(57)【要約】【課題】大きな屈折率の変化を得ようとする場合には、大きな電界を加える必要がある。しかしながら、材料への電界印加は、電界を強くするごとにリーク電流が増加し、その後絶縁破壊してしまう。つまり、絶縁破壊耐圧によって電気光学効果は制限されてしまうため、屈折率変化の大きさが限られていた。本発明は、かかる点に鑑みなされ、その主な目的は、低電界で大きな効果を得ることができる光変調装置を提供することにある。【解決手段】本発明による光変調装置は、内部に生じる電界の大きさに応じて屈折率分布が変化することによって入射された光を走査する電気光学素子と、イオン伝導体層が接しており、前記イオン伝導層に電圧を印加する制御部を備えており、前記イオンを操作することによって、前記電気光学素子内に電界を生じさせることを特徴とする。【選択図】図１Ａ
2017044856.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に生じる電界の大きさに応じて屈折率分布が変化することによって入射された光を走査する電気光学素子と、
イオン伝導体層が接しており、
前記イオン伝導層に電圧を印加する制御部を備えており、
前記イオンを操作することによって、前記電気光学素子内に電界を生じさせることを特徴とする光変調装置。
【請求項２】
請求項１に記載の光変調装置で、
前記イオン伝導層は固体電解質で構成されることを特徴とする。
【請求項３】
請求項１に記載の光変調装置で、
前記イオン伝導層はイオン液体で構成されることを特徴とする。
【請求項４】
請求項１から３に記載の光変調装置で、
前記イオン伝導層に電圧を印加する電極が複数あることと特徴とする。
【請求項５】
請求項１から４に記載の光変調装置で、
前記イオン伝導層に印加する電圧によって、屈折率の変化の割合を制御することで、
光の透過、屈折、反射を制御することを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イオン伝導体と電気光学素子からなる、光変調装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光を操作することのできる技術は種々あり、最も用いられているのは大小のミラーを機械的に駆動させる技術である。機械的に動作させる場合、その動作速度に限界があり、これを解決する技術として、物質に電界を印加することで光を操作するデバイスが考案されている。このデバイスは電気光学効果と呼ばれる、電界を物質に加えることで物質中の屈折率が変化する現象を用いている。
電界により屈折率が変化した物質中を光が透過することで光を操作する。このように電気光学材料を用いた場合には、機械的に動作する部分がなく、高速に動作するという利点を持つ。この効果を用いた素子としては例えば特許文献１に挙げるようなものがある。さらに、電気光学効果の大きい材料として特許文献２には、タンタル酸ニオブ酸カリウムが開示されている。
【０００３】
電気光学効果は一般に材料の屈折率が同じ場合、材料固有の電気光学定数と印加する電界の積によってその屈折率変化が決定される。つまり、印可電界に応じて、光の操作が可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平０９−００５７９７号公報
【特許文献２】特開２０１５−３１９２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前述のように、大きな屈折率の変化を得ようとする場合には、大きな電界を加える必要がある。しかしながら、材料への電界印加は、電界を強くするごとにリーク電流が増加し、その後絶縁破壊してしまう。つまり、絶縁破壊耐圧によって電気光学効果は制限されてしまうため、屈折率変化の大きさが限られていた。
【０００６】
本発明は、かかる点に鑑みなされ、その主な目的は、低電界で大きな効果を得ることができる光変調装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明による光変調装置は、
内部に生じる電界の大きさに応じて屈折率分布が変化することによって入射された光を走査する電気光学素子と、
イオン伝導体層が接しており、
前記イオン伝導層に電圧を印加する制御部を備えており、
前記イオンを操作することによって、前記電気光学素子内に電界を生じさせることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明は、低電界で大きく光を変調することができる光変調装置を提供する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１Ａ】図１Ａは、第１実施形態による光変調装置１の断面図を示す。
【図１Ｂ】図１Ｂは、第１実施形態による光変調装置１の上面図を示す。
【図２Ａ】図２Ａは、第１実施形態による光変調装置２の断面図を示す。
【図２Ｂ】図２Ｂは、第１実施形態による光変調装置２の上面図を示す。
【図３Ａ】図３Ａは、第１実施形態による光変調装置３の断面図を示す。
【図３Ｂ】図３Ｂは、第１実施形態による光変調装置３の上面図を示す。
【図４Ａ】図４Ａは、第１実施形態による光変調装置４の断面図を示す。
【図４Ｂ】図４Ｂは、第１実施形態による光変調装置４の上面図を示す。
【図５Ａ】図５Ａは、第１実施形態による光変調装置５の断面図を示す。
【図５Ｂ】図５Ｂは、第１実施形態による光変調装置５の上面図を示す。
【図６Ａ】図６Ａは、第２実施形態による光変調装置６の断面図を示す。
【図６Ｂ】図６Ｂは、第２実施形態による光変調装置６の上面図を示す。
【図７Ａ】図７Ａは、第２実施形態による光変調装置７の断面図を示す。
【図７Ｂ】図７Ｂは、第２実施形態による光変調装置７の上面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態が、図面を参照しながら説明される。
【００１１】
（第１実施形態）
図１Ａは、第１実施形態による光変調装置１の断面図を示す。図１Ｂは、光変調装置１の上面図を示す。
【００１２】
図１Ａおよび図１Ｂに示されるように、光変調装置１は、基板１１、基板１１上に形成されたゲート電極１２、ゲート電極１２上に形成された電解質層１３、電解質層１３上に形成された電気光学材料層１４、電気光学材料層１４上に形成された第一の電極１５Ａ、および電気光学材料層１４上に形成された第二の電極１５Ｂを備えている。ゲート電極１２は、電解質層１３に形成されたコンタクトホールに充填されたコンタクトプラグ１７を介して電極層１８と電気的に接続されている。第一の電極１５Ａおよび第二の電極１５Ｂは、所定の間隔をおいて電解質層１７上に配置されている。
【００１３】
次に、このような構造を有する光変調装置１に入射した光が変調される仕組みが説明される。以下、「上方向」とは、ゲート電極１２から電気光学材料層１４に向かう方向を意味する。「下方向」とは電気光学材料層１４からゲート電極１２へ向かう方向を意味する。
【００１４】
第一の電極１５Ａ、および第二の電極１５Ｂに対して負の電圧がゲート電極１２に印加された場合、電解質層１３中に含まれるイオンのうち、正イオンはゲート電極１２側に、負イオンは電気光学材料層１４側に、電解質１３中を移動する。
【００１５】
一方、第一の電極１５Ａ、および第二の電極１５Ｂに対して正の電圧がゲート電極１２に印加された場合、電解質層１３中に含まれるイオンのうち、正イオンは電気光学材料層１４側に、負イオンはゲート電極１２側に、電解質１３中を移動する。
【００１６】
さらにこのイオンの動きは第一の電極１５Ａ、第二の電極１５Ｂそれぞれで制御できる。例えば、それぞれの電極の電位の関係が、第一の電極１５Ａ＜ゲート電極１２＜第二の電極１５Ｂであった場合には、第一の電極１５Ａ付近には正のイオンが、第二の電極１５Ｂ付近には負のイオンが移動してくる。反対に第一の電極１５Ａ＞ゲート電極１２＞第二の電極１５Ｂであった場合には、第一の電極１５Ａ付近には負のイオンが、第二の電極１５Ｂ付近には正のイオンが移動してくる。
【００１７】
ただし、電解質の種類によっては移動できないイオンが含まれている場合もあるため、ここで言う移動するイオンとは、電解質を構成するイオンのうち、移動できるイオンを指している。また、移動後のイオンの位置は、電解質の種類、イオンの種類、電圧に応じて変化する。例えば、大きな電圧を印加した場合は多くのイオンが移動し、大きさが小さいイオンの場合はより界面近くまで移動する。
【００１８】
電圧印加後のイオンの移動によって電気光学材料層１４内のうち、電解質層１３との界面付近に、移動したイオンによって電界が印加される。この電界は、通常の電解質の絶縁耐圧より高い電界であり、印可されている電圧は絶縁耐圧より十分低い値であることが発明者の検討によりわかった。言い換えると、電気光学材料に対して、該電気光学材料の絶縁耐圧より大きな電界が印加されるので、大きな屈折率変化を得ることができる。また、形成される電界は、イオンの動きに応じて変化するので、印可する電圧に応じて変化させることが可能であるので、ゲート電極１２に印加する電圧の大きさを変化させることで、屈折率変化の割合を変化させることができる。
【００１９】
また、イオンによる電荷によって生じる電気光学材料中の電界は、電解質層から遠ざかるにつれ徐々に弱くなる。つまり、屈折率の変化の割合は電圧印可前に比べると、電解質との界面が最も大きく、遠ざかるに従い弱くなる。
【００２０】
このように屈折率の変化した電気光学材料に光を入射させると、屈折率の変化に応じて、光の変調が可能となる。
【００２１】
変調の例としては、透過する光を変化させることが可能である。全反射は高屈折材料から、低屈折率材料へ光が入射する際に起こる現象であるが、本素子を用いると、電圧印可前には透過していた光を、電気光学材料の屈折率を低下させることで反射させることが可能となる。
【００２２】
また、図２に示すように第一の電極１５Ａと第二の電極１５Ｂは電解質上に作製してもよい。また、図３にしめすように第一の電極をドーナツ状に配置してもよい。また、図４や図５に示すように、複数の電極を電気光学材料上に作製してもよい。また、図３から図５の電気光学材料の上部に作製した電極は電解質上に形成してもよい。
【００２３】
本素子は、この構造に限定されず、レンズや導波路などと組み合わせて使用することが可能である。
【００２４】
（第２実施形態）
図６Ａは、第２実施形態による光変調装置１の断面図を示す。図６Ｂは、光変調装置６の上面図を示す。
【００２５】
図６Ａおよび図６Ｂに示されるように、光変調装置１は、基板１１、基板１１上に形成された電気光学材料１４、電気光学材料１４上に形成された電解質層１３、第一の電極１５Ａ、および第二の電極１５Ｂ、電解質層１３上に形成されたゲート電極１２を備えている。第一の電極１５Ａ、および第二の電極１５Ｂは、電解質層１３に形成されたコンタクトホールに充填されたコンタクトプラグ１７を介して電極層１８と電気的に接続されている。第一の電極１５Ａおよび第二の電極１５Ｂは、所定の間隔をおいて電気光学材料１４上に配置されている。第一の電極１５Ａおよび第二電極１５Ｂとゲート電極１２は上面図で見た時に重なっている部分を有する。電解質層１３の膜厚に比べ、上面図で見た時に、ゲート電極１２と電極層１８の距離が十分に大きい。
【００２６】
イオンの動きは第１実施形態と同様であり、効果も同一である。
【００２７】
なお、本実施形態においては基板１１条に電気光学材料１４を配置しているが、基板１１と電気光学材料１４を一つとし、電気光学材料の基板を用いてもよい。
【００２８】
なお、第２実施形態においても第１実施形態と同様に電気光学材料１４上に形成された電極は、複数あってもよいし、ドーナツ状に配置されていてもよい。
【００２９】
（第３実施形態）
図７Ａは、第３実施形態による光変調装置７の断面図を示す。図７Ｂは、光変調装置１の上面図を示す。
【００３０】
図７Ａおよび図７Ｂに示されるように、光変調装置１は、基板１１、基板１１上に形成された電気光学材料１４、電気光学材料１４上に形成された第一の電極１５Ａ、第二の電極１５Ｂ、ゲート電極１２、および絶縁体層１６を備えている。絶縁体層１６は電気光学材料１４、第一の電極１５Ａ、第二の電極１５Ｂ、ゲート電極が露出する領域１６’および１６’’を備えている。電気光学材料１４が露出する領域１６’のうち一部は第一の電極１５Ａと第二の電極１５Ｂの一部も露出するようにしている。さらに露出領域１６’を覆い、かつ１６’’領域を覆わないように液体の電解質を配置する。なお液体の電解質をこの部分にとどまらせるように、別途形成物を作製してもよい。第一の電極１５Ａおよび第二の電極１５Ｂは、所定の間隔をおいて電気光学材料１４上に配置されている。
【００３１】
イオンの動きは第１実施形態と同様であり、効果も同一である。
【００３２】
なお、本実施形態においては基板１１条に電気光学材料１４を配置しているが、基板１１と電気光学材料１４を一つとし、電気光学材料の基板を用いてもよい。
【００３３】
なお、第２実施形態においても第１実施形態と同様に電気光学材料１４上に形成された電極は、複数あってもよいし、ドーナツ状に配置されていてもよい。
【００３４】
（実施例）
以下の実施例を参照しながら、本発明がさらに詳細に説明される。
【００３５】
（実施例１）
実施例１では、光変調装置１を製造する方法が、以下、説明される。
【００３６】
まず、ガラス基板１１を用意した。次に、１０ｗｔ％ＳｎＯ２ドープＩｎ２Ｏ３（ＩＴＯ）がスパッタ法により基板上に堆積された。このようにして、ＩＴＯから形成される電極層１２が形成された。電極層１２は、４０ナノメートルの厚みを有していた。
【００３７】
次に、Ｌａ０．５６Ｌｉ０．３３ＴｉＯ３（ＬＬＴＯ）が、スパッタ法によりゲート電極層１２上に形成された。その後、３００℃で２時間アニールを行った。このようにして、ＬＬＴＯから形成される電解質層１５が形成された。電解質層１５は、３００ナノメートルの厚みを有していた。
【００３８】
基板が摂氏７００度に加熱されながら、ＫＴａ０．６５Ｎｂ０．３５Ｏ３（ＫＴＮ）が、スパッタ法により電解質層１５の上に形成された。このようにして、電気光学材料層１３が形成された。電気光学材料層は、１５０ナノメートルの厚みを有していた。
【００３９】
フォトリソグラフィとドライエッチングにより電解質層１３をパターニングすることによって、電解質層１３を貫通するコンタクトホールが形成された。コンタクトホールの底面では、ゲート電極１２が露出していた。
【００４０】
５ナノメートルの厚みを有するチタン膜および３０ナノメートルの厚みを有する金膜を含む積層体が、電気光学材料層１４上に蒸着された。積層体をパターニングすることによって、第一の電極１５Ａおよび第二の電極１５Ｂが形成された。積層体は、コンタクトホールの内部にも蒸着され、チタンおよび金から形成されたコンタクトプラグ５９が形成された。このようにして、光変調装置５が得られた。
【００４１】
ＬＬＴＯ、ＫＴＮともに屈折率は２．２程度である。ＬＬＴＯ側から光を入射した際には屈折率差がないため、入射した光はＫＴＮ側へと透過する。全反射が起こる条件は入射する角度θと屈折率の関係が、以下の式を満たす時である。ＬＬＴＯとＫＴＮの界面にＬＬＴＯ側から垂直に光が入射する場合を入射角度０度とする。
【００４２】
ｓｉｎθ＞（ＫＴＮの屈折率）／（ＬＬＴＯの屈折率）
つまり、ＬＬＴＯに電圧を印加し、ＫＴＮの屈折率を下げることで全反射を起こすことができる。この素子を光路に入れることで、全反射させる角度を変調することが可能である。例えば、ＫＴＮの屈折率が１．２となった場合、約３３度以上で入ってきた光を全反射することが可能であり、屈折率が２．１の場合には約７３度以上の光を全反射する。これを応用することで透過と反射を電子的に制御可能なスイッチングデバイスとすることができる。
【００４３】
（実施例２）
実施例２では、光変調装置６を製造する方法が、以下、説明される。
【００４４】
まず、ＫＴＮ基板１４を用意した。
【００４５】
５ナノメートルの厚みを有するチタン膜および３０ナノメートルの厚みを有する金膜を含む積層体が、電気光学材料層１４上に蒸着された。積層体をパターニングすることによって、第一の電極１５Ａおよび第二の電極１５Ｂが形成された。次に、ＬＬＴＯが、スパッタ法により電気光学材料層１４上に形成された。その後、３００℃で２時間アニールを行った。このようにして、ＬＬＴＯから形成される電解質層１５が形成された。電解質層１５は、３００ナノメートルの厚みを有していた。
【００４６】
次に、１０ｗｔ％ＳｎＯ２ドープＩｎ２Ｏ３（ＩＴＯ）がスパッタ法により基板上に堆積された。このようにして、ＩＴＯから形成される電極層１２が形成された。電極層１２は、４０ナノメートルの厚みを有していた。
【００４７】
フォトリソグラフィとドライエッチングにより電解質層１３をパターニングすることによって、電解質層１３を貫通するコンタクトホールが形成された。コンタクトホールの底面では、第一の電極１５Ａと第二の電極１５Ｂが露出していた。
【００４８】
その後、５ナノメートルの厚みを有するチタン膜および１００ナノメートルの厚みを有する金膜を含む積層体が、電気光学材料層１４上に蒸着された。積層体をパターニングすることによって、第一の電極１５Ａおよび第二の電極１５Ｂが形成された。
【００４９】
積層体は、コンタクトホールの内部にも蒸着され、チタンおよび金から形成されたコンタクトプラグ５９が形成された。このようにして、光変調装置５が得られた。
【００５０】
実施例２においても実施例１と同様の効果を得ることができる。
【００５１】
（実施例３）
実施例３では、光変調装置７を製造する方法が、以下、説明される。
【００５２】
まず、ＫＴＮ基板１４を用意した。
【００５３】
５ナノメートルの厚みを有するチタン膜および３０ナノメートルの厚みを有する金膜を含む積層体が、電気光学材料層１４上に蒸着された。積層体をパターニングすることによって、第一の電極１５Ａ、第二の電極１５Ｂ、およびゲート電極１２が形成された。
【００５４】
その後、スパッタ法にて窒化シリコン膜を成膜し、フォトリソグラフィとドライエッチングにより絶縁膜層１６をパターニングすることによって、絶縁膜層１３を貫通するコンタクトホールが形成された。
【００５５】
次にイオン液体１３が所望の位置からはみ出ないように、シリコーンゴムからなる土手形状を作製したのちに、イオン液体１３であるＤＥＭＥ−ＴＦＳＩを滴下した。
【００５６】
ＤＥＭＥ−ＴＦＳＩは屈折率がおよそ１．５である。ＫＴＮ側から光を入射したときに全反射が起こる角度θは下記の式であらわされる。
【００５７】
ｓｉｎθ＞（ＤＥＭＥ−ＴＦＳＩの屈折率）／（ＫＴＮの屈折率）
つまり、ＤＥＭＥ−ＴＦＳＩに電圧を印加し、ＫＴＮの屈折率を変化することで全反射を起こすことができる。この素子を光路に入れることで、全反射させる角度を変調することが可能である。例えば、ＫＴＮの屈折率が２．１となった場合、約４６度以上で入ってきた光を全反射することが可能であり、屈折率が１．６の場合には約７０度以上の光を全反射する。これを応用することで透過と反射を電子的に制御可能なスイッチングデバイスとすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
本発明による光変調装置１は、光をスイッチングする素子として応用される。
【符号の説明】
【００５９】
１〜７  光変調装置
１１  基板
１２  ゲート電極
１３  電解質層
１４  電気光学材料層
１５  電極
１５Ａ  第一の電極
１５Ｂ  第二の電極
１６  絶縁層
１７  コンタクトプラグ
１８  電極層
【図１Ａ】
2017044856.tif 000003
【図１Ｂ】
2017044856.tif 000004
【図２Ａ】
2017044856.tif 000005
【図２Ｂ】
2017044856.tif 000006
【図３Ａ】
2017044856.tif 000007
【図３Ｂ】
2017044856.tif 000008
【図４Ａ】
2017044856.tif 000009
【図４Ｂ】
2017044856.tif 000010
【図５Ａ】
2017044856.tif 000011
【図５Ｂ】
2017044856.tif 000012
【図６Ａ】
2017044856.tif 000013
【図６Ｂ】
2017044856.tif 000014
【図７Ａ】
2017044856.tif 000015
【図７Ｂ】
2017044856.tif 000016