JP2007147934A - 光制御装置およびそれを用いた光制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】光の利用効率を向上した反射型の光制御装置を提供する。
【解決手段】
光制御装置１００は、基板３０と、第１反射層３２と、印加された電界に応じて屈折率が変化する光変調膜３４と、透明電極３６と、所定の波長において反射帯と透過帯とが急峻に切り替わる反射特性を有する第２反射層１０２と、を備える。第１反射層３２と、光変調膜３４と、透明電極３６と、第２反射層１０２と、から構成されるファブリーペロー型共振器の共振波長と、所定の波長とが略同一になるように設定する。
【選択図】図４

Description

本発明は、電界の印加により屈折率が変化する電気光学材料を用いた光制御装置およびそれを用いた光制御システムに関する。

近年、大容量の記録方式として、ホログラムの原理を利用したデジタル情報記録システムが知られている（たとえば特許文献１）。

ホログラム記録装置の空間光変調器の材料としては、たとえばチタン酸ジルコン酸ランタン鉛（以下、ＰＬＺＴという）等の電気光学効果を有するものを用いることができる。ＰＬＺＴは、（Ｐｂ_1-yＬａ_y）（Ｚｒ_1-xＴｉ_x）Ｏ₃の組成を有する透明セラミックスである。電気光学効果とは、物質に電界を印加するとその物質に分極が生じ屈折率が変化する現象をいう。電気光学効果を利用すると、印加電圧をオン、オフすることにより光の位相を切り替えることができる。そのため、電気光学効果を有する光変調材料を空間光変調器等の光シャッターに適用することができる。

こうした光シャッター等の素子への適用においては、従来、バルクのＰＬＺＴが広く利用されてきた（たとえば特許文献２）。しかし、バルクＰＬＺＴを用いた光シャッターは、微細化、集積化の要請や、動作電圧の低減や低コスト化の要請に応えることは困難である。また、バルクのＰＬＺＴを製造するバルク法は、原料となる金属酸化物を混合した後、１０００℃以上の高温で処理する工程を含むため、素子形成プロセスに適用した場合、材料の選択や素子構造等に多くの制約が加わることとなる。

こうしたことから、バルクＰＬＺＴに代え、基材上に形成した薄膜のＰＬＺＴを光制御素子へ応用する試みが検討されている。特許文献３には、ガラス等の透明基板上にＰＬＺＴ膜を形成し、その上に櫛形電極を設けた表示装置が記載されている。この表示装置は、ＰＬＺＴ膜が形成された表示基板の両面に偏光板が設けられた構成を有する。ここで、各画素の電極端子部が外部の駆動回路と接続されることにより、所望の画素が駆動され、表示基板の一面側に設けられた光源からの透過光により所望の表示をすることができるようになっている。
特開２００２−２９７００８号公報 特開平５−２５７１０３号公報 特開平７−１４６６５７号公報

しかし、上述したようなＰＬＺＴ膜等の光変調膜を光シャッター等の素子として実用化するためには、光変調膜へ印加する電圧のオン、オフを制御するためのドライブ回路を光変調膜とともに基板上に作り込む必要がある。その場合、上記特許文献３に記載されたような構成では、ドライブ回路が形成された領域を表示領域として用いることができず、有効な表示領域を充分とることができないという問題がある。

また、上述したような透過型の表示装置では、照射光として可視光を利用する場合、ドライブ回路を可視光に対して不透明なシリコン等の基板上に形成することができないという問題もあった。さらに、特許文献３に記載の表示装置では、偏光板を用いるために、偏光板による光の損失が発生してしまう。

本発明はこうした状況に鑑みなされたものであり、その目的は、光の利用効率を向上した反射型の光制御装置およびそれを用いた光制御システムを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の光制御装置は、基板と、基板上に設けられた第１の反射層と、第１の反射層上に設けられ、印加された電界に応じて屈折率が変化する光変調膜と、前記光変調膜上に設けられた透明電極と、透明電極上に設けられ、所定の波長において反射帯と透過帯とが急峻に切り替わる反射特性を有する第２の反射層と、を備え、第１の反射層と、光変調膜と、透明電極と、第２の反射層と、から構成されるファブリーペロー型共振器の共振波長と、所定の波長とが略同一になるように設定した。

この態様によると、第１、第２の反射層で光変調膜および透明電極を挟むことにより、外部から入射した光が２つの反射層間で多重反射するファブリペロー型の共振器が構成される。光変調膜に印加する電界を変化させることにより、光変調膜の屈折率を変化させ、この共振器の共振波長をシフトさせることができ、光制御装置の上面から入射された光が反射する光量を制御することができる。このとき、第２の反射層の反射特性が、所定の波長において反射帯と透過帯とが急峻に切り替わるように形成し、この所定の波長が共振波長と略同一となるように設定することによって、共振波長がシフトしたときの反射率の変化が大きくなるようにすることができる。この結果、光制御装置のオンオフ比を向上し、光の利用効率を向上することが出来る。

所定の波長をλ_ｃと、光変調膜の屈折率をｎ_ｐと、透明電極の屈折率をｎ_ｉと、透明電極の膜厚をｔ_ｉと、光制御装置に入射する光の入射角をθ_ｉと、透明電極から光変調膜に入射する光の入射角をθ_ｐと、第１の反射層で反射する光の位相変化量をφと、ｍを次数としたときに、光変調膜の膜厚ｔ_ｐが、

となるように設定してもよい。このとき、共振波長と所定の波長とを略同一とすることができる。

次数ｍは、４≦ｍ≦１０の範囲の整数であってもよい。光制御装置のオンオフ比は、光変調膜の膜厚に比例して増加する。但し、光変調膜の膜厚が大きくなりすぎると、十分な屈折率変化を得るためにより大きな電界を印加しなければならなくなる。光変調膜の膜厚を上記のように設定した場合、好適な印加電圧で高いオンオフ比を実現でき、光の利用効率を向上することができる。

第２の反射層は、屈折率の異なる複数の誘電体膜の積層構造を有してもよい。屈折率の異なる誘電体膜を積層して第２の反射層を形成することにより、積層する層数、誘電体膜の材料によって反射率を精度良く制御することができる。

複数の誘電体膜の少なくとも１つは、シリコン酸化膜であってもよい。また、複数の誘電体膜の少なくとも１つは、シリコン窒化膜であってもよい。シリコン酸化膜やシリコン窒化膜として形成する場合、通常のシリコン半導体製造プロセスの成膜技術をそのまま適用することができる。

第２の反射層の誘電体膜の積層数は、１９層以上かつ２３層以下であってもよい。このとき、共振波長のシフト量と反射率変化の急峻さとのバランスがとれ、好適に高いオンオフ比を実現でき、光の利用効率を向上することができる。

光変調膜は、印加した電界の２乗に比例して屈折率が変化する電気光学材料で形成されてもよい。電気光学材料は、チタン酸ジルコン酸鉛またはチタン酸ジルコン酸ランタン鉛であってもよい。

上述の光制御装置は、半導体基板上に形成されてもよい。この場合、半導体基板に光制御装置の制御回路を集積化して形成することができるので、光制御装置とその制御回路の小型化を図ることができる。

本発明の別の態様は、光制御システムである。この光制御システムは、上述の光制御装置と、光制御装置に光を照射する発光部と、光制御装置から出射される光を受ける受光部と、を備える。この態様によると、たとえばホログラム記録装置や、表示装置を実現することができる。

なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法、システムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明に係る光制御装置によれば、光の利用効率を向上することができる。

（第１の実施の形態）
第１の実施の形態に係る光制御装置の概要を説明する。この光制御装置は、外部からの電圧印加によって反射率が変化する光制御装置である。この光制御装置は、ファブリーペロー型の共振器構造を有し、電界の印加に応じて屈折率の変化する光変調膜と、この光変調膜を挟むようにして形成される２層の反射層を備える。光制御装置に光を入射した状態で、制御信号を与えると、光制御装置の反射率を変化させることができ、反射される光の強度を制御することができる。光制御装置により反射された光は、反射率に比例した強度を有するため、この反射光を記録媒体あるいは光検出素子等により記録、検出することにより、様々なアプリケーションに利用することができる。

図１は、第１の実施の形態に係る光制御装置１０の断面図である。光制御装置１０は、基板３０と、第１反射層３２と、光変調膜３４と、透明電極３６と、第２反射層４０と、を備える。

第１の実施の形態に係る光制御装置１０は、基板３０上に形成される。この基板３０の材料としては、表面が平坦なガラス、シリコンなどを好適に用いることができる。たとえばシリコンなどの半導体基板からなる基板３０であれば、基板上にスイッチング素子を設け、その上に光制御装置１０を形成してもよい。この場合、光制御装置１０とその制御回路の小型化を図ることができる。

基板３０上には、第１反射層３２が形成される。第１反射層３２の材料としては、たとえばＰｔなどの金属材料を好適に用いることができる。第１反射層３２の厚みは、２００ｎｍ程度とする。第１の実施の形態において、第１反射層３２はＰｔで形成され、この第１反射層３２は、後述するように光変調膜３４に電界を印加する電極としても機能する。第１反射層３２をＰｔで形成した場合、第１反射層３２の反射率は５０％から８０％程度となる。

第１反射層３２の上面には光変調膜３４が設けられる。この光変調膜３４の材料としては、印加した電界に応じて屈折率が変化する固体の電気光学材料を選択する。このような電気光学材料としては、ＰＬＺＴ（チタン酸ジルコン酸ランタン鉛）、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）、ＬｉＮｂＯ_３、ＧａＡ−ＭＱＷ、ＳＢＮ（（Ｓｒ，Ｂａ）Ｎｂ_２Ｏ_６）等を用いることができるが、特にＰＬＺＴが好適に用いられる。

光変調膜３４の膜厚ｔ_ｐは、入射光の入射角および波長に応じて決定され、たとえば入射光を６５０ｎｍ付近の赤色光とした場合、５００ｎｍから１５００ｎｍの範囲で形成するのが望ましい。後述のように、光変調膜３４に印加される電界は、膜の厚み方向に印加されるため、膜厚ｔ_ｐを１５００ｎｍ以下とすることで、十分な屈折率変化を得るための電界を印加することが容易となる。また、膜厚ｔ_ｐを５００ｎｍ以上とすることで、十分な光学膜厚変化を得ることができる。

光変調膜３４の上面には、透明電極３６が設けられる。透明電極３６は、たとえば、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）、ＺｎＯ、ＩｒＯ_２などにより形成することができる。透明電極３６をＩＴＯやＺｎＯで形成した場合、その膜厚ｔ_ｉは１００ｎｍ〜１５０ｎｍ程度とする。ＩｒＯ_２で形成する場合には、膜厚ｔ_ｉをより薄く、例えば５０ｎｍ程度とすることが望ましい。この透明電極３６は、抵抗値と透過率がトレードオフの関係となるため、その膜厚ｔ_ｉは実験的に定めてもよい。

透明電極３６の上面には、第２反射層４０が形成される。この第２反射層４０は、誘電体多層膜によって形成され、屈折率の異なる第１誘電体膜４２、第２誘電体膜４４が交互に積層される。以下においては、屈折率が大きい方の誘電体膜の屈折率をｎ_Ｈと、屈折率が小さい方の誘電体膜の屈折率をｎ_Ｌと表す。第１誘電体膜４２、第２誘電体膜４４の材料の組み合わせとしては、ＳｉＯ_２（ｎ_Ｌ＝１．４８）、Ｓｉ_３Ｎ_４（ｎ_Ｈ＝２．０）を用いることができる。誘電体多層膜をシリコン酸化膜およびシリコン窒化膜で形成する場合、シリコン半導体集積回路の製造プロセスおよび製造装置をそのまま使用することができる。

誘電体多層膜は、プラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により形成することができる。ＳｉＯ_２膜は、ＴＥＯＳ、Ｏ_２雰囲気中で温度２００℃の条件で成長させ、Ｓｉ_３Ｎ_４膜は、ＳｉＨ_４、ＮＨ_３雰囲気中で温度２００℃の条件で好適に成長させることができる。また、誘電体多層膜は、イオンビームスパッタ法により形成してもよい。

第１誘電体膜４２、第２誘電体膜４４のそれぞれの１層分の膜厚ｄは、光制御装置１０に入射する光の波長をλ、誘電体膜の屈折率をｎとすると、ｄ＝λ／（ｎ×４）となるように調節する。

たとえば、光制御装置１０に波長が６５０ｎｍの赤色のレーザ光が用いられる場合には、第１誘電体膜４２の膜厚ｄ１は、その材料としてＳｉＯ_２（ｎ＝１．４８）とした場合、ｄ１＝６３３／（４×１．４８）＝１０９ｎｍ程度とする。また、第２誘電体膜４４の膜厚ｄ２は、材料としてＳｉ_３Ｎ_４（ｎ＝２．０）を用いた場合、ｄ２＝６５０／（４×２）＝８１ｎｍ程度とする。第２反射層４０を構成する誘電体膜の厚みｄ１、ｄ２は、必ずしも厳密にλ／（ｎ×４）に設計されている必要はない。

誘電体膜の材料としてはシリコン窒化膜に替えて、ＴｉＯ_３（ｎ＝２．２）を用いてもよい。この場合、第２誘電体膜４４の厚みｄ２は、ｄ２＝６５０／（４×２．２）＝７３ｎｍ程度とする。

図１において、光変調膜３４から第２反射層４０に入射する光の反射率Ｒ２は、光変調膜３４から第１反射層３２に入射する光の反射率Ｒ１と等しくなるように設計するのが好ましい。反射率Ｒ１は、第１反射層３２に用いる金属材料によって定まり、Ｐｔを選択する場合、上述したように５０〜８０％となる。

従ってこのとき、反射率Ｒ２も５０〜８０％となるように設計する。第２反射層４０は、誘電体多層膜によって構成されるため、その反射率Ｒ２は入射する光の波長によって変化する。後述するように、光制御装置１０の第１反射層３２、光変調膜３４、透明電極３６および第２反射層４０は、ファブリーペロー型の共振器を構成し、共振波長λ_ｍを有する。第１の実施の形態に係る光制御装置１０においては、少なくともこの共振波長λ_ｍ周辺の波長帯域において、反射率Ｒ２がほぼ一定となるように第２反射層４０を形成する。例えば、第１反射層３２の反射率Ｒ１が８０％であり、共振波長λ_ｍが６５０ｎｍの場合には、６００〜７００ｎｍ程度の範囲において、第２反射層４０の反射率Ｒ２が８０％となるように設定するのが好ましい。

第２反射層４０の反射率Ｒ２は、第１誘電体膜４２、第２誘電体膜４４の材料および厚みによって調節することができる。第１の実施の形態においては、図１に示すように、第２反射層４０は、第１誘電体膜４２および第２誘電体膜４４をそれぞれ３層づつ交互に積層している。第２反射層４０において、第１誘電体膜４２、第２誘電体膜４４を積層する順番は逆であってもよい。また、反射率Ｒ２を微調節するために、第３の誘電体膜をさらに積層してもよい。

第１の実施の形態においては、透明電極３６と第１反射層３２とが電極対を形成する。第１反射層３２の電位は接地電位に固定され、透明電極３６の電位は制御部１２によって制御される。

制御部１２は、光制御装置１０に入射した光を変調して出射せしめる制御電圧Ｖｃｎｔを生成し、出力する機能を有する。制御部１２は、基板３０中に作り込んでもよい。制御電圧Ｖｃｎｔは、ハイレベルＶＨまたはローレベルＶＬの２値をとる信号である。ハイレベルＶＨは、１５〜２０Ｖ程度の電位であり、ローレベルＶＬは、接地電位と等しい。

以上のように構成された光制御装置１０の動作について説明する。光制御装置１０は、光変調膜３４および透明電極３６を、第１反射層３２、第２反射層４０で挟んだ構造となっており、所謂ファブリペロー型の共振器を構成している。ファブリペロー型の共振器である光制御装置１０は、入射する光の波長によって反射率Ｒが変化するという反射特性を有する。光制御装置１０の反射率Ｒは、入射光の強度をＩｉｎと、反射光の強度をＩｏｕｔとするとき、Ｒ＝Ｉｏｕｔ／Ｉｉｎで定義される。光制御装置１０の反射率Ｒが最も小さくなるときの波長を共振波長とよび、λ_ｍで表す。

図２は、光制御装置１０の共振波長λ_ｍについて説明するための図である。同図において、図１と同一の構成要素には同一の符号を付している。図２に示すように、光制御装置１０の上方から、入射光１３０が入射する場合を考える。ここで、透明電極３６と第２反射層４０の境界面で反射された反射光１３２と、第１反射層３２と光変調膜３４の境界面で反射された反射光１３４に着目する。

反射光１３２と、反射光１３４の位相差δは、（１）式のように表される。

（１）式において、ｎ_ｉは透明電極３６の屈折率、ｔ_ｉは透明電極３６の膜厚、θ_ｉは光制御装置１０に入射した光の入射角、ｎ_ｐは光変調膜３４の屈折率、ｔ_ｐは光変調膜３４の膜厚、θ_ｐは透明電極３６から光変調膜３４に入射した光の入射角、λは空気中での光の波長、φは第１反射層３２で光が反射するときの位相変化量である。共振波長λ_ｍは、反射光１３２、反射光１３４が弱め合うときなので、次に示す（２）式を満たす必要がある。

（２）式において、ｍは次数であり、正の整数である。（２）式をλ_ｍについて変形すると、（３）式のようになり、共振波長λ_ｍを表すことができる。

上述のように、光変調膜３４の屈折率ｎは、光変調膜３４に印加される電界Ｅに依存する。いま、第１反射層３２を接地電位とし、図示しない透明電極３６に制御電圧Ｖｃｎｔを印加すると、光変調膜３４には、厚み方向に電界Ｅ＝Ｖｃｎｔ／ｔが印加される。光変調膜３４としてＰＬＺＴを用いた場合、光変調膜３４の屈折率ｎの変化量Δｎと、印加される電界Ｅとの間には、
Δｎ＝１／２×（ｎ）^３×Ｒ×Ｅ^２ …（４）
の関係が成り立つ。（４）式から分かるように、光変調膜３４は、印加される電界の２乗に比例して屈折率が変化する。ここでＲは電気光学定数（カー定数）である。

図３は、光制御装置１０に入射する光の波長λと反射率Ｒの関係を示す図である。図３に示す（Ｉ）は、制御電圧ＶｃｎｔがローレベルＶＬ、すなわち、透明電極３６と第１反射層３２の電位が同じで、光変調膜３４に電界が印加されていないときの光制御装置１０の反射特性を示す。このとき、光制御装置１０の共振波長はλ_ｍ１である。制御電圧ＶｃｎｔをハイレベルＶＨに変化させ、光変調膜３４に電界Ｅを印加すると、（４）式から、光変調膜３４の屈折率がｎ_ｐからｎ_ｐ＋Δｎに変化する。光変調膜３４の屈折率ｎ_ｐが変化した場合、（３）式から、共振波長λ_ｍも変化し、共振波長がλ_ｍ１からλ_ｍ２にシフトする。λ_ｍ２はλ_ｍ１より大きい値である。このときの反射特性を図３に（ＩＩ）で示す。

光制御装置１０に入射する光の波長λを、制御電圧ＶｃｎｔがローレベルＶＬのときの共振波長λ_ｍ１と等しくなるように設定した場合、制御電圧ＶｃｎｔをローレベルＶＬからあるハイレベルＶＨに変化させると、共振波長λ_ｍがλ_ｍ１からλ_ｍ２にシフトすることにより、光制御装置１０の反射率ＲはＲ_ｍ１からＲ_ｍ２に変化する。

ここで、光変調膜３４に電界Ｅを印加しない場合を光制御装置１０のオフ状態とよび反射率をＲｏｆｆと、電界Ｅを印加した場合を光制御装置１０のオン状態とよび反射率をＲｏｎとしたとき、Ｒｏｎ／Ｒｏｆｆをオンオフ比と定義する。入射光の強度Ｉｉｎが一定のとき、反射光の強度Ｉｏｕｔは、反射率Ｒに比例することになる。したがって、オンオフ比が大きい方が反射光の強度Ｉｏｕｔを精度よく制御でき、光の利用効率も高いことを意味する。

共振波長λ_ｍにおける光制御装置１０の反射率Ｒは、第１反射層３２での反射率Ｒ１および第２反射層４０での反射率Ｒ２が近い程低くなる。したがって、上述のように、第２反射層４０の誘電体多層膜の層数、材料を調節し、第１反射層３２での反射率Ｒ１と第２反射層４０での反射率Ｒ２を等しく設計することにより、オフ状態での反射率Ｒを低く設定し、オンオフ比を高くとることができる。

このように、第１の実施の形態に係る光制御装置１０においては、光変調膜３４に印加する電界を変化させることにより、反射率を変化させ、反射光Ｉｏｕｔの強度を制御する光スイッチ素子を実現することができる。

第１の実施の形態に係る光制御装置１０は、反射型の構成となっているため、入射光Ｉｉｎを基板３０を透過させる必要がない。その結果、従来の透過型の光制御装置に比べて、光の利用効率を向上することができる。また、光制御装置１０では、反射率Ｒを制御することによって反射光の強度Ｉｏｕｔを変化させるため、偏向板や検光子を必要とせず、光の利用効率が高いという利点を有する。

（第２の実施の形態）
図４は、第２の実施の形態に係る光制御装置１００の断面図である。図４に示すように、第２の実施の形態に係る光制御装置１００は、基板３０と、第１反射層３２と、光変調膜３４と、透明電極３６と、第２反射層１０２と、を備える。なお、第１の実施の形態と同一または対応する構成要素には同様の符号を付すと共に、重複する説明は適宜省略する。

第２の実施の形態に係る光制御装置１００では、透明電極３６上に形成する第２反射層１０２の構成が、第１の実施の形態に係る光制御装置１０の第２反射層４０とは異なる。第１の実施の形態に係る光制御装置１０では、上述したように光制御装置１０の共振波長λ_ｍ周辺の波長帯域において、第２反射層４０の反射率がほぼ一定となるように第２反射層４０を形成した。

第２の実施の形態に係る光制御装置１００においては、所定の波長において反射帯と透過帯とが急峻に切り替わる反射特性を有するように第２反射層１０２を形成する。このような、所定の波長において反射帯と透過帯が急峻に切り替わるような反射特性を有するものは、エッジフィルタとよばれる。図５は、第２反射層１０２の反射特性を示す図である。図５において、λ_０はエッジフィルタの中心波長である。図５に示すように、第２反射層１０２の反射特性は、波長λ_ｃにおいて反射帯と透過帯とが急峻に切り替わっている。波長λ_ｃは反射率Ｒが５０％となるときの波長であり、カットオフ波長とよばれる。そして、光制御装置１００では、第１反射層３２と、光変調膜３４と、透明電極３６と、第２反射層１０２と、から構成されるファブリーペロー型共振器の共振波長λ_ｍと、カットオフ波長λ_ｃとが略同一になるように設定する。共振波長λ_ｍと、カットオフ波長λ_ｃとが略同一とは、両者の差が２０ｎｍ以内であることをいう。

図４に戻り、第２反射層１０２の構成について説明する。図４に示すように、第２反射層１０２は屈折率の異なる２つの誘電体膜を積層した構成となっており、透明電極３６側から、下端誘電体膜４８、第１誘電体膜４２、第２誘電体膜４４、第１誘電体膜４２、・・・（第１誘電体膜４２と第２誘電体膜４４の積層の繰り返し）・・・、第１誘電体膜４２、第２誘電体膜４４、第１誘電体膜４２、上端誘電体膜４６の順で積層されている。上端誘電体膜４６、下端誘電体膜４８および第２誘電体膜４４は、同一の材料で構成され、第１誘電体膜４２よりも屈折率の高い材料が用いられる。上端誘電体膜４６、下端誘電体膜４８および第２誘電体膜４４の材料としては、Ｓｉ_３Ｎ_４（ｎ_Ｈ＝２．０）を用いることができる。また、第１誘電体膜４２の材料としては、ＳｉＯ_２（ｎ_Ｌ＝１．４８）を用いることができる。

第１誘電体膜４２の膜厚ｄ１および第２誘電体膜４４の膜厚ｄ２は、図５において示したエッジフィルタの中心波長λ_０の１／（４×ｎ）倍となるように形成される。すなわち、第１誘電体膜４２の膜厚ｄ１は、ｄ１＝λ_０／（ｎ_Ｌ×４）となるように、第２誘電体膜４４の膜厚ｄ２は、ｄ２＝λ_０／（ｎ_Ｈ×４）となるように形成される。

上端誘電体膜４６の膜厚ｄ３および下端誘電体膜４８の膜厚ｄ４は、中心波長λ_０の１／（８×ｎ）倍となるように形成される。すなわち、上端誘電体膜４６の膜厚ｄ３は、ｄ３＝λ_０／（ｎ_Ｈ×８）となるように、下端誘電体膜４８の膜厚ｄ４は、ｄ４＝λ_０／（ｎ_Ｈ×８）となるように形成される。

カットオフ波長λ_ｃにおける反射帯と透過帯の変化は、第２反射層１０２の誘電体膜の積層数が多くなるほど急峻になる。但し、積層数が多くなると、カットオフ波長周辺においてリップルが発生する場合があるので、このリップルを軽減するために、各誘電体膜の膜厚を微調整してもよい。

上述したように、第２の実施の形態においては、第２反射層１０２のカットオフ波長λ_ｃと、第１反射層３２、光変調膜３４、透明電極３６、第２反射層１０２から構成されるファブリーペロー型共振器の共振波長λ_ｍとが略同一になるように設定する。共振波長λ_ｍは、上述した（３）式によって定まる。（３）式において、共振波長λ_ｍをカットオフ波長λ_ｃとし、式を変形すると、（５）式のように表すことができる。

ここで、（５）式におけるｍは次数であり、正の整数であるから、共振波長λ_ｍとカットオフ波長λ_ｃが略同一になるような光変調膜３４の膜厚ｔは、次数ｍによって定まる離散的な値となる。例えば、光変調膜３４の屈折率ｎ_ｐ＝２．３、レーザ光の入射角θ_ｉ＝０°、カットオフ波長λ_ｃ＝６５０ｎｍであるとする。このとき、カットオフ波長λ_ｃと共振波長λ_ｍとが略同一となるためには、光変調膜３４の膜厚ｔ_ｐを、１４１ｎｍ（ｍ＝１）、２８３ｎｍ（ｍ＝２）、４２３ｎｍ（ｍ＝３）・・・と設定する必要がある。なお、上記の計算例においては、第１反射層３２での位相変化量φ＝１．０とし、ｔ_ｉ＝５５ｎｍとしている。

図６は、第２の実施の形態に係る光制御装置１００の反射特性を示す図である。図６においては、第２の実施に実施の形態に係る光制御装置１００の反射特性１１０の他に、比較用として第１の実施の形態に係る光制御装置１０の反射特性１１２も示している。図６の反射特性１１０は、光変調膜３４の膜厚ｔ_ｐ＝２８３ｎｍ（ｍ＝２）、レーザ光の入射角θ_ｉ＝０°、第２反射層１０２の積層数を２１層としたときの反射特性である。一方の比較用として示した第１の実施の形態に係る光制御装置１０の反射特性１１２は、光変調膜３４の膜厚ｔ_ｐ＝２８３ｎｍ、レーザ光の入射角θ_ｉ＝０°、第２反射層４０の積層数を７層としたときの反射特性である。

図６に示すように、反射特性１１０は、反射特性１１２と比較して、共振波長λ_ｍの短波長側において急峻に反射率Ｒが変化していることが分かる。第２の実施の形態に係る光制御装置１００においても、第１の実施の形態に係る光制御装置１０と同様に、光変調膜３４に電界を印加することによって共振波長λ_ｍをシフトさせることができる。このとき、共振波長λ_ｍは、図３を用いて説明したように共振波長が大きくなる方向にシフトするから、共振波長λ_ｍより短波長側の反射率変化が急峻な第２の実施の形態に係る光制御装置１００は、第１の実施の形態に係る光制御装置１０よりもオン状態のときの反射率Ｒｏｎが高くなる。すなわち、第２の実施の形態に係る光制御装置１００は、第１の実施の形態に係る光制御装置１０よりもオンオフ比が向上し、光の利用効率が改善する。

図７は、第２反射層１０２の積層数と共振波長λ_ｍのシフト量Δλの関係を示す図である。図７の縦軸は、光制御装置１００をオン状態にしたときの共振波長λ_ｍのシフト量Δλを表し、横軸は、第２反射層１０２の積層数を表す。なお、光変調膜３４の膜厚ｔ_ｐ＝２８３ｎｍ、レーザ光の入射角θ_ｉ＝０°と設定している。図７に示すように、第２反射層１０２の積層数が多くなるに従い、共振波長λ_ｍのシフト量Δλが減る傾向がある。共振波長λ_ｍのシフト量が減ると、オン状態のときの反射率Ｒｏｎが小さくなるので、オンオフ比が低下してしまう。しかし、第２反射層１０２の積層数を少なくしすぎると、今度は共振波長λ_ｍの短波長側での反射率変化の急峻さが失われるので、やはりオンオフ比が低下してしまう。このように、共振波長λ_ｍのシフト量Δλと、共振波長λ_ｍの短波長側での反射率変化の急峻さはトレードオフの関係にあるため、第２反射層１０２の誘電体膜の最適な積層数は実験的に定めてもよい。本発明者による実験によると、第２反射層１０２の誘電体膜の積層数が１９層〜２３層の範囲にある場合に、共振波長λ_ｍのシフト量Δλと反射率変化の急峻さとのバランスがとれ、好適に高いオンオフ比を実現できたので、この範囲に定めてもよい。

図８は、光変調膜３４の膜厚を変化させた場合の光制御装置１００の反射特性を示す図である。第２反射層１０２のカットオフ波長λ_ｃを６５０ｎｍとし、共振波長λ_ｍが６５０ｎｍとなるように光変調膜３４の膜厚ｔ_ｐを変化させている。第２反射層１０２の誘電体膜の積層数は２１層とし、レーザ光の入射角θ_ｉは、０°である。図８において、反射特性１１４は光変調膜３４の膜厚ｔ_ｐ＝２８３ｎｍ（ｍ＝２）のとき、反射特性１１６は、ｔ_ｐ＝１４１５ｎｍ（ｍ＝１０）のとき、反射特性１１８は、ｔ_ｐ＝２８３０ｎｍ（ｍ＝２０）のときの反射特性である。

図８から分かるように、共振波長λ_ｍの短波長側の反射率の変化は、光変調膜３４の膜厚ｔ_ｐが厚くなるほど急峻になっている。よって、光変調膜３４の膜厚ｔ_ｐが厚いほど、共振波長λ_ｍがシフトしたときの反射率変化が大きいことになり、光制御装置１００のオンオフ比は向上することになる。

図９は、光制御装置１００のオンオフ比と、光変調膜３４の膜厚の関係を示す図である。図９の縦軸は、光制御装置１００のオンオフ比を表す。横軸は、光変調膜３４の膜厚ｔ_ｐを次数ｍを用いて表している。（５）式に示すように、光変調膜３４の膜厚ｔ_ｐは次数ｍによって定まる離散的な値となり、次数ｍが増えるごとに光変調膜３４の膜厚ｔ_ｐは厚くなる。図９に示すように、光制御装置１００のオンオフ比は、次数ｍに比例して、すなわち光変調膜３４の膜厚ｔ_ｐに比例して増加することが分かる。但し、光変調膜３４の膜厚ｔ_ｐが大きくなりすぎると、十分な屈折率変化を得るためにより大きな電界を印加しなければならなくなる。従って、次数ｍは、４≦ｍ≦１０程度の範囲とするのが好ましい。光変調膜の膜厚ｔ_ｐを上記のように設定した場合、好適な印加電圧で高いオンオフ比を実現でき、光の利用効率を向上することができる。

以上のように、第２の実施の形態に係る光制御装置１００では、第２反射層１０２の反射特性が、所定の波長において急峻に反射帯と透過帯とが切り替わるように形成し、この所定の波長が共振波長と略同一となるように設定することによって、共振波長がシフトしたときの反射率の変化が大きくなるようにすることができる。この結果、光制御装置１００のオンオフ比が向上し、光の利用効率を向上することが出来る。

図１０（ａ）、（ｂ）は、光制御装置がマトリクス状に配置された空間光制御装置を示す図である。図１０（ａ）は、空間光制御装置８の平面図を示す。空間光制御装置８は、基板３０上に８行８列の２次元状に配列された複数の画素２０を備える。画素２０は、２０μｍ×２０μｍ程度のサイズにて構成される。

図１０（ｂ）は、図１０（ａ）に示す空間光制御装置のＡ−Ａ’線断面図を示す。１つの画素２０が図４で示した光制御装置１００に対応しており、光変調膜３４などの構成要素については、光制御装置１００と同一である。空間光制御装置８では、図１０（ｂ）に示すように、ビアおよび配線３８を介して透明電極３６が外部に引き出されている。配線３８の材料としてはＡｌなどが好適に用いられる。配線３８の上面には、さらに保護膜を形成してもよい。

空間光制御装置８には、画素２０ごとに制御部１２から制御電圧Ｖｃｎｔが与えられ、画素２０ごとに反射率を制御することができる。

空間光制御装置８を用いてさまざまな光変調システムを構成することができる。図１１は、空間光制御装置８を用いたホログラム記録装置７０を示す図である。ホログラム記録装置７０は、発光部と、受光部と、空間光制御装置８とを備える。発光部は、レーザ光源７２と、ビームエクスパンダ７４とを備える。受光部は、フーリエ変換レンズ７６と、記録媒体７８とを備える。

ホログラム記録装置７０において、レーザ光源７２から発せられたレーザ光は、図示しないビームスプリッタで２つの光に分割される。このうち一方の光は、参照光として用いられ、記録媒体７８内に導かれる。もう一方の光は、ビームエクスパンダ７４でビーム径が拡大され、平行光として空間光制御装置８に照射される。

空間光制御装置８に照射された光は、画素毎に異なる強度を有する信号光として空間光制御装置８から反射される。この信号光は、フーリエ変換レンズ７６を通過してフーリエ変換され、記録媒体７８内に集光される。記録媒体７８内において、ホログラムパターンを含む信号光と参照光の光路とが交差して光干渉パターンを形成する。光干渉パターン全体が屈折率の変化（屈折率格子）として記録媒体７８に記録される。

以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。

実施の形態では、光制御装置１００をホログラム記録装置７０の空間光制御装置として用いる場合について説明したがこれには限定されず、表示装置、光通信用スイッチ、光通信用変調器、光演算装置、および暗号化回路等にも使用することができる。

第１の実施の形態に係る光制御装置の断面図である。 光制御装置の共振波長λｍについて説明するための図である。 光制御装置に入射する光の波長λと反射率Ｒの関係を示す図である。 第２の実施の形態に係る光制御装置の断面図である。 第２反射層の反射特性を示す図である。 第２の実施の形態に係る光制御装置の反射特性を示す図である。 第２反射層の積層数と共振波長λｍのシフト量Δλの関係を示す図である。 光変調膜の膜厚を変化させた場合の光制御装置の反射特性を示す図である。 光制御装置のオンオフ比と、光変調膜の膜厚の関係を示す図である。 （ａ）は、空間光制御装置の平面図を示す。（ｂ）は、（ａ）に示す空間光制御装置のＡ−Ａ’線断面図を示す。 空間光制御装置を用いたホログラム記録装置を示す図である。

符号の説明

８ 空間光制御装置、 １０ 光制御装置、 １２ 制御部、 ２０ 画素、 ３０ 基板、 ３２ 第１反射層、 ３４ 光変調膜、 ３６ 透明電極、 ３８ 配線、 ４０ 第２反射層、 ４２ 第１誘電体膜、 ４４ 第２誘電体膜、 ４６ 上端誘電体膜、 ４８ 下端誘電体膜、 ６０ 制御部、 ７０ ホログラム記録装置、 ７２ レーザ光源、 ７４ ビームエクスパンダ、 ７６ フーリエ変換レンズ、 ７８ 記録媒体、 １００ 光制御装置、 １０２ 第２反射層。

Claims (11)

1. 基板と、
   前記基板上に設けられた第１の反射層と、
   前記第１の反射層上に設けられ、印加された電界に応じて屈折率が変化する光変調膜と、
   前記光変調膜上に設けられた透明電極と、
   前記透明電極上に設けられ、所定の波長において反射帯と透過帯とが急峻に切り替わる反射特性を有する第２の反射層と、
   を備え、
   前記第１の反射層と、前記光変調膜と、前記透明電極と、前記第２の反射層と、から構成されるファブリーペロー型共振器の共振波長と、前記所定の波長とが略同一になるように設定したことを特徴とする光制御装置。
2. 前記所定の波長をλ_ｃと、前記光変調膜の屈折率をｎ_ｐと、前記透明電極の屈折率をｎ_ｉと、前記透明電極の膜厚をｔ_ｉと、当該光制御装置に入射する光の入射角をθ_ｉと、前記透明電極から前記光変調膜に入射する光の入射角をθ_ｐと、前記第１の反射層で反射する光の位相変化量をφと、ｍを次数としたときに、前記光変調膜の膜厚ｔ_ｐが、
   

   

   となるように設定したことを特徴とする請求項１に記載の光制御装置。
3. 次数ｍは、４≦ｍ≦１０の範囲の整数であることを特徴とする請求項２に記載の光制御装置。
4. 前記第２の反射層は、屈折率の異なる複数の誘電体膜の積層構造を有することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の光制御装置。
5. 前記複数の誘電体膜の少なくとも１つは、シリコン酸化膜であることを特徴とする請求項４に記載の光制御装置。
6. 前記複数の誘電体膜の少なくとも１つは、シリコン窒化膜であることを特徴とする請求項４または５に記載の光制御装置。
7. 前記第２の反射層の誘電体膜の積層数は、１９層以上かつ２３層以下であることを特徴とする請求項４から６のいずれかに記載の光制御装置。
8. 前記光変調膜は、印加した電界の２乗に比例して屈折率が変化する電気光学材料で形成されることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の光制御装置。
9. 前記電気光学材料は、チタン酸ジルコン酸鉛またはチタン酸ジルコン酸ランタン鉛であることを特徴とする請求項８に記載の光制御装置。
10. 当該光制御装置は、半導体基板上に形成されることを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の光制御装置。
11. 請求項１から１０のいずれかに記載の光制御装置と、
    前記光制御装置に光を照射する発光部と、
    当該光制御装置から出射される光を受ける受光部と、
    を備えることを特徴とする光制御システム。

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