回折格子装置及び表示装置
【課題】小型でかつ半導体素子の設計レベルで光学的なアライメントが可能な回折格子装置および表示装置を提供することを可能にする。
【解決手段】表面に空洞部２２が形成された半導体基板２０と、半導体基板に形成され、光源からの光を伝搬する導波路２５と、空洞部上に形成されるとともに導波路から伝搬される光を回折する格子周期が可変な回折格子を有し、格子周期を変えることにより回折光の方向を変化させるフォーカスグレーティングカプラ３０と、一端が半導体基板と連結されフォーカスグレーティングカプラを支持する支持部４０と、を備えている。
【解決手段】表面に空洞部２２が形成された半導体基板２０と、半導体基板に形成され、光源からの光を伝搬する導波路２５と、空洞部上に形成されるとともに導波路から伝搬される光を回折する格子周期が可変な回折格子を有し、格子周期を変えることにより回折光の方向を変化させるフォーカスグレーティングカプラ３０と、一端が半導体基板と連結されフォーカスグレーティングカプラを支持する支持部４０と、を備えている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回折格子装置及び表示装置に関し、具体的にはピッチを可変とした回折格子装置及びこの回折格子装置を利用した表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術を応用した電子デバイス、センサ、アクチュエータなどの高機能デバイスが急速に発展している。表示装置やスキャナなどの光学機器へＭＥＭＳ技術を応用したものとしては、ＭＥＭＳデバイスによりピクセル毎に入射光を変調する技術がある。この場合、ＭＥＭＳデバイスは、光波に対してＯＮ／ＯＦＦ制御を行うスイッチングデバイスの役割を果たしている。
【０００３】
光波を変調する機構としては、デジタル・マイクロ・ミラーデバイス（以下、ＤＭＤ（Digital micro Mirror Device）ともいう）に代表されるミラータイプと、回折格子ライト・バルブ（以下、ＧＬＶ（Grating Light Valve）ともいう）に代表される回折格子タイプの２種類に分類される。
【０００４】
ＤＭＤは、例えば１５μｍ〜２５μｍ程度のサイズの反射鏡を前後に１０度程度傾斜可能とし、光軸の反射方向を可変としたものである。しかし、ＤＭＤは反射鏡を傾斜させる機構が必要となるため、鏡面を支持するヒンジ部の構造が複雑で製造コストが高く、製造歩留まり、耐久性、高速な応答性などの点で解決すべき課題も多い。
【０００５】
ＧＬＶとしては、リボン状の回折素子をシリコン基板上に一列に並べた構造を有するものが開示されている（非特許文献１）。これら回折素子は、固定された回折素子と、静電力で引き込むことで下方に湾曲可能とした回折素子と、が交互に設けられている。バイアスを印加しない状態では、全ての回折素子は同一平面上にあり、回折光は生じない。一方、バイアスを印加すると可動する回折素子が下方に湾曲し、固定された回折素子との間で凹凸面が形成される。この凹凸面により光が回折され、回折光が生ずる。
【０００６】
一方、光学自由度を高めるために、回折格子を基板水平方向に駆動することによって、駆動用電極を回折格子の下部に設置することを必要としない構造が提案されている(非特許文献２)。
【０００７】
このような回折格子を利用したＭＥＭＳデバイスは、小さな機械的変位で大きな光学変調がかけられ、また高速な応答が可能であるという利点を持つ。また、機械的な信頼性も高い。このため、ディプレイデバイス、プリンタのスキャナ、光通信用ゲイン・イコライザーなどに応用されている。
【非特許文献１】D. Bloom,"The Grating Light Valve:Revolutionizing Display Technology," Projection Displays III Symposium, SPIE Proceedings Volume 3013, February 1997
【非特許文献２】K.Takahashi, H.Fujita, H.Toshiyoshi, K.Suzuki, H.Funaki, K.Itaya, "Tunable light grating integrated with high-voltage driver IC for image projection display," Proc. IEEE Micro Electro Mechanical Systems, pp. 147-150, 2007, Kobe, Japan
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、従来のＤＭＤ、ＧＬＶ、回折格子、またはこれらのいずれかを用いた表示装置では、機械的に光波をスイッチングする素子に対し、空間的に離間された位置に光源を配置する必要があった。このため、バックライトを近接した背面に有する液晶表示装置等に対し、占有するシステムのサイズが大きくなるという問題があった。
【０００９】
本発明は、上記事情を考慮してなされたものであって、小型でかつ半導体素子の設計レベルで光学的なアライメントが可能な回折格子装置および表示装置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】
【００１０】
本発明の第１の態様による回折格子装置は、表面に空洞部が形成された半導体基板と、前記半導体基板に形成され、光源からの光を伝搬する導波路と、前記空洞部上に形成されるとともに前記導波路から伝搬される光を回折する格子周期が可変な回折格子を有し、前記格子周期を変えることにより回折光の方向を変化させるフォーカスグレーティングカプラと、一端が前記半導体基板と連結され前記フォーカスグレーティングカプラを支持する支持部と、を備えていることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の第２の態様による表示装置は、第１の態様による回折格子装置と、前記フォーカスグレーティングカプラのそれぞれをタイミング駆動する駆動部と、前記フォーカスグレーティングカプラそれぞれからの回折光が投影される投影部と、を備えていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、小型でかつ半導体素子の設計レベルで光学的なアライメントが可能な回折格子装置および表示装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態による回折格子装置を図１に示す。本実施形態の回折格子装置１は、光源１０と、表面に空洞（凹部）２２が設けられた半導体基板２０と、半導体基板２０に形成された導波路２５と、凹部２２の上方に配置されたフォーカスグレーティングカプラ（以下、ＦＧＣ(Focusing Grating Coupler)ともいう）３０と、ＦＧＣ３０を凹部２２の上方で中空に浮いた状態で支持する支持部４０と、半導体基板２０に設けられた配線５０とを備えている。
【００１４】
導波路２５は光源１０に接続されて光源１０からの光波をＦＧＣ３０に伝達する。この導波路２５とＦＧＣ３０は光学的に接続されている。ＦＧＣ３０は、回折格子（グレーティング）３２と、可動電極３４と、固定電極３６とを備えている。固定電極３６に配線５０を通して外部から電圧を印加することにより、ＦＧＣ３０の可動電極３４との間に静電力が作用し、回折格子３２の空間的周期（間隔）が変化する。すなわち、本実施形態においては、可動電極３４および固定電極３６によって回折格子３２の間隔（周期）を電気的に可変にすることができる。グレーティング３２の空間的周期（間隔）がある条件を満たすとき、導波モード−放射モード間の結合が生じる。このようなグレーティングは導波光の励振や外部の取り出しのための入出結合器として用いられるので、ＦＧＣと呼ばれる。
【００１５】
以下、本実施形態に用いられる、自由空間に集光するＦＧＣの概念について説明する。なお、以下の説明文は「光集積回路、西原浩、春名正光、栖原敏明著、オーム社（１９８５）」より引用したものである。ＦＧＣに導波光が入射した場合の導波モード−放射モード結合の例を図２（ａ）、２（ｂ）に示す。２次元導波光路の導波面（ｘｚ面）に沿って広がり、
【数１】
で表される。Δεｑはグレーティング３２を取り付けたことによる比誘電率分布の変化を表している。グレーティング３２がある場合、この構造内をｚ方向に伝搬定数β０＝Ｎｋ（＞０）をもつ導波光が伝搬するとき、この波に付随してｚ方向伝搬定数
【数２】
をもつ空間高調波が生じる。ここで、Ｎは導波層中を伝搬するモードの等価屈折率、Ｋは格子ベクトルとよばれるグレーティング面に垂直なベクトルで、Λはグレーティングの基本周期である。基板、導波層、上部クラッド層の屈折率を各々、ｎｓ、ｎｆ、ｎｃとし、空間高調波のうち｜βｑ｜＝ｎｃｋまたは｜βｑ｜＝ｎｓｋを満たす次数ｑが存在する場合は、この高調波の空気側または基板側にそれぞれ、
【数３】
で決まる伝搬角θ(c)q、θ(s)qの放射となる。このときＦＧＣを伝搬する波は放射により導波路外部に漏洩する。グレーティングはｚ方向には長いがｘ方向には薄いので、結合する波動間はｚ方向の位相整合（３）式のみが満たされればよく、伝搬ベクトルダイアグラムは図２（ｂ）に示すようになる。この結合で生じる放射ビームは（３）式を成立させる伝搬角θ(c)q、θ(s)qの実数値で決まる。（３）式において、ｎｃ＜ｎｓ＜Ｎ＜ｎｆであることを考慮すれば、放射はｑ≦−１の次数に限られ、ある次数のみは基板側のみに放射する場合と、基板側と空気側の両方に放射する場合があることがわかる。図２（ａ）、（ｂ）は複数の次数で３本以上のビームが生じる例で多ビーム結合とよばれる。基本次数（ｑ＝−１）の放射が生じる場合について、Ｋ／ｋ、Ｎと式（３）で決まる放射ビーム数は図３で表される。ＦＧＣに導波光が入射した場合、上述のような出力結合が生じる。このグレーティングのパターンを変調することにより種々の波面変換を導波モード−放射モード結合と同時に実行することも可能になる。これを応用して、導波光を自由空間の点に集光するＦＧＣを実現することができる。
【００１６】
次に、本実施形態の回折格子装置において、光源１０と、光導波路２５が設けられた半導体基板２０とを光学的に結合した構成を図４に模式的に示す。ここで、光源１０には一般的なストライプ型半導体レーザチップを例としている。ストライプ型半導体レーザチップ１０は、光屈折特性を示す活性層１０ｂに対し、その両側を活性層１０ｂよりも低屈折率のクラッド層１０ａ、１０ｃで覆っている。赤色の半導体レーザを考えた場合、活性層にＡｌＧａＡｓ等の材料を用いることができる。半導体レーザ１０と、光導波路２５を有した半導体基板２０との光学的な結合については、各々の端面で結合される。光導波路自身も、導波層（図示せず）の両側に低屈折材料層（図示せず）で覆われており、導波層が高い屈折率分布を持つ。光源１０の活性層１０ｂと、導波路２５とを、軸ズレが起きないように結合することで、光波を伝搬させることができる。界面での光波エネルギーの減衰を避けるために、ＡＲコート等の光学薄膜を施しても良い。
【００１７】
図１および図４では、半導体レーザチップ１０が半導体基板２０から別位置に配置されているように記されているが、図５（ａ）に示すように、半導体基板２０に予め凹部２０ａを設け、この凹部２０ａに半導体レーザチップ１０を組み込んでも良い。また、図５（ｂ）に示すように、光源に面発光型半導体レーザ１０Ａを用いることで、光源を半導体基板２０の表面に配置することも可能である。この場合、面発光型半導体レーザ１０Ａの発光層下部の半導体基板２０と接合する領域においては、光エネルギーの減衰を防ぐため、光導波路２５の導波層に対して、垂直状の導波路を設ける必要がある。光源に面発光型レーザ１０Ａを用いれば、光波をアレイ化して照射することも可能になり、より多くの光線を低体積で扱うことが可能となる利点もある。このような構成とすることにより、従来、３次元空間の高さ方向（ｚ軸方向）に位置していた光源を基板と同一平面状に設置することが可能になり、省スペース化を図れることができる。なお、光源１０は、フォトカプラを介して半導体基板２０と光学的に接続されていてもよい。
【００１８】
次に、ＦＧＣ３０の静電駆動方式について図６を参照して説明する。周囲から分離され、支持部４０にて連結されたＦＧＣ３０には駆動用の可動電極３４が設けられている。この可動電極３４は櫛歯形状である。一方、ＦＧＣ３０に設けられた櫛歯状の可動電極３４と対向するように基板２０には櫛歯形状の固定電極３６が設けられている。それぞれの電極３６、３４からは電気的に分離された電気配線５０ａ、５０ｂが引き出されている。ここで、電極３６，３４間に電気配線５０ａ、５０ｂを介して電源電圧６０を印加することで、ＦＧＣ３０は固定電極３６側に静電気力によって引き寄せられる。ＦＧＣ３０はバネとなる支持部４０により支持されていることから、前述のように引き寄せられることでＦＧＣ３０に設けられた回折格子３２の格子周期が変化する。（１）式で示した、格子周期Λが変化することで、空間伝搬定数も変化し、法線方向のベクトルもまた変化することになる。つまり、静電引力によって任意の格子周期に変化させることで、空間に伝搬する回折光の方向をシフトすることができる。このように、本実施形態によれば、静電気力を発生していない初期状態のＦＧＣと、静電引力によって格子周期が変化したＦＧＣとで、回折光の方向性を任意の周期あるいは角度にスイッチングすることが可能になる。
【００１９】
図７は、図６に示す格子周期可変型ＦＧＣ３０を２次元配列した回折格子装置を示す。この装置の動作メカニズムは上述の通りで、アレイ化することで表示装置として機能させることができる。各ＦＧＣ３０は制御回路７０によって制御され、任意の位置のＦＧＣ３０を任意のタイミングで制御回路７０によって静電駆動することで、回折光の回折角を可変できる。例えば、ＦＧＣ３０のアレイ数を６４０×４８０素子とし、一様に配列し、スイッチングすることでＶＧＡクラスの表示が可能となる。つまり、格子周期を可変することで、表示すべき方向に取り出す光波１００をＯＮ光とし、捨てる光波をＯＦＦ光としてスイッチする。ここで、ＯＮ光／ＯＦＦ光は、静電気的に格子周期を変化する前のもの、または変化したものの何れを用いてもよい。
【００２０】
図８（ａ）、８（ｂ）はＦＧＣ３０の一具体例の動作を示した図である。図８（ａ）によれば、ＦＧＣ３０はスプリング（図示せず）に支持された４本のアンカー９０によって基板に接続されている。また、ＦＧＣ３０の一端には光波を導入するための導波路が接続される。ＦＧＣ３０を構成する回折格子３２は、それぞれ互いに細いバネ９２で連結している。一方、ＦＧＣ３０の他端には、櫛歯状の可動電極３４が備えられ、基板に形成された固定櫛歯状の固定電極３６と対向配置されている。櫛歯状の可動電極３４と櫛歯状の固定電極３６との間でバイアス電圧を印加することで、櫛歯状の可動電極３４が櫛歯状の固定電極３６の方へ静電気力により引き寄せられる。ここで、回折格子３２は、細いバネで互いを連結しているため、あたかも蛇腹のように全体が伸縮し格子周期を変える（図８（ｂ））。この回折格子３２の周期の変動は、印加する電圧量により制御することが可能である。図２および図３で示したように、格子周期が変化することで、回折光の放射角度を可変にできる。
【００２１】
次に、本実施形態による回折格子装置の製造方法を図９（ａ）乃至図９（ｅ）に示す。光導波路２５が形成される半導体基板２０にシリコン基板を用いた場合（図９（ａ））、屈折率が比較的高い（ｎｓ＝３．４２（λ＝１μｍの波長の光に対して））ため、光導波路２５の導波層を形成する前にバッファ層２５ａを形成することが望ましい。バッファ層２５ａに適応する材料の一例としてＳｉＯ２（ｎｂ＝１．５程度）が挙げられる。バッファ層２５ａを例えばシリコンのような半導体基板上２０にスパッタ法あるいはＣＶＤ法によって形成する（図９（ｂ））。続いて、このバッファ層２５ａ上に導波層２５ｂを形成する（図９（ｂ））。導波層２５ｂにはバッファ層２５ａよりも屈折率が若干高い材料を用いる。例えば、Ｓｉ３Ｎ４であれば、屈折率ｎｆが２程度であるため、上述した構成では有用な材料となる。このＳｉ３Ｎ４からなる導波層２５ｂを同様に、スパッタあるいはＣＶＤによって形成する。Ｓｉ３Ｎ４以外にもＰＭＭＡやポリマー、フォトレジストといった有機材料を用いることも考えられる。ここで、これらのバッファ層２５ａや導波層２５ｂを所望の形状にする必要がある。
【００２２】
次に、この導波層２５ｂ上の一部分にＦＧＣ３０を形成する（図９（ｃ））。ＦＧＣ３０はパターニングしたフォトレジストによって形成するか、あるいはこのフォトレジストをマスクとして導波層材料を一部分エッチングしたものによって形成する。続いて、図９（ｄ）に示すように、ＦＧＣ３０が形成された領域を他の領域から分離するように導波層２５ｂバッファ層２５ａに開口２６を形成し、この開口２６の底部に半導体基板２０の表面を露出させる。その後、ウェットエッチング等を用いて半導体基板２０に空洞２２を設ける（図９（ｅ））。図中では、この空洞化プロセスが異方的に行われているが、特に、これに限定されることはなく、ドライプロセスによって等方的に行ってもよい。このようにして、光導波路を作製後、半導体レーザチップ１０とカップリングさせ、回折格子装置１が完成する。
【００２３】
前述したように、基板にシリコンのような高屈折材料を用いた場合、バッファ層の形成が望まれる。しかし、基板にＳＯＩ基板を用い、埋め込み酸化膜（以下、ＢＯＸともいう）をバッファ層として活用することもできる。半導体基板として、ＳＯＩ基板を用いて形成した光導波路の構成例を図１０に示す。支持基板２１ａ、埋め込み酸化膜２１ｂ、およびＳＯＩ層２１ｃを有するＳＯＩ基板２１のＳＯＩ層２１ｃに溝を形成し、この溝を導波層材料で埋め込むことにより、導波層２５ｂを形成する。ＳＯＩ基板を用いた場合の製造方法を図１１（ａ）乃至図１２（ｄ）に示す。図１１（ａ）、図１１（ｃ）、図１２（ａ）、図１２（ｃ）は、図１０に示す切断線Ａ−Ａ’で切断した断面図であり、図１１（ｂ）、図１１（ｄ）、図１２（ｂ）、図１２（ｄ）は、図１０に示す切断線Ｂ−Ｂ’で切断した断面図である。
【００２４】
まず、支持基板２１ａ、埋め込み酸化膜２１ａ、ＳＯＩ層２１ｃを有するＳＯＩ基板２１を用意する。続いて、ＳＯＩ層２１ｃに、導波路領域となる開口２３をリソグラフィー技術によって形成する（図１１（ａ）、（ｂ））。この開口２３の底部に埋め込み酸化膜２１ｂが露出している。すなわち、埋め込み酸化膜２１ｂはエッチストップ層として用いられる。続いて、開口２３に屈折率が埋め込み酸化膜よりも高い例えばＳｉＮからなる膜２４を、ＣＶＤ法等を用いて埋め込む（図１１（ｃ）、（ｄ））。その後、ＳｉＮ膜２４の一部分に、パターニングしたフォトレジストレジストあるいは導波層材料を若干エッチングしたものでＦＧＣ３０を形成する。次に、ＦＧＣ３０が形成された領域を他の領域から分離する溝２６を形成する（図１２（ａ）、（ｂ））。この溝２６の底部には支持基板２１ａの上面が露出する。その後、ウェットエッチング等を用いて支持基板２１ａに空洞２２を設ける（図１２（ｃ）、（ｄ））。
【００２５】
なお、ＳＯＩ基板を用いた場合でも、ＳＯＩ層上にバッファ層、導波層を形成して、ＦＧＣおよびこれを基板から分離した構造の回折格子装置を形成することができる。これを図１３（ａ）乃至図１４（ｄ）を参照して説明する。図１３（ａ）、図１３（ｃ）、図１４（ａ）、図１４（ｃ）は、第１方向の断面図（例えば、図１０に示す切断線Ａ−Ａ’で切断した断面図）であり、図１３（ｂ）、図１３（ｄ）、図１４（ｂ）、図１４（ｄ）は、第１方向と直交する第２方向の断面図（例えば、図１０に示す切断線Ｂ−Ｂ’で切断した断面図）である。
【００２６】
まず、支持基板２１ａ、埋め込み酸化膜２１ａ、ＳＯＩ層２１ｃを有するＳＯＩ基板２１を用意する（図１３（ａ）、（ｂ））。続いて、ＳＯＩ層２１ｃ上にバッファ層２５ａ、導波層２５ｂを形成する。その後、導波層２５ｂ上にＦＧＣ３０を形成する（図１３（ｃ）、（ｄ））。次に、ＦＧＣ３０が形成された領域を他の領域から分離する溝２６を形成する（図１４（ａ）、（ｂ））。この溝２６の底部には支持基板２１ａの上面が露出する。その後、ウェットエッチング等を用いて支持基板２１ａに空洞２２を設ける（図１４（ｃ）、（ｄ））。
【００２７】
以上説明したように、本実施形態によれば、小型でかつ半導体素子の設計レベルで光学的なアライメントが可能な回折格子装置を提供することができる。
【００２８】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態による表示装置を図１５に示す。本実施形態の表示装置は、図７に示すように、半導体基板２０に、２次元的に配列された第１実施形態の格子周期可変のＦＧＣ３０を有する回折格子装置１と、ＦＧＣ３０によって回折された光波１６０の放射先に設けられたスクリーン等の投影部１５０と、を備えている。なお、図１５においては、光源は図示していないが、回折格子装置１には含まれている。このような構成とすることにより、基板２０から放射された光波を可視化することができる。投影された光スポット１７０が２次元化され、各々が表示装置としてのピクセルを形成する。ここで、スクリーン１５０上に投影したい光波（表示ピクセル）１７０については、光線の放射角をスクリーン１５０へ向ける。一方、非表示のピクセルについては、スクリーン外の角度へ放射し除外する。上記のように、スクリーン１５０に対する表示／非表示のピクセルに対応するように、ＦＧＣ３０の格子周期を変化させ回折光のスイッチングを行う。基板２０に形成するＦＧＣ３０のアレイは、表示したい画像の解像度によってその数値は定義される。上記では、２次元画像を形成するピクセル相当するＦＧＣアレイと同数のものを２次元的に用意した。
【００２９】
一方で、ライン走査を適応し、１次元光線を２次元化してもよい。図１４はこれを説明した模式図である。基板上に１次元的に配置されたＦＧＣ３０からの放射光は、ガルバノミラー１４０に投影される。図示されるように、１次元的に配列されたＦＧＣ３０からの光線は、ガルバノミラー１４０上で高さ方向に１次元で映し出される。ガルバノミラー１４０から反射された回折光はスクリーン１５０へと投影される。ここで、ガルバノミラー１４０を水平スキャニングすることで、スクリーン１５０上では、回折光が２次元的に走査される。ガルバノミラー１４０の駆動周波数は例えば６０Ｈｚである。スクリーン１５０上における、各ピクセルの表示／非表示の手法については、図１３で説明した第２実施形態の表示装置と同様である。上述のとおり、ＦＧＣ３０が１次元あるいは２次元に配置された光変調素子基板において、ＦＧＣ３０から放射された光波をスクリーン上に投影することで表示装置として作用させることが可能になる。
【００３０】
以上説明したように、本実施形態によれば、小型でかつ半導体素子の設計レベルで光学的なアライメントが可能な表示装置を提供することができる。
【００３１】
このような回折格子装置および表示装置は、２次元或いは３次元の空間方向に占有するスペースの軽減を大幅にはかることができ、システムの小型化をはかることが可能になる。
【００３２】
ＦＧＣに導入する光波の光源としては、化合物半導体を用いたレーザダイオード（ＬＤ）や垂直共振器表面発光半導体レーザ（ＶＣＳＥＬ）を使用するほか、Ｒ（赤色）、Ｇ（緑色）、Ｂ（青色）に特異な発光特性を持つ光源を用いることでカラー表示が可能となる。
【００３３】
一方、シリコンナノクリスタルによる発光や、シリコン基板上に発光性化合物を積層することで、ＦＧＣを有した半導体基板中に光源を形成でき、より小型化されたシステムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の第１実施形態による回折格子装置を示す斜視図。
【図２】ＦＧＣの概念を説明する図。
【図３】基本次数の放射が生じる場合について、Ｋ／ｋ、Ｎと、放射ビーム数との関係を示す図。
【図４】光源と半導体基板との結合を説明する図。
【図５】光源としての半導体レーザと、半導体基板との結合の例を示す斜視図。
【図６】第１実施形態による回折格子装置の駆動方法を説明する斜視図。
【図７】ＦＧＣが２次元的に配列された、第１実施形態の変形例による回折格子装置を示す斜視図。
【図８】第１実施形態による回折格子装置の動作を説明する図。
【図９】第１実施形態による回折格子装置の第１の製造方法を説明する断面図。
【図１０】第１実施形態による回折格子装置の第２の製造方法を説明する斜視図。
【図１１】第１実施形態による回折格子装置の第２の製造方法を説明する断面図。
【図１２】第１実施形態による回折格子装置の第２の製造方法を説明する断面図。
【図１３】第１実施形態による回折格子装置の第３の製造方法を説明する断面図。
【図１４】第１実施形態による回折格子装置の第３の製造方法を説明する断面図。
【図１５】本発明の第２実施形態による表示装置を示す模式図。
【図１６】第２実施形態の変形例による表示装置を示す模式図。
【符号の説明】
【００３５】
１ 回折格子装置
１０ 光源
１０Ａ 面発光型半導体レーザチップ
１０ａ クラッド層
１０ｂ 活性層
１０ｃ クラッド層
２０ 半導体基板
２０ａ 凹部
２１ ＳＯＩ基板
２１ａ 支持基板
２１ｂ 埋め込み酸化膜
２１ｃ ＳＯＩ層
２２ 空洞部（凹部）
２４ 導波層
２５ 導波路
２５ａ バッファ層
２５ｂ 導波層
３０ ＦＧＣ
３２ 回折格子
３４ 可動電極
３６ 固定電極
４０ 支持部
５０ 電気配線
６０ 電源電圧
７０ 制御回路
９０ アンカー
９２ スプリング
１４０ ガルバノミラー
１５０ スクリーン
１６０ 光波
１７０ 投影光
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回折格子装置及び表示装置に関し、具体的にはピッチを可変とした回折格子装置及びこの回折格子装置を利用した表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術を応用した電子デバイス、センサ、アクチュエータなどの高機能デバイスが急速に発展している。表示装置やスキャナなどの光学機器へＭＥＭＳ技術を応用したものとしては、ＭＥＭＳデバイスによりピクセル毎に入射光を変調する技術がある。この場合、ＭＥＭＳデバイスは、光波に対してＯＮ／ＯＦＦ制御を行うスイッチングデバイスの役割を果たしている。
【０００３】
光波を変調する機構としては、デジタル・マイクロ・ミラーデバイス（以下、ＤＭＤ（Digital micro Mirror Device）ともいう）に代表されるミラータイプと、回折格子ライト・バルブ（以下、ＧＬＶ（Grating Light Valve）ともいう）に代表される回折格子タイプの２種類に分類される。
【０００４】
ＤＭＤは、例えば１５μｍ〜２５μｍ程度のサイズの反射鏡を前後に１０度程度傾斜可能とし、光軸の反射方向を可変としたものである。しかし、ＤＭＤは反射鏡を傾斜させる機構が必要となるため、鏡面を支持するヒンジ部の構造が複雑で製造コストが高く、製造歩留まり、耐久性、高速な応答性などの点で解決すべき課題も多い。
【０００５】
ＧＬＶとしては、リボン状の回折素子をシリコン基板上に一列に並べた構造を有するものが開示されている（非特許文献１）。これら回折素子は、固定された回折素子と、静電力で引き込むことで下方に湾曲可能とした回折素子と、が交互に設けられている。バイアスを印加しない状態では、全ての回折素子は同一平面上にあり、回折光は生じない。一方、バイアスを印加すると可動する回折素子が下方に湾曲し、固定された回折素子との間で凹凸面が形成される。この凹凸面により光が回折され、回折光が生ずる。
【０００６】
一方、光学自由度を高めるために、回折格子を基板水平方向に駆動することによって、駆動用電極を回折格子の下部に設置することを必要としない構造が提案されている(非特許文献２)。
【０００７】
このような回折格子を利用したＭＥＭＳデバイスは、小さな機械的変位で大きな光学変調がかけられ、また高速な応答が可能であるという利点を持つ。また、機械的な信頼性も高い。このため、ディプレイデバイス、プリンタのスキャナ、光通信用ゲイン・イコライザーなどに応用されている。
【非特許文献１】D. Bloom,"The Grating Light Valve:Revolutionizing Display Technology," Projection Displays III Symposium, SPIE Proceedings Volume 3013, February 1997
【非特許文献２】K.Takahashi, H.Fujita, H.Toshiyoshi, K.Suzuki, H.Funaki, K.Itaya, "Tunable light grating integrated with high-voltage driver IC for image projection display," Proc. IEEE Micro Electro Mechanical Systems, pp. 147-150, 2007, Kobe, Japan
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、従来のＤＭＤ、ＧＬＶ、回折格子、またはこれらのいずれかを用いた表示装置では、機械的に光波をスイッチングする素子に対し、空間的に離間された位置に光源を配置する必要があった。このため、バックライトを近接した背面に有する液晶表示装置等に対し、占有するシステムのサイズが大きくなるという問題があった。
【０００９】
本発明は、上記事情を考慮してなされたものであって、小型でかつ半導体素子の設計レベルで光学的なアライメントが可能な回折格子装置および表示装置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】
【００１０】
本発明の第１の態様による回折格子装置は、表面に空洞部が形成された半導体基板と、前記半導体基板に形成され、光源からの光を伝搬する導波路と、前記空洞部上に形成されるとともに前記導波路から伝搬される光を回折する格子周期が可変な回折格子を有し、前記格子周期を変えることにより回折光の方向を変化させるフォーカスグレーティングカプラと、一端が前記半導体基板と連結され前記フォーカスグレーティングカプラを支持する支持部と、を備えていることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の第２の態様による表示装置は、第１の態様による回折格子装置と、前記フォーカスグレーティングカプラのそれぞれをタイミング駆動する駆動部と、前記フォーカスグレーティングカプラそれぞれからの回折光が投影される投影部と、を備えていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、小型でかつ半導体素子の設計レベルで光学的なアライメントが可能な回折格子装置および表示装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態による回折格子装置を図１に示す。本実施形態の回折格子装置１は、光源１０と、表面に空洞（凹部）２２が設けられた半導体基板２０と、半導体基板２０に形成された導波路２５と、凹部２２の上方に配置されたフォーカスグレーティングカプラ（以下、ＦＧＣ(Focusing Grating Coupler)ともいう）３０と、ＦＧＣ３０を凹部２２の上方で中空に浮いた状態で支持する支持部４０と、半導体基板２０に設けられた配線５０とを備えている。
【００１４】
導波路２５は光源１０に接続されて光源１０からの光波をＦＧＣ３０に伝達する。この導波路２５とＦＧＣ３０は光学的に接続されている。ＦＧＣ３０は、回折格子（グレーティング）３２と、可動電極３４と、固定電極３６とを備えている。固定電極３６に配線５０を通して外部から電圧を印加することにより、ＦＧＣ３０の可動電極３４との間に静電力が作用し、回折格子３２の空間的周期（間隔）が変化する。すなわち、本実施形態においては、可動電極３４および固定電極３６によって回折格子３２の間隔（周期）を電気的に可変にすることができる。グレーティング３２の空間的周期（間隔）がある条件を満たすとき、導波モード−放射モード間の結合が生じる。このようなグレーティングは導波光の励振や外部の取り出しのための入出結合器として用いられるので、ＦＧＣと呼ばれる。
【００１５】
以下、本実施形態に用いられる、自由空間に集光するＦＧＣの概念について説明する。なお、以下の説明文は「光集積回路、西原浩、春名正光、栖原敏明著、オーム社（１９８５）」より引用したものである。ＦＧＣに導波光が入射した場合の導波モード−放射モード結合の例を図２（ａ）、２（ｂ）に示す。２次元導波光路の導波面（ｘｚ面）に沿って広がり、
【数１】
で表される。Δεｑはグレーティング３２を取り付けたことによる比誘電率分布の変化を表している。グレーティング３２がある場合、この構造内をｚ方向に伝搬定数β０＝Ｎｋ（＞０）をもつ導波光が伝搬するとき、この波に付随してｚ方向伝搬定数
【数２】
をもつ空間高調波が生じる。ここで、Ｎは導波層中を伝搬するモードの等価屈折率、Ｋは格子ベクトルとよばれるグレーティング面に垂直なベクトルで、Λはグレーティングの基本周期である。基板、導波層、上部クラッド層の屈折率を各々、ｎｓ、ｎｆ、ｎｃとし、空間高調波のうち｜βｑ｜＝ｎｃｋまたは｜βｑ｜＝ｎｓｋを満たす次数ｑが存在する場合は、この高調波の空気側または基板側にそれぞれ、
【数３】
で決まる伝搬角θ(c)q、θ(s)qの放射となる。このときＦＧＣを伝搬する波は放射により導波路外部に漏洩する。グレーティングはｚ方向には長いがｘ方向には薄いので、結合する波動間はｚ方向の位相整合（３）式のみが満たされればよく、伝搬ベクトルダイアグラムは図２（ｂ）に示すようになる。この結合で生じる放射ビームは（３）式を成立させる伝搬角θ(c)q、θ(s)qの実数値で決まる。（３）式において、ｎｃ＜ｎｓ＜Ｎ＜ｎｆであることを考慮すれば、放射はｑ≦−１の次数に限られ、ある次数のみは基板側のみに放射する場合と、基板側と空気側の両方に放射する場合があることがわかる。図２（ａ）、（ｂ）は複数の次数で３本以上のビームが生じる例で多ビーム結合とよばれる。基本次数（ｑ＝−１）の放射が生じる場合について、Ｋ／ｋ、Ｎと式（３）で決まる放射ビーム数は図３で表される。ＦＧＣに導波光が入射した場合、上述のような出力結合が生じる。このグレーティングのパターンを変調することにより種々の波面変換を導波モード−放射モード結合と同時に実行することも可能になる。これを応用して、導波光を自由空間の点に集光するＦＧＣを実現することができる。
【００１６】
次に、本実施形態の回折格子装置において、光源１０と、光導波路２５が設けられた半導体基板２０とを光学的に結合した構成を図４に模式的に示す。ここで、光源１０には一般的なストライプ型半導体レーザチップを例としている。ストライプ型半導体レーザチップ１０は、光屈折特性を示す活性層１０ｂに対し、その両側を活性層１０ｂよりも低屈折率のクラッド層１０ａ、１０ｃで覆っている。赤色の半導体レーザを考えた場合、活性層にＡｌＧａＡｓ等の材料を用いることができる。半導体レーザ１０と、光導波路２５を有した半導体基板２０との光学的な結合については、各々の端面で結合される。光導波路自身も、導波層（図示せず）の両側に低屈折材料層（図示せず）で覆われており、導波層が高い屈折率分布を持つ。光源１０の活性層１０ｂと、導波路２５とを、軸ズレが起きないように結合することで、光波を伝搬させることができる。界面での光波エネルギーの減衰を避けるために、ＡＲコート等の光学薄膜を施しても良い。
【００１７】
図１および図４では、半導体レーザチップ１０が半導体基板２０から別位置に配置されているように記されているが、図５（ａ）に示すように、半導体基板２０に予め凹部２０ａを設け、この凹部２０ａに半導体レーザチップ１０を組み込んでも良い。また、図５（ｂ）に示すように、光源に面発光型半導体レーザ１０Ａを用いることで、光源を半導体基板２０の表面に配置することも可能である。この場合、面発光型半導体レーザ１０Ａの発光層下部の半導体基板２０と接合する領域においては、光エネルギーの減衰を防ぐため、光導波路２５の導波層に対して、垂直状の導波路を設ける必要がある。光源に面発光型レーザ１０Ａを用いれば、光波をアレイ化して照射することも可能になり、より多くの光線を低体積で扱うことが可能となる利点もある。このような構成とすることにより、従来、３次元空間の高さ方向（ｚ軸方向）に位置していた光源を基板と同一平面状に設置することが可能になり、省スペース化を図れることができる。なお、光源１０は、フォトカプラを介して半導体基板２０と光学的に接続されていてもよい。
【００１８】
次に、ＦＧＣ３０の静電駆動方式について図６を参照して説明する。周囲から分離され、支持部４０にて連結されたＦＧＣ３０には駆動用の可動電極３４が設けられている。この可動電極３４は櫛歯形状である。一方、ＦＧＣ３０に設けられた櫛歯状の可動電極３４と対向するように基板２０には櫛歯形状の固定電極３６が設けられている。それぞれの電極３６、３４からは電気的に分離された電気配線５０ａ、５０ｂが引き出されている。ここで、電極３６，３４間に電気配線５０ａ、５０ｂを介して電源電圧６０を印加することで、ＦＧＣ３０は固定電極３６側に静電気力によって引き寄せられる。ＦＧＣ３０はバネとなる支持部４０により支持されていることから、前述のように引き寄せられることでＦＧＣ３０に設けられた回折格子３２の格子周期が変化する。（１）式で示した、格子周期Λが変化することで、空間伝搬定数も変化し、法線方向のベクトルもまた変化することになる。つまり、静電引力によって任意の格子周期に変化させることで、空間に伝搬する回折光の方向をシフトすることができる。このように、本実施形態によれば、静電気力を発生していない初期状態のＦＧＣと、静電引力によって格子周期が変化したＦＧＣとで、回折光の方向性を任意の周期あるいは角度にスイッチングすることが可能になる。
【００１９】
図７は、図６に示す格子周期可変型ＦＧＣ３０を２次元配列した回折格子装置を示す。この装置の動作メカニズムは上述の通りで、アレイ化することで表示装置として機能させることができる。各ＦＧＣ３０は制御回路７０によって制御され、任意の位置のＦＧＣ３０を任意のタイミングで制御回路７０によって静電駆動することで、回折光の回折角を可変できる。例えば、ＦＧＣ３０のアレイ数を６４０×４８０素子とし、一様に配列し、スイッチングすることでＶＧＡクラスの表示が可能となる。つまり、格子周期を可変することで、表示すべき方向に取り出す光波１００をＯＮ光とし、捨てる光波をＯＦＦ光としてスイッチする。ここで、ＯＮ光／ＯＦＦ光は、静電気的に格子周期を変化する前のもの、または変化したものの何れを用いてもよい。
【００２０】
図８（ａ）、８（ｂ）はＦＧＣ３０の一具体例の動作を示した図である。図８（ａ）によれば、ＦＧＣ３０はスプリング（図示せず）に支持された４本のアンカー９０によって基板に接続されている。また、ＦＧＣ３０の一端には光波を導入するための導波路が接続される。ＦＧＣ３０を構成する回折格子３２は、それぞれ互いに細いバネ９２で連結している。一方、ＦＧＣ３０の他端には、櫛歯状の可動電極３４が備えられ、基板に形成された固定櫛歯状の固定電極３６と対向配置されている。櫛歯状の可動電極３４と櫛歯状の固定電極３６との間でバイアス電圧を印加することで、櫛歯状の可動電極３４が櫛歯状の固定電極３６の方へ静電気力により引き寄せられる。ここで、回折格子３２は、細いバネで互いを連結しているため、あたかも蛇腹のように全体が伸縮し格子周期を変える（図８（ｂ））。この回折格子３２の周期の変動は、印加する電圧量により制御することが可能である。図２および図３で示したように、格子周期が変化することで、回折光の放射角度を可変にできる。
【００２１】
次に、本実施形態による回折格子装置の製造方法を図９（ａ）乃至図９（ｅ）に示す。光導波路２５が形成される半導体基板２０にシリコン基板を用いた場合（図９（ａ））、屈折率が比較的高い（ｎｓ＝３．４２（λ＝１μｍの波長の光に対して））ため、光導波路２５の導波層を形成する前にバッファ層２５ａを形成することが望ましい。バッファ層２５ａに適応する材料の一例としてＳｉＯ２（ｎｂ＝１．５程度）が挙げられる。バッファ層２５ａを例えばシリコンのような半導体基板上２０にスパッタ法あるいはＣＶＤ法によって形成する（図９（ｂ））。続いて、このバッファ層２５ａ上に導波層２５ｂを形成する（図９（ｂ））。導波層２５ｂにはバッファ層２５ａよりも屈折率が若干高い材料を用いる。例えば、Ｓｉ３Ｎ４であれば、屈折率ｎｆが２程度であるため、上述した構成では有用な材料となる。このＳｉ３Ｎ４からなる導波層２５ｂを同様に、スパッタあるいはＣＶＤによって形成する。Ｓｉ３Ｎ４以外にもＰＭＭＡやポリマー、フォトレジストといった有機材料を用いることも考えられる。ここで、これらのバッファ層２５ａや導波層２５ｂを所望の形状にする必要がある。
【００２２】
次に、この導波層２５ｂ上の一部分にＦＧＣ３０を形成する（図９（ｃ））。ＦＧＣ３０はパターニングしたフォトレジストによって形成するか、あるいはこのフォトレジストをマスクとして導波層材料を一部分エッチングしたものによって形成する。続いて、図９（ｄ）に示すように、ＦＧＣ３０が形成された領域を他の領域から分離するように導波層２５ｂバッファ層２５ａに開口２６を形成し、この開口２６の底部に半導体基板２０の表面を露出させる。その後、ウェットエッチング等を用いて半導体基板２０に空洞２２を設ける（図９（ｅ））。図中では、この空洞化プロセスが異方的に行われているが、特に、これに限定されることはなく、ドライプロセスによって等方的に行ってもよい。このようにして、光導波路を作製後、半導体レーザチップ１０とカップリングさせ、回折格子装置１が完成する。
【００２３】
前述したように、基板にシリコンのような高屈折材料を用いた場合、バッファ層の形成が望まれる。しかし、基板にＳＯＩ基板を用い、埋め込み酸化膜（以下、ＢＯＸともいう）をバッファ層として活用することもできる。半導体基板として、ＳＯＩ基板を用いて形成した光導波路の構成例を図１０に示す。支持基板２１ａ、埋め込み酸化膜２１ｂ、およびＳＯＩ層２１ｃを有するＳＯＩ基板２１のＳＯＩ層２１ｃに溝を形成し、この溝を導波層材料で埋め込むことにより、導波層２５ｂを形成する。ＳＯＩ基板を用いた場合の製造方法を図１１（ａ）乃至図１２（ｄ）に示す。図１１（ａ）、図１１（ｃ）、図１２（ａ）、図１２（ｃ）は、図１０に示す切断線Ａ−Ａ’で切断した断面図であり、図１１（ｂ）、図１１（ｄ）、図１２（ｂ）、図１２（ｄ）は、図１０に示す切断線Ｂ−Ｂ’で切断した断面図である。
【００２４】
まず、支持基板２１ａ、埋め込み酸化膜２１ａ、ＳＯＩ層２１ｃを有するＳＯＩ基板２１を用意する。続いて、ＳＯＩ層２１ｃに、導波路領域となる開口２３をリソグラフィー技術によって形成する（図１１（ａ）、（ｂ））。この開口２３の底部に埋め込み酸化膜２１ｂが露出している。すなわち、埋め込み酸化膜２１ｂはエッチストップ層として用いられる。続いて、開口２３に屈折率が埋め込み酸化膜よりも高い例えばＳｉＮからなる膜２４を、ＣＶＤ法等を用いて埋め込む（図１１（ｃ）、（ｄ））。その後、ＳｉＮ膜２４の一部分に、パターニングしたフォトレジストレジストあるいは導波層材料を若干エッチングしたものでＦＧＣ３０を形成する。次に、ＦＧＣ３０が形成された領域を他の領域から分離する溝２６を形成する（図１２（ａ）、（ｂ））。この溝２６の底部には支持基板２１ａの上面が露出する。その後、ウェットエッチング等を用いて支持基板２１ａに空洞２２を設ける（図１２（ｃ）、（ｄ））。
【００２５】
なお、ＳＯＩ基板を用いた場合でも、ＳＯＩ層上にバッファ層、導波層を形成して、ＦＧＣおよびこれを基板から分離した構造の回折格子装置を形成することができる。これを図１３（ａ）乃至図１４（ｄ）を参照して説明する。図１３（ａ）、図１３（ｃ）、図１４（ａ）、図１４（ｃ）は、第１方向の断面図（例えば、図１０に示す切断線Ａ−Ａ’で切断した断面図）であり、図１３（ｂ）、図１３（ｄ）、図１４（ｂ）、図１４（ｄ）は、第１方向と直交する第２方向の断面図（例えば、図１０に示す切断線Ｂ−Ｂ’で切断した断面図）である。
【００２６】
まず、支持基板２１ａ、埋め込み酸化膜２１ａ、ＳＯＩ層２１ｃを有するＳＯＩ基板２１を用意する（図１３（ａ）、（ｂ））。続いて、ＳＯＩ層２１ｃ上にバッファ層２５ａ、導波層２５ｂを形成する。その後、導波層２５ｂ上にＦＧＣ３０を形成する（図１３（ｃ）、（ｄ））。次に、ＦＧＣ３０が形成された領域を他の領域から分離する溝２６を形成する（図１４（ａ）、（ｂ））。この溝２６の底部には支持基板２１ａの上面が露出する。その後、ウェットエッチング等を用いて支持基板２１ａに空洞２２を設ける（図１４（ｃ）、（ｄ））。
【００２７】
以上説明したように、本実施形態によれば、小型でかつ半導体素子の設計レベルで光学的なアライメントが可能な回折格子装置を提供することができる。
【００２８】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態による表示装置を図１５に示す。本実施形態の表示装置は、図７に示すように、半導体基板２０に、２次元的に配列された第１実施形態の格子周期可変のＦＧＣ３０を有する回折格子装置１と、ＦＧＣ３０によって回折された光波１６０の放射先に設けられたスクリーン等の投影部１５０と、を備えている。なお、図１５においては、光源は図示していないが、回折格子装置１には含まれている。このような構成とすることにより、基板２０から放射された光波を可視化することができる。投影された光スポット１７０が２次元化され、各々が表示装置としてのピクセルを形成する。ここで、スクリーン１５０上に投影したい光波（表示ピクセル）１７０については、光線の放射角をスクリーン１５０へ向ける。一方、非表示のピクセルについては、スクリーン外の角度へ放射し除外する。上記のように、スクリーン１５０に対する表示／非表示のピクセルに対応するように、ＦＧＣ３０の格子周期を変化させ回折光のスイッチングを行う。基板２０に形成するＦＧＣ３０のアレイは、表示したい画像の解像度によってその数値は定義される。上記では、２次元画像を形成するピクセル相当するＦＧＣアレイと同数のものを２次元的に用意した。
【００２９】
一方で、ライン走査を適応し、１次元光線を２次元化してもよい。図１４はこれを説明した模式図である。基板上に１次元的に配置されたＦＧＣ３０からの放射光は、ガルバノミラー１４０に投影される。図示されるように、１次元的に配列されたＦＧＣ３０からの光線は、ガルバノミラー１４０上で高さ方向に１次元で映し出される。ガルバノミラー１４０から反射された回折光はスクリーン１５０へと投影される。ここで、ガルバノミラー１４０を水平スキャニングすることで、スクリーン１５０上では、回折光が２次元的に走査される。ガルバノミラー１４０の駆動周波数は例えば６０Ｈｚである。スクリーン１５０上における、各ピクセルの表示／非表示の手法については、図１３で説明した第２実施形態の表示装置と同様である。上述のとおり、ＦＧＣ３０が１次元あるいは２次元に配置された光変調素子基板において、ＦＧＣ３０から放射された光波をスクリーン上に投影することで表示装置として作用させることが可能になる。
【００３０】
以上説明したように、本実施形態によれば、小型でかつ半導体素子の設計レベルで光学的なアライメントが可能な表示装置を提供することができる。
【００３１】
このような回折格子装置および表示装置は、２次元或いは３次元の空間方向に占有するスペースの軽減を大幅にはかることができ、システムの小型化をはかることが可能になる。
【００３２】
ＦＧＣに導入する光波の光源としては、化合物半導体を用いたレーザダイオード（ＬＤ）や垂直共振器表面発光半導体レーザ（ＶＣＳＥＬ）を使用するほか、Ｒ（赤色）、Ｇ（緑色）、Ｂ（青色）に特異な発光特性を持つ光源を用いることでカラー表示が可能となる。
【００３３】
一方、シリコンナノクリスタルによる発光や、シリコン基板上に発光性化合物を積層することで、ＦＧＣを有した半導体基板中に光源を形成でき、より小型化されたシステムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の第１実施形態による回折格子装置を示す斜視図。
【図２】ＦＧＣの概念を説明する図。
【図３】基本次数の放射が生じる場合について、Ｋ／ｋ、Ｎと、放射ビーム数との関係を示す図。
【図４】光源と半導体基板との結合を説明する図。
【図５】光源としての半導体レーザと、半導体基板との結合の例を示す斜視図。
【図６】第１実施形態による回折格子装置の駆動方法を説明する斜視図。
【図７】ＦＧＣが２次元的に配列された、第１実施形態の変形例による回折格子装置を示す斜視図。
【図８】第１実施形態による回折格子装置の動作を説明する図。
【図９】第１実施形態による回折格子装置の第１の製造方法を説明する断面図。
【図１０】第１実施形態による回折格子装置の第２の製造方法を説明する斜視図。
【図１１】第１実施形態による回折格子装置の第２の製造方法を説明する断面図。
【図１２】第１実施形態による回折格子装置の第２の製造方法を説明する断面図。
【図１３】第１実施形態による回折格子装置の第３の製造方法を説明する断面図。
【図１４】第１実施形態による回折格子装置の第３の製造方法を説明する断面図。
【図１５】本発明の第２実施形態による表示装置を示す模式図。
【図１６】第２実施形態の変形例による表示装置を示す模式図。
【符号の説明】
【００３５】
１ 回折格子装置
１０ 光源
１０Ａ 面発光型半導体レーザチップ
１０ａ クラッド層
１０ｂ 活性層
１０ｃ クラッド層
２０ 半導体基板
２０ａ 凹部
２１ ＳＯＩ基板
２１ａ 支持基板
２１ｂ 埋め込み酸化膜
２１ｃ ＳＯＩ層
２２ 空洞部（凹部）
２４ 導波層
２５ 導波路
２５ａ バッファ層
２５ｂ 導波層
３０ ＦＧＣ
３２ 回折格子
３４ 可動電極
３６ 固定電極
４０ 支持部
５０ 電気配線
６０ 電源電圧
７０ 制御回路
９０ アンカー
９２ スプリング
１４０ ガルバノミラー
１５０ スクリーン
１６０ 光波
１７０ 投影光
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に空洞部が形成された半導体基板と、
前記半導体基板に形成され、光源からの光を伝搬する導波路と、
前記空洞部上に形成されるとともに前記導波路から伝搬される光を回折する格子周期が可変な回折格子を有し、前記格子周期を変えることにより回折光の方向を変化させるフォーカスグレーティングカプラと、
一端が前記半導体基板と連結され前記フォーカスグレーティングカプラを支持する支持部と、
を備えていることを特徴とする回折格子装置。
【請求項２】
前記光源は、前記半導体基板の導波路と光学的に接続されていることを特徴とする請求項１記載の回折格子装置。
【請求項３】
前記フォーカスグレーティングカプラは、第１電極と、前記半導体基板に固定された第２電極と、を備え、前記第１電極と前記第２電極との間に発生する静電気力によって前記格子周期が変化することを特徴とする請求項１または２記載の回折格子装置。
【請求項４】
前記半導体基板に搭載され、前記回折格子の格子周期を変化させるための制御回路を更に備えていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の回折格子装置。
【請求項５】
前記フォーカスグレーティングカプラは、前記格子周期を変化させることで、前記導波路から伝搬された光波を任意のタイミングで、任意の角度に放射することが可能であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の回折格子装置。
【請求項６】
前記フォーカスグレーティングカプラが前記半導体基板上に１次元的または２次元的に複数個配列されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の回折格子装置。
【請求項７】
請求項６記載の回折格子装置と、前記フォーカスグレーティングカプラのそれぞれをタイミング駆動する駆動部と、前記フォーカスグレーティングカプラそれぞれからの回折光が投影される投影部と、を備えていることを特徴とする表示装置。
【請求項８】
前記回折格子装置は、前記フォーカスグレーティングカプラが前記半導体基板上に１次元的に複数個配列されており、前記フォーカスグレーティングカプラそれぞれからの回折光を前記投影部に反射するガルバノミラーを更に備えていることを特徴とする請求項７記載の表示装置。
【請求項１】
表面に空洞部が形成された半導体基板と、
前記半導体基板に形成され、光源からの光を伝搬する導波路と、
前記空洞部上に形成されるとともに前記導波路から伝搬される光を回折する格子周期が可変な回折格子を有し、前記格子周期を変えることにより回折光の方向を変化させるフォーカスグレーティングカプラと、
一端が前記半導体基板と連結され前記フォーカスグレーティングカプラを支持する支持部と、
を備えていることを特徴とする回折格子装置。
【請求項２】
前記光源は、前記半導体基板の導波路と光学的に接続されていることを特徴とする請求項１記載の回折格子装置。
【請求項３】
前記フォーカスグレーティングカプラは、第１電極と、前記半導体基板に固定された第２電極と、を備え、前記第１電極と前記第２電極との間に発生する静電気力によって前記格子周期が変化することを特徴とする請求項１または２記載の回折格子装置。
【請求項４】
前記半導体基板に搭載され、前記回折格子の格子周期を変化させるための制御回路を更に備えていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の回折格子装置。
【請求項５】
前記フォーカスグレーティングカプラは、前記格子周期を変化させることで、前記導波路から伝搬された光波を任意のタイミングで、任意の角度に放射することが可能であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の回折格子装置。
【請求項６】
前記フォーカスグレーティングカプラが前記半導体基板上に１次元的または２次元的に複数個配列されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の回折格子装置。
【請求項７】
請求項６記載の回折格子装置と、前記フォーカスグレーティングカプラのそれぞれをタイミング駆動する駆動部と、前記フォーカスグレーティングカプラそれぞれからの回折光が投影される投影部と、を備えていることを特徴とする表示装置。
【請求項８】
前記回折格子装置は、前記フォーカスグレーティングカプラが前記半導体基板上に１次元的に複数個配列されており、前記フォーカスグレーティングカプラそれぞれからの回折光を前記投影部に反射するガルバノミラーを更に備えていることを特徴とする請求項７記載の表示装置。
【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】
【公開番号】特開２００９−２３００５５（Ｐ２００９−２３００５５Ａ）
【公開日】平成２１年１０月８日（２００９．１０．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−７８３９９（Ｐ２００８−７８３９９）
【出願日】平成２０年３月２５日（２００８．３．２５）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１０月８日（２００９．１０．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年３月２５日（２００８．３．２５）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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