JP2018205515A - 光変調素子、空間光変調器、および空間光変調システム - Google Patents

Abstract

【課題】開口率の高い微細な画素による多階調表示が可能な空間光変調器を提供する。【解決手段】光変調素子１は、強磁性強誘電体層２が、その上下に設けられた電極３，４から電界を垂直に印加されると、磁化が向きと共に電界の強さに応じた大きさの磁化Ｍ１，Ｍ２に変化する。したがって、空間光変調器１０は、入射した光Ｌ0を、光変調素子１毎に、強磁性強誘電体層２の磁化の向きと大きさに対応した旋光角±θK１，±θK２で偏光の向きを回転させて光Ｌ1，Ｌ2，Ｌ3，Ｌ4として出射し、偏光子ＰＦｏを透過する光量が０（黒）と１（白）の２値のみならず、２つの中間調で表示される。【選択図】図８

Description

本発明は、入射した光を磁気光学効果により光の位相や振幅等を空間的に変調して出射する空間光変調器の光変調素子、この光変調素子を用いた空間光変調器、およびこの空間光変調器を駆動する空間光変調システムに関する。

空間光変調器は、画素として光学素子（光変調素子）を用い、これをマトリクス状に二次元配列して光の位相や振幅等を空間的に変調するものであって、ディスプレイ技術や記録技術等の分野で広く利用されている。空間光変調器として、従来より液晶が用いられ、近年では画素（ピッチ）が数μｍ程度まで微細化されているが、さらに１μｍ以下の微細化かつ高速処理の可能性が期待される磁気光学材料を用いた磁気光学式空間光変調器の開発が進められている。

磁気光学式空間光変調器においては、磁性体に入射した光が透過または反射する際にその偏光の向きを変化（旋光）させて出射するファラデー効果（反射の場合はカー効果）を利用している。すなわち磁気光学式空間光変調器（以下、適宜、空間光変調器）は、磁性膜を備える光変調素子の磁化を画素毎に異なる向きに変化させて、それぞれの磁化方向の光変調素子によって、偏光の向きの異なる光に変調され、出射光のうちの特定の向きの偏光の光を偏光フィルタで取り出す。このような光変調素子の磁化方向を変化させる方法として、光変調素子に磁界を印加する磁界印加方式（例えば、特許文献１）や、光変調素子に電流を供給することでスピンを注入するスピン注入方式（例えば、特許文献２〜６）がある。

特許文献１に記載された磁界印加方式の空間光変調器は、光変調素子が磁性ガーネット膜のような磁性膜で形成され、２次元配列した光変調素子に磁界を画素毎に印加するために、各光変調素子の周縁に沿って一周する向きに電流が流れる配線を設けている。この空間光変調器は、印加磁界により隣の画素の光変調素子が追随して磁化反転しないように、磁性膜（光変調素子）が画素毎に間隔を空けて分離されているために、１μｍ以下のピッチの微細な画素を形成することは困難である。また、この空間光変調器は、光変調素子の周縁に設けられた配線に供給された電流による合成磁界を利用するために、さらなる画素の微細化を行うと隣の画素へのクロストークが大きくなるという問題がある。

これに対して、スピン注入方式の空間光変調器は、光変調素子として、磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）のメモリセルに搭載される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）素子のようなスピン注入磁化反転素子が適用される。これらのスピン注入磁化反転素子は、少なくとも２層の磁性膜を積層して備え、電流を膜面に垂直に供給されることにより、磁性膜の一つの磁化方向が１８０°変化（磁化反転）する。電流を垂直に供給されるために、スピン注入磁化反転素子は上下面に一対の電極が接続される。したがって、スピン注入方式の空間光変調器は、磁界印加方式のように電極が画素サイズに対して極度に細い配線に形成されなくてよく、配線幅による素子サイズの制約が少なく、画素の微細化が容易である。ＭＲＡＭのような複数の磁化方向を情報とするメモリセルを二次元配列した不揮発性メモリについては、新たな材料の一つとして、強誘電性、圧電性、誘電性、強磁性のうちの２以上の性質を併せ持つマルチフェロイック材料が研究されている（例えば、非特許文献１〜４）。

スピン注入方式の空間光変調器の光変調素子は、その磁化方向が磁化容易軸に沿った２方向、すなわち垂直磁気異方性であれば上向きおよび下向きに限定されるため、液晶と異なり、２値の光にしか変調することができない。そこで、階調表示をするために複数の光変調素子を１画素に備えて、電流の大きさを変えて画素に供給することにより、光変調素子が個別に駆動するスピン注入方式の磁気光学式空間光変調器が開発されている（特許文献３，４参照）。

特許第４５９６４６８号公報 特許第５００１８０７号公報 特許第４９３９１４９号公報 特許第４９３９４７７号公報 特許第４７６４３９７号公報 特許第５８５２３６３号公報

D. H. Wang, W. C. Goh, M. Ning, C. K. Ong, "Effect of Ba doping on magnetic, ferroelectric, and magnetoelectric properties in mutiferroic BiFeO3 at room temperature", Applied Physics Letters 88, 212907, May 2006 木村 秀夫, Zhenxiang Cheng, Hongyang Zhao, Xiaolin Wang，"ビスマス−鉄系マルチフェロイック薄膜の特性改善への材料学的アプローチ"，まてりあ第４９巻，第８号，p.364-370，2010 芦 佳，江川 元太，木下 幸則，吉村 哲，齊藤 準，"交番力顕微鏡を用いた(Bi0.6Ba0.4)FeO3マルチフェロイック薄膜の電場・磁場の同時イメージング"，第６１回応用物理学会春季学術講演会講演予稿集，2014 藤沢 浩訓，八木 達也，清水 勝，丹生 博彦，"圧電応答顕微鏡による強誘電体Pb(Zr,Ti)O3薄膜の分極反転過程の観察"，社団法人日本材料学会，材料，Vol.51,No.9, pp.975-978, 2002

特許文献３，４に記載したような磁気光学式空間光変調器は、多階調化すると、１画素あたりの光変調素子の個数が多くなるので、スピン注入磁化反転素子が微細であっても画素の微細化が困難である。また、スピン注入磁化反転素子は、互いに間隔を空けて設けられるので、画素の大型化と共に開口率が低くなる。

本発明は前記問題点に鑑み創案されたもので、開口率の高い微細な画素による多階調表示が可能な空間光変調器、およびその光変調素子を提供することを課題とする。

マルチフェロイック材料の一つに、磁気秩序と強誘電秩序が共存する材料があり、誘電分極（電気分極）と磁化（磁気分極）とが結び付いている（非特許文献１〜３）。このようなマルチフェロイック材料（強磁性強誘電体と称する）は、電界、磁界のいずれか一方を外部から印加されると、印加の向きに合わせて誘電分極と磁化が共に回転する。また、マルチフェロイック材料は、逆向きの誘電分極が、電界を印加されたほぼ瞬間に印加された領域全体で急激に反転するのではなく、一部から徐々に広がってある程度の時間を要して全体が反転に至るため、領域全体における誘電分極を計測すると、印加された向きに徐々に大きくなる（非特許文献４）。また、印加した電界の強さが不足していても、誘電分極の反転が全体までに至らず、全体を反転させる電界の強さまではこれに依存して、領域全体における誘電分極が大きくなる（非特許文献１，２，４）。このことから、本願発明者らは電界の強さや印加時間を調整することにより、強磁性強誘電体の磁化の向きだけでなく大きさを制御し、偏光の向きの回転角（旋光角）を２値以外の所望の段階の中間値とすることに想到した。

すなわち本発明に係る光変調素子は、光変調層および前記光変調層の上下に設けられて垂直に電界を印加する一対の電極を備え、入射した光の偏光方向を、前記光変調層の磁化の向きおよび大きさに対応した角度で変化させて出射するものであって、前記一対の電極の少なくとも一方が光を透過し、前記光変調層が、強磁性と強誘電性とを有する層を含む構造とする。そして、前記光変調層は、電界を印加されると、前記電界と同じ向きの磁化を有する領域が、前記電界の強さまたは印加時間に対応して増加することにより、磁化の大きさが変化する。

かかる構成により、光変調素子は、電界を印加することにより、２値の光だけでなく、その中間の１以上の光に変調することができる。

本発明に係る空間光変調器は、前記光変調素子を二次元配列して備え、前記一対の電極の一方と他方が、前記二次元配列した光変調素子の行毎と列毎にそれぞれ延設されて、第１配線と第２配線を形成している。かかる構成により、空間光変調器は、１画素に１個の光変調素子を備えて、階調表示が可能である。

本発明に係る空間光変調システムは、前記空間光変調器を備え、前記第１配線と前記第２配線の間に、Ｎ通り（Ｎは２以上の自然数）の大きさの電圧をパルス出力するパルス電源を接続する。または、前記パルス電源は、一定の大きさの電圧をＮ通りのパルス幅でパルス出力する。かかる構成により、空間光変調システムは、１画素に１個の光変調素子を備える空間光変調器に、最多で２Ｎ階調表示させることが可能である。

本発明に係る光変調素子によれば、多階調表示が可能で開口率の高い微細な画素を形成することができる。本発明に係る空間光変調器によれば、高精細で多階調表示が可能になる。本発明に係る空間光変調システムによれば、簡易な構成で多階調表示が可能になる。

本発明の実施形態に係る空間光変調器の構造を説明する模式図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ｂ−Ｃ−Ｄ−Ｅ線組合せ断面図である。 マルチフェロイック膜の分極ヒステリシス曲線である。 分極の状態を説明するマルチフェロイック膜の断面のモデルであり、（ａ）は未分極、（ｂ）は（ａ）から（ｃ）への移行状態、（ｃ）と（ｅ）は飽和分極、（ｄ）と（ｆ）は残留分極である。 厚さ２００ｎｍのＢｉＢａＦｅＯ₃膜の磁化およびカー回転角を外部磁界依存性で表した磁化曲線であり、（ａ）は磁化を、（ｂ）は波長４０５ｎｍのレーザー光のカー回転角を示すグラフである。 印加電界の強さによる磁化の制御方法を説明する強磁性強誘電体膜のヒステリシス曲線である。 本発明の実施形態に係る空間光変調器の駆動方法を説明する図であり、図１のＡ−Ｂ線断面を含む断面図である。 本発明の実施形態に係る空間光変調器の駆動方法を説明する図であり、図１のＡ−Ｂ線断面を含む断面図である。 図１に示す空間光変調器を用いた表示装置の模式図で、光変調素子の磁化および光変調動作を説明する図であり、図１のＡ−Ｂ線断面を含む断面図に相当する。 強磁性強誘電体膜の分極（磁化）反転面積率の電界印加時間依存性を示すグラフである。 電界の印加時間による磁化の制御方法を説明する強磁性強誘電体膜のヒステリシス曲線である。

本発明に係る光変調素子および空間光変調器を実現するための形態について、図を参照して説明する。
本発明に係る光変調素子は、空間光変調器の画素として用いられて、入射した光を反射または透過して異なる偏光成分に変調して、または変調せずに出射する。画素とは、空間光変調器による表示の最小単位での情報（明（highlight）／暗（shadow））を表示する手段を指し、本発明においては、明と暗の間の１以上の中間調（mid-tone）を含む。

〔空間光変調器〕
本発明の実施形態に係る空間光変調器１０は、図１に示すように、膜状に設けられた強磁性強誘電体層（光変調層）２、強磁性強誘電体層２を上下から挟む、Ｘ方向に延設する複数（図１では４本）の上部電極３（第１配線）とＹ方向に延設する複数（図１では４本）の下部電極４（第２配線）、上部電極３，３間を埋める絶縁層６１、下部電極４，４間を埋める絶縁層６２、およびこれらを支持する基板５を備える。言い換えると、空間光変調器１０は、下から、基板５、下部電極４および絶縁層６２、強磁性強誘電体層２、上部電極３および絶縁層６１、の順に配置されている。なお、図１（ａ）では、強磁性強誘電体層２は透明として輪郭線のみを表し、基板５および絶縁層６１，６２を省略し、図１（ｂ）では絶縁層６１，６２のハッチングを省略して示す。空間光変調器１０において、互いに交差する一組の上部電極３と下部電極４（適宜まとめて、電極３，４）、およびそれらの交点で間に挟まれた強磁性強誘電体層２が、光変調素子１を構成する。空間光変調器１０において、光変調素子１は１画素に１個設けられ、この光変調素子１の部分が入射した光を変調させる有効領域（画素の開口部）である。したがって、例えば電極３，４がそれぞれ幅の１／２の間隔を空けて並設されている場合、画素の開口率は４／９である。そして、空間光変調器１０は、電極３，４を各４本備えるので、基板５上に、４行×４列の１６個の光変調素子１を備える。このように、ここでは説明を簡潔にするために、空間光変調器は４行×４列の１６個の画素からなる構成で例示する。また、空間光変調器１０は、上方から入射された光の偏光の向きを変化させて反射して上方へ出射する反射型の空間光変調器である。以下、本実施形態に係る空間光変調器を構成する各要素を詳細に説明する。

〔光変調素子〕
（強磁性強誘電体層）
強磁性強誘電体層２は、強磁性と強誘電性とを有する材料（強磁性強誘電体）からなる。強磁性強誘電体は、マルチフェロイック材料の一種であり、強磁性体であるために、磁気光学効果により透過、反射する光の偏光の向きを変化させ、光変調素子１の光変調層として機能する。強磁性強誘電体は、一般式Ｌ_aＭ_bＯ_c（Ｌ：Ｂｉ，Ｌａ，Ｔｂ，Ｐｂ，Ｙ，Ｃｒ，Ｃｏ，Ｂａ，Ｌｕ，Ｙｂ，Ｅｕからなる群から選択される１〜３種（原子の合計数ａ）、Ｍ：Ｆｅ，Ｍｎ，Ｎｉ，Ｔｉ，Ｃｒ，Ｃｏ，Ｖからなる群から選択される１〜３種（原子の合計数ｂ）、ａ＝１，２，３、ｂ＝１，２，３、ｃ＝３，４，５，６）で表される。具体的には、例えば、ＢｉＭｎＯ₃，ＴｂＭｎＯ₃，ＴｂＭｎ₂Ｏ₅，ＥｕＴｉＯ₃，ＣｏＣｒ₂Ｏ₄，Ｃｒ₂Ｏ₃，ＢｉＭｎ_0.5Ｎｉ_0.5Ｏ₃，ＢｉＦｅ_0.5Ｃｒ_0.5Ｏ₃，Ｌａ_0.1Ｂａ_0.9ＭｎＯ₃，Ｌａ_1-xＢｉ_xＮｉ_0.5Ｍｎ_0.5Ｏ₃（０＜ｘ＜１），Ｂｉ_1-xＢａ_xＦｅＯ₃（０＜ｘ＜１），(Ｂｉ,Ｂａ,Ｌａ)_a(Ｆｅ,Ｍｎ)_bＯ_c，(Ｂｉ,Ｂａ,Ｌａ)_a(Ｆｅ,Ｍｎ,Ｔｉ)_bＯ_cが挙げられる。これらの材料は、スパッタ、蒸着、塗布法等の公知の方法で成膜することができる。

強磁性強誘電体層２は、光変調素子１毎に分離して形成されなくてもよく、空間光変調器１０においては一体に連続した膜として設けられる。また、強磁性強誘電体層２の厚さは、当該強磁性強誘電体層２を挟んだ電極３，４間にリーク電流が発生しない程度であれば特に規定されず、薄い方が誘電分極と共に磁化を反転させ易く、一方、厚い方が磁気光学効果が高い。ただし、強磁性強誘電体層２は、材料によっては厚くなると光を多く吸収して、出射光の光量が減少する。また、強磁性強誘電体層２が厚くなるにしたがい、空間光変調器１０は、電極３，４から電界を印加するために、接続する電源（図示省略）の電位差を大きく設定する必要があるので、強磁性強誘電体層２の厚さは数百ｎｍ程度以下であることが好ましい。

（電極）
上部電極３および下部電極４は、強磁性強誘電体層２に垂直両方向（上向きと下向き）に所望の強さの電界を印加するために設けられ、光変調素子１を２次元配列した空間光変調器１０においては、当該空間光変調器１０の配線として、配列の一方向と他方向とにそれぞれ延設されたストライプ状に形成される。さらに、下部電極４は、光反射膜として、材料にもよるが光透過率の高い強磁性強誘電体層２を透過した光を反射させる。空間光変調器１０において、上部電極３および下部電極４は、後記するそれぞれの材料の抵抗や印加する電界の強さ等に応じて、厚さおよび幅、ならびに間隔に形成される。特に間隔については、それぞれ隣り合う上部電極３，３間、下部電極４，４間における抵抗が、強磁性強誘電体層２を挟んだ電極３，４間よりも十分な差で高くなるように、絶縁層６１，６２の材料と併せて設計されることが好ましい。空間光変調器１０を駆動する際に、隣り合う下部電極４，４（または上部電極３，３）に異なる電位が接続された場合に、一対の電極３，４から印加される電界の強さに影響しないためである。

上部電極３は、強磁性強誘電体層２に光が入射するように、光を透過する透明電極材料で構成される。透明電極材料は、例えば、インジウム亜鉛酸化物（Indium Zinc Oxide：ＩＺＯ）、インジウム−スズ酸化物（Indium Tin Oxide：ＩＴＯ）、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）等の公知の透明電極材料からなる。特に、比抵抗と成膜の容易さとの点からＩＺＯが最も好ましい。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る。また、上部電極３は、強磁性強誘電体層２との密着性をよくするために、下地として金属膜を設けてもよい。このような金属膜は、厚さが１ｎｍ未満であると連続した（ピンホールのない）膜を形成し難く、一方、１０ｎｍを超えて厚くすると、透過する光を減衰させるので、厚さ１〜１０ｎｍとすることが好ましい。

下部電極４は、Ｃｕ，Ａｌ，Ａｕ，Ａｇ，Ｔａ，Ｃｒ，Ｐｔ，Ｒｕ等の金属やその合金のような一般的な金属電極材料で形成され、また、前記金属や合金の２種類以上を積層してもよい。特に、強磁性強誘電体層２に接触する最上層は、強磁性強誘電体層２との密着性のよい材料を適用することが好ましい。また、下部電極４は、上方から入射した光に対して反射率が高くなるように、光反射率の高い材料を十分な厚さで備えることが好ましく、その上に必要に応じて厚さ１〜１０ｎｍの密着性のよい材料を積層してもよい。金属電極材料は、スパッタリング法等の公知の方法により成膜、フォトリソグラフィ、およびエッチングまたはリフトオフ法等により光変調素子１に対応した形状に加工される。

（絶縁層）
絶縁層６１は、強磁性強誘電体層２上に上部電極３と共に設けられて、隣り合う上部電極３，３間を絶縁する。絶縁層６２は、基板５上に下部電極４と共に設けられて、隣り合う下部電極４，４間を絶縁する。絶縁層６１，６２は、半導体素子等に設けられる公知の無機絶縁材料が適用でき、具体的には、ＳｉＯ₂やＡｌ₂Ｏ₃等の酸化膜やＳｉ₃Ｎ₄やＭｇＦ₂等が挙げられる。なお、絶縁層６１と絶縁層６２とで異なる材料を適用されてもよい。また、下部電極４，４間においては、絶縁層６２に代えて絶縁材料からなる基板５が設けられるように、基板５を加工して形成された平行な直線状の溝に下部電極４が埋め込まれてもよい。

（基板）
基板５は、電極３，４や強磁性強誘電体層２等を形成するための、また、空間光変調器１０全体を支持するための土台である。基板５は、少なくとも表層が絶縁性の公知の基板材料が適用でき、具体的には、表面に熱酸化膜を形成されたＳｉ（シリコン）基板、ＳｉＯ₂（酸化ケイ素、ガラス）、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）、サファイア、ＧＧＧ（ガドリニウムガリウムガーネット）、ＳｉＣ（シリコンカーバイド）、ＳｒＴｉＯ₃（チタン酸ストロンチウム）、Ｇｅ（ゲルマニウム）単結晶基板等を適用することができる。

（空間光変調器の製造方法）
本実施形態に係る空間光変調器の製造方法について、その一例を説明する。まず、基板５上に、絶縁層６２を構成する絶縁膜を成膜する。この絶縁膜の上に、下部電極４を形成する領域を空けたレジストマスクを形成し、エッチングにて絶縁膜を除去して、絶縁層６２を成形する。そして、金属電極材料を絶縁層６２と同じ厚さに成膜してエッチング跡に埋め込んで下部電極４を形成し、レジストマスクを除去する。これにより、基板５上に下部電極４と絶縁層６２が上面を平坦な状態として形成されるので、これらの上に強磁性強誘電体層２を成膜する。この強磁性強誘電体層２の上に、上部電極３を形成する領域を空けたレジストマスクを形成する。そして、透明電極材料を成膜して上部電極３を形成し、レジストマスクを除去する。最後に絶縁膜を成膜して上部電極３，３間に埋め込んで絶縁層６１を形成し、空間光変調器１０が得られる。また、空間光変調器１０は、使用（画素の書込）前に初期設定として、全体に外部磁界を上向きまたは下向きに印加されて、強磁性強誘電体層２の磁化および誘電分極を印加方向に揃えられる。この初期設定による強磁性強誘電体層２の磁化等の向きについては後記する。初期設定は、完成した空間光変調器１０に対して行ってもよいし、空間光変調器１０の製造工程途中において強磁性強誘電体層２を成膜した後以降であれば、どの段階であっても実施することができる。

（強磁性強誘電体層の磁気電気特性）
強磁性強誘電体層２を構成する強磁性強誘電体の磁気電気特性について、図２および図３を参照して説明する。マルチフェロイック材料の一種である強磁性強誘電体は、誘電分極（電気分極）と磁化（磁気分極）とが結び付いていて、電界（Ｅ）、磁界（Ｈ）のいずれか一方を外部から印加されると、印加の向きに合わせて誘電分極（Ｐ）と磁化（Ｍ）が共に反転する。この誘電分極と磁化の電界、磁界依存性は、図２に太い実線で示すヒステリシス曲線を描く。図２の原点ｏにおける強磁性強誘電体は、外部から電界、磁界のいずれも印加される前の（Ｅ＝０、Ｈ＝０）、誘電分極、磁化のいずれも方向性を有さない未分極状態（Ｐ＝０、Ｍ＝０）である。このような強磁性強誘電体は、図３（ａ）に示すように、誘電分極および磁化（図中、まとめて太矢印で表す）が様々な向きの領域が混在し、全体では均衡して分極の方向性を有さない。この誘電分極等の向きで区切られた領域を分域（ドメイン）と称し、特に多結晶構造の強磁性強誘電体においては、結晶粒で分域が生成し易い。また、未分極状態における誘電分極と磁化は、結晶粒毎の分極容易軸（磁化容易軸）に沿った向きを示すことが多い。

この未分極状態の強磁性強誘電体に、電界または磁界を漸増させながら上向き（＋方向）に印加すると、それに伴い誘電分極および磁化が＋方向に漸増する（図２の点ｏ→ａ）。これは、各分域の誘電分極と磁化が印加方向（図３では白矢印で表す）へ回転して、上向きの分域が拡張し、多結晶構造の場合は図３（ｂ）に示すように上向きの結晶粒の数が増加することによる。そして、電界または磁界がある強さ（図２に示す電界Ｅｓ）に到達すると、図３（ｃ）に示すように、すべての結晶粒すなわち印加された領域全体において誘電分極と磁化が上向きを示す単分域状態になる。強磁性強誘電体は、単分域状態になると、より強い電界または磁界を印加しても、誘電分極および磁化がそれよりも大きくなることがない。この図２の点ａにおける誘電分極が飽和分極Ｐｓ、磁化が飽和磁化Ｍｓである。飽和分極Ｐｓ、飽和磁化Ｍｓに到達した強磁性強誘電体は、上向きの電界または磁界を弱くすると、誘電分極、磁化が漸減するが、図２の点ａ→ｏよりも緩やかであり、さらに印加を停止しても（Ｅ＝０、Ｈ＝０）大きく＋側で保持される（図２の点ａ→ｂ）。この図２の点ｂにおける誘電分極が残留分極Ｐｒ（＜Ｐｓ）、磁化が残留磁化Ｍｒ（＜Ｍｓ）である。なお、図２の縦軸において、ＰｓとＭｓ、ＰｒとＭｒ、−Ｐｒと−Ｍｒ、−Ｐｓと−Ｍｓはそれぞれ一致し、図２では分極のみを表す。

このように、強磁性強誘電体が電界または磁界の印加を停止されると、誘電分極と磁化が印加時よりも小さくなるのは、誘電分極と磁化が、印加方向である上向きから、分極容易軸（磁化容易軸）に沿った両方向（一方向とその逆方向）の近い方（上向き寄り）まで自発的に回転することによると考えられる。あるいはさらに、少数の（全体の１／２以上を占めない）結晶粒において、誘電分極と磁化が、前記両方向の下向き寄りまで回転する場合があると考えられる。すなわち、強磁性強誘電体は、図３（ｄ）に示すように、結晶粒毎の誘電分極と磁化が、図３（ａ）に示す未分極状態における向きと同じまたは１８０°回転（反転）した様々な向きであって、少なくとも１／２超（図３（ｄ）では右下の１つを除いたすべて）において上向き寄りの向きを示す。したがって、このときの強磁性強誘電体は、全体で、誘電分極および磁化が上向きを示し、ただし、前記電界または磁界の印加時（飽和分極Ｐｓ、飽和磁化Ｍｓ）よりも小さい。

次に、強磁性強誘電体に、電界または磁界を漸増させながら今度は下向き（−方向）に印加すると、それに伴い、誘電分極と磁化が下向きの分域が拡張することにより、＋方向の誘電分極および磁化が漸減（−方向に漸増）して、Ｐ＝０、Ｍ＝０になる。Ｐ＝０、Ｍ＝０になるときの印加電界が抗電界−Ｅｃ、印加磁界が保磁力−Ｈｃである（図２では−Ｅｃのみを表す）。さらに電界または磁界を−方向に漸増させると、図３（ｅ）に示すようにすべての結晶粒において誘電分極と磁化が下向きを示し、飽和分極−Ｐｓ、飽和磁化−Ｍｓに到達する（図２の点ｂ→ｃ）。その後、電界または磁界の下向きの印加を停止すると、誘電分極が残留分極−Ｐｒに、磁化が残留磁化−Ｍｒに、−側に減少する（図２の点ｃ→ｄ）。これは、図３（ｄ）に示す＋側と同様、誘電分極と磁化が、下向きから、図３（ｆ）に示すように、結晶粒毎に分極容易軸（磁化容易軸）に沿った向きまで回転し、少数（図３（ｆ）では左下の１つ）の結晶粒を除いて下向き寄りになって、強磁性強誘電体の全体で下向きを示すことによると考えられる。また、次に再び電界または磁界を上向き（＋方向）に印加すると、図２の点ｄ→ａの挙動を示す。

このように、強磁性強誘電体は、誘電分極と磁化とが結び付いて、これら両方が電界および磁界のいずれの印加によっても変化すること以外は、一般的な強誘電体の誘電分極、強磁性体の磁化と同様、図２の点ａ→ｂ→ｃ→ｄ→ａの非可逆的なループ（ヒステリシスループ）を描いて変化する。また、強誘電体および強磁性体は、飽和分極Ｐｓ，−Ｐｓ、飽和磁化Ｍｓ，−Ｍｓに到達しない程度の強さの電界（Ｅｓ未満）または磁界を印加された場合は、誘電分極や磁化が、到達した最大値（絶対値）に比例するように小さなヒステリシスループを描いて変化する。なお、単結晶構造では、図２に破線で示すように、抗電界Ｅｃ、保磁力Ｈｃで急激に誘電分極および磁化が反転する傾向があり、また、飽和分極Ｐｓ、飽和磁化Ｍｓからの減りの小さい残留分極Ｐｒ、残留磁化Ｍｒになり易い。

また、強磁性強誘電体は、一般的な強磁性体と同様、磁化の方向に応じた角度で透過または反射した光の偏光の向きを変化させる。強磁性強誘電体としてＢｉＢａＦｅＯ₃膜について、図４に示すように、磁化とカー回転角をそれぞれ測定して両者の相関を観察した。測定用のサンプルは、光変調素子１を模擬し、熱酸化Ｓｉ基板上に下部電極４としてＴａ／Ｐｔ積層膜を成膜し、さらにその上に強磁性強誘電体層２として厚さ２００ｎｍのＢｉＢａＦｅＯ₃をスパッタ法で成膜して作製した。サンプルに、膜面に垂直方向に外部磁界Ｈを０Ｏｅから２０ｋＯｅ超まで漸増させて印加しながら、試料振動型磁力計（ＶＳＭ）で磁化Ｍを測定し、次に、外部磁界Ｈの印加方向を反転させて再び同様に磁化Ｍを測定した。得られたＭ−Ｈ曲線を図４（ａ）に示す。また、サンプルに外部磁界Ｈを０Ｏｅから７ｋＯｅまでの範囲で前記と同様に印加しながら、波長４０５ｎｍのレーザー光を入射角０°で入射して、サンプルからの反射光の偏光の向き（カー回転角）を、垂直磁界Ｋｅｒｒ効果測定装置で測定し、得られた曲線を図４（ｂ）に示す。

ＢｉＢａＦｅＯ₃膜は、カー回転角が、図４（ｂ）に示すように、図４（ａ）に示すＭ−Ｈ曲線と同様にヒステリシス曲線を描き、磁化の向きおよび大きさの変化に伴って、カー回転角の回転の向きおよび角度が変化する。すなわち、本実施形態に係る空間光変調器１０は、光変調素子１毎に、電極３，４から電界を上向きや下向きに印加することにより、強磁性強誘電体層２の磁化を制御して、スピン注入方式の空間光変調器等と同様、入射した光の偏光の向きを少なくとも２値の角度で回転させて出射することができる。

ここで、空間光変調器１０による光変調は、すべての電極３，４からの電界印加を停止している状態で実行される。したがって、光変調のために強磁性強誘電体層２が示し得る磁化は−Ｍｒ〜Ｍｒの範囲である。そして、図２を参照して説明したように、強磁性強誘電体層２は、電界や磁界を印加されていない時、その前に印加されていた電界または磁界と同じ向きで、かつ絶対値で印加時よりも減少した大きさの磁化を示す。そこで、空間光変調器１０は、以下の方法により、印加停止時における磁化をＭｒ，−Ｍｒの２値のみならずこの２値の１以上の中間値に変化させることができる。

（空間光変調器の駆動方法の実施形態）
本実施形態に係る空間光変調器１０の駆動方法（画素の書込方法）、詳しくは当該空間光変調器１０における光変調素子１毎の強磁性強誘電体層２の磁化の向きと大きさを変化させる方法を、図５、図６および図７を参照して説明する。前記したように、強磁性強誘電体層２が電界の印加停止時に示し得る磁化は−Ｍｒ〜Ｍｒの範囲である。そこで、本実施形態に係る空間光変調器１０は、図５に示す、Ｍ１，Ｍ２，−Ｍ２，−Ｍ１（０＜Ｍ２＜Ｍ１＝Ｍｒ）の４段階の磁化に設定することとし、図６および図７に示す一列の光変調素子１の群を空間光変調器１０から選択して、光変調素子１毎に左から順に、強磁性強誘電体層２の磁化を−Ｍ２，−Ｍ１，Ｍ２，Ｍ１に設定する手順を説明する。

また、ここでは、空間光変調器１０は、表示する動画の１フレーム毎に、すべての画素すなわち光変調素子１について書換え（リフレッシュ）を繰り返すこととする。そこでまず、書換開始処理として、図６（ａ）に示すように、すべての上部電極３（１本のみを示す）を電圧Ｖ１の電源の「＋」に、すべての下部電極４を同電源の「−」にそれぞれ接続して、すべての光変調素子１における強磁性強誘電体層２に、電界Ｅ１を下向きに印加する（下向きの電界−Ｅ１を印加する）。電界Ｅ１は、図５に示すように、誘電分極と磁化を飽和分極−Ｐｓ、飽和磁化−Ｍｓに到達させる電界Ｅｓ（図２参照）以上であればよい（Ｅ１≧Ｅｓ）。上部電極３の正（＋）の電荷、下部電極４の負（−）の電荷により、強磁性強誘電体層２は、印加前の分極にかかわらず、電極３，４に挟まれた領域全体において誘電分極が下向きになり、これに伴い磁化も下向きになる。その後、電界の印加を停止する。なお、図６および図７では、基板５および絶縁層６１，６２を省略する。また、図６および図７において、強磁性強誘電体層２における誘電分極（分極）は縦長の楕円の中の「＋−」で表され、磁化は太矢印で表される。また、強磁性強誘電体層２は、電界または磁界を印加されてその後停止した時、少数の結晶粒において誘電分極と磁化が反転して逆向きを示す傾向があるが（図３（ｄ）、（ｆ）参照）、図６および図７においてはこのような逆向きの誘電分極と磁化は省略する。

また、空間光変調器１０において電極３，４に挟まれていない、すなわち光変調素子１外の強磁性強誘電体層２は、電極３，４から電界を印加され得ない。そのため、強磁性強誘電体層２は、空間光変調器１０の使用前の初期設定にて、予め全体に電界Ｅ１に相当する磁界を下向きに印加されていて、光変調素子１外においては常に下向きの残留磁化−Ｍｒを示すものとする。

電界−Ｅ１を印加して停止したことにより、強磁性強誘電体層２はすべての光変調素子１において、図５の点ｃ→ｄの挙動を示し、飽和磁化−Ｍｓから残留磁化−Ｍｒに移行する。したがって、磁化を−Ｍｒに設定する光変調素子１においては、以降は電極３，４から電界を印加しなければよい。一方、磁化をＭｒに設定する光変調素子１については、さらに電界Ｅ１を反対の上向きに印加して飽和磁化Ｍｓに到達させて、その後停止すればよい（図５の点ｄ→ａ→ｂ）。

これに対して、磁化を上向きのＭ２（＜Ｍｒ）に設定する光変調素子１については、図６（ａ）に示す処理により残留磁化−Ｍｒ（図５の点ｄ）とした強磁性強誘電体層２に、残留磁化Ｍｒとする光変調素子１と同じく上向きに電界を印加して、その停止後に磁化がＭ２に移行するようにする。詳しくは、電界を上向きに印加した図５の点ｄ→ａの経路上で、印加を停止すると磁化がＭ２（図５の点ｅ）に後退（減少）する点ａ’に到達させる強さの電界Ｅ２（Ｅｃ≦Ｅ２＜Ｅｓ）を印加して停止する（図５の点ｄ→ａ’→ｅ）。

同様に、磁化を下向きの−Ｍ２（図５の点ｆ）に設定する光変調素子１については、前記のＭ２に設定する手順において極性を反転させればよい。そのために、電界Ｅ１を上向きに印加して飽和磁化Ｍｓに到達させた後に電界Ｅ１を停止して、一旦、上向きの残留磁化Ｍｒとしてから（図５の点ｄ→ａ→ｂ）、電界−Ｅ２を印加して停止する（図５の点ｂ→ｃ’→ｆ）。なお、電界Ｅ１を印加した後に、連続して、向きと強さを切り換えて電界−Ｅ２を印加してもよい。

これらのことから、図６（ａ）に示す書換開始処理によってすべて下向きの残留磁化−Ｍｒとした一列の光変調素子１の群に対して、以下の手順で処理を行う。まず、電界Ｅ１を上向きに、前記したように上向きの残留磁化Ｍｒに設定する右端の光変調素子１に印加し、同時に、下向きの磁化−Ｍ２に設定する左端の光変調素子１にも印加する。すなわち図６（ｂ）に示すように、共通の上部電極３を電圧Ｖ１の電源の「−」に、両端の下部電極４，４を同電源の「＋」にそれぞれ接続して、両端の光変調素子１，１の強磁性強誘電体層２に電界Ｅ１を上向きに印加して、その後停止する。このような処理により、一列の光変調素子１，１，１，１は左から順に、強磁性強誘電体層２の磁化がＭｒ，−Ｍｒ，−Ｍｒ，Ｍｒとなる。なお、前記したように、強磁性強誘電体層２は光変調素子１外においては、電界を印加されないので磁化が−Ｍｒのままである。

また、左から３つ目の光変調素子１の強磁性強誘電体層２を、残留磁化−Ｍｒから逆向きの磁化Ｍ２にする。図７（ａ）に示すように、上部電極３を電圧Ｖ２（＜Ｖ１）の電源の「−」に、左から３本目の下部電極４を同電源の「＋」にそれぞれ接続して、前記光変調素子１の強磁性強誘電体層２に電界Ｅ２を上向きに印加して、その後停止する。なお、図７においては、強磁性強誘電体層２の磁化Ｍ２，−Ｍ２の領域は、当該領域の中央部をその向きの誘電分極と磁化で、周縁部を逆向きの誘電分極と磁化で、それぞれ表す。

さらに、左端の光変調素子１の強磁性強誘電体層２を、残留磁化Ｍｒから逆向きの磁化−Ｍ２にする。図７（ｂ）に示すように、上部電極３を電圧Ｖ２の電源の「＋」に、左端の下部電極４を同電源の「−」にそれぞれ接続して、前記光変調素子１の強磁性強誘電体層２に下向きの電界−Ｅ２を印加して、その後停止する。このように、図６および図７に示す一連の処理により、一列の光変調素子１，１，１，１に左から順に、強磁性強誘電体層２の磁化が−Ｍ２，−Ｍ１，Ｍ２，Ｍ１に設定される。

なお、図６（ｂ）に示す強磁性強誘電体層２を上向きの残留磁化Ｍｒにする処理（電界Ｅ１印加）の後に、図７（ｂ）に示す下向きの磁化−Ｍ２にする処理（電界−Ｅ２印加）を実行する以外は、処理の順序は限定されない。すなわち、すべての光変調素子１について電界−Ｅ１を印加する書換開始処理（図６（ａ））後は、電界Ｅ１印加（図６（ｂ））、電界−Ｅ２印加（図７（ｂ））、電界Ｅ２印加（図７（ａ））の順で、または、電界Ｅ２印加（図７（ａ））、電界Ｅ１印加（図６（ｂ））、電界−Ｅ２印加（図７（ｂ））の順で実行してもよい。あるいは複数の電源を接続して、光変調素子１毎に異なる電界を同時に印加してもよい。例えば、図６（ｂ）と図７（ａ）に示す電界Ｅ１，Ｅ２の印加を同時に実行すべく、２つの電源の「−」を同電位（０Ｖ）として上部電極３に接続し、両端の下部電極４，４には電位Ｖ１を、左から３本目の下部電極４には電位Ｖ２を、それぞれ接続する。そして、電界Ｅ１，Ｅ２の同時印加後、図７（ｂ）に示す電界−Ｅ２の印加を実行する。図６および図７においては簡潔に説明するために、１回の処理で１つの強さと向きの電界を印加しているが、書換え時間を短縮するために、複数の電源を接続して異なる電界の印加を同時に行うことが好ましい。

なお、下向きの磁化−Ｍ２に設定する光変調素子１について、最後に下向きに電界Ｅ２を印加する前に、一旦、上向きの残留磁化Ｍｒとするとしたが、下向きに電界を印加する前においては、磁化が下向きでなければ大きさは限定されず、磁化０でもよく、さらには、下向きであっても大きさ（絶対値）Ｍ２超でなければよい。例えば、磁化Ｍ２（＜Ｍｒ）としてから、磁化−Ｍ２に変化させることもできる。ただし、そのために下向きに印加する電界の強さ（絶対値）が、残留磁化Ｍｒから変化させる場合（Ｅ２）とは異なるので、電圧を別途設定する。また、強磁性強誘電体層２に設定される磁化の両方向における最大値（絶対値）Ｍ１，−Ｍ１は、残留磁化Ｍｒ，−Ｍｒであることが好ましいが、これに限定されない。Ｍ１＜Ｍｒの場合、電界Ｅ１は飽和磁化Ｍｓに到達させる電界Ｅｓ（図２参照）未満（Ｅ１＜Ｅｓ）に設定される。この場合、初期設定にて印加する磁界も、電界Ｅ１に相当する強さに設定されることが好ましい。

また、中間調を表示するための磁化をＭ２，−Ｍ２の２つとして説明したが、電界の強さ（絶対値）を階調の半数に細分化して設定することにより、所望の多階調表示とすることができる。具体的には、空間光変調器１０において、光変調素子１毎に強磁性強誘電体層２の磁化をＭ１，Ｍ２，Ｍ３，・・・，ＭＫ，−ＭＫ，・・・，−Ｍ３，−Ｍ２，−Ｍ１（Ｍｒ≧Ｍ１＞Ｍ２＞Ｍ３＞ＭＫ＞０、Ｋ：４以上の自然数）に設定する場合、次の順序で処理を実行することができる。まず、書換開始処理として、すべての光変調素子１について電圧Ｖ１の電源で下向きの電界−Ｅ１を印加して、強磁性強誘電体層２の磁化を−Ｍ１（−Ｍｒ）とする（図６（ａ）参照）。次に、空間光変調器１０から一列の光変調素子１の群を選択する。そして、強磁性強誘電体層２の磁化をＭ１、および−Ｍ２，−Ｍ３，・・・，−ＭＫに設定する光変調素子１について電圧Ｖ１の電源で上向きの電界Ｅ１を印加する。同時に、Ｍ２，Ｍ３，・・・，ＭＫに設定する光変調素子１について当該磁化とする強さの電界をそれぞれの電源で、いずれも上向きに印加する。次に、強磁性強誘電体層２の磁化を−Ｍ２，−Ｍ３，・・・，−ＭＫに設定する光変調素子１について当該磁化とする強さの電界をそれぞれの電源で、いずれも下向きに同時に印加する。階調を増やしても、これら２回の処理によって、選択した一列における光変調素子１のすべてにおいて、それぞれの強磁性強誘電体層２が所望の磁化となる。以降は、新たな一列を空間光変調器１０から選択して、同様の処理を実行する。

空間光変調器１０のこのような書込みは、例えば、階調と同数または半数の電源を、切換器（マトリクススイッチャ、階調の半数の電源を接続する場合は順逆切替えを含む）を介して電極３，４に接続した空間光変調システムとすることにより、実行することができる。電源はパルス電圧を出力することが好ましく、電界Ｅ１をピーク期間（パルス幅）で強磁性強誘電体層２に印加して飽和磁化Ｍｓにし、次のベース期間（停止時間）で残留磁化Ｍｒになる。パルス電圧のパルス幅は、残留磁化−Ｍｒ，Ｍｒである強磁性強誘電体層２に、それぞれ逆向きの電界Ｅｓ，−Ｅｓ（図２参照）を印加した時に、飽和磁化Ｍｓ，−Ｍｓに到達させる（図２の点ｄ→ａ、点ｂ→ｃ）時間以上に設定される。パルス電圧のベース期間は特に規定されないが、ピーク期間と同程度（デューティ比５０％程度）であれば十分である。また、パルス電圧の信号形状は、矩形波、三角波等を適用することができる。

書換開始処理として、空間光変調器１０は、その全体に一様な磁界を垂直に印加するコイルまたはこれに芯（ヨーク）を備えた電磁石によって、すべての電極３，４から強磁性強誘電体層２に印加する電界−Ｅ１に代えて、これに相当する強さの磁界を印加してもよい。言い換えると、初期設定を、使用前に代えて書換毎（１フレーム毎）に実行する。

（空間光変調器の光変調動作）
本発明に係る空間光変調器の光変調動作を、図８を参照して、この空間光変調器を用いた表示装置にて説明する。本実施形態に係る空間光変調器１０は反射型であり、また、光変調素子１の強磁性強誘電体層２は磁化が上向きまたは下向きを示すため、表示装置は以下の構成とすることが好ましい。空間光変調器１０を用いた表示装置は、空間光変調器１０の上方の出射光（Ｌ₁，Ｌ₂，Ｌ₃，Ｌ₄）の経路上に、出射側偏光子ＰＦｏ、および出射側偏光子ＰＦｏを透過した光を検出する検出器ＰＤが配置される。さらに、空間光変調器１０の上方に、入射光Ｌ₀を生成するための、レーザー光源、ビーム拡大器、コリメータレンズ、および入射側偏光子が配置される（図示省略）。入射側偏光子および出射側偏光子ＰＦｏは、それぞれ偏光板等であり、特定の偏光成分の光を遮光する。検出器ＰＤはスクリーン等の画像表示手段である。なお、図８においては、入射光と出射光の経路を識別し易くするために、入射光の入射角を傾斜させて示す。

レーザー光源から照射されたレーザー光は、ビーム拡大器およびコリメータレンズを経由して平行光となり、さらに入射側偏光子を透過して１つの偏光成分の光からなる入射光Ｌ₀になって、上方から略垂直（入射角≒０°）に空間光変調器１０の全面に入射する。空間光変調器１０に入射した入射光Ｌ₀は、上部電極３および強磁性強誘電体層２を順次透過して下部電極４の上面で反射し、再び強磁性強誘電体層２および上部電極３を透過して、出射光Ｌ₁，Ｌ₂，Ｌ₃，Ｌ₄として空間光変調器１０から上方へ出射する。

図８に示す空間光変調器１０の一列の光変調素子１，１，１，１は、図６および図７に示す一連の処理によって、左から順に、強磁性強誘電体層２の磁化が−Ｍ２，−Ｍ１，Ｍ２，Ｍ１に設定されている。なお、図８において、これらの強磁性強誘電体層２の磁化を空間光変調器１０の下側に付し、また、強磁性強誘電体層２に付した磁化方向を示す太矢印の大きさで磁化の大きさの違いを表す（０＜Ｍ２＜Ｍ１）。このような強磁性強誘電体層２により、それぞれの光変調素子１から出射した出射光Ｌ₁，Ｌ₂，Ｌ₃，Ｌ₄は、入射光Ｌ₀に対して強磁性強誘電体層２の磁化−Ｍ２，−Ｍ１，Ｍ２，Ｍ１の向きと大きさに対応した向きと角度で偏光が回転した光であり、それぞれ、角度−θ_K２，−θ_K１，＋θ_K２，＋θ_K１回転した光とする（０°＜θ_K２＜θ_K１≦４５°）。

出射光Ｌ₁，Ｌ₂，Ｌ₃，Ｌ₄は、出射側偏光子ＰＦｏに到達して、出射側偏光子ＰＦｏが遮光する偏光の向き（方位）に対する角度差に対応した光量が出射側偏光子ＰＦｏを透過して検出器ＰＤに到達する。図８においては、出射側偏光子ＰＦｏは、入射光Ｌ₀に対して偏光が−θ_K１回転した光を遮光する。そのため、出射光Ｌ₂は出射側偏光子ＰＦｏに完全に遮光されて検出器ＰＤにまったく到達せず、左から２つ目の光変調素子１からなる画素は検出器ＰＤに最も暗く（黒く）表示され、これを「黒」と設定する。これに対して、入射光Ｌ₀に対して偏光が＋θ_K１回転した出射光Ｌ₄は、出射側偏光子ＰＦｏが遮光する偏光の向きに対する角度差が最大であるため、最大の光量で出射側偏光子ＰＦｏを透過して検出器ＰＤに到達し、右端の光変調素子１からなる画素は検出器ＰＤに最も明るく表示され、これを「白」と設定する。また、出射光Ｌ₁，Ｌ₃は、出射光Ｌ₄よりも暗くかつ互いに異なる明るさで検出器ＰＤに表示される。詳しくは、光量がＬ₄＞Ｌ₃＞Ｌ₁＞Ｌ₂（＝０）の順に多く出射側偏光子ＰＦｏを透過して検出器ＰＤに到達する。このように、本発明に係る空間光変調器１０は、光変調素子１毎に、３以上（ここでは４）の異なる方位の偏光の光を出射することができ、１画素で白黒の２階調だけでなくその中間調（灰色）を表示することができる。

なお、空間光変調器１０における光変調素子１外の領域から出射した光、例えば上部電極３，３間の絶縁層６１に進入し、その直下の強磁性強誘電体層２を透過して下部電極４で反射して出射した光は、出射光Ｌ₂と同じ、出射側偏光子ＰＦｏが遮光する向きの偏光であるため、出射側偏光子ＰＦｏで完全に遮光され、検出器ＰＤに黒く表示される。下部電極４，４間の絶縁層６２に進入して基板５で反射した光も同様である。あるいは絶縁層６２に進入した光は、その下の基板５を透過または吸収して出射しないので、同じく検出器ＰＤに黒く表示される。このように、空間光変調器１０は、予め初期設定として外部磁界を下向きに印加されて、強磁性強誘電体層２全体が下向きの残留磁化−Ｍｒとされていることにより、電極３，４から電界を印加されない光変調素子１外の領域である各画素の周縁部（開口部外）を常に黒く表示することができ、全体のコントラストを低下させない。

前記したように、図８においては、入射光Ｌ₀と出射光Ｌ₁，Ｌ₂，Ｌ₃，Ｌ₄との経路が異なるように入射光Ｌ₀の入射角を傾斜させているが、入射角が大きいほど極カー効果が低下して光変調度が低下するため、３０°以内とすることが好ましく、膜面に垂直に入射、すなわち入射角を０°にすることが最も好ましい。入射角を０°にする場合は、入射光Ｌ₀と出射光Ｌ₁，Ｌ₂，Ｌ₃，Ｌ₄は、空間光変調器１０上で経路が一致するため、例えば入射側偏光子と空間光変調器１０との間にハーフミラーを配置して、一方を反射させてもよい（図示せず）。

（空間光変調器の駆動方法の別の実施形態）
本実施形態に係る空間光変調器１０の別の駆動方法を、図９、図１０、図６および図７を参照して説明する。図５を参照して説明したように、強磁性強誘電体層２は、その誘電分極と逆向きの電界を印加されて、設定しようとする磁化よりも大きな所定の磁化に到達してから、電界印加を停止することにより、所望の磁化に設定することができる。この誘電分極および磁化の、電界印加時における大きさ、言い換えると、電界の印加方向に沿った向きを示す分域の占める割合（図３参照）は、電界の強さだけでなく、図９に示すように印加時間ｔにも依存する。なお、図９の縦軸において、ＰｓとＭｓ、−Ｐｓと−Ｍｓはそれぞれ一致し、図９では分極のみを表す。したがって、その後印加を停止した時の磁化も、印加時間ｔに依存する。このとき印加する電界は、飽和磁化Ｍｓに到達させる電界Ｅｓ（図２参照）以上であることが好ましい。そこで、本実施形態に係る空間光変調器１０は、一定の強さの電界Ｅ１（≧Ｅｓ）を、印加時間ｔを調整して印加することにより、図１０に示す、Ｍ１，Ｍ２，−Ｍ２，−Ｍ１（０＜Ｍ２＜Ｍ１＝Ｍｒ）の４段階の磁化に設定することができる。図１０は、図５に示す分極ヒステリシス曲線の横軸を電界印加時間に置き換えたものである。図１０の横軸は、中心（０秒間）から右方向において上向きの電界Ｅ１の印加時間ｔ(Ｅ１)を示し、中心から左方向において下向きの電界−Ｅ１の印加時間ｔ(−Ｅ１)を示す。なお、図１０において、横軸の長さは印加時間ｔ(Ｅ１)，ｔ(−Ｅ１)に必ずしも対応するものではない。

印加時間ｔ１は、残留磁化−Ｍｒ，Ｍｒである強磁性強誘電体層２に、それぞれ逆向きの電界Ｅ１，−Ｅ１を印加した時に、飽和磁化Ｍｓ，−Ｍｓに到達させる（図１０の点ｄ→ａ、点ｂ→ｃ）時間以上に設定される。印加時間ｔ２は、同じく残留磁化−Ｍｒ，Ｍｒである強磁性強誘電体層２に、それぞれ逆向きの電界Ｅ１，−Ｅ１を印加した時に、図１０の点ａ’、点ｃ’に到達させる（図１０の点ｄ→ａ’、点ｂ→ｃ’）時間に設定される。

本実施形態においても、まず、書換開始処理として、図６（ａ）に示すように、すべての上部電極３を電圧Ｖ１の電源の「＋」に、すべての下部電極４を同電源の「−」にそれぞれ接続して、すべての光変調素子１における強磁性強誘電体層２に、下向きの電界−Ｅ１を印加する。この時の印加時間はｔ１とする。そして、図６（ｂ）においては、上向きの電界Ｅ１を時間ｔ１印加する。一方、図７（ａ）、（ｂ）においては、電界Ｅ２，−Ｅ２に代えて電界Ｅ１，−Ｅ１を電圧Ｖ１の電源でそれぞれ時間ｔ２印加する。このように、一定の強さの電界Ｅ１を、向きと印加時間とを切り換えて印加することにより、２以上の異なる強さの電界を印加した場合と同様に、強磁性強誘電体層２の磁化を−Ｍ２，−Ｍ１，Ｍ２，Ｍ１に設定することができる。なお、強磁性強誘電体層２に設定される磁化の両方向における最大値Ｍ１，−Ｍ１は、残留磁化Ｍｒ，−Ｍｒでなくてもよく（Ｍ１＜Ｍｒ）、磁化Ｍ１の大きさに対応した印加時間ｔ１を設定することができる。また、電界Ｅ１は、Ｅｓ以上が好ましいがこれに限られず、抗電界Ｅｃ超であればよい。向きと印加時間を切り換えての電界印加の順序、また、同時に異なる時間で印加することについては、電界の強さを調整した場合と同様である。

具体的には、電圧Ｖ１を周期Ｔ（＞ｔ１）、パルス幅（ピーク期間）ｔ１で出力するパルス電源と、電圧Ｖ１を周期Ｔ、パルス幅ｔ２で出力するパルス電源とを、順逆切替え可能な切換器を介して電極３，４に接続した空間光変調システムとすることにより、図６（ｂ）と図７（ａ）に示す処理を同時に実行することができる。２つのパルス電源は、同じ周期Ｔで異なるパルス幅ｔ１，ｔ２に設定し、すなわちデューティ比を変えることにより、出力を同期させることができる。あるいは、パルス幅ｔ１，ｔ２のパルス電源の２つずつ計４つを、極性を入れ替えて切換器を介して電極３，４に接続してもよい。また、本実施形態においては、電界Ｅ１，−Ｅ１の印加時間を階調の半数に細分化して設定する、すなわち階調の半数通りのパルス幅でそれぞれ電圧Ｖ１を出力するパルス電源を接続することにより、所望の多階調表示とすることができる。

（空間光変調器、光変調素子の変形例）
本発明に係る空間光変調器１０は、光変調素子１が、強磁性強誘電体層２の上や下に、絶縁層６１，６２に適用されるような絶縁膜をさらに積層して備える構造であってもよい。このような構造とすることにより、電極３，４間のリーク電流をより確実に抑制することができる。また、本発明に係る空間光変調器１０は、基板５に透明な材料を適用し、上下を反転させて基板５を光の入出射側に向けて使用されてもよい。すなわち、透明な基板５上に、上部電極３、強磁性強誘電体層２、下部電極４の順に形成する。また、基板５に透明な材料を適用し、下部電極４に上部電極３と同様の透明電極材料を適用することにより、透過型の空間光変調器１０とすることができる（以上、図示せず）。

反射型の空間光変調器１０は、絶縁層６１、あるいはさらに絶縁層６２を、屈折率の異なる２種以上の絶縁膜を１層ずつまたは交互に繰り返し積層して、入射光Ｌ₀の波長の光に対する反射防止膜としてもよい（例えば、特許文献６参照）。また、透過型の空間光変調器１０は、絶縁層６１，６２を、屈折率の異なる２種以上の絶縁膜を交互に繰り返し積層して、入射光Ｌ₀の波長の光を透過させない（カットする）光学フィルタとしてもよい。これらの構造とすることにより、空間光変調器１０は、光変調素子１外の領域から光を出射しないので、この領域における強磁性強誘電体層２の磁化にかかわらずコントラストを低下させない。したがって、空間光変調器１０は、強磁性強誘電体層２の初期設定として外部磁界印加を行わなくてもよい。

本発明に係る空間光変調器１０は、光変調素子１が、磁気光学効果の高い磁気転写膜（図示せず）を、強磁性強誘電体層２に積層して備える構造であってもよい。磁気転写膜は、保磁力が小さく、垂直磁気異方性を示し得る磁性膜からなり、強磁性強誘電体層２に界面で磁気的に強く結合して、強磁性強誘電体層２の磁化の変化に追随して磁化が変化する。したがって、磁気転写膜は、強磁性強誘電体層２の磁気光学効果が高くない場合に、これを補って光変調度を大きくして空間光変調器１０のコントラストを向上させる。

このような磁気転写膜として、具体的にはイットリウム鉄ガーネット（Ｙ₃Ｆｅ₅Ｏ₁₂：ＹＩＧ）のような磁性ガーネット膜が挙げられ、特にビスマス置換磁性ガーネット（Ｙ_3-XＢｉ_XＦｅ₅Ｏ₁₂：Ｂｉ−ＹＩＧ）はファラデー回転角が大きいことから好ましい。磁性ガーネット膜からなる磁気転写膜は、強磁性強誘電体層２の上下いずれの側に積層されてもよく、あるいは両側（両面）に積層されてもよい。また、磁気転写膜は、強磁性強誘電体層２の磁化の変化に追随して磁化が変化させられる厚さであればよく、厚くするほど比例してファラデー回転角を大きくすることができるが、一方で保磁力が増大する。また、磁性ガーネット膜は絶縁体であるため、厚くなるにしたがい、電極３，４から電界を印加するために、接続する電源の電位差を大きく設定する必要がある。

あるいは磁気転写膜として、スピン注入磁化反転素子等に適用されるような公知の導電性の垂直磁気異方性材料を適用してもよい。具体的には、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ等の遷移金属とＰｄ，Ｐｔのような貴金属とを繰り返し積層したＣｏ／Ｐｄ多層膜等の多層膜、Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏ，Ｇｄ−Ｆｅ等の希土類金属と遷移金属との合金（ＲＥ−ＴＭ合金）、ＦｅＰｔ，ＦｅＰｄ，ＣｒＰｔ₃等のＬ１₀系の規則合金、ＭｎＮ，ＦｅＮ等の窒化物磁性体、ＭｎＢｉ合金、Ｍｎ／Ｂｉ多層膜、ＰｔＭｎＳｂ合金、Ｐｔ／ＭｎＳｂ多層膜等が挙げられる。特に、磁気光学効果が高く、組成を調整して保磁力を小さくすることのできるＧｄ−Ｆｅが好ましい。これらの導電性の磁気転写膜は、厚膜化すると、保磁力が増大したり材料によっては垂直磁気異方性を示し難くなる上、特に透過型の空間光変調器１０においては光を透過し難くなるので、厚さを４０ｎｍ以下とすることが好ましく、２０ｎｍ以下とすることがより好ましい。また、導電性の磁気転写膜と共に、磁気転写膜と強磁性強誘電体層２の間に、バッファ層として、Ｔａ，Ｒｕ，Ｇｄ，Ｗ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ａｕ，Ａｇ等の金属膜をさらに積層してもよい。

導電性の磁気転写膜は、光変調素子１の平面視形状に分割、分離して形成されるか、接触する上部電極３または下部電極４の平面視形状に形成され、間隙に絶縁層６１，６２と同様の絶縁材料が設けられる。導電性の磁気転写膜は、磁性ガーネット膜と同様、強磁性強誘電体層２の上下いずれの側に積層されてもよい。ただし、反射型の空間光変調器１０においては、光を遮らないように、強磁性強誘電体層２の下、すなわち下部電極４の上に積層されることが好ましく、さらに、前記したように下部電極４と同じ平面視形状に形成されることが好ましい。このような構造とすることにより、上部電極３，３間の絶縁層６１に進入して下部電極４で反射、出射する光が、強磁性強誘電体層２のみによって相対的に小さな角度で旋光した光とならない。また、このような下部電極４の平面視形状の磁気転写膜を備えた反射型の空間光変調器１０においては、下部電極４，４間の絶縁層６２に進入した光が出射しないように、基板５が、光を下方へ透過させるか吸収することが好ましい。あるいは、反射型の空間光変調器１０は、磁気転写膜の間隙に設けられる絶縁層や絶縁層６１，６２を、前記の反射防止膜として、光変調素子１外の領域から光を出射しない構造とすることが好ましい。同様に、透過型の空間光変調器１０は、絶縁層６１，６２等を、入射光Ｌ₀の波長の光を透過させない光学フィルタとすることが好ましい。

反射型の空間光変調器１０は、光を多重反射させて強磁性強誘電体層２による旋光角を累積させて光変調度を大きくする構造としてもよい（特許文献５，６参照）。具体的には、例えば、屈折率が強磁性強誘電体層２よりも低い透明電極材料を上部電極３に適用して、上部電極３の下面と下部電極４の上面との間で光を多重反射させる。このとき、多重反射した光同士が同位相となって強め合うように、強磁性強誘電体層２の厚さを、当該強磁性強誘電体層２の屈折率、入射光Ｌ₀の波長および入射角に基づいて設計することが好ましい。あるいは、強磁性強誘電体層２の上または下に、屈折率が強磁性強誘電体層２と近似する絶縁膜を積層して、合計の厚さで調整することもできる。または、屈折率が強磁性強誘電体層２と近似する透明電極材料を上部電極３に適用して、上部電極３の上面と下部電極４の上面との間で光を多重反射させてもよい。この他に、強磁性強誘電体層２の下に、屈折率が強磁性強誘電体層２よりも高い絶縁膜を積層して、強磁性強誘電体層２の下面と下部電極４の上面との間で光を多重反射させてもよい。なお、これらの構造において、上部電極３，３間の光変調素子１外の領域から出射した光についても同等の旋光角となるように、絶縁層６１を、屈折率が上部電極３と近似する絶縁材料で形成したり、あるいは前記したように反射防止膜として、光変調素子１外の領域から光を出射しない構造とすることが好ましい。また、これらの構造に前記の磁気転写膜を組み合わせてもよく、光変調度をいっそう大きくすることができる。

反射型の空間光変調器１０は、下部電極４が、光変調素子１の平面視形状に分割、分離して形成されて、光変調素子１毎に設けられたトランジスタに接続されてもよい（図示せず）。トランジスタは、例えばＭＯＳＦＥＴ（金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）であり、基板５にＳｉ基板を適用してその表層に形成される。空間光変調器１０はさらに、Ｘ方向、Ｙ方向にそれぞれ延設した金属電極材料からなる配線を備え、一方がトランジスタのゲートに接続するゲート線（第３配線）、他方がソースに接続するデータ線（第２配線）となり、また、ドレインに下部電極４が接続する。このような構造の空間光変調器１０において、上部電極３は、強磁性強誘電体層２と同様、一体に連続した膜（第１配線）に形成することができる。すなわち、トランジスタを備えた空間光変調器１０は、アクティブマトリクス駆動方式の液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）に類似した構成となる。また、配線等のパターニングされた部材が光路上にないので、特に画素が微細化されたときに、回折光によるノイズが発生し難い。そして、空間光変調器１０を駆動するために、パルス電源を上部電極３とデータ線に接続し、さらに、トランジスタにゲート電圧を入力するための電源をゲート線に接続する。あるいは、ゲート電圧の方をパルス入力してもよい。なお、このような空間光変調器１０においては、光変調素子１が、前記変形例に挙げたような絶縁材料を強磁性強誘電体層２（電極３，４間）に積層せず、磁気転写膜を設ける場合には導電性のものを適用する。

以上のように、本発明の実施形態に係る光変調素子によれば、一対の電極を備えて電気的に磁化を連続的に変化させることができるので、２値の光だけでなく中間の１以上の光に変調することができる。また、このような光変調素子を配列した本発明の実施形態に係る空間光変調器によれば、前記電極を行方向と列方向とに延設した配線で構成した簡素な構造とすることができ、さらに１画素に１個の光変調素子を備えて階調表示することができるので、高精細で画素の開口率が高く、多階調表示が可能になり、また、駆動する際に電流が流れないので省電力化することができる。

以上、本発明の光変調素子および空間光変調器を実施するための各実施形態について述べてきたが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。

１０ 空間光変調器
１ 光変調素子
２ 強磁性強誘電体層（強磁性と強誘電性とを有する層）
３ 上部電極（電極）
４ 下部電極（電極）
５ 基板
６１，６２ 絶縁層

Claims (7)

1. 光変調層および前記光変調層の上下に設けられて垂直に電界を印加する一対の電極を備え、入射した光の偏光方向を、前記光変調層の磁化の向きおよび大きさに対応した角度で変化させて出射する光変調素子であって、
   前記一対の電極の少なくとも一方が光を透過し、
   前記光変調層は、強磁性と強誘電性とを有する層を含み、電界を印加されると、前記電界と同じ向きの磁化を有する領域が、前記電界の強さまたは印加時間に対応して増加することにより、磁化の大きさが変化することを特徴とする光変調素子。
2. 請求項１に記載の光変調素子を二次元配列して備える空間光変調器であって、
   前記一対の電極の一方と他方が、前記二次元配列した光変調素子の行毎と列毎にそれぞれ延設されて、第１配線と第２配線を形成している空間光変調器。
3. 請求項１に記載の光変調素子を二次元配列して備える空間光変調器であって、
   前記二次元配列した光変調素子の前記一対の電極の一方が、光を透過し、かつ互いに連結して一体の第１配線を形成し、
   前記光変調素子毎に、前記一対の電極の他方に接続するトランジスタを備え、
   前記トランジスタを経由して前記一対の電極の他方と接続する第２配線と、前記トランジスタのゲートに接続する第３配線と、が前記二次元配列した光変調素子の行毎と列毎とにそれぞれ延設されている空間光変調器。
4. 請求項２または請求項３に記載の空間光変調器を備える空間光変調システムであって、
   Ｎ通り（Ｎは２以上の自然数）の大きさの電圧をパルス出力するパルス電源を、前記空間光変調器の前記第１配線と前記第２配線の間に接続して、最多で２Ｎ階調表示する空間光変調システム。
5. 請求項２または請求項３に記載の空間光変調器を備える空間光変調システムであって、
   一定の大きさの電圧をＮ通り（Ｎは２以上の自然数）のパルス幅でパルス出力するパルス電源を、前記空間光変調器の前記第１配線と前記第２配線の間に接続して、最多で２Ｎ階調表示する空間光変調システム。
6. 請求項３に記載の空間光変調器を備える空間光変調システムであって、
   Ｎ通り（Ｎは２以上の自然数）の大きさの電圧を出力する電源を、前記空間光変調器の前記第１配線と前記第２配線の間に接続し、電圧をパルス出力するパルス電源を前記空間光変調器の前記第３配線に接続して、最多で２Ｎ階調表示する空間光変調システム。
7. 請求項３に記載の空間光変調器を備える空間光変調システムであって、
   一定の大きさの電圧を出力する電源を前記空間光変調器の前記第１配線と前記第２配線の間に接続し、Ｎ通り（Ｎは２以上の自然数）のパルス幅でパルス出力するパルス電源を、前記空間光変調器の前記第３配線に接続して、最多で２Ｎ階調表示する空間光変調システム。

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