサイズは、説明の便宜のため、および説明を明確にするために誇張されうる。
【００３７】
図１は、本発明の一実施形態に係るイメージ変調器１００の概略的な構造を示す断面図である。図１を参照すれば、イメージ変調器１００は、基板１０１と、基板１０１上に順次配置された第１コンタクト層１０２、第１コンタクト層１０２上に配置された下部ＤＢＲ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｂｒａｇｇ  Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）層１１０、下部ＤＢＲ層１１０上に配置された多重量子ウェル層構造の活性層１２０、活性層１２０上に配置された上部ＤＢＲ層１３０、および上部ＤＢＲ層１３０上に配置された第２コンタクト層１４０を備える。また、イメージ変調器１００は、下部ＤＢＲ層１１０内に配置された第１マイクロキャビティ層１１１、および上部ＤＢＲ層１３０内に配置された第２マイクロキャビティ層１３１の少なくとも一層をさらに含む。
【００３８】
基板１０１は、例えば、ドーピングされていないＧａＡｓにより形成される。光が透過されるように、基板１０１の中心が除去されて、透明ウィンドウ１０１ａが形成される。第１コンタクト層１０２は、活性層１２０に電圧を印加するための電極（図示せず）と連結されるための層であって、例えば、シリコン（Ｓｉ）でドーピングされたｎ−ＧａＡｓやｎ−ＩｎＧａＰで形成される。また、第２コンタクト層１４０は、活性層１２０に電圧を印加するための他の電極（図示せず）と連結されるための層であって、例えば、ベリリウム（Ｂｅ）でドーピングされたｐ−ＧａＡｓにより形成される。
【００３９】
下部ＤＢＲ層１１０と上部ＤＢＲ層１３０は、屈折率の相対的に低い低屈折率層と、屈折率の相対的に高い高屈折率層とが反復的に交互に積層された構造を有する。例えば、下部ＤＢＲ層１１０および上部ＤＢＲ層１３０は、高屈折率層としてＡｌｘＧａ１−ｘＡｓを含み、低屈折率層としてＡｌｙＧａ１−ｙＡｓを含むＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ／ＡｌｙＧａ１−ｙＡｓ構造の複数の対からなる（ここで、０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、ｘ＜ｙ）。より具体的には、下部ＤＢＲ層１１０および上部ＤＢＲ層１３０は、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ／Ａｌ０．８７Ｇａ０．１３Ａｓが反復的に積層された構造に形成される。
【００４０】
かかる多層構造の下部ＤＢＲ層１１０および上部ＤＢＲ層１３０に特定の波長を有する光が入射される場合、下部ＤＢＲ層１１０および上部ＤＢＲ層１３０内の屈折率の異なる二層（すなわち、高屈折率層と低屈折率層）間の境界面で反射が起こるが、この時反射されるあらゆる光の位相差を同一にすることで、高い反射率を得る。このために、下部ＤＢＲ層１１０および上部ＤＢＲ層１３０内のそれぞれの高屈折率層と低屈折率層の光学的厚さ（すなわち、物理的厚さに層材料の屈折率を乗じた値）を、それぞれλ／４（λは、変調しようとする入射光の波長または共振波長）の奇数倍に形成する。下部ＤＢＲ層１１０および上部ＤＢＲ層１３０の反射度は、高屈折率層と低屈折率層の対が反復する回数が多くなるほど高くなる。一方、下部ＤＢＲ層１１０および上部ＤＢＲ層１３０は、活性層１２０での光吸収のための電界が形成されるように電極を構成する。このために、下部ＤＢＲ層１１０は、例えば、Ｓｉが２．０〜２．６×１０１８／ｃｍ３の濃度でドーピングされたｎ−ＤＢＲ層であり、上部ＤＢＲ層１３０は、Ｂｅが０．８〜１．２×１０１９／ｃｍ３の濃度でドーピングされたｐ−ＤＢＲ層である。
【００４１】
活性層１２０は、光の吸収が起こる層であって、複数の量子ウェル層と複数の障壁層とが反復的に積層された多重量子ウェル層構造を有する。例えば、活性層１２０は、Ａｌ０．３１Ｇａ０．６９Ａｓで形成された複数の障壁層と、ＧａＡｓで形成された複数の量子ウェル層とを備える。かかる活性層１２０は、また、ファブリぺロー共振のためのメインキャビティの役割を行う。このために、活性層１２０は、光学的厚さがλ／２の整数倍と同じであるように形成される。
【００４２】
したがって、イメージ変調器１００は、ｐ型の上部ＤＢＲ層１３０、ドーピングされていない活性層１２０、およびｎ型の下部ＤＢＲ層１１０を備えるＰＩＮ構造を有する。かかる構造において、イメージ変調器１００に入射した光は、上部ＤＢＲ層１３０と下部ＤＢＲ層１１０との間で、活性層１２０を往復して共振し、共振条件を満たす波長λの光がイメージ変調器１００を透過する。このとき、イメージ変調器１００に逆方向のバイアス電圧を印加することで、活性層１２０での光吸収度が調節され、透過光の強度が変調される。
【００４３】
また、下部ＤＢＲ層１１０には、第１マイクロキャビティ層１１１が配置され、上部ＤＢＲ層１３０には、第２マイクロキャビティ層１３１が配置される。ここで、イメージ変調器１００は、第１マイクロキャビティ層１１１および第２マイクロキャビティ層１１３のうちいずれか一層のみを備えても、第１マイクロキャビティ層１１１、および第２マイクロキャビティ層１１３のいずれをも備えてもよい。第１マイクロキャビティ層１１１および第２マイクロキャビティ層１３１は、ファブリぺロー共振のための付加的なキャビティの役割を行う。このために、第１マイクロキャビティ層１１１および第２マイクロキャビティ層１３１は、光学的厚さがλ／２の整数倍と同じであるように形成される。第１マイクロキャビティ層１１１および第２マイクロキャビティ層１３１の材料は、例えば、下部ＤＢＲ層１１０および上部ＤＢＲ層１３０の高屈折率層の材料（例えば、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ）と同じであるか、または低屈折率層の材料（例えば、Ａｌ０．８７Ｇａ０．１３Ａｓ）と同じである。また、第１マイクロキャビティ層１１１は、下部ＤＢＲ層１１０と同様に、活性層１２０への電流伝達のためにｎ型のドーピングがなされ、第２マイクロキャビティ層１３１は、ｐ型のドーピングがなされる。
【００４４】
下部ＤＢＲ層１１０は、第１マイクロキャビティ層１１１によって、二つの部分に分けられる。すなわち、第１マイクロキャビティ層１１１の下部には、第１下部ＤＢＲ層１１２が配置され、第１マイクロキャビティ層１１２の上部には、第２下部ＤＢＲ層１１３が配置される。同様に、上部ＤＢＲ層１３０も、第２マイクロキャビティ層１３１によって、二つの部分に分けられる。すなわち、第２マイクロキャビティ層１３１の下部には、第１上部ＤＢＲ層１３２が配置され、第２マイクロキャビティ層１３１の上部には、第２上部ＤＢＲ層１３３が配置される。したがって、イメージ変調器１００は、四つのミラー１１２、１１３、１３２、１３３および三つのキャビティ１１１、１２０、１３１による多重ファブリぺロー共振モードを有する。かかる多重ファブリぺロー共振モードを利用することで、イメージ変調器１００の透過帯域幅を増加させることができる。
【００４５】
図２Ａないし図４Ｂは、多重ファブリぺロー共振モードによって、透過帯域幅が増加する原理を簡単に示している。
【００４６】
まず、図２Ａに示すように、二つのミラーＲ１、Ｒ２の間に一つのキャビティが配置された場合には、図２Ｂに示すように、一つの透過度ピークのみが形成される。図２Ｂにおいて、位相は、イメージ変調器１００に入射する入射光と、そこから出射する出射光との位相差を意味し、ファブリぺロー共振波長で、位相はゼロとなる。ここで、キャビティによる吸収は０であり、二つのミラーＲ１、Ｒ２の反射度が同じであると仮定した。また、図３Ａに示すように、三つのミラーＲ１〜Ｒ３の間に二つのキャビティが配置された場合には、図３Ｂに示したように、二つの透過度ピークが形成される。二つのピークが起こる共振波長での位相は、それぞれ０°、１８０°近辺となる。そして、図４Ａに示すように、四つのミラーＲ１〜Ｒ４の間に三つのキャビティが配置された場合には、図４Ｂに示すように、三つの透過度ピークが形成される。したがって、キャビティの個数を増加させれば、共振波長の重畳によって、透過帯域幅を増加させることが可能である。四つのミラーＲ１〜Ｒ４と三つのキャビティとを使用する例において、図５に示すように、ミラーの反射度を対称に設計する場合（すなわち、Ｒ１＝Ｒ４、Ｒ２＝Ｒ３）には、三つの透過度ピークが同一になる。また、中間ミラーの反射度が、外側ミラーの反射度より高い場合（すなわち、Ｒ１＝Ｒ４＜Ｒ２＝Ｒ３）、図６に示したように、共振波長の重畳によって、平滑な透過度特性（ｆｌａｔ−ｔｏｐ）が得られる。ミラーＲ１〜Ｒ４が図１に示した下部ＤＢＲ層１１０および上部ＤＢＲ層１３０である場合に、反射度は、高屈折率層と低屈折率層の対の個数に比例する。
【００４７】
イメージ変調器１００の透過帯域幅は、活性層１２０の光吸収特性によっても影響を受ける。特に、イメージ変調器１００の光変調性能を表す透過度差（すなわち、イメージ変調器１００に電圧が印加されなかった時の透過度と、電圧が印加された時の透過度との差）は、活性層１２０の光吸収特性によって大きい影響を受ける。活性層１２０の光吸収特性は、量子ウェル層と障壁層の厚さおよび物質の組成によって決定される。例えば、他の条件を同一にして、量子ウェル層の厚さを増加させるほど、吸収係数のピークが長波長の方に移動する。
【００４８】
図７Ａおよび図７Ｂは、活性層１２０に一種類の量子ウェル層（例えば、厚さが８ｎｍである量子ウェル層）のみが配置された場合に、活性層１２０の光吸収特性を表すグラフである。ここで、活性層１２０は、８５０ｎｍの共振波長を有するように設計されたと仮定する。まず、図７Ａを参照すれば、イメージ変調器１００に電圧が印加されない場合は、点線で表示すように、共振波長より低い波長で活性層１２０によるエキシトン吸収が起こり、共振波長ではほとんど吸収が起こらない。そして、イメージ変調器１００に逆バイアス電圧（例えば、−８．１Ｖ／ｕｍ）が印加さる場合は、実線で表示すように、エキシトンピークは、シュタルク効果により、長波長の方に移動しつつ強度が低くなる。この時、エキシトンピーク（８４９．４ｎｍ）が共振波長とほぼ一致する。これにより、図７Ｂに示すように、共振波長で透過度が低くなる。
【００４９】
一方、図８Ａおよび図８Ｂは、活性層１２０に２種類の量子ウェル層（例えば、厚さが８ｎｍである量子ウェル層と、８．５ｎｍである量子ウェル層）が配置された場合に、活性層１２０の光吸収特性を表すグラフである。ここでも、活性層１２０は、８５０ｎｍの共振波長を有するように設計されたと仮定する。図８Ａを参照すれば、８ｎｍの量子ウェル層と、８．５ｎｍの量子ウェル層とによって、それぞれエキシトン吸収が起こる。イメージ変調器１００に逆バイアス電圧が印加されれば、それぞれのエキシトンピークが長波長の方に移動するが、８ｎｍの量子ウェル層のエキシトンピークは、８４９．４ｎｍに移動し、８．５ｎｍの量子ウェル層のエキシトンピークは、８５３．９ｎｍに移動する。これにより、図８Ｂに示したように、共振波長近辺の二つのエキシトンピークによって、比較的広い波長区間について低い透過度が得られる。
【００５０】
図９は、前述した事項を考慮して構成されるイメージ変調器１００の例示的な層の構造および層の厚さを表している。図９に示したイメージ変調器１００は、ＧａＡｓ化合物半導体を利用して、約８５０ｎｍの中心吸収波長を有するように設計されている。図９を参照すれば、ｐ−コンタクト層の役割を行う第２コンタクト層１４０は、ｐ−ＧａＡｓで形成されている。ＧａＡｓ物質は、表面の酸化率が小さく、バンドギャップが小さく、電極を形成する時にオーミックコンタクトの形成に有利である。第２コンタクト層１４０の厚さは、入射光の吸収損失を考慮して、約１００Åとすることができる。
【００５１】
第２コンタクト層１４０下には、上部ＤＢＲ層１３０が配置されている。上部ＤＢＲ層１３０は、第１上部ＤＢＲ層１３２、位相マッチング層１３５、第２マイクロキャビティ層１３１および第２上部ＤＢＲ層１３３を備える。第２上部ＤＢＲ層１３３は、上方から順次に、高屈折率層１３０ａと低屈折率層１３０ｂとが反復的に積層された構造を有する。高屈折率層１３０ａは、例えば、約３．４８３の屈折率を有するＡｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓで形成され、この場合、高屈折率層１３０ａの厚さは、約６１０Åである。これにより、高屈折率層１３０ａの光学的厚さは、λ／４（＝８５０ｎｍ／４＝物理的厚さ×屈折率（＝６１０Å×３．４８３））となる。また、低屈折率層１３０ｂは、例えば、約３．０９６の屈折率を有するＡｌ０．８７Ｇａ０．１３Ａｓで形成され、この場合、低屈折率層１３０ｂの厚さは、約６８５Åである。これにより、低屈折率層１３０ｂの光学的厚さは、λ／４（＝８５０ｎｍ／４＝物理的厚さ×屈折率（＝６８５Å×３．０９６））となる。しかし、高屈折率層１３０ａと低屈折率層１３０ｂの材料が前記の例に限定されるものではなく、他の種類の材料または他の組成比の材料を高屈折率層１３０ａおよび低屈折率層１３０ｂとして使用してもよい。
【００５２】
第２上部ＤＢＲ層１３３の下には、第２マイクロキャビティ層１３１が配置される。第２上部ＤＢＲ層１３３の下側に低屈折率層１３０ｂが配置されているので、第２マイクロキャビティ層１３１は、高屈折率層１３０ａと同じ材料であるＡｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓで形成される。第２マイクロキャビティ層１３１の厚さは、λの光学的厚さを有するように、約２４４０Åである。しかし、第２マイクロキャビティ層１３１の光学的厚さがλに限定されるものではなく、λ／２の整数倍のうち適切に選択されてもよい。また、第２上部ＤＢＲ層１３３の下側に高屈折率層１３０ａが配置されるならば、第２マイクロキャビティ層１３１の材料は、低屈折率層１３０ｂと同じである。
【００５３】
第２マイクロキャビティ層１３１の下には、λ／４の光学的厚さを有する位相マッチング層１３５が配置される。位相マッチング層１３５は、上部ＤＢＲ層１３０内で、全体的に高屈折率層１３０ａと低屈折率層１３０ｂとが交互にするように追加される層である。したがって、第２マイクロキャビティ層１３１が高屈折率層１３０ａと同じ材料で形成される場合、位相マッチング層１３５は、低屈折率層１３０ｂと同じ材料で形成される。第２マイクロキャビティ層１３１が低屈折率層１３０ｂと同じ材料で形成されるならば、位相マッチング層１３５は、高屈折率層１３０ａと同じ材料で形成される。
【００５４】
位相マッチング層１３５の下には、第１上部ＤＢＲ層１３２が配置される。第２上部ＤＢＲ層１３３と同様に、第１上部ＤＢＲ層１３２も、高屈折率層１３０ａと低屈折率層１３０ｂとが反復的に積層された構造を有する。位相マッチング層１３５が低屈折率層１３０ｂと同じ材料で形成されているので、位相マッチング層１３５の直下には、高屈折率層１３０ａが先に配置される。
【００５５】
上述したように、第１上部ＤＢＲ層１３２、位相マッチング層１３５、第２マイクロキャビティ層１３１および第２上部ＤＢＲ層１３３を備える上部ＤＢＲ層１３０は、全体的にλ／４の光学的厚さを有する高屈折率層１３０ａと低屈折率層１３０ｂとが交互になるように構成されている。ただし、マイクロキャビティ層１３１の光学的厚さのみが、λ／４ではないλ／２の整数倍となる。したがって、上部ＤＢＲ層１３０の形成において、それぞれの薄膜層の厚さを正確に形成することが重要である。このために、例えば、反射測定方式（Ｉｎ−ｓｉｔｕ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ）により、それぞれの薄膜層の測定および成長を並行させることができる。すなわち、分子ビームエピタキシ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ：ＭＢＥ）装備の内部に白色光を投射しつつ、薄膜層が成長する間に、基板に反射されて戻る光を感知して、個別の薄膜層の厚さを精巧に調節できる。
【００５６】
また、上述したように、上部ＤＢＲ層１３０は、電流が流れる通路の役割も行う。したがって、第１上部ＤＢＲ層１３２、位相マッチング層１３５、第２マイクロキャビティ層１３１および第２上部ＤＢＲ層１３３の材料は、Ｂｅをドーパントとして使用してｐ−ドーピングされる。ドーピング濃度は、約０．８〜１．２×１０１９／ｃｍ３である。
【００５７】
上部ＤＢＲ層１３０下には、光を吸収してメインキャビティの役割を行う活性層１２０が配置される。活性層１２０は、例えば、ＧａＡｓで形成された複数の量子ウェル層１２２と、複数の量子ウェル層１２２の間に配置され、Ａｌ０．３１Ｇａ０．６９Ａｓで形成される複数の障壁層１２３とを備える。また、量子ウェル層１２２と上部ＤＢＲ層１３０との間、および量子ウェル層１２２と下部ＤＢＲ層１１０との間には、クラッディング層１２１がさらに配置される。量子ウェル層１２２の材料であるＧａＡｓの屈折率は、約３．６５２であるので、光が共振する間に、上部ＤＢＲ層１３０の低屈折率層１３０ｂ（屈折率：３．０９６）と量子ウェル層１２２との間、および下部ＤＢＲ層１１０の低屈折率層１１０ｂと量子ウェル層１２２との間で、光損失が発生する。したがって、光損失を最小化するために、量子ウェル層１２２と低屈折率層１１０ｂ、１３０ｂとの中間屈折率を有するクラッディング層１２１を配置する。例えば、クラッディング層１２１は、約３．４１３の屈折率を有するＡｌ０．３１Ｇａ０．６９Ａｓで形成される。
【００５８】
メインキャビティの役割を行う活性層１２０の光学的厚さは、λ／２の整数倍である。より高い光吸収のために、活性層１２０の光学的厚さを、例えば、３λ、５λまたは７λのうちから選択してもよい。活性層１２０が厚くなれば、吸収率が上昇し、素子の静電容量が減少するが、製作工程が複雑になり、駆動電圧が高くなるトレードオフ関係がある。かかる活性層１２０の光学的厚さは、量子ウェル層１２２と障壁層１２３の層数および厚さ、クラッディング層１２１の厚さによって調節される。例えば、所望の吸収特性が表れるように、量子ウェル層１２２と障壁層１２３の層数および厚さを合わせた後、クラッディング層１２１を備える活性層１２０の全体の光学的厚さが３λ、５λまたは７λとなるように、クラッディング層１２１の厚さを選択することができる。
【００５９】
活性層１２０の下には、下部ＤＢＲ層１１０が配置されている。下部ＤＢＲ層１１０は、第１下部ＤＢＲ層１１２、第１マイクロキャビティ層１１１、位相マッチング層１１５および第２下部ＤＢＲ層１１３を備える。第２下部ＤＢＲ層１１３は、上方から順次に低屈折率層１１０ｂと高屈折率層１１０ａとが反復的に積層された構造を有する。高屈折率層１１０ａは、例えば、約３．４８３の屈折率を有するＡｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓで形成され、高屈折率層１１０ａの厚さは、約６１０Åである。低屈折率層１１０ｂは、例えば、約３．０９６の屈折率を有するＡｌ０．８７Ｇａ０．１３Ａｓで形成され、低屈折率層１３０ｂの厚さは、約６８５Åである。第２下部ＤＢＲ層１１３の下には、λ／４の光学的厚さを有する位相マッチング層１１５が配置される。位相マッチング層１１５は、下部ＤＢＲ層１１０内で、全体的に低屈折率層１１０ｂと高屈折率層１１０ａとが交互になるように追加される層である。例えば、位相マッチング層１１５は、低屈折率層１１０ｂと同じ材料で形成される。
【００６０】
位相マッチング層１１５の下には、第１マイクロキャビティ層１１１が配置される。第１マイクロキャビティ層１１１は、高屈折率層１１０ａと同じ材料であるＡｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓで形成される。第１マイクロキャビティ層１１１の厚さは、λの光学的厚さを有するように、約２４４０Åである。しかし、第１マイクロキャビティ層１１１の光学的厚さは、λに限定されるものではなく、λ／２の整数倍のうち適切に選択されてもよい。また、位相マッチング層１１５が高屈折率層１１０ａと同じ材料である場合には、第１マイクロキャビティ層１１１の材料は、低屈折率層１１０ｂと同じである。最後に、第１マイクロキャビティ層１１１の下には、第１下部ＤＢＲ層１１２が配置される。第２下部ＤＢＲ層１１３と同様に、第１下部ＤＢＲ層１１２も、低屈折率層１１０ｂと高屈折率層１１０ａとが反復的に積層された構造を有する。
【００６１】
上述したように、下部ＤＢＲ層１１０は、電流が流れる通路の役割も行う。したがって、第１下部ＤＢＲ層１１２、第１マイクロキャビティ層１１１、位相マッチング層１１５および第２下部ＤＢＲ層１１３の材料は、Ｓｉをドーパントとして使用してｎ−ドーピングされる。ドーピング濃度は、約２．０〜２．６×１０１８／ｃｍ３である。
【００６２】
また、下部ＤＢＲ層１１０の下には、約１００Å厚のｎ−ＧａＡｓで形成された第１コンタクト層１０２が配置される。第１コンタクト層１０２は、ＧａＡｓ基板１０１上に直接的に形成されてもよいが、ＡｌＡｓのようなバッファ層を先に形成した後、ＡｌＡｓバッファ層上に形成されてもよい。また、ＡｌＡｓバッファ層およびｎ−ＧａＡｓコンタクト層の代わりに、ＩｎＧａＰを第１コンタクト層１０２として使用してもよい。ＧａＡｓ基板１０１の中心には、光が損失なしに透過可能に透明ウィンドウ１０１ａが形成される。透明ウィンドウ１０１ａは、例えば、空気である。
【００６３】
上述した下部ＤＢＲ層１１０、活性層１２０および上部ＤＢＲ層１３０それぞれの薄膜層は、例えば、分子ビームエピタキシ（ＭＢＥ）技術を利用して、エピタキシ成長される。この時、上述したように、それぞれの薄膜層を正確な厚さに成長させるために、反射測定方式によりそれぞれの薄膜層の測定および成長を並行させることができる。かかる点で、下部ＤＢＲ層１１０、活性層１２０および上部ＤＢＲ層１３０を「ＰＩＮエピタキシ構造」という。
【００６４】
図９に示すように、イメージ変調器１００は、四つのＤＢＲミラー、すなわち、第１下部ＤＢＲ層１１２、第２下部ＤＢＲ層１１３、第１上部ＤＢＲ層１３２および第２上部ＤＢＲ層１３３と、三つのキャビティ、すなわち、活性層１２０、第１マイクロキャビティ１１１および第２マイクロキャビティ１３１とを含む４−ミラー３−キャビティ構造を有する。ここで、それぞれのＤＢＲミラーによる反射光の位相は、光の入射手順によって順次にπ、０、０、０である（図４Ａを参照）。すなわち、第２上部ＤＢＲ層１３３の上部面で反射される光の位相は、入射光に比べてπほど位相差を有する。残りのＤＢＲ層１１２、１１３、１３２の上部面で反射される光の位相は、入射光の位相と同じである。
【００６５】
下部ＤＢＲ層１１０と上部ＤＢＲ層１３０は、活性層１２０を中心に対称的に形成されてもよい。例えば、第２下部ＤＢＲ層１１３と第１上部ＤＢＲ層１３２の反射度は同じであり、第１下部ＤＢＲ層１１２と第２上部ＤＢＲ層１３３の反射度は同じである。それぞれのＤＢＲ層の反射度は、高屈折率層と低屈折率層の対の個数によって決定される。図９において、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、およびＲ４は、それぞれ第２上部ＤＢＲ層１３３、第１上部ＤＢＲ層１３２、第２下部ＤＢＲ層１１３および第１下部ＤＢＲ層１１２内の高屈折率層と低屈折率層の対の個数を表す。イメージ変調器１００の要求される光学的特性によって、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、およびＲ４は、適切に選択される。しかし、下部ＤＢＲ層１１０と上部ＤＢＲ層１３０とが必ずしも対称的に形成される必要はなく、第１マイクロキャビティ１１１および第２マイクロキャビティ１３１のうちいずれか一つを省略してもよい。または、下部ＤＢＲ層１１０および上部ＤＢＲ層１３０のうち少なくとも一層に、複数のマイクロキャビティが配置されてもよい。
【００６６】
また、図９において、Ｘ１およびＸ２は、量子ウェル層１２２の厚さを表し、例えば、７ｎｍ、７．５ｎｍ、８ｎｍ、および８．５ｎｍのうちから選択される。Ｘ１およびＸ２は同じであっても、異なってもよい。また、Ｙ’は、量子ウェル層１２２の個数を表し、Ｙ−λは、活性層１２０の全体の光学的厚さを表す。Ｙ−λは、例えば、３λ、５λ、および７λのうちから選択される。Ｙ’’は、クラッディング層１２１の厚さであって、Ｘ１、Ｘ２、Ｙ’、Ｙが決定されれば、それによって、Ｙ’’も決定される。
【００６７】
図１０Ａは、イメージ変調器１００の例示的な設計結果を示している。図１０Ａを参照すれば、活性層１２０は、８０Åの厚さを有する１３７層の量子ウェル層１２２、１３６層の障壁層１２３および７０Å厚のクラッディング層１２１を備える。また、第２上部ＤＢＲ層１３３は２対、第１上部ＤＢＲ層１３２は１１対、第２下部ＤＢＲ層１１３は１１対、第１下部ＤＢＲ層１１２は２対を有する。活性層１２０の全厚は、７λである。
【００６８】
図１０Ｂは、図１０Ａに示したイメージ変調器１００の光学的特性を表すグラフである。図１０Ｂにおいて、丸１が付されたグラフは、活性層１２０が存在しないと仮定する場合の波長別の透過度特性を表す。また、丸２が付されたグラフは、イメージ変調器１００に電圧が印加されていない状態での透過度特性を表し、丸３が付されたグラフは、イメージ変調器１００に逆バイアス電圧が印加された時の透過度特性を表す。そして、丸４が付されたグラフは、丸２が付されたグラフの透過度と丸３が付されたグラフの透過度との差（以下、透過度差）を表す。丸４が付されたグラフに表示された透過度差が大きく、透過度差の帯域幅（例えば、半値幅）が広いほど、イメージ変調器１００の変調性能が向上する。丸４が付されたグラフによれば、透過度差の帯域幅は、約９．４ｎｍである。
【００６９】
図１１Ａは、イメージ変調器１００の他の例示的な設計結果を示している。図１１Ａを参照すれば、上部ＤＢＲ層１３０にのみλ／２厚のマイクロキャビティ１３１が形成されており、下部ＤＢＲ層１１０には、マイクロキャビティが形成されていない。また、高屈折率層として、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓの代わりにＡｌ０．３１Ｇａ０．６９Ａｓを使用し、低屈折率層として、Ａｌ０．８７Ｇａ０．１３Ａｓの代わりにＡｌ０．８８Ｇａ０．１２Ａｓを使用する。第２上部ＤＢＲ層１３３は２対、第１上部ＤＢＲ層１３２は１１対、第２下部ＤＢＲ層１１３は１対、第１下部ＤＢＲ層１１２は１対を有する。また、活性層１２０は、８５Åの厚さを有する７４層の量子ウェル層１２２と、８０Åの厚さを有する６０層の量子ウェル層１２２とを備える。すなわち、活性層１２０は、厚さの異なる２種類の量子ウェル層を有する。クラッディング層１２１の厚さは、６１Åである。活性層１２０の全厚は、７λである。下部の第１コンタクト層１０２は、５００Å厚のｎ−ＧａＡｓで形成される。本実施形態は、以後の電極形成工程において、エッチングストップを容易にするために、第１コンタクト層１０２を厚く設計した場合である。
【００７０】
図１１Ｂは、図１１Ａに示したイメージ変調器１００の光学的特性を表すグラフである。図１１Ｂにおいて、丸１が付されたグラフは、イメージ変調器１００に電圧が印加されていない状態での透過度特性を表し、丸２が付されたグラフは、イメージ変調器１００に逆バイアス電圧が印加された時の透過度特性を表す。そして、丸３が付されたグラフは、丸１が付されたグラフの透過度と丸２が付されたグラフの透過度との透過度差を表す。丸３が付されたグラフによれば、透過度差の帯域幅は、約１０ｎｍである。
【００７１】
図１２Ａは、イメージ変調器１００のさらに他の例示的な設計結果を表している。図１２Ａを参照すれば、ＤＢＲ層１１０、１３０の構成は、図１０Ａに示したＤＢＲ層１１０、１３０の構成と類似している。ただし、第１上部ＤＢＲ層１３２と第２下部ＤＢＲ層１１３は、１２対を有する。活性層１２０の構成は、図１１Ａに示した活性層１２０と同じである。すなわち、活性層１２０は、８５Åの厚さを有する７４層の量子ウェル層１２２と、８０Åの厚さを有する６０層の量子ウェル層１２２とを備える。クラッディング層１２１の厚さは、６１Åであり、活性層１２０の全厚は７λである。
【００７２】
図１２Ｂは、図１２Ａに示したイメージ変調器１００の光学的特性を表すグラフである。図１２Ｂにおいて、丸１が付されたグラフは、活性層１２０が存在しないと仮定する場合の波長別の透過度特性を表す。また、丸２が付されたグラフは、イメージ変調器１００に電圧が印加されていない状態での透過度特性を表し、丸３が付されたグラフは、イメージ変調器１００に逆バイアス電圧が印加された時の透過度特性を表す。そして、丸４が付されたグラフは、丸２が付されたグラフの透過度と丸３が付されたグラフの透過度との透過度差を表す。丸４が付されたグラフによれば、透過度差の帯域幅は、約１０．６ｎｍであり、透過度差のグラフの頂点部分がより平滑になっている。
【００７３】
図１３Ａは、イメージ変調器１００のさらに他の例示的な設計結果を表している。図１３Ａを参照すれば、ＤＢＲ層１１０、１３０の構成は、図１２Ａに示したＤＢＲ層１１０、１３０の構成と同一である。活性層１２０は、７５Åの厚さを有する７５層の量子ウェル層１２２と、８０Åの厚さを有する６５層の量子ウェル層１２２とを備える。クラッディング層１２１の厚さは、８３Åであり、活性層１２０の全厚は７λである。
【００７４】
図１３Ｂは、図１３Ａに示したイメージ変調器１００の光学的特性を表すグラフである。図１３Ｂにおいて、丸１が付されたグラフは、活性層１２０が存在しないと仮定する場合の波長別の透過度特性を表す。また、丸２が付されたグラフは、イメージ変調器１００に電圧が印加されていない状態での透過度特性を表し、丸３が付されたグラフは、イメージ変調器１００に逆バイアス電圧が印加された時の透過度特性を表す。そして、丸４が付されたグラフは、丸２が付されたグラフの透過度と丸３が付されたグラフの透過度の透過度差を表す。丸４が付されたグラフによれば、透過度差の帯域幅は、約１１．０ｎｍであり、透過度差のグラフの頂点部分がさらに平滑になっている。
【００７５】
上述したように、ＰＩＮ構造の透過型イメージ変調器１００の下部および上部ＤＢＲ層１１０、１３０に、少なくとも一つのマイクロキャビティ１１１、１３１を形成することで、三つ以上のピークを有する共振波長モードで、広い波長領域にわたって透過度を向上させることができる。かかるマイクロキャビティ１１１、１３１は、高屈折率材料や低屈折率材料をλ／２の整数倍の光学的厚さに形成するため、マイクロキャビティ１１１、１３１の形成のための別途の複雑な工程が要求されず、製作が容易である。上述したイメージ変調器１００は、透過帯域幅が広く、平滑な特性を有するため、製作工程の誤差による共振波長の変動や、温度などの外部環境による共振波長の変動にも安定した性能を表す。
【００７６】
一方、上述したイメージ変調器１００は、透過型であるので、８５０ｎｍ波長帯域の光を吸収するＧａＡｓ基板１０１を除去して、光損失を最小化することが有利である。基板１０１を除去する方法として、ウェットエッチングを通じて基板１０１を完全に除去する方法や、ＥＬＯ（Ｅｐｉｔａｘｙ  Ｌｉｆｔ  Ｏｆｆ）のように基板１０１を取り除く方法などがある。しかし、これらの方法は、イメージ変調器１００内の他の薄膜層を損傷させるおそれがある。したがって、複雑な基板１０１の除去工程による不確実性を減らすために、基板１０１を部分的に除去することで、８５０ｎｍ波長帯域の光が通過可能にするため、透明ウィンドウ１０１ａを基板１０１の中心部に形成する。しかし、透明ウィンドウ１０１ａを形成するために、ＧａＡｓで形成された基板１０１をエッチングすると、基板１０１上の第１コンタクト層１０２であるｎ−ＧａＡｓが損傷されるおそれがある。特に、ＧａＡｓによる光損失を減らすために、第１コンタクト層１０２を約５０ｎｍに非常に薄く形成するため、第１コンタクト層１０２が損傷されるおそれが強い。エッチングによる第１コンタクト層１０２の損傷を防止するために、第１コンタクト層１０２として、ｎ−ＧａＡｓの代わりに、例えば、ｎ−ＡｌＧａＡｓを使用すると、その上に電極を形成するのが困難である。
【００７７】
図１４Ａないし図１４Ｈは、かかる点を考慮して、基板１０１に透明ウィンドウ１０１ａを形成するための方法を概略的に示す断面図である。
【００７８】
まず、図１４Ａを参照すれば、ＧａＡｓ基板１０１上にバッファ層１５０を形成する。バッファ層１５０は、例えば、ＡｌＡｓで形成される。次いで、バッファ層１５０上に、第１コンタクト層１０２、エピタキシ層２００および第２コンタクト層１４０を順次に成長させる。例えば、第１コンタクト層１０２は、ｎ−ＧａＡｓであり、第２コンタクト層１４０は、ｐ−ＧａＡｓである。ここで、エピタキシ層２００は、下部ＤＢＲ層１１０、活性層１２０および上部ＤＢＲ層１３０を備える層である。
【００７９】
次いで、図１４Ｂを参照すれば、例えば、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）法を利用して、基板１０１の厚さを薄くする。例えば、３５０μｍであった基板１０１の厚さを２００μｍに縮める。そして、第１コンタクト層１０２が部分的に露出されるように、エピタキシ層２００と第２コンタクト層１４０とをメサエッチングする。これにより、第１コンタクト層１０２上に第１電極１６１を形成し、第２コンタクト層１４０上に第２電極１６２を形成する。
【００８０】
次いで、図１４Ｃを参照すれば、以後のドライおよびウェットエッチング工程の間、第１コンタクト層１０２、エピタキシ層２００、第２コンタクト層１４０、第１電極１６１および第２電極１６２などを保護するために、保護層１５１、１５２を形成する。保護層１５１、１５２は、基板１０１の底面、第２コンタクト層１４０および第２電極１６２を完全に覆う。保護層１５１、１５２は、例えば、ＳｉＯ２で形成される。
【００８１】
次いで、図１４Ｄを参照すれば、下部保護層１５１の表面にフォトレジスト１５３を形成してパターニングする。その結果、下部保護層１５１のエッジに沿ってフォトレジスト１５３が形成されており、下部保護層１５１の中心部は、外部に露出されている。次いで、図１４Ｅを参照すれば、露出された下部保護層１５１の中心部を、エッチングを通じて除去する。これによって、基板１０１の中心部が外部に露出される。
【００８２】
これにより、例えば、ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｐｌａｓｍａ）エッチングのようなドライエッチング方式を利用して、図１４Ｆを参照すれば、外部に露出された基板１０１の中心部を除去する。ドライエッチングにおいては、バッファ層１５０が露出されるまでは基板１０１を完全に除去せず、一部残しておく。次いで、図１４Ｇを参照すれば、ウェットエッチング方式により基板１０１の残った部分を精密にエッチングする。例えば、エッチング液として水酸化溶液（ＮＨ４ＯＨ）を使用する。基板１０１が完全に除去されて、バッファ層１５０が露出されれば、ウェットエッチングを中断する。
【００８３】
最後に、図１４Ｈを参照すれば、適切なバッファ酸化物エッチング溶液（Ｂｕｆｆｅｒ  Ｏｘｉｄｅ  を利用して、下部および上部保護層１５１、１５２のＳｉＯ２を除去する。このとき、基板１０１の中心部を通じて露出されているバッファ層１５０も共に除去される。このような方法によれば、エピタキシ層２００内の多様な薄膜層を損傷させず、基板１０１に透明ウィンドウ１０１ａを形成することができる。
【００８４】
図１４Ａないし図１４Ｈに示した方法は、第１コンタクト層１０２としてＧａＡｓを使用する場合についてのものである。第１コンタクト層１０２として、他の材料を使用する場合には、他の方法により基板１０１に透明ウィンドウ１０１ａを形成することも可能である。例えば、第１コンタクト層１０２の材料として、ＩｎＧａＰを使用することができる。ＩｎＧａＰは、８５０ｎｍ波長の光を透過させ、その上に電極を形成することも容易である。また、ＩｎＧａＰは、エッチング液として使用する水酸化溶液に対して、エッチングストップ層として作用する。
【００８５】
図１５Ａないし図１５Ｃは、第１コンタクト層１０２としてＩｎＧａＰを使用する場合に、基板１０１に透明ウィンドウ１０１ａを形成するための他の方法を概略的に示す断面図である。
【００８６】
まず、図１５Ａを参照すれば、ＧａＡｓ基板１０１上に、第１コンタクト層１０２、エピタキシ層２００および第２コンタクト層１４０を順次に成長させる。例えば、第１コンタクト層１０２は、ｎ−ＩｎＧａＰであり、第２コンタクト層１４０は、ｐ−ＧａＡｓである。エピタキシ層２００は、下部ＤＢＲ層１１０、活性層１２０および上部ＤＢＲ層１３０を備える層である。ＩｎＧａＰを第１コンタクト層１０２の材料として使用する場合には、ＧａＡｓを使用する場合と異なり、光損失が少ないので、第１コンタクト層１０２の厚さを十分に厚く形成できる。したがって、基板１０１をエッチングする以後の過程の精度は比較的要求されない。
【００８７】
次いで、図１４Ｂないし図１４Ｅに示した過程と同じ工程を行う。すなわち、基板１０１を研磨した後、第１コンタクト層１０２および第２コンタクト層１４０上に、それぞれ第１電極１６１および第２電極１６２を形成する。また、基板１０１の底面と第２電極１６２とを覆うように、保護層１５１、１５２を形成する。そして、下部保護層１５１のエッジにフォトレジスト１５３を形成し、露出された下部保護層１５１の中心部を、エッチングを通じて除去する。
【００８８】
次いで、図１５Ｂを参照すれば、例えば、水酸化溶液（ＮＨ４ＯＨ）のようなエッチング液を使用して、ウェットエッチング方式により基板１０１を除去する。ＩｎＧａＰを第１コンタクト層１０２の材料として使用する場合には、ドライエッチングを通じて、基板１０１の一部のみをあらかじめ除去する必要がない。基板１０１が完全に除去されて、ＩｎＧａＰで形成された第１コンタクト層１０２が露出されれば、エッチングを中断する。
最後に、図１５Ｃを参照すれば、適切なバッファ酸化物エッチング溶液（ＢＯＥ）を利用して、下部および上部保護層１５１、１５２のＳｉＯ２を除去する。この時、基板１０１の中心部を通じて露出されているバッファ層１５０も共に除去される。このような方法によれば、バッファ層１５０なしに、エピタキシ層２００内の多様な薄膜層を損傷させず、基板１０１に透明ウィンドウ１０１ａをより容易に形成できる。
【００８９】
一方、基板１０１に透明ウィンドウ１０１ａが形成されているため、イメージ変調器１００が外部の衝撃に弱くなる。したがって、図１６に示したように、透明な補強構造物をイメージ変調器１００の上部に装着することも可能である。図１６を参照すれば、例えば、透明なエポキシ樹脂１７０をイメージ変調器１００の上部に塗布した後、その上に透明カバー１７１を接着する。透明カバー１７１としては、例えば、ガラスや透明なプラスチック材料を使用する。透明カバー１７１の光入射面には、光損失を減らすために、例えば、反射防止層をコーティングする。
【００９０】
上述したイメージ変調器１００は、例えば、三次元映像獲得装置の撮像素子前に配置されて、変調されたイメージを撮像素子に提供する。しかし、イメージ変調器１００をＣＣＤやＣＭＯＳのような面積で製作する場合、イメージ変調器１００の静電容量が増加する。静電容量の増加は、結果的にＲＣ時定数の増加をもたらすため、２０〜４０ＭＨｚの超高速動作を制約する原因となる。したがって、静電容量と面抵抗とを減らすために、複数の小面積のイメージ変調器１００をアレイ形態で配列して使用する。
【００９１】
図１７は、上述した構造を有する複数のイメージ変調器１００のアレイを含むイメージ変調器アレイ装置２００を概略的に示している。図１７を参照すれば、イメージ変調器アレイ装置２００は、印刷回路基板２０１と、印刷回路基板２０１上に配列された複数の駆動回路２１０と、印刷回路基板２０１上に実装されたイメージ変調器アレイ２２０とを備える。図１７に示したように、イメージ変調器アレイ２２０は、絶縁層２２１内に配列された複数のイメージ変調器１００のアレイを含む。駆動回路２１０の個数と、イメージ変調器１００の個数とは同じであり、一つの駆動回路２１０が一つのイメージ変調器１００をそれぞれ独立して制御する。イメージ変調器１００の上部面には、第２電極１６２が配置されており、第２電極１６２は、絶縁層２２１上に形成された第２電極パッド２２３と電気的に連結されている。また、第２電極パッド２２３は、対応する駆動回路２１０と電気的に連結される。第２電極１６２は、例えば、フィッシュボーン（ｆｉｓｈ  ｂｏｎｅ）形態、マトリックスまたはメッシュ形態の格子に形成される。また、イメージ変調器１００の周縁に沿って、第１電極１６１が配置されており、第１電極１６１は、絶縁層２２１上に形成された第１電極パッド２２２と電気的に連結されている。第１電極パッド２２２は、共通電源に連結される。
【００９２】
以上、多重ファブリぺロー共振モードと多重吸収モードとを利用した透過型イメージ変調器についての例示的な実施形態を説明し、図面に示した。しかし、かかる実施形態は、本発明を例示するためのものであり、本発明は実施形態に限定されるものではない。また各実施形態において示された特徴および態様は、当業者により多様に変形され得る。
【産業上の利用可能性】
【００９３】
本発明は、３Ｄカメラのような三次元映像獲得装置、その他にも、光通信分野、光連結分野、光信号処理分野に適用可能である。
【符号の説明】
【００９４】
１００    イメージ変調器、
１０１    基板、
１０１ａ    透明ウィンドウ、
１０２    第１コンタクト層、
１１０    下部ＤＢＲ層、
１１１    第１マイクロキャビティ層、
１１２    第１下部ＤＢＲ層、
１１３    第２マイクロキャビティ層、
１２０    活性層、
１３０    上部ＤＢＲ層、
１３１    第２マイクロキャビティ層、
１３２    第１上部ＤＢＲ層、
１３３    第２上部ＤＢＲ層、
１４０    第２コンタクト層。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１Ａ】
2013122597.tif 000019
【図１１Ｂ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１４Ｃ】
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【図１４Ｄ】
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【図１４Ｅ】
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【図１４Ｆ】
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【図１４Ｇ】
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【図１４Ｈ】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１５Ｃ】
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【図１６】
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【図１７】
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