(57)【要約】【課題】小型の光変調器および画像表示装置を提供する。【解決手段】本発明の光変調器１００は、電気光学効果を有する材料で構成されている光導波路１４と、光導波路１４上に形成されたバッファー層１１（１１ａ，１１ｂ）と、バッファー層１１上に形成された一対の電極１２と、を備え、光導波路１４に対向する電極１２側のバッファー層１１ａの一対の電極１２が対向する方向の幅は、光導波路１４側のバッファー層１１ｂの一対の電極１２が対向する方向の幅よりも小さい。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気光学効果を有する材料で構成されている光導波路と、
前記光導波路上に形成されたバッファー層と、
前記バッファー層上に形成された一対の電極と、を備え、
前記光導波路に対向する電極側の前記バッファー層の前記一対の電極が対向する方向の幅は、前記光導波路側の前記バッファー層の前記一対の電極が対向する方向の幅よりも小さいことを特徴とする光変調器。
【請求項２】
前記光導波路に対向する電極側の前記バッファー層の前記一対の電極が対向する方向の幅は、前記電極の前記一対の電極が対向する方向の幅と等しいことを特徴とする請求項１に記載の光変調器。
【請求項３】
前記バッファー層の前記一対の電極に間に溝が設けられていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光変調器。
【請求項４】
前記バッファー層の電極が対向する面と反対側に切欠き部を有することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の光変調器。
【請求項５】
前記バッファー層は、メサ形状であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の光変調器。
【請求項６】
前記光導波路は、基板に形成され、
前記溝は、前記基板に形成されることを特徴とする請求項３乃至請求項５のいずれか１項に記載の光変調器。
【請求項７】
前記電気光学効果を有する材料は、ニオブ酸リチウムであることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の光変調器。
【請求項８】
光を出射する光源部と、
請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の光変調器と、
前記光変調器によって変調された光を空間的に走査する光スキャナーと、
を備えることを特徴とする画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光変調器および画像表示装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、電気光学結晶などを用いたいわゆる外部型光変調器は、従来の半導体レーザーの直接変調と比較して、はるかに高速、広帯域の光変調が可能あることが知られている。
【０００３】
特許文献１には、電光光学効果を有する薄膜中に光導波路、薄膜上に緩衝層、電極を形成した光変調器において薄膜に溝が形成された構造が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平５−１９２２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１の光変調器では、光を射出する光源部で２本１対の光導波路間に生じる位相シフト量が、電気光学結晶基板内の屈折率の変化量と電極長に比例する。そのため、外部型光変調器を小型化しようとした際に、電極長を短くすると光導波路において所望の位相シフト量を確保できず、出射光強度に所望の変化が起こらなくなり、合成した光の明暗の差が小さくなり所望の光変調特性が得られないため、小型化が難しいという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００７】
［適用例１］本適用例に係る光変調器は、電気光学効果を有する材料で構成されている光導波路と、前記光導波路上に形成されたバッファー層と、前記バッファー層上に形成された一対の電極と、を備え、前記光導波路に対向する電極側の前記バッファー層の前記一対の電極が対向する方向の幅は、前記光導波路側の前記バッファー層の前記一対の電極が対向する方向の幅よりも小さいことを特徴とする。
【０００８】
本適用例によれば、光導波路に対向する電極側のバッファー層の幅は、光導波路側のバッファー層の幅よりも小さいため、電極の外側から回り込んで対向する電極へ向かう電界を減らすことができるようになり、これによって、光導波路の垂直方向の電界強度を大きく出来、屈折率の変化量を大きくできるので、電極長を短くしても所望の位相シフト量を確保できるため、光変調器を小型化することができる。従って、小型な光変調器を提供することができる。
【０００９】
［適用例２］上記適用例に記載の光変調器において、前記光導波路に対向する電極側の前記バッファー層の前記一対の電極が対向する方向の幅は、前記電極の前記一対の電極が対向する方向の幅と等しいことが好ましい。
【００１０】
本適用例によれば、光導波路に対向する電極側のバッファー層の電極が対向する方向の幅は、電極の電極が対向する方向の幅と等しいため、電極直下の電界は基板の垂直方向に集中し、これによって、光導波路の垂直方向の電界強度を大きく出来、屈折率の変化量を大きくできるので、電極長を短くしても所望の位相シフト量を確保できるため、光変調器を小型化することができる。従って、光変調器のより小型化という効果を得ることができる。
【００１１】
［適用例３］上記適用例に記載の光変調器において、前記バッファー層の前記一対の電極の間に溝が設けられていることが好ましい。
【００１２】
本適用例によれば、バッファー層内の一対の電極の間に設けられた溝を備えているため、片方の電極から光導波路に向かわず、バッファー層を経由してもう片方の電極へ向かう電界を減らすことができるようになり、これによって、光導波路の垂直方向の電界強度を大きくすることができ、屈折率の変化量を大きくできるので、電極長を短くしても所望の位相シフト量を確保でき、光変調器を小型化することができる。従って、小型な光変調器を提供することができる。
【００１３】
［適用例４］上記適用例に記載の光変調器において、前記バッファー層の電極が対向する面と反対側に切欠き部を有することが好ましい。
【００１４】
本適用例によれば、バッファー層の電極が対向する面と反対側に切欠き部を有するため、電極の外側から回り込んで対向する電極へ向かう電界を低減し、これによって、基板の垂直方向の電界強度を大きく出来、屈折率の変化量を大きくできるので、電極長を短くしても所望の位相シフト量を確保できるため、光変調器を小型化することができる。従って、光変調器のより小型化という効果を得ることができる。
【００１５】
［適用例５］上記適用例に記載の光変調器において、前記バッファー層は、メサ形状であることが好ましい。
【００１６】
本適用例によれば、バッファー層の電極が対向する面と反対側がメサ形状であるため、電極の外側から回り込んで対向する電極へ向かう電界をより低減し、これによって、基板の垂直方向の電界強度を大きく出来、屈折率の変化量を大きくできるので、電極長を短くしても所望の位相シフト量を確保できるため、光変調器を小型化することができる。従って、光変調器のより小型化という効果を得ることができる。
【００１７】
［適用例６］上記適用例に記載の光変調器において、前記光導波路は、基板に形成され、前記溝は、前記基板に形成されていることが好ましい。
【００１８】
本適用例によれば、基板の電極間に溝があるために、基板内の電極間の水平方向に生じる電界が低減し、これによって、基板の垂直方向の電界強度を大きく出来、屈折率の変化量を大きくできるので、電極長を短くしても所望の位相シフト量を確保できるため、光変調器を小型化することができる。従って、光変調器のより小型化という効果を得ることができる。
【００１９】
［適用例７］上記適用例に記載の光変調器において、前記電気光学効果を有する材料は、ニオブ酸リチウムであることが好ましい。
【００２０】
本適用例によれば、電気光学効果を有する材料はニオブ酸リチウムであるため、垂直方向の光電係数が大きい、これによって、光導波路の電界強度を大きく出来、屈折率を大きくできるので、電極長を短くしても所望の位相シフト量を確保できるため、光変調器を小型化することができる。従って、光変調器のより小型化という効果を得ることができる。
【００２１】
［適用例８］本適用例に係る画像表示装置は、光を射出する光源部と、上記適用例に記載の光変調器と、前記光変調器によって変調された光を空間的に走査する光スキャナーと、を備えることを特徴とする。
【００２２】
本適用例によれば、光スキャナーを用いて、変調された光を空間的に走査することで、画像や映像を投影することが出来る。また、光変調器を用いることで、画像表示装置の小型化と、省電力化という効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】実施形態１に係る光変調器の斜視図。
【図２】素子基板の斜視図。
【図３】図１のＡ−Ａ線の断面図。
【図４】実施形態２に係る光変調器の要部の断面図。
【図５】変形例１に係る光変調器の要部の断面図。
【図６】変形例２に係る光変調器の要部の断面図。
【図７】変形例３に係る光変調器の要部の断面図。
【図８】実施形態３に係る画像表示装置の概略構成を示す図。
【図９】図８に示す画像表示装置の部分拡大図。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、以下の各図においては、各層や各部材を認識可能な程度の大きさにするため、各層や各部材の尺度を実際とは異ならせしめている。
【００２５】
＜光変調器＞
（実施形態１）
まず、実施形態１に係る光変調器１００の概略構成について、図１〜図３を参照して説明する。
図１は、実施形態１に光変調器１００の斜視図である。図２は、素子基板１０の斜視図である。図３は、図１のＡ−Ａ線の断面図である。
【００２６】
本実施形態の光変調器１００は、図１〜図３に示すように、基板としての素子基板１０と、バッファー層１１と、電極１２と、溝１３と、分岐部１５、直線部１６、および合波部１７を有する光導波路１４と、を含み構成されている。
【００２７】
素子基板１０は、電気光学結晶基板である。電気光学結晶にはニオブ酸リチウム、テルル化亜鉛、タンタル酸リチウム、ＫＤＰ結晶、ＢＢＯ結晶等が挙げられる。このうち、特にニオブ酸リチウムが好ましく用いられる。ニオブ酸リチウムは、電気光学係数が比較的大きいので、透過する光の波長を選択する際、駆動電圧を低く、作用距離を短くすることができ、また、光の強度を変調する際も、駆動電圧を低く、作用距離を短くすることができる。このため、光変調器１００の消費電力を削減することができる。
【００２８】
バッファー層１１は、電極１２と接する側のバッファー層１１ａと素子基板１０と接する側のバッファー層１１ｂとの２つの領域で構成され、電極１２による光波の伝搬損失を防ぐための層である。バッファー層１１には、素子基板１０の屈折率よりも、屈折率が小さい材料を選定する。この場合、二酸化シリコンなどを用いる。厚みは１０μｍ以上１ｍｍ以下が望ましい。バッファー層１１は、例えば、スパッタリング法等で、素子基板１０上に形成される。
【００２９】
電極１２と接する側のバッファー層１１ａの幅（一対の電極１２が対向する方向の幅）が、素子基板１０と接する側のバッファー層１１ｂの幅（素子基板１０の長手方向と交差する方向の長さ）よりも小さくなるように、例えばフォトリソグラフィや、アルゴンイオンエッチング等通常の手段で、段差形状に形成される。バッファー層１１ａの幅は、１０ｎｍ以上１００μｍ以下が望ましい。バッファー層１１ａの厚みは、１０μｍ以上１ｍｍ以下が望ましい。
【００３０】
電極１２は、アルミニウム、銅、金、クロム、鉄、プラチナ等の金属もしくは合金を用いる。厚みは、１０ｎｍ以上１０μｍ以下が望ましい。一対の電極１２は、例えば、真空蒸着、フォトリソグラフィ、ドライエッチングなどの通常の手段を用いて、バッファー層１１ａ上に堆積およびパターン化をする。一対の電極１２の間の間隔は、１０ｎｍ以上１００μｍ以下が望ましい。また、電極１２の幅は１０ｎｍ以上１００μｍ以下が望ましい。
【００３１】
溝１３は、例えばフォトリソグラフィや、アルゴンイオンエッチング等通常の手段で、バッファー層１１内の、一対の電極１２の間に形成される。溝１３の幅は、１０ｎｍ以上１００μｍ以下が望ましい。溝１３の深さは、１０ｎｍ以上１ｍｍ以下が望ましい。
【００３２】
光導波路１４は、素子基板１０中に形成された導光路である。素子基板１０中に光導波路１４を形成する方法としては、例えば、プロトン交換法、Ｔｉ拡散法等が挙げられる。光導波路１４は、マッハチェンダー形干渉計を構成しており、一方の端から入射光１８を光導波路１４に入射させると、分岐部１５に導かれて、直線部１６で、両光導波路中の光波の間に位相差が生じると、合波部１７で干渉し、出射光１９には直線部１６で生じる位相差に応じた光強度の変化が生まれる。光導波路１４の幅は、１０ｎｍ以上１００μｍ以下が望ましい。直線部１６の間隔は、１０ｎｍ以上１００μｍ以下が望ましい。
また、光導波路１４は電気光学効果を有する薄膜等に形成されてもよい。
【００３３】
次に、光変調器１００による光変調の原理について、説明する。
光変調器１００を用いて変調を行う場合には、電極１２の分岐部１５側又は合波部１７側のいずれか一方の端に変調信号の給電ための信号源を接続し、信号源を接続された端と逆側の他方の端には、変調波の反射を抑えるための終端抵抗を接続して、一対の電極１２間に電圧を印加する。信号電圧が電極１２に与えられると、電極１２の直下の光導波路１４の直線部１６に、互いに上下逆向きの電界が印加される。
【００３４】
その際、光導波路１４の直線部１６内の屈折率が電気光学効果により電界強度に比例して逆に変化する。Ｚカットの電気光学結晶基板を用いる場合は、基板に対して垂直方向の電界成分の強度が屈折率の変化量を決定する。直線部１６に、互いに上下逆向きの電界が印加されるので、一対の直線部１６では、互いに正負反転した屈折率の変化が生じ、すなわち屈折率差となる。
【００３５】
上記原理により生じる一対の直線部１６内の屈折率差と、直線部１６の長さに比例して、合波部１７での光波の位相差が生じる。合波部１７において、一対の直線部１６を通過して、位相差の生じた光波が足し合されるために、出射光１９の強度は変化する。
【００３６】
よって、光変調器１００を小型化した場合は、直線部１６の長さが短くなるので、合波部１７において所望の位相差が生じないために、出射光１９において所望の強度変化が得られなくなり、明暗の差が小さくなることが課題となる。
【００３７】
従って、本実施形態に係る光変調器１００によれば、以下の効果を得ることができる。
本実施形態の光変調器１００では、電極１２と接する側のバッファー層１１ａの幅が狭くなっているため、バッファー層１１内に生じる電界の各ベクトル成分の内の、電極１２の外側から回り込んで対向する電極１２へ向かう電界を減らすことができるようになる。すなわち、素子基板１０に対して水平方向成分が抑制されて、垂直方向の電界成分が強くなる。垂直方向に絞られた電界が素子基板１０に到達するために、屈折率の変化量が多くなり、直線部１６の長さを短くしても、合波部１７において、光波に所望の位相シフト量を確保できるため、光変調器１００を小型化することができる。従って、光変調器１００のより小型化という効果を得ることができる。
【００３８】
また、バッファー層１１の一対の電極１２の間に溝１３が設けられているため、片方の電極１２から光導波路１４に向かわず、バッファー層１１を経由してもう片方の電極１２へ向かう電界を減らすことができるようになり、これによって、光導波路１４の垂直方向の電界強度を大きくすることができ、屈折率の変化量を大きくできるので、電極長を短くしても所望の位相シフト量を確保でき、光変調器１００を小型化することができる。従って、小型な光変調器１００を提供することができる。
【００３９】
（実施形態２）
次に、実施形態２に係る光変調器２００の構成について、図４を参照して説明する。
図４は、実施形態２に係る光変調器２００の要部の断面図である。
本実施形態の光変調器２００は、電極１２と接する側のバッファー層２１ａの幅が、電極１２の幅と等しい構造である。
【００４０】
従って、本実施形態に係る光変調器２００によれば、実施形態１での効果に加えて、以下の効果を得ることができる。
バッファー層２１ａの幅が、電極１２の幅と等しい構造であるために、バッファー層２１ａ内の外側方向への向かう電界成分が実施形態１の光変調器１００よりも、抑制される。すなわち、垂直方向に絞られた電界が素子基板１０に到達するために、実施形態１の光変調器１００よりも屈折率の変化量が多くなり、直線部１６の長さを短くしても、合波部１７において、光波に所望の位相シフト量を確保できるため、光変調器１００をより小型化することができる。
【００４１】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、上述した実施形態に種々の変更や改良などを加えることが可能である。変形例を以下に述べる。
【００４２】
（変形例１）
次に、変形例１に係る光変調器３００の構成について、図５を参照して説明する。
図５は、変形例１に係る光変調器３００の要部の断面図である。
本変形例の光変調器３００は、バッファー層２１ｂの一対の電極１２が対向する面と反対側に切欠き部３１を有する。切欠き部３１は素子基板１０まで到達しても、しなくても良い。切欠き部３１は、例えばフォトリソグラフィや、アルゴンイオンエッチング等通常の手段で、段差形状に形成される。
【００４３】
以上述べたように、本変形例に係る光変調器３００によれば、実施形態２での効果に加えて、以下の効果を得ることができる。
バッファー層２１ｂに切欠き部３１を有する構造のために、バッファー層２１ｂ内の外側方向への向かう電界成分が実施形態２の光変調器２００よりも、抑制される。すなわち、垂直方向に絞られた電界が素子基板１０に到達するために、実施形態２の光変調器２００よりも屈折率の変化量が多くなり、直線部１６の長さを短くしても、合波部１７において、光波に所望の位相シフト量を確保できるため、光変調器１００をより小型化することができる。
【００４４】
（変形例２）
次に、変形例２に係る光変調器４００の構成について、図６を参照して説明する。
図６は、変形例２に係る光変調器４００の要部の断面図である。
本変形例の光変調器４００は、バッファー層４０がメサ形状である。メサ形状のバッファー層４０は、例えばフォトリソグラフィや、アルゴンイオンエッチング等通常の手段で形成される。
【００４５】
以上述べたように、本変形例に係る光変調器４００によれば、変形例１での効果に加えて、以下の効果を得ることができる。
バッファー層４０はメサ形状であるため、バッファー層４０内の外側方向への向かう電界成分がほぼ無くなる。すなわち、垂直方向に絞られた電界が素子基板１０に到達するために、変形例１の光変調器３００よりも屈折率の変化量が多くなり、直線部１６の長さを短くしても、合波部１７において、光波に所望の位相シフト量を確保できるため、光変調器１００をより小型化することができる。
【００４６】
（変形例３）
次に、変形例３に係る光変調器５００の構成について、図７を参照して説明する。
図７は、変形例３に係る光変調器５００の要部の断面図である。
本変形例の光変調器５００は、溝５０がバッファー層４０だけでなく、素子基板１０にも形成されている。溝５０は、例えばフォトリソグラフィや、アルゴンイオンエッチング等通常の手段で形成される。素子基板１０における溝の深さは、１０ｎｍ以上から１００μｍ以下が望ましい。
【００４７】
以上述べたように、本変形例に係る光変調器５００によれば、変形例２での効果に加えて、以下の効果を得ることができる。
素子基板１０が溝５０を有するために、電極１２間の素子基板１０内に生じる水平方向の電界成分が消失して、直線部１６内の電界成分は垂直成分のみになり、変形例２の光変調器４００よりも屈折率の変化量が多くなり、直線部１６の長さを短くしても、合波部１７において、光波に所望の位相シフト量を確保できるため、光変調器１００をより小型化することができる。
【００４８】
＜画像表示装置＞
（実施形態３）
次に、本発明の実施形態３に係る画像表示装置６１について、ヘッドマウントディスプレイを一例として挙げ、図８および図９を参照して説明する。
図８は、本発明の実施形態３に係る画像表示装置６１（ヘッドマウントディスプレイ）の概略構成を示す図である。図９は、図８に示す画像表示装置６１の部分拡大図である。なお、図８および図９では、説明の便宜上、互いに直交する３つの軸として、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸を図示している。
【００４９】
ここで、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸は、後述する画像表示装置６１を使用者の頭部Ｈに装着した際に、Ｙ軸方向が頭部Ｈの上下方向、Ｚ軸方向が頭部Ｈの左右方向、Ｘ軸方向が頭部Ｈの前後方向となるように設定されている。
【００５０】
図８に示すように、本実施形態の画像表示装置６１は、眼鏡のような外観を有するヘッドマウントディスプレイ（頭部装着型画像表示装置）であって、使用者の頭部Ｈに装着して使用され、使用者に虚像による画像を外界像と重畳した状態で視認させる。
【００５１】
この画像表示装置６１は、図８に示すように、フレーム６２と、信号生成部６３と、走査光出射部６４と、反射部６６と、を備える。なお、信号生成部６３には光源部（図示せず）と光変調器１００とが内蔵されており、光源部から出射された信号光を画像情報に応じて光変調器１００で変調している。また、走査光出射部６４には２軸廻りに揺動可能な光スキャナー６７が内蔵されおり、走査光を２次元的に走査して出射している。画像表示装置６１は、図９に示すように、第１光ファイバー７１と、第２光ファイバー７２と、接続部６５と、を備える。
【００５２】
この画像表示装置６１では、光源部から出射された信号光を画像情報に応じて光変調器１００により変調することで、変調された信号光を生成し、その信号光が第１光ファイバー７１、接続部６５および第２光ファイバー７２を介して走査光出射部６４へ導かれ、走査光出射部６４が信号光（映像光）を２次元的に走査して走査光を出射し、反射部６６がその走査光を使用者の眼ＥＹに向けて反射する。これにより、画像情報に応じた虚像を使用者に視認させることができる。
【符号の説明】
【００５３】
１０…素子基板、１１，１１ａ，１１ｂ…バッファー層、１２…電極、１３…溝、１４…光導波路、１５…分岐部、１６…直線部、１７…合波部、１８…入射光、１９…出射光、２１ａ，２１ｂ…バッファー層、３１…切欠き部、４０…バッファー層、５０…溝、６１…画像表示装置、６２…フレーム、６３…信号生成部、６４…走査光出射部、６５…接続部、６６…反射部、６７…光スキャナー、７１…第１光ファイバー、７２…第２光ファイバー、１００，２００，３００，４００，５００…光変調器。
【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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