(57)【要約】【課題】光変調を安定動作させつつ、光の利用効率を向上する。【解決手段】光変調素子１は、変調する光を受光する受光面を、単磁区構造に磁化可能な所定の幅（Ｗ）で、両端部の間の距離（Ｄ）よりも長い経路により経路により両端部の間を接続する形状の磁壁駆動部５１と、磁壁駆動部５１の両端部のそれぞれに配置され、互いに磁化方向が反転している硬磁性体部４０とを備える。また、磁壁駆動部５１は、矩形波状の形状である。【選択図】図１
2017167430.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
変調する光を受光する受光面を、単磁区構造に磁化可能な所定の幅で、両端部の間の距離よりも長い経路により前記両端部の間を接続する形状の磁気自由層と、
前記磁気自由層の前記両端部のそれぞれに配置され、互いに磁化方向が反転している磁化固定層と
を備えることを特徴とする光変調素子。
【請求項２】
前記磁気自由層は、矩形波状の形状であることを特徴とする請求項１に記載の光変調素子。
【請求項３】
前記磁気自由層は、スパイラル状の形状であることを特徴とする請求項１に記載の光変調素子。
【請求項４】
複数の前記磁気自由層を備え、
前記複数の前記磁気自由層が、前記受光面と垂直な方向に異なる平面上に、互いに補完して前記受光面に受光するように配置されている
ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の光変調素子。
【請求項５】
前記複数の前記磁気自由層には、第１磁気自由層と、第２磁気自由層とが含まれ、
前記磁化固定層には、前記第１磁気自由層の第１端部に配置されている第１磁化固定層と、前記第１磁気自由層の第２端部に配置されている第２磁化固定層と、前記第２磁気自由層の第１端部に配置されている第３磁化固定層と、前記第２磁気自由層の第２端部に配置されている第４磁化固定層とが含まれ、
前記第１磁気自由層の第１端部と、前記第２磁気自由層の第１端部とが、前記第３磁化固定層を介して接続され、前記第１磁気自由層の第２端部と、前記第２磁気自由層の第２端部とが、前記第４磁化固定層を介して接続されて構成されており、
前記第１磁化固定層の磁化方向と、前記第３磁化固定層の磁化方向とが同一であり、
前記第２磁化固定層の磁化方向と、前記第４磁化固定層の磁化方向とが同一である
ことを特徴とする請求項４に記載の光変調素子。
【請求項６】
前記複数の前記磁気自由層には、第１磁気自由層と、第２磁気自由層とが含まれ、
前記磁化固定層には、前記第１磁気自由層の第１端部に配置されている第１磁化固定層と、前記第１磁気自由層の第２端部に配置されている第２磁化固定層と、前記第２磁気自由層の第１端部に配置されている第３磁化固定層と、前記第２磁気自由層の第２端部に配置されている第４磁化固定層とが含まれ、
前記第１磁気自由層の第２端部と、前記第２磁気自由層の第２端部とが、前記第２磁化固定層、及び前記第４磁化固定層を介して直列に接続され、前記第１磁気自由層の第１端部と、前記第２磁気自由層の第１端部との間に電流を供給可能に構成されており、
前記第１磁化固定層の磁化方向と、前記第３磁化固定層の磁化方向とが反対方向であり、
前記第２磁化固定層の磁化方向と、前記第４磁化固定層の磁化方向とが反対方向である、
ことを特徴とする請求項４に記載の光変調素子。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の光変調素子をアレイ上に配列して備える
ことを特徴とする空間光変調器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光変調素子、及び空間光変調器に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁化の変化を利用して光を変調する光変調を行う光変調素子を備えた空間光変調器が知られている。（例えば、特許文献１、及び特許文献２を参照）。例えば、特許文献１に記載の技術では、磁性細線（磁気自由層）に電流を供給すること（電子を注入すること）により磁性細線上の磁壁の位置を移動させることで、光変調を行っている。
また、磁性細線上の磁壁の位置を移動させる技術が知られている（例えば、非特許文献１を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−２０１１４号公報
【特許文献２】特開２００８−８３６８６号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Hironobu Tanigawa, et al.,”Operating principle of a three-terminal domain wall device with perpendicularly magnetized Ta/CoFeB/MgO free layer and underlying hard magnets”, Japanese Journal of Applied Physics 53, 063002 (2014)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述したような磁性細線を利用した光変調素子では、細線幅を太くすると、単磁区が維持できずに磁区構造が複雑になり、光変調に誤動作が生じる場合があった。また、光変調素子は、光変調に誤動作が生じないように細線幅を細くすると、素子サイズに比べて、細線幅が大幅に小さくなってしまうために、光の利用効率が低下するという問題があった。
【０００６】
本発明は、上記問題を解決すべくなされたもので、その目的は、光変調を安定動作させつつ、光の利用効率を向上させることができる光変調素子、及び空間光変調器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記問題を解決するために、本発明の一態様は、変調する光を受光する受光面を、単磁区構造に磁化可能な所定の幅で、両端部の間の距離よりも長い経路により前記両端部の間を接続する形状の磁気自由層と、前記磁気自由層の前記両端部のそれぞれに配置され、互いに磁化方向が反転している磁化固定層とを備えることを特徴とする光変調素子である。
【０００８】
また、本発明の一態様は、上記の光変調素子において、前記磁気自由層は、矩形波状の形状であることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の一態様は、上記の光変調素子において、前記磁気自由層は、スパイラル状の形状であることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の一態様は、上記の光変調素子において、複数の前記磁気自由層を備え、前記複数の前記磁気自由層が、前記受光面と垂直な方向に異なる平面上に、互いに補完して前記受光面に受光するように配置されていることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の一態様は、上記の光変調素子において、前記複数の前記磁気自由層には、第１磁気自由層と、第２磁気自由層とが含まれ、前記磁化固定層には、前記第１磁気自由層の第１端部に配置されている第１磁化固定層と、前記第１磁気自由層の第２端部に配置されている第２磁化固定層と、前記第２磁気自由層の第１端部に配置されている第３磁化固定層と、前記第２磁気自由層の第２端部に配置されている第４磁化固定層とが含まれ、前記第１磁気自由層の第１端部と、前記第２磁気自由層の第１端部とが、前記第３磁化固定層を介して接続され、前記第１磁気自由層の第２端部と、前記第２磁気自由層の第２端部とが、前記第４磁化固定層を介して接続されて構成されており、前記第１磁化固定層の磁化方向と、前記第３磁化固定層の磁化方向とが同一であり、前記第２磁化固定層の磁化方向と、前記第４磁化固定層の磁化方向とが同一であることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の一態様は、上記の光変調素子において、前記複数の前記磁気自由層には、第１磁気自由層と、第２磁気自由層とが含まれ、前記磁化固定層には、前記第１磁気自由層の第１端部に配置されている第１磁化固定層と、前記第１磁気自由層の第２端部に配置されている第２磁化固定層と、前記第２磁気自由層の第１端部に配置されている第３磁化固定層と、前記第２磁気自由層の第２端部に配置されている第４磁化固定層とが含まれ、前記第１磁気自由層の第２端部と、前記第２磁気自由層の第２端部とが、前記第２磁化固定層、及び前記第４磁化固定層を介して直列に接続され、前記第１磁気自由層の第１端部と、前記第２磁気自由層の第１端部との間に電流を供給可能に構成されており、前記第１磁化固定層の磁化方向と、前記第３磁化固定層の磁化方向とが反対方向であり、前記第２磁化固定層の磁化方向と、前記第４磁化固定層の磁化方向とが反対方向であることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明の一態様は、上記の光変調素子をアレイ上に配列して備えることを特徴とする空間光変調器である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、光変調を安定動作させつつ、光の利用効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】第１の実施形態による光変調素子の一例を示す平面図である。
【図２】図１に示すＡ−Ａ’線に沿った光変調素子の断面図である。
【図３】第１の実施形態による光変調素子の製造方法の一例を説明する図である。
【図４】第１の実施形態による光変調素子の動作原理を説明する図である。
【図５】第２の実施形態による光変調素子の一例を示す平面図である。
【図６】図５に示すＡ−Ａ’線に沿った光変調素子の断面図である。
【図７】第３の実施形態による光変調素子の一例を示す平面図である。
【図８】図７に示すＡ−Ａ’線に沿った光変調素子の断面図である。
【図９】第４の実施形態による空間光変調器の一例を示す機能ブロック図である。
【図１０】第１〜第３の実施形態における磁壁駆動部の変形例を示す第１の平面図である。
【図１１】第１〜第３の実施形態における磁壁駆動部の変形例を示す第２の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態による光変調素子、及び空間光変調器について、図面を参照して説明する。
［第１の実施形態］
図１は、第１の実施形態による光変調素子１の一例を示す平面図である。また、図２は、図１に示すＡ−Ａ’線に沿った光変調素子１の断面図である。
【００１７】
図１及び図２に示すように、光変調素子１は、ＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）トランジスタ１０と、ビア（２１、２２）と、配線層（３１、３２）と、硬磁性体部（４１、４２）と、磁壁駆動部５１とを備えている。
なお、本実施形態では、図１及び図２に示す配線層３２の長手方向をＸ軸方向、配線層３１の長手方向をＹ軸方向、光変調素子１の厚み方向をＺ軸方向として説明する。また、本実施形態では、厚み方向（Ｚ軸方向）において、ＭＯＳトランジスタ１０が配置されている側を下側とし、磁壁駆動部５１が配置されている側を上側とする。
また、図２において、各構成の間には、絶縁層６０がある。
【００１８】
ＭＯＳトランジスタ１０は、磁壁駆動部５１の磁化を反転させるための電流を、磁壁駆動部５１に供給する。ＭＯＳトランジスタ１０は、ソース１１と、ドレイン１２と、ゲート電極１３とを備えている。ＭＯＳトランジスタ１０は、ゲート電極１３に印加された電圧に応じて、ソース１１とドレイン１２との間が、導通状態（オン状態）と非導通状態（オフ状態）とのいずれかの状態に切り替えられる。
【００１９】
ビア２１は、ＭＯＳトランジスタ１０のソース１１と配線層３１との間に配置され、ソース１１と配線層３１とを電気的に接続する。
配線層３１（第１配線層の一例）は、ＭＯＳトランジスタ１０のソース１１にビア２１を介して電気的に接続されている。配線層３１は、光変調素子１において光の変調を制御するための制御電流を流す電流経路として機能する。
【００２０】
ビア２２は、ＭＯＳトランジスタ１０のドレイン１２と硬磁性体部４１との間に配置され、ドレイン１２と硬磁性体部４１とを電気的に接続する。
硬磁性体部４１（磁化固定層の一例、第１磁化固定層）は、硬磁性体で構成された層であり、ビア２２と磁壁駆動部５１の端部５１Ａ（第１端部）との間に配置されている。硬磁性体部４１は、上向き方向に磁化されている。なお、上向き方向とは、光変調素子１の上述した下側から上側に向う方向（Ｚ軸の正方向）のことである。
【００２１】
配線層３２（第２配線層の一例）は、配線層３１に離間して平行に配置され、磁壁駆動部５１の端部５１Ｂ（第２端部）に硬磁性体部４２を介して電気的に接続されている。配線層３２は、上述した配線層３１と同様に、光変調素子１において光の変調を制御するための制御電流を流す電流経路として機能する。
【００２２】
硬磁性体部４２（磁化固定層の一例、第２磁化固定層）は、硬磁性体で構成された層であり、配線層３２と磁壁駆動部５１の端部５１Ｂ（第２端部）との間に配置されている。硬磁性体部４２は、下向き方向に磁化されている。なお、下向き方向とは、光変調素子１の上述した上側から下側に向う方向（Ｚ軸の負方向）のことである。
なお、硬磁性体部４１と、硬磁性体部４２とは、光変調素子１が備える任意の硬磁性体部を示す場合、又は特に区別しない場合には、硬磁性体部４０として説明する。
硬磁性体部４１と、硬磁性体部４２とは、磁壁駆動部５１の両端部（端部５１Ａ、端部５１Ｂ）のそれぞれに配置され、互いに磁化方向が反転している。
【００２３】
磁壁駆動部５１（磁気自由層の一例）は、端部５１Ａが硬磁性体部４１に、端部５１Ｂが硬磁性体部４２に、それぞれ電気的に接続されている。磁壁駆動部５１は、変調する光を受光する受光面ＬＦ１を、所定の幅（Ｗ）で両端部（端部５１Ａ、端部５１Ｂ）の間を接続する形状の薄膜磁性細線である。ここで、所定の幅（Ｗ）とは、磁壁駆動部５１を単一の磁化方向に磁化された単磁区構造に磁化可能な幅であって、例えば、５００ｎｍ（ナノメートル）以下の幅のことである。また、受光面ＬＦ１は、Ｚ軸の負方向に観察した場合に見える磁壁駆動部５１の面を示している。磁壁駆動部５１は、例えば、矩形波状（方形化状）の形状で引き回されて端部５１Ａと端部５１Ｂとの間を接続している。すなわち、磁壁駆動部５１は、所定の幅（Ｗ）で、両端部（端部５１Ａ、端部５１Ｂ）の間の距離（Ｄ）よりも長い経路により両端部（端部５１Ａ、端部５１Ｂ）の間を接続する形状に経さえられている。言い換えると、磁壁駆動部５１は、両端部（端部５１Ａ、端部５１Ｂ）を結ぶ直線上を少なくとも１回通過する経路により蛇行して両端部（端部５１Ａ、端部５１Ｂ）の間を接続する形状で構成されている。
【００２４】
また、磁壁駆動部５１は、Ｚ軸方向に磁化（垂直磁化）可能であり、両端部（端部５１Ａ、端部５１Ｂ）の間に電流を流すと、硬磁性体部４１に基づく磁化が上向き方向の領域と、硬磁性体部４２に基づく磁化が下向き方向の領域との割合が、電流の向き及び電流値に応じて変化するように構成されている。
光変調素子１は、入射されや光を、受光面ＬＦ１にて、上述の上向き方向の領域と下向き方向の領域との割合に応じて変調させて反射し、変調された光を出射する。
【００２５】
次に、図３を参照して、本実施形態による光変調素子１の製造方法について説明する。
図３は、本実施形態による光変調素子１の製造方法の一例を説明する図である。
図３において、上述した図２と同様に、Ａ−Ａ’線に沿った光変調素子１の断面図を示している。
【００２６】
図３（ａ）において、まず、Ｐ型Ｓｉ（シリコン）基板である半導体基板ＳＢに、所定の部分にレジストをパターニングしてイオン注入することにより、Ｎ型半導体の領域であるソース１１及びドレイン１２が形成される。また、半導体基板ＳＢ上のゲート電極１３の部分に、絶縁膜（例えば、ＳｉＮ／ＳｉＯ２）を形成し、ポリシリコンを形成することで、ゲート電極１３が形成される。これにより、ＭＯＳトランジスタ１０が形成される。
【００２７】
次に、図３（ｂ）において、ソース１１及びドレイン１２のＮ型半導体の領域に、パターニングされたビア（２１、２２）が例えば、Ｃｕ（銅）などの金属によって形成される。さらに絶縁膜（酸化膜）が形成され、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）により平坦化された上で、例えば、Ｃｕなどの金属によって、パターニングされた配線層３１が形成される。また、同様に、絶縁膜（酸化膜）が形成され、ＣＭＰにより平坦化された上で、例えば、Ｃｕなどの金属によって、パターニングされた配線層３２及びビア２２が形成される。また、同様の工程が繰り返されて、パターニングされた配線層３２が形成される。また、さらに絶縁膜（酸化膜）が形成され、ＣＭＰにより平坦化された上で、例えば、硬磁性体材料によって、パターニングされた硬磁性体部４０（４１、４２）が形成される。ここでは、パターニングされたレジストに製膜した上でレジストを取り除いて、所望のパターンを形成するリフトオフの手法を用いて、硬磁性体部４０（４１、４２）が形成される。
【００２８】
次に、図３（ｃ）において、さらに絶縁膜（酸化膜）が形成され、ＣＭＰにより平坦化された上で、例えば、磁性細線用の磁性材料によって、図１に示すような矩形波状のパターンにパターニングされた磁壁駆動部５１（磁気自由層）が形成される。ここでも、リフトオフの手法を用いて、磁壁駆動部５１が形成される。
この後、ＳｉＯ２などの絶縁膜が形成されて、図２に示すような光変調素子１が作成される。
【００２９】
なお、上述した製造方法において、硬磁性体部４０を形成する硬磁性体材料としては、例えば、［Ｃｏ（０．３）／Ｎｉ（０．６）］×６が用いられる。この［Ｃｏ（０．３）／Ｎｉ（０．６）］×６は、製膜後に熱処理を行うことで、反転磁界（Ｈｃ：保磁力）を大きくすることが可能である。この特性を応用して、硬磁性体部４１を形成後に、例えば、２７０℃で１時間熱処理を行い、硬磁性体部４２を形成後に、熱処理を行わないことで、硬磁性体部４１と、硬磁性体部４２との反転磁界（Ｈｃ）を変更することが可能になる。
【００３０】
次に、図４を参照して、本実施形態による光変調素子１の動作原理について説明する。
図４は、本実施形態による光変調素子１の動作原理を説明する図である。
図４（ａ）に示す例では、光変調素子１が備える磁壁駆動部５１は、上向き方向に磁化されている上向き磁化領域５１１と、下向き方向に磁化されている下向き磁化領域５１２とを有している。上向き磁化領域５１１と下向き磁化領域５１２との境界は、磁壁ＤＷと呼ばれる。入射光Ｌ１が磁壁駆動部５１の受光面ＬＦ１に入射されると、上向き磁化領域５１１と下向き磁化領域５１２との割合に応じて入射光Ｌ１が変調されて反射され、変調された出射光Ｌ２が出力される。
【００３１】
また、図４（ｂ）に示すように、ビア２２、硬磁性体部４１、磁壁駆動部５１、硬磁性体部４２、及び配線層３２に流れる経路で電流Ｉ１を流した場合に、磁壁駆動部５１の磁壁ＤＷが電流Ｉ１の流れる方向に移動する。この例の場合、上向き磁化領域５１１が広がり、下向き磁化領域５１２が狭まり、上向き磁化領域５１１と下向き磁化領域５１２との割合が変更される。このことにより、図４（ｂ）に示す例では、入射光Ｌ１に対する光の変調の度合いが変化し、出射光Ｌ３は、上述した出射光Ｌ２とは異なる偏光特性となる。
【００３２】
また、図４（ｃ）に示すように、配線層３２、硬磁性体部４２、磁壁駆動部５１、硬磁性体部４１、及びビア２２に流れる経路で、図４（ｂ）に示す例とは逆向きに電流Ｉ２を流した場合に、磁壁駆動部５１の磁壁ＤＷが電流Ｉ２の流れる方向に移動する。この例の場合、上向き磁化領域５１１が狭まり、下向き磁化領域５１２が広がり、上向き磁化領域５１１と下向き磁化領域５１２との割合が変更される。図４（ｂ）に示す例では、上向き磁化領域５１１と下向き磁化領域５１２との割合が、図４（ａ）に示す例と同様の割合に戻っているため、入射光Ｌ１に対して変調された出射光は、出射光Ｌ２となる。
【００３３】
このように、本実施形態による光変調素子１は、磁壁駆動部５１に流す電流の向き、及び電流値に応じて、光の変調を制御することが可能である。この磁壁駆動部５１に電流を流すか否かは、ＭＯＳトランジスタ１０によって制御される。
ＭＯＳトランジスタ１０は、例えば、ゲート電極１３に所定の閾値以上の電圧が印加された場合に、ソース１１とドレイン１２との間が導通状態（オン状態）になる。これにより、配線層３１と、配線層３２との間の経路に電流を流すことが可能になる。
【００３４】
また、ゲート電極１３に所定の閾値以上の電圧が印加された状態で、配線層３１に、配線層３２より高い電圧が印加された場合に、配線層３１から配線層３２に向う経路で電流が流れる。そのため、磁壁駆動部５１は、上述した図４（ｂ）の状態と同様になり、上向き磁化領域５１１が広がり、下向き磁化領域５１２が狭まる。
また、ゲート電極１３に所定の閾値以上の電圧が印加された状態で、配線層３２に、配線層３１より高い電圧が印加された場合に、配線層３２から配線層３１に向う経路で電流が流れる。そのため、磁壁駆動部５１は、上述した図４（ｃ）の状態と同様になり、下向き磁化領域５１２が広がり、上向き磁化領域５１１が狭まる。
【００３５】
また、ＭＯＳトランジスタ１０は、例えば、ゲート電極１３に所定の閾値未満の電圧が印加された場合に、ソース１１とドレイン１２との間が非導通状態（オフ状態）になる。これにより、磁壁駆動部５１の上向き磁化領域５１１と下向き磁化領域５１２の割合が保持される。すなわち、光変調素子１では、ＭＯＳトランジスタ１０が非導通状態（オフ状態）である場合に、光の変調状態が保持される。
【００３６】
以上説明したように、本実施形態による光変調素子１は、磁壁駆動部５１（磁気自由層）と、硬磁性体部４０（４１、４２）とを備えている。磁壁駆動部５１は、変調する光を受光する受光面ＬＦ１を、単磁区構造に磁化可能な所定の幅（Ｗ）で、両端部（端部５１Ａ、端部５１Ｂ）の間の距離（Ｄ）よりも長い経路により両端部（端部５１Ａ、端部５１Ｂ）の間を接続する形状である。そして、硬磁性体部４０は、磁壁駆動部５１の両端部（端部５１Ａ、端部５１Ｂ）のそれぞれに配置され、互いに磁化方向が反転している。なお、所定の幅（Ｗ）は、例えば、５００ｎｍ以下である。
【００３７】
これにより、本実施形態による光変調素子１は、磁化により単磁区構造を磁壁駆動部５１に維持させることができるため、光変調の誤動作を低減することができる。また、本実施形態による光変調素子１は、磁壁駆動部５１を距離（Ｄ）よりも長い経路により両端部（端部５１Ａ、端部５１Ｂ）の間を接続する形状にすることにより、磁壁駆動部５１の受光面ＬＦ１の面積を増加させることができる。そのため、本実施形態による光変調素子１は、光の利用効率を向上させることができる。よって、本実施形態による光変調素子１は、光変調を安定動作させつつ、光の利用効率を向上させることができる。
【００３８】
また、本実施形態では、磁壁駆動部５１は、矩形波状の形状である。
これにより、本実施形態による光変調素子１は、単純な形状により、磁壁駆動部５１の受光面ＬＦ１の面積を確実に増加させることができるため、光の利用効率をさらに向上させることができる。また、矩形波状の形状は、上述したＸ軸方向の直線とＹ軸方向の直線とにより形成できるため、半導体プロセスにより加工し易い形状である。そのため、本実施形態による光変調素子１は、精度良く磁壁駆動部５１を形成（作成）することが可能である。
【００３９】
また、本実施形態では、硬磁性体部４１（第１磁化固定層）と、硬磁性体部４２（第２磁化固定層）とは、互いに保磁力が異なる。
これにより、本実施形態による光変調素子１は、硬磁性体部４１と硬磁性体部４２とが、互いに磁化方向が反転した状態に容易にすることができる。
【００４０】
なお、本実施形態において、磁壁駆動部５１は、変調する光を受光する受光面ＬＦ１を、単磁区構造に磁化可能な所定の幅（Ｗ）で、両端部（端部５１Ａ、端部５１Ｂ）の間の距離（Ｄ）よりも長く、且つ、両端部（端部５１Ａ、端部５１Ｂ）を結ぶ直線上を少なくとも１回通過する経路により両端部（端部５１Ａ、端部５１Ｂ）の間を接続する形状であってもよい。
磁壁駆動部５１をこのような形状にすることで、磁壁駆動部５１の面積を確実に広げることができるため、本実施形態による光変調素子１は、光の利用効率をさらに向上させることができる。
【００４１】
［第２の実施形態］
次に、図５及び図６を参照して、第２の実施形態による光変調素子１ａについて説明する。
図５は、第２の実施形態による光変調素子１ａの一例を示す平面図である。また、図６は、図５に示すＡ−Ａ’線に沿った光変調素子１ａの断面図である。
図５及び図６に示すように、光変調素子１ａは、ＭＯＳトランジスタ１０と、ビア（２１、２２、２３、２４）と、配線層（３１、３２）と、硬磁性体部（４１、４２、４３、４４）と、磁壁駆動部（５１、５２）とを備えている。
【００４２】
なお、図５及び図６において、図１及び図２と同一の構成には、同一の符号を付与し、その説明を省略する。
また、硬磁性体部４１と、硬磁性体部４２と、硬磁性体部４３と、硬磁性体部４４とは、光変調素子１ａが備える任意の硬磁性体部を示す場合、又は特に区別しない場合には、硬磁性体部４０として説明する。
また、磁壁駆動部５１と、磁壁駆動部５２とは、光変調素子１ａが備える任意の磁壁駆動部を示す場合、又は特に区別しない場合には、磁壁駆動部５０として説明する。
【００４３】
本実施形態による光変調素子１ａは、複数の磁壁駆動部５０を備える場合の一例である。本実施形態では、一例として、磁壁駆動部５０が２つである場合について説明する。
なお、図５（ａ）は、磁壁駆動部５１の形状を見易くするために、磁壁駆動部５２を削除した平面図であり、図５（ｂ）は、磁壁駆動部５２の形状を見易くするために、磁壁駆動部５１を削除した平面図である。
【００４４】
ビア２３は、磁壁駆動部５１（第１磁気自由層）と硬磁性体部４３との間に配置され、磁壁駆動部５１と硬磁性体部４３とを電気的に接続する。
硬磁性体部４３（磁化固定層の一例、第３磁化固定層）は、硬磁性体で構成された層であり、ビア２３と磁壁駆動部５２の端部５２Ａ（第３端部）との間に配置されている。硬磁性体部４３は、上向き方向に磁化されている。
【００４５】
ビア２４は、磁壁駆動部５１と硬磁性体部４４との間に配置され、磁壁駆動部５１と硬磁性体部４４とを電気的に接続する。
硬磁性体部４４（磁化固定層の一例、第４磁化固定層）は、硬磁性体で構成された層であり、ビア２４と磁壁駆動部５２の端部５２Ｂ（第４端部）との間に配置されている。硬磁性体部４４は、下向き方向に磁化されている。このように、硬磁性体部４３と硬磁性体部４４とは、互いに磁化方向が反転して構成されている。
【００４６】
磁壁駆動部５２（磁気自由層の一例、第２磁気自由層）は、端部５２Ａが硬磁性体部４３に、端部５２Ｂが硬磁性体部４３に、それぞれ電気的に接続されている。磁壁駆動部５２は、変調する光を受光する受光面ＬＦ２を、所定の幅（Ｗ）で両端部（端部５２Ａ、端部５２Ｂ）の間を接続する形状の薄膜磁性細線である。ここで、受光面ＬＦ２は、−Ｚ方向に観察した場合に見える磁壁駆動部５２の面を示している。磁壁駆動部５２は、例えば、矩形波状（方形化状）の形状で引き回されて端部５２Ａと端部５２Ｂとの間を接続している。
【００４７】
なお、磁壁駆動部５１と磁壁駆動部５２とは、受光面（ＬＦ１、ＬＦ２）と垂直な方向（Ｚ軸方向）に異なる平面上に配置されている。また、磁壁駆動部５１と磁壁駆動部５２とは、互いに補完して受光面（ＬＦ１、ＬＦ２）に受光するように配置されている。すなわち、磁壁駆動部５１と、磁壁駆動部５２とは、Ｚ軸の負方向に観察した場合に重なるようにずらして配置されている。なお、磁壁駆動部５１と磁壁駆動部５２とは、受光面（ＬＦ１、ＬＦ２）での反射率を同一にするために、同一の材料で形成されることが望ましい。
【００４８】
また、本実施形態では、磁壁駆動部５１の端部５１Ａと、磁壁駆動部５２の端部５２Ａとが、硬磁性体部４３を介して接続され、磁壁駆動部５１の端部５１Ｂと、磁壁駆動部５２の端部５２Ｂとが、硬磁性体部４４を介して接続されて構成されている。すなわち、磁壁駆動部５１と磁壁駆動部５２とは、パラレル（並列）に接続されている。
また、本実施形態では、硬磁性体部４１の磁化方向と、硬磁性体部４３の磁化方向とが同一（上向き方向）であり、硬磁性体部４２の磁化方向と、硬磁性体部４４の磁化方向とが同一（下向き方向）である。
【００４９】
また、本実施形態における磁壁駆動部５２の製造方法は、上述した図３（ｃ）を参照し手説明した磁壁駆動部５１の製造方法と同様であるので、ここではその説明を省略する。
【００５０】
以上説明したように、本実施形態による光変調素子１ａは、複数の磁壁駆動部５０（５１、５２）を備えている。この複数の磁壁駆動部５０（５１、５２）は、受光面（ＬＦ１、ＬＦ２）と垂直な方向（Ｚ軸方向）に異なる平面上に、互いに補完して受光面（ＬＦ１、ＬＦ２）に受光するように配置されている。
これにより、本実施形態による光変調素子１ａは、光変調に寄与しない絶縁層６０の部分が大幅に低減されるため、光の利用効率をさらに向上させることができる。
【００５１】
また、本実施形態では、上述した複数の磁壁駆動部５０には、磁壁駆動部５１（第１磁気自由層）と、磁壁駆動部５２（第２磁気自由層）とが含まれる。また、上述した硬磁性体部４０には、磁壁駆動部５１の端部５１Ａ（第１端部）に配置されている硬磁性体部４１（第１磁化固定層）と、磁壁駆動部５１の端部５１Ｂ（第２端部）に配置されている硬磁性体部４２（第２磁化固定層）と、磁壁駆動部５２の端部５２Ａ（第１端部）に配置されている硬磁性体部４３（第３磁化固定層）と、磁壁駆動部５２の端部５２Ｂ（第２端部）に配置されている硬磁性体部４４（第４磁化固定層）とが含まれる。そして、磁壁駆動部５１の端部５１Ａと、磁壁駆動部５２の端部５２Ａとが、硬磁性体部４３を介して接続され、磁壁駆動部５１の端部５１Ｂと、磁壁駆動部５２の端部５２Ｂとが、硬磁性体部４４を介して接続されて構成されている。また、硬磁性体部４１の磁化方向と、硬磁性体部４３の磁化方向とが同一であり、硬磁性体部４２の磁化方向と、硬磁性体部４４の磁化方向とが同一である。
これにより、本実施形態による光変調素子１ａでは、第１の実施形態と同様に、光変調を安定動作させつつ、光の利用効率を向上させることができる。
【００５２】
［第３の実施形態］
次に、図７及び図８を参照して、第３の実施形態による光変調素子１ｂについて説明する。
図７は、第３の実施形態による光変調素子１ｂの一例を示す平面図である。また、図８は、図７に示すＡ−Ａ’線に沿った光変調素子１ｂの断面図である。
図７及び図８に示すように、光変調素子１ｂは、ＭＯＳトランジスタ１０と、ビア（２１、２２、２３ａ、２４）と、配線層（３１、３２）と、硬磁性体部（４１、４２ａ、４３ａ、４４ａ）と、磁壁駆動部（５１、５２）とを備えている。
【００５３】
なお、図７及び図８において、図５及び図６と同一の構成には、同一の符号を付与し、その説明を省略する。
また、硬磁性体部４１と、硬磁性体部４２ａと、硬磁性体部４３ａと、硬磁性体部４４ａとは、光変調素子１ｂが備える任意の硬磁性体部を示す場合、又は特に区別しない場合には、硬磁性体部４０として説明する。
【００５４】
本実施形態による光変調素子１ｂは、複数の磁壁駆動部５０を備える場合の一例である。本実施形態では、一例として、磁壁駆動部５０が２つである場合について説明する。また、本実施形態の光変調素子１ｂでは、磁壁駆動部５０（５１、５２）を直列に接続している点が、第２の実施形態と異なる。
なお、図７（ａ）は、磁壁駆動部５１の形状を見易くするために、磁壁駆動部５２を削除した平面図であり、図７（ｂ）は、磁壁駆動部５２の形状を見易くするために、磁壁駆動部５１を削除した平面図である。
【００５５】
ビア２３ａは、配線層３２と硬磁性体部４３ａとの間に配置され、配線層３２と硬磁性体部４３ａとを電気的に接続する。
硬磁性体部４３ａ（磁化固定層の一例、第３磁化固定層）は、硬磁性体で構成された層であり、ビア２３ａと磁壁駆動部５２の端部５２Ａ（第３端部）との間に配置されている。硬磁性体部４３ａは、第２の実施形態とは異なり下向き方向に磁化されている。
【００５６】
硬磁性体部４２ａ（磁化固定層の一例、第２磁化固定層）は、硬磁性体で構成された層であり、ビア２４ａと磁壁駆動部５１の端部５１Ｂ（第２端部）との間に配置されている。硬磁性体部４２ａは、下向き方向に磁化されている。
【００５７】
ビア２４ａは、硬磁性体部４２ａと硬磁性体部４４ａとの間に配置され、硬磁性体部４２ａと硬磁性体部４４とを電気的に接続する。
硬磁性体部４４ａ（磁化固定層の一例、第４磁化固定層）は、硬磁性体で構成された層であり、ビア２４ａと磁壁駆動部５２の端部５２Ｂ（第４端部）との間に配置されている。硬磁性体部４４は、上向き方向に磁化されている。
このように、本実施形態では、磁壁駆動部５１と、磁壁駆動部５２との接続部である端部５１Ｂ（第２端部）と、端部５２Ｂ（第４端部）において、磁化方向を反転させるように、硬磁性体部４２ａ及び硬磁性体部４４ａを配置させている。
【００５８】
すなわち、本実施形態では、磁壁駆動部５１の端部５１Ｂと、磁壁駆動部５２の端部５２Ｂとが、硬磁性体部４２ａ、及び硬磁性体部４４ａを介して直列に接続され、磁壁駆動部５１の端部５１Ａと、磁壁駆動部５２の端部５２Ａとの間に電流を供給可能に構成されている。また、硬磁性体部４１の磁化方向と、硬磁性体部４３の磁化方向とが反対方向であり、硬磁性体部４２の磁化方向と、硬磁性体部４４の磁化方向とが反対方向である。
【００５９】
また、本実施形態における磁壁駆動部５２の製造方法は、上述した図３（ｃ）を参照し手説明した磁壁駆動部５１の製造方法と同様であるので、ここではその説明を省略する。
また、本実施形態では、磁壁駆動部５１及び磁壁駆動部５２に電流が流れる経路は、配線層３１から配線層３２に電流が流れる場合には、配線層３１、ＭＯＳトランジスタ１０、ビア２２、硬磁性体部４１、磁壁駆動部５１、硬磁性体部４２ａ、ビア２４ａ、硬磁性体部４４ａ、磁壁駆動部５２、硬磁性体部４３ａ、ビア２３ａ、配線層３２の順番に流れる経路である。また、配線層３２から配線層３１に電流が流れる場合には、磁壁駆動部５１及び磁壁駆動部５２に電流が流れる経路は、上述した経路の逆の経路となる。硬磁性体部４１及び硬磁性体部４２ａと、硬磁性体部４３ａ及び硬磁性体部４４ａとは、上述の経路に電流をながすことで、磁壁駆動部５１及び磁壁駆動部５２に同一の磁化方向が増大するように配置されている。
【００６０】
以上説明したように、本実施形態による光変調素子１ｂは、上述した複数の磁壁駆動部５０には、磁壁駆動部５１（第１磁気自由層）と、磁壁駆動部５２（第２磁気自由層）とが含まれる。また、上述した硬磁性体部４０には、磁壁駆動部５１の端部５１Ａ（第１端部）に配置されている硬磁性体部４１（第１磁化固定層）と、磁壁駆動部５１の端部５１Ｂ（第２端部）に配置されている硬磁性体部４２ａ（第２磁化固定層）と、磁壁駆動部５２の端部５２Ａ（第１端部）に配置されている硬磁性体部４３ａ（第３磁化固定層）と、磁壁駆動部５２の端部５２Ｂ（第２端部）に配置されている硬磁性体部４４ａ（第４磁化固定層）とが含まれる。そして、磁壁駆動部５１の端部５１Ｂと、磁壁駆動部５２の端部５２Ｂとが、硬磁性体部４２ａ、及び硬磁性体部４４ａを介して直列に接続され、磁壁駆動部５１の端部５１Ａと、磁壁駆動部５２の端部５２Ａとの間に電流を供給可能に構成されている。また、硬磁性体部４１の磁化方向と、硬磁性体部４３ａの磁化方向とが反対方向であり、硬磁性体部４２ａの磁化方向と、硬磁性体部４４ａの磁化方向とが反対方向である。
【００６１】
これにより、本実施形態による光変調素子１ｂは、磁壁駆動部５１と磁壁駆動部５２とが直列に接続されているため、磁壁駆動部５１と磁壁駆動部５２との抵抗が約２倍になる。この構成において、磁壁駆動部５０が１つの場合と同一の電流を流す場合には、印加する電圧を増加する必要があり、消費電力が増大するものの、ＭＯＳトランジスタ１０のＯＮ（オン）抵抗が支配的であるため、本実施形態による光変調素子１ｂの抵抗の増加分は僅かである。このように、本実施形態による光変調素子１ｂは、若干の抵抗の増加はあるものの、ＭＯＳトランジスタ１０が、磁壁駆動部５１と磁壁駆動部５２とに供給する電流を半分にすることができるため、消費電力を大幅に低減することができる。さらに、本実施形態による光変調素子１ｂは、ＭＯＳトランジスタ１０を小型化することができるため、より狭ピッチの空間光変調器に利用することができる。
【００６２】
［第４の実施形態］
次に、第４の実施形態として、上述した光変調素子１（１ａ、１ｂ）を用いた空間光変調器１００について、図９を参照して説明する。
図９は、本実施形態による空間光変調器１００の一例を示す機能ブロック図である。
図９に示すように、空間光変調器１００は、ゲート駆動部１０１と、ソース駆動部１０２と、電流源１０３と、電流制御部１０４と、画素アレイ１０５とを備えている。
【００６３】
ゲート駆動部１０１は、光変調素子１（１ａ、１ｂ）がマトリックス状に配置された画素アレイ１０５のうちの所定の列（縦方向）の光変調素子１（１ａ、１ｂ）を選択する。ゲート駆動部１０１は、選択した列の光変調素子１に対して、ＭＯＳトランジスタ１０を導通状態にさせるゲート電圧をゲート電極１３に供給する。
ソース駆動部１０２は、ゲート駆動部１０１によって選択された所定の列（縦方向）の光変調素子１（１ａ、１ｂ）に対して、各画素の画素データに応じた電流を供給する。すなわち、ソース駆動部１０２は、上述した配線層３１と、配線層３２との間で電流を供給する。
【００６４】
電流源１０３は、光変調素子１（１ａ、１ｂ）の磁壁ＤＷを移動させるために供給する電流（又は電圧）を生成する。電流源１０３は、ゲート駆動部１０１によって選択された光変調素子１（１ａ、１ｂ）に対して、ソース駆動部１０２を介して、画素データを変更するための電流を供給する。
【００６５】
電流制御部１０４は、ゲート駆動部１０１、ソース駆動部１０２、及び電流源１０３を制御する。電流制御部１０４は、画素アレイ１０５の各画素（各光変調素子１（１ａ、１ｂ））に流れる電流の方向及び大きさを制御して、各画素（各光変調素子１（１ａ、１ｂ））の磁壁ＤＷの位置を変更させる。
【００６６】
以上説明したように、本実施形態による空間光変調器１００は、上述した光変調素子１（１ａ、１ｂ）をアレイ上に配列して備えている。
これにより、本実施形態による空間光変調器１００は、上述した光変調素子１（１ａ、１ｂ）と同様に、光変調を安定動作させつつ、光の利用効率を向上させることができる。
【００６７】
なお、本発明は、上記の各実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更可能である。
例えば、上記の各実施形態では、磁壁駆動部（５１、５２）は、矩形波状の形状である例を説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、図１０及び図１１に示すように、スパイラル状（らせん状）の形状であってもよい。
【００６８】
図１０は、第１〜第３の実施形態における磁壁駆動部５０の変形例を示す第１の平面図である。
この図に示す磁壁駆動部５３は、Ｘ軸方向の直線（又は長方形）及びＹ軸方向の直線（又は長方形）を用いて、スパイラル状の形状に構成されている。図１０に示す磁壁駆動部５３を用いた場合でも、上述した第１〜第３の実施形態と同様の効果を奏する。
【００６９】
また、図１１は、第１〜第３の実施形態における磁壁駆動部５０の別の変形例を示す第２の平面図である。この図に示す磁壁駆動部５４は、曲線を用いてスパイラル状の形状に構成されている。図１１に示す磁壁駆動部５４を用いた場合でも、上述した第１〜第３の実施形態と同様の効果を奏する。なお、磁壁駆動部５０に角部がある場合、角部において、線幅（Ｗ）が変わるため、角部において磁壁ＤＷがトラップされて移動し難くなる可能性がある。これに対して、図１１に示す磁壁駆動部５４では、曲線により角部がないため、光変調をさらに安定動作させることができる。
【００７０】
また、上記の第２及び第３の実施形態において、複数の磁壁駆動部５０を備える一例として、２つ（２層）の磁壁駆動部５０（５１、５２）を備える例を説明したが、これに限定されるものではなく、３つ（３層）以上の磁壁駆動部５０を備えるようにしてもよい。
また、上記の各実施形態において、光変調素子１（１ａ、１ｂ）の制御として、電流の向きを変えて磁壁ＤＷの位置を移動させる例を説明したが、磁石などにより磁場をかけて一括で磁気方向を反転させて（磁壁ＤＷを移動させて）初期化し、一方向の電流を供給して画素データに応じた変調を行うようにしてもよい。
【符号の説明】
【００７１】
１，１ａ，１ｂ…光変調素子、１０…ＭＯＳトランジスタ、１１…ソース、１２…ドレイン、１３…ゲート電極、２１，２２，２３，２３ａ，２４，２４ａ…ビア、３１，３２…配線層、４０，４１，４２，４３，４３ａ，４４，４４ａ…硬磁性体部、５０，５１，５２…磁壁駆動部、５１Ａ，５１Ｂ，５２Ａ，５２Ｂ…端部、６０…絶縁層、１００…空間光変調器、１０１…ゲート駆動部、１０２…ソース駆動部、１０３…電流源、１０４…電流制御部、１０５…画素アレイ、５１１…上向き磁化領域、５１２…下向き磁化領域、ＳＢ…半導体基板、Ｌ１…入射光、Ｌ２，Ｌ３…出射光、ＬＦ１，ＬＦ２…受光面、ＤＷ…磁壁
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
2017167430.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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