JP2009530656A - 可視光でファラデー回転が向上する磁気光学フォトニック結晶多層構造 - Google Patents

Abstract

青色および緑色波長における磁気光学材料を製造するための装置、方法、システムおよびコンピュータプログラム製品。装置は、所定の可視周波数の成分を含む光信号に対して概して透明である基板と、上記成分を透過させるための、基板を覆う光学多層のスタックであって、少なくとも約４０パーセントの電力が通り、約６００ナノメートル未満の所定の可視周波数について１ミクロン当たりのファラデー回転が少なくとも約２４度であるスタックとを含む。方法は、開示の材料の製造および組み立てのためのプロセスを含み、コンピュータプログラム製品は、開示の方法を実施するための機械が実行可能な命令を含む。

Description

本願は、参照によりそれら全体があらゆる目的のために本明細書中に明示的に組み込まれる「ＳＹＳＴＥＭ，ＭＥＴＨＯＤ，ＡＮＤ ＣＯＭＰＵＴＥＲ ＰＲＯＧＲＡＭ ＰＲＯＤＵＣＴ ＦＯＲ ＭＡＧＮＥＴ−ＯＰＴＩＣ ＤＥＶＩＣＥ ＤＩＳＰＬＡＹ」という題名の２００５年２月１４日に出願された米国特許出願第１０／９０６，３０４号、および「Ｎａｎｏ−ｅｎｇｉｎｅｅｒｅｄ ｍａｇｎｅｔｏ−ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｐｌａｎａｒ ｔｈｉｎ−ｆｉｌｍｓ ｆｏｒ ａ ｌｏｗ ｐｏｗｅｒ，ｈｉｇｈ ｄｅｎｓｉｔｙ ｄｉｇｉｔａｌ ｃｉｎｅｍａ ｐｒｏｊｅｃｔｏｒ ａｎｄ ｆｌａｔ ｐａｎｅｌ ｄｉｓｐｌａｙ ｓｙｓｔｅｍｓ」という題名の２００６年２月９日に出願された米国特許出願第６０／７６６，７６４号に関連する。

本発明は、一般に多層光学材料に関し、特に、可視放射の特定の波長においてファラデー回転および透過の向上がもたらされるように調整された多層磁気光学フォトニック結晶材料に関する。

ファラデー効果とも呼ばれるファラデー回転は一般に周知で、赤外スペクトル内の信号を用いる電気通信システムへのその適用は広範囲に及ぶ。要するに、このファラデー効果により、伝播の方向に磁場が存在する場合に放射信号の偏向角が変化する。偏向角の変化量は、磁場強度、磁場が作用する距離、および放射信号が通って伝播する材料のベルデ定数の関数である。

電気通信システムが有する利点は、それら電気通信システムが赤外振動数を用いて動作することである。赤外振動数においては、優れたベルデ定数および優れた透過係数を有する材料が存在する。ファラデー効果に影響を及ぼす材料特性および構造が、これらの用途について広く研究されている。

磁気光学材料は、磁気光学ディスプレイにおける使用が考えられている。周知のとおり、ディスプレイには一般に単色と多色の二つのタイプがある。ディスプレイでは明らかに、放射周波数が可視スペクトル内にある。磁気光学ディスプレイの動作周波数が赤外スペクトルから可視スペクトルへと減少するにつれて、所望の有効ベルデ定数値を有する材料を通る光線の透過率が許容し難くなることが判明している。したがって、赤、緑および青（ＲＧＢ）の原色パラダイムを用いる多色ディスプレイは、今のところ多くの理由からまだ実現されていない。それら多くの理由の一つは、十分なファラデー回転値ならびに所望の緑色および青色波長の適切な透過率を有する適切な緑色および青色材料の入手が困難なことにある。

緑色および青色スペクトルにおける使用に適した磁気光学材料が必要とされている。

青色および緑色波長における磁気光学材料を製造するための装置、方法、システムおよびコンピュータプログラム製品が開示される。装置は、所定の可視周波数の成分を含む光信号に対して概して透明である基板と、上記成分を透過させるための、基板を覆う光学多層のスタックであって、少なくとも約４０パーセントの電力が通り、約６００ナノメートル未満の所定の可視周波数について１ミクロン当たりのファラデー回転が少なくとも約２４度であるスタックとを備える。方法は、開示の材料の製造および組み立てのためのプロセスを含み、コンピュータプログラム製品は、開示の方法を実施するための機械が実行可能な命令を含む。

磁気光学ディスプレイおよび投射系と適合する磁気光学材料が実現される。開示されている材料により、赤、緑および青（ＲＧＢ）の原色パラダイムを用いる単純で効率的で経済的な多色ディスプレイが可能となる。

以下の説明は、当業者が本発明を実施し使用することが可能となるように提示され、特許出願およびその要件に即して提供される。本明細書に記載されている好ましい諸実施形態ならびに一般原理および特徴に対する様々な変更形態が、当業者には容易に明らかとなるであろう。したがって、本発明は、示される実施形態に限定されるものではなく、本明細書中に記載されている原理および特徴と一致する最も広い範囲に適合する。

図１は、本発明による多層磁気光学フォトニック結晶（ＭＰＣ）変調システム１００についての好ましい一実施形態の一般的な図である。ＭＰＣ変調システム１００は通常、偏光（たとえば、右円偏光または左円偏光の一方）１０５を受信するための入力側と、ＭＰＣ構造１１０と、偏光の伝播方向と平行な偏光に与えられる磁場（Ｂ）によってもたらされる、異なる大きさの偏光回転１１５を伴う（たとえば、ファラデー効果）偏光を透過させるための出力側とを有する平面構造である。

ＭＰＣ１１０は、特定の厚さおよび磁気光学特性の、後述のような所望のＭＰＣ特性を有する材料からなるＮ個の層（１２０_i、ｉ＝１〜Ｎ）を支持する基板１２０を含む。層１２０の適切な構造化によって、透過率および旋回特性（与えられた磁場Ｂに対する偏光応答の測定値）が、入力偏光１０５の所望の波長について実現される。

ＭＰＣ１１０を製造することができる多くの異なる方法がある。好ましい実施形態は、以下のプロセスステップ（本発明はこのプロセスで作製される構造に限定されるものではないが）を含む。このプロセスは、波長ならびに層１２０の所望の材料特性および組成に応じて、ガドリニウム・ガリウム・ガーネット（ＧＧＧ）または他の適切な支持基板（たとえば、シリコン等）で始まる。基板の大きさは、予想される用途、およびバルクデバイス中に形成しようとする画素の数に依存し、たとえば、１２８×１２８画素のモジュールについて１０ｍｍ×１０ｍｍ、また導電性アレイを生成する磁場で各画素が取り囲まれている投影系で使用するためのＭＰＣについての好ましい実施形態では、４０９６×２０４８画素のモジュールについて約１００ｍｍ×５０ｍｍである。これらの寸法はもちろん、任意の特定の用途向けに適合させ変更することができる。

好ましい製造プロセスは、たとえば図２、図３および図４に示すように、構造および波長に依存する、異なる厚さの磁気および非磁気材料の多層をスパッタリングすることを含む。層１２０を製造するためには高周波スパッタリングが好ましいが、他の積層技法が周知であり、具体的な実施の必要性および要望に応じて、代わりにまたは併せて使用することができる。以下でさらに説明するように、好ましい実施形態では、厚さが透過光の波長に依存する各層１２０ｘが設けられる。これらの波長で透過率および旋回が向上するよう、青色波長向けに以下の代表的な好ましい構造が設計されることも理解される。以下の議論では、青色、緑色および赤色に対応するように下記の波長、青色モジュールではλ＝４７３ｎｍ、緑色モジュールではλ＝５３２ｎｍ、赤色モジュールではλ＝６３２ｎｍを使用する。

スパッタリングは、エネルギーイオンによる材料の衝撃により固体ターゲット材料中の原子が気相に放出される物理的プロセスである。スパッタリングは、薄膜蒸着ならびに分析技術に一般的に使用される。スパッタリングは主に、衝突による、イオンと材料中の原子との間の運動量交換によって動かされる。このプロセスは原子のビリヤードと考えることができ、イオン（突き玉）が大きな最密原子（ビリヤード球）クラスタを突く。最初の衝突により原子がクラスタの奥深くに押し込まれるが、後に続く原子間衝突により表面近くの原子の一部がクラスタから放出される。入射イオン当たりに表面から放出される原子の数は、スパッタ収率と呼ばれ、スパッタリングプロセスの効率の重要な尺度である。スパッタ収率が依存する他の事項は、入射イオンのエネルギー、イオンおよびターゲット原子の質量、ならびに固体中の原子の結合エネルギーである。このスパッタリングプロセスのためのイオンは、スパッタリング装置内で誘導されるプラズマによって供給される。実際には、ＲＦ（高周波）交流の使用、磁場の利用、およびターゲットへのバイアス電圧の印加を含め、最適なスパッタリング条件を実現するために、様々な技法を使用してプラズマ特性、特にイオン密度を変更する。

気相に放出されたスパッタ原子は、それらの熱力学的平衡状態にはない。スパッタ材料の堆積は、真空チャンバ内のすべての表面上に生じる傾向にある。スパッタリングは、集積回路加工において様々な材料の薄膜を堆積させるために、半導体産業において広く使用される。光学用途向けのガラス上の薄い反射防止コーティングも、スパッタリングによって堆積させる。低い基板温度が使用されるため、スパッタリングは、薄膜トランジスタ用のコンタクト金属を堆積させるための理想的な方法である。おそらく、最もなじみのあるスパッタリングの製品は、二重窓アセンブリで使用される、ガラス上の低放射率コーティングである。このコーティングは、銀と、酸化亜鉛、酸化スズ、二酸化チタンなどの金属酸化物を含む多層である。

蒸着技法としてのスパッタリングの重要な一つの利点は、蒸着膜が原材料と同じ組成を有することである。スパッタ収率はターゲット中の原子の原子量に依存するため、被膜の化学量論とターゲットの化学量論とが等しいことに驚くことがある。したがって、合金または混合物のある成分が他の成分よりも速くスパッタされ、その成分が堆積物中に豊富に存在していると予想されることがある。しかしながら、表面原子をスパッタすることができるだけであるため、ある元素のより速い放出により、他の元素が豊富な表面が残され、スパッタ速度の差が効果的に相殺される。熱蒸発技法では対照的に、蒸発源のある成分がより高い蒸気圧を有し、その結果蒸発源と異なる組成を有する蒸着膜がもたらされることがある。

スパッタ蒸着には、その速度により分子線エピタキシー（ＭＢＥ）に優る利点もある。より速い蒸着速度により、同じ時間内により少ない不純物しか基板の表面に到達することができないため、不純物混入がより少なくなる。したがって、スパッタリング法では、ＭＢＥ法が耐えることができる真空圧よりも不純物濃度がはるかに高いプロセスガスを使用することができる。スパッタ蒸着中、基板にエネルギーイオンおよび中性原子によって衝撃を与えることができる。基板バイアスでイオンを屈折させることができ、軸外のスパッタリングによって蒸着速度を犠牲にするだけで中性衝撃を最小限に抑えることができる。プラスチック基板はこの衝撃に耐えることができず、通常蒸発によりコーティングされる。

スパッタ銃は通常、強い電磁場に依存するマグネトロンであるである。スパッタガスは不活性で、通常アルゴンである。このスパッタリングプロセスは、ターゲット付近の他の電場または磁場によって乱されることがある。アノード−カソードバイアスの符号を高速で変化させるＲＦスパッタリングを用いて、絶縁性ターゲット上への電荷蓄積を回避することができる。ＲＦスパッタリングは、ＲＦ電源およびインピーダンス整合回路網の追加費用のみで絶縁性の高い酸化物膜を生成するようにうまく機能する。強磁性ターゲットから漏れる浮遊磁場もまた、このスパッタリングプロセスを妨害する。非常に強い永久磁石を有する特別に設計されたスパッタ銃は、多くの場合補償に使用しなければならない。

イオンビームスパッタリング（ＩＢＳ）は、ターゲットがイオン源の外側にある方法である。カウフマン源においては、マグネトロンと同様に磁場によって閉じ込められる電子との衝突によって、イオンが生成される。その後、それらイオンは、ターゲットに向かうグリッドから生じる電場によって加速される。これらのイオンはその源から離れるため、第２の外部フィラメントからの電子によって中和される。ＩＢＳには、イオンのエネルギーと流束とを独立に制御することができるという点で利点がある。ターゲットを突く流束は中性原子で構成されるため、絶縁性または導電性のターゲットをスパッタすることができる。ＩＢＳは、ディスクドライブ用薄膜ヘッドの製造に適用されている。ＩＢＳの主な欠点は、イオン源の動作を保持するために多大なメンテナンスが必要とされることである。

反応性スパッタリングとは、ターゲット材料と真空チャンバ内に導入されるガスとの間の化学反応によって蒸着膜を形成する技法を指す。反応性スパッタリングを用いて多くの場合酸化物および窒化物膜が作製される。不活性ガスおよび反応性ガスの相対圧力を変化させることによって、被膜の組成を制御することができる。被膜の化学量論が、ＳｉＮｘ中の応力およびＳｉＯ_xの屈折率のような機能特性を最適化するための重要なパラメータである。オプトエレクトロニクスおよび太陽電池で使用される透明な酸化インジウムスズ導体は、反応性スパッタリングによって作製される。

イオンアシスト蒸着（ＩＡＤ）では、スパッタ銃よりも低い電力で作用する二次イオンビームに基板をさらす。通常、ＩＢＳで使用するようなカウフマン源により、この二次ビームが供給される。ＩＡＤを使用して、基板上にダイアモンド状の炭素を堆積させることができる。基板上に着地した、ダイアモンド結晶格子内で適切に結合していない炭素原子は、二次ビームによって払い落とされる。ＮＡＳＡは、１９８０年代に、この技術を利用してタービン翼上へのダイアモンド膜の蒸着を試みた。ハードディスク円盤上の四面体非晶質炭素表面コーティングや、医療インプラント上の硬い遷移金属窒化物コーティングの作製など、他の重要な用途でもＩＡＳは使用される。

この好ましい実施形態においては、スパッタリングターゲットは市販のものであっても、特別注文のものであってもよく、層１２０の数およびタイプ／組成向けに設計することができる。図２〜図４に示す構造では、必要とされるスパッタリングターゲットの最大数は３である。しかしながら、他の諸実施形態および実施においては、最大数がこの数よりも大きく、たとえば、６〜８（あるいは多少大きいまたは小さい）であってもよく、この最大数を利用して代替の好ましい構造を実現することになる。

図２は、本発明によるＭＰＣ２００についての第１の具体的な好ましい実施形態である。図６は、図２の構造についての透過率およびファラデー回転スペクトルのグラフ一組である。ＭＰＣ２００は、ＧＧＧの基板と、「Ｍ」および「Ｌ」と称される２種の材料の層とを含み、ここで、Ｍはビスマス置換イットリウム鉄ガーネット（Ｂｉ：ＹＩＧ）であり、Ｌは基板と同じ、すなわちＧＧＧである。ＭＰＣ２００の設計波長は４７３ｎｍであり、各層がλ／４ｎにほぼ等しい厚さを有する。ここで、ｎは特定の層材料の屈折率である（たとえば、ｎ（Ｌ）は約１．９７、ｎ（Ｍ）は約２．８である。したがって、各Ｌ層の厚さは約６０．０２ｎｍであり、各Ｍ層の厚さは約４２．２３ｎｍであるため、すべての層の全厚さは約６６２．４ｎｍとなる。簡単にするため、基板の上に図２に示すように配列されたＬ層が合計４層、Ｍ層が合計１０層あることを表す順序：Ｓ（ＭＬ）２（Ｍ）６（ＬＭ）２に従って、ＭＰＣ２００の層の配列が記載されている。なお、一部の堆積または積層システムにおいては、ＭＰＣ２００の（Ｍ）６部分は、一つのＭ層が厚さ４２．２３ｎｍ＊６である６つの独立したＭの層であっても、あるいは同じまたは同様の結果をもたらす層のある組合せであってもよいことに留意されたい。図示のように構造化されたＭＰＣ２００により、０．０４〜０．２ｉの旋回（約２４度／ミクロンの固有回転を提供する）がもたらされる。吸収−α（Ｍ）は約７０００ｃｍ^-1で、α（Ｌ）は約１００ｃｍ^-1で、すべての層の厚さについての標準偏差は、約０．５ｎｍ（〜１％）である。

図３は、本発明によるＭＰＣ３００についての第２の具体的な好ましい実施形態である。図７は、図３の構造についての透過率およびファラデー回転スペクトルのグラフ一組である。ＭＰＣ３００は、ＳｉＯ₂（または場合によってはＧＧＧ）の基板と、「Ｍ」および「Ｌ」および「Ｈ」と称される３種の材料の層とを備え、ここで、Ｍは優れた特定のファラデー回転を伴うＢｉ₃Ｆｅ₅Ｏ₁₂（あるいは、Ｃｅがドープされたもの）であり、ＬはＧＧＧであり、ＨはＺｎＯおよび／またはＴａ₂Ｏ₅である。ＭＰＣ３００の設計波長もまた４７３ｎｍであり、各層がλ／４ｎにほぼ等しい厚さを有する。ここで、ｎは特定の層材料の屈折率である（たとえば、ｎ（基板）＝２．１、ｎ（Ｌ）は約１．９、ｎ（Ｍ）は約２．８、ｎ（Ｈ）は約２．０である。したがって、各Ｌ層の厚さは約６２．２３ｎｍであり、各Ｍ層の厚さは約４２．２３ｎｍであり、各Ｈ層の厚さは約５９．１２ｎｍであるため、すべての層の全厚さは約２３００ｎｍとなる。簡単にするため、基板の上に図３に示すように配列されたＬ層が合計１２層、Ｍ層が合計１９層、Ｈ層が合計１３層あることを表す順序：Ｓ（Ｈ）１（Ｍ）１３（ＨＬ）１０（Ｍ）６（ＬＨ）２に従って、ＭＰＣ３００の層の配列が記載されている。図３においては、便宜上、ＭＰＣ３００のその部分にはＨとＬとが交互に１０回積み重なった層があることを意味する１０＠ＨＬのように、層を特定するためのスキーマを使用することに留意されたい。吸収−α（Ｍ）は約７０００ｃｍ^-1で、α（Ｌ）は約１００ｃｍ^-1である。

図４は、本発明によるＭＰＣ４００についての第３の具体的な好ましい実施形態である。図８は、図４の構造についての透過率およびファラデー回転スペクトルのグラフ一組である。ＭＰＣ４００は、ＳｉＯ₂（または場合によってはＧＧＧ）の基板と、「Ｍ」および「Ｌ」と称される２種の材料の層とを備え、ここで、Ｍは常磁性ＣｄＭｎＴｅであり、ＬはＳｉＯ₂である。ＭＰＣ４００の設計波長もまた４７３ｎｍであり、各層がλ／４ｎにほぼ等しい厚さを有する。ここで、ｎは特定の層材料の屈折率である（たとえば、ｎ（基板）＝ｎ（Ｌ）は約１．５、全厚さが約５．３ミクロンとなるようｎ（Ｍ）は約２．５となる。簡単にするため、図４に示すように配列されたＬ層とＭ層とが合計３９層あることを表す順序：Ｓ（ＬＭ）８（ＭＬ）１５（ＬＭ）１３（ＭＬ）６に従って、ＭＰＣ４００の層の配列が記載されている。図４においては、便宜上、ＭＰＣ４００のその部分にはＬとＭとが交互に８回積み重なった層があることを意味する８＠ＬＭのように、層を特定するためのスキーマを使用することに留意されたい。吸収−α（Ｍ）は約２０ｃｍ^-1で、α（Ｌ）は約０ｃｍ^-1である。

図５は、本発明によるＭＰＣにおける代替の層配列についての好ましい一実施形態である。報告されている一部の測定値によると、薄い（１０〜３０ｎｍ）コバルト（Ｃｏ）膜は、より厚い膜と比較して損失係数がより小さいことがわかっている。この現象は、トンネル効果（波が被膜を通り抜け、外に現れる）に起因し、一部の実施は、ＭＰＣにおける多重パスに適していると考えられている。Ｃｏのファラデー回転は、Ｂｉ：ＹＩＧ（飽和固有回転は、Ｈ＝１．７８テスラにおいて３６．３度／ミクロン）の約５０倍である。Ｃｏ層（１０〜２０ｎｍ）と誘電体層とからなるＭＰＣは、特にＣｏの回転がより短い波長（青色）においてより強いことを考慮すると、高いファラデー回転にとっても十分な透過率にとっても効率的な手法であることがある。

このような材料をＭＰＣに含むためには、全厚さがλ／４ｎである層がもたらされるように、磁気光学材料膜または不活性／透明膜等の使用など、任意の所与の副層を補完することが必要となる、または望ましいことがある。

図５には、特性向上層５０５と厚さ調整層５１０とを含むＭＰＣの層５００が示されている（一方、３層以上有する他の構成も可能であり、透過率および旋回についての異なる属性が複数の副層によって提供されて、たとえば図１〜図４に示すＭＰＣで使用するような単層がもたらされる。ある場合には、副層５０５がコバルト薄膜で、副層５１０がＧＧＧまたはＳｉＯ₂層を含む。他の場合には、副層５０５が常磁性材料ＣｄＭｎＴｅで、副層５１０がＢｉ：ＹＩＧであってもよい。ＣｄＭｎＴｅ／Ｂｉ：ＹＩＧのこのような層５００は、図４に示すＭＰＣにおいてなど、ＭＰＣにおけるＭ層として使用することができる。

磁気光学青色（以下、ＭＯ−Ｂ）および緑色（ＭＯ−Ｇ）モジュールを構築するために、ＣａドープＢｉ₃Ｆｅ₅Ｏ₁₂（以下、Ｃａ：ＢＩＧ）、ＣｅドープＹ₃Ｆｅ₅Ｏ₁₂（Ｃｅ：ＹＩＧ）およびＧａドープＢｉ₃Ｆｅ₅Ｏ₁₂（Ｇａ：ＢＩＧ）ガーネット材料に基づく、ヘテロエピタキシャル純ガーネット膜加工技術が開発された。ＣａのドーピングおよびＧａのドーピングにより光透過性の向上が可能となり、一方Ｃｅのドーピングにより、吸収端の強いブルーシフトおよびファラデー回転（ＦＲ）がもたらされる。ＭＯ−フォトニック結晶を作製し最適化することには、中央の光キャビティにおいても、また誘電体ミラーにおいても、様々なガーネット組成物、様々な材料配列および層数を組み合わせる「組み合わせ」手法の使用が含まれている。優れたＭＯ性能を有するフォトニック結晶の主な代表例を、以下の表Ｉに提示する。

フォトニック結晶の名称ＭＯ−ＢｉまたはＭＯ−Ｇｉは、青色光または緑色光の動作範囲を示し、一方ｉは試料番号である。ＭＯ−Ｇ３およびＭＯ−Ｇ６を除くすべてのフォトニック結晶が、厚さλ／２ｎの均一な中央の光キャビティおよび誘電体λ／４ｎミラーを有する。ここで、ｎは、対応するガーネット材料の屈折率である。ＭＯ−Ｇ３結晶における光キャビティは、厚さが下記条件を満たす一連の５つのＣａ：ＢＩＧおよびＧＧＧ層として作製されている。

ｄ_Ca:BIG×ｎ_Ca:BIG（λ）＋ｄ_GGG×ｎ_GGG（λ）＝λ／２

式中、λは設計波長である。また、このＣａ：ＢＩＧ／ＧＧＧ／Ｃａ：ＢＩＧ／ＧＧＧ／Ｃａ：ＢＩＧ５層配列は、それぞれ以下のレーザパルス数１００／６５６／１０００／６５６／１００を用いて作製されている。ＭＯ−Ｇ６結晶におけるミラーをより透明にするために、厚さλ／８ｎＧａ：ＢＩＧのＧａ：ＢＩＧガーネットと厚さ３λ／８ｎＧＧＧのＧＧＧガーネットとのスタックを用いてミラーを構築している。

図６〜図８から、磁気光学フォトニック結晶においてファラデー回転の大幅な向上を達成したことがわかる。作製された結晶は、限られた数の誘電体ミラーしか有していないが、ＭＯ−ＧモジュールでもＭＯ−Ｂモジュールでもバンドギャップ内で光が強く拒絶されることが実証された。ＭＯ−Ｂモジュールの際立った特徴は、Ｃｅ：ＹＩＧ材料で利用される正のファラデー回転である。これらの構造により、Ｃｅ：ＹＩＧガーネットならびにＣａ：ＢＩＧおよびＧａ：ＢＩＧガーネットをそれぞれＭＯ−ＢおよびＭＯ−Ｇモジュールに使用することに対する実現可能性が実証される。

なお、一部の例においては、透過率および旋回／回転についての様々な結果が記載されていることに留意されたい。ほとんどの場合において、結果は、パルスレーザ蒸着を用いて製造された構造から得られた測定結果に基づいている。ＲＦマグネトロンスパッタリングおよび分子線エピタキシー（ＭＢＥ）を含めた、他の製造技法の一部は、製造された膜の質により結果の向上を一般にもたらすことが理解される。たとえば、場合によっては、ＲＦマグネトロンスパッタリングにより、パルスレーザ蒸着（ＰＬＤ）と比較して少なくとも半分の吸収係数がもたらされる。液相エピタキシ（ＬＰＥ）により、ＲＦスパッタリングに対して約半分の吸収係数がもたらされる。

たとえば、ＰＬＤを用いて最適化されたＲＥＤ ＭＰＣ構造Ｓ（ＭＬ）１（ＭＭ）１０（ＬＭ）３（ＭＭ）１１（ＭＬ）６（ＬＭ）４を合成すると、Ｍ層（ＢＩＧ）は、吸収係数（たとえば）Ａ＝２８００ｃｍΛ−１および旋回−０．０３５を有し、その結果透過率２１．９％およびファラデー回転１８．７度（すなわち、ダイナミックレンジ８．１％＝透過率＊ｓｉｎ（２＊回転）Λ２）がもたらされるであろう。ＲＦマグネトロンスパッタリングを使用した場合、Ｍ層の吸収係数は高くてもＡ＝１４００ｃｍΛ−１となるが、旋回は同じ状態（−０．０３５）のままで、その結果、透過率２９．６％およびファラデー回転２９．５度（すなわち、ダイナミックレンジ２１．７％）の最適化された構造Ｓ（ＭＬ）２（ＭＭ）８（ＬＭ）５（ＭＭ）９（ＭＬ）８（ＬＭ）５がもたらされる。

以下の表ＩＩおよび表ＩＩＩには、ＰＬＤとスパッタＲＧＢとのＭＰＣ構造の比較が含まれる。ＰＬＤ ＭＰＣでは、測定した吸収係数およびファラデー回転を使用した。スパッタＭＰＣでは、表に示すように吸収係数を選択した。なお、ＬＰＥは現在平面構造にのみ実用的であることに留意されたい。表ＩＩＩにおいて、列には波長、透過率、回転、ダイナミックレンジ、厚さ、ＭＰＣ構造、吸収および蒸着のタイプ（すなわち、パルスレーザ蒸着、ＲＦスパッタリングおよび液相エピタキシ）が含まれる。表ＩＩＩにおいて、「＊」が付いた透過率を有する行は測定結果、他はシミュレーションによる結果である。これらの値を得るために使用する構造のタイプは一般に、組み込まれた特許出願第６０／７６６，７６４号の図２に対応する。表ＩＩＩにおける項目についての旋回値には、赤色で使用するＢＩＧ／ＧＧＧ構造についてのｇ＝０．０３５、緑色で使用するＢＩＧ／ＧＧＧ構造についてのｇ＝０．０５、青色で使用するＣｅ−ＹＩＧ／ＢＢＢ構造についてのｇ＝０．０１、表に示す平面構造で使用するＢＩＧ／空気構造についてのｇ＝０．２７（ＰＳ＝平面構造）が含まれる。

本願に記載されているシステム、方法、コンピュータプログラム製品および伝播信号はもちろん、たとえば、中央演算処理装置（「ＣＰＵ」）、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、システムオンチップ（「ＳＯＣ」）または他の任意のプログラマブルデバイス内の、またはこれらに結合させたハードウエアにおいて具体化することができる。加えて、これらシステム、方法、コンピュータプログラム製品および伝播信号は、たとえば、ソフトウエアを格納するように構成されたコンピュータが使用可能な（たとえば、コンピュータ可読）媒体内に配置されたソフトウエア（たとえば、ソース、オブジェクト、機械語など任意の形で配置されたコンピュータ可読コード、プログラムコード、命令および／またはデータ）において具体化することもできる。このようなソフトウエアにより、本明細書中に記載されている装置およびプロセスの機能、製造、モデリング、シミュレーション、記述および／または試験が可能となる。たとえば、これは、一般的なプログラミング言語（たとえば、Ｃ、Ｃ＋＋）、ＧＤＳＩＩデータベース、Ｖｅｒｉｌｏｇ ＨＤＬ、ＶＨＤＬ、ＡＨＤＬ（Ａｌｔｅｒａ ＨＤＬ）等を含めたハードウエア記述言語（ＨＤＬ）、あるいは他の利用可能なプログラム、データベース、ナノ処理および／または回路（すなわち、概略の）捕獲ツールを使用することにより実現することができる。このようなスフトウエアは、半導体、磁気ディスク、光ディスク（たとえば、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ等）を含めた、任意の公知のコンピュータが使用可能な媒体に、またコンピュータが使用可能な（たとえば、コンピュータ可読）伝送媒体（たとえば、搬送波、あるいはデジタル、光またはアナログをベースとする媒体を含めた他の任意の媒体）において具体化されるコンピュータ上のデータ信号として配置することができる。ソフトウエアそれ自体は、インターネットおよびイントラネットを含めた通信網上で伝送することができる。ソフトウエアにおいて具体化されるシステム、方法、コンピュータプログラム製品および伝播信号は、半導体ＩＰコア（たとえば、ＨＤＬで具体化される）に含め、集積回路製造の際にハードウエアに変換することができる。加えて、本明細書中に記載されているシステム、方法、コンピュータプログラム製品および伝播信号は、ハードウエアとソフトウエアとの組合せとして具体化することができる。

本発明の好ましい実施の一つは、オペレーティングシステムにおけるルーチンとして、コンピュータ操作時にコンピュータシステムのメモリに常駐するプログラミングステップまたは命令で構成される。コンピュータシステムによって要求されるまで、プログラム命令は、別の可読媒体に、たとえば、ディスクドライブに、あるいはＣＤ ＲＯＭコンピュータ入力で使用するための光ディスクまたはフロッピー（登録商標）ディスクドライブコンピュータ入力で使用するためのフロッピー（登録商標）ディスクなどの着脱式メモリに格納することができる。さらに、プログラム命令は、本発明のシステムで使用する前には別のコンピュータのメモリに格納することができ、本発明のユーザによって要求された場合には、インターネットなどのＬＡＮまたはＷＡＮを介して伝送することができる。本発明を制御するプロセスは、様々な形のコンピュータ可読媒体の形で配布することができることを当業者には理解されたい。

Ｃ、Ｃ＋＋、Ｊａｖａ（登録商標）、アセンブリ言語等を含む任意の適切なプログラム言語を使用して、本発明のルーチンを実施することができる。手続き型やオブジェクト指向など、異なるプログラミング技法を使用することができる。これらのルーチンは、単一処理デバイスまたはマルチプロセッサで実行することができる。これらのステップ、操作または計算は特定の順序で提示することができるが、異なる諸実施形態においてはこの順序を変えることができる。一部の諸実施形態においては、本明細書中に順次示す複数のステップを同時に行うことができる。本明細書に記載されている一連の操作は、中断することも、一時停止することも、そうでなければオペレーティングシステム、カーネルなどの別のプロセスによって制御することもできる。これらのルーチンは、オペレーティングシステム環境で、あるいはシステム処理のすべてまたはかなりの部分を占める独立ルーチンとして動作することができる。

本明細書中の記載において、本発明の諸実施形態の完全な理解を与えるために、構成要素および／または方法の例など、多くの具体的な詳細が提供される。しかしながら、これら具体的な詳細の一つまたは複数なしでも、あるいは他の装置、システム、アセンブリ、方法、構成要素、材料、部品等を用いても本発明の一実施形態を実施することができることが当業者には理解されよう。他の例では、本発明の諸実施形態の態様がわかりにくくなることを回避するために、周知の構造、材料または操作を具体的には示していない、または詳細には説明してない。

本発明の諸実施形態のための「コンピュータ可読媒体」は、命令実行システム、装置、システムまたはデバイスが使用する、または命令実行システム、装置、システムまたはデバイスに関連して使用するためのプログラムを含む、格納する、伝達する、伝播するまたは輸送することができる任意の媒体であってよい。このコンピュータ可読媒体は、限定ではなく一例にすぎないが、電子的、磁気的、光学的、電磁気的、赤外線のまたは半導体のシステム、装置、システム、デバイス、伝播媒体またはコンピュータメモリであってもよい。

「プロセッサ」または「プロセス」は、データ、信号または他の情報を処理する任意の人間、ハードウエアおよび／またはソフトウエアのシステム、機構または構成要素を含む。プロセッサは、汎用中央演算処理装置を有するシステム、多重処理装置、機能を実現するための専用の回路、または他のシステムを含むことができる。処理は地理的な位置に制限される必要はなく、時間的な制限もない。たとえば、プロセッサは、「リアルタイム」、「オフライン」、「バッチモード」等でその機能を実行することができる。処理の一部を、異なる（または同じ）処理システムによって、異なる時間に、また異なる位置で行うことができる。

本明細書を通して、「一実施形態（ｏｎｅ ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」、「一実施形態（ａ ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」または「特定の実施形態（ａ ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」についての言及は、その実施形態に関連して記載されている特定の特徴、構造または特性が本発明の少なくとも一つの実施形態に含まれるが、必ずしもすべての実施形態に含まれるわけではないことを意味する。したがって、本明細書を通しての様々な場所における、句「一実施形態においては（ｉｎ ｏｎｅ ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」、「一実施形態においては（ｉｎ ａ ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」、または「特定の実施形態においては（ｉｎ ａ ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」のそれぞれの出現は、必ずしも同じ実施形態に言及するものではない。さらに、本発明の任意の特定の実施形態についての特定の特徴、構造または特性を、任意の適切なやり方で一つまたは複数の他の実施形態と組み合わせることができる。本明細書に記載され説明されている本発明の諸実施形態の他の変形形態および変更形態が、本明細書中の教示を踏まえると可能で、本発明の精神および範囲の一部と見なされるものであることを理解されたい。

プログラム化した汎用デジタルコンピュータを使用することによって、本発明の諸実施形態を実施することができ、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、プログラマブル論理デバイス、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）を使用することによって、光学的、化学的、生物学的、量子的またはナノ加工のシステム、構成要素および機構を使用することができる。一般に、当技術分野で公知のように、任意の手段によって本発明の機能を実現することができる。分散またはネットワーク化システム、構成要素および回路を使用することができる。データの伝達、すなわち転送は有線でも、無線でも、または他の任意の手段によるものであってもよい。

特定の用途に応じて有用となるように、図面／図に示す要素の一つまたは複数をさらに分離してまたは一体的に実施することも、あるいは一部の場合には取り除くまたは動作不可能にすることさえもできることも理解されよう。コンピュータが上述の方法のいずれかを実施することが可能となるように、機械可読媒体に格納することができるプログラムまたはコードを実施することも本発明の精神および範囲内にある。

加えて、図面／図中の任意の信号の矢印は、特に断りのない限り、限定的ではなく例示的なものにすぎないと見なすべきである。さらに、本明細書中で使用する用語「または（ｏｒ）」は一般に、指示がない限り、「および／または（ａｎｄ／ｏｒ）」を意味するものとする。構成要素またはステップの組合せも言及されているものと見なされ、その場合、分離するまたは組み合わせる能力の解釈が不明瞭であるため、専門用語が予測される。

本明細書中の説明において、また添付の特許請求の範囲を通して使用する「ａ」、「ａｎ」および「ｔｈｅ」には、文脈上明らかに他の意味に解すべき場合を除き、複数形も含まれる。また、本明細書中の説明において、また添付の特許請求の範囲を通して使用する「において（ｉｎ）」の意味には、文脈上明らかに他の意味に解すべき場合を除き、「の中で（ｉｎ）」および「の上で（ｏｎ）」が含まれる。

要約書に記載されている事項を含めた、本発明の図で示した諸実施形態についての前述の説明は、包括的なものでも、本明細書に開示されている精密な形態に本発明を限定するものでもない。本発明の特定の諸実施形態および本発明についての実施例が、例示を目的としてのみ本明細書中に記載されているが、当業者には認識され理解されるように、様々な均等な変更が本発明の精神および範囲内で可能である。上述のように、本発明の図で示した諸実施形態についての前述の説明を踏まえて、これらの変更を本発明に加えることができ、これらの変更は本発明の精神および範囲内に含まれるものである。

したがって、本発明をその特定の諸実施形態に関して本明細書中では説明してきたが、変更の寛容度、様々な変形形態および代替形態が前述の開示中に意図され、一部の例においては、本発明の諸実施形態の一部の特徴が、記載されている本発明の範囲および精神から逸脱することなく、他の特徴の対応する使用なくして採用されることが理解されよう。したがって、特定の状況または材料を本発明の本質的な範囲および精神に適合させるために、多くの変更を加えることができる。本発明は、添付の特許請求の範囲で使用する特定の用語および／または本発明を実施するために考えられる最良の形態として開示されている特定の実施形態に限定されず、本発明は、添付の特許請求の範囲内にあるありとあらゆる実施形態および均等物を含むことが意図される。したがって、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によってのみ決まるものである。

本発明による多層磁気光学フォトニック結晶（ＭＰＣ）変調システムについての好ましい一実施形態の一般的な図である。 本発明によるＭＰＣについての第１の具体的な実施形態を示す図である。 本発明によるＭＰＣについての第２の具体的な実施形態を示す図である。 本発明によるＭＰＣについての第３の具体的な実施形態を示す図である。 本発明によるＭＰＣにおける代替の層配列についての好ましい一実施形態を示す図である。 図２の構造について、透過率およびファラデー回転スペクトルのグラフを一組示す図である。 図３の構造について、透過率およびファラデー回転スペクトルのグラフを一組示す図である。 図４の構造について、透過率およびファラデー回転スペクトルのグラフを一組示す図である。

Claims (21)

1. 所定の可視周波数の成分を含む光信号に対して概して透明である基板と、
   前記成分を透過させるための、前記基板を覆う光学多層のスタックであって、少なくとも約４０パーセントの電力が通り、約６００ナノメートル未満の前記所定の可視周波数について１ミクロン当たりのファラデー回転が少なくとも約２４度であるスタックと、
   を備える装置。
2. 前記所定の可視周波数が約４７３ナノメートル±約１０ナノメートルである、請求項１に記載の装置。
3. 前記所定の可視周波数が約５３２ナノメートル±約１０ナノメートルである、請求項１に記載の装置。
4. 前記光学多層のスタックが、（ＭＬ）２（Ｍ）６（ＬＭ）２と表示される層順序を備え、Ｍが磁気光学材料で、Ｌが非磁気光学材料である、請求項１に記載の装置。
5. 前記基板および前記Ｌ層が、実質的にＧｄ₃Ｇａ₅Ｏ₁₂（ＧＧＧ）を含む、請求項４に記載の装置。
6. 前記Ｍ層が、ビスマス置換イットリウム鉄ガーネット（Ｂｉ：ＹＩＧ）を含む、請求項５に記載の装置。
7. 前記光学多層のスタックが、（Ｈ）１（Ｍ）１３（ＨＬ）１０（Ｍ）６（ＬＨ）２と表示される層順序を備え、Ｍが磁気光学材料で、Ｌが非磁気光学材料である、請求項１に記載の装置。
8. 前記基板および前記Ｌ層が、Ｇｄ₃Ｇａ₅Ｏ₁₂（ＧＧＧ）、ＳｉＯ₂およびこれらの組合せから本質的になる群の少なくとも一つの要素から選択される、請求項７に記載の装置。
9. 前記Ｈ層が、ＺｎＯ、Ｔａ₂Ｏ₅およびこれらの組合せのうちの一つまたは複数から本質的になる群の少なくとも一つの要素から選択される、請求項８に記載の装置。
10. 前記Ｍ層が、Ｂｉ₃Ｆｅ₅Ｏ₁₂、Ｂｉ：ＹＩＧおよびこれらの組合せから本質的になる群の少なくとも一つの要素から選択される、請求項８に記載の装置。
11. 前記Ｍ層が、Ｂｉ₃Ｆｅ₅Ｏ₁₂、Ｂｉ：ＹＩＧおよびこれらの組合せから本質的になる群の少なくとも一つの要素から選択される、請求項９に記載の装置。
12. 前記光学多層のスタックが、（ＬＭ）８（ＭＬ）１５（ＬＭ）１３（ＭＬ）６と表示される層順序を備え、Ｍが磁気光学常磁性材料で、Ｌが非磁気光学材料である、請求項１に記載の装置。
13. 前記基板および前記Ｌ層が、実質的にＧｄ₃Ｇａ₅Ｏ₁₂（ＧＧＧ）を含む、請求項１２に記載の装置。
14. 前記Ｍ層が、実質的にＣｄＭｎＴｅを含む、請求項１２に記載の装置。
15. 前記スタックの前記光学多層の各々が、前記光学多層の材料の屈折率の４倍で割った自由空間において前記所定の可視周波数の波長にほぼ等しい厚さを有する、請求項１に記載の装置。
16. 前記光学多層の少なくとも一つが、第１の特性向上副層および第２の厚さ調整副層を含む少なくとも二つの副層を有する磁気光学材料層を含み、前記少なくとも一つの光学多層の全厚さが前記厚さにほぼ等しい、請求項１５に記載の装置。
17. 前記第１の特性向上副層が、ＣｄＭｎＴｅ、コバルトまたはこれらの組合せから実質的になる群から選択される少なくとも一つの要素材料を含む、請求項１６に記載の装置。
18. 前記第２の特性向上副層が、Ｂｉ：ＹＩＧ、ＳｉＯ₂またはこれらの組合せから実質的になる群から選択される少なくとも一つの要素材料を含む、請求項１６に記載の装置。
19. 前記第２の特性向上副層が、Ｂｉ：ＹＩＧ、ＳｉＯ₂またはこれらの組合せから実質的になる群から選択される少なくとも一つの要素材料を含む、請求項１７に記載の装置。
20. ａ）多層形成用の基板の表面を準備することと、
    ｂ）約６００ナノメートル未満の波長の透過率が少なくとも約２０パーセントで、固有回転が１ミクロン当たり少なくとも約２４度であるアセンブリがもたらされるように、前記基板の上に可視波長透過性の複数の層を形成することと、
    を備える方法。
21. コンピュータシステムを用いて実行される場合にＭＰＣ薄膜スタック構造を形成するプログラム命令を有するコンピュータ可読媒体を備えるコンピュータプログラム製品であって、前記実行されるプログラム命令が、
    ａ）多層形成用の基板の表面を準備することと、
    ｂ）約６００ナノメートル未満の波長の透過率が少なくとも約２０パーセントで、固有回転が１ミクロン当たり少なくとも約２４度であるアセンブリがもたらされるように、前記基板の上に可視波長透過性の複数の層を形成することと、
    を備える方法を実行するコンピュータプログラム製品。

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