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JP7500055B2 - 光変調素子及び光変調方法 - Google Patents

光変調素子及び光変調方法 Download PDF

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JP7500055B2 JP2020109950A JP2020109950A JP7500055B2 JP 7500055 B2 JP7500055 B2 JP 7500055B2 JP 2020109950 A JP2020109950 A JP 2020109950A JP 2020109950 A JP2020109950 A JP 2020109950A JP 7500055 B2 JP7500055 B2 JP 7500055B2
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Description

本発明の技術は、光変調素子及び光変調方法に関する。
従来、屈折率可変物質の一例であるLiNbO3に信号を与えることにより、入射光について、導光部材とLiNbO3との界面で全反射しない範囲内で屈折率変化を生じせしめ、光路を切り替える技術が知られている（例えば、特許文献１を参照）。この技術で用いられているLiNbO3は、ポッケルス効果を示すことが知られている（特許文献１の段落［００４０］）。
特開２００３－２０２５３７号公報
光を変調させる光変調素子として、上記特許文献１に開示されているLiNbO3が用いられる場合がある。例えば、光変調素子としてのLiNbO3に光が入射された場合には、LiNbO3において発現するポッケルス効果によって、入射された光が変調される。
しかし、LiNbO3を光変調素子として利用するためには、センチメートルオーダーの大きさのLiNbO3が必要とされるため、大量のLiNbO3が必要となる。このため、少量のLiNbO3を光変調素子として用いたとしても、効率的に光を変調することができない、という課題がある。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、バルクの性質としてはポッケルス効果を示さない物質の界面において発現するポッケルス効果を利用して、効率的に光を変調することができる、光変調素子及び光変調方法を提供することを目的とする。
本開示の第一態様は、バルクの性質としてはポッケルス効果を示さない物質に対して光が照射された際に、前記物質の界面において発現するポッケルス効果を利用することにより、照射された前記光を変調させ、前記光に対する変調光を得る、光変調素子である。
本開示の第二態様は、バルクの性質としてはポッケルス効果を示さない物質に対して光が照射された際に、前記物質の界面において発現するポッケルス効果を利用することにより、照射された前記光を変調させ、前記光に対する変調光を得る、光変調方法である。
本発明によれば、バルクの性質としてはポッケルス効果を示さない物質の界面において発現するポッケルス効果を利用して、効率的に光を変調することができる、という効果が得られる。
本発明の実施形態に係る光変調素子の概略構成を示す図である。 本発明の実施形態に係る光変調素子の概略構成を示す図である。 実施例の実験装置の概略構成を示す図である。 実施例の実験装置の詳細構成を示す図である。 実施例における光の入射角を説明するための説明図である。 実施例における従来法の概略構成を示す図である。 実施例における従来法の概略構成を示す図である。 実施例におけるＩＴＯ層の複素屈折率のグラフと空間電荷層の複素屈折率グラフである。 実施例における、従来法の実験結果（交流電圧の周波数F=20Hz）と計算結果（交流電圧の周波数F=1Hz）とを示す図である。 実施例における、新規法の実験結果（交流電圧の周波数F=223Hz）と計算結果（交流電圧の周波数F=1Hz）とを示す図である。 実施例における、新規法の実験結果（交流電圧の周波数F=223Hz）と計算結果（交流電圧の周波数F=1Hz）とを示す図である。 実施例における、新規法の実験結果（交流電圧の周波数F=30Hz）を示す図である。 実施例における、新規法の計算結果（交流電圧の周波数F=1Hz）を示す図である。 ＩＴＯ側におけるポッケルス効果を説明するための図である。 金属－半導体接合のエネルギーバンド図である。 第２実施形態に係る光変調素子の概略構成を示す図である。 実施例の実験装置の詳細構成を示す図である。 実施例の光変調素子の詳細構成を示す図である。 実験結果を示す図である。 金属－絶縁体－半導体接合のエネルギーバンド図である。 第３実施形態に係る光変調素子の概略構成を示す図である。
以下、本発明の実施形態の一例を、図面を参照しつつ説明する。なお、各図面において同一又は等価な構成要素及び部分には同一の参照符号を付与している。また、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。
（光変調素子）
図１は、本発明の第１実施形態に係る光変調素子の概略構成を示す図である。
本実施形態に係る光変調素子１０は、液体が充填されている第１部分の一例である液体層１２と、固体によって形成されている第２部分の一例である酸化インジウムスズ（ITO:Indium Tin Oxide）１４（以下、単に「ＩＴＯ層１４」と称する。）と、ガラス基板１６とを備える。液体層１２には、液体の一例である水が充填されている。本実施形態のＩＴＯ層１４は、変調される光に対して透明な酸化物透明電極である。
また、光変調素子１０は、ＩＴＯ層１４とガラス基板１６との間の界面に対して光Ｌ１を照射する光照射手段の一例である光照射装置１８と、界面において反射された光Ｌ２を受光する受光手段の一例としての受光装置２０と、電場を印加する電場印加手段の一例である電場印加装置２４Ａ及び電極２４Ｂと、を備えている。図１に示されるように、透明な容器Ｃ内に水が充填されており、液体層１２が形成されている。また、図１に示されるように、ＩＴＯ層１４と、ガラス基板１６と、電極２４Ｂとは、水が充填された容器Ｃ内に配置される。
ポッケルス効果は、誘電体結晶において電場をかけると複屈折性を示す現象として知られている。ポッケルス効果が発現するための必要条件は、対象となる材料の巨視的な反転対称性が破れていることである。この条件を満たす結晶であるLiNbO3は、光通信の光変調素子として利用されている。
しかし、LiNbO3を光変調素子として利用するためには、センチメートルオーダーの大きさのLiNbO3が必要とされる。LiNbO3は高価であるため、光変調素子にLiNbO3を利用する場合には、光変調素子を作成するためのコストが高くなる、という課題がある。
この点、水と透明電極との間の界面における電気二重層においては、反転対称性が破れることにより、ポッケルス効果が発現することが知られている。そこで、本実施形態では、液体層１２と透明電極の一例であるＩＴＯ層１４との間の界面における電気二重層において発現するポッケルス効果を利用することにより、光を変調させる。
水と透明電極との間の電気二重層において発現するポッケルス効果は、LiNbO3よりも一桁大きいポッケルス係数を有することが知られているため、効率的な光変調が期待される。
しかし、電気二重層内の水は、ナノメーターオーダーの大きさであるため、ポッケルス効果の発現による光の位相変化は小さい。そのため、水と透明電極との間の電気二重層において発現するポッケルス効果を単に利用するのみでは、効率的な光変調を実現することができない、という課題がある。
そこで、本実施形態の光変調素子１０は、バルクの性質としてはポッケルス効果を示さない物質の一例である水に対して光が照射された際に、水の界面において発現するポッケルス効果を利用する。具体的には、本実施形態の光変調素子１０は、水の界面において発現するポッケルス効果を利用して光を変調させ、変調光を得る。
本実施形態の光変調素子１０は、図２に示されるように、液体層１２とＩＴＯ層１４との間の界面に対して電場が印加されているときに、液体層１２とＩＴＯ層１４との間の界面において光が全反射されるような角度で、当該界面に対して光Ｌ１を照射する。このとき、図２に示されるように、液体層１２とＩＴＯ層１４との間の界面には、電場の印加によって電気二重層Ｅと空間電荷層Ｓとが形成される。電気二重層Ｅと空間電荷層Ｓとの存在により、ポッケルス効果が発現される。そして、光変調素子１０は、界面において全反射した光Ｌ２を反対側の端面において受光する。これにより、入射された光の効率的な変調が実現される。
以下、具体的に説明する。
電場印加装置２４Ａ及び電極２４Ｂは、液体層１２、ＩＴＯ層１４、及びガラス基板１６に対し、電場を印加する。これにより、液体層１２とＩＴＯ層１４との間の界面に対して電場が印加される。このとき、図２に示されるように、液体層１２とＩＴＯ層１４との間の界面には、電場の印加によって電気二重層Ｅと空間電荷層Ｓとが形成される。
次に、光照射装置１８は、電場印加装置２４Ａ及び電極２４Ｂにより液体層１２とＩＴＯ層１４との間の界面に対して電場が印加されているときに、図２に示されるように、ＩＴＯ層１４が存在する方向から、液体層１２とＩＴＯ層１４との間の界面において光が全反射されるような角度で当該界面に対して光Ｌ１を照射する。
このとき、光照射装置１８による光の照射によって、液体層１２とＩＴＯ層１４との間の界面においてポッケルス効果が発現する。これにより、入射された光が変調され、入射された光に対する変調光Ｌ２’が得られる。
光照射装置１８は、入射された光に対する変調光を受光する。ＩＴＯ層１４が存在する方向から、液体層１２とＩＴＯ層１４との間の界面において全反射されるように当該界面に対して光が照射されることにより、照射された光に対して電場に比例した位相変化が引き起こされる。
以上のように、本実施形態の光変調素子１０は、液体層１２とＩＴＯ層１４と電場印加装置２４Ａ及び電極２４Ｂとを備え、電場印加装置２４Ａ及び電極２４Ｂによって液体層１２とＩＴＯ層１４との間の界面に電場が印加されているときに、ＩＴＯ層１４が存在する方向から、界面において全反射されるような角度で界面に対して光を照射し、該光の照射によって界面において発現するポッケルス効果によって変調された、光に対する変調光を得る。これにより、バルクの性質としてはポッケルス効果を示さない物質の界面において発現するポッケルス効果を利用して、効率的に光を変調することができる。具体的には、液体の界面において発現するポッケルス効果を利用して効率的に光を変調することができる。特に、水と透明電極との間の電気二重層において発現するポッケルス効果は、LiNbO3よりも一桁大きいポッケルス係数を有するため、効率的に光が変調される。
本実施形態の光変調素子１０は、ＩＴＯ層１４と液体層１２との間の界面において光が全反射するように、ガラス基板１６側からＩＴＯ層１４へ大きな入射角で光を入射させる。この場合、ＩＴＯ層１４内に入射された光は、液体層１２である水との界面において全反射による100％の反射率によって反射される。更に、ＩＴＯ層１４内に入射された光は、ＩＴＯ層１４とガラス基板１６との界面において90％近い反射率によって反射される。これにより、ＩＴＯ層１４内に入射された光は、ＩＴＯ層１４と液体層１２との間の界面、及び、ＩＴＯ層１４とガラス基板１６との界面を境界とする共振器内で往復することになる。更に、ＩＴＯ層１４がわずかな吸収を持っていることから、実効的に光路長が長くなる共振器モードで、反射スペクトルに鋭い吸収dip（スペクトルのグラフにおける凹み）ができる（例えば、後述する図１２及び図１３）。従って、後述するように、液体‐ＩＴＯ界面層での屈折率変化（入射された光の位相変化）によるdip（共振器モード）のわずかな波長シフトでも、大きな相対反射率変化となり、入射された光が変調される。
ここで、ＩＴＯ層１４と液体層１２との間の界面で入射された光が全反射するとき、エバネッセント光が水の電気二重層Ｅ内に染み出す。これにより、入射された光に対し、水のポッケルス効果による屈折率変化（位相変化）が引き起こされる。具体的には、エバネッセント光が電気二重層Ｅ内に染み出すことにより、屈折率変化が起こる界面での境界条件を満たすような位相変化が起こる。
＜実施例＞
次に、上記第１実施形態の光変調素子に対応する実験結果を、実施例として説明する。
［実験装置の構成］
図３は、本実施例の実験装置の概略構成を示す図である。図３に示されるように、本実施例の実験装置は、NaCl水溶液が充填されている容器３０と、容器３０内に配置された透明導電性電極３２と、電界印加装置としての交流電圧信号生成器３４Ａと、電極３４Ｂと、交流電圧信号生成器３４Ａから発生される交流電圧を計測するオシロスコープ３６と、ロックインアンプ３８とを備えている。
本実施例では、ＴＣＯ基板（Transparent Conductive Oxide）及びＩＴＯ基板（Indium Tin Oxide）のそれぞれを透明導電性電極３２として用いた場合の実験を行った。
本実施例のＩＴＯ基板は、ガラス基板とＩＴＯ薄膜とから構成されている。ガラス基板は、厚さ1.1[mm]のソーダ石灰ガラスである。ＩＴＯ薄膜は、SnO2がドープされたIn2O3であり、厚さ330[nm]である。ＩＴＯ基板の抵抗値は５Ω/sqである。なお、ＩＴＯ薄膜の抵抗率及びキャリア密度は、それぞれ1.2×10-4[Ω・cm]、及び1.0×1021[cm-3]である。
また、本実施例のＴＣＯ基板は、ガラス基板とＩＴＯ薄膜とSnO2とから構成されている。ガラス基板は厚さ1.1[mm]であり、ＩＴＯ薄膜は厚さ300[nm]であり、SnO2は厚さ100[nm]である。また、ＴＣＯ基板の抵抗値は５Ω/sqである。
なお、ＩＴＯ基板とＴＣＯ基板とは、原材料からダイヤモンドカッターを用いて約15[mm]×50[mm]の矩形板を切り出し、その板の側面を最初に#500,1000,2000のサンドペーパーを用いて研磨した後に、最後に#10000,30000の砥粒で研磨した。
本実施例の機器配置では、図４（Ａ）に示されるように、透明導電性電極３２として用いるＩＴＯ／ＴＣＯ電極板を、厚さ1.28[mm]のガラススライド（図示省略）をスペーサーとして、36×12×0.3[mm3]の電極３４Ｂである白金Pt板と平行に対向させた。
図４（Ｂ）に、図４（Ａ）の機器配置の図をＤ方向から見た図を示す。図４（Ｂ）に示されるように、電気信号の発生器である交流電圧信号生成器３４Ａからの電圧の印加のために、透明導電性電極３２であるＩＴＯ／ＴＣＯ電極板と電極３４Ｂとを電気的に接続した。なお、図４（Ｂ）に示されるように、透明導電性電極３２であるＩＴＯ／ＴＣＯ電極板の一端から約15[mm]の部分を、約23×20×21[mm3]の容器３０に充填された0.1MのNaCl水溶液に浸漬させた。
また、図３に示されるように、本実施例の実験装置の光学系は、光源５０（Laser-Driven Light Source）と、レンズ５２（SQF50）と、レンズ５４（SQF50）と、ピンホール５６（Pinhole）と、対物レンズ５８（The objective lens x10）と、偏光子６０（Polarizer）とを備える。また、図３に示されるように、本実施例の実験装置の光学系は、透明導電性電極３２によって反射された光を受光するレンズ６２と、ファイバー６４と、ポリクロメータ６６とを備えている。ポリクロメータ６６によって受光された反射光は、ロックインアンプ３８によって電気信号へ変換される。
なお、本実施例の実験方法は、参考文献１に記載の方法に従った。
参考文献１：Kanemaru, H. et al. "Giant Pockels effect of polar organic solvents and water in the electric double layer on a transparent electrode.", RSC Adv. 7, 45682-45690 (2017).
具体的には、本実施例では、上記参考文献１に従い、電極３４Ｂを接地させた後、透明導電性電極３２に対し、１～５Ｖ（ピーク振幅）の交流電圧を周波数F=20～223Hzで印加した。また、実験を再現するための計算はすべて2Ｖ，1Hzの条件で行った。また、偏光子６０を用いて、光源５０であるXeランプから出力された平行プローブ光ビームをｓ偏光又はｐ偏光とした。そして、容器３０内の0.1[M]のNaCl水溶液中の透明導電性電極３２に、ｓ偏光又はｐ偏光となった入射光を様々な入射角で入射させた。
図５に、本実施例における入射角を説明するための説明図を示す。本実施例の入射角は、図５に示されるθにより定義される。図５に示されるように、光源５０であるXeランプからの白色光ビームＬ１を、可能な限り透明導電性電極３２の側面に入射させた。この際、白色光ビームＬ１が焦点で反射されるように、ビームをコリメートするのではなく集光させた。
なお、図３に示されるように、反射した光は、ポリクロメータ６６を通して分光させた。そして、分光させた光は、128個のアバランシェフォトダイオードを光検出器とするロックインアンプ３８により、交流電圧信号生成器３４Ａによって印加される交流電圧の周波数Ｆに同期した強度スペクトル変化を検出した。なお、測定はすべて室温で行った。
図６に、入射される光が垂直入射である場合を説明するための説明図を示す。また、図７に、入射される光が垂直入射であり、かつ電場が印加された場合を説明するための説明図を示す。図６及び図７に示される光の入射方法（以下、単に「従来法」と称する。）は、本実施例の方法（以下、単に「新規法」と称する。）と比較するために実施したものである。なお、図６及び図７に示される従来法は、説明を簡単にするため、図１及び図２に示す本実施形態に対応する新規法と同様の装置構成をとっており、入射される光Ｌ１の入射角のみが新規法と異なっている。
［新規法と従来法についての計算］
次に、新規法と従来法とについての計算結果を示す。本実施例では、多層誘電体構造の光透過率を計算するために、転送行列法を採用した。転送行列法では、電気二重層Ｅと空間電荷層Ｓとの両方が、空間的に一定の屈折率を有するものとして近似される。
上記図１及び上記図６に示されるように、電場が印加されていない場合には、液体層１２とＩＴＯ層１４とガラス基板１６との３つの誘電体層が存在することになる。
一方、上記図２及び上記図７に示されるように、電場が印加されると、液体層１２、ＩＴＯ層１４、及びガラス基板１６に加えて、電気二重層Ｅと空間電荷層Ｓとが界面に形成されて、５つの誘電体層が存在することになる。
このため、各層において用いる屈折率は、液体層１２の屈折率nw=1.33、ＩＴＯ層１４の複素屈折率nITO=n+ik（例えば、上記参考文献１の図３を参照）、ガラス基板１６の屈折率nglass＝1.52を用いた。また、ＩＴＯ層１４の厚さdITO=300[nm]、空間電荷層Ｓの厚さdSCL=30nm、電気二重層Ｅの厚さdEDL=2[nm]とした。
ここで、コンパクト層と拡散層とを含む電気二重層Ｅの厚さdEDLは、0.1[M]のイオン強度に対するデバイ-ヒュッケル長さ（例えば、以下の参考文献２を参照）から推定した。
参考文献２：E Tokunaga, Y Nosaka, M Hirabayashi, T Kobayashi, "Pockels effect of water in the electric double layer at the interface between water and transparent electrode." Surface science, 601(3), p.735-741 (2007).
また、空間電荷層Ｓの厚さdSCLは、電圧を増加させるための信号の飽和挙動から推定した。また、空間電荷層Ｓの複素屈折率を表すΔnとΔkとについては、上記参考文献１の図６の関数形状を使用した。また、ＴＣＯ基板は、300[nm]のＩＴＯ薄膜の上に100[nm]のSnO2をコートしたものだが、400[nm]のＩＴＯと見なして計算をした。
なお、図８に、ＩＴＯ層１４の複素屈折率n+ikに関するグラフと、空間電荷層Ｓの複素屈折率を表すΔnとΔkに関するグラフとを示す。
［実験結果と計算結果］
図９に、従来法の実験結果（Ａ）と計算結果（Ｂ）を示す。図８に示されている従来法の実験結果（Ａ）及び計算結果（Ｂ）は、透明導電性電極３２が330[nm]のＩＴＯ基板であり、かつ入射角θ＝０°である場合の結果である。図中のグラフにおける縦軸（ΔT/T）は透過スペクトルの変化を表し、横軸は波長を表す。また、図９に示されている実験結果（Ａ）は、2[V]，20[Hz]の交流電圧を印加した場合を表し、計算結果（Ｂ）は、2[V]，1[Hz]の交流電圧を印加した場合を表す。なお、計算結果（Ｂ）のＴｓはｓ偏光の透過スペクトルを表し、Ｔｐはｐ偏光の透過スペクトルを表す。
また、図１０に、新規法の実験結果（Ａ）と計算結果（Ｂ）を示す。図１０に示されている新規法の実験結果（Ａ）及び計算結果（Ｂ）は、透明導電性電極３２が330[nm]のＩＴＯ基板であり、かつ入射角θ＝８７°であり、かつｓ偏光の光を入射させた場合の結果である。図中のグラフにおける縦軸（ΔT/T）は透過スペクトルの変化を表し、縦軸（ΔR/R）は屈折率の変化を表し、横軸は波長を表す。また、図１０に示されている実験結果（Ａ）は、交流電圧を1～5[V]で変化させて印加した場合を表し、計算結果（Ｂ）は、2[V]，1[Hz]の交流電圧を印加した場合を表す。なお、計算結果（Ｂ）のＲｓはｓ偏光の反射スペクトルを表し、Ｒｐはｐ偏光の反射スペクトルを表す。
図９に示される従来法では、可視光領域で透過スペクトルの変化ΔT/Tの大きさは1/1000のオーダーである。一方、図１０に示されるように、新規法では、最大ΔT/T=0.2の大きさの信号が得られていることがわかる。このため、新規法は従来法に比べ、約200倍の信号強度増強に成功していることがわかる。この結果は、図１０（Ｂ）に示される計算においても定量的に再現されている。
次に、図１１に、400[nm]のＴＣＯ基板を用いた場合の、新規法による実験結果（Ａ）と計算結果（Ｂ）とを示す。図１１に示されるように、この条件において、今回の最大信号である透過スペクトルの変化ΔT/T=0.5が得られた。
図１０と図１１とを比較すると、ＴＣＯ基板とＩＴＯ基板との膜厚の違いによって、反射スペクトルにおける極大値又は極小値が現れる波長が異なっていることがわかる。このため、透明導電性電極３２の膜厚を制御することにより、大きなΔT/Tを示す光の波長を調節することができることがわかる。
図１２に、入射される光を界面において全反射させた場合における、ｓ偏光及びｐ偏光の透過スペクトルＴ（なお、計算上は全反射スペクトルである。）の実験結果と透過スペクトルの変化ΔＴ／Ｔの実験結果を示す。また、図１３にｓ偏光及びｐ偏光の透過率変化スペクトルＲ（なお、計算上は反射率変化スペクトルである。）の計算結果と透過率変化スペクトルの変化ΔＲ／Ｒの計算結果を示す。
入射された光は、ＩＴＯ基板における空間電荷層Ｓを伝搬光として通過する。また、入射された光は、電気二重層Ｅをエバネッセント光として通過する。このため、厳密には、入射された光は、空間電荷層Ｓと電気二重層Ｅとの両方の層の屈折率変化の影響を受ける。そこで、本実施例の結果である図１２及び図１３では、実験系のインピーダンスに従って、印加される電圧の各周波数における、電気二重層Ｅ及び空間電荷層Ｓへの電圧分配を見積もった。
実験系のインピーダンスに基づく場合、周波数が1[Hz]であり、電圧振幅が2[V]の電圧印加がなされた場合、1[V]のうちの0.85[V]が電気二重層Ｅへ分配され、0.15[V]が空間電荷層Ｓへ分配される。また同様に、実験系のインピーダンスに基づく場合、周波数が20[Hz]である電圧が印加された場合には、0.81[V]が電気二重層Ｅへ分配され、0.16[V]が空間電荷層Ｓへ分配される。また、周波数が225[Hz]である電圧が印加された場合には、0.33[V]が電気二重層Ｅへ分配され、0.07[V]が空間電荷層Ｓへ分配される。
本実施例では、簡単のため、かつ実験配置によって同じ屈折率変化でも信号が変化することを確認することができるように、計算では全て2[V]が印加され、かつ電圧の周波数が1[Hz]のときの電気二重層Ｅ及び空間電荷層Ｓの厚さと屈折率変化とを仮定した。
なお、電気二重層Ｅの厚さは2[nm]であり、空間電荷層Ｓの厚さは30[nm]であるとした。また、屈折率変化は、電気二重層Ｅ内でΔn=-0.1であり、空間電荷層Ｓ内でΔn=-0.0031であるとした。
なお、図１２に示す実験結果においては、空気中からの87°入射はガラス基板中で88°入射に相当し、入射光が平行光でなく集光光であり角度広がりがあることから、図１３に示す計算結果では87°，88°，89°入射の平均をとって計算を行った。計算で仮定した屈折率変化は上述したものと同様である。図１２の実験結果と図１３の計算結果とを比較すると、スペクトル変化における極大値又は極小値が表れる波長がほぼ一致していることがわかる。
＜第２実施形態に係る光変調素子＞
次に、第２実施形態に係る光変調素子について説明する。なお、第１実施形態と同様の構成となる部分については、同一符号を付して説明を省略する。第２実施形態の光変調素子は、液体層１２に替えて金属を備える点が第１実施形態と異なる。
第１実施形態の光変調素子１０は、ｎ型半導体である透明電極のＩＴＯの屈折率が水溶液より大きい点と全反射による共振器効果とを利用して、ＩＴＯと電解質水溶液との間の界面のポッケルス効果を増幅させる。
このとき、電解質水溶液側の電気二重層だけではなく、ＩＴＯ側においても電場に比例する屈折率変化が発生し、大きなポッケルス効果が生じる。
図１４に、ＩＴＯ側におけるポッケルス効果を説明するための図を示す。図１４には、ｎ型半導体であるＩＴＯのエネルギーバンド図の変化の様子が示されている。なお、図中のＥはエネルギーを表し、Ｅｃは伝導帯を表し、Ｅｖは価電子帯を表す。図１４の各エネルギーバンド図の右端は、ＩＴＯと電解質水溶液との間の界面部分に相当する。また、図１４中の２つのエネルギーバンド図のうちの左側のエネルギーバンド図は、界面に電場が印加される前のエネルギーバンド図を表す。また、図１４中の２つのエネルギーバンド図のうちの右側のエネルギーバンド図は、界面に電場が印加されているときのエネルギーバンド図を表す。
図１４に示されるように、界面に電場が印加されると、エネルギーバンド図中の空間電荷層においてエネルギーバンドが湾曲しBand Population effectが起こる。Band Population effectは、以下の参考文献に開示されている。
参考文献：R. Glosser and B. O. Seraphin, 'Band-Population Effects in the Electroreflectance Spectrum of InSb', Phys. Rev. 187, 1021-Published 15 November 1969
このBand Population effectが生じることにより、可視域の光の屈折率が変化する。これにより、空間電荷層において大きなポッケルス効果が生じる。
このBand Populationの効果を起こすには、ｎ型半導体であるＩＴＯと接する界面は電解質水溶液ではなく金属であってもよい。その場合には、界面は金属－半導体接合となる。
図１５に、金属－半導体接合のエネルギーバンド図を示す。図中のＥＦはフェルミ準位を表す。また、図中のＭは金属部分を表し、Ｓは半導体部分を表す。図１５は、半導体がｎ型で、金属の仕事関数が半導体の仕事関数の場合よりも大きい場合であり、金属と半導体との間の接触はショットキーコンタクトとなる。したがって、特に半導体側がプラス、金属側がマイナスとなるような極性の電場が印加されたときは、電流を流さずに界面に照射された光を変調できる。この光変調は、金属反射を利用するものである。
そのため、第２実施形態の光変調素子は、金属と半導体とを備え、金属と半導体との間の界面に電場が印加されているときに当該界面に対して光を照射し、照射された光を変調する。
図１６は、第２実施形態に係る光変調素子の概略構成を示す図である。
第２実施形態に係る光変調素子２１０は、第１部分の一例である金属２１２と、第２部分の一例であるＩＴＯ層１４とを備える。ＩＴＯ層１４は、変調される光に対して透明な酸化物透明電極であり半導体である。
第２実施形態に係る光変調素子２１０は、図１６に示されるように、金属２１２とＩＴＯ層１４との間の界面に対して電場が印加されているときに、金属２１２とＩＴＯ層１４との間の界面に対して光Ｌ１を照射する。
具体的には、図１６に示されるように、金属２１２とＩＴＯ層１４との間の界面には、電場印加装置２４Ａによって電場が印加される。そして、光変調素子２１０は、界面において全反射した光Ｌ２を反対側の端面において受光する。これにより、入射された光の効率的な変調が実現される。
なお、第２実施形態に係る光変調素子２１０の他の構成及び作用については、第１実施形態と同様であるため、説明を省略する。
以上のように、第２実施形態の光変調素子２１０は、金属と半導体とを備え、電場印加装置２４Ａによって金属と半導体との間の界面に電場が印加されているときに、界面に対して光が照射され、該光の照射によって界面において発現するポッケルス効果によって変調される。これにより、入力光に対する変調光を得る。このため、ポッケルス効果を利用して効率的に光を変調することができる。また、固体と固体との間において発現するポッケルス効果を利用して光変調を行うことができるため、広範囲なものに適用可能である。
＜実施例＞
次に、上記第２実施形態の光変調素子に対応する実験結果を、実施例として説明する。
［実験装置の構成］
図１７は、本実施例の実験装置の概略構成を示す図である。図１７に示されるように、本実施例の実験装置の光学系は、光源であるキセノンランプ７０（Xe lamp）と、レンズ７２（SQF50）と、レンズ７４（SQF50）と、ピンホール７６（Pinhole）と、対物レンズ７８（The objective lens x10）と、偏光子８０（Polarizer）とを備える。また、図１７に示されるように、本実施例の実験装置の光学系は、実験対象の光変調素子９０によって反射された光を受光するレンズ９２と、ファイバー９４とを備えている。ファイバー９４から出力される反射光は、マルチチャネルロックインアンプ９６によって電気信号へ変換される。また、本実施例の実験装置は、電界印加装置としての交流電圧信号生成器９８を備える。交流電圧信号生成器９８は、実験対象の光変調素子９０に対して電圧を印加する。また、交流電圧信号生成器９８は、マルチチャネルロックインアンプ９６に対して交流電圧の周波数Ｆを供給する。
図１７に示されるように、実験対象の光変調素子９０の近傍には電極９１が配置されている。この電極９１と光変調素子９０との間には、交流電圧信号生成器９８によって電圧が印加される。
図１８に、実験対象の光変調素子９０の構成を示す。図１８に示されるように、光変調素子９０は、半導体の一例であるＩＴＯ９０Ａ（ガラス基板上）と、金属の一例である銀部分９０Ｂとによって構成されている。
なお、銀部分９０Ｂは、ＩＴＯ９０Ａに対して銀を蒸着させることにより形成した。銀部分９０Ｂの厚さは100[nm]程度である。蒸着条件は以下の通りである。
蒸着条件：気圧1.8×10-2[Ｐａ],電流1.5Ａ,蒸着時間1分間
このようにして生成された光変調素子９０に対して、図１７に示されるように、２１[Ｈｚ]、１[Ｖ]の電圧を印加し、ＩＴＯ９０Ａ側から白色光を入射させた。なお、入射角を７５°である。
図１９に、実験結果を示す。図１９のグラフの縦軸（ΔR/R）は屈折率変化による相対反射率変化を表し、横軸は波長を表す。図１９に示されるように、屈折率の変化が発生しており光変調素子９０に入射された光が変調されていることがわかる。
なお、光変調素子９０における銀部分９０ＢとＩＴＯ９０Ａとの間の接触形態は、オーミックコンタクトであるため、反射率変化ΔR/Rの信号は比較的小さいが、金属及び半導体の組み合わせを最適化することにより、より強い変調が可能となることが予想される。更に、後述する第３実施形態のように、金属と半導体との間に絶縁体を配置することにより、より強い光変調が得られる可能性がある。
＜第３実施形態に係る光変調素子＞
次に、第３実施形態に係る光変調素子について説明する。なお、第１実施形態又は第２実施形態と同様の構成となる部分については、同一符号を付して説明を省略する。第３実施形態の光変調素子は、金属と半導体との間に絶縁体を備える点が第２実施形態と異なる。
図２０に、金属－絶縁体－半導体接合のエネルギーバンド図を示す。図中のＭは金属部分を表し、Ｓは半導体部分を表し、Ｉは絶縁体部分を表す。この場合、界面に電流が流れたとしてもトンネル電流であり微小である。そのため、界面に大きな電場を印加することも可能であり、より効果的に光変調を行うことができる。図２０に示したのは、半導体がｎ型であり、金属の仕事関数が半導体の仕事関数よりも大きい場合である。
そのため、第３実施形態の光変調素子は、金属と半導体との間に絶縁体を更に備え、金属と半導体との間の界面に電場が印加されているときに当該界面に対して光を照射し、照射された光を変調する。なお、絶縁体の一例としては、例えば、酸化物が用いられる。
図２１は、第３実施形態に係る光変調素子の概略構成を示す図である。
第３実施形態に係る光変調素子３１０は、第１部分の一例である金属２１２と、第２部分の一例であるＩＴＯ層１４と、金属２１２とＩＴＯ層１４との間に配置された絶縁体３１１とを備える。
なお、第３実施形態に係る光変調素子３１０の他の構成及び作用については、第１実施形態と同様であるため、説明を省略する。
以上のように、第３実施形態の光変調素子３１０は、金属と半導体との間に配置された絶縁体を更に含む。これにより、界面により大きな電場を印加することも可能であるため、より効果的に光変調を行うことができる。
なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内で様々な変形や応用が可能である。
例えば、上記実施形態では、第２部分が固体（具体的には、ＩＴＯ基板）によって形成されている場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。例えば、第２部分は、第１部分の液体と異なる液体であってもよい。本実施形態の光変調素子は、液体の界面におけるポッケルス効果を利用するものであるため、異なる種類の液体の界面を利用して、光を変調するようにしてもよい。
また、上記実施形態では、第２部分がＩＴＯ基板によって形成されている場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。例えば、第２部分は、ガラス、金属、半導体、ナノカーボン材料（カーボンナノチューブ又はグラフェンを含む）、ダイアモンド電極、ポリマー、有機導電性材料、酸化物、窒化物、単原子層材料、遷移金属カルコゲナイド、トポロジカル絶縁体、フォトニック結晶、イオン伝導体、又はメタマテリアルによって形成されていてもよい。
また、上記実施形態では、液体が水である場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、極性有機溶媒又はイオン液体であってもよい。
また、上記実施形態では、印加される電場を制御することにより、入射される光の位相変化を起こさせ変調光を得る場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。例えば、印加される電場を制御することにより、変調光の強度、偏光、進行方向、及び発散角の少なくとも１つを制御するようにしてもよい。
また、上記実施形態では、ＩＴＯ層１４の方向から光を入射させる場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。例えば、ＩＴＯ層１４とは反対側の液体層１２の方向から光を入射させるようにしてもよい。
１０ 光変調素子
１２ 液体層
１４ ＩＴＯ層
１６ ガラス基板
１８ 光照射装置
２０ 受光装置
２４Ａ 電場印加装置
２４Ｂ 電極
Ｃ 容器

Claims (12)

  1. バルクの性質としてはポッケルス効果を示さない物質に対して光が照射された際に、前記物質の界面において発現するポッケルス効果を利用することにより、照射された前記光を変調させ、前記光に対する変調光を得る、光変調素子であって、
    液体が充填されている第１部分と、
    固体、気体、又は前記第１部分に充填されている液体とは異なる液体によって形成されている第２部分と、
    電場を印加する電場印加手段と、を備え、
    前記電場印加手段によって前記第１部分と前記第２部分との間の前記界面に電場が印加されているときに、前記第１部分又は前記第２部分から、前記界面において全反射されるような角度で前記界面に対して光が照射され、該光の照射によって前記界面において発現するポッケルス効果によって変調された、前記光に対する変調光を得る、
    光変調素子。
  2. 前記第１部分又は前記第２部分から、前記界面において全反射されるように前記界面に対して光が照射されることにより、照射された前記光に対して前記電場に応じた位相変化が引き起こされる、
    請求項１に記載の光変調素子。
  3. 前記第１部分に充填されている前記液体は、水、極性有機溶媒、又はイオン液体である、
    請求項１又は請求項２に記載の光変調素子。
  4. 前記第２部分は、ガラス、金属、半導体、ナノカーボン材料（カーボンナノチューブ又はグラフェンを含む）、ダイアモンド電極、ポリマー、有機導電性材料、酸化物、窒化物、単原子層材料、遷移金属カルコゲナイド、トポロジカル絶縁体、フォトニック結晶、イオン伝導体、又はメタマテリアルによって形成されている、
    請求項１～請求項３の何れか１項に記載の光変調素子。
  5. 前記第２部分は、変調される光に対して透明な酸化物透明電極によって形成されている、
    請求項１～請求項４の何れか１項に記載の光変調素子。
  6. 前記電場印加手段によって印加される前記電場を制御することにより、前記変調光の強度、偏光、進行方向、及び発散角の少なくとも１つが制御される、
    請求項１～請求項５の何れか１項に記載の光変調素子。
  7. 前記電場印加手段による前記電場の印加によって、電気二重層又は空間電荷層が前記界面に形成される、
    請求項１～請求項６の何れか１項に記載の光変調素子。
  8. 前記界面に対して光を照射する光照射手段と、
    前記光に対する変調光を受光する受光手段と、
    を更に備える、請求項１～請求項７の何れか１項に記載の光変調素子。
  9. バルクの性質としてはポッケルス効果を示さない物質に対して光が照射された際に、前記物質の界面において発現するポッケルス効果を利用することにより、照射された前記光を変調させ、前記光に対する変調光を得る、光変調方法であって、
    液体が充填されている第１部分と、固体、気体、又は前記第１部分に充填されている液体とは異なる液体によって形成されている第２部分と、の間の前記界面に電場が印加されているときに、前記第１部分又は前記第２部分から、前記界面において全反射されるような角度で前記界面に対して光を照射し、該光の照射によって前記界面において発現するポッケルス効果によって変調された、前記光に対する変調光を得る、
    光変調方法。
  10. バルクの性質としてはポッケルス効果を示さない物質に対して光が照射された際に、前記物質の界面において発現するポッケルス効果を利用することにより、照射された前記光を変調させ、前記光に対する変調光を得る、光変調素子であって、
    金属である第１部分と、
    半導体である第２部分と、
    電場を印加する電場印加手段と、を備え、
    前記電場印加手段によって前記第１部分と前記第２部分との間の前記界面に電場が印加されているときに、前記第１部分又は前記第２部分から前記界面に対して光が照射され、照射された前記光が前記界面において反射され、該光の照射によって前記界面において発現するポッケルス効果によって変調された、前記光に対する変調光を得る、
    光変調素子。
  11. 前記第１部分と前記第２部分との間に配置された絶縁体を更に含む、
    請求項１０に記載の光変調素子。
  12. バルクの性質としてはポッケルス効果を示さない物質に対して光が照射された際に、前記物質の界面において発現するポッケルス効果を利用することにより、照射された前記光を変調させ、前記光に対する変調光を得る、光変調方法であって、
    金属である第１部分と、半導体である第２部分との間の前記界面に電場が印加されているときに、前記第１部分又は前記第２部分から前記界面に対して光を照射し、照射された前記光が前記界面において反射され、該光の照射によって前記界面において発現するポッケルス効果によって変調された、前記光に対する変調光を得る、
    光変調方法。
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