(57)【要約】【課題】ピクセル間距離を小さくでき、単位面積当たりの情報量を大きくできるため、大量の情報を高速で処理できるようにする。【解決手段】磁性ガーネット膜１２中に、それぞれ独立に磁化方向を設定できファラデー効果によって入射光に対して磁化方向に応じた偏光方向の回転を与える多数のピクセル１４が局所熱処理によって２次元的に配列形成されており、光反射膜１６と、各ピクセルの磁化方向を制御するＸＹ駆動ラインを備えた磁気光学式空間光変調器である。光反射膜は各ピクセルに対応した領域毎に個別に形成され、局所熱処理と光反射膜により印加される応力とで各ピクセル間が磁気的に分離されているか、あるいはＸＹ駆動ラインは各ピクセルの外形に一致するように形成され、前記局所熱処理とＸＹ駆動ラインにより印加される応力とで各ピクセル間が磁気的に分離されている。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁性ガーネット膜中に、それぞれ独立に磁化方向を設定できファラデー効果によって入射光に対して磁化方向に応じた偏光方向の回転を与える多数のピクセルが局所熱処理によって２次元的に配列形成されており、光反射膜と、各ピクセルの磁化方向を制御するＸＹ駆動ラインを設けた空間光変調器において、
前記光反射膜は、各ピクセルに対応した領域毎に個別に形成され、前記局所熱処理と光反射膜により印加される応力とで各ピクセル間が磁気的に分離されていることを特徴とする磁気光学式空間光変調器。
【請求項２】
磁性ガーネット膜中に、それぞれ独立に磁化方向を設定できファラデー効果によって入射光に対して磁化方向に応じた偏光方向の回転を与える多数のピクセルが局所熱処理によって２次元的に配列形成されており、光反射膜と、各ピクセルの磁化方向を制御するＸＹ駆動ラインを設けた空間光変調器において、
前記ＸＹ駆動ラインは、各ピクセルの外形に一致しピクセルの内側を回るように形成され、前記局所熱処理とＸＹ駆動ラインにより印加される応力とで各ピクセル間が磁気的に分離されていることを特徴とする磁気光学式空間光変調器。
【請求項３】
ＸＹ駆動ラインは、各ピクセルの外形に一致しピクセルの内側を回るように形成され、ＸＹ駆動ラインにより印加される応力も各ピクセル間の磁気的な分離に寄与している請求項１記載の磁気光学式空間光変調器。
【請求項４】
磁性ガーネット膜の各ピクセル間に、ドライエッチングによる溝が形成されている請求項１乃至３のいずれかに記載の磁気光学式空間光変調器。
【請求項５】
磁性ガーネットＬＰＥ膜の各ピクセル形成領域上に赤外線吸収膜を形成し、その上方から赤外線を照射して局所熱処理を行うことにより多数のピクセルを２次元的に配列形成し、前記赤外線吸収膜を除去した後、各ピクセルに対応した領域毎に光反射膜を形成して応力を印加し、局所熱処理と光反射膜により印加される応力とで各ピクセル間が磁気的に分離されている構造とすることを特徴とする磁気光学式空間光変調器の製造方法。
【請求項６】
磁性ガーネットＬＰＥ膜の各ピクセル形成領域上に赤外線吸収膜を形成し、その上方から赤外線を照射して局所熱処理を行うことにより多数のピクセルを２次元的に配列形成し、前記赤外線吸収膜を除去した後、全面に光反射膜を形成し、各ピクセルに対応した領域毎にレジスト層をパターニングし、これをマスクとしてドライエッチング法によりピクセル間の光反射膜を除去して独立した光反射膜を形成すると共にピクセル間に溝を形成し、局所熱処理と光反射膜により印加される応力とで各ピクセル間が磁気的に分離されている構造とすることを特徴とする磁気光学式空間光変調器の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気光学技術による光のファラデー回転を利用して、入射光を空間的に変調する空間光変調器に関するものである。更に詳しく述べると本発明は、局所熱処理と付着した膜による応力印加構造を用いた磁性ガーネット膜の磁壁制御技術によりピクセルとピクセルの間を磁気的に分離させた磁気光学式空間光変調器及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
【特許文献１】
米国特許第５，４７３，４６６号公報
【０００３】
空間光変調器は、２次元の広がりをもつ光の強度分布、振幅分布、位相分布、偏光状態の分布を、外部からの信号に応じて空間的に変化させることができる素子である。多数のピクセル（画素）を２次元的に配列した空間光変調器は、情報を高速に並列処理できることから、光コンピューティング、プロジェクタＴＶ、光体積記録などを実現するキーデバイスとして研究が進められている。
【０００４】
代表的な空間光変調器としては、液晶技術を利用した素子、メンブレンミラーなどＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ−Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍ  ）技術を利用した素子、磁気光学技術を利用した素子などがある。しかし、液晶技術を用いた空間光変調器は動作速度が遅いという問題があり、ＭＥＭＳ技術を用いた空間光変調器は機械的な駆動部分を有するので信頼性の面で問題がある。
【０００５】
上記のように、光学的情報処理やコンピュータ合成ホログラム等の分野では、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且つ信頼性の高いものが要求されている。そのため最近では、そのような点で優れている磁気光学技術を用いた空間光変調器が精力的に研究開発されている。
【０００６】
例えば特許文献１には、磁気光学技術を用いた空間光変調器の一例が開示されている。磁気光学式空間光変調器は、光磁気材料からなり、独立に磁化の方向を選択可能な複数のピクセルを有している。各ピクセルは、磁性ガーネット材料上のピクセルに相当する領域にＳｉ等の酸化可能な膜パターンを形成し、全体を熱処理することにより、Ｓｉ膜直下の磁性ガーネット材料を還元して変質させ、ピクセル単位で磁化反転が可能となる複数のピクセルを形成するものである。そしてファラデー効果によって、各ピクセルを通過する光の偏光方向は互いに反対方向に所定角度ずつ回転する。従って、このような磁気光学式空間光変調器では、各ピクセルにおける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。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし特許文献１のように、Ｓｉのような酸化可能な膜を用いて磁性ガーネット材料全体を熱処理すると、熱拡散のためＳｉ膜周辺も還元してしまうため、各ピクセルの輪郭が不明瞭となり、ピクセルサイズにもばらつきが生じる。そのためピクセル間距離を大きく取らなければならない。ピクセル間距離が大きくなると、単位面積当たりの情報量が少なくなってしまうため、大量の情報を高速で処理する用途には不向きとなる。
【０００８】
本発明の目的は、ピクセル間距離を小さくでき、単位面積当たりの情報量を大きくでき、そのため大量の情報を高速で処理できる磁気光学式空間光変調器及びその製造方法を提供することである。本発明の他の目的は、バイアス磁界が不要であり、パルス電流のみで駆動できるため、デバイスの小型化、低消費電流化を達成できる磁気光学式空間光変調器を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、磁性ガーネット膜中に、それぞれ独立に磁化方向を設定できファラデー効果によって入射光に対して磁化方向に応じた偏光方向の回転を与える多数のピクセルが局所熱処理によって２次元的に配列形成されており、光反射膜と、各ピクセルの磁化方向を制御するＸＹ駆動ラインを設けた空間光変調器において、前記光反射膜は、各ピクセルに対応した領域毎に個別に形成され、前記局所熱処理と光反射膜により印加される応力とで各ピクセル間が磁気的に分離されていることを特徴とする磁気光学式空間光変調器である。
【００１０】
また本発明は、磁性ガーネット膜中に、それぞれ独立に磁化方向を設定できファラデー効果によって入射光に対して磁化方向に応じた偏光方向の回転を与える多数のピクセルが局所熱処理によって２次元的に配列形成されており、光反射膜と、各ピクセルの磁化方向を制御するＸＹ駆動ラインを設けた空間光変調器において、前記ＸＹ駆動ラインは、各ピクセルの外形に一致しピクセルの内側を回るように形成され、前記局所熱処理とＸＹ駆動ラインにより印加される応力とで各ピクセル間が磁気的に分離されていることを特徴とする磁気光学式空間光変調器である。
【００１１】
勿論、これら両方の技術を組み合わせ、光反射膜を各ピクセルに対応した領域毎に個別に形成し、且つＸＹ駆動ラインを各ピクセルの外形に一致しピクセルの内側を回るように形成して、局所熱処理と光反射膜及びＸＹ駆動ラインにより印加される応力とで各ピクセル間が磁気的に分離されている構成としてもよい。
【００１２】
磁性ガーネット膜の各ピクセル間に、ドライエッチングによる溝が形成されている構造にすると、膜による応力が効率よく溝に集中し、応力印加による各ピクセル間の磁気的な分離効果がより一層明確になるため好ましい。
【００１３】
磁性ガーネット膜としては、Ｂｉ置換希土類鉄ガーネットＬＰＥ（液相エピタキシャル）膜であって、例えば波長５００〜７００ｎｍの光、特に好ましくは波長５２０〜５４０ｎｍの光が入射した際、ファラデー回転角が５〜２５度となり、吸収損失が２０ｄＢ以下となる特性を有するものが好ましい。
【００１４】
また本発明は、磁性ガーネットＬＰＥ膜の各ピクセル形成領域上に赤外線吸収膜を形成し、その上方から赤外線を照射して局所熱処理を行うことにより多数のピクセルを２次元的に配列形成し、前記赤外線吸収膜を除去した後、各ピクセルに対応した領域毎に光反射膜を形成して応力を印加し、局所熱処理と光反射膜により印加される応力とで各ピクセル間が磁気的に分離されている構造とすることを特徴とする磁気光学式空間光変調器の製造方法である。
【００１５】
更に本発明は、磁性ガーネットＬＰＥ膜の各ピクセル形成領域上に赤外線吸収膜を形成し、その上方から赤外線を照射して局所熱処理を行うことにより多数のピクセルを２次元的に配列形成し、赤外線吸収膜を除去した後、全面に光反射膜膜を形成し、各ピクセルに対応した領域毎にレジスト層をパターニングし、これをマスクとしてドライエッチング法によりピクセル間の光反射膜を除去して独立した光反射膜を形成すると共にピクセル間に溝を形成し、局所熱処理と光反射膜により印加される応力とで各ピクセル間が磁気的に分離されている構造とすることを特徴とする磁気光学式空間光変調器の製造方法である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明に係る磁気光学式空間光変調器の一例を示す説明図であり、Ａは平面を、Ｂは断面を表している。ここで空間光変調器１０は、ＧＧＧ（ガドリニウム・ガリウム・ガーネット）又はＳＧＧＧ（スカンジウム・ガドリニウム・ガリウム・ガーネット）基板１１上にＬＰＥ法にて育成した磁性ガーネット膜１２中に多数の矩形状のピクセル１４が２次元的（縦横規則的）に配列形成されており、該磁性ガーネット膜１２上の各ピクセル１４に対応する位置に、ピクセルとほぼ同形の矩形状の光反射膜１６が形成されている構造である。ここでは図示していないが、光反射膜の上には、絶縁膜を介して各ピクセルの磁化方向を制御するＸＹの駆動ライン（図示せず）が設けられる。なお、Ｂに示す断面図においては、下面が光の入出射面となる。入射光は、ＧＧＧ（又はＳＧＧＧ）基板１１を透過し、ピクセル１４にてファラデー回転し、光反射膜１６で反射し、ピクセル１４にてファラデー回転を増して、ＧＧＧ（又はＳＧＧＧ）基板１１を透過して出射する。
【００１７】
各ピクセル１４は、それぞれ独立に磁化の方向を設定できファラデー効果によって入射光に対して磁化の方向に応じた偏光方向の回転を与えるもので、ピクセル形成領域のみを局所熱処理することによって形成される。その具体的な製作工程を図２に示す。磁性ガーネット膜は、例えばＢｉ置換希土類鉄ガーネット膜であり、前述のようにＧＧＧ基板やＳＧＧＧ基板上に液相エピタキシャル成長させることによって形成したものである。なお、以降の各図では、ＧＧＧ（又はＳＧＧＧ）基板については図示するのを省略している。
（ａ）磁性ガーネット膜１２の表面上のピクセル形成領域のみにＳｉ等からなる赤外線吸収膜１８を形成しておく。
（ｂ）そして、赤外線（ＩＲ）照射を行う。これによって赤外線吸収膜１８が赤外線を吸収し、その直下のみが加熱され、必要な局所熱処理が行われて、結晶中におけるＢｉやＧａのサイトが移動するなどにより磁気異方性が下がり飽和磁化が変わるなどの局所的な特性変化が起こる。その特性変化が生じた領域がピクセル１４となる。
（ｃ）その後、赤外線吸収膜を除去する。
（ｄ）形成したピクセルに対応した領域毎に、島状に個別にＡｌ等からなる光反射膜１６を形成する。
【００１８】
光反射膜１６は、典型的には反射率の大きなＡｌ等からなり、各ピクセル１４に対応した領域毎に該領域全体にわたって個別に形成されている。この光反射膜１６は応力印加膜を兼ねており、光反射膜が付着していない部分（ピクセル間）に応力を作用させる。本発明では、局所熱処理によってピクセルが形成されるばかりでなく、光反射膜によりピクセル同士の間に集中的に印加される応力とによって各ピクセル間が磁気的に明瞭に分離され、それらによってピクセル単位の孤立した磁区構造が形成されるようになっており、その点に一つの特徴がある。このような構成により、ピクセル間距離をピクセルサイズ以下、特に２μｍ以下に狭めることが可能となる。
【００１９】
空間光変調器の駆動手段の一例を図３に示す。空間光変調器１０には、行方向（横方向）で各ピクセル近傍を通るようにＸ駆動ラインが形成され、列方向（縦方向）で各ピクセル近傍を通るようにＹ駆動ラインが形成されている。各Ｘ駆動ラインにはＸ駆動部２２からＸ側駆動パルス電流が供給され、各Ｙ駆動ラインにはＹ駆動部２４からＹ側駆動パルス電流が供給される。そして、選択されたＸ駆動ラインとＹ駆動ラインの交点に位置するピクセルの磁化方向が、ＸＹ合成パルス電流によって反転制御される。Ｘ駆動部２２とＹ駆動部２４の動作は制御部２６によって制御される。
【００２０】
このような空間光変調器１０は、一方の面（光反射膜形成面とは反対の面）が光の入出射面になっている。空間光変調器１０に入射した光は、空間的に変調されて出射する。Ａに示すように、空間光変調器１０から出射した光をそのまま利用してもよいし、Ｂに示すように、空間光変調器１０から出射した光を検光子２８を通過させた後に利用してもよい。
【００２１】
ＸＹ駆動ラインの例を図５に示す。Ａに示すようにピクセル１４が配列形成されているとする。ここでは図面を簡略化するため４個のピクセルのみ図示している。各ピクセル１４は、全て縦横寸法ａ＝１６μｍの正方形状であり、隣接するピクセルとの間は距離ｂ＝２μｍだけ離れている。ＢにＸ駆動ライン３０の形状を、ＣにＹ駆動ライン３２の形状を、それぞれ１ラインずつ示し、それらを重ね合わせた状態をＤに示す。ここでＸ駆動ライン３０及びＹ駆動ライン３２は共に幅ｃ＝４μｍである。Ｘ駆動ライン３０及びＹ駆動ライン３２は、各ピクセル１４をそれぞれ３／４周するように、ピクセル１４の内側に収まり且つピクセル１４の外形に一致するように形成され、つづら折り状に隣り合うピクセルを繋ぐように設けられている。
【００２２】
ＸＹ駆動ライン３０，３２の積層状態を図５のＥに示す。磁性ガーネット膜１２上に光反射膜１６を形成した後、全面に第１の絶縁膜３４を設けて、その上にＸ駆動ライン３０を設ける。更に、全面に第２の絶縁膜３６を設けて、その上にＹ駆動ライン３２を設ける。最後に、保護膜３８で全面を覆う。
【００２３】
このようなパターンでＸＹ駆動ラインを形成すると、該ＸＹ駆動ライン３０，３２に応力印加膜としての機能を兼ねさせることができる。このＸＹ駆動ライン３０，３２によって、磁性ガーネット膜のピクセル間に印加される応力も、各ピクセル間の磁気的な分離に寄与し、それによってピクセル単位の孤立した磁区構造をより一層明確化することができる。
【００２４】
更に、図５には示していないが、磁性ガーネット膜１２のピクセル間に溝を形成すると、光反射膜１６やＸＹ駆動ライン３０，３２による応力を更に効率的にピクセル間に集中させることができる。このような構成によって、ピクセル間距離を１μｍ以下まで狭めることができる。
【００２５】
本発明においては、各ピクセル内で磁区を単一化する。１つのピクセル内で磁壁を有する場合（マルチドメインの場合）には磁化反転の際にバイアス磁界を必要とする。その結果、デバイスのサイズ及び消費電流が大きくなり、発熱の問題も懸念される。しかし、１つのピクセルが単磁区化されていると、バイアス磁界が不要となり、パルス電流のみで駆動でき、デバイスの小型化、低消費電流化が達成される。
【００２６】
【実施例】
本発明に係る磁気光学式空間光変調器の製造方法の好ましい実施例を、図６のＡ（実施例１）とＢ（実施例２）に示す。
【００２７】
（実施例１）
（１−ａ）磁性ガーネット膜１２として、ＧＧＧ基板上にＬＰＥ法により成膜した約３μｍ厚のＢｉ置換希土類鉄ガーネット膜を用いる。その膜組成は、Ｂｉ１  Ｙ１  Ｇｄ１  Ｆｅ４  Ｇａ１  Ｏ１２である。まず、ピクセルを形成すべき領域の直上となる磁性ガーネット膜表面に、赤外線吸収膜（Ｓｉ膜）１８を形成する。
（１−ｂ）赤外線吸収膜１８の上方から赤外線（ＩＲ）を照射する。赤外線吸収膜１８は赤外線を吸収して、その直下の領域を加熱する。これによって赤外線吸収膜１８の直下の磁性ガーネット膜領域のみが局所熱処理され、独立に磁化の方向を選択可能なピクセル１４が形成される。
（１−ｃ）次に、既に設けられている赤外線吸収膜（Ｓｉ膜）１８をそのままマスクとしてドライエッチング（例えばイオンミリング）を行う。これによって、ピクセル間に溝４０を形成する。
（１−ｄ）そして、ケミカルエッチングにより赤外線吸収膜（Ｓｉ膜）を除去する。
（１−ｅ）磁性ガーネット膜１２上のピクセルに対応する領域に光反射膜（Ａｌ膜）１６をスパッタ法や蒸着法などにより形成する。この光反射膜１６は応力印加膜としての機能も果たすことになる。
【００２８】
このようにしてピクセル１４を形成した磁性ガーネット膜１２のピクセル領域上のみに光反射膜（Ａｌ膜）１６が形成される。この実施例１の工程では、イオンミリングによる溝形成に際して赤外線吸収膜（Ｓｉ膜）１８をそのままマスクとして利用するため、マスク形成工程を省略できる利点がある。
【００２９】
（実施例２）
（２−ａ）磁性ガーネット膜１２として、ＧＧＧ基板上にＬＰＥ法により成膜した約３μｍ厚のＢｉ置換希土類鉄ガーネット膜を用いる。まず、ピクセルを形成すべき領域の直上となる磁性ガーネット膜表面に、赤外線吸収膜（Ｓｉ膜）１８を形成する。
（２−ｂ）赤外線吸収膜１８の上方から赤外線（ＩＲ）を照射する。赤外線吸収膜１８は赤外線を吸収して、その直下の領域を加熱する。これによって赤外線吸収膜１８の直下の磁性ガーネット膜領域のみが局所熱処理され、独立に磁化の方向を選択可能なピクセル１４が形成される。
（２−ｃ）そして、ケミカルエッチングにより赤外線吸収膜（Ｓｉ膜）を除去する。
（２−ｄ）次に、磁性ガーネット膜１２上の全面に、スパッタ法や蒸着法などによりＡｌ膜４２を形成し、その上のピクセルに対応する領域にレジスト層４４を形成する。
（２−ｅ）レジスト層４４をマスクとしてイオンミリングを行い、ピクセル１４に対応した領域を残して光反射膜１６とし、ピクセル間の不要なＡｌ膜部分を除去し、更にイオンミリングを進めてピクセル間に溝４０を形成する。
（２−ｆ）残ったレジスト層を除去する。磁性ガーネット膜１２上の光反射膜１６は応力印加膜としての機能も果たすことになる。
【００３０】
このようにしてピクセル１４を形成した磁性ガーネット膜１２のピクセル領域上のみに光反射膜（Ａｌ膜）１６が形成される。この実施例２の工程では、光反射膜の形成と溝形成をイオンミリングにより連続して行えるため、工程を簡略化できる利点がある。
【００３１】
このように実施例１，２で光反射膜１６を形成した後は、全面にＳｉＯ２  絶縁膜を形成し、その上に横方向にＸ駆動ラインを形成する。Ｘ駆動ラインは、図５に示すように、ピクセル領域上にピクセル外形に一致するようなつづら折りのＡｌ膜であり、スパッタ法や蒸着法等によって形成される。更にその上に全面にわたってＳｉＯ２  絶縁膜を形成し、その上に縦方向にＹ駆動ラインを形成する。Ｙ駆動ラインも、図５に示すように、ピクセル領域上にピクセル外形に一致するようなつづら折りのＡｌ膜であり、スパッタ法や蒸着法等によって形成される。これらＸＹ駆動ラインも応力印加膜としての機能を果たす。最後に、保護膜として全面にわたってＳｉＯ２  絶縁膜を形成する。このようにして磁気光学式空間光変調器を製造する。
【００３２】
次に、ピクセル内の磁区構造について観察した結果を説明する。磁性ガーネット膜に、局所熱処理と光反射膜により印加される応力とでピクセル間が磁気的に分離されている種々のサイズ（４〜５０μｍ）のピクセルを作製した。そして、それぞれのピクセルの磁化の方向を任意に反転させ、光のファラデー回転の違いによる光の透過性の違い（ＯＮ，ＯＦＦ）を偏光顕微鏡で観察し、ピクセル内が単磁区であるか否かを判定した。
【００３３】
その結果、ほぼ全てのピクセルが単磁区（シングルドメイン）化されていた。つまり、各ピクセルは保磁力を持ちシングルドメインとなっていた。従って、このような状態であれば、バイアス磁界は不要であり、パルス電流のみで磁化の反転を行うことができ、空間光変調器として好ましいことが確認できた。
【００３４】
【発明の効果】
本発明は上記のように、各ピクセルに対応した領域毎に個別に光反射膜を形成し、局所熱処理と光反射膜により印加される応力とで各ピクセル間が磁気的に分離した磁気光学式空間光変調器、あるいは各ピクセルの外形に一致するようにＸＹ駆動ラインを形成し、局所熱処理とＸＹ駆動ラインにより印加される応力とで各ピクセル間が磁気的に分離されている磁気光学式の空間光変調器であるから、ピクセル間の距離をピクセルサイズ以下、特に２μｍ程度以下に狭めることが可能になり、単位面積当たりの情報量を大きくでき、大量の情報を高速で処理することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る空間光変調器の一例を示す説明図。
【図２】その製造工程の一例を示す説明図。
【図３】空間光変調器と周辺回路の例を示す説明図。
【図４】空間光変調器の使用状態の例を示す概念図。
【図５】本発明に係るＸＹ駆動ラインの一例を示す説明図。
【図６】本発明に係る空間光変調器の製造工程の一実施例を示す説明図。
【符号の説明】
１０  空間光変調器
１１  ＧＧＧ又はＳＧＧＧ基板
１２  磁性ガーネット膜
１４  ピクセル
１６  光反射膜
【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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【図６】
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