JP2001350129A

JP2001350129A - 光変調装置

Info

Publication number: JP2001350129A
Application number: JP2000171198A
Authority: JP
Inventors: Hideyoshi Horigome; 秀嘉堀米; Mitsuteru Inoue; 光輝井上; Zaikei Cho; 在慶趙
Original assignee: OPTWARE KK; Optware KK
Current assignee: OPTWARE KK; Optware KK
Priority date: 2000-06-07
Filing date: 2000-06-07
Publication date: 2001-12-21
Also published as: WO2001095021A1; AU2001260648A1

Abstract

(57)【要約】【課題】構造が簡単で、動作速度の大きな光変調装置
を実現する。【解決手段】光変調素子１は、光磁気材料よりなり、
それぞれ独立に磁化の方向が設定され、磁気光学効果に
より、入射する光に対して磁化の方向に応じた偏光方向
の回転を与える複数の磁化設定要素を含む磁化設定層１
１と、磁化設定層１１の各磁化設定要素毎に対応するよ
うに設けられ、各磁化設定要素における磁化の方向を独
立に設定するための磁界を発生する複数の薄膜コイル１
２と、磁化設定層１１と薄膜コイル１２との間に設けら
れ、光を反射する反射層１３とを備えている。駆動部２
は、磁化設定層１１を、全ての磁化設定要素における磁
化の方向が上向きに揃った状態と、全ての磁化設定要素
における磁化の方向が下向きに揃った状態とに切り替え
る。２つの状態における光変調素子１の出射光は、検光
子５により、偏光方向の違いによって分離される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、入射光を変調して
出射する光変調装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、コヒーレントな光を提供するレー
ザーは、光通信、加工あるいは理化学・科学分野におけ
る計測等の広範な領域で不可欠な光源となっている。レ
ーザーに求められる性質は、アプリケーションによって
異なるものの、いずれのアプリケーションでも、波長、
出力および変調に関する性質は重要視される。そのた
め、これらの性質に関してアプリケーションに応じた所
望の特性が得られるように、半導体レーザー、ガスレー
ザーあるいはロッドレーザー等の種々のレーザーが開発
されてきた。

【０００３】レーザーの波長に関する性質については、
既に、アプリケーションに応じた所望の特性を得ること
が可能になってきている。すなわち、既に紫外域から赤
外域の広範な波長範囲のレーザー光が得られており、レ
ーザー光の波長領域の選択性は極めて大きい。

【０００４】これに対し、レーザーの出力および変調に
関する性質については、同時に双方について所望の特性
を得ることが難しい。すなわち、高出力で変調可能なレ
ーザーを実現することは困難である。そのため、従来
は、半導体レーザーを用いる場合を除いてほとんどの場
合において、レーザーは光変調器あるいは光スイッチと
共に利用されている。このためレーザーを利用した種々
のアプリケーションの中で、光変調器あるいは光スイッ
チの重要性はレーザー本体と同様に極めて高い。

【０００５】光通信や光情報記録を含む広範な情報通信
産業分野では、光変調器あるいは光スイッチは基幹デバ
イスとして極めて重要な役割を担っており、特に光通信
や光情報記録の分野では光変調器は不可欠になってい
る。

【０００６】光変調器あるいは光スイッチの応用分野
は、上記情報通信産業分野以外にも、超高密度且つ高速
のＬＳＩ（大規模集積回路）の形成に不可欠な微細加工
分野およびファクトリーオートメーション産業分野や、
宇宙空間を含む多様な動作環境における超高速光センシ
ングや物理計測およびこれらを利用する環境保全産業分
野等もあり、広範で多岐にわたっている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】光を変調する従来の装
置としては、音響光学（ＡＯ）変調器、電気光学（Ｅ
Ｏ）変調器、強誘電性液晶デバイスあるいはマイクロミ
ラーデバイス等がある。しかしながら、これらの装置に
は、いずれも、高価、動作速度が小さい、複雑な光学系
が必要、あるいは信号対雑音比が小さい等の欠点があっ
た。このように、現状では、レーザー本体の発展に比べ
て、光変調装置の研究開発は遅れている。

【０００８】例えば、音響光学変調器は、比較的高速な
動作を実現できる。しかし、音響光学変調器は、超音波
によって弾性波を発生させ、この弾性波による屈折率分
布によって光を回折させるので、超音波の伝播速度の遅
れを無視できる程度の高速スイッチングを行なうには、
光を集光して小さく絞って入射させる必要があり、その
ため、光学系が複雑になるという欠点がある。

【０００９】また、電気光学変調器は、高速動作が可能
であるが、電界を印可して駆動を行なうため、駆動のた
めに特別の高電圧が必要になるという欠点がある。電気
光学変調器は、更に、動作の繰り返し周波数が低いとい
う欠点や、価格が音響光学変調器に比べて高いという欠
点を持つ。そのため、電気光学変調器は、一般的な用途
には適さず、それほど広く普及していない。

【００１０】また、最近開発された強誘電性液晶デバイ
スは、液晶製造技術を用いて大面積化が可能であるが、
応答時間がマイクロ秒のオーダーで、動作速度が小さい
という欠点を有する。また、強誘電性液晶デバイスで
は、オン状態を保持すると、焼き付け現象による素子破
損を生じる。そのため、駆動信号のデューティ比が極端
に大きいか極端に小さい用途、すなわち駆動信号が直流
に近くなる用途では、使用が困難であるという欠点を持
つ。

【００１１】また、ディスプレイに用いられているマイ
クロミラーデバイスは、反射率が高く、比較的高速動作
が可能であるが、小さなミラー構造の回折現象により、
光利用効率を期待するほど高くすることができないとい
う欠点を有する。更に、マイクロミラーデバイスは、高
度な半導体製造プロセスによって製造される、構造が複
雑なマイクロマシーンであるため、製造コストが高いと
共に、機械的な駆動部分を有するので信頼性の面で問題
が残る。

【００１２】以上説明したように、従来は、光変調器あ
るいは光スイッチとして用いられる光変調装置として、
機械的な構造あるいは光学系の構成が簡単で、広大な受
光面で動作が可能で、動作速度の大きな装置はなかっ
た。

【００１３】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
ので、その目的は、構造が簡単で、動作速度の大きな光
変調装置を提供することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明の光変調装置は、
光磁気材料よりなり、それぞれ独立に磁化の方向が設定
され、磁気光学効果により、入射する光に対して磁化の
方向に応じた偏光方向の回転を与える複数の磁化設定要
素を含む磁化設定層と、磁化設定層の各磁化設定要素に
対応するように設けられ、各磁化設定要素における磁化
の方向を独立に設定するための磁界を発生する複数の磁
界発生素子と、入射光を変調して出射するために、磁界
発生素子を駆動して、磁化設定層の各磁化設定要素にお
ける磁化の状態を切り替える駆動手段とを備えたもので
ある。

【００１５】本発明の光変調装置では、駆動手段によっ
て磁界発生素子が駆動されて、磁化設定層の各磁化設定
要素における磁化の状態が切り替えられ、これにより、
入射光が変調されて出射される。

【００１６】本発明の光変調装置において、駆動手段
は、磁化設定層を、磁化設定要素における磁化の方向が
所定の一方向に揃った第１の状態と、磁化設定要素にお
ける磁化の方向が第１の状態における磁化の方向とは異
なる方向に揃った第２の状態とに切り替えてもよい。

【００１７】また、本発明の光変調装置において、駆動
手段は、磁化設定層を、磁化設定要素における磁化の方
向が一方向に揃った第１の状態と、磁化設定要素におけ
る磁化の方向が互いに異なる２種類の領域が交互に格子
状に配列された第２の状態とに切り替えてもよい。

【００１８】また、本発明の光変調装置において、磁界
発生素子は薄膜コイルであってもよい。

【００１９】また、本発明の光変調装置において、磁界
発生素子は、磁化設定層における光の入射する面とは反
対側の面に隣接するように配置され、光変調装置は、更
に、磁化設定層と磁界発生素子との間に設けられ、光を
反射する反射層を備えていてもよい。この場合、磁界発
生素子は２つの導電路を介して通電されることにより磁
界を発生し、反射層は、導電性を有し、一方の導電路を
兼ねていてもよい。

【００２０】また、本発明の光変調装置において、磁化
設定層は、更に、隣接する磁化設定要素の境界位置に設
けられ、磁壁の移動を抑止する磁壁移動抑止部を含んで
いてもよい。

【００２１】また、本発明の光変調装置は、更に、軟磁
性材料よりなり、磁化設定層における磁界発生素子とは
反対側の面に隣接するように設けられ、磁界発生素子に
よって発生される磁界に対応する磁路の一部を形成する
軟磁性層を備えていてもよい。

【００２２】また、本発明の光変調装置は、更に、軟磁
性材料よりなり、磁界発生素子における磁化設定層とは
反対側に配置され、磁界発生素子によって発生される磁
界に対応する磁路の一部を形成する磁路形成部を備えて
いてもよい。

【００２３】また、本発明の光変調装置において、磁化
設定層は磁性ガーネット薄膜によって形成されていても
よいし、１次元磁性フォトニック結晶によって形成され
ていてもよい。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して詳細に説明する。［第１の実施の形態］始めに、図１を参照して、本発明
の第１の実施の形態に係る光変調装置の構成の概略につ
いて説明する。本実施の形態に係る光変調装置は、光変
調素子１と、この光変調素子１を駆動する駆動部２と、
この駆動部２を制御する制御部３とを備えている。光変
調素子１、駆動部２および制御部３は、ワンチップ化さ
れていてもよい。また、制御部３は、マイクロコンピュ
ータ等のコンピュータと、そのコンピュータに所定の機
能を発揮させるためのソフトウェアとで実現してもよ
い。

【００２５】光変調素子１は、光磁気材料よりなり、そ
れぞれ独立に磁化の方向が設定され、磁気光学効果によ
り、入射する光に対して磁化の方向に応じた偏光方向の
回転を与える複数の磁化設定要素を含む磁化設定層１１
と、この磁化設定層１１の各磁化設定要素毎に対応する
ように設けられ、各磁化設定要素における磁化の方向を
独立に設定するための磁界を発生する複数の磁界発生素
子としての薄膜コイル１２と、磁化設定層１１と薄膜コ
イル１２との間に設けられ、光を反射する反射層１３と
を備えている。

【００２６】次に、図２を参照して、光変調素子１の構
成について詳しく説明する。図２は、光変調素子１の要
部を示す断面図である。前述のように、光変調素子１
は、磁化設定層１１と、薄膜コイル１２と、反射層１３
とを備えている。

【００２７】磁化設定層１１には、隣接する磁化設定要
素の境界位置に、磁壁の移動を抑止する磁壁移動抑止部
１１ｂが設けられている。磁壁移動抑止部１１ｂは、例
えば図２に示したような突起でもよい。

【００２８】図２において、符号１１ａ₀は磁化が下向
きの磁化設定要素を示し、符号１１ａ₁は磁化が上向き
の磁化設定要素を示している。

【００２９】図３は、薄膜コイル１２の平面図である。
図３において、符号１１Ａは１つの磁化設定要素の領域
を表している。

【００３０】図２において、磁化設定層１１の上側の面
が、光の入射する面になっている。磁化設定層１１は、
少なくとも使用する光に対して透光性を有している。薄
膜コイル１２は、反射層１３を介して、磁化設定層１１
における光の入射する面とは反対側の面に隣接するよう
に配置されている。

【００３１】反射層１３は、導電性を有している。各薄
膜コイル１２の一方の端部、例えば内側の端部は、反射
層１３に接続されている。各薄膜コイル１２の他方の端
部、例えば外側の端部には、それぞれ端子１４が接続さ
れている。反射層１３は、薄膜コイル１２に通電するた
めの２つの導電路のうちの一方を兼ねている。端子１４
は、薄膜コイル１２に通電するための２つの導電路のう
ちの他方を構成する。

【００３２】光変調素子１は、更に、軟磁性材料よりな
り、薄膜コイル１２における磁化設定層１１とは反対側
に配置され、薄膜コイル１２によって発生される磁界に
対応する磁路２０の一部を形成する磁路形成部１５を備
えている。薄膜コイル１２、端子１４および磁路形成部
１５の周囲には、絶縁層１６が形成されている。

【００３３】光変調素子１は、更に、軟磁性材料よりな
り、磁化設定層１１における薄膜コイル１２とは反対側
の面に隣接するように設けられ、薄膜コイル１２によっ
て発生される磁界に対応する磁路２０の他の一部を形成
する軟磁性層１７を備えている。軟磁性層１７は、少な
くとも使用する光に対して透光性を有している。

【００３４】各薄膜コイル１２は、それぞれ、端子１
４、反射層１３およびこれらに接続された配線によっ
て、各薄膜コイル１２に独立に通電するための駆動部２
（図１参照）に接続されるようになっている。駆動部２
は、例えばナノ秒オーダーの周期で、正または負のパル
ス状の電流を薄膜コイル１２に供給するようになってい
る。

【００３５】磁化設定層１１の各磁化設定要素は、例え
ば一辺が１００μｍ程度の大きさとする。光変調素子１
における変調動作の可能な受光面は、例えば直径１０ｍ
ｍ以上とする。

【００３６】図４は磁化設定層１１における印加磁界と
磁化との関係を表す磁気ヒステリシス曲線を示してい
る。図４に示したように、磁化設定層１１は、大きな保
磁力Ｈｃ，−Ｈｃを有している。そして、磁化設定層１
１は、正方向に磁化されているときには、絶対値がＨｃ
を越える負の磁界が印加されると磁化の方向が反転し、
負方向に磁化されているときには、絶対値がＨｃを越え
る正の磁界が印加されると磁化の方向が反転する。薄膜
コイル１２は、絶対値がＨｃを越える正または負の磁界
を発生する。

【００３７】図５は軟磁性層１７における印加磁界と磁
化との関係を表す磁気ヒステリシス曲線を示している。
図５に示したように、軟磁性層１７の保磁力は極めて小
さく、小さな印加磁界によって容易に磁化の方向が反転
する。磁路形成部１５の特性も、軟磁性層１７と同様で
ある。

【００３８】磁化設定層１１の材料としては、磁気光学
効果を有する光磁気材料であればよいが、特に、磁性ガ
ーネット薄膜または１次元磁性フォトニック結晶を用い
るのが好ましい。

【００３９】磁性ガーネット薄膜の代表的なものとして
は、希土類鉄系ガーネット薄膜がある。磁性ガーネット
薄膜を作製する方法としては、例えば、ガドリニウムガ
リウムガーネット（ＧＧＧ）等の基板の上に、液相エピ
タキシャル成長法（ＬＰＥ法）またはスパッタ法によっ
て単結晶の磁性ガーネット薄膜を形成する方法がある。

【００４０】図６は、１次元磁性フォトニック結晶の構
造を示す説明図である。この１次元磁性フォトニック結
晶３０は、磁性体層３１の両面側に誘電体多層膜を形成
した構造を有している。磁性体層３１の材料には、希土
類鉄ガーネットやビスマス置換希土類鉄ガーネット等が
用いられる。誘電体多層膜は、例えばＳｉＯ₂膜３２と
Ｔａ₂Ｏ₅膜３３を交互に積層して構成される。１次元磁
性フォトニック結晶３０における層構造の周期は、使用
する光の波長オーダーである。この１次元磁性フォトニ
ック結晶３０では、大きなファラデー回転角を得ること
が可能になる。

【００４１】本発明の発明者の一人である井上は、平成
１０年１０月より、科学技術振興事業団さきがけ研究２
１「形とはたらき領域」で「磁性フォトニック結晶の構
造と機能」と題する個人研究を行なっている。この研究
の中で、極めて薄い磁性ガーネット薄膜を誘電体多層膜
でサンドイッチした１次元磁性フォトニック結晶中に強
い光局在状態が発現し、その結果、媒体の透過率および
ファラデー効果が著しく増大することを理論的に見出し
た。そして、井上は、この理論に基づいて、実際に１次
元磁性フォトニック結晶を作製し、光局在波長で９０％
の透過率を有すると共に、１５０ｎｍ程度の極めて薄い
磁性ガーネット薄膜を用いているにも関わらず５°以上
のファラデー回転角を示す媒体の形成に成功した。この
ファラデー回転角は、バルク状磁性ガーネット薄膜の約
１００倍に達する、極めて大きなものである。

【００４２】なお、本実施の形態における光変調素子１
は、全ての構成要素をモノリシックに形成して製造して
もよいし、複数の部分に分けて形成した後、複数の部分
を組み合わせて製造してもよい。光変調素子１を複数の
部分に分けて形成する場合には、例えば、軟磁性層１７
から反射層１３までの部分と、他の部分とに分けてもよ
い。また、本実施の形態における光変調素子１の構成要
素は、全て半導体製造プロセスを用いて製造することが
可能である。

【００４３】次に、本実施の形態に係る光変調装置の作
用について説明する。本実施の形態に係る光変調装置で
は、駆動部２によって、変調情報に従って選択的に、薄
膜コイル１２に正または負のパルス電流が供給され、そ
の結果、薄膜コイル１２によって磁化設定層１１の各磁
化設定要素に対して独立に磁界が印加される。簡単な計
算によれば、尖頭値４０ｍＡ程度のパルス電流を薄膜コ
イル１２に供給することにより、薄膜コイル１２の中心
部に１００Ｏｅ程度のパルス状の磁界を発生させること
ができ、この磁界によって各磁化設定要素における磁化
を反転させることができる。

【００４４】各磁化設定要素では、それまでの磁化の方
向と反対方向の磁界が印加されると、印加磁界と同じ方
向の磁化の磁区が生じ、この磁区が拡大する。この磁区
の拡大は、磁壁が磁壁移動抑止部１１ｂに達すると停止
する。その結果、１つの磁化設定要素全体が印加磁界と
同じ方向の磁化となる。このようにして、薄膜コイル１
２によって磁化設定層１１の各磁化設定要素に対して独
立に磁界を印加することにより、磁化設定層１１の各磁
化設定要素における磁化の方向が独立に設定される。

【００４５】軟磁性層１７側より光変調素子１に入射し
た光は、軟磁性層１７を通過した後、磁化設定層１１を
通過する。この磁化設定層１１を通過する光には、ファ
ラデー効果により、磁化設定層１１の各磁化設定要素に
おける磁化の方向に応じた偏光方向の回転、すなわちフ
ァラデー回転が与えられる。例えば、磁化が上向きの磁
化設定要素１１ａ₁を通過する光の偏光方向が＋θ_Fだけ
回転されるとすると、磁化が下向きの磁化設定要素１１
ａ₀を通過する光の偏光方向は−θ_Fだけ回転される。

【００４６】磁化設定層１１を通過した光は、反射層１
３で反射され、再度、磁化設定層１１と軟磁性層１７を
通過し、光変調素子１より出射される。反射層１３で反
射されてから磁化設定層１１を通過する光には、反射層
１３に達する前に磁化設定層１１を通過する際と同様
に、ファラデー効果により、磁化設定層１１の各磁化設
定要素における磁化の方向に応じた偏光方向の回転が与
えられる。従って、上述のように、磁化が上向きの磁化
設定要素１１ａ₁を通過する光の偏光方向が＋θ_Fだけ回
転され、磁化が下向きの磁化設定要素１１ａ₀を通過す
る光の偏光方向が−θ_Fだけ回転されるとすると、磁化
設定要素１１ａ₁を往復で２回通過して光変調素子１よ
り出射される光の偏光方向は＋２θ_Fだけ回転され、磁
化設定要素１１ａ₀を往復で２回通過して光変調素子１
より出射される光の偏光方向は−２θ_Fだけ回転され
る。本実施の形態では、偏光方向が＋２θ_Fだけ回転さ
れた後の光の偏光方向と、偏光方向が−２θ_Fだけ回転
された後の光の偏光方向は同じ方向にならないようにす
る。本実施の形態において、２θ_Fは５°以上、４５°
以下が好ましい。

【００４７】本実施の形態では、駆動部２は、制御部３
による制御の下で、薄膜コイル１２を駆動して、磁化設
定層１１を、全ての磁化設定要素における磁化の方向が
上向きに揃った状態と、全ての磁化設定要素における磁
化の方向が下向きに揃った状態とに切り替えるようにな
っている。この２つの状態のうちのどちらを、光が出力
されるオン状態とし、どちらを、光が出力されないオフ
状態としてもよいが、ここでは、全ての磁化設定要素に
おける磁化の方向が上向きに揃った状態をオン状態と
し、全ての磁化設定要素における磁化の方向が下向きに
揃った状態をオフ状態とする。

【００４８】図１に示したように、光変調素子１に対す
る入射光１０１は、磁化設定層１１を通過し、反射層１
３で反射し、再度、磁化設定層１１を通過して出射され
る。

【００４９】オン状態では、磁化設定層１１を通過する
光には、磁化設定要素における磁化の方向に応じた偏光
方向の回転が与えられる。従って、光変調素子１の出射
光の光路上に、オン状態のときの出射光を選択的に通過
させる検光子５を配置すれば、この検光子５より、オン
状態における出力光１０２を得ることができる。

【００５０】一方、オフ状態では、磁化設定層１１を通
過する光には、オン状態とは逆方向に偏光方向の回転が
与えられる。その結果、光変調素子１の出射光の偏光方
向は、オン状態における出射光の偏光方向とは異なった
方向となる。従って、光変調素子１の出射光は検光子５
を通過せず、検光子５より出力光は得られない。

【００５１】このように、本実施の形態に係る光変調装
置によれば、磁化設定層１１の状態を切り替えることに
より、光変調素子１の出射光の偏光方向を切り替えるこ
とができる。そして、２つの状態における出射光を偏光
方向の違いによって分離することにより、容易に光の強
度を変調することができる。本実施の形態では、検光子
５によって、互いに偏光方向が異なるオン状態における
出射光とオフ状態における出射光とを分離することによ
り、理論的には６０ｄＢ以上の消光比を得ることができ
る。

【００５２】本実施の形態に係る光変調装置では、薄膜
コイル１２によって磁化設定層１１の各磁化設定要素に
おける磁化の方向を独立に設定することによって、磁化
設定層１１の状態をオン状態とオフ状態とに切り替え
る。磁化設定層１１の各磁化設定要素における磁化の方
向の切り替えは、数ナノ秒程度で行うことができる。し
かも、本実施の形態では、各磁化設定要素毎に薄膜コイ
ル１２を設け、各磁化設定要素における磁化の方向を独
立に設定できるようにしているので、全ての磁化設定要
素における磁化の方向の設定を同時に行うことが可能で
ある。従って、本実施の形態に係る光変調装置では、光
変調素子１の全体の応答時間を、磁化設定要素単位の応
答時間と同様に数ナノ秒程度とすることが可能となり、
極めて大きな動作速度を得ることが可能となる。

【００５３】また、本実施の形態に係る光変調装置で
は、磁化設定層１１の全ての磁化設定要素における磁化
の方向の設定を同時に行うことが可能であることから、
上述のような大きな動作速度を実現しながら、変調動作
の可能な受光面として、直径１０ｍｍ以上の広大な受光
面を実現することが可能になる。

【００５４】また、本実施の形態に係る光変調装置で
は、磁化設定層１１の全ての磁化設定要素における磁化
の方向の設定を同時に行うことが可能であることから、
コヒーレントな光のまま、変調することができる。

【００５５】また、本実施の形態に係る光変調装置は、
直流（周波数ゼロ）から数百ＭＨｚの周波数領域までの
広範な駆動周波数領域で動作可能である。

【００５６】また、本実施の形態における光変調素子１
は、機械的な駆動部分のない簡単な構造であると共に、
液晶のような流動体を含まないので、信頼性が高い。ま
た、本実施の形態における光変調素子１は、構造が簡単
で、半導体製造プロセスを用いて量産が可能であるの
で、マイクロデバイス化が容易であると共に、製造コス
トを低減することができる。このことは、本実施の形態
に係る光変調装置の普及と標準化に有利である。

【００５７】また、本実施の形態における光変調素子１
では、反射層１３が、薄膜コイル１２に通電するための
２つの導電路のうちの一方を兼ねているので、構造を簡
単にすることができる。

【００５８】また、本実施の形態における光変調素子１
では、磁化設定要素の状態を切り替えるための薄膜コイ
ル１２が、磁化設定層１１における光の入射する面とは
反対側の面に対して反射層１３を介して隣接するように
配置されているので、薄膜コイル１２が変調される光に
影響を与えることがない。

【００５９】また、本実施の形態における光変調素子１
では、薄膜コイル１２によって、磁化設定層１１の各磁
化設定要素における磁化の方向を設定するための磁界を
発生するようにしたので、磁化設定要素における磁化を
反転させるための電流を小さくすることができる。

【００６０】また、本実施の形態における光変調素子１
では、薄膜コイル１２によって発生される磁界に対応す
る磁路２０の一部を形成する軟磁性層１７と磁路形成部
１５とを備えているので、磁束を有効に絞ることができ
る。その結果、光変調素子１では、薄膜コイル１２によ
って発生される起磁力を有効に、磁化設定要素における
磁化の設定のために利用することができる。

【００６１】また、本実施の形態における光変調素子１
では、薄膜コイル１２を駆動しなければ、磁化設定層１
１の各磁化設定要素における磁化の状態は保持されるの
で、光変調素子１によって変調情報を保持することがで
きる。

【００６２】本実施の形態に係る光変調装置は、以下の
ような広範な分野での利用が可能である。

【００６３】（１）超大規模情報記憶分野情報通信分野で必須とされる超大規模情報記憶を実現す
るには、テラバイトの記憶容量を持つ光ディスクの実現
が望まれている。このような光ディスクの形成には、光
ディスクの原盤作製装置等において大出力レーザー光を
超高速に変調することが必要になる。本実施の形態に係
る光変調装置は、このような変調に適している。

【００６４】（２）光通信分野光通信分野では、高度の波長選択性を有し、且つ線幅が
極めて安定に選択されるチューナブル・レーザーが要求
される。本実施の形態に係る光変調装置は、このような
レーザーの出力光の変調に適している。

【００６５】（３）超精密微細加工・ファクトリーオー
トメーション分野本実施の形態に係る光変調装置は、広大な受光面で動作
が可能であることから、超精密加工制御用の光スイッチ
や、精密制御を行なうファクトリーオートメーションで
用いられる高出力レーザー用の光スイッチに適してい
る。

【００６６】（４）物理計測・センシング分野本実施の形態に係る光変調装置は、光センシングによる
物理計測に不可欠な光変調装置や、大規模且つ大面積の
光干渉計測用の光スイッチに適している。

【００６７】（５）宇宙空間における利用本実施の形態に係る光変調装置における光変調素子１の
構成要素は、紫外線や宇宙線に対して耐性が大きいの
で、本実施の形態に係る光変調装置は、宇宙空間での利
用が可能である。

【００６８】［第２の実施の形態］次に、本発明の第２
の実施の形態に係る光変調装置について説明する。本実
施の形態に係る光変調装置の基本的な構成は、第１の実
施の形態と同様である。ただし、本実施の形態では、磁
化設定層１１の各磁化設定要素の大きさを、後述するよ
うに回折格子を構成可能な大きさ、例えば一辺がミクロ
ンオーダーからサブミクロンオーダーの大きさとする。

【００６９】また、本実施の形態では、駆動部２は、制
御部３による制御の下で、薄膜コイル１２を駆動して、
磁化設定層１１を、磁化設定要素における磁化の方向が
一方向に揃った状態（本実施の形態において、オン状態
と言う。）と、磁化設定要素における磁化の方向が互い
に異なる２種類の領域が、１方向または直交する２方向
に交互に格子状に配列された状態（本実施の形態におい
て、オフ状態と言う。）とに切り替えるようになってい
る。

【００７０】次に、本実施の形態に係る光変調装置の作
用について説明する。磁化設定層１１の磁化設定要素に
おける磁化の方向が一方向に揃ったオン状態では、光変
調素子１の各磁化設定要素からの出射光は全て、偏光方
向が入射光の偏光方向に対して同じ角度だけ回転された
光となっている。従って、オン状態では、光変調素子１
の入射光は、偏光方向が回転されるだけで、回折されず
に光変調素子１より出射される。

【００７１】これに対し、オフ状態では、磁化設定層１
１において、磁化設定要素における磁化の方向が上向き
の領域と磁化設定要素における磁化の方向が下向きの領
域とが交互に格子状に配列される。このオフ状態では、
磁化が上向きの領域からの出射光は偏光方向が入射光の
偏光方向に対して＋２θ_Fだけ回転され、磁化が下向き
の領域からの出射光は偏光方向が入射光の偏光方向に対
して−２θ_Fだけ回転されたものとなる。従って、オフ
状態では、偏光方向が＋２θ_Fだけ回転された光同士が
干渉すると共に、偏光方向が−２θ_Fだけ回転された光
同士が干渉するため、磁化設定層１１は回折格子として
作用する。本実施の形態において、２θ _Fは５°以上、
９０°以下が好ましい。

【００７２】オフ状態において、０次回折光は、オン状
態における光変調素子１の出射光と同一方向に進む。ま
た、０次回折光の偏光方向は入射光の偏光方向と一致し
ている。一方、±１次回折光は、０次回折光の進行方向
に対して、所定の角度θをなす方向に進む。また、±１
次回折光の偏光方向は入射光の偏光方向に対して直交し
ている。オフ状態における各領域の配置のピッチ（空間
周期）をｄ、光の波長をλとすると、これらと上記角度
θとの関係は、以下の式（１）によって表される。

【００７３】ｄ＝λ／ｓｉｎθ …（１）

【００７４】上記式（１）より、所望の角度θに応じて
各領域の配置のピッチｄを決定することができる。

【００７５】なお、磁化設定要素における磁化の方向が
上向きの領域と磁化設定要素における磁化の方向が下向
きの領域は、それぞれ１列の磁化設定要素によって形成
してもよいし、複数列の磁化設定要素によって形成して
もよい。

【００７６】ここで、図７を参照して、オフ状態におけ
る磁化設定層１１が回折格子として作用することについ
て詳しく説明する。図７は、オフ状態における磁化設定
層１１の状態と磁化設定層１１を通過する光の偏光方向
の変化を示している。図７に示した磁化設定層１１で
は、磁化設定要素における磁化の方向が上向きの領域４
１ａと磁化設定要素における磁化の方向が下向きの領域
４１ｂとが１方向に交互に格子状に配列されている。図
７では、領域４１ａ，４１ｂの配列方向をＸ方向とし、
領域４１ａ，４１ｂの長手方向をＹ方向とし、Ｘ方向お
よびＹ方向に直交する方向をＺ方向としている。

【００７７】ここで、磁化設定層１１にＹ方向に直線偏
光した光が入射するものとする。図７において、符号５
１Ａ，５１Ｂは、それぞれ、領域４１ａ，４１ｂに入射
する光を表している。一点鎖線の楕円内の矢印は、偏光
方向を表している。領域４１ａ，４１ｂを通過した後の
光５２Ａ，５２Ｂの偏光方向は、ファラデー効果によっ
て、互いに反対方向に所定角度ずつ回転されている。従
って、光５２Ａ，５２Ｂには、同じ大きさのＹ方向の偏
光成分と、互いに反対方向のＸ方向の偏光成分とが生じ
ている。図７において、符号５４Ａは磁化設定層１１の
通過直後の光において正のＸ方向の偏光成分を有する部
分を表し、符号５４Ｂは磁化設定層１１の通過直後の光
において負のＸ方向の偏光成分を有する部分を表してい
る。

【００７８】光５２Ａ，５２ＢにおけるＹ方向の偏光成
分の大きさは等しいので、磁化設定層１１を通過した光
のうちの０次回折光にはＹ方向の偏光成分のみが現れ
る。一方、光５２Ａ，５２ＢにおけるＸ方向の偏光成分
は互いに反対方向になっているので、光５２Ａのうちの
Ｘ方向の偏光成分同士が干渉し、光５２ＢのうちのＸ方
向の偏光成分同士が干渉する。従って、磁化設定層１１
を通過した光の±１次回折光にはＸ方向の偏光成分のみ
が現れる。

【００７９】なお、ここまでは、光が磁化設定層１１を
１回通過する場合について説明したが、光が磁化設定層
１１を往復で２回通過する場合は、偏光方向の回転角度
が２倍になるだけで、原理的には上記の説明と同様のこ
とが言える。

【００８０】次に、図８ないし図１１を参照して、本実
施の形態に係る光変調装置の使用方法と作用の一例につ
いて説明する。図８はオン状態における光変調素子１に
対する入射光と光変調素子１からの出射光の状態を示
し、図９はオン状態における光変調素子１の磁化設定層
１１における磁化の状態を示している。また、図１０は
オフ状態における光変調素子１に対する入射光と光変調
素子１からの出射光の状態を示し、図１１はオフ状態に
おける光変調素子１の磁化設定層１１における磁化の状
態を示している。

【００８１】本例では、図８および図１０に示したよう
に、光変調素子１における光の入射側に、偏光ビームス
プリッタ２１を配置している。この偏光ビームスプリッ
タ２１は、光変調素子１の入射側の面に対して４５°を
なす偏光ビームスプリッタ面２１ａを有している。この
偏光ビームスプリッタ面２１ａは、Ｐ偏光の光を通過さ
せ、Ｓ偏光の光を反射する。Ｐ偏光とは偏光方向が入射
面（図８および図１０における紙面）に平行な直線偏光
であり、Ｓ偏光とは偏光方向が入射面に垂直な直線偏光
である。本例では、偏光ビームスプリッタ２１に対し
て、光変調素子１の入射側の面に対して平行な方向よ
り、入射光１０１としてＳ偏光の光を入射させる。

【００８２】図８および図９に示したオン状態では、Ｓ
偏光の入射光１０１は、偏光ビームスプリッタ面２１ａ
で反射されて、光変調素子１に入射し、磁化設定層１１
を通過し、反射層１３で反射され、再度、磁化設定層１
１を通過して、偏光ビームスプリッタ２１に戻ってく
る。光変調素子１からの戻り光は、偏光方向が回転され
ているため、Ｐ偏光成分を有している。このＰ偏光成分
は、偏光ビームスプリッタ面２１ａを通過して、オン状
態における出力光１０２となる。

【００８３】図１０および図１１に示したオフ状態で
は、Ｓ偏光の入射光１０１は、偏光ビームスプリッタ面
２１ａで反射されて、光変調素子１に入射し、磁化設定
層１１を通過し、反射層１３で反射され、再度、磁化設
定層１１を通過して、光変調素子１より出射される。こ
こで、オフ状態では、光変調素子１より０次回折光１１
０と＋１次回折光１１１と−１次回折光１１２とが出射
される。０次回折光１１０は、偏光ビームスプリッタ２
１に入射するが、Ｓ偏光の光であるため、偏光ビームス
プリッタ面２１ａで反射される。＋１次回折光１１１と
−１次回折光１１２は、Ｐ偏光の光であるが、入射光の
方向に対して角度θの方向に進み、偏光ビームスプリッ
タ２１に入射しない。従って、オフ状態では、偏光ビー
ムスプリッタ面２１ａを通過して出射される出力光はな
い。

【００８４】以上説明したように、本実施の形態に係る
光変調装置では、磁化設定層１１の状態をオン状態とオ
フ状態とに切り替えることにより、出射光の進行方向を
切り替えることができ、これにより、容易に光の強度を
変調することができる。

【００８５】本実施の形態に係る光変調装置では、オフ
状態における光変調素子１の出射光のうちの０次回折光
の偏光方向は、オン状態における光変調素子１の出射光
の偏光方向とは異なっているので、オフ状態における上
記０次回折光とオン状態における光変調素子１の出射光
とを、図８および図１０に示した偏光ビームスプリッタ
２１等によって容易に確実に分離することができる。従
って、本実施の形態に係る光変調装置によれば、１００
ｄＢ以上の消光比を得ることが可能である。

【００８６】また、本実施の形態に係る光変調装置は、
オン状態における光変調素子１の出射光と、オフ状態に
おける光変調素子１からの±１次回折光とを用いて、光
変調素子１の出射光の進行方向を切り替えることができ
るので、光路を切り替える光スイッチとしても利用する
ことができる。

【００８７】なお、本実施の形態において、磁化設定層
１１のうち、オフ状態において磁化を上向きとする領域
と磁化を下向きとする領域のうちの一方の領域のみを、
イオン打ち込み等の方法によって他方の領域よりも高い
保磁力となるようにしておき、オン状態とオフ状態とで
磁化の方向が反転しないようにしてもよい。この場合に
は、他方の領域のみが、オン状態とオフ状態とで磁化の
方向が反転することになる。

【００８８】本実施の形態におけるその他の構成、作用
および効果は、第１の実施の形態と同様である。

【００８９】なお、本発明は、上記実施の形態に限定さ
れず、種々の変更が可能である。例えば、薄膜コイル１
２は複数の層で構成してもよい。

【００９０】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１ないし１
１のいずれかに記載の光変調装置によれば、駆動手段に
よって磁界発生素子を駆動して、磁化設定層の各磁化設
定要素における磁化の状態を切り替えることによって光
を変調するようにしたので、構造が簡単で、動作速度の
大きな光変調装置を実現することができるという効果を
奏する。

【００９１】また、請求項２記載の光変調装置によれ
ば、駆動手段は、磁化設定層を、磁化設定要素における
磁化の方向が所定の一方向に揃った第１の状態と、磁化
設定要素における磁化の方向が第１の状態における磁化
の方向とは異なる方向に揃った第２の状態とに切り替え
るようにしたので、第１の状態と第２の状態とで出射光
の偏光方向を切り替えることができ、２つの状態におけ
る出射光を偏光方向の違いによって分離することによ
り、容易に光を変調することができるという効果を奏す
る。

【００９２】また、請求項３記載の光変調装置によれ
ば、駆動手段は、磁化設定層を、磁化設定要素における
磁化の方向が一方向に揃った第１の状態と、磁化設定要
素における磁化の方向が互いに異なる２種類の領域が交
互に格子状に配列された第２の状態とに切り替えるよう
にしたので、第１の状態と第２の状態とで、出射光の進
行方向を切り替えることができ、これにより、容易に光
の強度を変調することができるという効果を奏する。

【００９３】また、請求項５または６記載の光変調装置
によれば、磁界発生素子は、磁化設定層における光の入
射する面とは反対側の面に隣接するように配置され、光
変調装置は、更に、磁化設定層と磁界発生素子との間に
設けられ、光を反射する反射層を備えているので、磁界
発生素子が変調される光に影響を与えることがないとい
う効果を奏する。

【００９４】また、請求項６記載の光変調装置によれ
ば、磁界発生素子は２つの導電路を介して通電されるこ
とにより磁界を発生し、反射層は、導電性を有し、一方
の導電路を兼ねているので、光変調装置の構造を簡単に
することができるという効果を奏する。

【００９５】また、請求項８記載の光変調装置によれ
ば、更に、軟磁性材料よりなり、磁化設定層における磁
界発生素子とは反対側の面に隣接するように設けられ、
磁界発生素子によって発生される磁界に対応する磁路の
一部を形成する軟磁性層を備えたので、磁界発生素子に
よって発生される起磁力を有効に、磁化設定要素におけ
る磁化の設定のために利用することができるという効果
を奏する。

【００９６】また、請求項９記載の光変調装置によれ
ば、更に、軟磁性材料よりなり、磁界発生素子における
磁化設定層とは反対側に配置され、磁界発生素子によっ
て発生される磁界に対応する磁路の一部を形成する磁路
形成部を備えたので、磁界発生素子によって発生される
起磁力を有効に、磁化設定要素における磁化の設定のた
めに利用することができるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態に係る光変調装置の
構成の概略を示す説明図である。

【図２】図１における光変調素子の要部を示す断面図で
ある。

【図３】本発明の第１の実施の形態における薄膜コイル
の平面図である。

【図４】図２に示した磁化設定層における印加磁界と磁
化との関係を表す磁気ヒステリシス曲線を示す特性図で
ある。

【図５】図２に示した軟磁性層における印加磁界と磁化
との関係を表す磁気ヒステリシス曲線を示す特性図であ
る。

【図６】１次元磁性フォトニック結晶の構造を示す説明
図である。

【図７】本発明の第２の実施の形態に係る光変調装置の
作用を説明するための説明図である。

【図８】本発明の第２の実施の形態に係る光変調装置の
オン状態における光変調素子に対する入射光と光変調素
子からの出射光の状態を示す説明図である。

【図９】図８に示したオン状態における光変調素子の磁
化設定層における磁化の状態を示す説明図である。

【図１０】本発明の第２の実施の形態に係る光変調装置
のオフ状態における光変調素子に対する入射光と光変調
素子からの出射光の状態を示す説明図である。

【図１１】図１０に示したオフ状態における光変調素子
の磁化設定層における磁化の状態を示す説明図である。

【符号の説明】

１…光変調素子、２…駆動部、３…制御部、１１…磁化
設定層、１２…薄膜コイル、１３…反射層、１４…端
子、１５…磁路形成部、１６…絶縁層、１７…軟磁性
層。

フロントページの続きＦターム(参考） 2H079 AA03 BA02 DA13 DA22 EB18 HA15 KA05 KA06 2K002 AB04 AB09 BA11 CA02 GA10 HA09

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光磁気材料よりなり、それぞれ独立に磁
化の方向が設定され、磁気光学効果により、入射する光
に対して磁化の方向に応じた偏光方向の回転を与える複
数の磁化設定要素を含む磁化設定層と、前記磁化設定層の各磁化設定要素に対応するように設け
られ、各磁化設定要素における磁化の方向を独立に設定
するための磁界を発生する複数の磁界発生素子と、入射光を変調して出射するために、前記磁界発生素子を
駆動して、前記磁化設定層の各磁化設定要素における磁
化の状態を切り替える駆動手段とを備えたことを特徴と
する光変調装置。
【請求項２】前記駆動手段は、前記磁化設定層を、磁
化設定要素における磁化の方向が所定の一方向に揃った
第１の状態と、磁化設定要素における磁化の方向が前記
第１の状態における磁化の方向とは異なる方向に揃った
第２の状態とに切り替えることを特徴とする請求項１記
載の光変調装置。
【請求項３】前記駆動手段は、前記磁化設定層を、磁
化設定要素における磁化の方向が一方向に揃った第１の
状態と、磁化設定要素における磁化の方向が互いに異な
る２種類の領域が交互に格子状に配列された第２の状態
とに切り替えることを特徴とする請求項１記載の光変調
装置。
【請求項４】前記磁界発生素子は薄膜コイルであるこ
とを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の光
変調装置。
【請求項５】前記磁界発生素子は、前記磁化設定層に
おける光の入射する面とは反対側の面に隣接するように
配置され、光変調装置は、更に、前記磁化設定層と前記
磁界発生素子との間に設けられ、光を反射する反射層を
備えたことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに
記載の光変調装置。
【請求項６】前記磁界発生素子は２つの導電路を介し
て通電されることにより磁界を発生し、前記反射層は、
導電性を有し、一方の導電路を兼ねていることを特徴と
する請求項５記載の光変調装置。
【請求項７】前記磁化設定層は、更に、隣接する磁化
設定要素の境界位置に設けられ、磁壁の移動を抑止する
磁壁移動抑止部を含むことを特徴とする請求項１ないし
６のいずれかに記載の光変調装置。
【請求項８】更に、軟磁性材料よりなり、前記磁化設
定層における前記磁界発生素子とは反対側の面に隣接す
るように設けられ、前記磁界発生素子によって発生され
る磁界に対応する磁路の一部を形成する軟磁性層を備え
たことを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載
の光変調装置。
【請求項９】更に、軟磁性材料よりなり、前記磁界発
生素子における前記磁化設定層とは反対側に配置され、
前記磁界発生素子によって発生される磁界に対応する磁
路の一部を形成する磁路形成部を備えたことを特徴とす
る請求項１ないし７のいずれかに記載の光変調装置。
【請求項１０】前記磁化設定層は磁性ガーネット薄膜
によって形成されていることを特徴とする請求項１ない
し９のいずれかに記載の光変調装置。
【請求項１１】前記磁化設定層は１次元磁性フォトニ
ック結晶によって形成されていることを特徴とする請求
項１ないし９のいずれかに記載の光変調装置。