JP2006154727A - 磁気光学式空間光変調器 - Google Patents

Abstract

【課題】 高精度で画素分離を行うことができ、ビットレートエラーを激減でき、それによって大量の情報を高速で処理できるようにする。
【解決手段】 ファラデー効果によって偏光方向の回転を与える画素１４が、多数、互いに離間した状態でＸ方向及びＹ方向に２次元的に配列され、Ｘ側及びＹ側の駆動ラインを流れる駆動電流によって発生する合成磁界により各画素の磁化方向を個別に制御する方式の磁気光学式空間光変調器である。Ｘ側の駆動ライン３２及びＹ側の駆動ライン３４は、それぞれＸ方向及びＹ方向に配列されている画素の周縁上を真っ直ぐに延び、Ｘ側とＹ側の駆動ラインによって各画素をその中心を除いて「井」の字状に囲むように配線され、且つターゲット画素を「井」の字状に囲むＸ側とＹ側の駆動ラインから発生する磁界の方向がターゲット画素中心で一致するように構成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、Ｘ側とＹ側の駆動電流によって発生する合成磁界により各画素の磁化方向を個別に制御する方式の磁気光学式空間光変調器に関し、更に詳しく述べると、Ｘ側とＹ側の駆動ラインを、画素の中心を除いた周縁部に「井」の字状に配置し、ターゲット画素を「井」の字状に囲む駆動ラインから発生する磁界の方向をターゲット画素の中心で一致させることにより、該ターゲット画素以外の画素隅部での漏洩磁界による誤動作の低減を図った磁気光学式空間光変調器に関するものである。

磁気光学式空間光変調器は、光の振幅、位相、偏光状態を、磁性膜のファラデー効果を利用して空間的に変調する磁気光学デバイスであり、磁性膜の磁化方向を独立に制御可能な多数の画素（ピクセル）をＸ方向及びＹ方向に２次元的に配列した構成となっている。このような２次元アレイ状の画素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、光学情報処理システム、光コンピューティング、プロジェクターＴＶ、動画ホログラム記録、光体積記録などを実現するキーデバイスとして、近年、鋭意研究開発が進められている。

磁気光学式空間光変調器の一例を図４に示す。空間光変調器１０は、主として磁性膜（磁気光学材料）１２からなり、ファラデー効果により偏光方向を回転させる画素１４が、多数、互いに離間した状態でＸ方向（横方向）及びＹ方向（縦方向）に２次元的に配列され、画素１２に沿ってＸ側とＹ側の駆動ラインが配線されている構造である。Ｘ側の所定の駆動ラインにはＸ側駆動部１６からＸ側駆動パルス電流が供給され、Ｙ側の所定の駆動ラインにはＹ側駆動部１８からＹ側駆動パルス電流が供給される。これらＸ側駆動部１６とＹ側駆動部１８の動作は、制御部２０によって制御される。そして、選択されたＸ側駆動ラインとＹ側駆動ラインを流れる駆動パルス電流によって発生する磁界が合成され、その合成磁界によって各画素の磁化方向が個別に制御される。

図５は基本動作の説明図である。図面を簡略化するため２個の画素のみ描いている。第１の偏光子２２を透過して直線偏光となった入射光は、空間光変調器の各画素１４に入射する。入射光は、透明基板２４及び磁性膜１２を透過し、金属膜２８で反射され、再び磁性膜１２及び透明基板２４を透過して出射する。このとき、磁性膜１２のファラデー効果によって、各画素１４で反射する光の偏光方向は所定の角度だけ回転する。ここで、上段の画素に正方向の磁界（＋Ｈ）が印加されたとき＋θ_F （例えば＋４５度）のファラデー回転が生じるとすると、下段の画素に負方向の磁界（−Ｈ）が印加されたときには−θ_F （例えば−４５度）のファラデー回転が生じる。これらの反射光は第２の偏光子３０に達するが、その偏光透過面が＋４５度に設定されていると、＋４５度ファラデー回転した上段の光は透過（ＯＮ）するが、−４５度ファラデー回転した下段の光は遮断（ＯＦＦ）される。このようにして、各画素に印加される磁界の向きを制御することで、各画素による反射光のオン・オフを制御できる。

ところで、空間光変調器における各画素は、１個１個完全に独立した個別の素子ではなく、実際には、ＬＰＥ法等によって基板上の全面に磁性膜を育成し、その磁性膜を多数の画素に磁気的に区画した状態としたものである。これは、各画素を非常に小さく且つ正確に配列する必要があるためである。例えば、特許文献１には、磁性ガーネット材料上の画素に相当する領域に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、画素単位で磁化反転が可能となる多数の画素を形成する技術が開示されている。このようにすると、ファラデー効果によって、各画素を通過する光の偏光方向を所定角度だけ回転させることができ、従って、各画素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。

各画素の磁化方向を独立に制御するには、各画素に沿って配線した駆動ラインを選択して駆動電流を流し、それによって発生する合成磁界を利用している。具体的には、Ｘ側あるいはＹ側のいずれか一方の駆動ラインを流れる駆動パルス電流により発生する磁界では画素の磁化方向は変化しないが、選択されたＸ側及びＹ側の駆動ラインを流れる駆動パルス電流のタイミングが一致したとき、両方の駆動パルス電流により発生する磁界が合成され、その合成磁界がターゲット画素に印加されると、そのターゲット画素の磁化方向が制御されるようにする。

例えば、特許文献２には、画素間のギャップにＸ側及びＹ側の駆動ラインを直線的に配線する技術が記載されている。これによれば、Ｘ側の駆動ライン及びＹ側の駆動ラインの選択した各１本に駆動パルス電流を供給すると、それらが交差する近傍の４個の画素は、対角の位置関係で、正逆の方向の磁束が通る領域と、磁束が通らない２つの領域とが生じる。つまり２本の駆動ラインを選択して１つのターゲット画素のみの磁化方向を制御しようとしても、対角に位置する画素には逆方向の磁束が漏洩する。この漏洩磁界は、特に画素の隅部に集中する。画素における磁区の反転は、磁束密度が高い隅部から起こり易いので、ターゲット画素以外の画素において不必要な磁化反転（ビットレートエラー）が生じる。

そこで特許文献２では、ターゲット画素以外の画素における不必要な磁化反転（ビットレートエラー）が生じるのを防止するために、画素の４隅のうちの特定の１箇所に、保磁力の小さな微小領域を形成しておき、駆動ラインからの弱い磁界で反転の核を形成し、ターゲット画素に有利に働く外部バイアス磁場を印加する構成が採用されている。しかし、外部バイアス磁場を利用するにあたっては、余分な制御が必要であり、更に外部バイアス磁場を高速に切り替えることは困難であり、空間光変調器の高速スイッチングの妨げとなる。また、配線をギャップ中に埋め込み、画素の側面から磁界を印加させる構造は、複雑で製作が難しく、画素間隔の狭小化による高密度化を実現することは非常に難しい。因みに、画素間隔が大きいと情報の密度が低下してしまうため、大量の情報を高速で処理する用途には不適当なものとなってしまう。
米国特許第５，４７３，４６６号公報 米国特許第４，５７８，３２１号公報

本発明が解決しようとする課題は、画素間隔を狭小化でき、ターゲット画素以外の画素における不必要な磁化反転が生じずビットレートエラーの発生を激減でき、それによって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を実現可能にすることである。

本発明は、ファラデー効果によって偏光方向の回転を与える画素が、多数、互いに離間した状態でＸ方向及びＹ方向に２次元的に配列され、画素に沿って配線したＸ側の駆動ライン及びＹ側の駆動ラインを流れる駆動電流によって発生する合成磁界により各画素の磁化方向を個別に制御する方式の磁気光学式空間光変調器において、Ｘ側の駆動ライン及びＹ側の駆動ラインは、それぞれＸ方向に配列されている画素及びＹ方向に配列されている画素の周縁上を真っ直ぐに延び（つづら折れ形状や渦巻き形状ではなく）、Ｘ側とＹ側の駆動ラインによって各画素をその中心を除いて「井」の字状に囲むように配線され、且つターゲット画素を「井」の字状に囲むＸ側とＹ側の駆動ラインから発生する磁界の方向がターゲット画素中心で一致するようにしたことを特徴とする磁気光学式空間光変調器である。

ここで、画素上の両側に配置された２本のＸ側の駆動ライン及び２本のＹ側の駆動ラインは、それらが対をなして、それぞれ一方の端部で短絡されてループが形成され、それによって折り返された往復形式とするのが好ましい。その場合、Ｘ側及びＹ側で各駆動ライン対の短絡部が画素配列領域の両側に交互に現れるようにするのがよい。

Ｘ側とＹ側の駆動ラインは、全長にわたって同じ幅としてもよいが、それらの交差部近傍での線幅が部分的に画素の内側に向かって広げられている配線パターンとする方が好ましい。具体的には、画素の外縁側が直線状、反対側の画素の内側が凹凸形状となって狭幅部分と広幅部分が形成され、且つ狭幅部分と広幅部分との間で線幅が直線的もしくは曲線的に徐々に変化する配線パターンとしてもよい。その場合、広幅部分は狭幅部分の１．５倍以上広く設定するのが好ましい。例えば、磁気光学素子部の主面に垂直な方向から見たときに角部を面取りしたようなパターンとする。またＸ側及びＹ側の駆動ラインは、その狭幅部分が画素の一辺の１０〜２５％内側を覆い、広幅部分が画素の一辺の２５〜４５％内側を覆っており、磁気光学素子部の主面に垂直な方向から見たＸ側とＹ側の駆動ラインが交差部で一致する配線パターンとなっているのが好ましい。

本発明に係る磁気光学式空間光変調器では、Ｘ側とＹ側の駆動ラインは、真っ直ぐに延びて各画素をその中心を除いて「井」の字状に囲むように配線され、駆動ラインは画素の周縁上を通るように配線されるため、画素間を狭小化できる。また、各駆動ラインから発生する磁界の方向が画素中心で一致するように構成されているので、必要な磁界がターゲット画素のみに有効に作用し、ターゲット画素以外の画素における不必要な磁化反転が生じずビットレートエラーの発生を低減できる。そのため大量の情報を高速で処理できる。

更に、Ｘ側とＹ側の駆動ラインの交差部近傍での線幅が部分的に画素の内側に向かって広げられている配線パターンにすると、画素の隅部での漏洩磁界がより一層低減し、広がった駆動ラインが画素の隅部よりも内側に位置するので局所的な磁束の集中が生じない。そのため、ターゲット画素以外の画素での磁化反転が生じず、ビットレートエラーが激減する。これらの理由により、画素の小型化、画素間隔の狭小化が可能となり、大容量の情報を高速で処理することが可能となる。

図１は、本発明に係る磁気光学式空間光変調器の一実施例を示す説明図であり、画素形成領域を平面的に見た状態を示している。磁性膜（例えば、磁性ガーネット単結晶膜）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り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微小な画素１４が、互いに離間した状態でＸ方向（横方向）及びＹ方向（縦方向）に２次元的に配列されており、画素１４に沿って配線したＸ側とＹ側の駆動ラインを流れる駆動電流によって発生する合成磁界により各画素の磁化方向を個別に制御する構造である。ここで、Ｘ側の駆動ライン（横方向）３２とＹ側の駆動ライン（縦方向）３４は、それぞれＸ方向に配列されている画素及びＹ方向に配列されている画素の周縁上を真っ直ぐに延び、Ｘ側とＹ側の駆動ラインによって各画素をその中心を除いて「井」の字状に囲むように配線され、且つ各駆動ラインから発生する磁界の方向が画素中心で一致するようになっている。

具体的には、Ｘ側の駆動ライン３２びＹ側の駆動ライン３４は、各画素１４上を、外縁が画素の周辺に沿ってそれぞれ往復で１／２周ずつするように、従って各画素はＸ側とＹ側とで合計１周回するように配線する。この実施例では、Ｘ側及びＹ側の駆動ラインを配線する場合、全体にわたって同じ線幅で設計されている。そして、画素の両側に配置された２本のＸ側の駆動ライン及び２本のＹ側の駆動ラインは、対をなし、それぞれ一方の端部で短絡されてループが形成されており、Ｘ側及びＹ側で各駆動ラインの短絡部が画素配列領域の両側に交互に現れるようにしている。従って、１つのＸ側の駆動ラインを選択すると、そのＸ側の駆動ラインの下方に位置する画素に対して往復で１／２周する。Ｙ側の駆動ラインに付いても同様である。このように短絡部を振り分けて配置すると、画素及び画素間隙が狭くなっても、容易に駆動部を配置することが可能となる。ここでは、Ｘ₁ 駆動ラインとＹ₁ 駆動ラインに電流Ｉが流れている状態を示しており、それらが交わる位置の画素がターゲット画素となり、電流Ｉはターゲット画素の周りを丁度１周することになる。

図２は、その断面図である。磁性膜１２は、例えばＢｉ置換希土類鉄ガーネット膜であり、ＧＧＧ基板２４上に液相エピタキシャル成長によって約３μｍ成膜したものである。以下、製造工程の一例について簡単に説明する。
（ａ）磁性膜１２の全面に、スパッタ法や蒸着法などによりＡｌ膜を形成する。その後、画素形成領域のみにレジスト層を形成する。画素寸法は、例えば、縦横１６μｍの正方形であり、画素間隔は２μｍに設定している。試作品の画素数は、１６×１６とした。
（ｂ）次に、レジスト層をマスクとして、イオンミリングにより画素同士の間隙領域のＡｌ膜を除去し、更にイオンミリングを進めて溝４２を形成する。従って、溝４２は、画素１４の領域を除いて縦横に格子状に形成される。溝の深さは３μｍとする。その後、９００℃でアニーリング処理を施す。画素１４に対応する領域には、Ａｌ膜４０が残り、それが光反射膜となる。
（ｃ）ＳｉＯ₂ 絶縁膜４４を形成後、画素１４の外縁に沿って横方向に、スパッタ法、蒸着法、あるいはメッキ法などによりＣｕ膜を形成し、Ｘ側の駆動ライン３２を配線する。駆動ラインは、Ｃｕの他、ＡｕやＡｌなどで作製してもよい。
（ｄ）更に、同様に、ＳｉＯ₂ 絶縁膜４６を形成後、画素１４の外縁に沿って縦方向に、スパッタ法、蒸着法、あるいはメッキ法などによりＣｕ膜を形成し、Ｙ側の駆動ライン３４を配線する。この駆動ラインも、Ｃｕの他、ＡｕやＡｌなどで作製してもよい。

このようにすることで、Ｘ側の駆動ライン３２及びＹ側の駆動ライン３４が、各画素１４を「井」の字に囲むように画素１４の上に形成された構造の磁気光学式空間光変調器が得られる。Ｘ側及びＹ側の駆動ラインを流れる電流の向きは、各駆動ラインを流れる電流によって発生する磁界の向きがターゲット画素に同じ向きに印加される。Ｘ側の２本の駆動ライン（１つのループ）の通電のみでは、発生する磁界は磁性膜の保磁力を超えることはできず、Ｘ側の２本の駆動ライン（１つのループ）とＹ側の２本の駆動ライン（１つのループ）への同時通電によってはじめて磁気飽和するように各電流値を設定する。

このような磁気光学式空間光変調器では、入射光は、ＧＧＧ基板２４及び磁性膜１２を透過し、ミラー機能を果たすＡｌ膜４０で全反射し、再び磁性膜１２及びＧＧＧ基板２４を透過して出射する。光の経路を矢印で示す。入射光が、画素に相当する磁性膜１２の部分を往復する際、そのファラデー効果によって偏光方向の回転が与えられる。

交差した２本の駆動ラインからの漏れ磁界は、駆動ラインの交差部近傍に集中する。本発明では、Ｘ側及びＹ側の駆動ラインがいずれも画素上に位置しているので（画素の隅部よりも中央寄りに位置しているので）、画素の隅部での磁束密度は低減する。画素における磁区の反転は、一般に、隅部から始まるので、このような画素と駆動ラインとの位置関係にすることで、磁界漏洩によるターゲット画素と対角の位置関係にある画素の磁化反転を抑制することができる。また、電流がターゲット画素の周囲を１周することで磁化反転を起こさせるので、１本の駆動ラインを流れる電流値を半減でき、その点でもターゲット画素以外の画素における不必要な磁化反転を防止できる。

図３は、本発明に係る磁気光学式空間光変調器の他の実施例を示す説明図であり、画素配列領域を平面的に見た状態を示している。Ａに示すように、Ｘ側の駆動ライン５２及びＹ側の駆動ライン５４が、各画素１４を「井」の字状に囲み、Ｘ側の駆動ライン５２とＹ側の駆動ライン５４は、画素１４の外縁側は直線状、反対側の画素の内側は凹凸形状となって狭幅部分と広幅部分が形成され、且つ狭幅部分と広幅部分との間で線幅が直線的に徐々に変化する配線パターンとしている。つまり、画素配列領域を平面的に見て（図３に示す状態）広幅部分の角を面取りしたようなパターンである。各駆動ラインは、画素の外縁に沿って画素の内側に配線される。そして、Ｘ側の駆動ライン５２及びＹ側の駆動ライン５４は、２本ずつが組みとなり、それらの一端部で短絡されてループを構成している。なお、ここでもＸ₁ 駆動ラインとＹ₁ 駆動ラインに電流Ｉが流れている状態を示している。

例えば、Ｘ側の駆動ライン５２は図３のＢに示すように、またＹ側の駆動ライン５４は図３のＣに示すように、それぞれ狭幅部分（幅をａで示す）は画素の一辺の１０〜２５％内側を覆うような寸法とし、広幅部分（幅をｂで示す）は画素の一辺の２５〜４５％内側を覆うような寸法とする。なお、広幅部分は狭幅部分に対して１．５倍以上広幅に設定する。また、Ｘ側の駆動ライン５２とＹ側の駆動ライン５４は、広幅部分の角の面取りパターンが、画素配列領域を平面的に見たときに丁度重なるような寸法に設定している。

交差した２本の駆動ラインからの漏れ磁界は、駆動ラインの交差部近傍に集中する。本実施例では、交差部分を広く設定しているので、配線の断面は大きくなり、画素の隅部での磁束密度は低減する。更に広幅となった駆動ラインが画素の隅部よりも中央寄りに位置するので、磁束は広がり、局所的な（画素の隅部での）集中が少ない。画素における磁区の反転は、一般に、隅部から始まるので、このような広幅面取りパターンにすることで磁界漏洩によるターゲット画素と対角の位置関係にある画素の磁化反転を抑制することができる。また、画素の隅部以外では狭幅部分となっているので、短い磁路でターゲット画素に磁界が効率よく印加され、少ない電流で磁化を反転させることができる。

Ｘ側とＹ側の駆動ラインのパターン（広幅と狭幅の寸法）を種々変化させて空間光変調器を試作し、その動作を試験した。その結果、画素寸法が１６μｍ、画素間隔が２μｍの場合、狭幅寸法ａを４μｍとしたとき広幅寸法ｂを６μｍ以上としたときビットエラーが全く生じない極めて良好な結果が得られた。また、狭幅寸法ａを２μｍとしたとき広幅寸法ｂを４μｍ以上としたときもビットエラーが全く生じない良好な結果が得られた。

本発明に係る磁気光学式空間光変調器の一実施例を示す説明図。 その断面図。 本発明に係る磁気光学式空間光変調器の他の実施例を示す説明図。 磁気光学式空間光変調器の一例を示す説明図。 基本動作の説明図。

符号の説明

１４ 画素
３２ Ｘ側の駆動ライン
３４ Ｙ側の駆動ライン

Claims (4)

1. ファラデー効果によって偏光方向の回転を与える画素が、多数、互いに離間した状態でＸ方向及びＹ方向に２次元的に配列され、画素に沿って配線したＸ側の駆動ライン及びＹ側の駆動ラインを流れる駆動電流によって発生する合成磁界により各画素の磁化方向を個別に制御する方式の磁気光学式空間光変調器において、
   Ｘ側の駆動ライン及びＹ側の駆動ラインは、それぞれＸ方向に配列されている画素及びＹ方向に配列されている画素の周縁上を真っ直ぐに延び、Ｘ側とＹ側の駆動ラインによって各画素をその中心を除いて「井」の字状に囲むように配線され、且つターゲット画素を「井」の字状に囲むＸ側とＹ側の駆動ラインから発生する磁界の方向がターゲット画素中心で一致するようにしたことを特徴とする磁気光学式空間光変調器。
2. 画素上の両側に配置された２本のＸ側の駆動ライン及び２本のＹ側の駆動ラインは対をなし、それぞれ一方の端部で短絡されてループが形成されており、Ｘ側及びＹ側で各駆動ライン対の短絡部が画素配列領域の両側に交互に現れるようにした請求項１記載の磁気光学式空間光変調器。
3. Ｘ側とＹ側の駆動ラインは、それらの交差部近傍での線幅が部分的に画素の内側に向かって広げられている請求項１又は２記載の磁気光学式空間光変調器。
4. Ｘ側とＹ側の駆動ラインは、画素の外縁側は直線状、反対側の画素の内側は凹凸形状となって狭幅部分と広幅部分が形成され、且つ狭幅部分と広幅部分との間で線幅が直線的もしくは曲線的に徐々に変化する配線パターンとなっている請求項３記載の磁気光学式空間光変調器。
   

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