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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-03-25
(45)【発行日】2024-04-02
(54)【発明の名称】光変調器及び光変調器アレイ
(51)【国際特許分類】
G02F 1/061 20060101AFI20240326BHJP
【ＦＩ】
G02F1/061 503
【請求項の数】
10
(21)【出願番号】P 2020175346
(22)【出願日】2020-10-19
(65)【公開番号】P2022066803
(43)【公開日】2022-05-02
【審査請求日】2023-04-07
(73)【特許権者】
【識別番号】000236436
【氏名又は名称】浜松ホトニクス株式会社
(73)【特許権者】
【識別番号】504137912
【氏名又は名称】国立大学法人 東京大学
(74)【代理人】
【識別番号】100088155
【弁理士】
【氏名又は名称】長谷川 芳樹
(74)【代理人】
【識別番号】100113435
【弁理士】
【氏名又は名称】黒木 義樹
(74)【代理人】
【識別番号】100140442
【弁理士】
【氏名又は名称】柴山 健一
(74)【代理人】
【識別番号】100124291
【弁理士】
【氏名又は名称】石田 悟
(72)【発明者】
【氏名】野本 佳朗
(72)【発明者】
【氏名】種村 拓夫
【審査官】林 祥恵
(56)【参考文献】
【文献】特開２０２０－１０６７０６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１９－２０１０６５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００５－２２７７６０（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１７／０５７７００（ＷＯ，Ａ１）
【文献】国際公開第２０１９／１１１３３３（ＷＯ，Ａ１）
【文献】国際公開第２００７／１０５６７９（ＷＯ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２０２０／０１１６９３３（ＵＳ，Ａ１）
【文献】J. ZHANG et al.，"Fabrication and Demonstration of a Surface-Normal Metasurface Modulator with Electro-Optic Polymer"，第６６回応用物理学会春季学術講演会［講演予稿集］，2019年02月25日，p.03-142
【文献】J. ZHANG et al.，“Experimental Demonstration of Surface-Normal MIM Modulator with Electro-Optic Polymer”，2018 Photonics in Switching and Computing (PSC)，2018年09月，pp.1-3，DOI: 10.1109/PS.2018.8751332
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０２Ｆ １／００－１／１２５
Ｇ０２Ｆ １／２１－１／３９
ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍ ＩＩＩ）
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
変調対象となる対象光に対して透過性を有する絶縁材料からなり、下面から前記対象光が入射する基体層と、導電性材料からなり、前記基体層の厚さ方向に直交する第１方向に周期的に配列された複数のパターン部を含んで前記基体層の上面上に形成された導電パターン層と、
電気光学ポリマーからなり、前記複数のパターン部の間を充填するとともに前記導電パターン層の上面上に所定の厚さで形成され、前記導電パターン層を用いた電界の印加により屈折率が変化する変調層と、
前記変調層の上面上に形成され、前記基体層の前記下面から入射して前記変調層を通過した前記対象光を前記基体層へ向けて反射する反射層と
を備え、前記変調層を通過して位相が変調されるとともに前記反射層で反射された前記対象光を、変調光として前記基体層の前記下面から外部へと出射する、光変調器。
【請求項2】
前記導電パターン層における前記複数のパターン部の配列周期は、前記対象光の波長未満に設定されている、請求項１記載の光変調器。
【請求項3】
前記導電パターン層は、前記複数のパターン部として、前記厚さ方向及び前記第１方向に直交する第２方向に延び、第１電圧が印加される第１パターン部と、前記第２方向に延び、前記第１電圧とは異なる第２電圧が印加される第２パターン部とが前記第１方向に交互に配列されて構成されている、請求項１または２記載の光変調器。
【請求項4】
前記導電パターン層の前記上面と、前記変調層の前記上面との間の前記変調層の厚さｄは、前記対象光の波長をλ、前記電気光学ポリマーの屈折率をｎとして、λ／４ｎの偶数倍に設定されている、請求項１～３のいずれか一項記載の光変調器。
【請求項5】
前記導電パターン層の前記導電性材料は、半導体材料である、請求項１～４のいずれか一項記載の光変調器。
【請求項6】
前記反射層は、金属材料からなる、請求項１～５のいずれか一項記載の光変調器。
【請求項7】
前記基体層の前記下面上に、前記対象光に対する反射率を低減する反射防止膜が形成されている、請求項１～６のいずれか一項記載の光変調器。
【請求項8】
前記基体層の前記下面上に、前記下面から入射する前記対象光を集光するメタレンズが形成されている、請求項１～７のいずれか一項記載の光変調器。
【請求項9】
前記対象光の波長は、１μｍ以上１５μｍ以下である、請求項１～８のいずれか一項記載の光変調器。
【請求項10】
請求項１～９のいずれか一項記載の光変調器を複数備え、前記複数の光変調器が、１次元または２次元アレイ状に配列されて構成されている、光変調器アレイ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、変調対象光の位相を変調する光変調器、及び光変調器がアレイ状に配列された光変調器アレイに関するものである。
【背景技術】
【0002】
特許文献１、２には、入射光を変調する光変調器が開示されている。特許文献１に記載された光変調器は、下地層と、パターン部と、可変屈折率部とを備える。下地層は、第１屈折率材料により形成されている。パターン部は、下地層上に設けられ、導電性を有する第２屈折率材料により形成された複数の部分を有する。可変屈折率部は、電界下で屈折率が変化する第３屈折率材料により形成されるとともに、パターン部の複数の部分間を充填している。
【0003】
特許文献２に記載された光変調器は、非線形光学結晶を含み、所定方向に周期的に並ぶ複数の第１屈折率領域と、各第１屈折率領域の第１側面上に設けられた第１導電膜と、各第１屈折率領域の第２側面上に設けられた第２導電膜とを備える。また、この光変調器において、複数の第１屈折率領域は、第１屈折率領域よりも低い屈折率を有する領域によって囲まれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】国際公開第２０１７／０５７７００号
【文献】特開２０２０－１０６７０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
光の変調に用いられる空間光変調器（Spatial LightModulator：ＳＬＭ）として、例えば、液晶層を用いて光の位相を変調するＬＣＯＳ（LiquidCrystal On Silicon）型のＳＬＭが用いられている。このＬＣＯＳ型ＳＬＭのように、光変調に液晶層を用いる構成では、その動作速度は液晶の応答速度に依存し、結果的に光変調器の応答速度は、例えば１ｋＨｚ未満に制限される。
【0006】
一方、レーザ加工の分野において、レーザ光の掃引にガルバノミラー、ＭＥＭＳミラー等のミラー素子が使用される場合があり、これらの素子の動作速度は例えば１ｋＨｚ以上である。しかしながら、これらの素子の動作は機械的な変位によるものであり、ＬＣＯＳ型ＳＬＭのように光の位相を変調するものではない。したがって、このような素子では、高精度で波面制御を行うことは難しい。
【0007】
本発明は、変調対象光の位相の変調を高速で行うことが可能な光変調器、及び光変調器アレイを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明による光変調器は、（１）変調対象となる対象光に対して透過性を有する絶縁材料からなり、下面から対象光が入射する基体層と、（２）導電性材料からなり、基体層の厚さ方向に直交する第１方向に周期的に配列された複数のパターン部を含んで基体層の上面上に形成された導電パターン層と、（３）電気光学ポリマーからなり、複数のパターン部の間を充填するとともに導電パターン層の上面上に所定の厚さで形成され、導電パターン層を用いた電界の印加により屈折率が変化する変調層と、（４）変調層の上面上に形成され、基体層の下面から入射して変調層を通過した対象光を基体層へ向けて反射する反射層とを備え、（５）変調層を通過して位相が変調されるとともに反射層で反射された対象光を、変調光として基体層の下面から外部へと出射する。
【0009】
上記構成の光変調器では、光透過性を有する絶縁性の基体層の上面上に、複数のパターン部を含む導電パターン層と、電気光学（Electro-Optic：ＥＯ）ポリマーからなる変調層とを形成する。また、変調層のＥＯポリマー層が、複数のパターン部の間を充填するとともに、導電パターン層上に所定の厚さで形成される構成とする。そして、導電パターン層の複数のパターン部を用いて変調層のＥＯポリマーに電界を印加して、変調層の屈折率を変化させることで、対象光の位相の変調を行っている。このような構成によれば、変調層において、液晶よりも高速で応答するＥＯポリマーを用いることで、対象光の位相変調を高速で行うことができる。
【0010】
また、上記構成では、基体層の下面を対象光の入射面として用いるとともに、基体層上の導電パターン層及び変調層に対し、変調層の上面上に反射層を形成し、変調層で位相が変調された対象光を反射層で反射して、基体層の下面から変調光として出射する構成としている。このような構成では、変調層のＥＯポリマーの厚さ等の構成条件を適切に設定することにより、変調層を対象光に対する光共振器としても機能させることができる。これにより、ＥＯポリマー層を用いた位相変調型で高速応答の光変調器を好適に構成することが可能となる。
【0011】
上記の光変調器において、導電パターン層における複数のパターン部の配列周期は、対象光の波長未満に設定されている構成としても良い。このように、基体層上に配列された導電パターン層の複数のパターン部、及び複数のパターン部の間を充填するＥＯポリマーの変調層において、その配列周期が対象波長よりも小さく設定されたサブ波長構造（メタサーフェス構造）を用いることにより、変調層のＥＯポリマーによる対象光の位相変調を好適に実現することができる。
【0012】
変調層への電界の印加に用いられる導電パターン層の構成については、具体的には例えば、導電パターン層は、複数のパターン部として、厚さ方向及び第１方向に直交する第２方向に延び、第１電圧が印加される第１パターン部と、第２方向に延び、第１電圧とは異なる第２電圧が印加される第２パターン部とが第１方向に交互に配列されて構成されていても良い。このような構成によれば、基体層上における導電パターン層及び変調層による周期的な配列構造を、好適に構成することができる。
【0013】
上記の光変調器において、導電パターン層の上面と、変調層の上面との間の変調層の厚さｄは、対象光の波長をλ、電気光学ポリマーの屈折率をｎとして、λ／４ｎの偶数倍に設定されている構成としても良い。これにより、変調層を対象光に対する光共振器として好適に機能させることができる。
【0014】
上記の光変調器を構成する各層の材料については、例えば、導電パターン層の導電性材料は、半導体材料である構成としても良い。また、反射層は、金属材料からなる金属層である構成としても良い。
【0015】
上記の光変調器において、基体層の下面上に、対象光に対する反射率を低減する反射防止膜が形成されている構成としても良い。また、基体層の下面上に、下面から入射する対象光を集光するメタレンズが形成されている構成としても良い。また、上記の光変調器において、対象光の波長は、１μｍ以上１５μｍ以下である構成としても良い。
【0016】
本発明による光変調器アレイは、上記構成の光変調器を複数備え、複数の光変調器が、１次元または２次元アレイ状に配列されて構成されている。また、光変調器アレイは、具体的には例えば、Ｍを１以上の整数、Ｎを２以上の整数として、複数の光変調器が、Ｍ行Ｎ列に１次元または２次元アレイ状に配列されて構成されていても良い。このような構成によれば、上記構成の光変調器を変調セル（変調画素）として、１次元または２次元の変調パターンによる対象光の位相変調を好適に実現することができる。
【発明の効果】
【0017】
本発明の光変調器及び光変調器アレイによれば、変調対象光の位相の変調を高速で好適に行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0018】
【図1】光変調器を含む光変調装置の一実施形態の構成を示す平面図である。
【図5】特許文献１に記載された構成における光の反射率の波長依存性を示すグラフであり、（ａ）ＳｉＯ２層の厚さを５００μｍとしたときの反射率特性、及び（ｂ）ＳｉＯ２層の厚さを２μｍとしたときの反射率特性を示している。
【図13】（ａ）、（ｂ）光変調器の内部における変調対象光の電場強度分布を示す図である。
【図14】（ａ）、（ｂ）光変調器の内部における変調対象光の電場強度分布を示す図である。
【図15】（ａ）、（ｂ）ＥＯポリマーからなる変調層の厚さを変化させたときの変調対象光の電場強度分布の変化を示す図である。
【図16】（ａ）、（ｂ）ＥＯポリマーからなる変調層の厚さを変化させたときの変調対象光の電場強度分布の変化を示す図である。
【図17】光変調器の第１変形例の構成を示す側面断面図である。
【図19】光変調器の第２変形例の構成を示す側面断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0019】
以下、図面とともに、光変調器、及び光変調器アレイの実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては、同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。
【0020】
図１は、光変調器を含む光変調装置の一実施形態の構成を示す平面図である。図２は、図１に示した光変調器の構成を示す図であり、図２（ａ）は、Ａ－Ａ線に沿った側面断面図を示し、図２（ｂ）は、Ｂ－Ｂ線に沿った側面断面図を示している。また、図３は、図２（ａ）に示した光変調器の構成を一部拡大して示す図である。
【0021】
なお、以下の各図においては、説明の容易のため、ｘｙｚ直交座標系を合わせて図示している。この座標系において、ｚ軸は、光変調器の厚さ方向（光変調器を構成する基体層の厚さ方向）を示し、光変調器を構成する各層の積層方向を示している。また、ｘ軸は、厚さ方向に直交する第１方向を示している。また、ｙ軸は、厚さ方向及び第１方向に直交する第２方向を示している。
【0022】
本実施形態による光変調装置２Ａは、光変調器１Ａと、電圧印加部５１と、制御部５２とを備えている。また、光変調器１Ａは、変調対象として入射した対象光Ｌ１に対して位相変調を行って変調光Ｌ２として外部へと出射するものであり、基体層１０と、導電パターン層２０と、変調層３０と、反射層４０とを備えて構成されている。なお、図１においては、変調層３０及び反射層４０が設けられている領域を破線で示している。
【0023】
基体層１０は、対象光Ｌ１に対して透過性を有する絶縁材料からなる基板であり、その下面１０ｂが、対象光Ｌ１が入射する入射面となっている。基体層１０を構成する絶縁材料としては、例えば、導電パターン層２０を構成する導電性材料よりも屈折率が低く、対象光Ｌ１に対して透過性を有する誘電体材料を用いることができ、好ましくは石英（ＳｉＯ２）ガラス材料が用いられる。また、基体層１０の絶縁材料としては、ＳｉＯ２以外にも、例えば、ＴｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｎｂ２Ｏ５、ＭｇＦ２、Ｔａ２Ｏ５等の誘電体材料を用いることができる。
【0024】
導電パターン層２０は、導電性材料からなり、所定パターンを有して基体層１０の上面１０ａ上に形成されている。この導電パターン層２０は、変調層３０への電界の印加（電圧の印加）に用いられる。導電パターン層２０を構成する導電性材料は、好ましくは半導体材料であり、例えばＳｉが用いられる。また、導電パターン層２０の導電性材料としては、例えば、Ｓｉ、Ｇｅ等の単元素半導体材料、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＧａＰ、ＡｌＰ、ＧａＮ、ＡｌＮ等のIII－Ｖ族化合物半導体材料（二元混晶半導体材料）、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ等のII－VI族化合物半導体材料、ＳｉＣ、ＳｉＧｅ等のIV－IV族化合物半導体材料、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ等の三元混晶半導体材料、ＩｎＧａＡｓＰ、ＧａＩｎＮＡｓ等の四元混晶半導体材料、ＩＴＯ、ＡＺＯ、ＩＺＯ、ＩＧＺＯ、ＧＺＯ、ＡＴＯ、ＮＴＯ、ＴＴＯ等の透明導電膜材料、等を用いることができる。また、導電パターン層２０の導電性材料として、金属材料を用いても良い。
【0025】
導電パターン層２０は、所定パターンとして、ｘ軸方向に周期的に配列された複数のパターン部を含んで形成されている。図１、図２に示した構成例では、導電パターン層２０は、具体的には、複数のパターン部として、ｙ軸方向に延びる複数本（図中では４本）の第１パターン部２１と、ｙ軸方向に延びる複数本（図中では４本）の第２パターン部２６とがｘ軸方向に交互に配列されて、グレーティング状に構成されている。なお、導電パターン層２０における複数のパターン部は、例えば、半導体製造で使用される微細加工プロセスによって形成することができる。
【0026】
第１パターン部２１は、基体層１０上でｙ軸方向の一方側（図中の下側）に形成された第１接続パターン部２２を介して、第１電極パターン部２３に電気的に接続されている。また、第１電極パターン部２３上には、第１電極２４が形成され、第１電極２４には、ワイヤ１４が接続されている。これにより、第１パターン部２１には、ワイヤ１４及び第１電極２４を介して、第１電圧が印加される。
【0027】
第２パターン部２６は、基体層１０上でｙ軸方向の他方側（図中の上側）に形成された第２接続パターン部２７を介して、第２電極パターン部２８に電気的に接続されている。また、第２電極パターン部２８上には、第２電極２９が形成され、第２電極２９には、ワイヤ１９が接続されている。これにより、第２パターン部２６には、ワイヤ１９及び第２電極２９を介して、第１電圧とは異なる第２電圧が印加される。第１、第２電極２４、２９の材料としては、金属材料を用いることができ、例えばＣｒ／Ａｕが用いられる。
【0028】
変調層３０は、電気光学（Electro-Optic：ＥＯ）ポリマーからなるＥＯポリマー層として、基体層１０及び導電パターン層２０を覆うように形成されている。具体的には、変調層３０は、図２に示すように、導電パターン層２０のパターン部２１、２６の間を充填する充填部３１と、導電パターン層２０の上面２０ａ上に所定の厚さで形成されたスペーサ部３２とを含んで構成されている。
【0029】
変調層３０、特に導電パターン層２０の第１、第２パターン部２１、２６に挟まれた領域にある充填部３１では、後述するように、導電パターン層２０を用いた電界の印加（電圧の印加）により、ＥＯポリマーの屈折率が変化する。本実施形態による光変調器１Ａでは、この変調層３０における屈折率の変化を利用して、対象光Ｌ１の位相の変調を行う。また、上記のように充填部３１及びスペーサ部３２を有する変調層３０は、例えば、導電パターン層２０のパターン部２１、２６が形成された基体層１０上に、電気光学効果を有するＥＯポリマーをスピンコーティングにより所望の厚さとなるように塗布した後、ベーキングプロセスによりＥＯポリマー内の有機物を除去し固形化することで、形成することができる。
【0030】
反射層４０は、変調層３０の上面３０ａ上に形成されている。反射層４０の材料としては、金属材料を用いることができ、例えばＡｕ（金）が用いられる。また、反射層４０の材料としては、Ａｕ以外にも、例えば、Ａｌ（アルミ）、Ａｇ（銀）、Ｐｔ（白金）、Ｔｉ（チタン）、Ｃｒ（クロム）等の金属材料を用いることができる。また、反射層４０として、金属層ではなく、例えば、誘電体多層膜を用いても良い。
【0031】
反射層４０は、基体層１０の下面１０ｂから入射してＥＯポリマーの変調層３０を通過した対象光Ｌ１を基体層１０へ向けて反射する。これにより、本実施形態の光変調器１Ａは、変調層３０を通過して位相が変調されるとともに反射層４０で反射された変調対象光Ｌ１を、変調光Ｌ２として基体層１０の下面１０ｂから外部へと出射する反射型の光変調器として構成されている。また、光変調器１Ａは、必要に応じて、対象光Ｌ１及び変調光Ｌ２が通過する開口または入射窓を有するマウント１５上に載置される。
【0032】
光変調装置２Ａでは、図１に示すように、上記構成の光変調器１Ａに対して、電圧印加部５１及び制御部５２が設けられている。電圧印加部５１の一方の端子は、ワイヤ１４を介して第１電極２４に電気的に接続され、他方の端子は、ワイヤ１９を介して第２電極２９に電気的に接続されている。これにより、光変調器１Ａの導電パターン層２０における第１、第２パターン部２１、２６に対して、電圧印加部５１から第１、第２電圧が、それぞれ印加される。
【0033】
制御部５２は、電圧印加部５１による光変調器１Ａに対する電圧印加動作（電界印加動作）を制御することにより、光変調器１Ａにおける変調対象光Ｌ１の位相変調動作を制御する。このような構成において、電圧印加部５１としては、例えば電源装置を用いることができる。また、制御部５２としては、例えばＣＰＵ、記憶部、表示部、入力部等を含むコンピュータを用いることができる。
【0034】
光変調器１Ａにおいて、導電パターン層２０の第１、第２パターン部２１、２６が設けられている領域が、対象光Ｌ１の位相を変調する変調領域として機能する。図１の構成例において、変調領域のｘ軸方向の幅はｌｘ、ｙ軸方向の幅はｌｙである。このような変調領域は、後述のように光変調器アレイを構成する場合の単位変調セルとなるものであり、そのセルサイズは、例えばｌｘ×ｌｙ＝１００μｍ×１００μｍである。
【0035】
また、図３に示すように、光変調器１Ａにおいて、導電パターン層２０の第１、第２パターン部２１、２６によるグレーティングパターンにおけるパターン部の幅をｓとし、高さをｔｇとし、配列周期をΛとする。導電パターン層２０における各パターン部の断面形状は、具体的な設計条件、作製条件により任意の形状として良いが、例えば矩形、台形、あるいは、矩形または台形で頂点が丸みを有するもの、等である。
【0036】
また、変調層３０については、導電パターン層２０の上面２０ａと、変調層３０の上面３０ａとの間のスペーサ部３２の厚さをｄとし、充填部３１及びスペーサ部３２を含む変調層３０のＥＯポリマーの全体の厚さをｔｐとする。また、反射層４０を構成する金属層の厚さをｔｒとする。
【0037】
このような構成の光変調器１Ａにおいて、導電パターン層２０における第１、第２パターン部２１、２６の配列周期Λは、好ましくは位相変調の対象となる対象光Ｌ１の波長λ未満に設定される。このように、基体層１０上に配列された導電パターン層２０のパターン部２１、２６、及びパターン部２１、２６の間を充填する変調層３０において、その配列周期Λが対象波長λよりも小さく設定されたサブ波長構造（メタサーフェス構造）を用いることにより、高次回折光の発生を抑制できるため、ＥＯポリマーの変調層３０を利用した対象光Ｌ１の位相変調を好適に実現することができる。また、サブ波長構造を用いた構成では、変調セルの小型化、及びその集積化が可能であり、また、液晶層を用いるＬＣＯＳ型ＳＬＭよりも、変調画素のサイズを小さくすることが可能である。
【0038】
図４（ａ）及び（ｂ）は、図１に示した構成の光変調器１Ａの作製例を示すＳＥＭ画像であり、図２（ａ）に示したｘｚ断面での光変調器の構造を示している。この作製例の光変調器は、設計上のパターン幅をｓ＝４４０ｎｍ、高さをｔｇ＝５７０ｎｍ、配列周期をΛ＝７８０ｎｍとして作製したものである。また、図４（ａ）、（ｂ）は、同一の光変調器の構造を異なる倍率で示している。図４に示すように、変調層３０のＥＯポリマーは、導電パターン層２０のパターン部の間に十分に充填されている。
【0039】
上記構成を有する光変調器１Ａの動作、及び機能について説明する。光変調器１Ａにおいて、変調層３０は、内部分極構造を有するＥＯポリマーによって形成されている。ＥＯポリマーの内部分極構造は、例えば、ポリマー中にＥＯ色素分子を分散することによって得られ、ＥＯポリマーに高温下で高電界を印加することで、ＥＯ色素分子等の内部分極構造を電界に沿って配向させることができる（ポーリング処理）。
【0040】
具体的には、例えば、基体層１０及び導電パターン層２０上に、上記したように変調層３０を形成した後、変調層３０のＥＯポリマーをガラス転移温度以上に加熱しながら、導電パターン層２０のパターン部２１、２６を用いて電界を印加することにより、ＥＯポリマー内部のＥＯ色素分子などの内部分極構造を有する分子を電界に沿って配向させる。その後、ＥＯポリマーを常温に戻すことで、内部分極構造の配向状態が固定される。すなわち、上記の処理を行うことで、ＥＯポリマー内において、ＥＯ色素分子が強く分極または配向した状態で固定される。
【0041】
図１に示した構成例では、導電パターン層２０において、第１、第２パターン部２１、２６がｘ軸方向に交互に配列されている。これにより、変調層３０の充填部３１では、ＥＯポリマーは±ｘ軸方向に交互に分極または配向されている。この状態で、図３に矢印Ｅによって示すように、変調層３０のＥＯポリマーに対し、導電パターン層２０を用いて内部分極構造の分極または配向の方向に沿って電界を印加することにより、ＥＯポリマーの屈折率を、電気光学効果によって印加電界（印加電圧）の強度に応じて変化させることができる。
【0042】
本実施形態の光変調器１Ａでは、このような変調層３０における屈折率変化を制御することにより、基体層１０の下面１０ｂから入射する対象光Ｌ１の位相の変調を実現する。対象光Ｌ１は、導電パターン層２０を用いた電界の印加によって屈折率が制御された変調層３０を通過することで位相が変調されるとともに、変調層３０の上部に形成された反射層４０で反射され、基体層１０の下面１０ｂから変調光Ｌ２として出射される。
【0043】
上記実施形態による光変調器１Ａ、及び光変調装置２Ａの効果について説明する。
【0044】
図１、図２に示した光変調器１Ａでは、光透過性を有する絶縁性の基体層１０の上面１０ａ上に、パターン部２１、２６を含む導電パターン層２０と、ＥＯポリマーからなる変調層３０とを形成する。また、変調層３０のＥＯポリマー層が、充填部３１及びスペーサ部３２を有し、充填部３１が、パターン部２１、２６の間を充填するとともに、スペーサ部３２が、導電パターン層２０上に所定の厚さで形成される構成とする。
【0045】
光変調器１Ａでは、上記構成において、導電パターン層２０のパターン部２１、２６を用いて変調層３０のＥＯポリマーに電界を印加して、変調層３０の屈折率を変化させることで、対象光Ｌ１の位相の変調を行っている。このような構成によれば、変調層３０において、液晶よりも高速で応答するＥＯポリマーを用いることで、変調対象光Ｌ１の位相変調を、例えば１ＭＨｚ以上の動作速度で高速に行うことができる。
【0046】
また、上記構成では、基体層１０の下面１０ｂを対象光Ｌ１の入射面として用いるとともに、基体層１０上の導電パターン層２０及び変調層３０に対し、変調層３０の上面３０ａ上に反射層４０を形成し、変調層３０で位相が変調された対象光Ｌ１を反射層４０で反射して、基体層１０の下面１０ｂから変調光Ｌ２として出射する構成としている。このような構成では、変調層３０のＥＯポリマーの厚さ等の構成条件を適切に設定することにより、変調層３０を対象光Ｌ１に対する光共振器としても機能させることができる。これにより、ＥＯポリマー層を用いた位相変調型で高速応答の光変調器１Ａを、好適に構成することが可能となる。
【0047】
光変調器１Ａの変調層３０における光共振器は、ｘ軸方向（横方向）の共振器と、ｚ軸方向（縦方向）の共振器との２つの共振器が組み合わされた構造になっている。これらのうち、ｘ軸方向の共振器は、導電パターン層２０の隣り合うパターン部２１、２６の間に挟まれた充填部３１において構成されている。また、ｚ軸方向の共振器は、変調層３０の上面３０ａ上の反射層４０と、導電パターン層２０の上面２０ａとの間に挟まれたスペーサ部３２において、非平衡ファブリペロー共振器として構成されている。
【0048】
上記の光変調器１Ａにおいて、このような光共振器の構造を考慮して、導電パターン層２０の上面２０ａと、変調層３０の上面３０ａとの間にある変調層３０のスペーサ部３２の厚さｄは、対象光Ｌ１の波長をλ、ＥＯポリマーの屈折率をｎとして、λ／４ｎの偶数倍（λ／２ｎの整数倍）に設定されていることが好ましい。これにより、変調層３０を対象光Ｌ１に対する光共振器として好適に機能させることができる。
【0049】
変調層３０への電界の印加に用いられる導電パターン層２０の構成については、上記の光変調器１Ａでは、具体的に、ｙ軸方向を長手方向とする第１、第２パターン部２１、２６を用い、第１電極２４を介して第１電圧が印加される第１パターン部２１と、第２電極２９を介して第２電圧が印加される第２パターン部２６とがｘ軸方向に交互に配列された構成としている。このような構成によれば、基体層１０上における導電パターン層２０及び変調層３０による周期的な配列構造を、好適に構成することができる。
【0050】
また、上記の光変調器１Ａにおいて、変調対象光Ｌ１の波長λについては、ＥＯポリマーの特性等を考慮して、１μｍ以上とすることが好ましい。このように波長λを設定することにより、ＥＯポリマーを用いた変調層３０において、対象光Ｌ１の位相の変調を好適に実現することができる。また、対象光Ｌ１の波長λの上限については、波長λは、１５μｍ以下であることが好ましい。
【0051】
上記構成の光変調器１Ａによる効果について、さらに説明する。図１、図２に示した光変調器１Ａでは、例えば、ＳｉＯ２からなる基体層１０上に、Ｓｉからなる導電パターン層２０、及びＥＯポリマーからなる変調層３０を形成する。このように、ＳｉＯ２基体層及びＳｉ導電パターン層を有する構成は、例えば数１００ｎｍ程度の厚さのサブ波長構造を有するＳｉ層を自立させるために、例えば、石英基板上にシリコン薄膜が形成されたＳＯＱ（Silicon on Quartz）基板を用いて作製することができる。
【0052】
ここで、ＳＯＱ基板におけるＳｉＯ２層は、例えば６２５μｍの厚さを有する。このようなＳＯＱ基板を用い、例えば特許文献１の図５に示されている構成のように、ＳｉＯ２層の下面上に反射層を形成することで反射型の光変調器を構成した場合、厚さ６２５μｍ程度のＳｉＯ２層が光共振器として機能することとなる。
【0053】
図５は、上記の特許文献１に記載の構成における光の反射率の波長依存性を示すグラフであり、図５（ａ）は、ＳｉＯ２層の厚さを５００μｍとしたときの反射率特性を示し、また、図５（ｂ）は、ＳｉＯ２層の厚さを２μｍとしたときの反射率特性を示している。図５（ａ）及び（ｂ）のグラフにおいて、横軸は変調対象光の波長（μｍ）を示し、縦軸は反射率を示している。
【0054】
図５（ａ）に示すように、ＳｉＯ２層の厚さが５００μｍと厚い場合、それに起因するファブリペロー共振が多波長で生じる。この場合、対象光の位相変調において、所望の波長とは別の波長を有する光成分が混在することになる。一方、図５（ｂ）に示すように、ＳｉＯ２層の厚さを例えば２μｍと薄くした場合、上記のような多波長でのファブリペロー共振は生じない。しかしながら、ＳＯＱ基板において、ＳｉＯ２層が均一に薄くなるように加工するプロセスは難易度が高く、研磨工程に長時間を要し、また、ＳｉＯ２層を薄くすることで光変調器の自立化が難しくなる。
【0055】
これに対して、上記実施形態による光変調器１Ａでは、上述したように、基体層１０の下面１０ｂから対象光Ｌ１が入射する構成とするとともに、ＥＯポリマーからなる変調層３０の上面３０ａ上に反射層４０を形成して、変調層３０を光共振器として機能させる構成としている。これにより、光変調器１Ａの作製プロセスを簡易化して、反射型の構造を有する位相変調型の光変調器を好適に構成することができる。
【0056】
上記実施形態による光変調器１Ａの製造方法の一例について、簡単に説明する。まず、基体層１０となるＳｉＯ２層、及び導電パターン層２０となるＳｉ層を有するＳＯＱ基板を用意し、一般的な有機洗浄によってＳＯＱ基板を洗浄する。ここでは、例えば、アセトン、ＩＰＡ、またはエタノール中にて、ＳＯＱ基板の超音波洗浄を行う。次に、スパッタ装置を使用して、ＳＯＱ基板のＳｉ層上に約１００ｎｍの厚さのＣｒ層を形成する。
【0057】
続いて、Ｃｒ層上にＥＢレジスト（例えば、ＺＥＰ５２０Ａ－７）を塗布し、スピンコーティングにより約２００ｎｍの厚さとする。その後、ＥＢ描画装置を使用して描画し、現像を行うことにより、サブ波長構造のレジストパターンを形成する。次に、レジストパターンを保護膜にしてＣｒ層のドライエッチングを行うことにより、Ｃｒマスクパターンを形成する。さらに、引き続いてＳｉ層をドライエッチングした後、Ｏ２アッシングにより残ったレジストを除去し、Ｃｒをウエットエッチングで除去する事により、導電パターン層２０となるＳｉ層のサブ波長構造を形成する。ドライエッチング用のガスとしては、例えば、Ｃｒのエッチングには、Ａｒ、Ｏ２、及びＣｌ２を用いることが出来る。Ｓｉ層のエッチングには、Ａｒ及びＣＦ４を用いることができる。続いて、フォトリソグラフィによってパターンを作製し、ＥＢ蒸着装置を使用してＣｒ／Ａｕを蒸着した後、リフトオフプロセスを行うことにより、Ｓｉ層上のＣｒ／Ａｕ電極を形成する。なお、Ｃｒ／Ａｕ電極の厚さについては、例えば、Ｃｒ（１０ｎｍ）／Ａｕ（２００ｎｍ）として形成することができる。
【0058】
次に、ＳｉＯ２層及びＳｉサブ波長構造上に、変調層３０となるＥＯポリマー層を形成する。ここでは、例えば、２０ｗｔ％のＥＯポリマー溶液を用い、Ｓｉサブ波長構造上にスピンコーティングを行う。この場合、スピンコートにおける回転数を２０００ｒｐｍとすると、ＥＯポリマー層の厚さは約２μｍとなる。続いて、ＥＯポリマー層から溶剤を除去するために、ベーキングを行う。ベーキングは、例えば２回に分けて行う。この場合、１回目のベーキングは、クリーンルーム内において１２０℃で６０分間行い、２回目のベーキングは、真空チャンバー内において１００℃で６０分間行う。
【0059】
続いて、Ｃｒ電極の上部にあるＥＯポリマー層に対してフォトレジストでマスクを形成し、スパッタ装置を使用して、反射層４０となるＡｕ薄膜を、約１００ｎｍの厚さでＥＯポリマー層上に形成する。マスク部分、及びその下にあるＥＯポリマー層は、有機溶剤、またはＯ２アッシング等によって除去する。
【0060】
次に、ＥＯポリマー層のポーリング処理を行う。ＥＯポリマーのガラス転移温度である約１２３℃に素子を徐々に加熱し、その状態で例えば３０分間、電極間に所定の電界（例えば、１００Ｖ／μｍ）を印加する。その後、素子を室温まで急冷することにより、ＥＯポリマー内のＥＯ色素分子の配向が固定され、これにより、ＥＯポリマー層はポッケルス効果を示すようになる。
【0061】
【0062】
上記実施形態による光変調器１Ａの特性について、具体的な構成例、測定データ、及び計算データとともに説明する。以下の測定例、及び計算例においては、基体層１０をＳｉＯ２層、導電パターン層２０をＳｉ層、反射層４０をＡｕ層としている。
【0063】
図６は、図１に示した光変調器１Ａによる光の位相変調における位相の波長依存性の測定例を示すグラフである。この測定例では、導電パターン層２０におけるパターン部の幅をｓ＝４２０ｎｍ、高さをｔｇ＝５７０ｎｍ、配列周期をΛ＝７８０ｎｍ、変調層３０のＥＯポリマーの全体の厚さをｔｐ＝２００６ｎｍとして作製した光変調器についての測定データを示している。図６のグラフにおいて、横軸は変調対象光の波長（ｎｍ）を示し、縦軸は対象光の位相変調における位相（ｒａｄ）を示している。
【0064】
また、図６において、グラフＧ１は、印加電圧を０Ｖとしたときの位相特性を示し、グラフＧ２は、印加電圧を＋３０Ｖとしたときの位相特性を示している。この測定例では、光変調器１Ａに対して＋３０Ｖの外部電圧を印加することにより、波長λ＝１５２７．８ｎｍにおいて、５．２６ｒａｄ（３０１度）の動的な位相変調が実現されている。
【0065】
図７～図９は、図３に示したように、導電パターン層２０における各パターン部の断面形状を矩形（長方形）とした構成における光変調器１Ａの特性の計算例を示している。この計算例では、対象光Ｌ１の波長をλ＝１５５０．８ｎｍ、偏光方向をＴＥとし、導電パターン層２０におけるパターン部の幅をｓ＝３７８ｎｍ、高さをｔｇ＝５５３ｎｍ、配列周期をΛ＝７５６ｎｍ、パターン部の角度をθｇ＝９０度、変調層３０のＥＯポリマーの全体の厚さをｔｐ＝２００６ｎｍ、反射層４０の厚さをｔｒ＝１００ｎｍとした構成についての計算データを示している。この場合、導電パターン層２０におけるグレーティングパターンのデューティ比は０．５である。
【0066】
図７（ａ）及び（ｂ）は、光変調器における光の反射率の波長依存性を示すグラフであり、図７（ｂ）のグラフは、図７（ａ）のグラフを一部拡大して示している。図７のグラフにおいて、横軸は変調対象光の波長（μｍ）を示し、縦軸は光の反射率を示している。また、図７（ａ）及び（ｂ）において、グラフＧ３は、変調層３０のＥＯポリマーの屈折率をｎ＝１．６００としたときの反射率特性を示し、グラフＧ４は、ＥＯポリマーの屈折率をｎ＝１．６０５としたときの反射率特性を示している。図７に示す反射率特性では、波長λ＝１５５０．８ｎｍを含む所望の波長帯域において、反射率９０％以上の高い反射率が得られている。
【0067】
図８は、光変調器による光の位相変調における位相の波長依存性を示すグラフである。図８のグラフにおいて、横軸は変調対象光の波長（μｍ）を示し、縦軸は位相（ｄｅｇ）を示している。また、図８において、グラフＧ５は、変調層３０のＥＯポリマーの屈折率をｎ＝１．６００としたときの位相特性を示し、グラフＧ６は、ＥＯポリマーの屈折率をｎ＝１．６０５としたときの位相特性を示している。図８に示す位相特性は、測定データに関して図６に示した位相特性に対応している。
【0068】
図９は、光変調器による光の位相変調における位相の屈折率依存性（印加電圧依存性）を示すグラフである。図９のグラフにおいて、横軸は変調層３０のＥＯポリマーの屈折率を示し、縦軸は位相（ｄｅｇ）を示している。また、図９のグラフでは、対象光の波長をλ＝１５５０．８ｎｍに設定している。このグラフに示すように、導電パターン層２０への印加電圧を変化させて、変調層３０のＥＯポリマーの屈折率を制御することにより、対象光の位相を任意に変調することができる。
【0069】
ここで、導電パターン層２０を用いて変調層３０に電界（電圧）を印加したときのＥＯポリマーの屈折率の変化について説明する。ポッケルス効果による電気光学材料の屈折率の変化は、下記の（１）式によって見積もることができる。
ここで、ｎはＥＯポリマーの屈折率で、上記の構成例ではｎ＝１．６００であり、ｒ３３はＥＯポリマーの電気光学定数で、想定しているＥＯポリマー材料ではｒ３３＝１００ｐｍ／Ｖである。また、Ｖｍは外部印加電圧であり、Ｗｇは導電パターン層２０のグレーティングパターンにおけるパターン間隔である。
【数1】
ここで、ｎはＥＯポリマーの屈折率で、上記の構成例ではｎ＝１．６００であり、ｒ３３はＥＯポリマーの電気光学定数で、想定しているＥＯポリマー材料ではｒ３３＝１００ｐｍ／Ｖである。また、Ｖｍは外部印加電圧であり、Ｗｇは導電パターン層２０のグレーティングパターンにおけるパターン間隔である。
【0070】
上記構成の光変調器１Ａの適用例として、具体的に、導電パターン層２０でのグレーティングの方向と、入射する変調対象光Ｌ１の電界の方向とが同じ方向を向くＴＥ波の場合に動作する構成を想定すると、ＥＯポリマーの電気光学定数は、
となる。これらの値を、上記の（１）式に代入すると、電圧３０Ｖを印加したときの屈折率変化Δｎは、下記の（３）式のようになる。
なお、上記の計算例では、少し余裕を見てΔｎ＝０．００５で計算を行っている。また、実際の光変調器では、例えば±４０Ｖ程度まで電圧を印加することができる。
【数2】
となる。これらの値を、上記の（１）式に代入すると、電圧３０Ｖを印加したときの屈折率変化Δｎは、下記の（３）式のようになる。
【数3】
なお、上記の計算例では、少し余裕を見てΔｎ＝０．００５で計算を行っている。また、実際の光変調器では、例えば±４０Ｖ程度まで電圧を印加することができる。
【0071】
上記の計算例では、導電パターン層２０における各パターン部の断面形状を矩形と仮定したが、実際に作製する光変調器では、パターン部の断面形状が、例えば台形となる場合がある。図１０は、図３に示した光変調器の構成の変形例を示す図である。この構成例では、導電パターン層２０のグレーティングパターンにおけるパターン部の幅をｓとし、高さをｔｇとし、配列周期をΛとしている点では図３と同様であるが、パターン部の断面形状が矩形ではなく、傾斜角度θｇの台形となっている。
【0072】
図１１は、図１０に示した構成の光変調器による光の位相変調における位相の屈折率依存性を示すグラフである。この計算例では、対象光Ｌ１の波長をλ＝１６３０．５ｎｍ、偏光方向をＴＥとし、導電パターン層２０におけるパターン部の幅をｓ＝４４０ｎｍ、高さをｔｇ＝５７０ｎｍ、配列周期をΛ＝７８０ｎｍ、パターン部の角度をθｇ＝８７．５度、変調層３０のＥＯポリマーの全体の厚さをｔｐ＝２μｍ、反射層４０の厚さをｔｒ＝１００ｎｍとした構成についての計算データを示している。この場合、導電パターン層２０におけるグレーティングパターンのデューティ比は０．５６４である。
【0073】
上記構成の光変調器１Ａにおいて、導電パターン層２０における各パターン部の断面形状、例えば、断面の台形形状における傾斜角度θｇが変化すると、光変調器の反射特性、位相変調特性等が変化する。図１２（ａ）及び（ｂ）は、図１０に示した構成の光変調器における光の反射率の波長依存性を示すグラフである。
【0074】
図１２（ａ）は、パターン部の幅をｓ＝３６０ｎｍ、高さをｔｇ＝５７０ｎｍ、配列周期をΛ＝７８０ｎｍ、デューティ比を０．４６１とした場合の光変調器の反射率特性を示している。また、図１２（ｂ）は、パターン部の幅をｓ＝４４０ｎｍ、高さをｔｇ＝５７０ｎｍ、配列周期をΛ＝７８０ｎｍ、デューティ比を０．５６４とした場合の光変調器の反射率特性を示している。
【0075】
図１２のグラフにおいて、横軸は変調対象光の波長（μｍ）を示し、縦軸は光の反射率を示している。また、図１２（ａ）及び（ｂ）において、グラフＧ１１、Ｇ２１は、パターン部の台形形状の角度をθｇ＝８３度としたときの反射率特性を示し、グラフＧ１２、Ｇ２２は、θｇ＝８５度としたときの反射率特性を示し、グラフＧ１３、Ｇ２３は、θｇ＝８７度としたときの反射率特性を示し、グラフＧ１４、Ｇ２４は、θｇ＝９０度として断面形状を矩形としたときの反射率特性を示している。
【0076】
図１２（ａ）及び（ｂ）に示すグラフでは、導電パターン層２０におけるパターン部の傾斜角度θｇが垂直（９０度）から変化すると、共振位置の波長が短波長側へシフトする傾向にある。また、実際の素子では、パターン部の配列周期Λ等の他のパラメータによっても、共振位置の波長などの素子特性が変化する。したがって、光変調器の設計、作製、及びその特性の評価等においては、それらの構造パラメータの特性への影響を適切に考慮することが必要である。
【0077】
上記実施形態による光変調器１Ａにおける変調層３０の光共振器としての機能、及び変調層３０での光の閉じ込めについて説明する。上記構成の光変調器１Ａでは、導電パターン層２０及び変調層３０による基体層１０上の微細構造、及び光共振器構造において変調対象光を閉じ込めることで、変調層３０のＥＯポリマーによる対象光の位相変調を好適に実現することができる。なお、以下の計算例においては、パターン部の断面形状を、傾斜角度θｇ＝９０度の矩形形状としている。
【0078】
図１３は、光変調器１Ａの内部における変調対象光の電場強度分布を示す図である。この計算例では、対象光Ｌ１の波長をλ＝１．５５μｍ、偏光方向をＴＥとし、導電パターン層２０におけるパターン部の幅をｓ＝３７８ｎｍ、高さをｔｇ＝５５３ｎｍ、配列周期をΛ＝７５６ｎｍ、変調層３０のＥＯポリマーの全体の厚さをｔｐ＝２００６ｎｍ、反射層４０の厚さをｔｒ＝１００ｎｍとした構成についての計算データを示している。
【0079】
図１３（ａ）は、ｘｚ断面（図２（ａ）参照）における電場強度分布を示している。図１３（ａ）の分布図において、横軸はｘ（μｍ）を示し、縦軸はｚ（μｍ）を示し、図中の白線は、基体層１０、導電パターン層２０、変調層３０、及び反射層４０の各層の境界を示している。また、図１３（ｂ）は、図１３（ａ）の分布図で、導電パターン層２０の各パターン部の中心を通る線に沿った電場強度分布を示すグラフである。図１３（ｂ）のグラフにおいて、横軸はｘ（μｍ）を示し、縦軸は電場強度を示している。また、光変調器への対象光の入射については、ＳｉＯ２基体層１０のｚ＝－０．５μｍの位置からの対象光の入射を想定して計算を行っている。
【0080】
図１３（ａ）及び（ｂ）の分布図及びグラフに示すように、上記構成の光変調器１Ａでは、導電パターン層２０の第１、第２パターン部２１、２６の間にある変調層３０の充填部３１において、対象光Ｌ１が閉じ込められている。これにより、ＥＯポリマーからなる変調層３０において、対象光Ｌ１を高効率で位相変調することができる。
【0081】
図１４は、光変調器の内部における変調対象光の電場強度分布を示す図であり、図１３と同様に、図１４（ａ）は、ｘｚ断面における電場強度分布を示し、図１４（ｂ）は、導電パターン層２０の各パターン部の中心を通る線に沿った電場強度分布のグラフを示している。また、この計算例では、変調層３０上に反射層４０が設けられていない構成についての計算データを示している。図１３及び図１４を比較すると、変調層３０上に反射層４０を形成することにより、変調層３０における光共振器の機能、及び光の閉じ込め効果が大きく向上されている。
【0082】
上記構成の光変調器１Ａでは、図１３に示した光の閉じ込め効果を考慮して、導電パターン層２０の上面２０ａと、変調層３０の上面３０ａとの間にある変調層３０のスペーサ部３２の厚さｄ（図３参照）を、対象光Ｌ１の波長をλ、ＥＯポリマーの屈折率をｎとして、λ／４ｎの偶数倍に設定することが好ましい。ここで、対象光の波長をλ＝１．５５μｍ、ＥＯポリマーの屈折率をｎ＝１．６０とすると、
である。また、充填部３１の厚さ（パターン部の高さ）ｔｇを０．５５３μｍとし、スペーサ部３２の厚さｄを、ｍを１以上の整数としてｄ＝ｍ×λ／４ｎとすると、スペーサ部３２及び充填部３１を含む変調層３０の全体の厚さｔｐは、
となる。
【数4】
である。また、充填部３１の厚さ（パターン部の高さ）ｔｇを０．５５３μｍとし、スペーサ部３２の厚さｄを、ｍを１以上の整数としてｄ＝ｍ×λ／４ｎとすると、スペーサ部３２及び充填部３１を含む変調層３０の全体の厚さｔｐは、
【数5】
となる。
【0083】
図１５（ａ）、（ｂ）、図１６（ａ）、（ｂ）は、ＥＯポリマーからなる変調層３０の厚さを変化させたときの変調対象光の電場強度分布の変化を示す図である。図１５（ａ）は、ｄ＝５×λ／４ｎ、ｔｐ＝１７６４ｎｍとしたときの電場強度分布図を示している。図１５（ｂ）は、ｄ＝６×λ／４ｎ、ｔｐ＝２００６ｎｍとしたときの電場強度分布図を示している。図１６（ａ）は、ｄ＝７×λ／４ｎ、ｔｐ＝２２４８ｎｍとしたときの電場強度分布図を示している。図１６（ｂ）は、ｄ＝８×λ／４ｎ、ｔｐ＝２４９１ｎｍとしたときの電場強度分布図を示している。
【0084】
これらの図１５、図１６の電場強度分布図に示すように、変調層３０におけるスペーサ部３２の厚さｄをλ／４ｎの偶数倍（λ／２ｎの整数倍）に設定することにより、変調層３０における光の閉じ込め効果を向上することができる。また、これにより、変調層３０による対象光の位相変調を、好適に実現することができる。
【0085】
光変調器の具体的な構成について、上記構成の変形例とともにさらに説明する。
【0086】
図１７は、図１、図２に示した光変調器の第１変形例の構成を示すｘｚ側面断面図である。本構成例による光変調器１Ｂでは、光変調器１Ａの構成に加えて、基体層１０の下面１０ｂ上に、下面１０ｂから入射する対象光Ｌ１に対する反射率を低減するための反射防止膜１１が形成されている。これにより、光変調器１Ｂへの対象光Ｌ１の入射効率を向上することができる。
【0087】
反射防止膜１１としては、具体的には例えば、誘電体多層膜を用いることができる。ここで、反射防止膜１１の構成の一例として、厚さ３６４．４６ｎｍのＮｂ２Ｏ５層、厚さ１６７．３６ｎｍのＳｉＯ２層、厚さ２７０．８３ｎｍのＮｂ２Ｏ５層、厚さ１０６．５８ｎｍのＳｉＯ２層、厚さ３４．５ｎｍのＮｂ２Ｏ５層、及び厚さ９．６２ｎｍのＳｉＯ２層の６層からなる誘電体多層膜を想定する。
【0088】
図１８は、図１７に示した光変調器１Ｂの反射防止膜１１における光の透過率の波長依存性を示すグラフであり、反射防止膜として上記した構成の誘電体多層膜を用いた場合の透過率特性を示している。図１８のグラフにおいて、横軸は変調対象光の波長（ｎｍ）を示し、縦軸は対象光の透過率（％）を示している。図１８のグラフでは、対象光の波長が１４００ｎｍ～１６００ｎｍの領域において、ＳｉＯ２基体層１０における光の反射率が０．５％以下となっている。これにより、上記構成の光変調器を、例えばレーザ加工でのレーザ光の掃引、位相変調等に用いる場合に、光の利用効率を高めることができる。
【0089】
図１９は、図１、図２に示した光変調器の第２変形例の構成を示すｘｚ側面断面図である。本構成例による光変調器１Ｃでは、光変調器１Ａの構成に加えて、基体層１０の下面１０ｂ上に、下面１０ｂから入射する対象光Ｌ１を変調層３０を含む変調領域へと集光するためのメタレンズ１２が形成されている。このようなメタレンズ１２は、例えば、ＳｉＯ２基体層１０の下面１０ｂ上にＳｉ層をスパッタにより蒸着し、そのＳｉ層に微細加工を施してレンズ機能を持たせることで形成することができる。また、図１９に示す構成例では、導電パターン層２０、変調層３０、及び反射層４０を含む変調セルを、基体層１０上に２個形成し、そのそれぞれに対してメタレンズ１２を設けている。
【0090】
ここで、メタレンズについて簡単に説明する。メタレンズは、波長よりも小さい構造体を用いることにより、入射光の透過強度や位相を変調する静的光学素子であり、例えば、作製が容易なＳｉＯ２基板上の波長サイズ以下の円柱形状のＳｉ層を単位セルとし、複数の単位セルを配列することで構成される。例えば、ブレーズド回折格子のような位相分布となるように、各単位セルのＳｉ円柱形状を構成、配置すると、得られるＳｉ微細構造体は、回折格子として機能する。
【0091】
図２０（ａ）、（ｂ）、図２１（ａ）、（ｂ）は、図１９に示した光変調器１Ｃにおいて、基体層１０の下面１０ｂ上に形成されるメタレンズ１２の設計例を示す図である。図２０（ｂ）は、図２０（ａ）に示したメタレンズの設計例を拡大して示している。また、図２１（ａ）は、図２０に示したメタレンズの中心部の拡大図であり、図２１（ｂ）は、端部の拡大図である。
【0092】
また、図２２は、メタレンズ１２の作製例を示すＳＥＭ画像である。ここでは、基体層１０となるＳｉＯ２基板上に、厚さ７５０ｎｍのＳｉ層を形成し、微細加工プロセスによってＳｉを円柱形状に加工した単位セルを複数配列することで、メタレンズを形成している。具体的には、Ｓｉ円柱形状の直径が異なる８種類の単位セルを使用し、位相分布が下記のフレネルレンズの（６）式
となるように単位セルを配置することで、メタレンズを構成する。
【数6】
となるように単位セルを配置することで、メタレンズを構成する。
【0093】
図２０～図２２に示した例のメタレンズでは、対象光の波長をλ＝１３００ｎｍ、単位セルのサイズを３５０ｎｍとし、８種類の単位セルにおけるＳｉ円柱形状の直径を、それぞれ１３０ｎｍ、１６０ｎｍ、２００ｎｍ、２２０ｎｍ、２６０ｎｍ、２８０ｎｍ、３００ｎｍ、３２０ｎｍとする。このような構成において、各単位セル（サブ波長要素）を通過した光の位相変化は、０π、π／４、π／２、３π／４、π、５π／４、３π／２、７π／４である。また、ここでは、メタレンズの焦点距離をｆ＝６５０μｍ、レンズ半径をｒ＝６０μｍとしている。
【0094】
図１９に示すように、基体層１０の上面１０ａ上に設けられる導電パターン層２０、変調層３０、及び反射層４０による変調セルに対し、基体層１０の下面１０ｂ上にメタレンズ１２を設けることにより、より微小化した変調セルに光を誘導することが可能となり、これにより、光変調器のさらなる集積化、高速化が可能となる。
【0095】
上記構成の光変調器を用いた光変調器アレイの構成について説明する。光変調器アレイは、単位変調セルとなる上記構成の光変調器を複数用い、複数の光変調器を１次元または２次元アレイ状に配列して、構成することができる。具体的には例えば、Ｍを１以上の整数、Ｎを２以上の整数として、複数の光変調器（複数の変調セル）をＭ行Ｎ列に１次元または２次元アレイ状に配列することで、光変調器アレイが構成される。このような構成によれば、上記構成の光変調器を変調画素として、１次元または２次元の変調パターンによる対象光の位相変調を好適に実現することができる。
【0096】
図２３は、図１に示した光変調器を用いた１次元光変調器アレイの構成を示す平面図である。本構成例における光変調器アレイ３Ａは、図１、図２に示した構成を有し、基体層１０、導電パターン層２０、変調層３０、及び反射層４０をそれぞれ備える光変調器１ＡをＮ個の変調セルＰ１～ＰＮとして用い、ｘ軸方向を配列方向として、１次元アレイ状に配列して構成されている。
【0097】
なお、本構成例では、変調層３０及び反射層４０は、図２３中に破線で示すように、Ｎ個の変調セルＰ１～ＰＮの全体に対して一体に形成されている。また、基体層１０については、Ｎ個の変調セルＰ１～ＰＮで個別に設けられていても良く、あるいは一体に設けられていても良い。
【0098】
図２４は、図１に示した光変調器を用いた２次元光変調器アレイの構成を示す平面図であり、図２５は、図２４に示した２次元光変調器アレイの構成を一部拡大して示す平面図である。本構成例における光変調器アレイ３Ｂは、図１、図２に示した構成を有し、基体層１０、導電パターン層２０、変調層３０、及び反射層４０をそれぞれ備える光変調器１Ａを６×６個の変調セルＰ１，１～Ｐ６，６として用い、ｘ軸方向及びｙ軸方向を配列方向として、２次元アレイ状に配列して構成されている。なお、図２４においては、変調層３０及び反射層４０の図示を省略している。
【0099】
本構成例の光変調器アレイ３Ｂでは、第１、２行の変調セルＰ１，１～Ｐ１，６、Ｐ２，１～Ｐ２，６において、第１電極２４が各列の変調セルＰ１，ｎ、Ｐ２，ｎで共通に設けられ、それらの第１電極２４に対して、共通のグランド線Ｗ１０が接続されている。また、第１行の変調セルＰ１，１～Ｐ１，６において、各列の変調セルの第２電極２９に対して、個別の変調信号線Ｗ１１～Ｗ１３、Ｗ１４～Ｗ１６が接続されている。また、第２行の変調セルＰ２，１～Ｐ２，６において、各列の変調セルの第２電極２９に対して、個別の変調信号線Ｗ２１～Ｗ２３、Ｗ２４～Ｗ２６が接続されている。
【0100】
また、第３、４行の変調セルＰ３，１～Ｐ３，６、Ｐ４，１～Ｐ４，６において、第１電極２４が各列の変調セルＰ３，ｎ、Ｐ４，ｎで共通に設けられ、それらの第１電極２４に対して、共通のグランド線Ｗ３０が接続されている。また、第３行の変調セルＰ３，１～Ｐ３，６において、各列の変調セルの第２電極２９に対して、個別の変調信号線Ｗ３１～Ｗ３３、Ｗ３４～Ｗ３６が接続されている。また、第４行の変調セルＰ４，１～Ｐ４，６において、各列の変調セルの第２電極２９に対して、個別の変調信号線Ｗ４１～Ｗ４３、Ｗ４４～Ｗ４６が接続されている。
【0101】
また、第５、６行の変調セルＰ５，１～Ｐ５，６、Ｐ６，１～Ｐ６，６において、第１電極２４が各列の変調セルＰ５，ｎ、Ｐ６，ｎで共通に設けられ、それらの第１電極２４に対して、共通のグランド線Ｗ５０が接続されている。また、第５行の変調セルＰ５，１～Ｐ５，６において、各列の変調セルの第２電極２９に対して、個別の変調信号線Ｗ５１～Ｗ５３、Ｗ５４～Ｗ５６が接続されている。また、第６行の変調セルＰ６，１～Ｐ６，６において、各列の変調セルの第２電極２９に対して、個別の変調信号線Ｗ６１～Ｗ６３、Ｗ６４～Ｗ６６が接続されている。
【0102】
なお、本構成例では、変調層３０及び反射層４０は、図２５中に破線で示すように、６×６個の変調セルＰ１，１～Ｐ６，６の全体に対して一体に形成されている。また、基体層１０については、６×６個の変調セルＰ１，１～Ｐ６，６で個別に設けられていても良く、あるいは一体に設けられていても良い。
【0103】
光変調器、及び光変調器アレイは、上記実施形態及び構成例に限られるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、導電パターン層２０における複数のパターン部については、上記実施形態では、第１電圧が印加される第１パターン部と、第２電圧が印加される第２パターン部とが交互に配列された構成を示しているが、このような構成に限られるものではなく、具体的には様々なパターンを用いて良い。
【産業上の利用可能性】
【0104】
本発明は、変調対象光の位相の変調を高速で行うことが可能な光変調器、及び光変調器アレイとして利用可能である。
【符号の説明】
【0105】
１Ａ、１Ｂ、１Ｃ…光変調器、２Ａ…光変調装置、３Ａ、３Ｂ…光変調器アレイ、
１０…基体層、１０ａ…上面、１０ｂ…下面、１１…反射防止膜、１２…メタレンズ、１４、１９…ワイヤ、１５…マウント、
２０…導電パターン層、２０ａ…上面、２１…第１パターン部、２２…第１接続パターン部、２３…第１電極パターン部、２４…第１電極、２６…第２パターン部、２７…第２接続パターン部、２８…第２電極パターン部、２９…第２電極、
３０…変調層、３０ａ…上面、３１…充填部、３２…スペーサ部、４０…反射層、
５１…電圧印加部、５２…制御部、Ｐ１～ＰＮ、Ｐ１，１～Ｐ６，６…変調セル、Ｗ１０、Ｗ３０、Ｗ５０…グランド線、Ｗ１１～Ｗ６６…変調信号線、Ｌ１…対象光、Ｌ２…変調光。
１０…基体層、１０ａ…上面、１０ｂ…下面、１１…反射防止膜、１２…メタレンズ、１４、１９…ワイヤ、１５…マウント、
２０…導電パターン層、２０ａ…上面、２１…第１パターン部、２２…第１接続パターン部、２３…第１電極パターン部、２４…第１電極、２６…第２パターン部、２７…第２接続パターン部、２８…第２電極パターン部、２９…第２電極、
３０…変調層、３０ａ…上面、３１…充填部、３２…スペーサ部、４０…反射層、
５１…電圧印加部、５２…制御部、Ｐ１～ＰＮ、Ｐ１，１～Ｐ６，６…変調セル、Ｗ１０、Ｗ３０、Ｗ５０…グランド線、Ｗ１１～Ｗ６６…変調信号線、Ｌ１…対象光、Ｌ２…変調光。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】