(57)【要約】【課題】各セルの保磁力の設定値からのずれを抑えると共に保磁力のバラツキを低減し、圧電層による応力印加によって、目的とするセルについてのみ必要な磁化方向の変化が生じるようにすることである。【解決手段】それぞれ独立に磁化方向を設定可能で、磁気光学効果により入射光の偏光方向に回転を与える多数のセルを備えている磁気光学層１２と、変形することで前記の各セルに個別に応力を印加する多数の応力付与要素を備えている圧電層１４とを具備している空間光変調器である。磁気光学層は、非磁性ガーネットからなる基板の表面の画素位置に設けた凹部内に磁性ガーネット単結晶が結晶成長的に基板と一体化した状態で埋設され、且つ基板表面が平坦化されており、それによって凹部間の仕切り壁により互いに磁気的に分離されたセルが形成されるセル埋め込み構造である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれ独立に磁化方向を設定可能で、磁気光学効果により入射光の偏光方向に回転を与える多数のセルを備えている磁気光学層と、変形することで前記の各セルに個別に応力を印加する多数の応力付与要素を備えている圧電層とを具備している空間光変調器において、
前記磁気光学層は、非磁性ガーネットからなる基板の表面の画素位置に設けた凹部内に磁性ガーネット単結晶が結晶成長的に基板と一体化した状態で埋設され、且つ基板表面が平坦化されており、それによって凹部間の仕切り壁により互いに磁気的に分離されたセルが形成されるセル埋め込み構造であって、それら多数のセルが縦横２次元的に配列されているセルアレイ上に、下部電極、圧電素子層、上部電極からなる圧電層が設置され、下部電極と上部電極とで圧電素子層に所定の電圧を印加することにより、圧電素子層が歪み、その歪みが目的とするセルに伝播し、当該セルの磁化方向が変わることで、セルを通過する光の偏光面を変えるようにしたことを特徴とする磁気光学空間光変調器。
【請求項２】
セルアレイにバイアス磁界を印加した状態で、圧電素子層に所定の電圧を印加することにより、圧電素子層が歪み、その歪みが目的とするセルに伝播し、それによって当該セルの磁化方向を制御することでセルを通過する光の偏光面を変えるようにした請求項１記載の磁気光学空間光変調器。
【請求項３】
各セルは、角型の磁気ヒステリシス特性を呈し、その磁化方向が基板面に対して垂直方向を向いており、磁化方向と逆方向にセルの保磁力よりも小さいバイアス磁界を印加した状態で、圧電素子層に所定の電圧を印加することにより、圧電素子層が歪み、その歪みが目的とするセルに伝播し、当該セルの磁化方向を反転させることでセルを通過する光の偏光面を変えるようにした請求項２記載の磁気光学空間光変調器。
【請求項４】
セルアレイに垂直方向のバイアス磁界を印加する手段が設けられ、各セルの磁化方向がバイアス磁界により基板面に対して垂直方向に向けられた状態で、圧電素子層に所定の電圧を印加することによって、圧電素子層が歪み、その歪みが目的とするセルに伝播し、当該セルの磁化方向を面内方向に傾けることで、セルを通過する光の偏光面を変えるようにした請求項２記載の磁気光学空間光変調器。
【請求項５】
セルアレイに面内方向のバイアス磁界を印加する手段が設けられ、各セルの磁化方向がバイアス磁界により面内方向に向けられた状態で、圧電素子層に所定の電圧を印加することにより、圧電素子層が歪み、その歪みが目的とするセルに伝播し、当該セルの磁化方向を垂直方向に傾けることで、セルを通過する光の偏光面を変えるようにした請求項２記載の磁気光学空間光変調器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気光学効果（ファラデー効果）を利用して入射光を空間的に変調する空間光変調器に関し、更に詳しく述べると、磁気光学効果により入射光の偏光方向に回転を与える多数のセルを備えている磁気光学層と、各セルに個別に応力を印加する多数の応力付与要素を備えている圧電層とを組み合わせて構成される磁気光学空間光変調器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
空間光変調器は、入射光の振幅、位相あるいは偏光の状態を空間的に変調する光デバイスであり、変調機能を有する多数のセルを２次元的に配列した構成となっている。このような２次元アレイ状のセル配列をもつ空間光変調器は、情報を高速で並列処理可能なことから、各種光学情報処理システムなどへの応用が期待されている。これらの分野では、大量の情報を高速で処理する必要があることから、空間光変調器としては、動作速度が大きく、また信頼性の高いものが要求されるため、近年、磁性ガーネット単結晶膜の磁気光学効果を利用する方式の研究開発が進められている。
【０００３】
従来の磁気光学空間光変調器は、電流を供給することでセルに磁界を印加する電流駆動方式であったが、最近、消費電力及び発熱の低減を図るべく、圧電効果を利用して各セルに個別に応力を付与可能とし、それによってセルの磁化方向を制御するように構成した電圧駆動方式が提案されている（特許文献１参照）。これは、多数のセルを含んでいる磁気光学層と、自ら変形することで各セルに応力を与える圧電層とを具備しており、該圧電層は、圧電素子層を挟み各セルに対応した位置で交差するように配置した下部電極及び上部電極を備え、磁気光学層の各セルは与えられた応力の方向に応じて磁化方向が設定される構造である。このような電圧駆動式は、電流が殆ど流れないので発熱の問題が解消され、圧電材料（ＰＺＴ）の高速動作による高フレーム速度が得られる利点がある。
【０００４】
ここで磁気光学層は、非磁性基板上の全面に磁性ガーネット膜を形成し、エッチングによって縦横方向に溝（ギャップ）を形成することでセルに区分し、形成した溝にＳｉＯ2 等の非磁性材料を埋め込み表面を平坦化するギャップ埋め込み構造である。しかし、この構造では、セル形成後に周囲を非磁性材料で取り囲むため、その際に生じるストレスがセルに加わる。このストレスにより、セルの保磁力が変動して設定値からずれる。しかも、このストレスによる保磁力変動にはバラツキが大きい。
【０００５】
そのように、各セルの保磁力が設定値からずれると、バイアス磁界を印加する動作点の設定が難しくなるばかりでなく、各セルの保磁力のバラツキも大きくなると、圧電体によって応力を印加しても目的とするセルで必要な磁化方向の変化が生じなかったり、逆に不必要な磁化方向の変化が生じるなど、誤動作の原因となる。
【０００６】
ところで従来技術として、非磁性基板表面の画素位置に凹部を形成し、該凹部に磁性ガーネット単結晶を埋め込み、表面を平坦化した構造の磁気デバイスが開発されている（特許文献２参照）。しかし、圧電層との組み合わせまでは言及されておらず、そのままでは実用化するには解決すべき課題も多い。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−３１５７５６号公報
【特許文献２】特開２００６−２５９０７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明が解決しようとする課題は、セル埋め込み構造の磁気光学層と圧電層とを組み合わせ、各セルの保磁力の設定値からのずれを抑えると共に、保磁力のバラツキを低減し、圧電層による応力印加によって、目的とするセルについてのみ必要な磁化方向の変化が生じるようにし、動作の信頼性を高めることである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、それぞれ独立に磁化方向を設定可能で、磁気光学効果により入射光の偏光方向に回転を与える多数のセルを備えている磁気光学層と、変形することで前記の各セルに個別に応力を印加する多数の応力付与要素を備えている圧電層とを具備している空間光変調器において、前記磁気光学層は、非磁性ガーネットからなる基板の表面の画素位置に設けた凹部内に磁性ガーネット単結晶が結晶成長的に基板と一体化した状態で埋設され、且つ基板表面が平坦化されており、それによって凹部間の仕切り壁により互いに磁気的に分離されたセルが形成されるセル埋め込み構造であって、それら多数のセルが縦横２次元的に配列されているセルアレイ上に、下部電極、圧電素子層、上部電極からなる圧電層が設置され、下部電極と上部電極とで圧電素子層に所定の電圧を印加することにより、圧電素子層が歪み、その歪みが目的とするセルに伝播し、当該セルの磁化方向が変わることで、セルを通過する光の偏光面を変えるようにしたことを特徴とする磁気光学空間光変調器である。
【００１０】
ここで、セルアレイにバイアス磁界を印加した状態で、圧電素子層に所定の電圧を印加することにより、圧電素子層が歪み、その歪みが目的とするセルに伝播し、それによって当該セルの磁化方向を制御することでセルを通過する光の偏光面を変えるようにするのが好ましい。
【００１１】
例えば、各セルは、角型の磁気ヒステリシス特性を呈し、その磁化方向が基板面に対して垂直方向を向いており、磁化方向と逆方向にセルの保磁力よりも小さいバイアス磁界を印加した状態で、圧電素子層に所定の電圧を印加することにより、圧電素子層が歪み、その歪みが目的とするセルに伝播し、当該セルの磁化方向を反転させることでセルを通過する光の偏光面を変えるようにする。
【００１２】
また、セルアレイに垂直方向のバイアス磁界を印加する手段が設けられ、各セルの磁化方向がバイアス磁界により基板面に対して垂直方向に向けられた状態で、圧電素子層に所定の電圧を印加することによって、圧電素子層が歪み、その歪みが目的とするセルに伝播し、当該セルの磁化方向を面内方向に傾けることで、セルを通過する光の偏光面を変えるようにしてもよい。
【００１３】
あるいは、セルアレイに面内方向のバイアス磁界を印加する手段が設けられ、各セルの磁化方向がバイアス磁界により面内方向に向けられた状態で、圧電素子層に所定の電圧を印加することにより、圧電素子層が歪み、その歪みが目的とするセルに伝播し、当該セルの磁化方向を垂直方向に傾けることで、セルを通過する光の偏光面を変えるようにしてもよい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の磁気光学空間光変調器では、磁気光学層は、非磁性基板表面の画像位置に設けた凹部内に磁性ガーネット単結晶が結晶成長的に基板と一体化した状態で埋設され、基板表面が平坦化されており、それによって磁性ガーネットのセルが凹部間の仕切り壁により互いに磁気的に分離された状態となっているセル埋め込み構造なので、その状態でアニール処理ができ、応力緩和によるセルの保磁力の調整が可能となる。しかも、基板とセルとは結晶成長的に一体化しているため、後からギャップに絶縁材料を埋め込む構造とは違って、どのセルも同じ状態であり、保磁力のバラツキを小さくできる。このように、セルの保磁力を調整できるため、バイアス磁界を印加する動作点の設定が容易となるし、各セルで保磁力のバラツキが小さいため、圧電層で応力を印加したとき必要な磁化方向の変化のみが生じ、誤動作が生じる恐れはない。
【００１５】
更に、セルと仕切り壁（磁気ギャップ）とが一体化していることで、目的セルとその隣接セルとでは逆応力が印加され、目的セルの保磁力は小さくなり、隣接セルの保磁力は大きくなるため、それがエラー抑制にもなる。因みに、後からギャップに絶縁材料を埋め込むギャップ埋め込み形式の場合には、たとえＳｉＯ2 がセルに密着して埋め込まれたとしても、界面での応力伝播ロスがあり、隣接セルの逆応力が小さく、エラー抑制は期待できない。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明に係る磁気光学空間光変調器の一例を示す分解斜視図。
【図２】その磁気光学層の作製プロセスを示す工程説明図。
【図３】磁気光学空間光変調器の使用状態の一例を示す説明図。
【図４】観察した画素像の例を示す説明図。
【図５】磁気光学空間光変調器の使用状態の他の例を示す説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明に係る磁気光学空間光変調器は、図１に示すように、多数のセル１０が縦横規則的に２次元的に配列されている磁気光学層１２と、各セル１０に個別に応力を印加する圧電層１４との組み合わせからなる。図１では分離して描かれているが、実際には、磁気光学層１２の上に圧電層１４が積層一体化されている構成である。
【００１８】
磁気光学層１２に設けられている各セル１０は、独立に磁化方向を設定可能で、磁気光学効果により入射光の偏光方向に回転を与える機能を果たす。これらの各セル１０は、非磁性ガーネットからなる基板１６の表面の画素位置に設けられる凹部内に、磁性ガーネット単結晶が結晶成長的に基板と一体化した状態で埋設されたセル埋め込み構造である。磁気光学層１２の表面は平坦化される。これによって、セル同士は、凹部間の仕切り壁によって互いに磁気的に分離された状態となる。その後、アニール処理により応力緩和が施されている。
【００１９】
作製プロセスを図２に示す。まず、（Ａ）に示すように、フォトレジストとイオンミリングで非磁性ガーネット単結晶からなる基板１６の表面を加工する。即ち、画素位置に矩形状の凹部２０を縦横規則的に間隔をあけて配列形成する。隣り合う凹部と凹部の間が仕切り壁２２となる。従って、凹部の底部も側壁（仕切り壁）も非磁性ガーネット単結晶である。次に、（Ｂ）に示すように、ＬＰＥ（液相エピタキシャル）法により、基板１６の表面全体に磁性ガーネット単結晶膜２４を育成する。これによって、基板１６の表面全体（各凹部内及び仕切り壁上）に磁性ガーネット単結晶が結晶成長的に基板と一体化した状態で埋設される。その後、化学的機械研磨法によって、（Ｃ）に示すように、表面全体を平坦化する。研磨は、少なくとも仕切り壁の頂部が露出するまで行う。これによって、セル１０が、凹部間の仕切り壁により、互いに磁気的に分離された状態となるセル埋め込み構造が得られる。
【００２０】
圧電層１４は、変形することで前記の各セルに個別に応力を印加する多数の応力付与要素を備えているものである。磁気光学層１２の表面（セルアレイが形成されている方の表面）上に、下部電極３０、圧電素子層３２、上部電極３４が、その順序で積層されることで圧電層１４が構成される。下部電極３０は線状のパターンで、２次元的なセルアレイの一方向（例えば縦方向）のセル列に対応するように行数分だけ並設され、上部電極３４も線状のパターンで、下部電極３０とは直交する方向（例えば横方向）のセル行に対応するように列数分だけ並設されている。それら下部電極３０と上部電極３４の間に位置する圧電素子層３２は、前記磁気光学層１２の全体を覆うように面状に設けられている。セルに対応して下部電極と上部電極が直交する部分が応力付与要素となる。
【００２１】
下部電極３０と上部電極３４とによって圧電素子層３２に所定の電圧を印加することにより、圧電素子層３２の一部（下部電極３０と上部電極３４とが交差している部分）が歪み、その歪みがセルに伝播し、セルの磁化方向が変わることで、セルを通過する光の偏光面が制御される。
【実施例１】
【００２２】
図２に示す手順により磁気光学層を作製した。ＳＧＧＧ基板（格子定数が１．２４９６ｎｍ）の片面に、フォトリソグラフィー技術を用いてフォトレジストを正方形の格子状にパターニングし、イオンミリングを行うことにより、正方形状の凹部を縦横周期的に配列形成した。次に、ＬＰＥ法により、凹部が形成されたＳＧＧＧ基板面上に、組成が（ＧｄＹＢｉ）3 （ＦｅＧａ）5 Ｏ12の磁性ガーネット単結晶を、凹部の深さよりも厚く育成した。そして、表面を化学的機械研磨（ＣＭＰ）し平坦化した。得られたセル埋め込み型の磁気光学層は、各セルの形状が１２μｍ角で膜厚（深さ）１μｍであり、それらのセルが１６μｍピッチで５行×５列の２次元アレイ状に合計２５個形成されている構造である。
【００２３】
それを、１０２０℃で３時間アニール処理した。各セルは垂直方向に角型の磁気ヒステリシスを有しており、その保磁力は１１．９〜１５．０ｋＡ／ｍであった。
【００２４】
次に、この磁気光学層の上に圧電層を設けた。まずセルと同じ幅で３００ｎｍ厚の白金からなりセルアレイの一方向（例えば列方向）に延びる下部電極を、セルアレイの行方向に並設した。その上にエアロゾエルデポジション法（ＡＤ法）により、４μｍ厚のＰＺＴからなる圧電素子層を、磁気光学層の全面を覆うように形成した。続いて、セルと同じ幅で３００ｎｍ厚の白金からなりセルアレイの行方向に延びる上部電極を、セルアレイの列方向に並設した。なお、圧電素子層には必要な分極処理を施した。
【００２５】
そして、図３に示すように、セルアレイの外周を取り囲むように、セルアレイ形成面とは反対側の基板上にリング状のコイル４０を設けた。
【００２６】
まずはじめに、コイルにより１５．８ｋＡ／ｍの磁界を磁性ガーネットセルに印加して、磁化方向をコイル側に向けた。そして、コイル側から偏光子４２を通して光を入射し、ＳＧＧＧ基板及び磁性ガーネットセルを透過し、下部電極の表面で反射して再び磁性ガーネットセル及びＳＧＧＧ基板を透過した光を、検光子４４を通して観察した。そして、検光子を光軸に対して垂直面内で回転させ、観察される画素像が最も暗くなるように調整した。次に、コイルの電流方向を逆にして、１１．１ｋＡ／ｍの磁界を磁性ガーネットセルに印加した。この時点では、セルの磁化方向はコイル側を向いたままであり、画素像は全て暗かった（図４のＡ参照）。
【００２７】
この状態で、中央列のセル上の下部電極と上部電極の間に５０Ｖの電圧を印加したところ、それら指定したセルの磁化方向が反転し、画素像が明るくなった（図４のＢ参照）。これは、電圧印加された電極間の圧電素子層が部分変形することにより指定したセルも変形し、保磁力が１１．１ｋＡ／ｍ未満になったためである。これより、指定したセルからの反射光量を変調させることができた。
【００２８】
＜比較例＞
比較のためにギャップ埋め込み型の磁気光学層を作製した。手順は次の通りである。ＬＰＥ法により、ＳＧＧＧ基板面上に組成が（ＧｄＹＢｉ）3 （ＦｅＧａ）5 Ｏ12の磁性ガーネット単結晶を１μｍ厚に育成した。そして、フォトリソグラフィー技術を使用してフォトレジストを正方形状にパターニングし、イオンミリングを行うことにより、１２μｍ角に分離された１６μｍピッチの５行×５列のセルアレイを形成した。次に１０２０℃で３時間アニール処理した。アニール処理後、各セルは角型の磁気ヒステリシスを有しており、その保磁力は１１．９〜１５．０ｋＡ／ｍであった。次に、ＳｉＯ2 をセルアレイ上の全面にわたり、磁性ガーネットセルの厚みより厚くスパッタ法で成膜し、その後、化学的機械研磨により、セル表面が現れるまで研磨した。このとき、各セルの保磁力は７．９〜２３．７ｋＡ／ｍとなり、バラツキが大きくなっていた。その後、実施例１と同様にコイルを取り付けた。
【００２９】
はじめにコイルにより２５．３ｋＡ／ｍの磁界をセルアレイに印加して、全セルの磁化方向をコイル側に揃えた。次に、コイル電流方向を逆にして、セルに７．１ｋＡ／ｍのバイアス磁界を印加し、中央列のセル上の下部電極と上部電極間に５０Ｖの電圧を印加したところ、５個のセルの内、２個だけ磁化方向が反転し、画素像が明るくなった。これは、３個のセルの保磁力が７．１ｋＡ／ｍ未満まで下がらなかったためである。このように、各セルの反転磁界のバラツキが大きいことは変調しないセルが生じることを意味し、言い換えれば誤動作の原因となる。
【実施例２】
【００３０】
実施例１と同様の手順・材料で磁気光学層を作製した。それを１０２０℃で８時間アニール処理した。各セルは、面内方向の飽和磁界が４．７ｋＡ／ｍであり、垂直方向の１１．９ｋＡ／ｍより小さい面内膜となっていた。次に、この磁気光学層の上に、実施例１と同様の手順・材料で圧電層を設けた。
【００３１】
そしてセルアレイの外周を取り囲むように、セルアレイ形成面とは反対側の基板上（実施例１のコイル位置）にドーナッツ状の永久磁石を取り付けた。永久磁石からセルアレイに垂直方向に飽和磁界よりやや大きな１２．６ｋＡ／ｍのバイアス磁界を印加し、全セルの磁化方向を垂直方向に揃えた。この状態で、実施例１と同様に中央列のセルに５０Ｖ印加したところ、中央列の画素像が明るくなった。
【実施例３】
【００３２】
磁性ガーネットの組成が（ＴｂＢｉ）3 （ＦｅＧａ）5 Ｏ12であること以外は実施例１と同様の手順で磁気光学層を作製し、１０２０℃で５時間アニール処理を行った。各セルは、面内方向の飽和磁界が２３．７ｋＡ／ｍ、垂直方向が７．９ｋＡ／ｍの垂直膜となっていた。次に、この磁気光学層の上に実施例１と同様の手順・材料で圧電層を設けた。
【００３３】
そして図５に示すように、セルアレイの外側にセルアレイ形成面と平行な面内で、一対の永久磁石５０を対向させて配置し、該永久磁石５０によってセルの面内方向に飽和磁界よりやや大きな２５．３ｋＡ／ｍのバイアス磁界を印加して、全セルの磁化方向を面内方向に揃えた。この状態で、実施例１と同様に中央列のセルに５０Ｖ印加したところ、中央列の画素像が明るくなった。
【実施例４】
【００３４】
実施例３と同様の手順・材料で磁気光学層を作製し、１０２０℃で８時間のアニール処理を行った。各セルは、面内方向の飽和磁界が５．５ｋＡ／ｍであり、垂直方向の１２．６ｋＡ／ｍよりも小さい面内膜となっていた。次に、この磁気光学層の上に、実施例１と同様の手順・材料で圧電層を設けた。
【００３５】
この実施例ではコイルや永久磁石は設けていない。バイアス磁界を印加しない状態で、全セルの磁化方向は面内方向を向いており、この状態で全画素像が暗くなるように検光子を回転させた。次に、実施例１と同様に中央列のセルに５０Ｖ印加したところ、中央列の画素像が明るくなった。これは、電圧印加下のセルの磁化方向が垂直方向に傾いたためである。
【００３６】
このように本発明によれば、目的とするセルの必要な磁化方向の変化のみが生じ、誤動作が生じことが確認できた。
【符号の説明】
【００３７】
１０  セル
１２  磁気光学層
１４  圧電層
１６  基板
３０  下部電極
３２  圧電素子層
３４  上部電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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