(57)【要約】【課題】駆動方法が簡単で、かつ高速動作が可能であり、さらに微細化が可能な空間光変調器を提供する。【解決手段】本発明にかかる空間光変調器は、マトリックス状に配設された複数の光変調素子から構成され、前記光変調素子が、反強磁性結合を有する２つの強磁性層を含む積層体によって構成されることで、前記２つの強磁性層の磁化の方向が、電流を印加しない状態では、前記反強磁性結合によって互いに逆方向に配列するため、逆方向の電流を印加するといった初期化操作を不要とすることを特徴とする。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
マトリックス状に配設された複数の光変調素子を備えた空間光変調器において、
前記光変調素子が、反強磁性結合を有することで磁界がゼロの状態で磁化の方向が互いに反対の方向となる２つの強磁性層を備え、
前記２つの強磁性層のどちらか一方の磁化の方向を制御することによって光の偏光状態を変化させることを特徴とする、空間光変調器。
【請求項２】
上記光変調素子を構成する上記２つの強磁性層のどちらか一方の磁化の方向を電流の流れる方向によって制御する電極が配設されており、
前記電極を流れる電流の方向が１つの方向のみであることを特徴とする請求項１に記載の空間光変調器。
【請求項３】
上記光変調素子を構成する上記２つの強磁性層が垂直磁化膜であることを特徴とする請求項１に記載の空間光変調器。
【請求項４】
上記光変調素子を構成する上記２つの強磁性層がコバルトとパラジウムとの積層膜であることを特徴とする請求項１に記載の空間光変調器。
【請求項５】
上記光変調素子が、中間層を介して反強磁性結合を有する上記２つの強磁性層を積層した積層体で構成され、
前記中間層がルテニウムであることを特徴とする請求項１に記載の空間光変調器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光を空間的に変調する空間光変調器に関し、特に、磁気光学効果を使って光を変調する空間光変調器において、反強磁性結合を用いることで初期化操作を不要とする空間光変調器に関する。
【背景技術】
【０００２】
光を空間的に変調する空間光変調器は、光情報記録装置や光学的な情報処理装置等の分野において用いられている。
【０００３】
近年の情報化社会においては、大規模情報を高速に記録再生および演算処理できる装置が必要不可欠となっている。光ディスクに情報を記録する光情報記録装置においては、使用する光の波長を短波長化することで、ＣＤ（コンパクトディスク）から、ＤＶＤ（デジタル・ヴァーサタイル・ディスク）、そしてブルーレイ・ディスクへと記録密度を向上させてきた。さらに、次世代の高密度光情報記録システムとして、ホログラフィ技術を利用したホログラムメモリも提案されている。ホログラフィは、２つの光ビームにより形成される位相干渉パターンを記録し、その後一方の光ビームを記録パターンに照射して再生する技術であり、光の入射角度や波長、あるいは、記録箇所をわずかに移動させる等により多重記録が可能である。したがって、この技術を光情報記録システムに適用することで光ディスクの記録密度を飛躍的に向上することができる。
【０００４】
ホログラムメモリでは、光の強度、位相あるいは偏光等を変化させる光変調素子を２次元的に複数個配置した空間光変調器を使って、情報に応じて２次元デジタルパターンとして変調された情報光を記録媒体に記録する。したがって、光情報記録システムにおいては、大量の情報を高速かつ高密度に記録する必要から、ホログラムメモリに用いられる空間光変調素子としては、微細加工が可能であり、しかも可視光領域の短波長光を高速で変調できることが望まれる。
【０００５】
また、光の並列性・高速性を活かすことで情報の飛躍的な演算処理能力が発揮できる光コンピュータ、さらには半導体デバイス間を光配線を使って接続するシリコンフォトニクスといった光情報処理装置に関する研究も行われている。かかる光情報処理装置においても、光を空間的に変調（スイッチング）する必要があり、空間光変調器としては超高速での動作が望まれている。
【０００６】
従来の空間光変調器としては、一般に液晶素子やデジタルマイクロミラーデバイスが用いられている。液晶を用いた空間光変調器では、１マイクロメートル以下の微細化は困難であると共に応答時間もマイクロ秒と比較的遅いという問題がある。また、デジタルマイクロミラーデバイスを用いる場合には、製造方法の複雑さからコスト低下が困難であることや、微細化の問題が生じることが懸念されている。
【０００７】
一方、素子の構造が比較的簡単で、微細加工が可能であり、しかも高速での光変調が可能な空間光変調素子として、磁気光学効果を利用した空間光変調器が開発された。かかる磁気光学効果を利用した空間光変調器は、独立に磁化の方向を選択可能な複数の磁気光学素子で構成され、各素子の磁化の方向に応じて、光の偏光方向を所定の角度ずつ回転させられる。したがって、各素子の磁化の方向を任意に選択することにより、空間的に変調された光を生成することができる。
【０００８】
上記、磁気光学効果を利用した空間光変調器としては、例えば特許文献１および特許文献２に開示されたものが知られている。特許文献１に記載された空間光変調器では、光変調素子に用いる磁気光学材料として磁性ガーネットが用いられており、各素子の磁化の方向は隣接する素子との間に配設されている電極配線を流れる電流から発生する合成磁界の向きによって制御される。
【０００９】
また、特許文献２に記載された空間光変調器では、磁化方向が固定の磁化方向固定層と、非磁性材料で構成される分離層と、電流の印加により磁化方向が反転する磁化方向可変層との積層構造を有する磁気光学材料によって光変調素子は構成されている。ここで、磁化方向可変層の磁化の方向はスピン注入効果によって制御され、磁気光学材料としては面内磁化膜であるＣｏ−Ｆｅ−Ｓｉ膜が用いられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００５−２２１８４１
【特許文献２】特開２００８−８３６８６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上述のような従来の磁気光学材料を用いた空間光変調器では、光変調素子を構成する磁気光学材料の磁化方向を初期状態に戻すための初期化操作が必要であり、プラスおよびマイナスの両方向に電流を印加する必要があるため、素子の駆動回路が複雑になると共に、応答速度も遅くなるという問題がある。
【００１２】
また、特許文献１および特許文献２に記載された空間光変調器で用いられている磁気光学材料は、可視光領域の短波長光に対する磁気光学効果が大きくないため、高密度の情報を記録するホログラムメモリシステムへの利用は困難である。
【００１３】
さらに、特許文献２に記載された空間光変調器では、磁気光学材料として面内磁化膜が用いられているため、光変調素子のサイズが小さくなった場合に磁化の方向が不安定となり、微細化が困難である。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明にかかる空間光変調器は、マトリックス状に配設された複数の光変調素子を備え、前記光変調素子が、反強磁性結合を有する２つの強磁性層を含む積層体により構成され、前記２つの強磁性層うちどちらか一方の強磁性層の磁化の方向を制御することによって光を変調することを特徴としている。
【００１５】
かかる構成によれば、磁界を印加しない初期状態では前記２つの強磁性層の磁化の方向は互いに逆方向が安定となり、前記光変調素子の初期化操作が不要となるため高速駆動が可能となると共に、消費電力を抑えることが可能となるという効果を奏する。
【００１６】
また本発明にかかる空間光変調器は、前記光変調素子を構成する強磁性層の磁化の方向を、電流を印加する方向によって制御するための電極が配設されており、前記電極に印加する電流が１つの方向のみであることを特徴としている。
【００１７】
かかる構成によれば、前記電極に接続されている駆動回路は、前記電極にプラスあるいはマイナスのどちらか一方の電位のみを接続すればよいため、前記駆動回路を簡略化することが可能となるという効果を奏する。
【００１８】
また本発明にかかる空間光変調器は、前記光変調素子を構成する前記強磁性層が、可視光領域の短波長光に対して大きな磁気光学効果を有するＣｏ／Ｐｄ垂直磁化膜によって構成されていることを特徴としている。
【００１９】
かかる構成によれば、光変調素子の微細化が可能となると共に、光情報記録装置に用いた場合には、高密度の情報記録が可能となるという効果を奏する。
【発明の効果】
【００２０】
本発明にかかる空間光変調器は、反強磁性結合を有する２つの強磁性層を含む積層体によって光変調素子が構成され、磁界を印加しない状態では、前記２つの強磁性層の磁化の方向は互いに逆方向が安定となる。そのため、光変調素子の初期化操作が不要となり、応答速度が速く、微細加工が可能であり、しかも低消費電力でかつ簡単な駆動方式が提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】第１の実施形態の空間光変調器を模式的に示す平面図である。
【図２】図１に示した光変調素子を模式的に示す断面図である。
【図３】図２に示した光変調素子の動作原理を示す説明図であり、（ａ）は印加電流による第２の強磁性層の磁化の変化、（ｂ）は動作方法を説明する図をそれぞれ示している。
【図４】第２の実施形態の空間光変調器を模式的に示す平面図である。
【図５】図４に示した光変調素子の動作原理を示す説明図であり、（ａ）は光変調素子を模式的に示す断面図、（ｂ）は動作方法を説明する図をそれぞれ示している。
【図６】実施例の光変調素子の要部を示す断面図である。
【図７】図６に示す光変調素子の磁気特性であり、（ａ）はプラスおよびマイナス両方向に磁界を印加した場合の磁化曲線、（ｂ）はプラス方向のみに磁界を印加した場合の磁化曲線をそれぞれ示している。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明の空間光変調器では、磁気光学材料により構成される光変調素子に光が入射する場合、磁気光学材料の磁化の方向によって入射した光の偏光方向が変化する磁気光学効果を利用する。以下、図面を参照して本発明を実施するための形態について説明する。
【００２３】
［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態にかかる空間光変調器１０を模式的に示す平面図であり、図２は、図１で示した光変調素子１１の構成の一例を模式的に示す断面図である。空間光変調器１０は、反射型であって、図１に示すように、光変調素子１１がマトリックス状に２次元配列されており、光変調素子１１の上部には上部透明電極１２を備えている。本実施形態では、空間光変調器１０は、さらに、電流源１３と、下部電極選択部１４とを備える構成としたが、これらの構成は、空間光変調器１０と別の構成とし、例えば図示しないが、駆動制御部を空間光変調器１０の外部に設ける構成としてもよい。
【００２４】
上部透明電極１２は透明導電性材料であって、例えば、酸化インジウム錫（ＩＴＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化チタン（ＴｉＯ）等から構成される。また、電流源１３は、上部透明電極１２に一方向の直流電流を供給するものである。
【００２５】
図２に示すように、光変調素子１１は、下部電極層１８と、第１の強磁性層１５と、中間層１７と、第２の強磁性層１６とをこの順番で積層した積層体により構成される。ここで、第１の強磁性層１５と第２の強磁性層１６とは、中間層１７を介して反強磁性結合を有しており、外部磁界を印加しない状態では第１の強磁性層１５と第２の強磁性層１６の磁化の方向は互いに逆方向となる。また、入射光側に設置されている第２の強磁性層１６の保磁力は、下部電極層１８側に設置されている第１の強磁性層１５の保磁力より小さく設定されている。
【００２６】
このように、強磁性層１６の保磁力を強磁性層１５の保磁力より小さく設定することにより、第１の強磁性層１５の磁化の向きが安定した基準として機能する。すなわち光変調素子に電流を印加しない状態と印加した状態において、第２の強磁性層１６の磁化の向きだけが確実に変化し、制御できるという効果がある。
【００２７】
下部電極層１８は金属材料であって、例えば、Ｃｕ，Ａｌ，Ｔａ等の金属や合金等からなる一般的な電極用金属材料から構成され、また、隣り合った光変調素子１１間の隙間には酸化シリコンや酸化アルミニウム等からなる絶縁部材１９が配設されている。さらに、下部電極層１８は、下部電極選択部１４に接続されており、入射光が変調される領域を選択するために、所定の光変調素子１１をスイッチ（２０ａ、２０ｂ、２０ｃ）を介してグランドに接地することで、所定の光変調素子に一方向の電流を印加する。
【００２８】
第１の強磁性層１５および第２の強磁性層１６に用いる材料としては、Ｃｏ，Ｆｅ，Ｎｉ等の金属や合金等からなる一般的な導電性の磁性材料が挙げられるが、特に、素子を微細にしたときの磁化の安定性の観点からＣｏ／Ｐｄ多層膜，Ｃｏ／Ｐｔ多層膜，ＣｏＰｔ合金膜，ＦｅＰｔ合金膜等の垂直磁化膜が好ましい。
【００２９】
中間層１７は、第１の強磁性層１５および第２の強磁性層１６に挟まれた中間に位置し、２つの強磁性層間に反強磁性結合を生じさせる材料である必要があり、Ｒｕ，ＮｉＯ等が挙げられる。このうち、大きな反強磁性結合が発生でき、さらに第１の強磁性層１５および第２の強磁性層１６として垂直磁化膜を用いることができるという観点からＲｕが特に好ましい。
【００３０】
次に、本実施形態の空間光変調器１０の動作方法について図２および図３を使って説明する。
【００３１】
まず、図２のスイッチ２０ａ、２０ｂに示すように、電流を印加しない初期状態では、第１の強磁性層１５の磁化は、プラス方向（上方向）を向いており、第２の強磁性層１６の磁化は、反強磁性結合によって第１の強磁性層１５とは逆方向のマイナス方向（下方向）を向いている。すなわち、図３の（ａ）において電流が０の場合には、強磁性層１６の磁化方向が下方向を向いていることを示す。
【００３２】
下部電極選択部１４によって選択された光変調素子１１はスイッチ２０ｃを介してグランドに接地されて、選択された光変調素子１１にのみ電流が印加される。この場合に、選択された光変調素子１１では、周知のスピン注入効果によって、第２の強磁性層１６の磁化は、第１の強磁性層１５の磁化と同じ方向に反転する。すなわち、図３の（ａ）において電流がＩの場合には、強磁性層１６の磁化方向が反転して上方向を向いていることを示す。
【００３３】
偏光板２１を使って所定の偏光方向を有して空間光変調器１０に入射した光は、第２の強磁性層１６の磁化の方向に従って磁気光学効果によりその偏光方向が回転する。選択された光変調素子１１に入射した光は、選択されていない素子に入射した光とは逆方向に偏光方向が回転するため、この偏光方向の変化を偏光板２２を透過する光の強度として制御する。すなわち、図３の（ａ）において駆動電流を印加しない（０）か、駆動電流Ｉを印加するかに対応して、透過光のＯＮとＯＦＦとを制御できるのである。
【００３４】
ここで、選択した光変調素子１１の第２の強磁性層１６の磁化の方向を、さらに反転させて初期状態に戻す場合には、第１の強磁性層１５との反強磁性結合を使うために、グランドに接地されているスイッチ２０ｃを開放するのみでよく、逆方向の電流を印加するといった初期化の操作は不要である。
【００３５】
以上のような空間光変調器では、光の空間変調は、グランドに接地する変調素子を選択することで行うことができ、しかも初期化のために逆方向の電流を流す等の操作も不要であるため、駆動回路が簡略化できると共に、動作速度の高速化が可能となる。
【００３６】
［第２の実施形態］
図４は、本発明の第２の実施形態にかかる空間光変調器３０を模式的に示す平面図であり、図５は、図４で示した光変調素子３１の構成の一例を模式的に示す断面図である。
【００３７】
本実施形態の空間光変調器３０は、反射型であって、図４に示すように、光変調素子３１はマトリックス状に２次元配列しており、各光変調素子の磁化方向を個別に制御するための磁界を発生するＸ側電極ライン４６およびＹ側電極ライン４５を備えている。尚、本実施形態では、空間光変調器は、さらに、電流源３４と、Ｘ側電極ライン選択部３２とＹ側電極ライン選択部３３とを備える構成としたが、これらの構成は、空間光変調器３０と別の構成とし、例えば図示しないが、駆動制御部を空間光変調器１０の外部に設ける構成としてもよい。
【００３８】
光変調素子３１は、第１の強磁性層４０と、中間層４２と、第２の強磁性層４１とをこの順番で積層した積層体により構成される。隣り合った光変調素子３１の間には、Ｘ側およびＹ側の電極ラインが配設されており、図５（ａ）では、片方の電極ラインのみを図示している。また、隣り合った光変調素子３１およびそれぞれの電極ラインは、絶縁部材４３を介して電気的に絶縁されている。
【００３９】
ここで、第１の実施形態と同様に、第１の強磁性層４０と第２の強磁性層４１とは、中間層４２を介して反強磁性結合を有しており、外部磁界を印加しない状態では第１の強磁性層４０と第２の強磁性層４１の磁化の方向は互いに逆方向となる。また、入射光側に設置されている第２の強磁性層４１の保磁力は、第１の強磁性層４０の保磁力より小さく設定されている。
【００４０】
光変調素子３１の駆動は、Ｘ側電極ライン４６およびＹ側電極ライン４５に電流を印加することで行う。ここで、Ｘ側電極ライン４６およびＹ側電極ライン４５による通電が合致した選択素子４７のみが合成磁界によって当該光変調素子の第２の強磁性層４１の磁化の方向が反転する。さらに、選択した光変調素子の第２の強磁性層４１の磁化の方向を、初期状態に戻す場合には、第１の実施形態と同様に、第１の強磁性層４０との反強磁性結合を使うために、Ｘ側電極ライン４６およびＹ側電極ライン４５の少なくとも一方の通電を切断するのみでよい。
【００４１】
入射光の変調は、第１の実施形態と同様に、第２の強磁性層４１の磁化の方向を変化させることで磁気光学効果による偏光状態の変化を用いる。
【００４２】
本実施形態の空間光変調器においては、光の空間変調は、通電するＸ側電極ライン４６およびＹ側電極ライン４５を選択することで行うことができ、しかも第１の実施形態と同様に、初期化のために逆方向の電流を流す等の操作も不要であるため、駆動回路が簡略化できると共に、動作速度の高速化が可能となる。
【００４３】
本実施形態では、透明電極を使用する第１の実施形態に比較すると、Ｘ側電極ラインおよびＹ側電極ラインの電極材料としては、例えば、Ｃｕ，Ａｌ，Ｔａ等の金属や合金等からなる一般的な電極用金属材料が使用可能であることから、低コスト化に有利である。また、光変調素子の上側および下側に電極が無いことから、透過型の空間光変調器を構成する場合に特に好適に用いることができる。
【００４４】
さらに、本実施形態では、ライン状での光変調制御に適していることから、逐次的にライン状に情報の演算処理を行う光情報処理装置などの用途に特に好適に用いることができる。
【実施例】
【００４５】
図６は、本実施例にかかる空間光変調器を構成する光変調素子５０の要部を示す断面図である。
【００４６】
本実施例の光変調素子５０は、反射型であってその平面配置としては前記第２の実施形態と同様にＸ側電極ラインおよびＹ側電極ラインとにより合成磁界を発生させるようにした光変調器として使用した。
【００４７】
光変調素子５０は、中間層５３を介して反強磁性結合を有する第１の強磁性層５１と第２の強磁性層５２とを含む積層体から構成される。熱酸化シリコン基板５５上に、Ｐｄ層とＲｕ層とＰｄ層とをこの順番で積層した積層体からなる下地層５４を形成し、その上に第１の強磁性層５１であるＣｏ／Ｐｄ多層膜、中間層５３であるＲｕ膜、さらに第２の強磁性層５２であるＣｏ／Ｐｄ多層膜がこの順番に積層されている。
【００４８】
本実施例では、第１の強磁性層５１および第２の強磁性層５２として、垂直磁化膜であるＣｏ／Ｐｄ多層膜を使用することにより、面内磁化膜を使用した場合に比較して、微細加工を行った場合に磁化がより安定になることから、素子の微細化が可能という効果がある。また、本実施例における、熱酸化シリコン基板上に形成した、Ｐｄ層とＲｕ層とＰｄ層とからなる積層体からなる下地層は、Ｃｏ／Ｐｄ多層膜の垂直磁気特性を向上させるという役割を果たすものである。
【００４９】
この光変調素子５０の物理特性を図７に示す。図７は、光変調素子５０の要部である積層体に膜面垂直方向に磁界を印加した時の磁化の変化を示す図であり、（ａ）はプラス方向（上向き）およびマイナス方向（下向き）に磁界を印加した場合であり、（ｂ）はプラス方向（上向き）にのみ磁界を印加した場合をそれぞれ示している。
【００５０】
本実施例では、第２の強磁性層５２の保磁力は、第１の強磁性層５１の保磁力より小さくなるように、各強磁性層を構成するＣｏ／Ｐｄ多層膜のＰｄ層厚を設定している。図７（ａ）に示すグラフには、印加磁界が小さい場合に磁化が小さくなっており、これは、磁界がゼロ近傍では、第２の強磁性層５２の磁化の方向が、第１の強磁性層５１とは逆方向となるように反転しているためである。
【００５１】
したがって、図７（ｂ）に示すように、プラス方向にのみ磁界を印加した場合には、第１の強磁性層５１の磁化の方向は変化せず、第２の強磁性層５２の磁化の方向のみが印加した磁界の大きさに応じて変化し、しかも磁界がゼロの場合には、第２の強磁性層５２の磁化の方向は、第１の強磁性層５１の磁化の方向とは逆方向に配列する。
【００５２】
これにより、初期化操作を行うことなく、磁気光学効果によって入射光の偏光状態を変化させることが可能となり、本発明の光変調素子が設計可能であることが分かる。また、本実施例では、可視光領域の短波長光に対して大きな磁気光学効果を有することが周知の材料であるＣｏ／Ｐｄ多層膜によって磁気光学素子が構成されていることから、短波長光を使用する高密度光情報記録装置などの用途に特に好適に用いることができる。
【００５３】
以上、第１、第２の実施形態および実施例に基づいて本発明を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。例えば、印加電流により磁化の方向が反転する保磁力の小さい強磁性層は、入射光側に配設しているが、これに限定されるものではない。ガラスなどの透明基板を用いた透過型の空間光変調器においては、前記保磁力の小さい強磁性層は、入射光側とは反対の透明基板側に配設するようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明にかかる空間光変調器は、大規模情報を高速に記録再生あるいは演算処理する光情報記録装置あるいは光学的な情報処理装置等に利用可能である。
【符号の説明】
【００５５】
１０、３０  空間光変調器
１１、３１、５０          光変調素子
１２        上部透明電極
１３、３４  電流源
１４        下部電極選択部
１５、４０、５１          第１の強磁性層
１６、４１、５２          第２の強磁性層
１７、４２、５３          中間層
１８        下部電極層
１９、４３  絶縁部材
２０a，２０ｂ、２０ｃ     スイッチ
２１、２２  偏光板
３２        Ｘ側電極ライン選択部
３３        Ｙ側電極ライン選択部
４５        Ｙ側電極ライン
４６        Ｘ側電極ライン
４７        選択素子
５４        下地層
５５        熱酸化Ｓｉ基板
【図１】
2010262190.tif 000003
【図２】
2010262190.tif 000004
【図３】
2010262190.tif 000005
【図４】
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【図５】
2010262190.tif 000007
【図６】
2010262190.tif 000008
【図７】
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