JP2010282103A - Magneto-optical element, optical modulator, magneto-optical control element, and image display device - Google Patents

Magneto-optical element, optical modulator, magneto-optical control element, and image display device Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a robust magneto-optical element capable of performing high-speed optical modulation and exhibiting a favorable S/N ratio, and a magneto-optical type optical modulator using the magneto-optical element. <P>SOLUTION: The magneto-optical element is composed of a microstructure 2 including a magnetic material layer 11 formed on a substrate 8 and a precious metal material layer 12 layered on the magnetic material layer 11 with its circumference covered with an insulating material layer 14 except a contact part with the magnetic material layer 11. When the rotating direction of linearly polarized light incident by the change of a magnetic field applied to the microstructure 2 is varied, a magneto-optical effect by the magnetic material layer 11 is increased by an electric field enhancement effect of the plasmon in the precious metal material layer 12, and the linearly polarized light is rotated with high definition at high speed. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

この発明は、磁性体とプラズモンを用い、高速で光変調が可能であるとともにS/Nが良好な磁気光学素子と、それを使用した磁気光学方式の光変調器と、光スイッチやセンサなどの磁気光学制御素子及び画像表示装置に関するものである。   The present invention uses a magnetic material and plasmon, and is capable of high-speed optical modulation and good S / N, a magneto-optic optical modulator using the same, an optical switch, a sensor, etc. The present invention relates to a magneto-optical control element and an image display device.

カメラやプロジェクターなど光情報処理を伴う製品において、伝搬光の位相や振幅を制御する空間光変調器(SLM;Spatial Light Modulator)は映像を表示するキーデバイスとして使用されている。この空間光変調器としては、現在実用化されている液晶型やMEMS(Micro Electro Mechanical System)型に勝る応答速度をもつものの要求が高まっている。しかしながら、分子の配向を制御する液晶型やミラーの角度を変化させるMEMS型では、応答速度がマイクロ秒レベルにとどまり、さらなる応答速度をもつ空間光変調器を達成するためには、原理的にこれらとは異なる空間光変調器の開発が必要である。   In products that involve optical information processing such as cameras and projectors, spatial light modulators (SLMs) that control the phase and amplitude of propagating light are used as key devices for displaying images. As the spatial light modulator, there is a growing demand for a spatial light modulator that has a response speed superior to that of a liquid crystal type or a MEMS (Micro Electro Mechanical System) type that is currently in practical use. However, in the liquid crystal type that controls the molecular orientation and the MEMS type that changes the angle of the mirror, the response speed remains at the microsecond level, and in order to achieve a spatial light modulator with a further response speed, in principle these It is necessary to develop a spatial light modulator different from the above.

原理的にナノ秒からサブナノ秒の応答速度をもつ方式として磁気光学方式がある。この磁気光学方式は、物質に磁場をかけた際に直線偏光の偏光面が回転する効果が磁気光学効果を利用したものであり、透過光へ影響を及ぼす場合をファラデー効果、反射光に影響を及ぼす場合を磁気カー効果という。磁気光学方式では、磁性薄膜の磁気モーメントの磁化反転速度がナノ秒からサブナノ秒であることを利用した高速スイッチングが可能とされる。この磁気光学方式を用いた空間光変調器が非特許文献1や特許文献1等に開示されている。   In principle, there is a magneto-optical method as a method having a response speed from nanoseconds to sub-nanoseconds. In this magneto-optical method, the effect of rotating the polarization plane of linearly polarized light when a magnetic field is applied to a substance is based on the magneto-optical effect. When the transmitted light is affected, the Faraday effect and reflected light are affected. The effect is called the magnetic Kerr effect. In the magneto-optical system, high-speed switching is possible using the fact that the magnetization reversal speed of the magnetic moment of the magnetic thin film is from nanoseconds to subnanoseconds. Spatial light modulators using this magneto-optical method are disclosed in Non-Patent Document 1, Patent Document 1, and the like.

また、特許文献2に示された空間光変調器は、磁気光学効果を有する層と磁界発生層を有し、磁気光学効果を有する層に複数の磁区を定義し、この磁界発生層は各磁区に対して磁界を与える縦方向配線を設けた配線層(縦配線層)と横方向配線を設けた配線層(横配線層)のそれぞれを少なくとも一層備え、配線のそれぞれに順方向あるいは逆方向に電流を供給したり停止させて磁気光学効果を有する層の磁気光学効果により光の強度を連続的に変調させている。   The spatial light modulator disclosed in Patent Document 2 includes a layer having a magneto-optic effect and a magnetic field generation layer, and a plurality of magnetic domains are defined in the layer having a magneto-optic effect. Each having at least one wiring layer (vertical wiring layer) provided with vertical wiring for applying a magnetic field and horizontal wiring layer (horizontal wiring layer) provided with horizontal wiring, and each of the wirings in the forward direction or the reverse direction. The light intensity is continuously modulated by the magneto-optic effect of the layer having the magneto-optic effect by supplying or stopping the current.

また、特許文献3に示された空間光変調器は、磁気光学素子としてCPP(Current Perpendicular to the Plane)−GMR(Giant Magneto-Resistance)素子やTMR(Tunneling Magneto-resistance)素子を用い、画素サイズを微細化するとともに高速応答で光を変調させている。しかしながら、素子構造が複雑になり、多くの加工プロセスを必要とするため、歩留まりが悪いという問題がある。   The spatial light modulator disclosed in Patent Document 3 uses a CPP (Current Perpendicular to the Plane) -GMR (Giant Magneto-Resistance) element or a TMR (Tunneling Magneto-resistance) element as a magneto-optical element, and has a pixel size. The light is modulated with high-speed response. However, there is a problem that the yield is poor because the element structure becomes complicated and requires many processing processes.

特許文献4には、光変調器を用いて表示装置、ホログラフィ装置、ホログラム記録装置が記載されている。この光変調器は、磁化反応素子をアレイ状に配設された複数の画素に配設し、磁化反応素子間には非磁性絶縁体を形成する。この磁化反応素子を磁化方向が固定の磁化方向固定層と、非磁性材料で構成される分離層と、電圧の印加により磁化方向が反転する磁化方向可変層の柱状積層構造とし、この磁化反応素子にアレイ状に配列される電極を接続して所望の画素を選択できるようにし、選択された画素の磁化反応素子の磁化方向可変層の磁化方向を反転させて、入射光の偏光方向の変化を偏光板で検出している。   Patent Document 4 describes a display device, a holography device, and a hologram recording device using an optical modulator. In this optical modulator, magnetization reaction elements are arranged in a plurality of pixels arranged in an array, and a nonmagnetic insulator is formed between the magnetization reaction elements. This magnetization reaction element has a columnar laminated structure of a magnetization direction fixed layer whose magnetization direction is fixed, a separation layer made of a nonmagnetic material, and a magnetization direction variable layer whose magnetization direction is reversed by applying a voltage. The electrodes arranged in an array are connected to each other so that a desired pixel can be selected, and the magnetization direction of the magnetization direction variable layer of the magnetization reaction element of the selected pixel is reversed to change the polarization direction of incident light. It is detected with a polarizing plate.

空間光変調器ではないが、例えば特許文献5や特許文献6に示されているように、磁気光学効果を用いた光制御装置や情報再生装置の研究開発もこれまでなされている。これらは、いずれも磁性薄膜を利用するものであり、微小構造体を用いたものではない。   Although it is not a spatial light modulator, for example, as shown in Patent Document 5 and Patent Document 6, research and development of a light control device and an information reproducing device using a magneto-optic effect have been made so far. These all use a magnetic thin film and do not use a microstructure.

また、新規の光学現象により磁気光学特性を向上させようとする試みが近年なされている。以下に、プラズモン共鳴やフォトニック結晶を用いた例を挙げる。
ナノメートルからマイクロメートルスケールの大きさの構造体(以下、微小構造体とする)はナノフォト二クス、高密度記録媒体、光学素子、バイオチップなど多くの分野で研究が進んでいる。微小構造体特有の光現象の中に、局在型表面プラズモン共鳴がある。局在型表面プラズモン共鳴は、Au、Ag、Cu、Alなどの貴金属特有に見られる共鳴現象であり、光の電場の増強効果が見られる。例えば、表面増強ラマン散乱法(Surface Enhanced Raman Scattering ;SERS)では、金や銀などの金属ナノ粒子の表面に吸着したある種の分子のラマン散乱強度が、その分子が液体中に存在するときよりも著しく増強(103〜6程度)されることを利用した分析法として知られている。磁性体においては、貴金属薄膜との積層構成、貴金属ナノ粒子との複合材料構成とすることで、磁気光学効果が増大すると期待されている。
In recent years, attempts have been made to improve magneto-optical characteristics by a novel optical phenomenon. Examples using plasmon resonance and photonic crystals are given below.
Research on nanometer to micrometer-scale structures (hereinafter referred to as microstructures) is progressing in many fields such as nanophotonics, high-density recording media, optical elements, and biochips. Localized surface plasmon resonance is one of the optical phenomena peculiar to microstructures. Localized surface plasmon resonance is a resonance phenomenon that is peculiar to noble metals such as Au, Ag, Cu, and Al, and shows an effect of enhancing the electric field of light. For example, in the surface enhanced Raman scattering (SERS) method, the Raman scattering intensity of a certain molecule adsorbed on the surface of a metal nanoparticle such as gold or silver is higher than when the molecule exists in a liquid. Is also known as an analysis method utilizing the fact that it is remarkably enhanced (about 10 3 to 6 ). In the magnetic material, it is expected that the magneto-optic effect is increased by adopting a laminated structure with a noble metal thin film and a composite material structure with noble metal nanoparticles.

特許文献7に示された磁気光学体は、Bi:YIGからなる透過性磁性体薄膜に金属ナノ粒子を複合化させることにより磁気光学効果を増大させている。また、特許文献8に示された磁気光学素子は、非磁性支持体上に規則的に配列した金属磁性微粒子を含む微粒子配列層を有し、この金属磁性微粒子に対し外部から磁界を印加し、かつ直線偏光を入射し、金属磁性微粒子への入射光と金属の表面プラズモン振動との相互作用によって磁気光学効果を生じさせて、ディスプレイ用素子として適用した場合のコントラストを向上させるようにしている。   The magneto-optical body disclosed in Patent Document 7 increases the magneto-optical effect by combining metal nanoparticles with a transmissive magnetic thin film made of Bi: YIG. Further, the magneto-optical element disclosed in Patent Document 8 has a fine particle arrangement layer containing metal magnetic fine particles regularly arranged on a nonmagnetic support, and applies a magnetic field to the metal magnetic fine particles from the outside. In addition, linearly polarized light is incident, and a magneto-optical effect is generated by the interaction between the incident light on the metal magnetic fine particles and the metal surface plasmon vibration, thereby improving the contrast when applied as a display element.

フォトニック結晶は、誘電率が周期的に変調を起こした人工結晶である。フォトニック結晶での磁気光学効果を増大させる磁気光学素子として、特許文献9に示された磁気光学体及びこの磁気光学体を用いた光アイソレ−タは、磁気光学薄膜を有する第1組1次元磁性フォトニック結晶及び磁気光学薄膜を有する第2組1次元磁性フォトニック結晶を光学長がλ/4+mλ/2(λは光の波長、mは0または正の整数)である低屈折率誘電体薄膜を介して積層することにより、ファラデー回転角が大きくなるようにしている。   A photonic crystal is an artificial crystal whose dielectric constant is periodically modulated. As a magneto-optic element that increases the magneto-optic effect in a photonic crystal, the magneto-optic body disclosed in Patent Document 9 and an optical isolator using this magneto-optic body are a first set of one-dimensional elements having a magneto-optic thin film. A low refractive index dielectric having an optical length of λ / 4 + mλ / 2 (λ is the wavelength of light, m is 0 or a positive integer) of a second set of one-dimensional magnetophotonic crystals having a magnetophotonic crystal and a magneto-optic thin film By stacking through a thin film, the Faraday rotation angle is increased.

また、特許文献10に示された屈折率制御方法および周期性構造物並びに光学素子は、光学基板上に光学媒質を周期的に配列した周期構造物に磁場を印加して周期構造物の屈折率を制御している。しかしながら数百nmサイズの微粒子では光透過率が大きく低下してしまうという問題がある。特許文献11に示されたフォトニック構造を有する屈折率周期構造体の製造方法、及びそれを用いた光機能素子も同様であり、光機能材料として磁性体を用いた場合に、光透過率が低下してしまい、ファラデー効果の増大など目的の効果を得るのは難しい。   In addition, the refractive index control method, the periodic structure, and the optical element disclosed in Patent Document 10 apply a magnetic field to a periodic structure in which an optical medium is periodically arranged on an optical substrate, and thereby the refractive index of the periodic structure. Is controlling. However, there is a problem that the light transmittance is greatly reduced in the case of fine particles having a size of several hundred nm. The manufacturing method of the refractive index periodic structure having the photonic structure shown in Patent Document 11 and the optical functional element using the same are the same. When a magnetic material is used as the optical functional material, the light transmittance is It is difficult to obtain a desired effect such as an increase in the Faraday effect.

特許文献12には誘電体多層膜を利用した磁気光学素子が提案されている。特許文献13に示された光素子は第1の光学媒質中に第2の光学媒質と第3の光学媒質を入射光の波長オーダーの間隔で周期的に配列した構造体に所定波長の入射光を変調する外場条件を加えることによりフォトニックバンド波長を制御している。特許文献14に示された光スイッチは、磁気ヘッド層と、磁気光学効果を有する層と、偏光子層とから構成させる光スイッチであり、磁気光学効果を有する層は表面のみが磁性体及び非磁性体の周期構造で構成している。   Patent Document 12 proposes a magneto-optical element using a dielectric multilayer film. The optical element disclosed in Patent Document 13 includes incident light having a predetermined wavelength in a structure in which a second optical medium and a third optical medium are periodically arranged in the first optical medium at intervals of the wavelength order of incident light. The photonic band wavelength is controlled by adding an external field condition that modulates. The optical switch disclosed in Patent Document 14 is an optical switch composed of a magnetic head layer, a layer having a magneto-optic effect, and a polarizer layer. It consists of a periodic structure of magnetic material.

また、非特許文献2には、Co/Auの構造により通常のバイオセンサと比較して3倍感度を増加させたことが報告され、非特許文献3には、Au/Co/Auの微小構造体にて局在表面プラズモン共鳴により磁気光学効果を増大させることが可能であることを示している。しかしながら具体的に実用に耐えうる光デバイスとしての提案はなかった。   Non-patent document 2 reports that the Co / Au structure increases the sensitivity three times compared to a normal biosensor. Non-patent document 3 discloses a microstructure of Au / Co / Au. It shows that the magneto-optic effect can be increased by localized surface plasmon resonance in the body. However, there has been no proposal as an optical device that can withstand practical use.

この発明は、微小構造体を使用し、高速で光変調が可能であるとともにS/Nが良好であり、かつ堅牢な磁気光学素子と、それを使用した磁気光学方式の光変調器と、光スイッチやセンサなどの磁気光学制御素子及び画像表示装置を提供することを目的とするものである。   The present invention uses a microstructure, can perform high-speed light modulation, has a good S / N, and is a robust magneto-optical element, a magneto-optical light modulator using the same, An object of the present invention is to provide magneto-optical control elements such as switches and sensors and an image display device.

この発明の磁気光学素子は、光の波長の半分より小さく形成され、少なくとも基板上に設けられた磁性材料層と、該磁性材料層に積層され、前記磁性材料層との接触部以外の周囲が絶縁材料で覆われた貴金属材料層とを有する微小構造体からなり、前記微小構造体に印加される磁界の変化により入射する直線偏光の回転方向を可変することを特徴とする。   The magneto-optical element of the present invention is formed to be smaller than half of the wavelength of light, and is at least a magnetic material layer provided on a substrate and laminated on the magnetic material layer, and has a periphery other than a contact portion with the magnetic material layer. It comprises a microstructure having a noble metal material layer covered with an insulating material, and the rotation direction of linearly polarized light that is incident is varied by changing the magnetic field applied to the microstructure.

前記基板と前記磁性材料層の間に、前記基板側から絶縁層と貴金属材料層とが積層されていることを特徴とする。   An insulating layer and a noble metal material layer are laminated from the substrate side between the substrate and the magnetic material layer.

また、前記微小構造体は、前記基板の面と平行な断面形状が正方形や長方形あるいは非対称形状であることを特徴とする。   The microstructure may have a square, rectangular, or asymmetric shape in cross section parallel to the surface of the substrate.

前記微小構造体の前記貴金属材料層は、Au、Ag、Cu、Alのいずれか又はこれらの合金材料で形成されたことを特徴とする。   The noble metal material layer of the microstructure is formed of any one of Au, Ag, Cu, Al, or an alloy material thereof.

また、前記微小構造体の前記磁性材料層は、Co、Fe、Niの少なくとも1つを含むことを特徴とする。また、前記磁性材料層は、少なくともCoを含有し、柱状に成長した結晶粒子の間に非磁性物質からなる粒界部を形成したグラニュラー構造や、Fe/Pt、Co/Pt、Co/Pdのいずれかから選択された垂直の磁気異方性を備えた多層構造で構成したり、イットリウム−鉄−ガーネット(YIG,YFe12)であるガーネット型フェライト、あるいはその一部を置換した材料やハーフメタルで形成しても良い。 In addition, the magnetic material layer of the microstructure includes at least one of Co, Fe, and Ni. In addition, the magnetic material layer includes a granular structure in which a grain boundary portion made of a nonmagnetic substance is formed between crystal grains containing at least Co and grown in a columnar shape, Fe / Pt, Co / Pt, Co / Pd. A multilayer structure with perpendicular magnetic anisotropy selected from any of the above, or a garnet-type ferrite that is yttrium-iron-garnet (YIG, Y 3 Fe 3 O 12 ) or a part thereof is replaced. It may be formed of a material or half metal.

この発明の第1の光変調器は、前記いずれかの磁気光学素子と偏光子と磁界制御手段及び検光子とを有し、前記偏光子は、入射した光を直線偏光にして前記磁気光学素子に入射し、前記磁界制御手段は、前記磁気光学素子に印加する磁界を変化させ、前記磁気光学素子は、前記磁界制御手段により印加される磁界の変化により入射する直線偏光の回転方向を可変し、前記検光子は、前記磁気光学素子からの透過光のある方向に回転した偏光成分を透過させることを特徴とする。   A first optical modulator according to the present invention includes any one of the magneto-optical elements, a polarizer, a magnetic field control unit, and an analyzer, and the polarizer converts incident light into linearly polarized light. The magnetic field control means changes the magnetic field applied to the magneto-optical element, and the magneto-optical element changes the rotation direction of the incident linearly polarized light by the change of the magnetic field applied by the magnetic field control means. The analyzer transmits a polarization component rotated in a certain direction of transmitted light from the magneto-optical element.

この発明の第2の光変調器は、前記いずれかの磁気光学素子と偏光子と磁界制御手段及び検光子とを有し、前記偏光子は、入射した光を直線偏光にして前記磁気光学素子に入射し、前記磁界制御手段は、前記磁気光学素子に印加する磁界を変化させ、前記磁気光学素子は、前記磁界制御手段により印加される磁界の変化により入射する直線偏光の回転方向を可変し、前記検光子は、前記磁気光学素子からの反射光のある方向に回転した偏光成分を透過させることを特徴とする。   A second optical modulator according to the present invention includes any one of the magneto-optical elements, a polarizer, a magnetic field control unit, and an analyzer, and the polarizer converts incident light into linearly polarized light. The magnetic field control means changes the magnetic field applied to the magneto-optical element, and the magneto-optical element changes the rotation direction of the incident linearly polarized light by the change of the magnetic field applied by the magnetic field control means. The analyzer transmits a polarization component rotated in a direction of reflected light from the magneto-optical element.

この発明の第3の光変調器は、前記第1と第2の磁気光学変調器において、前記磁気光学素子を、前記基板の表面に二次元状に配列し、光の位相及び振幅を2次元空間的に変調することを特徴とする。   According to a third optical modulator of the present invention, in the first and second magneto-optic modulators, the magneto-optical elements are two-dimensionally arranged on the surface of the substrate, and the phase and amplitude of light are two-dimensionally arranged. It is characterized by spatial modulation.

この発明の磁気光学制御素子は、前記光変調器を有し、前記磁界制御手段により前記磁気光学素子に印加する磁界を変化させて光のオン・オフ制御を行うことを特徴とする。   The magneto-optical control element according to the present invention includes the optical modulator, and performs on / off control of light by changing a magnetic field applied to the magneto-optical element by the magnetic field control means.

この発明の画像表示装置は、前記第3の光変調器を有し、前記磁界制御手段により前記磁気光学素子に印加する磁界を変化させて2次元空間的に光変調を行うことを特徴とする。   The image display apparatus according to the present invention includes the third light modulator, and performs a two-dimensional spatial light modulation by changing a magnetic field applied to the magneto-optical element by the magnetic field control means. .

この発明の磁気光学素子は、基板上に設けられた磁性材料層と、磁性材料層に積層され、磁性材料層との接触部以外の周囲が絶縁材料で覆われた貴金属材料層とを有する微小構造体からなり、微小構造体に印加される磁界の変化により入射する直線偏光の回転方向を可変するから、磁性材料層による磁気光学効果を貴金属材料層におけるプラズモンの電場増強効果により磁気光学効果を強めて高精細かつ高速で直線偏光を回転することができる。   The magneto-optical element according to the present invention includes a magnetic material layer provided on a substrate and a noble metal material layer laminated on the magnetic material layer and covered with an insulating material except for a contact portion with the magnetic material layer. Because it consists of a structure and the direction of rotation of incident linearly polarized light can be changed by changing the magnetic field applied to the microstructure, the magneto-optic effect of the magnetic material layer can be reduced by the plasmon electric field enhancement effect of the noble metal material layer. The linearly polarized light can be rotated with high definition and high speed.

この微小構造体の磁性材料層として、Co、Fe、Niの少なくとも1つを含むか、少なくともCoを含有し、柱状に成長した結晶粒子の間に非磁性物質からなる粒界部を形成したグラニュラー構造や、Fe/Pt、Co/Pt、Co/Pdのいずれかから選択された垂直の磁気異方性を備えた多層構造で構成するか、または、イットリウム−鉄−ガーネット(YIG,YFe12)であるガーネット型フェライト、あるいはその一部を置換した材料やハーフメタルで形成することにより、信号強度の強い磁気光学素子を得ることができる。 As the magnetic material layer of this microstructure, a granular material containing at least one of Co, Fe, Ni, or containing at least Co, and forming a grain boundary portion made of a nonmagnetic substance between crystal grains grown in a columnar shape. Or a multilayer structure with perpendicular magnetic anisotropy selected from Fe / Pt, Co / Pt, Co / Pd, or yttrium-iron-garnet (YIG, Y 3 Fe A magneto-optical element having a high signal intensity can be obtained by forming the garnet-type ferrite that is 3 O 12 ), or a material or a half metal in which a part thereof is substituted.

また、この発明の磁気光学素子を有する光変調器は、偏光子からの直線偏光を磁気光学素子に入射し、磁気光学素子に印加する磁界を変化させて磁気光学素子に入射する直線偏光の回転方向を可変し、磁気光学素子からの透過光あるいは反射光のある方向に回転した偏光成分を検光子で透過させることにより、高精細・高速で光変調することができるとともに信号強度が強く、堅牢な光変調器を提供することができる。   The optical modulator having the magneto-optical element according to the present invention causes the linearly polarized light from the polarizer to enter the magneto-optical element and changes the magnetic field applied to the magneto-optical element to rotate the linearly-polarized light incident on the magneto-optical element By changing the direction and transmitting the polarized component rotated in a certain direction of the transmitted light or reflected light from the magneto-optical element with the analyzer, it is possible to perform light modulation at high definition and high speed, and the signal strength is strong and robust. An optical modulator can be provided.

また、この発明の磁気光学制御素子は、高精細・高速で光変調することができる光変調器を有し、磁気光学素子に印加する磁界を変化させて光のオン・オフ制御を行うことにより、超高速光スイッチングを可能に知ることができる。   In addition, the magneto-optical control element of the present invention has an optical modulator capable of optical modulation at high definition and high speed, and performs on / off control of light by changing a magnetic field applied to the magneto-optical element. , You can know the ultrafast optical switching possible.

さらに、磁気光学制御素子を有し、2次元空間的に光変調を行う画像表示装置は、信号強度を増強するとともに高速応答をすることができる。   Furthermore, an image display device that includes a magneto-optic control element and performs two-dimensional spatial light modulation can increase the signal intensity and respond at high speed.

この発明の光透過型空間光変調器の構成を示す断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram which shows the structure of the light transmission type | mold spatial light modulator of this invention. 光透過型空間光変調器の電極部を示す上面模式図である。It is an upper surface schematic diagram which shows the electrode part of a light transmissive spatial light modulator. 光透過型空間光変調器の動作原理を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the operation | movement principle of a light transmission type | mold spatial light modulator. 光透過型空間光変調器を構成する微小構造体の形状を示す配置図である。It is an arrangement view showing the shape of a microstructure constituting a light transmission type spatial light modulator. 微小構造体の磁気光学特性図である。It is a magneto-optical characteristic view of a microstructure. この発明の光反射型空間光変調器の構成を示す断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram which shows the structure of the light reflection type spatial light modulator of this invention. 光反射型空間光変調器の電極部を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the electrode part of a light reflection type spatial light modulator. 光反射型空間光変調器の動作原理を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the principle of operation of a light reflection type spatial light modulator. 光反射型空間光変調器の他の構成を示す断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram which shows the other structure of a light reflection type spatial light modulator. 光反射型空間光変調器を構成する微小構造体の形状を示す配置図である。It is an arrangement view showing the shape of a microstructure constituting a light reflection type spatial light modulator. 第2の光反射型空間光変調器の構成を示す断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram which shows the structure of a 2nd light reflection type spatial light modulator. 第2の光反射型空間光変調器の電極部を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the electrode part of the 2nd light reflection type spatial light modulator.

まず、この発明の光透過型空間光変調器について説明する。
図1と図2は、この発明の磁気光学方式による光透過型空間光変調器の構成を示し、図1は光透過型空間光変調器を垂直面(XZ面)で裁断した断面模式図、図2は光透過型空間光変調器の電極部のみがよく理解できるように示した上面模式図である。図1(a)は図2のX1−X1断面を示し、(b)は図2のX2−X2断面を示す。
First, the light transmission type spatial light modulator of the present invention will be described.
1 and 2 show the configuration of a light-transmitting spatial light modulator according to the magneto-optical method of the present invention, and FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of the light-transmitting spatial light modulator cut along a vertical plane (XZ plane). FIG. 2 is a schematic top view showing only the electrode part of the light transmission type spatial light modulator so that it can be understood well. 1A shows the X1-X1 cross section of FIG. 2, and FIG. 1B shows the X2-X2 cross section of FIG.

光透過型空間光変調器1は、図1に示すように、複数の微小構造体2とX方向ライン状電極3及びY方向ライン状電極4と偏光子5と検光子6及び第1のガラス基板7と第2のガラス基板8と第3のガラス基板9を有する。複数の微小構造体2は、第1の貴金属材料層10と磁性材料層(磁気光学信号層)11と第2の貴金属材料層12及び絶縁層13が積層され、例えば幅が約200nmのほぼ直方体形状に形成されている。第1の貴金属材料層10は、例えば厚さが約20nmのAuで形成され、磁性材料層(磁気光学信号層)11は、例えば厚さが約5nmのCoCrPt−SiOで形成され、第2の貴金属材料層12は、例えば厚さが10nmのAuで形成され、絶縁層13は、例えば厚さが2nmのSiNで形成されている。この微小構造体2は約200nmの間隔で絶縁層13を第2のガラス基板8側にして第2のガラス基板8の表面に形成され、1個にて1つの信号(1画素)を形成する変調器であり、XY平面内にn×n個形成されている。この微小構造体2の周囲は二酸化珪素(SiO)からなる絶縁材料層14で覆われている。 As shown in FIG. 1, the light transmission type spatial light modulator 1 includes a plurality of microstructures 2, an X-direction line electrode 3, a Y-direction line electrode 4, a polarizer 5, an analyzer 6, and a first glass. A substrate 7, a second glass substrate 8, and a third glass substrate 9 are provided. The plurality of microstructures 2 are formed by laminating a first noble metal material layer 10, a magnetic material layer (magneto-optic signal layer) 11, a second noble metal material layer 12, and an insulating layer 13, for example, a substantially rectangular parallelepiped having a width of about 200 nm. It is formed into a shape. The first noble metal material layer 10 is made of, for example, Au having a thickness of about 20 nm, and the magnetic material layer (magneto-optic signal layer) 11 is made of, for example, CoCrPt—SiO 2 having a thickness of about 5 nm. The noble metal material layer 12 is made of, for example, Au having a thickness of 10 nm, and the insulating layer 13 is made of, for example, SiN having a thickness of 2 nm. The microstructure 2 is formed on the surface of the second glass substrate 8 with the insulating layer 13 facing the second glass substrate 8 at an interval of about 200 nm, and one signal (one pixel) is formed by one. N × n modulators are formed in the XY plane. The periphery of the microstructure 2 is covered with an insulating material layer 14 made of silicon dioxide (SiO 2 ).

第2のガラス基板8の微小構造体2を有する面上で微小構造体2の間にはX方向にライン状のX方向ライン状電極3が形成されている。また、微小構造体2を覆う絶縁材料層14内にはX方向ライン状電極4と直交するY方向にライン状のY方向ライン状電極4が微小構造体2の間にX方向ライン状電極3と接触しないように形成されている。X方向ライン状電極3とY方向ライン状電極4は酸化インジウムスズ(ITO)からなり、幅が約80nmである。   On the surface of the second glass substrate 8 having the microstructure 2, a line-shaped X-direction electrode 3 is formed between the microstructures 2 in the X direction. In addition, in the insulating material layer 14 covering the microstructure 2, the Y-direction line electrode 4 that is linear in the Y direction orthogonal to the X-direction line electrode 4 is disposed between the microstructure 2 and the X-direction line electrode 3. It is formed not to come into contact with. The X-direction line electrode 3 and the Y-direction line electrode 4 are made of indium tin oxide (ITO) and have a width of about 80 nm.

偏光子5は、第1のガラス基板7に光硬化型樹脂15で接着され、微小構造体2とY方向ライン状電極4を有する絶縁材料層14の第2のガラス基板8とは反対側の面に接着されている。検光子6は、第3のガラス基板9に光硬化型樹脂16で接着され、第2のガラス基板8の微小構造体2を有する面と反対側の面に接着されている。偏光子5と検光子6は、ある方位の直線偏光を作り出す光学素子であり、有機高分子材料であるポリビニルアルコールにヨウ素や二色性色素を混入し、製膜してフィルムとした後、延伸処理を施すことによって作製されたものである。   The polarizer 5 is bonded to the first glass substrate 7 with a photo-curing resin 15, and the insulating material layer 14 having the microstructure 2 and the Y-direction line electrode 4 is opposite to the second glass substrate 8. Bonded to the surface. The analyzer 6 is bonded to the third glass substrate 9 with a photocurable resin 16 and bonded to the surface of the second glass substrate 8 opposite to the surface having the microstructure 2. The polarizer 5 and the analyzer 6 are optical elements that produce linearly polarized light in a certain direction. Iodine or dichroic dye is mixed in polyvinyl alcohol, which is an organic polymer material, and a film is formed, and then stretched. It is produced by processing.

磁性材料層(磁気光学信号層)11を形成するCoCrPt−SiOはグラニュラー構造からなり、垂直磁気異方性をもつ。グラニュラーとは「粒状の」という意味で、ナノメータースケールの粒子が別の材料のマトリックスに分散した構造を持つ材料を指す。この磁性材料層11のCoは六方最密結晶格子構造の結晶を形成し、CrおよびSiOが偏析して粒界を形成する。このように磁性材料層(磁気光学信号層)11にCoCrPt−SiOを用いることにより、SiOが強磁性のCoの周囲に偏析するため、物理的に独立した微細なCo粒子を形成しやすいという特徴がある。 CoCrPt—SiO 2 forming the magnetic material layer (magneto-optic signal layer) 11 has a granular structure and has perpendicular magnetic anisotropy. Granular means “granular” and refers to a material having a structure in which nanometer-scale particles are dispersed in a matrix of another material. Co in the magnetic material layer 11 forms a crystal having a hexagonal close-packed crystal lattice structure, and Cr and SiO 2 are segregated to form a grain boundary. By using CoCrPt—SiO 2 for the magnetic material layer (magneto-optic signal layer) 11 in this way, SiO 2 is segregated around ferromagnetic Co, so that it is easy to form physically independent fine Co particles. There is a feature.

この光透過型空間光変調器1の動作原理を図3の模式図を参照して説明する。空間光変調器1は、入射光を偏光子5で直線偏光にして微小構造体2に入射する。この微小構造体2に直線偏光を入射するとき、X方向ライン状電極3とY方向ライン状電極4に流れる電流を可変制御して微小構造体2に印加する磁界を変化させる。この磁界の変化により微小構造体2の磁性材料層(磁気光学信号層)11の磁気モーメントの向きが変化する。この磁性材料層(磁気光学信号層)11の磁気モーメントの向きの変化により微小構造体2に入射した直線偏光の反射光や透過光は回転する。検光子6は微小構造体2からの透過光のある方向に回転した偏光成分を透過させるとともに、逆方向に回転した偏光成分を遮断する。このように微小構造体2に印加する磁界を変化させることにより光のオン・オフを制御することができる。例えば、正方向の磁界が印加されたときに+θのファラデー回転し、負方向の磁界が印加されたときに−θのファラデー回転が生じるとし、検光子6の偏光透過面が+θに設定されているとすると、+θのファラデー回転した光は透過するが(オンの状態)、−θの回転をした光は透過しない(オフの状態)ように検光子6を配置する。したがって磁界の向きを制御することにより光のオン・オフを制御でき、光透過型空間光変調器1を光スイッチやセンサなどの磁気光学素子として使用することができる。なお、図3では、石英基板によるファラデー回転は配慮していないが、実際に石英のようにファラデー回転が比較的大きい材質をガラス基板7〜9として用いた場合には回転角を配慮する必要がある。 The operation principle of the light transmission type spatial light modulator 1 will be described with reference to the schematic diagram of FIG. The spatial light modulator 1 converts incident light into a linearly polarized light with a polarizer 5 and enters the microstructure 2. When linearly polarized light is incident on the microstructure 2, the current flowing through the X-direction line electrode 3 and the Y-direction line electrode 4 is variably controlled to change the magnetic field applied to the microstructure 2. Due to the change of the magnetic field, the direction of the magnetic moment of the magnetic material layer (magneto-optic signal layer) 11 of the microstructure 2 changes. Due to the change in the direction of the magnetic moment of the magnetic material layer (magneto-optic signal layer) 11, the linearly polarized reflected light or transmitted light that has entered the microstructure 2 is rotated. The analyzer 6 transmits the polarization component rotated in a certain direction of the transmitted light from the microstructure 2 and blocks the polarization component rotated in the opposite direction. In this way, on / off of light can be controlled by changing the magnetic field applied to the microstructure 2. For example, when a positive direction magnetic field is applied, + θ F Faraday rotation occurs, and when a negative direction magnetic field is applied, −θ F Faraday rotation occurs, and the polarization transmission surface of the analyzer 6 becomes + θ F. When set, is transmitted through the light Faraday rotation of + theta F (oN state), - theta light rotation F places the analyzer 6 to prevent transmission (oFF state). Therefore, on / off of light can be controlled by controlling the direction of the magnetic field, and the light-transmissive spatial light modulator 1 can be used as a magneto-optical element such as an optical switch or a sensor. In FIG. 3, Faraday rotation by a quartz substrate is not considered, but when a material having a relatively large Faraday rotation, such as quartz, is actually used as the glass substrates 7 to 9, it is necessary to consider the rotation angle. is there.

これまで従来技術の課題として、回転角が小さく、その結果としてS/Nが悪く、画素を微細化した場合に信号強度が小さいという問題があった。しかしながら、この発明の光透過型空間光変調器1では、磁性材料層(磁気光学信号層)11を上下からプラズモン励起をする第1の貴金属材料層10と第2の貴金属材料層12のAuで挟み込む構成の微小構造体2を用いる構成を示している点が従来例とは大きく異なる。このような構成では、磁性体のみの場合と比較して回転角が大きくなるという特徴がある。これは、微小構造体2における局在型表面プラズモンによる電場増強効果によるものである。特に第1の貴金属材料層10のAu層においてプラズモン励起効果が大きい。プラズモン励起層としてAu層を利用しているが、プラズモンは電子の振動により生じるものであるため、周囲は絶縁材料である必要がある。この微小構造体2の第1の貴金属材料層10のAu層にて生成した電子の振動が磁性材料層(磁気光学信号層)11に影響し、磁気光学効果を強めていると推測される。また、入射光20として波長633nmのHe−Neレーザを用いた場合にはファラデー回転角も約0.2度という比較的大きな値で、コントラスト比が大きくスイッチングが可能であった。   Conventionally, as a problem of the prior art, there has been a problem that the rotation angle is small, as a result, the S / N is bad, and the signal intensity is small when the pixel is miniaturized. However, in the light transmission type spatial light modulator 1 of the present invention, the magnetic material layer (magneto-optic signal layer) 11 is made of Au of the first noble metal material layer 10 and the second noble metal material layer 12 that excite plasmons from above and below. The point which shows the structure using the micro structure 2 of the structure inserted | pinched differs greatly from a prior art example. Such a configuration is characterized in that the rotation angle is larger than in the case of using only a magnetic material. This is due to the electric field enhancement effect by the localized surface plasmon in the microstructure 2. In particular, the plasmon excitation effect is large in the Au layer of the first noble metal material layer 10. Although an Au layer is used as the plasmon excitation layer, since the plasmon is generated by the vibration of electrons, the periphery needs to be an insulating material. It is presumed that the vibration of electrons generated in the Au layer of the first noble metal material layer 10 of the microstructure 2 affects the magnetic material layer (magneto-optic signal layer) 11 and strengthens the magneto-optic effect. In addition, when a He—Ne laser having a wavelength of 633 nm was used as the incident light 20, the Faraday rotation angle was a relatively large value of about 0.2 degrees, and switching was possible with a large contrast ratio.

この微小構造体2の磁性材料層(磁気光学信号層)11の磁気モーメントの方向制御は、図2に示すX方向ライン状電極3とY方向ライン状電極4に流す電流を制御して、X方向ライン状電極3とY方向ライン状電極4の周囲に発生する磁界を制御するようにシミュレーションにより求め、XY方向にて一つの微小構造体2に対して同期を取れるようにして水平方向の磁化反転を制御する。   The direction of the magnetic moment of the magnetic material layer (magneto-optic signal layer) 11 of the microstructure 2 is controlled by controlling the current flowing through the X-direction line electrode 3 and the Y-direction line electrode 4 shown in FIG. Magnetization in the horizontal direction is obtained by simulation so as to control the magnetic field generated around the direction line electrode 3 and the Y direction line electrode 4 so as to be synchronized with one microstructure 2 in the XY direction. Control inversion.

微小構造体2の各種形状を図4の上面模式図を示す。微小構造体2は、図4(a)に示すように断面が正方形や、図4(b)に示すように断面が円形や、図4(c)に示すように断面がコノ字型の形状にすると良い。微小構造体2を断面が正方形の形状や円形の形状にすると加工が容易である。また、微小構造体2を断面がコノ字型の非対称形状にすると旋光性を利用することができ増強された磁気光学信号を得ることができる。さらに、微小構造体2を辺の長さが異なる長方形形状にすることによりS/Nを良好にすることができる。   FIG. 4 is a schematic top view of various shapes of the microstructure 2. The microstructure 2 has a square cross section as shown in FIG. 4 (a), a circular cross section as shown in FIG. 4 (b), or a cono-shaped cross section as shown in FIG. 4 (c). It is good to make it. If the microstructure 2 has a square or circular cross section, it can be easily processed. Further, if the microstructure 2 is asymmetrically shaped with a conical cross section, the optical rotation can be utilized and an enhanced magneto-optical signal can be obtained. Furthermore, S / N can be improved by making the microstructure 2 have rectangular shapes with different side lengths.

次に微小構造体2を有する光透過型空間光変調器1の作製方法を示す。まず、表面研磨を施した石英からなる第2のガラス基板8を用意した。これが微小構造体2の支持体としての役割を示す。このガラス基板8に対して超高真空スパッタリング装置を用いてX方向ライン状電極3となるITOおよび微小構造体2を形成する薄膜構成を形成した。その後、収束イオンビーム(Focused Ion beam)装置を用いてパターン作製した。収束イオンビームではGaイオンビームにより試料表面の原子をはじきとばすことによって試料を削ることができる。その後、SiOにより微小構造体2の間を埋めるとともに、再度、加工と成膜を繰り返してY方向ライン状電極4を作製した。その後、光硬化型樹脂を用い偏光子5と検光子6を固定した。ここで収束イオンビーム装置を利用した例を示しが、電子線描画によりレジストパターンを形成し、そのパターンをもとに磁性体薄膜にイオンミリングを施す方法などを使用しても良い。 Next, a manufacturing method of the light transmission type spatial light modulator 1 having the microstructure 2 will be described. First, a second glass substrate 8 made of quartz subjected to surface polishing was prepared. This indicates the role of the microstructure 2 as a support. A thin film structure was formed on the glass substrate 8 by using an ultra-high vacuum sputtering apparatus to form the ITO and the microstructure 2 serving as the X-direction line-shaped electrode 3. Thereafter, a pattern was produced using a focused ion beam apparatus. In the focused ion beam, the sample can be cut by repelling atoms on the sample surface with the Ga ion beam. Thereafter, the space between the microstructures 2 was filled with SiO 2 , and processing and film formation were repeated again to produce a Y-direction line electrode 4. Thereafter, the polarizer 5 and the analyzer 6 were fixed using a photocurable resin. Although an example using a focused ion beam apparatus is shown here, a method of forming a resist pattern by electron beam drawing and performing ion milling on the magnetic thin film based on the pattern may be used.

この光透過型空間光変調器1の特徴として、磁化の反転速度が数ナノ秒であり、同様な空間光変調器に液晶フィルムを用いたものではスイッチングに数マイクロ秒を要するのに対して、微小構造体2を用いた光透過型空間光変調器1は超高速光スイッチングが可能である。   As a feature of the light transmissive spatial light modulator 1, the magnetization reversal speed is several nanoseconds, and when a liquid crystal film is used for a similar spatial light modulator, switching takes several microseconds. The light transmissive spatial light modulator 1 using the microstructure 2 can perform ultrafast optical switching.

すなわち微小構造体2における局在型表面プラズモン共鳴による磁気光学効果の増大を利用している点が大きな特徴である。ほぼプラズモン共鳴波長に対応する入射波長にて磁気光学効果が増大する。光路において、磁性体の体積が大きい方が、磁気光学効果が大きいことが知られているが、同体積にて比較した場合にプラズモン共鳴を用いた場合には光の共鳴効果により磁気光学効果が増強される。また、微小構造体2の形状を断面がコノ字型の非対称形状とし、貴金属の中でもAuを用いることにより、プラズモン共鳴波長が可視光領域に存在し、優れた共鳴効果であるほかに、Auは化学的に安定な元素であるためである。また、磁性材料層(磁気光学信号層)11の下側に、下側から絶縁層13と第2の貴金属材料層12を設けることにより磁気光学信号をより強めるほか、信号強度の調整の役割も果たすことができる。   In other words, a significant feature is that an increase in magneto-optical effect by localized surface plasmon resonance in the microstructure 2 is utilized. The magneto-optic effect increases at an incident wavelength that substantially corresponds to the plasmon resonance wavelength. In the optical path, it is known that the larger the volume of the magnetic material, the greater the magneto-optic effect. However, when plasmon resonance is used when compared at the same volume, the magneto-optic effect is caused by the resonance effect of light. Be enhanced. In addition, the microstructure 2 has an asymmetrical shape with a cross-section of a cono section, and Au is used among the noble metals, so that the plasmon resonance wavelength exists in the visible light region, which is an excellent resonance effect. This is because it is a chemically stable element. Further, by providing an insulating layer 13 and a second noble metal material layer 12 from the lower side below the magnetic material layer (magneto-optic signal layer) 11, the magneto-optic signal is further strengthened, and the role of adjusting the signal intensity is also provided. Can fulfill.

前記説明では磁場印加方法としてX方向ライン状電極3とY方向ライン状電極4の周辺に生じる磁界を用いたが、ハードディスクに用いられる磁気ヘッド(TMRやGMR)を利用する方法や、コイル形状と磁芯からなる微小磁気ヘッドを用いた方法や、永久磁石を近接させる方法もある。特に透明磁気ヘッドを用いた場合には垂直入射も容易である。   In the above description, the magnetic field generated around the X-direction line electrode 3 and the Y-direction line electrode 4 is used as the magnetic field application method. However, a method using a magnetic head (TMR or GMR) used for a hard disk, There are also a method using a micro magnetic head made of a magnetic core and a method of bringing a permanent magnet close to each other. In particular, when a transparent magnetic head is used, perpendicular incidence is easy.

また、前記説明では微小構造体2が2次元的に周期配列した構成を示し、微小構造体2の1個を1画素として利用した場合について示したが、縦2個×横2個の計4個の微小構造体2で1つの信号(1画素)を形成するなど、複数個でも光変調機能を示すことができる。このように複数個の微小構造体2で1画素を形成することにより、微小構造体2の1個を1画素とした場合にはより高精細であり、光強度を良好にすることができる。すなわち、1つの微小構造体2のサイズが数十〜数百nm程度であり、利用する光の波長の半分以下の幅であるため、高精細を必要とする利用に適している。このような空間的に光を変調する機能をもつ磁気光学デバイスは応用範囲が広く、光スイッチのほかバイオセンサやガスセンサなどのセンサとしての利用も可能である。用途としては、微小構造体2を1個としての利用するほか、2次元空間的な利用もある。微小構造体2を1個としての利用の場合はレーザ光を高速走査させる用途が主になる。一方、微小構造体2を複数個用いた2次元空間的な利用の場合には、並列処理を要する用途での利用となる。   In the above description, the structure in which the microstructures 2 are periodically arranged in a two-dimensional manner is shown, and a case in which one of the microstructures 2 is used as one pixel is shown. A plurality of light modulation functions can be exhibited, such as forming one signal (one pixel) with one microstructure 2. By forming one pixel with a plurality of microstructures 2 in this manner, when one of the microstructures 2 is a pixel, the pixel is higher in definition and the light intensity can be improved. That is, the size of one microstructure 2 is about several tens to several hundreds of nanometers and is not more than half the wavelength of the light to be used, which is suitable for use requiring high definition. Such a magneto-optical device having a function of spatially modulating light has a wide application range, and can be used as a sensor such as a biosensor or a gas sensor in addition to an optical switch. In addition to using the micro structure 2 as a single application, it can be used in a two-dimensional space. When the microstructure 2 is used as one piece, the main purpose is to scan the laser beam at high speed. On the other hand, in the case of two-dimensional spatial use using a plurality of microstructures 2, it is used for applications that require parallel processing.

また、微小構造体2の形状も加工が容易で局在表面プラズモンモードを選択できる直方体形状)のほか、例えば、加工精度がやや悪くなるが、水平断面形状が卍型やコノ字型の場合は、旋光性を持たせる構造として知られ、旋光機能を重畳させてさらに磁気光学信号を増強させることができる。   In addition, the shape of the microstructure 2 is a rectangular parallelepiped shape that can be easily processed and the localized surface plasmon mode can be selected. For example, the processing accuracy is slightly worse, but the horizontal cross-sectional shape is a saddle shape or a cono shape It is known as a structure that provides optical rotation, and the optical optical function can be further enhanced by superimposing the optical rotation function.

また、微小構造体2の絶縁層13は、プラズモン励起の際の電子の振動運動が磁性材料層(磁気光学信号層)11に充分に影響させるために設けているものであり、プラズモン励起が実際に生じ、磁気光学効果を増強させる効果がある。さらに、磁性材料層(磁気光学信号層)11としてCoを含めた場合について示したが、CoやFe、Niの少なくとも1つを含むと良い。Co、Fe、Niは磁気光学信号を発生させるのに有利な基本元素であるためである。また、磁性材料層(磁気光学信号層)11としてCoCrPt−SiOからなるグラニュラー構造を用いることにより、強く、かつ安定した磁気光学信号を得ることができる。 The insulating layer 13 of the microstructure 2 is provided so that the vibrational movement of electrons during plasmon excitation sufficiently affects the magnetic material layer (magneto-optic signal layer) 11, and plasmon excitation is actually performed. And has the effect of enhancing the magneto-optical effect. Furthermore, although the case where Co is included as the magnetic material layer (magneto-optic signal layer) 11 is shown, it is preferable that at least one of Co, Fe, and Ni is included. This is because Co, Fe, and Ni are basic elements advantageous for generating a magneto-optical signal. Further, by using a granular structure made of CoCrPt—SiO 2 as the magnetic material layer (magneto-optic signal layer) 11, a strong and stable magneto-optic signal can be obtained.

この磁性材料層(磁気光学信号層)11の材料として重要なのは、強磁性体金属・合金と非磁性の絶縁体の組み合わせである。強磁性体として例えば、Fe、Co,FeCo合金、絶縁体にはSiO、MgOなどの酸化物やMGFなどのフッ化物があげられ、これらの材料を同時にスパッタするといった方法で、自然に相分離によってナノメータースケールの構造が形成される。 What is important as the material of the magnetic material layer (magneto-optic signal layer) 11 is a combination of a ferromagnetic metal / alloy and a nonmagnetic insulator. Examples of ferromagnetic materials include Fe, Co, and FeCo alloys, and examples of insulators include oxides such as SiO 2 and MgO, and fluorides such as MGF 2 , and these materials are sputtered at the same time. Separation forms a nanometer scale structure.

また、X方向ライン状電極3とY方向ライン状電極4としてITOを用いたが、ITOは可視光領域にてほぼ透明であるため、光デバイス用途には好ましい。インジウム亜鉛酸化物(IZO)、酸化スズ(SnO)なども光学的に透明である。また、透明でないCuなどの金属電極を用いることも可能である。 Moreover, ITO was used as the X-direction line-shaped electrode 3 and the Y-direction line-shaped electrode 4, but ITO is preferable for optical device applications because it is almost transparent in the visible light region. Indium zinc oxide (IZO), tin oxide (SnO 2 ), and the like are also optically transparent. It is also possible to use a metal electrode such as Cu that is not transparent.

前記光透過型空間光変調器1を構成する微小構造体2の磁性材料層(磁気光学信号層)11としてCo/Pt多層膜を使用しても良い。このCo/Pt多層膜はCo;1nm/(Co;0.5nm/Pt;1nm)5層からなる人工格子構造であり、垂直磁気異方性をもつ。この微小構造体2の磁性材料層(磁気光学信号層)11としてCo/Pt多層膜を用いた光透過型空間光変調器1も光変調機能を確認できた。ここで、(Co;0.5nm/Pt;1nm)層の層数は限定されない。光反射率や飽和磁化の関係から5層もしくは7層程度が好ましい。また、Fe/Pt、Co/Pdなどの多層膜を利用することもできる。   A Co / Pt multilayer film may be used as the magnetic material layer (magneto-optic signal layer) 11 of the microstructure 2 constituting the light transmissive spatial light modulator 1. This Co / Pt multilayer film has an artificial lattice structure composed of five layers of Co; 1 nm / (Co; 0.5 nm / Pt; 1 nm), and has perpendicular magnetic anisotropy. The light transmissive spatial light modulator 1 using a Co / Pt multilayer film as the magnetic material layer (magneto-optic signal layer) 11 of the microstructure 2 was also confirmed to have a light modulation function. Here, the number of layers (Co; 0.5 nm / Pt; 1 nm) is not limited. From the relationship of light reflectance and saturation magnetization, about 5 or 7 layers are preferable. A multilayer film such as Fe / Pt or Co / Pd can also be used.

図5に磁気光学特性(ファラデー回転角、ファラデー楕円率)の一例を示す。測定試料は、以下の二つのものである。
試料1; ガラス基板/Ti2nm / Au 20nm / [(Co 0.5 nm / Pt 1nm)7層] / Au 20nm
試料2; ガラス基板/ Ti 2nm / Pt 1nm / [(Co 0.5 nm / Pt 1nm)7層] / Pt 3nm
試料の形状は円形のドット形状であり、ドット周期はいずれも250nmである。ドットの周囲は有機レジスト材料を塗布して保護してある。同じドット直径で比較すると試料1の方の回転角が試料2の回転角と比較して約2倍以上大きいことがわかる。測定した光の波長は630nmであり、プラズモン共鳴波長はドット径が50nmの際に約630nmであり、630nm近傍の光はプラズモン共鳴を生じる。また、プラズモン共鳴波長はドット径が大きくなるにつれて、長波長側にシフトする。試料1の回転角が試料2の回転角よりも大きいのはプラズモン共鳴に起因している。このような特性は、例えばAuをAgやCu、Alなど他の貴金属材料に変えたり、磁気特性を示すCo/Pt多層膜を他の材料に変えたり、ドット周期、各材料の膜厚などを変えることにより磁気光学特性は変化するため、用途に応じて調整可能である。
FIG. 5 shows an example of magneto-optical characteristics (Faraday rotation angle, Faraday ellipticity). The measurement samples are the following two.
Sample 1; Glass substrate / Ti2nm / Au 20nm / [(Co 0.5 nm / Pt 1nm) 7 layers] / Au 20nm
Sample 2; glass substrate / Ti 2 nm / Pt 1 nm / [(Co 0.5 nm / Pt 1 nm) 7 layers] / Pt 3 nm
The shape of the sample is a circular dot shape, and the dot period is 250 nm for all. The periphery of the dot is protected by applying an organic resist material. Comparing with the same dot diameter, it can be seen that the rotation angle of sample 1 is about twice or more larger than that of sample 2. The measured wavelength of light is 630 nm, the plasmon resonance wavelength is about 630 nm when the dot diameter is 50 nm, and light in the vicinity of 630 nm causes plasmon resonance. Also, the plasmon resonance wavelength shifts to the longer wavelength side as the dot diameter increases. The reason why the rotation angle of the sample 1 is larger than that of the sample 2 is due to plasmon resonance. Such characteristics include, for example, changing Au to other noble metal materials such as Ag, Cu, and Al, changing the Co / Pt multilayer film showing magnetic characteristics to other materials, changing the dot period, the film thickness of each material, etc. Since the magneto-optical characteristics change by changing, it can be adjusted according to the application.

また、光透過型空間光変調器1を構成する微小構造体2の磁性材料層(磁気光学信号層)11として、イットリウム−鉄−ガーネット(YIG,YFe12)であるガーネット型フェライトの一部をビスマス(Bi)で置換したBi:YIGを用いても良い。Bi;YIGは磁気光学信号を発する材料としては、比較的透過率が高く、その結果、光強度も大きくなるという利点がある。 Further, as a magnetic material layer (magneto-optic signal layer) 11 of the microstructure 2 constituting the light transmission type spatial light modulator 1, a garnet type ferrite which is yttrium-iron-garnet (YIG, Y 3 Fe 3 O 12 ). Bi: YIG may be used in which a part of is substituted with bismuth (Bi). Bi; YIG has the advantage that it has a relatively high transmittance as a material that emits a magneto-optical signal, and as a result, the light intensity increases.

Bi:YIGの形成方法としては、スパッタリング法を用いたが、他にBi:YIGの有機化合物を有機溶剤に溶解した溶液(MOD(Metal Organic Decomposition)塗布材料)を利用する方法もある。この方法は例えば溶液を基板に塗布し、乾燥させる作業を5回繰り返し、その後、100℃で30分、500℃で15分、700℃で180分という熱処理工程を加え、Bi:YIGを焼成することにより結晶性を向上させることができる。   As a method for forming Bi: YIG, a sputtering method is used, but there is also a method using a solution (MOD (Metal Organic Decomposition) coating material) in which an organic compound of Bi: YIG is dissolved in an organic solvent. In this method, for example, a solution is applied to a substrate and dried five times, and then a heat treatment step of 100 ° C. for 30 minutes, 500 ° C. for 15 minutes, and 700 ° C. for 180 minutes is added, and Bi: YIG is fired. Thus, the crystallinity can be improved.

また、磁性材料層(磁気光学信号層)11としてBi:YIGを用いたが、これは希土類鉄ガーネットであり、希土類金属としてYのほかにSm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Luなどでもよい。また、Bi置換型であるが、Ce、Pb、Ca、Ptでもよい。さらにFeの一部をAl、Ga、Cr、Mn、Sc、In、Ru、Rh、Co、Cu、Ni、Zn、Li、Si、Ge、Zr、Tiなどとしても良い。   Bi: YIG was used as the magnetic material layer (magneto-optic signal layer) 11, which is a rare earth iron garnet, and in addition to Y as a rare earth metal, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, etc. may be used. Further, although it is a Bi substitution type, it may be Ce, Pb, Ca, or Pt. Furthermore, a part of Fe may be Al, Ga, Cr, Mn, Sc, In, Ru, Rh, Co, Cu, Ni, Zn, Li, Si, Ge, Zr, Ti, or the like.

次に、この発明の光反射型空間光変調器について説明する。
図6と図7は、この発明の光反射型空間光変調器21の構成を示し、図6は光反射型空間光変調器21の断面模式図、図7は光反射型空間光変調器21の電極部を模式的に示した斜視図である。図に示すように、光反射型空間光変調器21は複数の微小構造体2aとX方向ライン状電極3及びY方向ライン状電極4と第1のガラス基板7と第2のガラス基板8及び偏光子5と検光子6を有する。そして表面が研磨された石英からなる第2のガラス基板8の上にX方向ライン状電極3が形成され、X方向ライン状電極3の上に例えば幅が約250nmのほぼ直方体形状の微小構造体2aが形成されている。この微小構造体2aは、第2のガラス基板8側から例えば厚さが約2nmのSiNで形成された絶縁層13と、例えば厚さが5nmの第2の貴金属材料層12と、例えば厚さが約30nmのNiFeで形成された磁性材料層(磁気光学信号層)11と、例えば厚さが約30nmのAuで形成された第1の貴金属材料層10と、厚さが約2nmのSiNで形成された絶縁層22の順で積層されている。磁性材料層(磁気光学信号層)11を形成するNiFeは面内磁気異方性をもつ。この微小構造体2aの上に第1のガラス基板7に形成されたY方向ライン状電極4が配置され、微小構造体2aの周囲とY方向ライン状電極4は光硬化型樹脂15により固定されている。X方向ライン状電極3とY方向ライン状電極4は幅が微小構造体2aと同じ約250nmで形成されている。このX方向ライン状電極3はAlで形成され、Y方向ライン状電極4はITOで形成されている。この場合、X方向ライン状電極3のAlは反射膜の機能も兼ね、Y方向ライン状電極4のITOはほぼ可視光を透過するのに対し、Alは可視光をほぼ反射する。偏光子5と検光子6はグラントムソンプリズムであり、第1のガラス基板7の上方に配置されている。この微小構造体2aは1個で1つの信号(1画素)を形成する変調器であり、XY平面内にn×n個形成されている。このX方向ライン状電極3はAlで形成され、Y方向ライン状電極4はITOで形成されている。
Next, the light reflection type spatial light modulator of the present invention will be described.
6 and 7 show the configuration of the light reflection type spatial light modulator 21 of the present invention, FIG. 6 is a schematic sectional view of the light reflection type spatial light modulator 21, and FIG. 7 shows the light reflection type spatial light modulator 21. It is the perspective view which showed typically the electrode part. As shown in the figure, the light reflection type spatial light modulator 21 includes a plurality of microstructures 2a, an X-direction line electrode 3, a Y-direction line electrode 4, a first glass substrate 7, a second glass substrate 8, and It has a polarizer 5 and an analyzer 6. An X-direction line-shaped electrode 3 is formed on a second glass substrate 8 made of quartz whose surface is polished, and a substantially rectangular parallelepiped microstructure having a width of, for example, about 250 nm is formed on the X-direction line-shaped electrode 3. 2a is formed. The microstructure 2a includes an insulating layer 13 made of, for example, SiN having a thickness of about 2 nm from the second glass substrate 8 side, a second noble metal material layer 12 having a thickness of, for example, 5 nm, and a thickness of, for example, Is a magnetic material layer (magneto-optic signal layer) 11 made of NiFe having a thickness of about 30 nm, a first noble metal material layer 10 made of Au having a thickness of about 30 nm, and SiN having a thickness of about 2 nm. The insulating layers 22 are stacked in this order. NiFe forming the magnetic material layer (magneto-optic signal layer) 11 has in-plane magnetic anisotropy. A Y-direction line-shaped electrode 4 formed on the first glass substrate 7 is disposed on the microstructure 2a, and the periphery of the microstructure 2a and the Y-direction line-shaped electrode 4 are fixed by a photocurable resin 15. ing. The X-direction line-shaped electrode 3 and the Y-direction line-shaped electrode 4 are formed with a width of about 250 nm, which is the same as that of the microstructure 2a. The X-direction line electrode 3 is made of Al, and the Y-direction line electrode 4 is made of ITO. In this case, Al in the X-direction line-shaped electrode 3 also functions as a reflection film. ITO in the Y-direction line-shaped electrode 4 transmits almost visible light, whereas Al substantially reflects visible light. The polarizer 5 and the analyzer 6 are Glan-Thompson prisms and are disposed above the first glass substrate 7. One microstructure 2a is a modulator that forms one signal (one pixel), and n × n are formed in the XY plane. The X-direction line electrode 3 is made of Al, and the Y-direction line electrode 4 is made of ITO.

この光反射型空間光変調器21の動作原理を図8の模式図を参照して説明する。
偏光子5を透過した直線偏光は微小構造体2aに入射した後に反射する。この際に、微小構造体2aを形成する磁性材料層(磁気光学信号層)11のNiFeの磁気モーメントの向きにより、入射した直線偏光と反射した直線偏光のカー回転方向が互いに逆向きになる。検光子6は、図8(a)に示すように、+θkのカー回転を受けた光は透過し、図8(b)に示すように、−θkのカー回転を受けた光は透過しないように、すなわち、一方の直線偏光を透過するように配置されている。したがって磁性材料層(磁気光学信号層)11に印加する磁界の方向を変えることにより、磁性材料層(磁気光学信号層)11を形成するNiFeの磁気モーメントを変化させて、偏光子5を透過して微小構造体2aで反射した光信号をオン・オフすることができる。
The operation principle of the light reflection type spatial light modulator 21 will be described with reference to the schematic diagram of FIG.
The linearly polarized light transmitted through the polarizer 5 is reflected after entering the microstructure 2a. At this time, the Kerr rotation directions of the incident linearly polarized light and the reflected linearly polarized light are opposite to each other depending on the direction of the NiFe magnetic moment of the magnetic material layer (magneto-optic signal layer) 11 forming the microstructure 2a. As shown in FIG. 8A, the analyzer 6 transmits light subjected to Kerr rotation of + θk and does not transmit light subjected to Kerr rotation of −θk as illustrated in FIG. 8B. That is, it is arranged so as to transmit one linearly polarized light. Therefore, by changing the direction of the magnetic field applied to the magnetic material layer (magneto-optic signal layer) 11, the magnetic moment of NiFe forming the magnetic material layer (magneto-optic signal layer) 11 is changed and transmitted through the polarizer 5. Thus, the optical signal reflected by the microstructure 2a can be turned on / off.

この光信号をオン・オフするための磁場印加方法は、X方向ライン状電極3とY方向ライン状電極4に流すパルス電流による。このX方向ライン状電極3とY方向ライン状電極4に流すパルス電流をシミュレーションにより求められた最適パルス電流にすることによりXY方向の発生磁界を制御することができる。ここで磁性材料層(磁気光学信号層)11を形成するNiFeは面内磁化膜であり、面内磁化膜としては、他にCoFeBなどがある。   A magnetic field application method for turning on / off the optical signal is based on a pulse current flowing through the X-direction line electrode 3 and the Y-direction line electrode 4. The magnetic field generated in the XY directions can be controlled by setting the pulse currents flowing through the X-direction line electrodes 3 and the Y-direction line electrodes 4 to optimum pulse currents obtained by simulation. Here, NiFe forming the magnetic material layer (magneto-optic signal layer) 11 is an in-plane magnetization film, and other examples of the in-plane magnetization film include CoFeB.

また、光反射型空間光変調器21を構成する微小構造体2aの磁性材料層(磁気光学信号層)11としてPtMnSbを使用しても良い。PtMnSbは白金(Pt)とマンガン(Mn)とアンチモン(Sb)の組成比を調整することにより、一方向のみのスピンをもつ(理論上スピン偏極率100%)状態を形成することができる。   Further, PtMnSb may be used as the magnetic material layer (magneto-optic signal layer) 11 of the microstructure 2a constituting the light reflection type spatial light modulator 21. By adjusting the composition ratio of platinum (Pt), manganese (Mn), and antimony (Sb), PtMnSb can form a state having spin in only one direction (theoretical spin polarization is 100%).

この微小構造体2aの磁性材料層(磁気光学信号層)11としてPtMnSbを使用した光反射型空間光変調器21の構成を図9と図10に示す。図9は光反射型空間光変調器21の断面模式図、図10は光反射型空間光変調器21の微小構造体2aの形状を示す上面模式図である。微小構造体2aはX方向の幅が250nm、Y方向の幅が50nmであり、図9(a)に示すように断面を長方体形状にしても良いし、図9(b)に示すように断面を楕円形状にしても良い。また、磁場印加方法としてマイクロ磁気ヘッドを用いた。   FIGS. 9 and 10 show the configuration of a light reflection type spatial light modulator 21 that uses PtMnSb as the magnetic material layer (magneto-optic signal layer) 11 of the microstructure 2a. FIG. 9 is a schematic cross-sectional view of the light-reflective spatial light modulator 21, and FIG. 10 is a schematic top view showing the shape of the microstructure 2a of the light-reflective spatial light modulator 21. The microstructure 2a has a width in the X direction of 250 nm and a width in the Y direction of 50 nm, and may have a rectangular shape in cross section as shown in FIG. 9A or as shown in FIG. Alternatively, the cross section may be elliptical. A micro magnetic head was used as a magnetic field application method.

また、微小構造体2aの磁性材料層(磁気光学信号層)11としてハーフメタル材料を用いても良い。このハーフメタル材料としては、外部磁場が印加される場合にすべての電子が所定の方向にスピン分極されるホイスラー合金(Heusler alloy)やハーフメタル強磁性膜(例えばCoMnSi膜)で形成することが好ましい。また、ホイスラー合金やハーフメタル強磁性膜と同様な他の強磁性膜で形成しても良い。ハーフメタルには(La,Sr)MnO、Fe、CrOなどの導電性強磁性酸化物やNiMnSbなどのハーフホイスラー合金、CoMnSi、CoMnAl、CoMnGe、CoCrGaなどのフルホイスラー合金および閃亜鉛鉱型のCrAsなどが知られている。 Further, a half metal material may be used as the magnetic material layer (magneto-optic signal layer) 11 of the microstructure 2a. This half-metal material is formed of a Heusler alloy or a half-metal ferromagnetic film (for example, a Co 2 MnSi film) in which all electrons are spin-polarized in a predetermined direction when an external magnetic field is applied. Is preferred. Also, other ferromagnetic films similar to Heusler alloys and half-metal ferromagnetic films may be used. For the half metal, conductive ferromagnetic oxide such as (La, Sr) MnO 3 , Fe 3 O 4 , CrO 2 , half-Heusler alloy such as NiMnSb, Co 2 MnSi, Co 2 MnAl, Co 2 MnGe, Co 2 CrGa Full Heusler alloys and zinc blende type CrAs are known.

また、微小構造体2aの第1の貴金属材料層10と第2の貴金属材料層12の材料としてAgを用いた。Agは化学的にやや不安定という欠点があるが、プラズモン共鳴を生じる元素としてAuよりも増強効果は大きい。   Further, Ag was used as the material of the first noble metal material layer 10 and the second noble metal material layer 12 of the microstructure 2a. Ag has a drawback that it is slightly unstable chemically, but it has a greater enhancement effect than Au as an element causing plasmon resonance.

この光反射型空間光変調器21を構成する微小構造体2aは一方向の長さとそれと垂直な方向の長さを異ならせることにより、プラズモンの共鳴モードを選択的に利用してプラズモン共鳴波長を制御できるという利点がある。   The microstructure 2a constituting the light reflection type spatial light modulator 21 has a plasmon resonance wavelength that is selectively utilized by changing a length in one direction and a length in a direction perpendicular thereto by selectively using a plasmon resonance mode. There is an advantage that it can be controlled.

次に、この発明の他の光反射型空間光変調器について説明する。
図11と図12は、光反射型空間光変調器21aの構成を示し、図11は光反射型空間光変調器21aの断面模式図、図12は光反射型空間光変調器21aの電極部を模式的に示した斜視図である。この光反射型空間光変調器21aの微小構造体2bに対するX方向ライン状電極3及びY方向ライン状電極4の配置は図5と図6に示す構成と同様である。図に示すように、光反射型空間光変調器21aは表面が研磨された石英からなる第2のガラス基板8の上にX方向ライン状電極3が形成され、X方向ライン状電極3の上にほぼ直方体形状の微小構造体2bが形成されている。微小構造体2bの上に第1のガラス基板7に形成されたY方向ライン状電極4が配置されている。
Next, another light reflection type spatial light modulator of the present invention will be described.
11 and 12 show the configuration of the light-reflective spatial light modulator 21a, FIG. 11 is a schematic cross-sectional view of the light-reflective spatial light modulator 21a, and FIG. 12 shows the electrode part of the light-reflective spatial light modulator 21a. It is the perspective view which showed typically. The arrangement of the X-direction line-shaped electrode 3 and the Y-direction line-shaped electrode 4 with respect to the microstructure 2b of the light reflection type spatial light modulator 21a is the same as the configuration shown in FIGS. As shown in the figure, the light-reflecting spatial light modulator 21 a has an X-direction line-shaped electrode 3 formed on a second glass substrate 8 made of quartz whose surface is polished. A substantially rectangular parallelepiped microstructure 2b is formed. A Y-direction line-shaped electrode 4 formed on the first glass substrate 7 is disposed on the microstructure 2b.

微小構造体2bは、第2のガラス基板8側から例えば厚さが約30nmのTb11(Co90Fe1089で形成された磁化固定層31と、厚さが約2nmのCoFeBで形成された界面層32と、厚さが約1nmのMgOで形成された中間層(トンネル絶縁層)33と、厚さが約1nmのCoFeBで形成された界面層34と、厚さが約3nmのTb15(Co90Fe1085で形成された磁化自由層(磁気光学信号層)35と、厚さが約20nmのAgで形成された局在表面プラズモン励起層36からなる。また、局在表面プラズモン励起層36はITOで形成されたY方向ライン状電極4から流れる電流を流す役割も兼ねている。微小構造体2bの周囲は二酸化珪素(SiO)により固定されている。この微小構造体2bとX方向ライン状電極3とY方向ライン状電極4の幅は約200nmであり、微小構造体が1個にて1つの信号(1画素)を形成する。このような画素がXY平面内にn×n個形成されている。また、偏光子5と検光子6はグラントムソンプリズムである。 The microstructure 2b is formed of, for example, a magnetization fixed layer 31 made of Tb 11 (Co 90 Fe 10 ) 89 having a thickness of about 30 nm and CoFeB having a thickness of about 2 nm from the second glass substrate 8 side. Interface layer 32, intermediate layer (tunnel insulating layer) 33 made of MgO having a thickness of about 1 nm, interface layer 34 made of CoFeB having a thickness of about 1 nm, and Tb having a thickness of about 3 nm. The magnetic free layer (magneto-optic signal layer) 35 formed of 15 (Co 90 Fe 10 ) 85 and the localized surface plasmon excitation layer 36 formed of Ag having a thickness of about 20 nm. Further, the localized surface plasmon excitation layer 36 also serves to flow a current flowing from the Y-direction line electrode 4 made of ITO. The periphery of the microstructure 2b is fixed by silicon dioxide (SiO 2 ). The width of the microstructure 2b, the X-direction line electrode 3 and the Y-direction line electrode 4 is approximately 200 nm, and one microstructure (one pixel) is formed by one microstructure. Such n × n pixels are formed in the XY plane. The polarizer 5 and the analyzer 6 are Glan-Thompson prisms.

この光反射型空間光変調器21aの光をオン・オフする原理は、スピンバルブ多層膜における磁化自由層45の磁気モーメントの変化である。スピン注入方式は、電流中の電子スピンの作用で磁化を反転させる方式である。磁性体で絶縁膜を挟んだ構成にて電子スピンの方向を揃えた電流を流して磁化を反転させる。磁化固定層31の磁気モーメントの向きは常に一方向であるが、磁化自由層35の磁気モーメントの向きは電流により変化する。この微小構造体2bで用いている垂直磁化方式は、磁性層の垂直方向の磁化を利用する方式であり、従来の面内磁化方式に比べて磁化反転時のエネルギーが低く、少ない電流で磁化を反転させることができる。   The principle of turning on / off the light of the light reflection type spatial light modulator 21a is a change in the magnetic moment of the magnetization free layer 45 in the spin valve multilayer film. The spin injection method is a method in which magnetization is reversed by the action of electron spin in a current. In a configuration in which an insulating film is sandwiched between magnetic materials, a current having the same electron spin direction is passed to reverse the magnetization. The direction of the magnetic moment of the magnetization fixed layer 31 is always unidirectional, but the direction of the magnetic moment of the magnetization free layer 35 changes depending on the current. The perpendicular magnetization method used in the microstructure 2b is a method that uses the magnetization in the perpendicular direction of the magnetic layer, and has lower energy at the time of magnetization reversal than the conventional in-plane magnetization method, and can be magnetized with a small current. Can be reversed.

また、局在表面プラズモン励起層36のAgは先にも述べたが、プラズモン励起の役割と電極の役割を兼ねている。このAgにて生じた電子の振動が磁化自由層35から生じる磁気光学信号を強める。このようにプラズモン効果に着目して微小なサイズの貴金属材料層を磁化自由層と接した構成を実施した例はなく新しい構成である。   Further, as described above, Ag of the localized surface plasmon excitation layer 36 also serves as the plasmon excitation and the electrode. The vibration of electrons generated in Ag strengthens the magneto-optical signal generated from the magnetization free layer 35. In this way, there is no example in which a configuration in which a noble metal material layer having a minute size is in contact with the magnetization free layer is focused on the plasmon effect, and is a new configuration.

以上説明したように、この発明は透過光を利用したファラデー効果、反射光を利用した磁気カー効果による空間光変調器を作製することができる。   As described above, the present invention can produce a spatial light modulator based on the Faraday effect using transmitted light and the magnetic Kerr effect using reflected light.

また、微小構造体2,2a,2bの磁気光学信号層を形成する工程においては、磁性体・ポリマー複合材料を用いる方法、ゾルゲル法を用いた方法、MOD(Metal Organic Decomposition)材料を用いる方法のほか、スパッタリングを用いた成膜方法や、バナジウムクロムヘキサシアノ錯体などの分子磁性体を用いる方法、ナノシート積層を用いた方法、常温衝撃固化現象を用いたエアロゾルデポジッション法(ADM)などもある。ゾルゲル材料は、アルコキシド等を加水分解、重合させ、コロイド状にしたものを溶液中に分散させた材料であり、低温製膜性に優れている。また、MOD塗布型材料は、金属の有機化合物を有機溶剤に溶解した溶液であり、基板上にその溶液を塗布し、乾燥後熱処理を施すことで酸化物薄膜を簡単に形成することができる液体材料である。また、(Ga,Mn)As、GeFeなどの強磁性半導体材料でも良い。   In the step of forming the magneto-optic signal layer of the microstructures 2, 2a, 2b, a method using a magnetic material / polymer composite material, a method using a sol-gel method, or a method using a MOD (Metal Organic Decomposition) material In addition, there are a film forming method using sputtering, a method using a molecular magnetic material such as vanadium chromium hexacyano complex, a method using nanosheet lamination, and an aerosol deposition method (ADM) using a room temperature impact solidification phenomenon. The sol-gel material is a material in which a colloidal material obtained by hydrolyzing and polymerizing an alkoxide or the like is dispersed in a solution, and has excellent low-temperature film-forming properties. The MOD coating type material is a solution in which a metal organic compound is dissolved in an organic solvent, and the oxide thin film can be easily formed by coating the solution on a substrate and applying heat treatment after drying. Material. Further, a ferromagnetic semiconductor material such as (Ga, Mn) As or GeFe may be used.

この発明の光透過型空間光変調器1や光反射型空間光変調器31,31aとしては、微小構造体1個からなる光走査を行う例えば光スイッチに利用できるとともに2次元空間的に光変調をする画像表示装置に利用でき、超高速で光信号をオン・オフすることができる。   The light-transmitting spatial light modulator 1 and the light-reflecting spatial light modulators 31 and 31a of the present invention can be used for, for example, an optical switch that performs optical scanning composed of a single micro structure, and two-dimensionally spatially modulates light. The optical signal can be turned on / off at a very high speed.

1;光透過型空間光変調器、2;微小構造体、3;X方向ライン状電極、
4;Y方向ライン状電極、5;偏光子、6;検光子、7;ガラス基板、
8;ガラス基板、9;ガラス基板、10;貴金属材料層、
11;磁性材料層(磁気光学信号層)、12;貴金属材料層、13;絶縁層、
14;絶縁材料層、15;光硬化型樹脂、16;光硬化型樹脂、
21;光反射型空間光変調器、22;絶縁層、31;磁化固定層、
32;界面層、33;中間層(トンネル絶縁層)、34;界面層、
35;磁化自由層(磁気光学信号層)、36;局在表面プラズモン励起層。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1; Light transmission type spatial light modulator, 2; Micro structure, 3; X direction line-shaped electrode,
4; Y direction linear electrode, 5; Polarizer, 6; Analyzer, 7; Glass substrate,
8; glass substrate, 9; glass substrate, 10; noble metal material layer,
11; magnetic material layer (magneto-optic signal layer), 12; noble metal material layer, 13; insulating layer,
14; insulating material layer, 15; photocurable resin, 16; photocurable resin,
21; light-reflective spatial light modulator, 22; insulating layer, 31; magnetization fixed layer,
32; interface layer, 33; intermediate layer (tunnel insulating layer), 34; interface layer,
35; magnetization free layer (magneto-optic signal layer), 36; localized surface plasmon excitation layer.

特開2007−310177号公報JP 2007-310177 A 特開2004−354441号公報JP 2004-354441 A 特開2008−145748号公報JP 2008-145748 A 特開2008−83686号公報JP 2008-83686 A 特開昭63−149623号公報JP-A 63-149623 特開2000−173071号公報JP 2000-173071 A 特開2008−268862号公報JP 2008-268862 A 特開2007−213004号公報JP 2007-214304 A 特開2002−90525号公報JP 2002-90525 A 特開2003−177201号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2003-177201 特開2001−296442号公報JP 2001-296442 A 特開2002−303840号公報JP 2002-303840 A 特許第3763709号公報Japanese Patent No. 3763709 特開2004−309700号公報JP 2004-309700 A

J. Appl. Phys. , Vol. 76, p1910-1919 (1994), J-k. Choほか, 「Design, fabrication, switching, and optical characteristics of new magneto-optic spatial light modulator」J. Appl. Phys., Vol. 76, p1910-1919 (1994), J-k. Cho et al., "Design, fabrication, switching, and optical characteristics of new magneto-optic spatial light modulator" Opt. Lett., Vol. 31, No.8, p1085-1087 (2006), B. Sepulvedaほか, 「Higyly sensitive detection of biomolecules with the magneto-optic surface-plasmon-resonance sensor」Opt. Lett., Vol. 31, No. 8, p1085-1087 (2006), B. Sepulveda et al., `` Higyly sensitive detection of biomolecules with the magneto-optic surface-plasmon-resonance sensor '' small, Vol. 4, No.2, p202-205 (2008), Juan B. Gonzalez-Diazほか, 「Plasmonic Au/Co/Au nanosandwiches with enhanced magneto-optical activity」「Higyly sensitive detection of biomolecules with the magneto-optic surface-plasmon-resonance sensor」small, Vol. 4, No. 2, p202-205 (2008), Juan B. Gonzalez-Diaz et al., `` Plasmonic Au / Co / Au nanosandwiches with enhanced magneto-optical activity '', `` Higyly sensitive detection of biomolecules with the magneto- optic surface-plasmon-resonance sensor "

Claims (16)

基板と微小構造体とを有し、
前記微小構造体は、光の波長の半分より小さく形成され、少なくとも前記基板上に設けられた磁性材料層と、該磁性材料層に積層され、前記磁性材料層との接触部以外の周囲が絶縁材料で覆われた貴金属材料層とを有し、前記微小構造体に印加される磁界の変化により入射する直線偏光の回転方向を可変することを特徴とする磁気光学素子。
A substrate and a microstructure,
The microstructure is formed to be smaller than half of the wavelength of light, and is laminated on at least the magnetic material layer provided on the substrate, and the surroundings other than the contact portion with the magnetic material layer are insulated. A magneto-optical element having a noble metal material layer covered with a material, and changing a rotation direction of incident linearly polarized light according to a change in a magnetic field applied to the microstructure.
前記基板と前記磁性材料層の間に、前記基板側から絶縁層と貴金属材料層とが積層されていることを特徴とする請求項1に記載の磁気光学素子。   2. The magneto-optical element according to claim 1, wherein an insulating layer and a noble metal material layer are laminated between the substrate and the magnetic material layer from the substrate side. 前記微小構造体は、前記基板の面と平行な断面形状が正方形であることを特徴とする請求項1又は2に記載の磁気光学素子。   The magneto-optical element according to claim 1, wherein the microstructure has a square cross-sectional shape parallel to the surface of the substrate. 前記微小構造体は、前記基板の面と平行な断面形状が長方形であることを特徴とする請求項1又は2に記載の磁気光学素子。   The magneto-optical element according to claim 1, wherein the microstructure has a rectangular cross-sectional shape parallel to the surface of the substrate. 前記微小構造体は、前記基板の面と平行な断面形状が非対称形状であることを特徴とする請求項1又は2に記載の磁気光学素子。   The magneto-optical element according to claim 1, wherein the microstructure has an asymmetrical cross-sectional shape parallel to the surface of the substrate. 前記微小構造体の前記貴金属材料層は、Au、Ag、Cu、Alのいずれか又はこれらの合金材料で形成されたことを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の磁気光学素子。   6. The magneto-optical element according to claim 1, wherein the noble metal material layer of the microstructure is formed of any one of Au, Ag, Cu, Al, or an alloy material thereof. 前記微小構造体の前記磁性材料層は、Co、Fe、Niの少なくとも1つを含むことを特徴とする請求項1乃至6のいずれかに記載の磁気光学素子。   The magneto-optical element according to claim 1, wherein the magnetic material layer of the microstructure includes at least one of Co, Fe, and Ni. 前記微小構造体の前記磁性材料層は、少なくともCoを含有し、柱状に成長した結晶粒子の間に非磁性物質からなる粒界部を形成したグラニュラー構造であることを特徴とする請求項1乃至6のいずれかに記載の磁気光学素子。   The magnetic material layer of the microstructure has a granular structure in which a grain boundary portion made of a nonmagnetic substance is formed between crystal grains containing at least Co and growing in a columnar shape. The magneto-optical element according to any one of 6. 前記微小構造体の前記磁性材料層は、Fe/Pt、Co/Pt、Co/Pdのいずれかから選択された垂直の磁気異方性を備えた多層構造であることを特徴とする請求項1乃至6のいずれかに記載の磁気光学素子。   2. The magnetic material layer of the microstructure is a multilayer structure having perpendicular magnetic anisotropy selected from any one of Fe / Pt, Co / Pt, and Co / Pd. The magneto-optical element according to any one of items 1 to 6. 前記微小構造体の前記磁性材料層は、イットリウム−鉄−ガーネット(YIG,YFe12)であるガーネット型フェライト、あるいはその一部を置換した材料で形成されたことを特徴とする請求項1乃至6のいずれかに記載の磁気光学素子。 The magnetic material layer of the microstructure is formed of a garnet-type ferrite that is yttrium-iron-garnet (YIG, Y 3 Fe 3 O 12 ), or a material in which a part thereof is substituted. Item 7. The magneto-optical element according to any one of Items 1 to 6. 前記微小構造体の前記磁性材料層は、ハーフメタルで形成されていることを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の磁気光学素子。   The magneto-optical element according to claim 1, wherein the magnetic material layer of the microstructure is formed of a half metal. 請求項1乃至11のいずれかに記載の磁気光学素子と偏光子と磁界制御手段及び検光子とを有し、
前記偏光子は、入射した光を直線偏光にして前記磁気光学素子に入射し、
前記磁界制御手段は、前記磁気光学素子に印加する磁界を変化させ、
前記磁気光学素子は、前記磁界制御手段により印加される磁界の変化により入射する直線偏光の回転方向を可変し、
前記検光子は、前記磁気光学素子からの透過光のある方向に回転した偏光成分を透過させることを特徴とする光変調器。
A magneto-optical element according to any one of claims 1 to 11, a polarizer, a magnetic field control means, and an analyzer,
The polarizer makes the incident light linearly polarized and enters the magneto-optical element,
The magnetic field control means changes a magnetic field applied to the magneto-optical element,
The magneto-optical element varies the rotation direction of incident linearly polarized light by changing the magnetic field applied by the magnetic field control means,
The optical modulator transmits a polarization component rotated in a certain direction of transmitted light from the magneto-optical element.
請求項1乃至11のいずれかに記載の磁気光学素子と偏光子と磁界制御手段及び検光子とを有し、
前記偏光子は、入射した光を直線偏光にして前記磁気光学素子に入射し、
前記磁界制御手段は、前記磁気光学素子に印加する磁界を変化させ、
前記磁気光学素子は、前記磁界制御手段により印加される磁界の変化により入射する直線偏光の回転方向を可変し、
前記検光子は、前記磁気光学素子からの反射光のある方向に回転した偏光成分を透過させることを特徴とする光変調器。
A magneto-optical element according to any one of claims 1 to 11, a polarizer, a magnetic field control means, and an analyzer,
The polarizer makes the incident light linearly polarized and enters the magneto-optical element,
The magnetic field control means changes a magnetic field applied to the magneto-optical element,
The magneto-optical element varies the rotation direction of incident linearly polarized light by changing the magnetic field applied by the magnetic field control means,
The optical modulator transmits a polarization component rotated in a certain direction of reflected light from the magneto-optical element.
前記磁気光学素子を、前記基板の表面に二次元状に配列し、光の位相及び振幅を2次元空間的に変調することを特徴とする請求項12又は13に記載の光変調器。   The optical modulator according to claim 12 or 13, wherein the magneto-optical elements are two-dimensionally arranged on the surface of the substrate, and the phase and amplitude of light are two-dimensionally spatially modulated. 請求項12乃至14のいずれかに記載の光変調器を有し、前記磁界制御手段により前記磁気光学素子に印加する磁界を変化させて光のオン・オフ制御を行うことを特徴とする磁気光学制御素子。   15. A magneto-optical device comprising the optical modulator according to claim 12, wherein the magnetic field control means changes a magnetic field applied to the magneto-optical element to control light on / off. Control element. 請求項14に記載の光変調器を有し、前記磁界制御手段により前記磁気光学素子に印加する磁界を変化させて2次元空間的に光変調を行うことを特徴とする画像表示装置。   15. An image display device comprising: the optical modulator according to claim 14; wherein the magnetic field control means changes a magnetic field applied to the magneto-optical element to perform two-dimensional spatial light modulation.
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