JP2010286675A - 磁気光学空間光変調器 - Google Patents

Abstract

【課題】電圧駆動特性を向上させることで、必要な光変調量を保ちながら、駆動電圧を低減でき、読み取り・書き込みエラーが生じないようにする。
【解決手段】空間光変調器は、磁気光学効果により入射光の偏光方向に回転を与える多数の画素を備えている磁気光学層１０と、各画素に個別に応力を印加する多数の応力付与要素を備えている圧電層１２を具備している。磁気光学層は、非磁性基板１６に磁性膜からなる画素１４が縦横規則的に配列された２次元アレイ構造であり、圧電層は、基板側に位置し反射膜を兼ねる下部電極２０、圧電素子層２２、上部電極２４が順に積層され、下部電極と上部電極が画素の部分で交差して応力付与要素を形成するマトリックス配線方式である。ここで各画素となる磁性層は、その膜厚が０．３〜２．２μｍに設定されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁気光学効果（ファラデー効果）を利用して入射光を空間的に変調する空間光変調器に関し、更に詳しく述べると、磁気光学効果により入射光の偏光方向に回転を与える多数の画素を備えている磁気光学層と、各画素に個別に応力を印加する多数の応力付与要素を備えている圧電層を組み合わせた磁気光学空間光変調器に関するものである。

空間光変調器は、入射光の振幅、位相あるいは偏光の状態を空間的に変調する光デバイスであり、変調機能を有する多数の画素を２次元的に配列した構成となっている。このような２次元アレイ状の画素配列をもつ空間光変調器は、情報を高速で並列処理可能なことから、各種光学情報処理システムなどへの応用が期待されている。これらの分野では、大量の情報を高速で処理する必要があることから、空間光変調器としては、動作速度が大きく、また信頼性の高いものが要求されるため、近年、磁性ガーネット単結晶膜の磁気光学効果を利用する方式の研究開発が進められている。

この種の磁気光学空間光変調器は、電流を供給することによって画素に磁界を印加し磁化方向を制御する電流駆動方式であったが、最近、消費電力及び発熱の低減を図るべく、圧電効果を利用して各画素に個別に応力を付与可能とし、それによって画素の磁化方向を制御する電圧駆動方式が提案されている（特許文献１参照）。これは、多数の画素を含んでいる磁気光学層と、自ら変形することで各画素に応力を与える圧電層を具備しており、該圧電層は、圧電素子層を挟み各画素に対応した位置で交差するように配置した下部電極及び上部電極を備えている。磁気光学層の各画素は、それに加わる応力の大きさ及び方向に応じて内部磁気スピンが回転し磁気光学効果が変化する。このような電圧駆動式は、電流が殆ど流れないので発熱の問題が解消し、圧電材料（ＰＺＴ）の高速動作により高フレーム速度が得られる利点がある。

ところで、従来の磁気光学空間光変調器において、画素を構成する磁性膜としては磁性ガーネットのＬＰＥ（液相エピタキシャル）膜が用いられており、磁気光学効果を考慮して、その膜厚は３μｍ程度の厚さに設定されている。電流駆動方式の場合は、このような磁性膜でも特に問題は生じていない。しかし、電圧駆動方式の場合には、これが問題となり、動作速度などの点で改善すべき点が多々生じている。

電圧駆動方式で高速動作を実現しようとすると、駆動電圧をできるだけ低くする必要があるが、従来構成の磁気光学層のままでは駆動電圧を低くすると、画素の隅々まで十分な応力を印加できず、必要な磁気光学特性が得られない。更に、下部電極が反射膜を兼ねているので、十分な反射機能を発現させるためには、ある程度の膜厚が必要となり、それも応力伝達の障害となる。そのため、読み取り・書き込みエラーを無くすには、高電圧駆動が不可欠であり、それが光変調動作の高速化を妨げる大きな要因となっていた。

特開２００３−３１５７５６号公報

本発明が解決しようとする課題は、電圧駆動特性を向上させることで、必要な光変調量を保ちながら、駆動電圧を低減でき、読み取り・書き込みエラーが生じないようにすることである。

本発明は、それぞれ独立に磁化方向を設定可能で、磁気光学効果により入射光の偏光方向に回転を与える多数の画素を備えている磁気光学層と、変形することで前記の各画素に個別に応力を印加する多数の応力付与要素を備えている圧電層とを具備している空間光変調器において、前記磁気光学層は、非磁性基板に磁性膜からなる多数の画素が縦横規則的に配列された２次元アレイ構造であり、前記圧電層は、基板側に位置し反射膜を兼ねる下部電極、圧電素子層、上部電極がその順序で積層され、下部電極は画素アレイの一方向の画素列に対応するように行数分だけ並設され、上部電極は下部電極と直交する方向の画素行に対応するように列数分だけ並設され、それらが画素の部分で交差して応力付与要素を形成するマトリックス配線方式であって、各画素を形成する磁性層は、その膜厚が０．３〜２．２μｍであることを特徴とする磁気光学空間光変調器である。ここで、各画素を形成する磁性層の膜厚は、０．８〜１．５μｍに設定することが好ましい。なお、下部電極は、例えば白金単層からなり、その膜厚は０．１〜０．５μｍとするのが望ましい。

例えば、磁気光学層は、非磁性基板表面の画素形成位置に設けた凹部内に磁性膜が結晶成長的に基板と一体化した状態で埋設され、且つ基板表面が平坦化され、画素が凹部間の仕切り壁により互いに磁気的に分離されて形成される画素埋め込み構造であって、各画素は、面垂直方向または面内方向に磁化方向をもち、下部電極と上部電極とで圧電素子層に所定の電圧を印加することにより、圧電素子層が歪み、その歪みが目的とする画素に伝播し、当該画素の内部磁気スピンを回転させることで磁気光学効果が変化するものとする。

本発明の磁気光学空間光変調器では、画素を形成する磁性層の膜厚が２．２μｍ以下というように薄く設定されているので、圧電層の駆動電圧が比較的低く、且つ反射膜を兼ねる下部電極が比較的厚くても、画素のほぼ全体にわたって必要な応力を印加できる。また、画素を形成する磁性層の膜厚は０．３μｍ以上に設定されているので、必要な磁気光学特性が得られる。これらの結果、本発明では、読み取り・書き込みエラーが生じず動作の信頼性を高めることができ、且つ高速動作を図ることができる。なお、本発明では、下部電極を比較的厚くできるため、反射膜として必要十分な反射特性を発揮させることができる。

磁気光学層を、非磁性基板表面の画素形成位置に設けた凹部内に磁性膜が結晶成長的に基板と一体化した状態で埋設され、且つ基板表面が平坦化され、画素が凹部間の仕切り壁により互いに磁気的に分離されて形成される画素埋め込み構造とすると、保磁力のバラツキが小さくなり、表面の平坦化により画素を薄くできるため本発明には最適である。

本発明に係る磁気光学空間光変調器の一例を示す分解斜視図。 その動作説明図。 磁性膜の膜厚と光強度比との関係を示すグラフ。 磁性膜の膜厚と画素に占める１６ＭＰａ以上の応力領域との関係を示すグラフ。 試作品の駆動結果の例を示すグラフ。

本発明に係る磁気光学空間光変調器は、図１に示すように、磁気光学層１０と、その上に位置する圧電層１２を具備している。図１では分離して描かれているが、実際には、磁気光学層１０の上に圧電層１２が積層一体化される構成である。

磁気光学層１０は、それぞれ独立に磁化方向を設定可能で、磁気光学効果により入射光の偏光方向に回転を与える多数の画素１４を備えている。これら多数の画素１４は、非磁性基板１６に縦横規則的に２次元アレイ状に配列形成された磁性膜からなる。他方、圧電層１２は、変形することで各画素１４に個別に応力を印加する多数の応力付与要素を備えているものであり、基板側に位置し反射膜を兼ねる下部電極２０、圧電素子層２２、上部電極２４がその順序で積層されてなる。下部電極２０は画素アレイの一方向の画素列に対応するように行数分だけ並設され、上部電極２４は下部電極２０と直交する方向の画素行に対応するように列数分だけ並設され、それらが画素位置でのみ交差するマトリックス配線方式である。ここで、下部電極と上部電極が画素位置で交差する圧電層の部分が応力付与要素となる。

磁性膜からなる各画素は、面垂直方向または面内方向に磁化方向をもつ。下部電極と上部電極とで圧電素子層に所定の電圧を印加することにより、圧電素子層が歪み、その歪みが目的とする画素に伝播し、当該画素の内部磁気スピンを回転させることで磁気光学効果が変化する。これより、指定した画素での反射光量を変調させることができる。

このような電圧駆動方式では、デバイスの構造・製法上、圧電層を極端に厚くできないため、発生可能な応力には限界がある。駆動電圧を高めれば、ある程度は発生応力を大きくできるが、前述のように高速駆動の障害となる。そこで本発明では、画素への応力伝達効率を向上させることで、駆動電圧を高めなくても各画素のほぼ全体に十分な応力を印加できるように工夫している。具体的には、本発明では、各画素を構成する磁性膜は、その厚さが０．３〜２．２μｍの範囲となるように設定している。

圧電素子層で発生した応力は、圧電素子層、反射膜を兼ねる下部電極、磁性膜（画素）へと伝達していく。応力伝達には材料のヤング率が影響する。上記材料のなかで、最もヤング率が大きいのが磁性膜であり、本発明は、この材料の厚みを薄くすることで伝達効率の向上を図っているのである。

圧電素子層は、膜厚を１μｍ以上にすればリークが抑制され、実用上問題なく使用できる。但し、膜厚１μｍでは２５Ｖの電圧印加で飽和する。従って、発生させる応力の大きさから、実際には膜厚４μｍ程度は必要であり、圧電素子層に印加する電圧は１００Ｖ以下にする必要がある。他方、白金からなる下部電極は反射膜を兼ねており、必要な反射機能をもたせるためには０．１μｍ以上の膜厚としなければならない。電圧印加により、応力付与要素によって画素全体に応力を印加するが、どうしても画素の中心に対して周辺・深部での応力が小さくなるような応力分布となる。後述する実施例も含めて種々の試作・シミュレーションの結果をあわせると、応力による保磁力変化量としては３９５０Ａ／ｍ（５０エルステッド）以上が必要であり、そのためには画素の８０％以上を１６ＭＰａ以上の応力領域とする必要があることが分かっている。磁性膜の膜厚を２．２μｍ以下としたのは、そうすることで画素の８０％以上を１６ＭＰａ以上の応力領域とすることができるからである。

また、磁性層が薄くなりすぎると、ファラデー回転角が小さくなりすぎ、ＯＮ画素とＯＦＦ画素との光強度比（コントラスト）が小さくなって、データ読み取りエラーの原因となる。エラー無く読み取るためには、８ｄＢ以上の光強度比が必要である。磁性膜の膜厚を０．３μｍ以上としたのは、光強度比を８ｄＢ以上にできるからである。

更に、画素となる磁性膜の膜厚を１．５μｍ以下にすると、画素に占める１６ＭＰａ以上の応力領域はほぼ１００％になり、また膜厚を０．８μｍ以上にすると、光強度比は１４ｄＢ程度以上になる。これら応力と光強度比から、画素となる磁性膜の膜厚を０．８〜１．５μｍの範囲に設定することが、より好ましい。

反射膜を兼ねる下部電極の膜厚は、前述のように０．１μｍ以上とする。但し厚すぎると、応力伝達が阻害される恐れがあるため、上限は０．５μｍ程度とする。

好ましい磁気光学層は、非磁性基板の表面の画素形成位置に設けた凹部内に磁性膜が結晶成長的に基板と一体化した状態で埋設され、且つ基板表面が平坦化され、画素が凹部間の仕切り壁により互いに磁気的に分離されて形成される画素埋め込み構造である。なお、磁気光学層にはアニール処理（熱処理）を施し、必要な磁気光学特性を発現させる。

作製プロセスとしては、まず、フォトレジストとイオンミリングで非磁性ガーネット単結晶からなる基板に表面加工して画素位置に矩形状の凹部を縦横規則的に間隔をあけて配列形成する。隣り合う凹部と凹部の間が仕切り壁となる。従って、凹部の底部も側壁（仕切り壁）も非磁性ガーネット単結晶である。次に、ＬＰＥ（液相エピタキシャル）法により、基板の表面全体に磁性ガーネット単結晶膜を育成する。これによって、基板の表面全体（各凹部内及び仕切り壁上）に磁性ガーネット単結晶が結晶成長的に基板と一体化した状態で埋設される。その後、化学的機械研磨法によって基板表面全体を平坦化する。研磨は、仕切り壁の頂部が露出し磁性ガーネット単結晶の膜厚が所定の値となるまで行う。これによって、各画素が、凹部間の仕切り壁により、互いに磁気的に分離された状態となる画素埋め込み構造が得られる。このような画素埋め込み構造は、画素を薄くできるため、本発明には最適である。

白金（Ｐｔ）からなる下部電極を、画素アレイの行方向に並設し、その上にエアロゾエルデポジション法（ＡＤ法）によりＰＺＴからなる圧電素子層を、磁気光学層の全面を覆うように形成する。続いて、画素アレイの行方向に延びる上部電極を、画素アレイの列方向に並設する。なお、圧電素子層には必要な分極処理を施す。

このようにして作製した磁気光学空間光変調器の使用状態の一例を図２に示す。偏光子３０を通して入射した光は、非磁性基板１６及び画素１４を透過し、下部電極２０の表面で反射した後、再び画素１４及び非磁性基板１６を透過し、検光子４２を出射する。磁性膜からなる各画素１４は、面垂直方向または面内方向に磁化方向をもち、下部電極２０と上部電極２４とで圧電素子層２２に所定の電圧を印加することにより、下部電極と上部電極が交差している圧電素子層部分が歪み、その歪みが目的とする画素に伝播し、当該画素の内部磁気スピンを回転させることで磁気光学効果が変化する。これより、指定した画素からの反射光量を変調させることができ、検光子からの出射光の画素パターンとして検出できる。

磁性層の膜厚は、応力伝達に影響を及ぼし保磁力変化量との間に相関があり、且つファラデー回転角に直結するため空間光変調器としての光変調量との間にも相関がある。それ故、それら応力と光強度比の双方から、最適な膜厚を設定する必要がある。

まず、画素となる磁性膜（組成が（ＧｄＹＢｉ）₃ （ＦｅＧａ）₅ Ｏ₁₂の磁性ガーネットＬＰＥ単結晶膜）の膜厚と光強度比との関係を調べた。結果を図３に示す。磁性膜が薄くなるとファラデー回転角が小さくなるため、ＯＮ画素とＯＦＦ画素との光強度比が小さくなり、データ読み取りエラーの原因となる。読み取りエラーを無くすためには、試作実験などの結果から、光強度比は８ｄＢ以上でなければならず、そのことから磁性膜の膜厚は０．３μｍ以上とする必要があることが分かる。なお、図３から分かるように、光強度比は１５ｄＢ程度でほぼ飽和に向かう。そこで、磁性膜の膜厚を０．８μｍ以上とするのが、より好ましい。それによって、動作の信頼性は、より一層高まる。

次に、画素となる磁性膜の膜厚と画素に占める１６ＭＰａ以上の応力領域との関係を調べた。結果を図４に示す。この結果は、膜厚を変えて応力伝達の様子をシミュレーション解析した応力分布図から求めたものである。磁性膜が厚くなると、応力が周辺・深部まで十分に伝達されないため、画素に占める１６ＭＰａ以上の応力領域は次第に減少する。なお、応力を１６ＭＰａ以上と規定しているのは、１６ＭＰａ以上の応力をかけないと磁性膜に保磁力変化が生じないためである。応力による保磁力変化量としては３９５０Ａ／ｍ（５０エルステッド）以上が必要であり、そのためには画素の８０％以上を１６ＭＰａ以上の応力領域とする必要がある。図４から、磁性膜の膜厚は２．２μｍ以下にする必要があることが分かる。特に、磁性膜の膜厚を１．５μｍ以下にすると、画素に占める１６ＭＰａ以上の応力領域をほぼ１００％にすることができる。

磁性膜及び下部電極の膜厚が異なる電圧駆動型の磁気光学空間光変調器を作製し、駆動評価を行った。結果を図５に示す。評価に用いた試料は、磁性膜３μｍで下部電極０．７μｍ（比較例）と、磁性膜２μｍで下部電極０．５μｍ（本発明品）の２種類である。比較例では入力電圧の変化に対して保磁力変化が不安定・不十分なのに対して、本発明品では入力電圧の変化に対して保磁力変化が安定且つ十分（３９５０Ａ／ｍ（５０エルステッド）以上）である。

これらの結果から、画素となる磁性膜の膜厚は０．３〜２．２μｍとする必要があり、特に０．８〜１．５μｍとすることがより好ましいことが分かる。

１０ 磁気光学層
１２ 圧電層
１４ 画素
１６ 非磁性基板
２０ 下部電極
２２ 圧電素子層
２４ 上部電極

Claims (4)

1. それぞれ独立に磁化方向を設定可能で、磁気光学効果により入射光の偏光方向に回転を与える多数の画素を備えている磁気光学層と、変形することで前記の各画素に個別に応力を印加する多数の応力付与要素を備えている圧電層とを具備している空間光変調器において、
   前記磁気光学層は、非磁性基板に磁性膜からなる多数の画素が縦横規則的に配列された２次元アレイ構造であり、前記圧電層は、基板側に位置し反射膜を兼ねる下部電極、圧電素子層、上部電極がその順序で積層され、下部電極は画素アレイの一方向の画素列に対応するように行数分だけ並設され、上部電極は下部電極と直交する方向の画素行に対応するように列数分だけ並設され、それらが画素の部分で交差して応力付与要素を形成するマトリックス配線方式であって、各画素を形成する磁性層は、その膜厚が０．３〜２．２μｍに設定されていることを特徴とする磁気光学空間光変調器。
2. 各画素を形成する磁性層の膜厚が０．８〜１．５μｍに設定されている請求項１記載の磁気光学空間光変調器。
3. 下部電極は白金からなり、その膜厚が０．１〜０．５μｍに設定されている請求項１又は２記載の磁気光学空間光変調器。
4. 磁気光学層は、非磁性基板表面の画素形成位置に設けた凹部内に磁性膜が結晶成長的に基板と一体化した状態で埋設され、且つ基板表面が平坦化され、画素が凹部間の仕切り壁により互いに磁気的に分離されて形成される画素埋め込み構造であって、各画素は、面垂直方向または面内方向に磁化方向をもち、下部電極と上部電極とで圧電素子層に所定の電圧を印加することにより、圧電素子層が歪み、その歪みが目的とする画素に伝播し、当該画素の内部磁気スピンを回転させることで磁気光学効果が変化する請求項１乃至３のいずれかに記載の磁気光学空間光変調器。

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