JPH04335317A - 光集積光学系とその作成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、干渉計、相関器、光コ
ンピュータ等の光学系として用いられ、光学情報を処理
する光集積光学系とその作成方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、干渉計、相関器等に応用され
る光学系では、バルク光学素子を空間に配置することに
よって干渉や相関などの処理を行ってきた。例えば図３
は再回折光学系といわれる光学系であり、図中１は焦点
距離がｆのレンズを示しており、２は入力パターン、３
は出力パターン、４はフーリエ変換像であり、図のよう
に位置している。この光学系は、４のフーリエ変換像の
位置に空間周波数フィルターを配置してフィルタリング
を行うのに使われる。また、４の位置にホログラムを配
置すると、相関演算をすることもできる。しかし、バル
ク光学素子を用いた光学系では、素子の配置時の位置合
わせが難しく、また、小型化も難しいという問題がある
。そこで、近年では、同様の機能を導波路に集積し、小
型化を目指したものが作られている。図４はその一例を
示すもので、時間的な相関をとる導波路光学素子の例で
ある。図４において、１０の基板上に光導波路１１が形
成されており、半導体レーザのような光源１２から出射
する光は変調されて導波路に入射する。そして、この光
は導波路レンズ１３によってコリメートされる。また、
１５は音響光学ブラッグセルであり、導波光の回折角は
ＳＡＷトランスデューサーに加える信号に比例する。よ
って、回折光は入射光の変調周波数とＳＡＷトランスデ
ューサーに加える信号の相関情報が含まれることになる
。そして、回折光と非回折光は、１４の導波路レンズに
よって集光され、１６の空間フィルターによって回折光
だけ取り出され、さらに１７の導波路レンズによってコ
リメートされ、１８の光検知器によって受光される。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、従来のバル
ク光学素子を使った光学系では、振動や空気の流れや埃
などの影響を受けて安定な処理をするのは難しい。また
、光学系が大きくなり、干渉計に利用するときは測定物
によっては計測ができない。さらに、前述したように、
光学素子同士の位置合わせが難しいという問題がある。 これに対し、導波路型の光学系は、上記のような問題は
ないが、２次元光情報をそのまま扱うことはできない。 本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、透明
基板上に平板型光学素子を集積し、基板内を２次元光が
伝播するようにさせることで上記の問題を解決し、かつ
、一つの光学系に数種類の機能を持たせた光学系を提案
し、その作成法を提供することを目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
、請求項１記載の発明は、１つの透明基板上に少なくと
も発光素子と平板型レンズと平板型空間変調素子と受光
素子とを配置した光集積光学系において、少なくとも１
つの平板型光学素子に光学特性が可変性である物質を使
用し、必要に応じて素子の機能を変えることを特徴とす
る。また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の光集
積光学系において、光学特性が可変性である物質として
電気光学効果を有する物質を使用し、さらに書き込み装
置を備えたことを特徴とする。また、請求項３記載の発
明は、請求項１、請求項２記載の光集積光学系の作成方
法であって、光学特性が可変性の物質からなる平板型光
学素子をゾル−ゲル法により作成することを特徴とする
。

【０００５】

【作用】本発明では、透明基板上に平板型光学素子を集
積し、基板内を２次元光が伝播するようにさせることで
前述の従来技術による問題を解決するものであるが、１
つの透明基板上に平板型光学素子を作成する例としては
、既に、Ｊ．Ｊａｈｎｓ　ａｎｄ　Ａ．Ｈｕａｎｇ；”
Ｐｌａｎｅｒ　ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｆｒｅ
ｅ−ｓｐａｃｅ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ
ｓ”，Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ．，Ｖｏｌ．２８，Ｎｏ．９，
１６０２（１９８９）が報告されている。しかしこの技
術では、構成デバイスは作成後その機能を変えることが
できず、１つの光学系で１つの処理しかできない。これ
に対し、本願請求項１記載の発明では、平板型素子とし
て光学特性が可変性である物質を使用しているので、光
学系の配置を変えることなく別の処理をすることができ
る。また、光は透明基板中を進行するので、振動や空気
の流れや埃などの影響を受けることがなく、安定な処理
を行うことができる。尚、本発明で扱う光が進んでいく
透明基板とは、導波路とは違い、屈折率が一定の媒質で
通常の光の伝搬の現象を利用できる厚みや大きさを持っ
たものであり、例えば、ガラスや水晶等である。

【０００６】

【実施例】以下、本発明を図示の実施例に基づいて詳細
に説明する。図１は請求項１記載の発明の一実施例を示
す光集積光学系の概略的斜視構成図であり、図３に示し
た再回折光学系を平板型光学素子で構成した光学系の例
である。ここで図中２０は一方に例えばＡｌなどで反射
層を設けた透明な基板、２１は入力パターンを発生する
平板型空間変調素子、２２は平板型反射レンズ、２３は
空間フィルターを発生する平板型空間変調素子、２４は
平板型反射レンズ、２５はフォトダイオードなどの受光
素子である。従来、２２と２４の平板型反射レンズは、
レジストの膜にフレネルゾーンプレートを電子線描画で
形成し、表面上に反射膜を作成したものを使うが、請求
項１記載の発明では、レジストではなく可変性の物質を
用い、レンズの開口の大きさや焦点距離を変える。この
可変性の物質としては例えばマトリックス状のＩＴＯ透
明電極ではさまれた液晶があるが、この時は、透明電極
に電圧を印加することで液晶が位相変化を引き起こし、
位相の空間分布がフレネルゾーンプレート状になってい
れば、光は透過する際にレンズ作用を受ける。また、２
１の入力パターンを発生する平板型空間変調素子は、光
がこの素子を透過すると光の強度が変化するような作用
をもち、可変性の物質を用いることにより、この出力強
度変化を任意に変えられる特性をもつ。また、２３の空
間フィルターを発生する平板型空間変調素子は、２１の
平板型空間変調素子と同じように可変性の物質を用いる
ことができ、出力光の強度変化を任意に変えることがで
きる。但し、この素子２３の場合は、入力光と出力光の
方向が同じ面から行われる反射型の空間変調素子である
。

【０００７】次に、上記光集積光学系の動作について説
明する。尚、以下の説明では、２３の空間フィルターを
発生する平板型空間変調素子は、液晶を使ったものとす
る。また、光は図中の矢印で示すように、透明基板２０
内を反射しながら進む。図１において、先ず、半導体レ
ーザーのような光源をコリメートし、コリメート光を２
１の入力パターンを発生する平板型空間変調素子に対し
ある入射角で入射させる。この入射光は基板２０の反射
層で反射し、２２の平板型反射レンズに入射し収束光と
して反射される。そして再び基板２０の反射層で反射し
て２３の空間フィルターを発生する平板型空間変調素子
に入射する。ここで２３の平板型空間変調素子は、予め
、空間周波数フィルタリング、例えばエッジ抽出のため
のハイパスフィルタリングが行われるように平板型空間
変調素子２３のマトリックス電極に電圧が印加されてい
る。従って、平板型空間変調素子２３の空間フィルター
に入射した光は、フィルタリングされた反射光となって
２４の平板型反射レンズに入射してコリメート光となり
、２５の受光素子に入射する。

【０００８】次に、上記光集積光学系でローパスフィル
タリングしたい場合には、２３の空間フィルターのマト
リックス電圧を変更しローパスフィルターに変えればよ
い。また、相関を行う時は、上記の光集積光学系をその
まま用い、２３の平板型空間変調素子を空間フィルター
から記録済のホログラムに替えればよい。尚、この時は
、２１の平板型空間変調素子で入力パターンを出力し、
コリメート光を入射すると、２３の平板型空間変調素子
のホログラムに記録してあるパターンとの相関結果が２
５の受光素子に得られる。

【０００９】次に、請求項２記載の発明では、図１の２
１や２３の平板型空間変調素子に電気光学効果を有する
物質を使い、一つの光学系で光学系を変えることなく様
々な処理をするものである。また、２２と２４の平板型
反射レンズを電気光学効果を有する物質で形成すること
により、レンズの焦点距離などの特性を変えたりできる
。さらに、この発明では、書き込みの装置を備えたこと
を特徴としている。ここで、図２が入力パターン発生用
平板空間変調素子に電気光学効果を有する物質を使った
実施例である。尚、図１と同じ番号を付したものは同じ
ものであることを示している。図２において、３０は例
えばＫＤＰのような電気光学効果を有する物質の両面に
２次元マトリックスＩＴＯ透明電極を蒸着し、さらにそ
の上に偏光板を具備した平板型空間変調素子であるが、
ＰＬＺＴの表面に電極を櫛型状にパターンニングし、そ
の上に偏光板を具備した平板型空間変調素子でもよい。 上記電気光学効果を有する物質は、電圧が印加されると
屈折率が変化し入射光に位相変化が生じる。この状態で
偏光した光が入射すると、偏光度が変化する。従って、
透過した光を偏光子透過後に検出すると、印加した電圧
に比例した光強度が得られる。

【００１０】尚、この平板型空間変調素子は上記構成に
限らず、ＩＴＯ透明電極の入力光側に光伝導層を設ける
ことによってＩＴＯ透明電極をマトリックス状にするこ
となく構成するものや、また、電気光学効果を有する物
質もＫＤＰやＰＬＺＴに限らず、光誘起屈折率効果（ｐ
ｈｏｔｏｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ　ｅｆｆｅｃｔ）を有す
るＢＳＯ（Ｂｉ１２ＳｉＯ２０）を使い、ＢＳＯの両面
にＩＴＯ透明電極を具備した構成のものでもよい。この
とき、変調素子の書替えは光信号で２次元的に行うこと
ができる。また、図２において３１は書き込み装置であ
り、この書き込み装置は、外部から来る入力信号に対し
て、３０の平板型空間変調素子に書き込むことのできる
信号に変換する働きを持つ。また、図には示していない
が、その他の平板型光学素子に電気光学効果を有する物
質を使用することもできる。

【００１１】次に、図２に示す構成の光集積光学系の動
作について説明する。図２において、書き込み装置３１
には外部から電気信号あるいは光信号が入力される。こ
の装置には、光信号入力，光信号出力の場合は縮小ある
いは拡大の光学系が、光信号入力，電気信号出力では受
光素子と空間変調素子用入力信号発生回路が、電気信号
入力，光信号出力では増幅回路と発光素子が、電気信号
入力，電気信号出力では増幅回路と空間変調素子用入力
信号発生回路がそれぞれ含まれている。そこで、この書
き込み装置３１から発生した信号は、３０の平板型空間
変調素子に入力パターンを書き込み、その後、光が入射
し空間変調して入力パターンを光信号として発生し、該
光信号が透明基板２０内を伝搬して行く。そしてその後
は、図１で示した光集積光学系と同様の処理が行われる
。

【００１２】次に、請求項３記載の発明は上記光集積光
学系の作成方法であって、上記光学特性が可変性の物質
からなる平板型光学素子をゾル−ゲル法により作成する
ことを特徴とするが、ここで、ゾル−ゲル法とは、金属
アルコキシド等の金属有機化合物を溶液系で加水分解、
重縮合させて金属−酸素−金属結合を成長させ、最終的
に焼結することにより完成させる無機酸化物の作製方法
である。このゾル−ゲル法の特徴は、低基板温度で均一
な膜が得られることであり、さらに溶液から製膜するた
め基板との密着性に優れている。

【００１３】具体的には、基板上に金属有機化合物を含
む溶液を塗布し、乾燥したあと焼結を行う。用いられる
金属有機化合物としては、無機酸化物を構成する金属の
メトキシド、エトキシド、プロポキシド、ブトキシド等
のアルコキシドやアセテート化合物等があげられる。ま
た、硝酸塩、しゅう酸塩、過塩素酸塩、等の無機塩でも
よい。これら化合物から無機酸化物を作製するには、加
水分解及び重縮合反応を進める必要があるため、塗布溶
液中には水の添加が必要となる。この添加量は系により
異なるが、多すぎると反応が速く進むため得られる膜質
が不均一となり易く、また反応速度の制御が難しい。ま
た、水の添加量が少なすぎても反応のコントロールが難
しく、適量がある。さらに、加水分解の加速触媒や金属
原子に配位するキレート剤を添加して反応速度及び反応
形態の制御ができる。加速触媒としては一般の酸及び塩
基が用いられ、このうち、酸触媒は線状重合体を作りや
すく、塩基性触媒は三次元重合体を作りやすいといわれ
ているが、溶液全体の濃度やｐＨとの兼ね合いで一概に
はいえない。また、キレート剤としては、アセチルアセ
トン、エチルアセトアセテート、ジエチルマロネート等
があげられる。また、塗布時の溶媒としては、上記材料
が沈殿しないもの、すなわち相溶性に優れたものが望ま
しい。溶液濃度は塗布方法にもよるが、スピンコート法
の場合、溶液粘度が数ｃＰ〜数十ｃＰとなるように調整
するとよい。コーティングした膜は焼結することにより
有機物の脱離及び結晶化が促進される。この時の焼結温
度は材料により異なるが、通常の金属酸化物粉末の焼成
にかかる温度より低温で作製できる。デバイス構成によ
っては高温で反応または組成変化、構造変化するものが
多いため、本方法を用いることにより使用可能性が広が
る。

【００１４】ここで一例として、ＰＬＺＴのゾル−ゲル
法による作成例を以下に示す。まず、酢酸鉛に対する酢
酸ランタニウムの原子比が９％であるところの両者の混
合物１モルに対して、チタニウムテトライソプロポキシ
ドを０．３５モル、ジルコニウムテトラプロポキシドを
０．６５モルとなるように調整したメトキシエタノール
溶液（０．２５モル／リットル）に、水を−ＯＲ基と等
量、触媒として硝酸０．１モル／リットルを添加した（
ここで、−ＯＲ基とは金属有機化合物に結合している有
機化合物を表す）。次に、この溶液を基板上に塗布し、
１２０℃で１０分乾燥後、さらに４００℃で１時間加熱
した。引き続きここまでの作業を１０回繰り返した後、
さらに６００℃で１時間加熱して厚さ１μｍのＰＬＺＴ
焼結体を作成した。

【００１５】

【発明の効果】以上説明したように、本願請求項１記載
の発明では、１つの透明基板上に少なくとも発光素子と
平板型レンズと平板型空間変調素子と受光素子とを配置
した光集積光学系において、平板型素子として光学特性
が可変性である物質を使用しているので、光学系の配置
を変えることなく別の処理をすることができる。また、
光は透明基板中を進行するので、振動や空気の流れや埃
などの影響を受けずに安定な処理をすることができ、か
つ、２次元光情報をそのまま扱うことが可能となる。ま
た、平板型光学素子を使用するため光学系を小型化する
ことができ、さらに光集積光学系の軽量化、小型化が可
能となる。また、請求項２記載の発明では、光学特性が
可変性の物質として電気光学効果を有する物質を使用し
、かつ書き込み装置を備えたことにより、一つの光学系
でも外部からの信号で素子特性を変えることにより多く
の処理を可能とした。また、請求項３記載の発明では、
平板型光学素子をゾル−ゲル法により作成することによ
って、低温で均一性の高い可変性の素子を基板上に作成
することができる。従って、請求項１，２記載の光集積
光学系の作成が容易に可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】請求項１記載の発明の実施例を示す光集積光学
系の概略的斜視構成図である。

【図２】請求項２記載の発明の実施例を示す光集積光学
系の概略的斜視構成図である。

【図３】バルク光学素子を用いた従来の光集積光学系の
説明図である。

【図４】導波路を用いた従来の光集積光学系の説明図で
ある。

【符号の説明】

２０　　　　透明基板 ２１　　　　入力パターンを発生する平板型空間変調素
子２２　　　　平板型反射レンズ ２３　　　　空間フィルターを発生する平板型空間変調
素子２４　　　　平板型反射レンズ ２５　　　　受光素子 ３０　　　　電気光学効果を有する物質を用いた平板型
空間変調素子 ３１　　　　書き込み装置

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】１つの透明基板上に少なくとも発光素子と
   平板型レンズと平板型空間変調素子と受光素子とを配置
   した光集積光学系において、少なくとも１つの平板型光
   学素子に光学特性が可変性である物質を使用し、必要に
   応じて素子の機能を変えることを特徴とする光集積光学
   系。
2. 【請求項２】請求項１記載の光集積光学系において、光
   学特性が可変性である物質として電気光学効果を有する
   物質を使用し、さらに書き込み装置を備えたことを特徴
   とする光集積光学系。
3. 【請求項３】請求項１、請求項２記載の光集積光学系の
   作成方法であって、光学特性が可変性の物質からなる平
   板型光学素子をゾル−ゲル法により作成することを特徴
   とする光集積光学系の作成方法。