JP2016197160A - 空間光変調器 - Google Patents

Abstract

【課題】空間光変調器の製造を従来に比べて容易にする。【解決手段】画素アレイ１０は、２次元アレイ状に配列された複数の画素１１を有する。各画素１１は、互いに磁気特性は略同じであるが体積は異なる複数のスピン注入型磁化反転素子を有している。スピン注入型磁化反転素子は、スピン注入により磁化方向が反転する素子である。選択的電流供給部５０は、画素１１を選択して当該画素１１のスピン注入型磁化反転素子に一定電流を供給することでその磁化方向を反転する。選択的電流供給部５０は、前記一定電流のパルス幅を可変するパルス幅選択部５６を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、空間光変調器に関する。

ホログラフィー技術を利用した立体映像表示用デバイスにおいて、実用的な視域として３０°以上を確保するためには、表示装置である空間光変調器（ＳＬＭ：Spatial Light Modulator）の画素ピッチを１μｍ以下にする必要がある。この点では、画素の書き換えにスピン注入磁化反転（ＳＴＳ：Spin Transfer Switching）を用いたスピン注入型空間光変調器（Spin-Spatial Light Modulator）が好適である（例えば、特許文献１等を参照）。

スピン注入型空間光変調器（以下では、単に「空間光変調器」という）は、磁化の向きに応じた光の偏光面の異なる回転を、それぞれ光の明、暗に割り当てることにより光の変調を実現している。例えば、磁化の方向を空間光変調器における磁化方向可変層の膜面の垂直方向とした場合、Ｎ極が上向きのとき、下向きのときの２状態を、夫々、光の明、暗（２値）に割り当てることになるので、そのままでは中間階調を表現すること（多値化）はできない。空間光変調器で中間階調を表現するためには、時分割多重や、１画素に複数のスピン注入型磁化反転素子を配置する等の手法が必要となる。

そこで、特許文献２，３には、１画素に複数のスピン注入型磁化反転素子を配置した上で、動作電流の大きさの違いにより、１画素中の複数のスピン注入型磁化反転素子において磁化の向きを反転する素子数を制御することによって中間階調を表現する技術が開示されている。

図７に示すように、特許文献２における空間光変調器の１画素（画素２０１）には、２つのスピン注入型磁化反転素子２０２，２０３が設けられ、当該画素２０１に動作電流を供給するための上部電極２０５及び下部電極２０４が接続されている。この空間光変調器は、画素２０１の上面視で、互いに形状は異なるが面積は等しいスピン注入型磁化反転素子２０２とスピン注入型磁化反転素子２０３とで１画素を構成している。すなわち、特許文献２では、スピン注入型磁化反転素子２０２とスピン注入型磁化反転素子２０３との縦横比を異ならせることにより発生する形状磁気異方性によって、素子２０２と素子２０３とで磁化の向きを反転させる電流量が異なるようにしている。これにより、動作電流を変えることで、素子２０２のみで磁化の向きを反転させ、あるいは、素子２０２及び素子２０３の両方で磁化の向きを反転させることができる。

図８に示すように、特許文献３における空間光変調器の１画素（画素２１１）においても、２つのスピン注入型磁化反転素子２１２，２１３が設けられ、当該画素２１１に動作電流を供給するための上部電極２１５及び下部電極２１４が接続されている。この空間光変調器では、特許文献２の例とは異なり、画素２１１の上面視で、互いに形状も面積も同じスピン注入型磁化反転素子２１２とスピン注入型磁化反転素子２１３とで１画素を構成している。その上で、特許文献３では、素子２１２と素子２１３とを近接配置して、磁気的な相互作用を起こすようにしている。これにより、特許文献３では、動作電流を変えることで、素子２１２のみ磁化の向きを反転させ、あるいは、素子２１２及び素子２１３の両方で磁化の向きを反転させることができる。

特許第４８２９８５０号公報 特許第４９３９１４９号公報 特許第４９３９４７７号公報

R.H.Koch, J.A.Katine, and J.Z.Sun, "Time-Resolved Reversal of Spin-Transfer Switching in a Nanomagnet" ,Physical Review Letters, United States of America, American Physical Society, 27 February 2004,Volume 92, Number 8, pp.088302-1-088302-4 Takayuki Seki, Akio Fukushima, Hitoshi Kubota, Kay Yakushiji, Shinji Yuasa, and Koji Ando, "Switching-probability distribution of spin-torque switching in MgO-based magnetic tunnel junctions", Applied Physics letters 99, United States of America, American Institute of Physics, 16 September 2011, pp.112504-1-112504-3 Mahendra Pakala, Yiming Huai, Thierry Valet, Yunfei Ding, and Zhitao Diao, "Critical current distribution in spin-transfer-switched magnetic tunnel junctions", Applied Physics letters 98, United States of America, American Institute of Physics,13 September 2005, pp.056107-1-056107-3

しかしながら、特許文献２，３の技術のように動作電流の電流量を変動させようとすると、スピン注入型磁化反転素子の近傍に動作特性の異なる複数のトランジスタ（供給電流量の多いトランジスタと少ないトランジスタ）を設ける必要がある。そのため、当該トランジスタの設置スペースを空間光変調器に確保することの困難性や、当該トランジスタを空間光変調器に実装するための製造プロセスの煩雑性により、空間光変調器の製造が困難になってしまう。
本発明は、前記した問題点に鑑みてなされたものであり、スピン注入型磁化反転素子の近傍に動作特性の異なる複数のトランジスタを設ける必要のない空間光変調器を提供することを課題とする。

本発明の一形態は、画素アレイと、スピン注入型磁化反転素子と、選択的電流供給部と、を備えることを特徴とする空間光変調器である。

本発明によれば、２次元アレイ状に配列された複数の画素を有する画素アレイの各画素に、スピン注入により磁化方向が反転するスピン注入型磁化反転素子が設けられている。選択的電流供給部は、画素を選択して当該画素のスピン注入型磁化反転素子に一定電流を供給する。各画素は、予め定めた範囲の磁気特性にするとともに互いに体積が異なる複数のスピン注入型磁化反転素子を有している。選択的電流供給部は、前記一定電流のパルス幅を可変する。

よって、本発明によれば、スピン注入型磁化反転素子の作動電流の電流量を可変しなくても、電流のパルス幅を可変することで、各画素にそれぞれ複数個設けられているスピン注入型磁化反転素子のうち、磁化方向が反転するものの数を変えることができる。すなわち、体積の大きいスピン注入型磁化反転素子ほど、電流のパルス幅を大きくすることで磁化方向が反転する。これにより、磁化方向が反転するスピン注入型磁化反転素子の数の違いで中間調表示を行うことができる。よって、中間調表示を可能とするために、スピン注入型磁化反転素子の近傍に動作特性の異なる複数のトランジスタを設ける必要はなくなる。

本発明の空間光変調器によれば、スピン注入型磁化反転素子の近傍に動作特性の異なる複数のトランジスタを設ける必要をなくすことができる。

本発明の一実施形態にかかる空間光変調器の構成を説明する図である。 本発明の一実施形態にかかる空間光変調器の画素を拡大して示した上面図である。 本発明の一実施形態にかかる空間光変調器の画素を拡大して示した断面図である。 本発明の一実施形態にかかるホログラフィー装置の構成を説明する図である。 本発明の一実施形態にかかる空間光変調器のスピン注入型磁化反転素子の反転確率と緩和時間に規格化したパルス電流のパルス幅との関係を示すグラフである。 本発明の一実施形態にかかる空間光変調器の選択的電流供給部から画素アレイに供給するパルス電流の時間変化を示すグラフである。 従来の空間光変調器について説明する説明図である。 従来の空間光変調器について説明する説明図である。

［空間光変調器の構成］
まず、本実施形態にかかる空間光変調器１の構成について説明する。
図１に示すように、本実施形態にかかる空間光変調器１は、光変調を行うための装置である。空間光変調器１は、スピン注入型空間光変調器であり、画素アレイ１０と、選択的電流供給部５０とを備えている。なお、本明細書における上面は、空間光変調器１（の画素アレイ１０）の光の入射面であり、空間光変調器１は、画素１１（画素アレイ１０）に上方から入射した光を反射してその光を変調して上方へ出射する反射型の空間光変調器として説明する。なお、本発明を透過型の空間光変調器として構成してもよい。

（画素アレイ）
画素アレイ１０は、２次元アレイ状に配列された複数の画素１１を有し、光変調を行うための装置である。画素アレイ１０は、画素１１と、基板１２と、上部電極１３と、下部電極１４と、絶縁部材１５とを備えている。

画素１１は、画素アレイ１０における画像表示で、色情報（色調や階調）を持つ最小単位、最小要素である。画素１１は、上面視で画素アレイ１０に縦横に複数個配列されている。本実施例では、便宜上、４行４列の２次元アレイ状に１６個の画素１１が配列された例を示している。各画素１１の構成の詳細については後述する。
基板１２上には、基板１２の上面側から順に、下部電極１４、各画素１１における後述のスピン注入型磁化反転素子２１，２２（図２、図３）、上部電極１３が設けられている。

基板１２は、例えば表面を熱酸化したＳｉ基板等の公知の基板が適用できる。なお、透過型の空間光変調器を構成する場合は、基板１２は、ガラス、サファイアなどの透光性の材料を用いて構成することができる。
上部電極１３は、画素アレイ１０における各列の複数（本例で４個）の画素１１上をそれぞれ横断するように、画素アレイ１０の画素１１上に複数本（本例で４本）設けられているライン状の透明電極である。

上部電極１３は、画素１１に電流を流すとともに、画素１１に照射する光を透過させるためにＩＴＯ（Indium Tin Oxide：インジウム−スズ酸化物）、ＩＺＯ（Indium Zinc Oxide：インジウム−亜鉛酸化物）、酸化スズ（ＳｎＯ₂）、酸化アンチモン−酸化スズ系（ＡＴＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、フッ素ドープ酸化スズ（ＦＴＯ）、酸化インジウム（Ｉｎ₂Ｏ₃）等の透明電極材料で構成される。これらの透明電極材料は、スパッタリング法、真空蒸着法、塗布法等の公知の方法により成膜され、成形加工することができる。

下部電極１４は、画素アレイ１０における各行の複数（本例で４個）の画素１１下をそれぞれ横断するように、画素アレイ１０の画素１１下に複数本（本例で４本）設けられているライン状の電極である。
下部電極１４は、導電性の良好なＣｕ、Ａｇ等の金属を用いることができる。また、下部電極１４は、多層構造としてもよく、例えば、比較的安価で導電性の良好なＣｕを主層とし、スピン注入型磁化反転素子２１，２２側の部分である上層部に反射率の高いＡｇを用いて形成するようにしてもよい。また、下部電極１４も、上部電極１３と同様に、ＩＴＯ等の透明導電材料を用いて構成することもできる。下部電極１４は、スパッタリング法、メッキ法等の公知の方法により成膜し、フォトリソグラフィ、及びエッチング又はリフトオフ法等により成形加工することができる。

絶縁部材１５は、隣り合う上部電極１３同士の間、スピン注入型磁化反転素子２１，２２同士の間、及び下部電極１４同士の間にそれぞれ充填された絶縁材料であり、例えば、ＳｉＯ₂やＡｌ₂Ｏ₃等からなる。

（スピン注入型磁化反転素子）
図２に示すように、各画素１１は、スピン注入により磁化方向が反転するスピン注入型磁化反転素子を複数個（本例では、スピン注入型磁化反転素子２１及び２２の２個）備えている。スピン注入型磁化反転素子２１とスピン注入型磁化反転素子２２とは、画素１１内において所定の距離を空けて配置されている。

スピン注入型磁化反転素子２１，２２は、磁化固定層３１、中間層３２、及び磁化自由層３３が、この順に積層されて構成されている。磁化固定層３１、中間層３２、及び磁化自由層３３の厚さは、いずれもスピン注入型磁化反転素子２１とスピン注入型磁化反転素子２２とで略等しい。また、スピン注入型磁化反転素子２１とスピン注入型磁化反転素子２２とでは、磁化固定層３１、中間層３２、及び磁化自由層３３それぞれの材料も同じものを用いている。そのため、スピン注入型磁化反転素子２１とスピン注入型磁化反転素子２２とでは、予め定めた範囲の磁気特性である。予め定めた範囲の磁気特性とは、実質的に同等の磁気特性の範囲内である。具体的には、磁気特性として、スピン注入により磁化方向が反転するのに必要な電流密度（反転電流密度）が略同じ範囲にある。つまり、ある電流密度を与えたときに、スピン注入型磁化反転素子２１とスピン注入型磁化反転素子２２とは、体積が同等であれば、磁化方向の反転も同じになる。

スピン注入型磁化反転素子２１，２２には、上部電極１３と下部電極１４が上下に接続されている。すなわち、上面視で上部電極１３と下部電極１４とが交差する位置に、画素１１、ひいてはスピン注入型磁化反転素子２１及び２２が、これら電極にそれぞれ接続して設けられている。上部電極１３と下部電極１４は、スピン注入型磁化反転素子２１，２２の膜面に垂直に電流を供給する電極である。

また、スピン注入型磁化反転素子２１，２２は、磁化が一方向に固定された磁化固定層３１及び磁化の方向が反転可能な磁化自由層３３を、非磁性の中間層３２を挟んで備えたＣＰＰ−ＧＭＲ（Current Perpendicular to the Plane Giant MagnetoResistance：垂直通電型巨大磁気抵抗効果）素子やＴＭＲ（Tunnel MagnetoResistance：トンネル磁気抵抗効果）素子等の構造を有するスピン注入型磁化反転素子である。

磁化固定層３１は磁化方向が一方向に固定された膜であって、電流中の電子のスピンを弁別する機能を有する。磁化固定層３１は磁化自由層３３と同方向の磁気異方性を有することが望ましく、磁化自由層３３に垂直磁気異方性を有する磁性膜を用いた場合は、磁化固定層３１も垂直磁気異方性を有する磁性膜を用いる。本例では、磁化固定層３１、磁化自由層３３ともに垂直磁気異方性を有する磁性膜である。

磁化固定層３１は、垂直磁気異方性を有するＣＰＰ−ＧＭＲ素子やＴＭＲ素子等の磁化固定層として公知の磁性材料にて構成することができる。具体的にはＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉのような遷移金属およびそれらを含む合金、例えばＴｂＦｅ系、ＴｂＦｅＣｏ系、ＣｏＣｒ系、ＣｏＰｔ系、ＣｏＰｄ系、ＦｅＰｔ系の合金が挙げられる。磁化固定層３１の保磁力を大きくすることができ、磁化固定層３１は、その磁化方向が外部磁場によって容易に変わらないようにすることができる。
また、磁化固定層３１は、これらの遷移金属の膜と非磁性金属の膜とを交互に積層した多層膜で構成してもよく、Ｃｏ／Ｐｔ，Ｆｅ／Ｐｔ，Ｃｏ／Ｐｄ等の多層膜が挙げられる。これらの材料で構成することで、強い垂直磁気異方性を有し、また大きな保磁力を有する磁化固定層３１とすることができる。

中間層３２は、磁化固定層３１と磁化自由層３３との間に設けられ、磁化自由層３３と磁化固定層３１とを磁気的に分離するとともに、スピン偏極した電流を流す非磁性層である。スピン注入型磁化反転素子２１，２２がＣＰＰ−ＧＭＲ素子を構成する場合は、中間層３２は、Ｃｕ，Ａｕ，Ａｇのような非磁性金属を用いることができる。また、スピン注入型磁化反転素子２１，２２がＴＭＲ素子を構成する場合は、中間層３２は、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｇＯ、ＳｉＯ_２，ＨｆＯ₂のような非磁性の絶縁体や、Ｍｇ／ＭｇＯ／Ｍｇのような非磁性の絶縁体を含む積層膜で形成することができる。

磁化自由層３３は、スピン注入によって磁化方向が反転される層である。磁化自由層３３は、磁化の方向が例えば上下方向（膜厚方向）であり、必要な駆動電流が供給されることにより、磁化の方向が上下反転する。磁化自由層３３はスピン注入によって容易に磁化方向が反転されるとともに、磁気光学効果の大きいことが望ましい。磁気光学効果を大きくするためには垂直磁気異方性を有する磁性膜を用いることが望ましいので、好ましくは、ＧｄＦｅ系の合金膜を用いることができる。また、ＧｄＦｅ系の合金の他にも、ＧｄＦｅＣｏ系の合金、ＣｏＰｔ系の合金、ＣｏＰｄ系の合金、ＭｎＢｉ合金、ＭｎＳｂ合金、ＰｔＭｎＳｂ系の合金等を用いることができる。また、Ｃｏ／ＰｔやＣｏ／Ｐｄなどの多層膜を用いることができる。

また、磁化固定層３１、中間層３２及び磁化自由層３３の各層間又は上部電極１３、下部電極１４との界面に、適宜に機能層を設けるようにしてもよい。例えば、微細加工プロセス中に磁化自由層３３が受けるダメージを防ぐために、上部電極１３及び下部電極１４と界面に、Ｔａ又はＲｕを含む保護層を設けてもよい。
なお、磁化固定層３１、中間層３２、及び磁化自由層３３の各層は、例えばスパッタリング法や分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法等の公知の方法で連続的に成膜することで積層し、電子線リソグラフィ及びイオンビームミリング法等で所望の平面視形状に加工することができる。

図２、図３に示すように、スピン注入型磁化反転素子２１とスピン注入型磁化反転素子２２との違いは、互いの体積が異なることである。本例では、スピン注入型磁化反転素子２１の方がスピン注入型磁化反転素子２２に比べて体積が小さい。ここで、前記のとおり磁化固定層３１、中間層３２、及び磁化自由層３３の厚さは、いずれもスピン注入型磁化反転素子２１とスピン注入型磁化反転素子２２とで略等しい。よって、スピン注入型磁化反転素子２１とスピン注入型磁化反転素子２２とで体積が異なるというのは、上面視で両者の面積が異なるということである。すなわち、ここで、厚さが略等しいとは、上面視で両者の面積を等しくすれば、磁化固定層３１、中間層３２、又は磁化自由層３３の体積も実質的に同等となる程度に等しいことである。本例では、スピン注入型磁化反転素子２１の方がスピン注入型磁化反転素子２２に比べて体積が小さいので、スピン注入型磁化反転素子２１の方がスピン注入型磁化反転素子２２に比べて上面視で面積が小さい。

（選択的電流供給部）
選択的電流供給部５０は、画素１１を選択して当該画素１１のスピン注入型磁化反転素子２１，２２に一定電流を供給することで、その磁化方向を反転するための装置である。
選択的電流供給部５０は、画像信号受信部５１と、画素選択部５２と、上部電極選択部５３と、下部電極選択部５４と、パルス電流源５５と、パルス幅選択部５６と、電流方向選択部５７と、同期部５８とを備えている。
画像信号受信部５１は、外部から空間光変調器１に表示する画像の画像信号を受信して、当該画像信号を画素選択部５２、パルス電流源５５、パルス幅選択部５６及び同期部５８に出力する。

上部電極選択部５３は、複数本（本例で４本）ある上部電極１３の中から１本を選択して、当該選択した上部電極１３とパルス電流源５５とを接続するようにスイッチングする。この場合に、選択されていない上部電極１３はパルス電流源５５とは切断されている。上部電極選択部５３は、例えば、各上部電極１３にそれぞれ接続された複数のスイッチング素子（ＭＯＳＦＥＴ等）から構成され、この複数のスイッチング素子の中で、選択した上部電極１３に接続されているものをＯＮにし、選択されていない上部電極１３に接続されているものをＯＦＦにする。

下部電極選択部５４は、複数本（本例で４本）ある下部電極１４の中から１本を選択して、当該選択した下部電極１４とパルス電流源５５とを接続するようにスイッチングする。この場合に、選択されていない下部電極１４はパルス電流源５５とは切断されている。下部電極選択部５４も上部電極選択部５３と同様に、例えば、各下部電極１４にそれぞれ接続された複数のスイッチング素子（ＭＯＳＦＥＴ等）から構成され、この複数のスイッチング素子の中で、選択した下部電極１４に接続されているものをＯＮにし、選択されていない下部電極１４に接続されているものをＯＦＦにする。

画素選択部５２は、画像信号受信部５１から受信する画像信号に応じて、上部電極選択部５３に対して複数の上部電極１３のうち選択するものを指示する制御信号を出力し、また、下部電極選択部５４に対して複数の下部電極１４のうち選択するものを指示する制御信号を出力する。
パルス電流源５５は、画像信号受信部５１から受信する画像信号に応じて、各画素１１のスピン注入型磁化反転素子２１及び２２に供給するパルス電流を出力する。パルス電流源５５が生成するパルス電流は、当該パルス電流が立ち上がった状態では常に略一定の電流である。
パルス幅選択部５６は、画像信号受信部５１から受信する画像信号に応じて、パルス電流源５５の出力するパルス電流のパルス幅（動作クロック数）を可変する。

電流方向選択部５７は、パルス電流源５５の出力するパルス電流を、上部電極１３から下部電極１４に流すか（本例では、これをプラス電流とする）、下部電極１４から上部電極１３に流すか（本例では、これをマイナス電流とする）を、画像信号に応じて選択する。
同期部５８は、画像信号受信部５１から受信する画像信号に応じて、パルス幅選択部５６及び電流方向選択部５７と、画素選択部５２との動作の同期をとる。

［ホログラフィー装置の構成］
次に、本実施形態にかかるホログラフィー装置１００の構成について説明する。
図４に示すホログラフィー装置１００は、立体画像を表示するための装置である。
ホログラフィー装置１００は、画像信号生成装置１１０と、ホログラム表示装置１５０とを備えている。

（画像信号生成装置）
画像信号生成装置１１０は、参照光Ｌ１１と被写体の物体光Ｌ１２とにより形成される干渉縞を撮像して画像信号に変換するための装置である。
画像信号生成装置１１０は、光源装置１１１と、ハーフミラー１１２と、ミラー１１３と、レンズ１１４と、ハーフミラー１１５と、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）撮像素子１１６とを備えている。
光源装置１１１は、レーザー光を発するレーザー光源１２１と、このレーザー光を拡大するビーム拡大器１２２と、この拡大されたレーザー光を平行光にするレンズ１２３とを備えている。

ハーフミラー１１２は、光の透過率と反射率が略同等で、レンズ１２３が発する平行光を参照光Ｌ１１と照明光Ｌ１３とに分割し、それぞれの光を異なる方向に照射する。
ミラー１１３は、ハーフミラー１１２を透過した光（参照光Ｌ１１）を反射してハーフミラー１１５の一方の面に照射する。
レンズ１１４は、ハーフミラー１１２で反射された照明光Ｌ１３により照らされた被写体Ｍの反射光（物体光Ｌ１２）を平行光にする。
ハーフミラー１１５は、参照光Ｌ１１と物体光Ｌ１２とを重畳させて干渉縞Ｌ１４を生成する。
ＣＣＤカメラ１１６は、干渉縞Ｌ１４が入射し、これを画像信号に変換する。

（ホログラム表示装置）
ホログラム表示装置１５０は、前記の画像信号に基づいて被写体Ｍの立体画像Ｐを表示する装置である。
ホログラム表示装置１５０は、光源装置１５１（図３も参照）と、偏光フィルタ１５２及び１５３（図３も参照）と、前記の空間光変調器１とを備えている。
光源装置１５１は、レーザー光を発するレーザー光源１６１と、このレーザー光を拡大するビーム拡大器１６２と、この拡大されたレーザー光を平行光にするレンズ１６３とを備えている。

偏光フィルタ１５２は、レンズ１６３からの光（入射光Ｌ１）を偏光して空間光変調器１（の画素アレイ１０）に入射偏光Ｌ２として入射させる。
偏光フィルタ１５３は、空間光変調器１（の画素アレイ１０）で反射した光（出射偏光Ｌ３）が入射する。

［空間光変調器の動作］
次に、前記の構成の空間光変調器１の動作について説明する。
まず、本実施形態における各画素１１のスピン注入型磁化反転素子２１，２２は、磁化自由層３３の磁化方向に応じて、スピン注入型磁化反転素子２１，２２に入射される直線偏光の旋光角を変化させることで光変調する磁気光学効果を利用した素子である。

スピン注入型磁化反転素子２１，２２は、磁化自由層３３における電子と逆方向のスピンを持つ電子を注入することにより、すなわち電流（前記のパルス電流）を電子の移動方向とは反対向きに供給することにより、磁化自由層３３の磁化方向を反転（スピン注入磁化反転）させて、磁化固定層３１の磁化方向（図３において上向き）と同じ方向又は１８０°異なる方向（図３において下向き）にすることができる。
具体的には、上部電極１３をプラス、下部電極１４をマイナスにして、磁化自由層３３側から磁化固定層３１へ電流を供給すると、図３においてスピン注入型磁化反転素子２１に矢印で例示的に図示しているように、磁化自由層３３の磁化は磁化固定層３１の磁化方向と同じ方向（磁化が平行）になる。

反対に、上部電極１３をマイナス、下部電極１４をプラスにして、磁化固定層３１側から磁化自由層３３へ電流を供給すると、図３においてスピン注入型磁化反転素子２２に矢印で例示的に図示しているように、磁化自由層３３の磁化は磁化固定層３１の磁化方向と逆方向（磁化が反平行）になる。なお、スピン注入型磁化反転素子２１，２２に供給するパルス電流の大きさは反転電流以上とする必要があるが、極力小さいことが好ましい。

スピン注入型磁化反転素子２１，２２が平行又は反平行の何れかの磁化を示していれば、その磁化を反転させる電流が供給されるまでは、磁化自由層３３の保磁力により磁化が保持される。このように、スピン注入型磁化反転素子２１，２２において磁化は保持されるため、スピン注入型磁化反転素子２１，２２に供給する電流として、前記のパルス電流のように、磁化方向を反転させる電流値に一時的に到達する電流を用いている。

具体的な各画素１１の動作について説明する。図３に示すように、光源装置１５１から照射されたレーザー光は様々な偏光成分を含んだ無偏光の入射光Ｌ１であるので、これを画素アレイ１０（画素１１）の手前の偏光フィルタ１５２を透過させて、１つの偏光成分の光である直線偏光に変換する。この直線偏光（入射偏光Ｌ２）は、画素アレイ１０（図１）のすべての画素１１に所定の入射角で入射させる。
それぞれの画素１１において、入射偏光Ｌ２は、透明な上部電極１３を透過してスピン注入型磁化反転素子２１，２２に入射し、スピン注入型磁化反転素子２１，２２の磁化自由層３３で反射して出射偏光Ｌ３として出射し、再び上部電極１３を透過して画素１１から出射する。

ここで、スピン注入型磁化反転素子２１，２２に、入射偏光Ｌ２が磁性体である磁化自由層３３で反射して出射する際に、磁気光学効果である磁気カー効果により、入射偏光Ｌ２はその偏光軸の向きが変化（旋光）する。そして、図３に図示するスピン注入型磁化反転素子２１，２２のそれぞれの例示では、磁化が平行及び反平行な状態のスピン注入型磁化反転素子２１，２２にそれぞれ入射した入射偏光は、磁化自由層３３の磁化方向がスピン注入型磁化反転素子２１とスピン注入型磁化反転素子２２とでは互いに１８０°異なるため、同じ大きさの旋光角、すなわち磁化自由層３３によるカー回転角＋θｋ、−θｋ（以下、θｋは向きを示さず大きさのみを示すことがある）で互いに逆方向に偏光軸を回転した出射偏光Ｌ３として出射されることとなる。
このように、スピン注入型磁化反転素子２１，２２は、スピン注入型磁化反転素子２１，２２から出射される出射偏光Ｌ３の偏光方向（偏光軸の向き）を、スピン注入型磁化反転素子２１，２２に供給されるパルス電流の向きに応じて変化（変調）させることができる。

そして、出射偏光Ｌ３は、出射側に配置された偏光フィルタ１５３により、当該画素１１の明／暗が弁別される。図３の例示では、磁化が平行なスピン注入型磁化反転素子２１により偏光軸が回転された出射偏光Ｌ３を遮断するように、偏光フィルタ１５３が配置されている。このように、磁化が平行な状態のスピン注入型磁化反転素子２１（又は２２）により変調された出射偏光Ｌ３は遮断され、「暗（黒）」画像として表示される。

一方、図３の例示のスピン注入型磁化反転素子２２の如く、磁化が反平行な状態のスピン注入型磁化反転素子２２（又は２１）により変調された出射偏光Ｌ３は、磁化が平行な状態のスピン注入型磁化反転素子２１（又は２２）により変調された出射偏光Ｌ３との、偏光軸の旋光角の差である２θｋの分に相当する、偏光フィルタ１５３の透過軸に平行な偏光成分が偏光フィルタ１５３を透過し、「明（白）」画像として表示される。

このように、スピン注入型磁化反転素子２１，２２に供給される電流の向きを切り換えることで画像の明、暗が切り換わる。すなわち、画素アレイ１０は、偏光の向きを空間的に変調する空間光変調器１と、偏光フィルタ１５２及び偏光フィルタ１５３とを組み合わせることで、光の強度（明暗）を空間的に変調することができる。

なお、空間光変調器１の初期状態としては、例えば全体が白く表示されるように、すべての画素１１のスピン注入型磁化反転素子２１，２２の磁化を反平行にするべく、上部電極２のすべてをマイナス、下部電極３のすべてをプラスにして、上向きの電流を供給すればよい。
また、偏光フィルタ１５３は、磁化が反平行の状態のスピン注入型磁化反転素子２１，２２により変調された光を遮断するように配置してもよい。この場合は、磁化が反平行の場合に「暗」画素が表示され、磁化が平行な場合に「明」画素が表示される。

また、磁気光学効果の大きさは、入射光Ｌ１の波数ベクトルと磁性体の磁化ベクトルとのスカラー積に比例する。すなわち磁化自由層３３によるカー回転角θｋは、光の入射角が磁化自由層３３の磁化方向に平行に近いほど大きくなる。磁化自由層３３は垂直磁気異方性、すなわち膜面に垂直な方向の磁化を有する場合は、膜面に垂直に（入射角０°で）光を入射することが最も好ましく、極カー効果により、大きなカー回転角θkを得ることができる。

ここで、磁化自由層３３のカー回転角θｋは、光の入射方向が磁化自由層３３の磁化方向に近いほど大きい。従って、入射方向は膜面に垂直に、すなわち入射角を０°とすることが旋光角の差を最大にする上で望ましいが、このようにすると出射偏光Ｌ３の光路が入射偏光Ｌ２の光路と一致する。同一光路上に、光源装置１５１及び偏光フィルタ１５２と、偏光フィルタ１５３とを配置することはできないため、図３に示した例では、入射角が少し傾斜するように光源装置１５１及び入射側の偏光フィルタ１５２を配置し、この入射角に対応するように出射側の偏光フィルタ１５３を配置している。具体的には、入射偏光の入射角は５°〜３０°とすることが好ましい。また、入射角０°として、偏光フィルタ１５２と空間光変調器１との間にハーフミラーを配置して、出射偏光のみを側方へ反射させてもよい。この場合、偏光フィルタ１５３は空間光変調器１の側方に配置する。

次に、選択的電流供給部５０及びスピン注入型磁化反転素子２１，２２の動作について説明する。
パルス幅選択部５６は、パルス電流源５５が出力するパルス電流のパルス幅（動作クロック）を可変することができる。すなわち、このパルス電流はＯＮになった際の電流値が常に一定値Ｉａであり、パルス幅選択部５６は、当該パルス電流のパルス幅（電流がＯＮになっている継続時間）をｔ１とｔ２（ｔ１＞ｔ２）の２段階に切り替えることができる。この場合に、電流方向選択部５７は、パルス電流源５５によって供給するパルス電流の向きを、前記のとおり上部電極１３がプラスで下部電極１４がマイナス、あるいは、上部電極１３がマイナスで下部電極１４がプラスとなるように正逆入れ替えることができる。

ここで、パルス幅をｔ１とするかｔ２とするかにより、スピン注入型磁化反転素子２１及び２２の磁化の向きの反転の態様が異なる。すなわち、前記のとおり、スピン注入型磁化反転素子２１はスピン注入型磁化反転素子２２に比べて体積が小さい（上面視で面積が狭い）。そして、パルス電流のパルス幅をｔ２（＜ｔ１）に設定すると、相対的に体積が小さい（上面視で面積が狭い）スピン注入型磁化反転素子２１のみ磁化の向きが反転し、体積が大きい（上面視で面積が広い）スピン注入型磁化反転素子２２の磁化の向きに変動はない。
一方、パルス電流のパルス幅をｔ１（＞ｔ２）に設定すると、スピン注入型磁化反転素子２１のみならず、スピン注入型磁化反転素子２２の磁化の向きも反転する。この場合に、スピン注入型磁化反転素子２１，２２が磁化の向きを反転するのに要する時間をｔ１の２倍より長く割り当てるようにする。

このように、パルス電流は、ＯＮになった際の電流値が常に一定値Ｉａであっても、パルス幅をｔ１とするかｔ２とするか選択し、また、パルス電流の向きを、上部電極１３がプラスで下部電極１４がマイナス、あるいは、上部電極１３がマイナスで下部電極１４がプラスとなるように正逆入れ替えることができる。これにより、スピン注入型磁化反転素子２１、スピン注入型磁化反転素子２２ともに「明」、スピン注入型磁化反転素子２１は「暗（又は「明」）」で、スピン注入型磁化反転素子２２は「明（又は「暗」）」、スピン注入型磁化反転素子２１、スピン注入型磁化反転素子２２ともに「暗」という３パターンのうちのいずれかを所望に選択することができる。これにより、各画素１１において中間階調を表現すること（多値化）が可能となる。すなわち、上記の例では３階調を表現することができる。

もちろん、前記の例は説明を簡単にするために相対的に体積が異なる（上面視で面積が異なる）スピン注入型磁化反転素子を各画素１１に２個設ける例で説明したが、３個以上設けるようにしてもよい。すなわち、体積が異なる（上面視で面積が異なる）スピン注入型磁化反転素子を１画素に３個以上設け、前記のパルス電流のパルス幅も３パターン以上に可変できるようにすることで、４階調以上の画像表現が可能となる。

よって、本実施形態の空間光変調器１によれば、中間調表示を可能とするために、スピン注入型磁化反転素子２１，２２の近傍に、特許文献２，３の技術のように動作特性の異なる複数のトランジスタ（供給電流量の多いトランジスタと少ないトランジスタ）を設ける必要はなくなる。

このように、パルス電流の電流値は一定値Ｉａであっても、パルス幅を変えることにより磁化の向きを反転できるスピン注入型磁化反転素子の数を、その体積（上面視の面積）を互いに変えることで実現する動作原理について、次に説明する。

まず、スピン注入型磁化反転素子２１，２２が磁化の向きを反転するのに要する電流密度（反転電流密度）と、前記のパルス電流のパルス幅との間には、次の（１）式の関係が成立する（非特許文献１を参照）。
Ｊ_ｃ＝Ｊ_ｃ０×［１−（ｋ_ＢＴ／Ｋ_ｕＶ）×Ｌｎ（ｔ_ｐ／ｔ_０）］ … （１）
（但し、Ｊ_ｃ：反転電流密度（Ｊ_ｃ＝Ｉ_ｃ／Ａ（Ｉ_ｃ：反転電流、Ａ：スピン注入型磁化反転素子の上面視の面積））、Ｊ_ｃ０：臨界反転電流密度、ｋ_Ｂ：ボルツマン定数、Ｔ：絶対温度、Ｋ_ｕ：一軸磁気異方性定数、Ｖ：スピン注入型磁化反転素子の体積（Ｖ＝Ａ×ｄ（ｄ：スピン注入型磁化反転素子の膜厚））、ｔ_ｐ：パルス電流のパルス幅、ｔ_０：臨界反転時のパルス電流のパルス幅）

ここで、パルス電流の電流値を前記のとおり一定とした場合を考えると、ボルツマン定数ｋ_Ｂはスピン注入型磁化反転素子２１，２２の材料により決まる定数であり、前記のとおりスピン注入型磁化反転素子２１とスピン注入型磁化反転素子２２の厚さは略同じであるため、パルス電流のパルス幅とスピン注入型磁化反転素子２１，２２の上面視の面積との間には直接的な相関があることがわかる。

また、スピン注入型磁化反転素子２１，２２が磁化の向きを反転する確率（磁化反転確率）は、熱活性モデルにおいて次の（２）式により与えられる（非特許文献２，３を参照）。
Ｐ_ＳＷ（Ｉ）＝１−exp（−τ_ｐ exp（−Δ（１−Ｉ／Ｉ_ｃ０））） … （２）
（但し、Ｐ_ＳＷ（Ｉ）：磁化反転確率、τ_ｐ：緩和時間により規格化されたパルス電流のパルス幅、Δ：熱安定性指標（Ｋ_ｕＶ／ｋ_ＢＴ）、I：スピン注入型磁化反転素子に流す電流、Ｉ_ｃ０：臨界反転電流）
（２）式により、パルス電流の電流値や熱安定性指標を適切に設計することにより、パルス電流のパルス幅のみによる（電流値は変動せずに）スピン注入型磁化反転素子２１，２２の磁化方向を反転させるサイズ（上面視による面積）が選択可能であり、前記のとおり画像の階調表示（多値化）が可能となることがわかる。

（２）式において、“Ｉ／Ｉ_ｃ０＝０．６”とし、熱安定性指標Δをそれぞれ“３”、“９”とした場合の反転確率（Ｐ_ＳＷ（Ｉ））と緩和時間に規格化したパルス電流のパルス幅（τ_ｐ）との関係の一例を図５のグラフに示す。すなわち、熱安定性指標Δが“３”の場合を符号２０１、熱安定性指標Δが“９”の場合を符号２０２で示している。

図５の例では、パルス電流のパルス幅が“１００”（この例では、１００が１μsecに相当するが、この単位はあくまでも一例である）程度と大きいときは反転確率も大変高くなるので、スピン注入型磁化反転素子２１及び２２の両方が磁化の向きが反転して、この両素子とも「明」状態にできることがわかる。一方、パルス電流のパルス幅が“５”程度と小さいときは反転確率も小さくなるので、スピン注入型磁化反転素子２１及び２２の一方のみ（スピン注入型磁化反転素子２１）が磁化の向きが反転して、この一方の素子が「明」、他方の素子を「暗」状態にできるので、中間階調を表現できることがわかる。
よって、電流値は一定値Ｉａのまま、電流のパルス幅の長短を変えるだけで、磁化の向きを反転するスピン注入型磁化反転素子のサイズ（上面視による面積）の選択を行うことができる。

図１に示すように、パルス電流を印加する画素１１を選択するのは画素選択部５２である。すなわち、画素選択部５２が上部電極選択部５３及び下部電極選択部５４のスイッチングを制御し、目的の上部電極選択部５３及び下部電極選択部５４とパルス電流源５５とを接続する。これにより、パルス電流源５５と接続された上部電極選択部５３と下部電極選択部５４とが交差する位置に設けられている画素１１に対してパルス電流の供給が可能になる。
また、パルス電流源５５の出力するパルス電流のパルス幅をｔ１とするかｔ２とするかは、パルス幅選択部５６がパルス電流源５５を制御して行う。
パルス電流源５５の出力するパルス電流の向き（前記のとおり、上部電極１３から下部電極１４に電流を流す場合をプラス電流、下部電極１４から上部電極１３に電流を流す場合をマイナス電流としている）の選択は、電流方向選択部５７がパルス電流源５５を制御して行う。

このように、画素選択部５２で目的の画素１１を選択し、パルス幅選択部５６がパルス電流のパルス幅を選択し、電流方向選択部５７がパルス電流の向きを選択するが、これらの動作のタイミングは同期部５８が互いの同期をとるようにして行う。すなわち、画像信号受信部５１には前記の画像信号生成装置１１０から画像信号が入力するが、この画像信号中の各画素データに基づいて、同期部５８が互いの同期をとりながら、画素選択部５２で目的の画素１１を選択し、当該画素１１に対応する画像信号に応じて、パルス幅選択部５６がパルス電流のパルス幅を選択し、電流方向選択部５７がパルス電流の向きを選択する。より具体的には、図１のように、本例では、４行４列の画素１１が配列されており、１行１列目の画素１１、１行２列目の画素１１、１行３列目の画素１１、１行４列目の画素１１が順次選択されて、パルス幅、向きを選択されたパルス電流が順次各画素に印加される。前記のとおり、スピン注入型磁化反転素子２１，２２が平行又は反平行の何れかの磁化を示していれば、その磁化を反転させる電流が供給されるまでは、磁化自由層３３の保磁力により磁化が保持されるので、選択した画素１１にパルス電流を印加しない場合もある。これにより１ライン目の画像が表示される。その後、順次同様に２行１列目〜２行４列目、３行１列目〜３行４列目、４行１列目〜４行４列目の画素１１を選択し、それぞれパルス電流のパルス幅、電流の向きを選択して画像を表示することで１フレーム分の画像が表示される。

図６には、選択的電流供給部５０から画素アレイ１０に供給するパルス電流の例を示している。図６の例でも、上部電極１３から下部電極１４に電流を流す場合をプラス電流、下部電極１４から上部電極１３に電流を流す場合をマイナス電流として表現している。図６の例では、マイナスのパルス幅ｔ１のパルス電流で、ある画素１１についてスピン注入型磁化反転素子２１及び２２の両方の磁化の向きが反転し（時間Ｔ１）、次に、プラスのパルス幅ｔ１のパルス電流で、次の画素１１のスピン注入型磁化反転素子２１及び２２の両方の磁化の向きが反転している（時間Ｔ２）。その後、次の画素１１ではパルス電流を印加されずにスピン注入型磁化反転素子２１及び２２の両方の磁化の向きが維持されてから（時間Ｔ３）、マイナスのパルス幅ｔ１のパルス電流で、次の画素１１のスピン注入型磁化反転素子２１及び２２の両方の磁化の向きが反転している（時間Ｔ４）。そして、プラスのパルス幅ｔ２（＜ｔ１）のパルス電流で、その次の画素１１について、スピン注入型磁化反転素子２１のみ磁化の向きが反転している（時間Ｔ５）。そして、次の画素１１ではパルス電流を印加せずにスピン注入型磁化反転素子２１及び２２の両方の磁化の向きが維持され（時間Ｔ６）、マイナスのパルス幅ｔ１のパルス電流で、次の画素１１のスピン注入型磁化反転素子２１及び２２の両方の磁化の向きが反転している（時間Ｔ７）。

また、図５において、縦軸が反転確率であることに着目すると、パルス幅ではなく、パルスの数でも磁化の向きを反転するスピン注入型磁化反転素子のサイズ（上面視による面積）の選択を行うことができることがわかる。すなわち、パルス幅を常に同じにして、その同一幅のパルスの数を変えるが、この場合もパルス数が多いときに磁化の向きが反転するスピン注入型磁化反転素子については、その数が多いパルスを全て合わせれば全体のパルス幅が長いと考えることができる。逆に、パルス数が少ないときに磁化の向きが反転するスピン注入型磁化反転素子については、その数が少ないパルスを全て合わせれば全体のパルス幅が短いと考えることができる。本発明においてパルス幅が異なるとは、このような場合も含めている。

［ホログラフィー装置の動作］
次に、前記のような構成、動作の空間光変調器１を備えたホログラフィー装置１００の動作について説明する。
図４に示すように、画像信号生成装置１１０では、光源装置１１１が発するレーザー光をハーフミラー１１２が照明光Ｌ１３と参照光Ｌ１１に分割する。照明光Ｌ１３は被写体Ｍに照射されて、被写体Ｍで反射された物体光Ｌ１２と、参照稿Ｌ１１とはハーフミラー１１５で重畳されて干渉縞Ｌ１４が生成される。そして、この干渉縞Ｌ１４がＣＣＤカメラ１１６で受光される。

そして、このＣＣＤカメラ１１６が出力する画像信号は空間光変調器１（の画像信号受信部５１）で受信され、空間光変調器１が、入力された画像信号に基づき、画素アレイ１０（図１）に干渉縞Ｌ１４のパターンを描画する。そして、干渉縞Ｌ１４のパターンが描画された画素アレイ１０で、光源装置１５１からの入射光（更に偏光フィルタＰＦ１５２を介した入射偏光Ｌ２）を光変調し、出射した出射偏光Ｌ３が偏光フィルタＰＦ１５３を透過して、立体画像Ｐを再生（表示）する。

１ 空間光変調器
１０ 画素アレイ
１１ 画素
２１ スピン注入型磁化反転素子
２２ スピン注入型磁化反転素子
５０ 選択的電流供給部

Claims (3)

1. ２次元アレイ状に配列された複数の画素を有する画素アレイと、
   前記各画素に設けられ、スピン注入により磁化方向が反転するスピン注入型磁化反転素子と、
   前記画素を選択して当該画素の前記スピン注入型磁化反転素子に一定電流を供給することでその磁化方向を反転する選択的電流供給部と、
   を備え、
   前記各画素は、予め定めた範囲の磁気特性にするとともに互いに体積が異なる複数の前記スピン注入型磁化反転素子を有し、
   前記選択的電流供給部は、前記一定電流のパルス幅を可変するパルス幅選択部を有することを特徴とする空間光変調器。
2. 前記複数のスピン注入型磁化反転素子は、前記磁気特性としての反転電流密度が略等しいことを特徴とする請求項１に記載の空間光変調器。
3. 前記複数のスピン注入型磁化反転素子は、厚さは略等しいが前記画素アレイの上面視で面積が異なることにより前記体積が互いに異なることを特徴とする請求項１又は２に記載の空間光変調器。

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