光変調の方法および光変調素子
【課題】
被変調光を広帯域で変調できる光変調の方法、および小型で安価な光変調素子を提供する。
【解決手段】
被変調光が金属薄膜１の界面に金属界面光学モードを励起するように、透明誘電体２上にこの金属薄膜１を密着形成し、間隙層４を介して光撹乱体３を配置した光結合器を構成する。振動素子５により所望の振動で光撹乱体３を振動させて金属薄膜１に対する光撹乱体３の位置を変化させ、それによって光結合器から広帯域で変調された反射光を得る。
被変調光を広帯域で変調できる光変調の方法、および小型で安価な光変調素子を提供する。
【解決手段】
被変調光が金属薄膜１の界面に金属界面光学モードを励起するように、透明誘電体２上にこの金属薄膜１を密着形成し、間隙層４を介して光撹乱体３を配置した光結合器を構成する。振動素子５により所望の振動で光撹乱体３を振動させて金属薄膜１に対する光撹乱体３の位置を変化させ、それによって光結合器から広帯域で変調された反射光を得る。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、所望の周波数において光の強度又は位相を変調し、変調した光を得る方法および変調光を生成し利用できる光変調素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光の強度又は位相を変調させるには、周知のように電界、磁界及び応力などの外場による光学物質の屈折率変化を利用し、電界印加による電気光学効果を利用した透過光や超音波による音響光学効果を利用したブラッグ回折光を用いる方法が採用されている。（例えば、特許文献１等）
【０００３】
しかしながら、外場による光学物質の屈折率変化を利用した場合には、その光変調の応答性は数百ｋＨｚから数十ＭＨｚと高いものの、光変調に利用できる周波数帯域が比較的狭く、また、使用される非線形光学結晶材料は高価であるために、屈折率変化を利用した光変調素子の低コスト化が困難である。
【０００４】
一方、薄い金属薄膜を形成した、屈折率が空気よりも大きい透明誘電体を備えた光結合器において、透明誘電体を通過した光が、誘電体と空気の内部全反射領域の適宜な入射角度で金属薄膜へ入射すると、金属薄膜と空気との界面に入射光と結合した金属界面光学モードが励起され、光結合器からの反射光が減少し、金属薄膜の空気側界面付近に、自由空間を伝搬する通常光の電界よりも増大した電界を伴い、その界面からの距離に対して指数関数的に減衰する増強エバネッセント波が発生する現象が認められた。
【特許文献１】特開平１０−３３９８５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
そこで、金属薄膜を密着形成した屈折率の大きい透明誘電体、この金属薄膜の上に適宜の間隙層例えば空気層を介して光撹乱体からなる光結合器を配置し、この金属薄膜の間隙層側の界面に入射光と結合した金属界面光学モードを励起し、その増強したエバネッセント波が光撹乱体によって乱されることで、この金属界面光学モードの励起条件が変化し、それによって光結合器からの反射光を変化させる場合、その反射光が変調され、これを用いて光変調素子を実現できる可能性がある。
【０００６】
ここで、間隙層の媒質が空気であり、その空気間隙層の厚さが被変調光波長の約５倍程度以上に大きい場合には、この光撹乱体が金属界面光学モードのエバネッセント波を乱すことができず、光撹乱体によってその励起条件は影響されないために、光結合器から変調された反射光を得ることが不可能である。
【０００７】
また、金属薄膜の厚さを被変調入射光の波長の約２分の１程度以上に厚くした場合、あるいは透明誘電体の屈折率が間隙層の媒質のそれよりも小さい場合、この光結合器では、金属薄膜の界面に金属界面光学モードを励起できず、光結合器から変調された反射光を得ることができない。
【０００８】
本発明は、このような事情に鑑み、光結合器に入射した被変調光により金属薄膜の間隙層側の界面に発生させた金属界面光学モードの励起条件を、金属薄膜に対する光撹乱体の位置移動によって変化させ、低周波から高周波までの広い周波数帯域において、光結合器から変調された反射光を得る方法、およびこれを利用した小型で安価な光変調素子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】
【０００９】
本発明者は、金属薄膜を密着形成した、屈折率の大きな透明誘電体を備えた光結合器において、金属薄膜の間隙層側界面に励起した金属界面光学モードの増大したエバネッセント波が、空気間隙層の場合、間隙層領域に入射励起光の波長程度からその約３倍程度に浸出しており、その増強エバネッセント波の中に光撹乱体を導入することにより金属界面光学モードの励起条件が変化し、それによって金属薄膜からの反射光の振幅又は位相が変化することを発見し、本発明を完成したものである。
【００１０】
すなわち、請求項１に記載の発明は、金属薄膜を密着形成した透明誘電体、この金属薄膜上に適宜の間隙層を介して光撹乱体からなる光結合器を配置し、透明誘電体より所要の角度で金属薄膜に被変調光を入射して金属薄膜の間隙層側の界面に金属界面光学モードを励起し、金属薄膜に対する光撹乱体の位置を変化させることによって金属界面光学モードの励起条件を変え、それによって光結合器から変調された反射光を得られるようにしたものである。
【００１１】
また、請求項２に記載の発明は、金属薄膜を密着形成した透明誘電体、この金属薄膜上に適宜の間隙層を介して光撹乱体を配置した光結合器を構成し、その透明誘電体が、入射した被変調光により金属薄膜の間隙層側の界面に金属界面光学モードを励起させる機能を持ち、金属薄膜に対する光撹乱体の位置を変化させることによって金属界面光学モードの励起条件を変え、それによって光結合器から変調された反射光を得られるようにしたものである。
【００１２】
また、請求項３に記載の発明は、金属薄膜を密着形成した透明誘電体、この金属薄膜上に振動素子と連動した光撹乱体を適宜の間隙層を介して配置した構成の光結合器であって、振動素子を駆動させて光撹乱体を振動させることによって、金属薄膜に対する光撹乱体の位置を変化させることができるようにしたものであり、それによって変調された反射光を得られるように光結合器を構成したものである。
【００１３】
また、請求項４に記載の発明は、光撹乱体の位置を変化させるための振動素子を圧電素子としたものである。
【００１４】
また、請求項５に記載の発明は、金属薄膜に対し垂直方向に光撹乱体の位置を変化させることによって、金属薄膜の間隙層側の界面に発生した金属界面光学モードのエバネッセント波を効率良く乱すことができるようにしたものであり、それによって光結合器から効率良く変調された反射光を得られるようにしたものである。
【００１５】
また、請求項６に記載の発明は、間隙層は空気層とし、その空気間隙層の厚さを被変調光波長の約１〜３倍程度に設定することによって、光撹乱体の位置を変化させた場合でも、空気側界面の金属界面光学モードの励起条件を変化させることができるようにしたものであり、それによって変調された反射光を得られるように光結合器を配置したものである。
【００１６】
さらに、請求項７に記載の発明は、金属薄膜は例えば銀薄膜であり、透明誘電体は例えばＢＫ７ガラスの４５度直角三角形プリズムであり、空気間隙層を介して配置する光撹乱体は例えばステンレス鋼のロッドであり、振動素子は例えばＰＺＴ圧電セラミックの圧電素子であり、空気間隙層の厚さを被変調光波長の約１〜３倍程度に設定したものであり、圧電素子により金属薄膜に対し垂直方向に光撹乱体の位置を変化させ、それによって変調された反射光を得るように光結合器を構成したものである。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、低周波から高周波までの広い周波数帯域において変調された光を得ることができ、小型で安価な光変調素子を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明の光変調の方法および光変調素子は、屈折率が間隙層媒質よりも大きい透明誘電体上に金属薄膜を密着形成させ、透明誘電体を通過した被変調光が、内部全反射臨界角以上の角度で金属薄膜の間隙層側の界面に金属界面光学モードを励起させるようにしている。
【００１９】
金属薄膜に接し金属界面光学モードのエバネッセント波を形成させる間隙層は、できるだけ屈折率の低いかつ粘性の小さい非吸収性の媒質が好ましい。好ましい間隙層の媒質としては、例えば真空、或いは窒素、アルゴン、ヘリウム等の気体、特に空気が最も利用しやすい媒質として挙げられる。また、水やアルコール等のような屈折率が低くかつ粘性が小さい透明な液体も間隙層の媒質として利用できる。
【００２０】
光結合器を構成する透明誘電体は、前記間隙層よりもある程度高い屈折率を持つ非吸収性の物質ならば特に制限はなく、例えばＢＫ７、ＳＦ１１、ＬａＳＦ９等のガラス、透明プラスチックや透明高分子ポリマー等が使用でき、被変調光の波長に応じて使用する透明誘電体を選択する。屈折率がある程度高く安価である、好ましい透明誘電体としては、ガラス、特にＢＫ７ガラスが挙げられる。
【００２１】
また、透明誘電体の形状も特に制限はなく、例えば４５度直角三角形、正三角形、半円柱形、半球形、あるいは板状等、被変調光を内部全反射領域の入射角度で金属薄膜へ導入できるものであれば良く、被変調光である入射光、及び変調光となる反射光の光軸に応じて選択する。
【００２２】
金属薄膜は、金属界面光学モードを励起するために必要であり、金属界面光学モードが励起しやすい自由電子密度の高い金属材料、例えば金、銀、銅、アルミニウム、インジウム、マグネシウム等、或いはこれらの合金が使用できる。金属界面光学モードを光励起しやすい好ましい金属材料としては、特に銀と金が挙げられる。
銀は、可視光を含む近赤外から紫外線までの波長域で光吸収が他の金属よりも小さく、金属界面光学モードの光励起に最も適した金属材料であり、近赤外から紫外線までの広い波長域において本発明の光変調に対応できる。
また、金は、酸化膜等の表面改質がないために安定に金属界面光学モードを励起できる金属材料であり、強い吸収帯が存在する紫外線から青色可視光までの波長域を除けば、本発明の光変調で使用する金属薄膜材料として適する。
一方、銅やアルミニウムも本発明で使用できる金属薄膜材料である。銅は、金と同様に強い光吸収を示す紫外線から青色可視光までを除く波長域で、また、アルミニウムは、吸収の強い近赤外線を除く波長域に対して利用できる。
【００２３】
光結合器における前記の配置で、被変調光である入射光が、金属薄膜の間隙層側の界面に金属界面光学モードを励起するためには、金属薄膜には適切な厚さが必要である。例えば、被変調光の波長が可視光域であるとき、銀や金の場合で約５０ｎｍ、光吸収の強いアルミニウムでは約１５ｎｍ程度の膜厚が最適である。
銀や金等の金属、或いはこれらの合金の薄膜化は、一般に真空蒸着法やスパッタ法等により比較的容易かつ安価に行えるが、通常、膜厚が約２０ｎｍ未満であると島状構造の膜を形成しやすく表面粗さも増大するために、連続膜よりも光吸収が大きくなり、金属界面光学モードを効率良く光励起することが難しくなる。
【００２４】
本発明の変調される光としては、レーザ光等の指向性の高い単色光が好ましいが、拡がった白色光でも変調は可能である。また、前記の光結合器では、ＴＭ偏光、すなわちｐ偏光の入射光によって金属界面光学モードを励起可能であるために、被変調光としては、ＴＭ偏光の光であることが必要である。
【００２５】
前記光結合器において、金属薄膜の間隙層側の界面に発生する金属界面光学モードの増強エバネッセント波は、金属薄膜表面から指数関数的に減衰しており、その浸出する領域は、透明誘電体、金属薄膜及び間隙層媒質の屈折率、金属薄膜の厚さ、および入射励起光の波長や入射角に依存する。
例えば、間隙層が空気層である場合、増大したエバネッセント波は入射光波長の約１〜３倍程度、空気側領域に浸み出している。したがって、入射光を変調させるには、この場合、金属薄膜と光撹乱体との距離としては、被変調光波長の約１〜３倍程度以内の距離が最適である。
【００２６】
一方、その距離が被変調光波長の約５倍程度以上である場合には、金属界面光学モードのエバネッセント波の強度は極めて小さくなり、前記光結合器からの反射光は、光撹乱体によって影響されない、すなわち入射光は変調されない。
【００２７】
光撹乱体の位置変化は、被変調光が発生させる金属界面光学モードのエバネッセント波の中で行なわれる必要があるが、光撹乱体を位置変化させる方向としては、そのエバネッセント波の存在する領域内であれば、どの方向に変位させても良く、金属薄膜に対して垂直方向、面内に平行な方向、或いはそれらの混成した任意方向、すなわち三次元の方向に光撹乱体の位置を変化させ、これにより金属薄膜からの反射光を変調させることができる。
【００２８】
本発明の変調光を制御良く得るためには、金属薄膜に対し垂直方向、或いは面内に平行な一軸方向が光撹乱体の位置移動の方向として好ましく、エバネッセント波は金属薄膜の垂直方向に強度変化が大きいために、特に垂直方向に光撹乱体を位置変化させることが好ましい。
【００２９】
本発明の光変調の方法および光変調素子は、屈折率が間隙層の媒質よりも大きい透明誘電体を用いて、金属薄膜の間隙層側の界面に金属界面光学モードを励起し、間隙層に浸み出した増強したエバネッセント波を乱す光撹乱体の位置を変化させることによって、光結合器から変調させた反射光を得ることを特徴としている。
したがって、本発明で使用できる光撹乱体としては、屈折率が間隙層媒質と大きく異なる物質であればなんでも良く、例えば金属、セラミックス、ガラス、プラスチック、有機色素、高分子ポリマー等、高屈折率材料や光吸収性材料が使用できる。
【００３０】
また、金属界面光学モードのエバネッセント波を乱す光撹乱体の形状としては、特に制限はなく、例えば直方体、三角柱、円柱体、三角錐体、四角錐体、円錐体、および球体や半球体等が利用でき、またフィルム状でも適用できる。加工の容易な立体である円柱体や円錐体が特に好ましい。
【００３１】
金属薄膜上における被変調光の照射面に対向する、光撹乱体の先端部分は、表面粗さや汚れ等が存在しても良く、どのような状態でも利用できるが、本発明において、滑らかな変調光を得るためには、その先端面部分は平滑であることが好ましい。
【００３２】
また、光撹乱体の先端部分の寸法としては、反射光の変調を効率良く行うために、照射面積と同程度、又はやや大きい面積とすることが好ましい。
金属界面光学モードのエバネッセント波の発生する面内領域は、被変調光の照射面積とほぼ同程度、あるいは、それよりもやや大きいために、照射面に対向する光撹乱体の先端部分の寸法が照射面積よりも極端に小さい場合には、そのエバネッセント波を大きく乱すことができず、したがって、光結合器からの反射光の変調度は極めて小さくなる。
一方、その寸法が照射面積よりも極端に大きい場合には、光撹乱体の照射面に対向する部分のみが、結局、エバネッセント波を乱すことができるために、その寸法を大きくした効果は、光変調の効率にはほとんど現れない。
【００３３】
金属薄膜に対する光撹乱体の位置変化は、振動素子に連動した光撹乱体を振動させることによって実現される。光撹乱体を振動させるための振動素子としては、電歪（圧電）又は磁歪型振動素子が使用できる。
【００３４】
電歪型振動素子である圧電素子は、振動振幅や周波数応答に優れ、かつ小型であり、一軸や二軸方向、或いは三軸方向に変位させることができ、光撹乱体の位置を変化させる振動素子として好ましく、約１ｎｍ〜約１０μｍ程度の微小な振動振幅、及び約０．０１Ｈｚ〜約１００ＭＨｚ程度の広い周波数で駆動できる。
振動性能が安定している圧電セラミックスの振動素子が特に好ましく、例えばＰＺＴ(チタン酸ジルコン酸鉛) やチタン酸バリウム等の圧電セラミックス素子が挙げられる。
【００３５】
一方、磁歪型振動素子は、ニッケル、鉄、フェライト等の強磁性体材料にコイルを巻いた構造であり、コイルに流す交流電流によって振動を発生させるために、それを小型化することがやや難しいという問題があるが、本発明の光変調の方法および光変調素子における振動素子として利用できる。
【００３６】
なお、ここでは、金属界面光学モードのエバネッセント波を乱す光撹乱体、およびその位置を変化させるために用いる振動素子を機能により分けたが、振動素子自体が光撹乱体としての機能を持つこともできるので、本発明において、振動素子を適宜の間隙層を介して金属薄膜に接近させ、振動素子自体を光撹乱体としても利用できる。
【実施例】
【００３７】
次に、図面に基づいて本発明を実施例によりさらに説明するが、以下の具体例は本発明を限定するものではない。
【００３８】
図１は、本発明の具体的な実施例における断面図である。１は金属薄膜である例えば厚さ約５０ｎｍの銀薄膜で、２は透明誘電体である例えばＢＫ７ガラスの一辺１５ｍｍの４５度直角三角形プリズム、３は光撹乱体である例えば直径約１．８ｍｍのステンレス鋼の円柱形ロッド、４は１の金属薄膜と３の光撹乱体との間隙層である例えば空気層、５は金属薄膜１に対する光撹乱体３の位置を変化させるために使用する振動素子である例えばＰＺＴ圧電セラミックスの圧電素子、６は変調された反射光を検出するための光検出器である例えばシリコンのｐｎ接合フォトダイオードである。
【００３９】
４５度直角三角形プリズム２は、被変調光を内部全反射の入射角度で銀薄膜１へ導く透明誘電体として機能し、被変調光が銀薄膜１の空気間隙層側の界面に金属界面光学モードを励起させる役割をはたす。ＢＫ７ガラスは可視光の波長域で約１．５２の屈折率を持ち、空気との内部全反射臨界角は約４１．２度であり、金属界面光学モードを励起させるために、この角度以上で金属薄膜へ被変調光を入射させる。
【００４０】
銀薄膜１の厚さは、前項の厚さより半分程度薄い場合、或いは２倍程度厚い場合でも金属界面光学モードの光励起が難しくなる。
【００４１】
ロッド３の円柱形の先端部分が、金属界面光学モードのエバネッセント波を乱す働きをはたす。その先端部分の形状は、ここでは平滑面を持つ円柱形としているが、他の形状でも光撹乱体として利用できる。
【００４２】
また、ＰＺＴ圧電セラミックスの振動素子５にロッド３を取り付けて振動させ、金属薄膜１に対する光撹乱体３の位置変化、例えばその垂直方向に位置変化させる役割をはたす。
【００４３】
なお、ロッド３を光撹乱体として用いず、振動素子５を金属薄膜１に適宜の間隙層を介して接近させて、その振動素子自体を直接、光撹乱体として利用しても良い。
【００４４】
銀薄膜１の空気間隙層側の界面に発生した金属界面光学モードのエバネッセント波が、圧電素子５により振動するロッド３で乱されるために、その位置変化に応じて光結合器からの反射光が変調される。
【００４５】
例えば、被変調光としてＴＭ偏光すなわちｐ偏光、波長５３２ｎｍでビーム径約１ｍｍである半導体レーザ励起の固体レーザ光を、銀薄膜１の空気間隙層側の界面に金属界面光学モードを励起させる入射角度で入射させ、ロッド３の先端部分を銀薄膜１の表面から約１．２μｍだけ離れた位置において、圧電素子５に変調電圧信号を印加してロッド３を銀薄膜１の垂直方向に約０．５μｍの振幅で振動させたときに銀薄膜１で反射され、４５度直角三角形プリズム２を通過した反射光の強度の時間変化を光検出器６で測定した結果の一例を図２に示す。
【００４６】
図２において、その上部図は圧電素子５へ印加した変調電圧信号の時間変化を示し、１ｋＨｚ正弦波の変調電圧信号であり、一方、下部図は光検出器６で測定した、このときの反射光強度の時間変化である。
【００４７】
図２に示すように、振動素子５に印加した変調電圧信号に同期して変調された反射光が得られた。
光撹乱体のロッド３の先端部分は、金属薄膜１の表面から被変調光波長の約２倍程度離れた位置において、被変調光の波長程度の振幅で金属薄膜１の垂直方向に振動させており、金属薄膜１と光撹乱体３との距離が被変調光波長の約５倍程度以上になると、金属界面光学モードのエバネッセント波の浸み出しが極めて小さくなり、変調された反射光を得ることができない。
【００４８】
なお、実施例の図２において、振動素子５に印加した変調電圧信号の周波数を１ｋＨｚとしているが、振動素子５が駆動可能な周波数帯域であれば、どんな周波数でも反射光は変調される。
また、その変調信号の波形も本実施例のような正弦波波形である必要は特になく、どんな変調信号波形でも良く、例えば正弦波の他に三角波、のこぎり波形、短形波、半波整流波形、および全波整流波形等が適用でき、振動素子へ印加する変調信号波形に対応して入射光を変調できる。
【００４９】
さらに、本実施例では、光撹乱体３を振動素子５によって、金属薄膜１の垂直一軸方向に振動させているが、金属薄膜１の平行な面内で一軸方向、又は二軸方向、或いは垂直と面内方向とを混成した任意方向、すなわち三軸方向で光撹乱体３を振動させた場合でも、その光撹乱体の位置変化に応じた光変調が得られる。
【００５０】
また、この場合、既に知られているように、図１に示す入射角度θが、約４１．２度の内部全反射臨界角以上である約４３度〜約４５度付近で銀薄膜上に金属界面光学モードが励起され、この入射角範囲になるようにレーザ光を入射させている。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明は、画像形成装置、画像表示装置、光走査装置、光通信用光スイッチ、および光分析装置等において、広い周波数帯域における光変調、および小型で低コスト化が要求されるような光変調素子として利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の一実施例の構成を示す概略図である。
【図２】本実施例において、金属薄膜１の垂直方向に光撹乱体３の位置を連続的に変化させるために、振動素子５に印加した電圧変調信号（上図）、および光結合器からの反射光の強度の時間変化（下図）を示す図である。
【符号の説明】
【００５３】
１ 金属薄膜
２ 透明誘電体
３ 光撹乱体
４ 間隙層
５ 振動素子
６ 光検出器
【技術分野】
【０００１】
本発明は、所望の周波数において光の強度又は位相を変調し、変調した光を得る方法および変調光を生成し利用できる光変調素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光の強度又は位相を変調させるには、周知のように電界、磁界及び応力などの外場による光学物質の屈折率変化を利用し、電界印加による電気光学効果を利用した透過光や超音波による音響光学効果を利用したブラッグ回折光を用いる方法が採用されている。（例えば、特許文献１等）
【０００３】
しかしながら、外場による光学物質の屈折率変化を利用した場合には、その光変調の応答性は数百ｋＨｚから数十ＭＨｚと高いものの、光変調に利用できる周波数帯域が比較的狭く、また、使用される非線形光学結晶材料は高価であるために、屈折率変化を利用した光変調素子の低コスト化が困難である。
【０００４】
一方、薄い金属薄膜を形成した、屈折率が空気よりも大きい透明誘電体を備えた光結合器において、透明誘電体を通過した光が、誘電体と空気の内部全反射領域の適宜な入射角度で金属薄膜へ入射すると、金属薄膜と空気との界面に入射光と結合した金属界面光学モードが励起され、光結合器からの反射光が減少し、金属薄膜の空気側界面付近に、自由空間を伝搬する通常光の電界よりも増大した電界を伴い、その界面からの距離に対して指数関数的に減衰する増強エバネッセント波が発生する現象が認められた。
【特許文献１】特開平１０−３３９８５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
そこで、金属薄膜を密着形成した屈折率の大きい透明誘電体、この金属薄膜の上に適宜の間隙層例えば空気層を介して光撹乱体からなる光結合器を配置し、この金属薄膜の間隙層側の界面に入射光と結合した金属界面光学モードを励起し、その増強したエバネッセント波が光撹乱体によって乱されることで、この金属界面光学モードの励起条件が変化し、それによって光結合器からの反射光を変化させる場合、その反射光が変調され、これを用いて光変調素子を実現できる可能性がある。
【０００６】
ここで、間隙層の媒質が空気であり、その空気間隙層の厚さが被変調光波長の約５倍程度以上に大きい場合には、この光撹乱体が金属界面光学モードのエバネッセント波を乱すことができず、光撹乱体によってその励起条件は影響されないために、光結合器から変調された反射光を得ることが不可能である。
【０００７】
また、金属薄膜の厚さを被変調入射光の波長の約２分の１程度以上に厚くした場合、あるいは透明誘電体の屈折率が間隙層の媒質のそれよりも小さい場合、この光結合器では、金属薄膜の界面に金属界面光学モードを励起できず、光結合器から変調された反射光を得ることができない。
【０００８】
本発明は、このような事情に鑑み、光結合器に入射した被変調光により金属薄膜の間隙層側の界面に発生させた金属界面光学モードの励起条件を、金属薄膜に対する光撹乱体の位置移動によって変化させ、低周波から高周波までの広い周波数帯域において、光結合器から変調された反射光を得る方法、およびこれを利用した小型で安価な光変調素子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】
【０００９】
本発明者は、金属薄膜を密着形成した、屈折率の大きな透明誘電体を備えた光結合器において、金属薄膜の間隙層側界面に励起した金属界面光学モードの増大したエバネッセント波が、空気間隙層の場合、間隙層領域に入射励起光の波長程度からその約３倍程度に浸出しており、その増強エバネッセント波の中に光撹乱体を導入することにより金属界面光学モードの励起条件が変化し、それによって金属薄膜からの反射光の振幅又は位相が変化することを発見し、本発明を完成したものである。
【００１０】
すなわち、請求項１に記載の発明は、金属薄膜を密着形成した透明誘電体、この金属薄膜上に適宜の間隙層を介して光撹乱体からなる光結合器を配置し、透明誘電体より所要の角度で金属薄膜に被変調光を入射して金属薄膜の間隙層側の界面に金属界面光学モードを励起し、金属薄膜に対する光撹乱体の位置を変化させることによって金属界面光学モードの励起条件を変え、それによって光結合器から変調された反射光を得られるようにしたものである。
【００１１】
また、請求項２に記載の発明は、金属薄膜を密着形成した透明誘電体、この金属薄膜上に適宜の間隙層を介して光撹乱体を配置した光結合器を構成し、その透明誘電体が、入射した被変調光により金属薄膜の間隙層側の界面に金属界面光学モードを励起させる機能を持ち、金属薄膜に対する光撹乱体の位置を変化させることによって金属界面光学モードの励起条件を変え、それによって光結合器から変調された反射光を得られるようにしたものである。
【００１２】
また、請求項３に記載の発明は、金属薄膜を密着形成した透明誘電体、この金属薄膜上に振動素子と連動した光撹乱体を適宜の間隙層を介して配置した構成の光結合器であって、振動素子を駆動させて光撹乱体を振動させることによって、金属薄膜に対する光撹乱体の位置を変化させることができるようにしたものであり、それによって変調された反射光を得られるように光結合器を構成したものである。
【００１３】
また、請求項４に記載の発明は、光撹乱体の位置を変化させるための振動素子を圧電素子としたものである。
【００１４】
また、請求項５に記載の発明は、金属薄膜に対し垂直方向に光撹乱体の位置を変化させることによって、金属薄膜の間隙層側の界面に発生した金属界面光学モードのエバネッセント波を効率良く乱すことができるようにしたものであり、それによって光結合器から効率良く変調された反射光を得られるようにしたものである。
【００１５】
また、請求項６に記載の発明は、間隙層は空気層とし、その空気間隙層の厚さを被変調光波長の約１〜３倍程度に設定することによって、光撹乱体の位置を変化させた場合でも、空気側界面の金属界面光学モードの励起条件を変化させることができるようにしたものであり、それによって変調された反射光を得られるように光結合器を配置したものである。
【００１６】
さらに、請求項７に記載の発明は、金属薄膜は例えば銀薄膜であり、透明誘電体は例えばＢＫ７ガラスの４５度直角三角形プリズムであり、空気間隙層を介して配置する光撹乱体は例えばステンレス鋼のロッドであり、振動素子は例えばＰＺＴ圧電セラミックの圧電素子であり、空気間隙層の厚さを被変調光波長の約１〜３倍程度に設定したものであり、圧電素子により金属薄膜に対し垂直方向に光撹乱体の位置を変化させ、それによって変調された反射光を得るように光結合器を構成したものである。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、低周波から高周波までの広い周波数帯域において変調された光を得ることができ、小型で安価な光変調素子を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明の光変調の方法および光変調素子は、屈折率が間隙層媒質よりも大きい透明誘電体上に金属薄膜を密着形成させ、透明誘電体を通過した被変調光が、内部全反射臨界角以上の角度で金属薄膜の間隙層側の界面に金属界面光学モードを励起させるようにしている。
【００１９】
金属薄膜に接し金属界面光学モードのエバネッセント波を形成させる間隙層は、できるだけ屈折率の低いかつ粘性の小さい非吸収性の媒質が好ましい。好ましい間隙層の媒質としては、例えば真空、或いは窒素、アルゴン、ヘリウム等の気体、特に空気が最も利用しやすい媒質として挙げられる。また、水やアルコール等のような屈折率が低くかつ粘性が小さい透明な液体も間隙層の媒質として利用できる。
【００２０】
光結合器を構成する透明誘電体は、前記間隙層よりもある程度高い屈折率を持つ非吸収性の物質ならば特に制限はなく、例えばＢＫ７、ＳＦ１１、ＬａＳＦ９等のガラス、透明プラスチックや透明高分子ポリマー等が使用でき、被変調光の波長に応じて使用する透明誘電体を選択する。屈折率がある程度高く安価である、好ましい透明誘電体としては、ガラス、特にＢＫ７ガラスが挙げられる。
【００２１】
また、透明誘電体の形状も特に制限はなく、例えば４５度直角三角形、正三角形、半円柱形、半球形、あるいは板状等、被変調光を内部全反射領域の入射角度で金属薄膜へ導入できるものであれば良く、被変調光である入射光、及び変調光となる反射光の光軸に応じて選択する。
【００２２】
金属薄膜は、金属界面光学モードを励起するために必要であり、金属界面光学モードが励起しやすい自由電子密度の高い金属材料、例えば金、銀、銅、アルミニウム、インジウム、マグネシウム等、或いはこれらの合金が使用できる。金属界面光学モードを光励起しやすい好ましい金属材料としては、特に銀と金が挙げられる。
銀は、可視光を含む近赤外から紫外線までの波長域で光吸収が他の金属よりも小さく、金属界面光学モードの光励起に最も適した金属材料であり、近赤外から紫外線までの広い波長域において本発明の光変調に対応できる。
また、金は、酸化膜等の表面改質がないために安定に金属界面光学モードを励起できる金属材料であり、強い吸収帯が存在する紫外線から青色可視光までの波長域を除けば、本発明の光変調で使用する金属薄膜材料として適する。
一方、銅やアルミニウムも本発明で使用できる金属薄膜材料である。銅は、金と同様に強い光吸収を示す紫外線から青色可視光までを除く波長域で、また、アルミニウムは、吸収の強い近赤外線を除く波長域に対して利用できる。
【００２３】
光結合器における前記の配置で、被変調光である入射光が、金属薄膜の間隙層側の界面に金属界面光学モードを励起するためには、金属薄膜には適切な厚さが必要である。例えば、被変調光の波長が可視光域であるとき、銀や金の場合で約５０ｎｍ、光吸収の強いアルミニウムでは約１５ｎｍ程度の膜厚が最適である。
銀や金等の金属、或いはこれらの合金の薄膜化は、一般に真空蒸着法やスパッタ法等により比較的容易かつ安価に行えるが、通常、膜厚が約２０ｎｍ未満であると島状構造の膜を形成しやすく表面粗さも増大するために、連続膜よりも光吸収が大きくなり、金属界面光学モードを効率良く光励起することが難しくなる。
【００２４】
本発明の変調される光としては、レーザ光等の指向性の高い単色光が好ましいが、拡がった白色光でも変調は可能である。また、前記の光結合器では、ＴＭ偏光、すなわちｐ偏光の入射光によって金属界面光学モードを励起可能であるために、被変調光としては、ＴＭ偏光の光であることが必要である。
【００２５】
前記光結合器において、金属薄膜の間隙層側の界面に発生する金属界面光学モードの増強エバネッセント波は、金属薄膜表面から指数関数的に減衰しており、その浸出する領域は、透明誘電体、金属薄膜及び間隙層媒質の屈折率、金属薄膜の厚さ、および入射励起光の波長や入射角に依存する。
例えば、間隙層が空気層である場合、増大したエバネッセント波は入射光波長の約１〜３倍程度、空気側領域に浸み出している。したがって、入射光を変調させるには、この場合、金属薄膜と光撹乱体との距離としては、被変調光波長の約１〜３倍程度以内の距離が最適である。
【００２６】
一方、その距離が被変調光波長の約５倍程度以上である場合には、金属界面光学モードのエバネッセント波の強度は極めて小さくなり、前記光結合器からの反射光は、光撹乱体によって影響されない、すなわち入射光は変調されない。
【００２７】
光撹乱体の位置変化は、被変調光が発生させる金属界面光学モードのエバネッセント波の中で行なわれる必要があるが、光撹乱体を位置変化させる方向としては、そのエバネッセント波の存在する領域内であれば、どの方向に変位させても良く、金属薄膜に対して垂直方向、面内に平行な方向、或いはそれらの混成した任意方向、すなわち三次元の方向に光撹乱体の位置を変化させ、これにより金属薄膜からの反射光を変調させることができる。
【００２８】
本発明の変調光を制御良く得るためには、金属薄膜に対し垂直方向、或いは面内に平行な一軸方向が光撹乱体の位置移動の方向として好ましく、エバネッセント波は金属薄膜の垂直方向に強度変化が大きいために、特に垂直方向に光撹乱体を位置変化させることが好ましい。
【００２９】
本発明の光変調の方法および光変調素子は、屈折率が間隙層の媒質よりも大きい透明誘電体を用いて、金属薄膜の間隙層側の界面に金属界面光学モードを励起し、間隙層に浸み出した増強したエバネッセント波を乱す光撹乱体の位置を変化させることによって、光結合器から変調させた反射光を得ることを特徴としている。
したがって、本発明で使用できる光撹乱体としては、屈折率が間隙層媒質と大きく異なる物質であればなんでも良く、例えば金属、セラミックス、ガラス、プラスチック、有機色素、高分子ポリマー等、高屈折率材料や光吸収性材料が使用できる。
【００３０】
また、金属界面光学モードのエバネッセント波を乱す光撹乱体の形状としては、特に制限はなく、例えば直方体、三角柱、円柱体、三角錐体、四角錐体、円錐体、および球体や半球体等が利用でき、またフィルム状でも適用できる。加工の容易な立体である円柱体や円錐体が特に好ましい。
【００３１】
金属薄膜上における被変調光の照射面に対向する、光撹乱体の先端部分は、表面粗さや汚れ等が存在しても良く、どのような状態でも利用できるが、本発明において、滑らかな変調光を得るためには、その先端面部分は平滑であることが好ましい。
【００３２】
また、光撹乱体の先端部分の寸法としては、反射光の変調を効率良く行うために、照射面積と同程度、又はやや大きい面積とすることが好ましい。
金属界面光学モードのエバネッセント波の発生する面内領域は、被変調光の照射面積とほぼ同程度、あるいは、それよりもやや大きいために、照射面に対向する光撹乱体の先端部分の寸法が照射面積よりも極端に小さい場合には、そのエバネッセント波を大きく乱すことができず、したがって、光結合器からの反射光の変調度は極めて小さくなる。
一方、その寸法が照射面積よりも極端に大きい場合には、光撹乱体の照射面に対向する部分のみが、結局、エバネッセント波を乱すことができるために、その寸法を大きくした効果は、光変調の効率にはほとんど現れない。
【００３３】
金属薄膜に対する光撹乱体の位置変化は、振動素子に連動した光撹乱体を振動させることによって実現される。光撹乱体を振動させるための振動素子としては、電歪（圧電）又は磁歪型振動素子が使用できる。
【００３４】
電歪型振動素子である圧電素子は、振動振幅や周波数応答に優れ、かつ小型であり、一軸や二軸方向、或いは三軸方向に変位させることができ、光撹乱体の位置を変化させる振動素子として好ましく、約１ｎｍ〜約１０μｍ程度の微小な振動振幅、及び約０．０１Ｈｚ〜約１００ＭＨｚ程度の広い周波数で駆動できる。
振動性能が安定している圧電セラミックスの振動素子が特に好ましく、例えばＰＺＴ(チタン酸ジルコン酸鉛) やチタン酸バリウム等の圧電セラミックス素子が挙げられる。
【００３５】
一方、磁歪型振動素子は、ニッケル、鉄、フェライト等の強磁性体材料にコイルを巻いた構造であり、コイルに流す交流電流によって振動を発生させるために、それを小型化することがやや難しいという問題があるが、本発明の光変調の方法および光変調素子における振動素子として利用できる。
【００３６】
なお、ここでは、金属界面光学モードのエバネッセント波を乱す光撹乱体、およびその位置を変化させるために用いる振動素子を機能により分けたが、振動素子自体が光撹乱体としての機能を持つこともできるので、本発明において、振動素子を適宜の間隙層を介して金属薄膜に接近させ、振動素子自体を光撹乱体としても利用できる。
【実施例】
【００３７】
次に、図面に基づいて本発明を実施例によりさらに説明するが、以下の具体例は本発明を限定するものではない。
【００３８】
図１は、本発明の具体的な実施例における断面図である。１は金属薄膜である例えば厚さ約５０ｎｍの銀薄膜で、２は透明誘電体である例えばＢＫ７ガラスの一辺１５ｍｍの４５度直角三角形プリズム、３は光撹乱体である例えば直径約１．８ｍｍのステンレス鋼の円柱形ロッド、４は１の金属薄膜と３の光撹乱体との間隙層である例えば空気層、５は金属薄膜１に対する光撹乱体３の位置を変化させるために使用する振動素子である例えばＰＺＴ圧電セラミックスの圧電素子、６は変調された反射光を検出するための光検出器である例えばシリコンのｐｎ接合フォトダイオードである。
【００３９】
４５度直角三角形プリズム２は、被変調光を内部全反射の入射角度で銀薄膜１へ導く透明誘電体として機能し、被変調光が銀薄膜１の空気間隙層側の界面に金属界面光学モードを励起させる役割をはたす。ＢＫ７ガラスは可視光の波長域で約１．５２の屈折率を持ち、空気との内部全反射臨界角は約４１．２度であり、金属界面光学モードを励起させるために、この角度以上で金属薄膜へ被変調光を入射させる。
【００４０】
銀薄膜１の厚さは、前項の厚さより半分程度薄い場合、或いは２倍程度厚い場合でも金属界面光学モードの光励起が難しくなる。
【００４１】
ロッド３の円柱形の先端部分が、金属界面光学モードのエバネッセント波を乱す働きをはたす。その先端部分の形状は、ここでは平滑面を持つ円柱形としているが、他の形状でも光撹乱体として利用できる。
【００４２】
また、ＰＺＴ圧電セラミックスの振動素子５にロッド３を取り付けて振動させ、金属薄膜１に対する光撹乱体３の位置変化、例えばその垂直方向に位置変化させる役割をはたす。
【００４３】
なお、ロッド３を光撹乱体として用いず、振動素子５を金属薄膜１に適宜の間隙層を介して接近させて、その振動素子自体を直接、光撹乱体として利用しても良い。
【００４４】
銀薄膜１の空気間隙層側の界面に発生した金属界面光学モードのエバネッセント波が、圧電素子５により振動するロッド３で乱されるために、その位置変化に応じて光結合器からの反射光が変調される。
【００４５】
例えば、被変調光としてＴＭ偏光すなわちｐ偏光、波長５３２ｎｍでビーム径約１ｍｍである半導体レーザ励起の固体レーザ光を、銀薄膜１の空気間隙層側の界面に金属界面光学モードを励起させる入射角度で入射させ、ロッド３の先端部分を銀薄膜１の表面から約１．２μｍだけ離れた位置において、圧電素子５に変調電圧信号を印加してロッド３を銀薄膜１の垂直方向に約０．５μｍの振幅で振動させたときに銀薄膜１で反射され、４５度直角三角形プリズム２を通過した反射光の強度の時間変化を光検出器６で測定した結果の一例を図２に示す。
【００４６】
図２において、その上部図は圧電素子５へ印加した変調電圧信号の時間変化を示し、１ｋＨｚ正弦波の変調電圧信号であり、一方、下部図は光検出器６で測定した、このときの反射光強度の時間変化である。
【００４７】
図２に示すように、振動素子５に印加した変調電圧信号に同期して変調された反射光が得られた。
光撹乱体のロッド３の先端部分は、金属薄膜１の表面から被変調光波長の約２倍程度離れた位置において、被変調光の波長程度の振幅で金属薄膜１の垂直方向に振動させており、金属薄膜１と光撹乱体３との距離が被変調光波長の約５倍程度以上になると、金属界面光学モードのエバネッセント波の浸み出しが極めて小さくなり、変調された反射光を得ることができない。
【００４８】
なお、実施例の図２において、振動素子５に印加した変調電圧信号の周波数を１ｋＨｚとしているが、振動素子５が駆動可能な周波数帯域であれば、どんな周波数でも反射光は変調される。
また、その変調信号の波形も本実施例のような正弦波波形である必要は特になく、どんな変調信号波形でも良く、例えば正弦波の他に三角波、のこぎり波形、短形波、半波整流波形、および全波整流波形等が適用でき、振動素子へ印加する変調信号波形に対応して入射光を変調できる。
【００４９】
さらに、本実施例では、光撹乱体３を振動素子５によって、金属薄膜１の垂直一軸方向に振動させているが、金属薄膜１の平行な面内で一軸方向、又は二軸方向、或いは垂直と面内方向とを混成した任意方向、すなわち三軸方向で光撹乱体３を振動させた場合でも、その光撹乱体の位置変化に応じた光変調が得られる。
【００５０】
また、この場合、既に知られているように、図１に示す入射角度θが、約４１．２度の内部全反射臨界角以上である約４３度〜約４５度付近で銀薄膜上に金属界面光学モードが励起され、この入射角範囲になるようにレーザ光を入射させている。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明は、画像形成装置、画像表示装置、光走査装置、光通信用光スイッチ、および光分析装置等において、広い周波数帯域における光変調、および小型で低コスト化が要求されるような光変調素子として利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の一実施例の構成を示す概略図である。
【図２】本実施例において、金属薄膜１の垂直方向に光撹乱体３の位置を連続的に変化させるために、振動素子５に印加した電圧変調信号（上図）、および光結合器からの反射光の強度の時間変化（下図）を示す図である。
【符号の説明】
【００５３】
１ 金属薄膜
２ 透明誘電体
３ 光撹乱体
４ 間隙層
５ 振動素子
６ 光検出器
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属薄膜を密着形成した透明な誘電体、この金属薄膜上に適宜の間隙層を介して光撹乱体からなる光結合器を配置し、前記透明誘電体より所要の角度で前記金属薄膜に被変調光を入射して金属薄膜の間隙層側の界面に金属界面光学モードを励起し、前記金属薄膜に対する前記光撹乱体の位置を変化させることによって、前記光結合器から変調された反射光を得ることを特徴とする光変調の方法。
【請求項２】
金属薄膜を密着形成した透明な誘電体、この金属薄膜上に適宜の間隙層を介して光撹乱体からなる光結合器を配置した構成とし、前記透明誘電体より所要の角度で前記金属薄膜に被変調光を入射して金属薄膜の間隙層側の界面に金属界面光学モードを励起し、前記金属薄膜に対する前記光撹乱体の位置を変化させることによって、前記光結合器から変調された反射光を得るように構成したことを特徴とする光変調素子。
【請求項３】
前記光結合器において、振動素子に連動した前記光撹乱体を適宜の前記間隙層を介して配置した構成とし、前記振動素子を駆動させることによって前記金属薄膜に対する前記光撹乱体の位置を変化させて、前記光結合器から前記変調された反射光を得ることを特徴とする請求項１、２のいずれか１項に記載の光変調の方法又は光変調素子。
【請求項４】
前記振動素子が圧電素子であることを特徴とする請求項３記載の光変調の方法又は光変調素子。
【請求項５】
前記光結合器において、前記金属薄膜に対し垂直方向に前記光撹乱体の位置を変化させることによって、前記光結合器から前記変調された反射光を得ることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の光変調の方法又は光変調素子。
【請求項６】
前記間隙層は空気層とし、その空気間隙層の厚さを被変調光波長の約１〜３倍程度として配置して、前記反射光の変調が可能となるように前記光結合器を構成したことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の光変調の方法又は光変調素子。
【請求項７】
前記金属薄膜は銀薄膜とし、前記透明誘電体はＢＫ７ガラスの４５度直角三角形プリズムとし、前記空気間隙層を介して配置する前記光撹乱体はステンレス鋼のロッドとし、前記振動素子をＰＺＴ圧電セラミックスの圧電素子とし、この圧電素子を駆動して前記金属薄膜の垂直方向に前記光撹乱体の位置を変化させることによって、前記光結合器から変調された反射光が得られるように前記光結合器を構成したことを特徴とする請求頃６記載の光変調の方法又は光変調素子。
【請求項１】
金属薄膜を密着形成した透明な誘電体、この金属薄膜上に適宜の間隙層を介して光撹乱体からなる光結合器を配置し、前記透明誘電体より所要の角度で前記金属薄膜に被変調光を入射して金属薄膜の間隙層側の界面に金属界面光学モードを励起し、前記金属薄膜に対する前記光撹乱体の位置を変化させることによって、前記光結合器から変調された反射光を得ることを特徴とする光変調の方法。
【請求項２】
金属薄膜を密着形成した透明な誘電体、この金属薄膜上に適宜の間隙層を介して光撹乱体からなる光結合器を配置した構成とし、前記透明誘電体より所要の角度で前記金属薄膜に被変調光を入射して金属薄膜の間隙層側の界面に金属界面光学モードを励起し、前記金属薄膜に対する前記光撹乱体の位置を変化させることによって、前記光結合器から変調された反射光を得るように構成したことを特徴とする光変調素子。
【請求項３】
前記光結合器において、振動素子に連動した前記光撹乱体を適宜の前記間隙層を介して配置した構成とし、前記振動素子を駆動させることによって前記金属薄膜に対する前記光撹乱体の位置を変化させて、前記光結合器から前記変調された反射光を得ることを特徴とする請求項１、２のいずれか１項に記載の光変調の方法又は光変調素子。
【請求項４】
前記振動素子が圧電素子であることを特徴とする請求項３記載の光変調の方法又は光変調素子。
【請求項５】
前記光結合器において、前記金属薄膜に対し垂直方向に前記光撹乱体の位置を変化させることによって、前記光結合器から前記変調された反射光を得ることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の光変調の方法又は光変調素子。
【請求項６】
前記間隙層は空気層とし、その空気間隙層の厚さを被変調光波長の約１〜３倍程度として配置して、前記反射光の変調が可能となるように前記光結合器を構成したことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の光変調の方法又は光変調素子。
【請求項７】
前記金属薄膜は銀薄膜とし、前記透明誘電体はＢＫ７ガラスの４５度直角三角形プリズムとし、前記空気間隙層を介して配置する前記光撹乱体はステンレス鋼のロッドとし、前記振動素子をＰＺＴ圧電セラミックスの圧電素子とし、この圧電素子を駆動して前記金属薄膜の垂直方向に前記光撹乱体の位置を変化させることによって、前記光結合器から変調された反射光が得られるように前記光結合器を構成したことを特徴とする請求頃６記載の光変調の方法又は光変調素子。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２００７−２９３１８４（Ｐ２００７−２９３１８４Ａ）
【公開日】平成１９年１１月８日（２００７．１１．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１２３３７４（Ｐ２００６−１２３３７４）
【出願日】平成１８年４月２７日（２００６．４．２７）
【出願人】（３０４００６６５４）
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１１月８日（２００７．１１．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年４月２７日（２００６．４．２７）
【出願人】（３０４００６６５４）
【Ｆターム（参考）】
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