JP3982685B2

JP3982685B2 - 空間光変調器

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Publication number: JP3982685B2
Application number: JP2002304866A
Authority: JP
Inventors: 光輝井上; パクジャエヒュック
Original assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2002-02-21
Filing date: 2002-10-18
Publication date: 2007-09-26
Anticipated expiration: 2022-10-18
Also published as: JP2003315756A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気光学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およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
入射光を空間的に変調する空間光変調器は、光学的な情報処理やコンピュータ合成ホログラム等の分野において用いられている。
【０００３】
従来の空間光変調器としては、液晶を用いたものや、マイクロミラーデバイスを用いたものがある。
【０００４】
上述の光学的な情報処理やコンピュータ合成ホログラム等の分野では、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いことが望まれる。
【０００５】
しかしながら、液晶を用いた空間光変調器では、動作速度が小さいという問題点がある。例えば、液晶の中では動作速度の大きい強誘電性液晶を用いた空間光変調器であっても、応答時間はマイクロ秒のオーダーである。
【０００６】
マイクロミラーデバイスを用いた空間光変調器では、比較的、高速の動作が可能である。しかしながら、この空間光変調器は、高度な半導体製造プロセスによって製造される、構造が複雑なマイクロマシーンであるため、製造コストが高いと共に、機械的な駆動部分を有するので信頼性の面で問題が残る。
【０００７】
ところで、例えば、特許文献１〜６には、磁気光学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が記載されている。以下、このような空間光変調器を、光磁気空間光変調器と呼ぶ。この光磁気空間光変調器は、それぞれ光磁気材料よりなり、独立に磁化の方向を選択可能な複数の画素を有している。光磁気空間光変調器では、ファラデー効果によって、各画素における磁化の方向に応じて、各画素を通過する光の偏光方向が互いに反対方向に所定角度ずつ回転される。従って、光磁気空間光変調器では、各画素における磁化の方向を任意に選択することにより、空間的に変調された光を生成することができる。
【０００８】
光磁気空間光変調器では、各画素における磁化の方向の反転速度が大きいので、画素単位では、液晶を用いた空間光変調器に比べて動作速度を大きくすることができる。
【０００９】
ところで、特許文献１〜５に示された従来の光磁気空間光変調器では、各画素の位置で交差するように格子状に２種類の導体を設け、任意の画素における磁化の方向を反転させる際には、その画素が配置された位置で交差する２本の導体に通電することによって、その画素における磁化の方向を反転させるための磁界を発生させるようにしていた。
【００１０】
特許文献６に示された従来の光磁気空間光変調器は、一軸磁気異方性を有する透明磁性膜と、この透明磁性膜に応力を与えるように近接して配置された透明電歪性誘電体膜と、この透明電歪性誘電体膜を挟み且つ互いに交差するように配置されたＸ列透明電極およびＹ列透明電極とを備えている。この光磁気空間光変調器では、Ｘ列透明電極およびＹ列透明電極によって透明電歪性誘電体膜に電圧を印加することによって、透明電歪性誘電体膜における各画素に対応する部分にひずみを生じさせる。このひずみによって、透明磁性膜の各画素に相当する部分に応力が与えられる。そして、この応力によって、透明磁性膜の各画素に相当する部分における磁化の方向が制御される。
【００１１】
【特許文献１】
米国特許第４，５８４，２３７号明細書
【特許文献２】
米国特許第５，２４１，４２１号明細書
【特許文献３】
米国特許第５，２５５，１１９号明細書
【特許文献４】
米国特許第５，３８６，３１３号明細書
【特許文献５】
米国特許第５，４７３，４６６号明細書
【特許文献６】
特開平３−２０４６１５号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１〜５に示された光磁気空間光変調器では、画素における磁化の方向を反転させるために大きな磁界が必要であり、そのため大きな駆動電流が必要であった。そのため、従来の光磁気空間光変調器では、消費電力が大きくなると共に、発熱量が大きくなるという問題点があった。
【００１３】
これに対し、特許文献６に示された光磁気空間光変調器によれば、電圧によって画素における磁化の方向を制御するため、消費電力および発熱を低減することができる。しかしながら、この光磁気空間光変調器では、透明電歪性誘電体膜において、１つの画素に対応する部分におけるひずみが他の部分に影響を与えたり、１つの画素に対応する部分におけるひずみが他の部分によって抑制されたりする。そのため、この光磁気空間光変調器では、その動作のために比較的大きな電圧が必要になるという問題点があった。
【００１４】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、磁気光学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であって、消費電力および発熱を低減できると共に、動作に必要な電圧を小さくすることができるようにした空間光変調器、およびその製造方法を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明の空間光変調器は、
光磁気材料よりなり、それぞれ独立に磁化の方向が設定され、磁気光学効果により、入射する光に対して磁化の方向に応じた偏光方向の回転を与える複数の画素を含む磁性層と、
圧電材料よりなり、自らがひずむことによって磁性層の各画素に応力を与えるための圧電層と、
圧電層を挟み且つ各画素に対応した位置で交差するように配置され、所定の電圧が印加されることによって、圧電層における各画素に対応した部分に対して、電気ひずみ効果によるひずみを発生させるための電界を与える複数の第１の導体層および複数の第２の導体層とを備え、
圧電層は、各画素に対応した各部分毎に分割され、
磁性層の各画素は、圧電層の各部分によって与えられた応力の方向に応じて磁化の方向が設定されるものである。
【００１６】
本発明の空間光変調器では、第１の導体層および第２の導体層にそれぞれ所定の電圧が印加されることによって、圧電層における各画素に対応した各部分に電界が与えられ、この電界によって、圧電層の各部分に、電気ひずみ効果によるひずみが発生する。圧電層の各部分のひずみは、磁性層の各画素に応力を与える。磁性層の各画素では、圧電層の各部分によって与えられた応力の方向に応じて磁化の方向が設定される。この空間光変調器では、入射光に対して各画素における磁化の方向に応じた偏光方向の回転が与えられて、入射光が空間的に変調される。
【００１７】
本発明の空間光変調器において、磁性層は、一方の面と、他方の面と、一方の面から、一方の面と他方の面との間の所定の位置まで形成され、各画素の領域を規定する溝とを有していてもよい。
【００１８】
また、本発明の空間光変調器において、磁性層は、平坦な２つの面を有していてもよい。この場合、空間光変調器は、更に、それぞれ磁性層の一方の面に対向すると共に各画素に対応した位置に配置され、磁性層内に応力を発生させることによって各画素の領域を規定する複数の画素規定層を備えていてもよい。
【００１９】
また、本発明の空間光変調器は、更に、各画素における磁化の方向を変化させるために用いられるバイアス磁界を磁性層に印加するバイアス磁界印加手段を備えていてもよい。
【００２０】
本発明の空間光変調器の製造方法は、上記の本発明の空間光変調器を製造する方法であって、
磁性層、圧電層、第１の導体層および第２の導体層を形成する各工程を備え、
磁性層を形成する工程は、
平坦な２つの面を有し、磁性層となる膜を形成する工程と、
金属材料によって、上記膜の一方の面に対向すると共に各画素に対応した位置に配置されるように、複数の画素規定層を形成する工程と、
上記膜および画素規定層を熱処理することによって、膜中に画素を形成する工程とを含むものである。
【００２１】
本発明の空間光変調器の製造方法において、画素規定層を残して空間光変調器を製造してもよい。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
［第１の実施の形態］
まず、図１ないし図４を参照して、本発明の第１の実施の形態に係る空間光変調器の構成について説明する。図１は本実施の形態に係る空間光変調器の一部を示す平面図である。図２は図１のＡ−Ａ線断面図である。図３は本実施の形態に係る空間光変調器の使用方法を概念的に示す斜視図である。図４は本実施の形態に係る空間光変調器とその周辺回路を示す説明図である。
【００２３】
図３に示したように、本実施の形態に係る空間光変調器１は、素子部２と、この素子部２の周囲に配置されたバイアス磁界印加用コイル３とを備えている。素子部２は板状をなし、一方の面が光の入出射面２ａになっている。バイアス磁界印加用コイル３は、そこに電流が流されることにより、入出射面２ａに対して垂直な方向のバイアス磁界を発生し、このバイアス磁界を素子部２に印加する。素子部２に入射した光は、素子部２によって空間的に変調されて出射される。素子部２から出射された光は、図４に示したように、検光子２０を通過させた後に利用してもよい。
【００２４】
図１および図２に示したように、素子部２は、基板１０と、この基板１０の上に形成された磁性層１１とを備えている。磁性層１１は、光磁気材料よりなり、それぞれ独立に磁化の方向が設定され、磁気光学効果により、入射する光に対して磁化の方向に応じた偏光方向の回転を与える複数の画素１１ａを含んでいる。画素１１ａの平面形状は例えば矩形である。磁性層１１は、各画素１１ａ毎に分割されている。隣接する画素１１ａの間には、各画素１１ａの領域を規定する溝１１ｂが形成され、この溝１１ｂ内には絶縁層１２が配置されている。磁性層１１および絶縁層１２の上面は平坦化されている。バイアス磁界印加用コイル３は、各画素１１ａにおける磁化の方向を変化させるために用いられるバイアス磁界を磁性層１１に印加する。
【００２５】
素子部２は、更に、磁性層１１および絶縁層１２の上に形成され、同一の方向（以下、Ｘ方向と言う。）に延び、一定の周期で配列された複数の第１の導体層１３と、圧電材料よりなり、複数の導体層１３の上に形成された圧電層１４と、この圧電層１４の上に形成され、Ｘ方向と直交する方向（以下、Ｙ方向と言う。）に延び、一定の周期で配列された複数の第２の導体層１５とを備えている。なお、図１では圧電層１４の図示を省略している。
【００２６】
圧電層１４は、磁性層１１の各画素１１ａに対応した各部分毎に分割されている。この圧電層１４の各部分の間には絶縁層１６が配置されている。圧電層１４および絶縁層１６の上面は平坦化されている。
【００２７】
複数の導体層１３と複数の導体層１５は、圧電層１４を挟み且つ各画素１１ａに対応した位置で交差するように配置されている。また、複数の導体層１３と複数の導体層１５は、所定の電圧が印加されることによって、圧電層１４における各画素１１ａに対応した各部分に対して、電気ひずみ効果によるひずみを発生させるための電界を与えるようになっている。磁性層１１の各画素１１ａは、導体層１３を介して、圧電層１４における各画素１１ａに対応した各部分に対して機械的に結合されている。
【００２８】
基板１０は、例えばガドリニウムガリウムガーネット（ＧＧＧ）によって形成されている。磁性層１１は、例えば磁性ガーネット薄膜によって形成されている。磁性層１１の材料としては、希土類鉄ガーネットやビスマス置換希土類鉄ガーネット等が用いられる。磁性層１１の形成方法としては、液相エピタキシャル成長法（ＬＰＥ法）またはスパッタ法によって単結晶の磁性ガーネット薄膜を形成する方法がある。磁性層１１における溝１１ｂは例えばエッチングによって形成される。絶縁層１２は、ＳｉＯ_２等の絶縁材料によって形成されている。
【００２９】
第１の導体層１３は、例えば、磁性層１１および絶縁層１２の上に形成された第１層１３ａと、この第１層１３ａの上に形成された第２層１３ｂとで構成されている。第１層１３ａは例えばＴｉによって形成され、第２層１３ｂは例えばＰｔによって形成される。第２の導体層１５は例えばＡｌによって形成されている。
【００３０】
圧電層１４は、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（以下、ＰＺＴと記す。)によって形成されている。また、圧電層１４は、例えばゾル−ゲル法によって形成される。Ｐｔよりなる第２層１３ｂの上にＰＺＴ膜を形成することにより、（１１１）面を有するように配向されたＰＺＴ膜よりなる圧電層１４を形成することができる。このようにして形成された圧電層１４は大きな圧電効果を発揮する。
【００３１】
素子部２において、基板１０の下面が光Ｌの入出射面２ａになっている。光Ｌはこの入出射面２ａから基板１０に入射し、基板１０および磁性層１１を通過し、第１の導体層１３で反射され、再度、磁性層１１および基板１０を通過して、入出射面２ａから出射されるようになっている。基板１０および磁性層１１は、空間光変調器１によって変調する光Ｌに対して透光性を有している。
【００３２】
次に、図４を参照して、本実施の形態に係る空間光変調器１の駆動手段について説明する。図４に示したように、素子部２の複数の導体層１３は駆動部３１に接続され、複数の導体層１５は駆動部３２に接続される。また、バイアス磁界印加用コイル３は駆動部３３に接続される。駆動部３１，３２，３３は制御部３４によって制御されるようになっている。駆動部３１，３２は、制御部３４の制御の下で、それぞれ導体層１３，１５に所定の電圧を印加するようになっている。駆動部３１は、複数の導体層１３にそれぞれ所定の電圧を印加するための複数の駆動回路を含んでいる。同様に、駆動部３２は、複数の導体層１５にそれぞれ所定の電圧を印加するための複数の駆動回路を含んでいる。また、駆動部３３は、コイル３に正または負の任意の電流を流すようになっている。
【００３３】
次に、図５および図６を参照して、本実施の形態に係る空間光変調器１の作用について説明する。以下の説明では、一例として、圧電層１４は、上向きの電界が与えられると厚み方向に収縮するようにひずみ、下向きの電界が与えられると厚み方向に伸張するようにひずむものとする。また、磁性層１１の各画素１１ａは、厚み方向に伸張する方向の応力が与えられると自発磁化の方向が上向きとなり、厚み方向に圧縮する方向の応力が与えられると自発磁化の方向が下向きとなるものとする。
【００３４】
まず、図５を参照して、全ての画素１１ａにおける磁化の方向を同じ方向に揃える方法について説明する。ここでは、図５に示したように、全ての画素１１ａにおける磁化Ｍの方向を上向きに揃えるものとして説明する。この場合には、圧電層１４における各画素１１ａに対応した各部分に上向きの電界Ｅが与えられるように、例えば、導体層１３に所定の正の値の電圧を印加し、導体層１５に０Ｖを印加する。これにより、圧電層１４における各画素１１ａに対応した各部分は、厚み方向に収縮するようにひずむ。この圧電層１４の各部分のひずみは、磁性層１１の各画素１１ａに、伸張する方向の応力を与える。これにより、全ての画素１１ａにおいて、自発磁化の方向が上向きの磁区が発生する。ここで、素子部２に上向きのバイアス磁界Ｈｂを印加すると、画素１１ａ内において、磁化の方向が上向きの磁区が拡大し、画素１１ａ内の全体において磁化Ｍの方向は上向きとなる。なお、磁区が拡大する際、磁壁の移動は溝１１ｂによって抑止される。
【００３５】
次に、図６を参照して、図５に示した状態から、任意の画素（以下、対象画素と言う。）１１ａにおける磁化の方向を下向きに変える方法について説明する。この場合には、対象画素１１ａに対応した圧電層１４の部分に下向きの電界Ｅが与えられるように、例えば、対象画素１１ａに対応した導体層１５に所定の正の値の電圧を印加し、対象画素１１ａに対応した導体層１３に０Ｖを印加する。これにより、対象画素１１ａに対応した圧電層１４の部分は、厚み方向に伸張するようにひずむ。この圧電層１４の部分のひずみは、対象画素１１ａに、圧縮する方向の応力を与える。これにより、対象画素１１ａにおいて、自発磁化の方向が下向きの磁区が発生する。ここで、素子部２に下向きのバイアス磁界Ｈｂを印加すると、対象画素１１ａ内において、磁化の方向が下向きの磁区が拡大し、対象画素１１ａ内の全体において磁化Ｍの方向は下向きとなる。なお、バイアス磁界Ｈｂの大きさは、他の画素１１ａにおける磁化Ｍの方向を変えない程度の大きさとする。
【００３６】
なお、電界Ｅおよびバイアス磁界Ｈｂの向きを、図５を参照した説明とは逆にすれば、全ての画素１１ａにおける磁化Ｍの方向を下向きに揃えることができる。また、この状態から、任意の画素１１ａにおける磁化の方向を上向きに変えるには、電界Ｅおよびバイアス磁界Ｈｂの向きを、図６を参照した説明とは逆にすればよい。
【００３７】
なお、圧電層１４における画素１１ａに対応した部分によって与えられる応力のみによって画素１１ａ内の全体において磁化Ｍの方向が切り換わる場合には、バイアス磁界Ｈｂは不要になる。この場合には、図４におけるバイアス磁界印加用コイル３および駆動部３３も不要になる。
【００３８】
入出射面２ａから空間光変調器１の素子部２に入射した光Ｌは、基板１０を通過した後、磁性層１１の各画素１１ａを通過する。各画素１１ａを通過する光Ｌには、ファラデー効果により、各画素１１ａにおける磁化の方向に応じた偏光方向の回転、すなわちファラデー回転が与えられる。以下の説明では、磁化方向が上向きの画素１１ａを通過する光Ｌの偏光方向は＋θ_Fだけ回転され、磁化方向が下向きの画素１１ａを通過する光Ｌの偏光方向は−θ_Fだけ回転されるものとする。
【００３９】
画素１１ａを通過した光Ｌは、導体層１３で反射され、再度、画素１１ａおよび基板１０を通過して、素子部２から出射される。導体層１３で反射されてから画素１１ａを通過する光Ｌには、導体層１３に達する前に画素１１ａを通過する際と同様に、ファラデー効果により、画素１１ａにおける磁化の方向に応じた偏光方向の回転が与えられる。従って、磁化方向が上向きの画素１１ａを往復で２回通過して素子部２から出射される光Ｌの偏光方向は＋２θ_Fだけ回転され、磁化方向が下向きの画素１１ａを往復で２回通過して素子部２から出射される光Ｌの偏光方向は−２θ_Fだけ回転される。このようにして、偏光方向が空間的に変調された出射光が生成される。
【００４０】
以上説明したように、本実施の形態に係る空間光変調器１は、素子部２と、素子部２の周囲に配置されたバイアス磁界印加用コイル３とを備えている。素子部２は、光磁気材料よりなり、それぞれ独立に磁化の方向が設定され、磁気光学効果により、入射する光Ｌに対して磁化の方向に応じた偏光方向の回転を与える複数の画素１１ａを含む磁性層１１と、圧電材料よりなり、自らがひずむことによって磁性層１１の各画素１１ａに応力を与えるための圧電層１４と、圧電層１４を挟み且つ各画素１１ａに対応した位置で交差するように配置され、所定の電圧が印加されることによって、圧電層１４における各画素１１ａに対応した部分に対して、電気ひずみ効果によるひずみを発生させるための電界を与える複数の第１の導体層１３および複数の第２の導体層１５とを備えている。
【００４１】
本実施の形態に係る空間光変調器１では、第１の導体層１３および第２の導体層１５にそれぞれ所定の電圧が印加されることによって、圧電層１４における各画素１１ａに対応した各部分に電界Ｅが与えられる。そして、この電界Ｅによって、圧電層１４の各部分に、電気ひずみ効果によるひずみが発生する。圧電層１４の各部分のひずみは、磁性層１１の各画素１１ａに応力を与える。磁性層１１の各画素１１ａは、圧電層１４の各部分によって与えられた応力の方向に応じて磁化Ｍの方向が設定される。そして、本実施の形態に係る空間光変調器１では、入射光に対して各画素１１ａにおける磁化Ｍの方向に応じた偏光方向の回転が与えられて、入射光が空間的に変調される。
【００４２】
このように、本実施の形態に係る空間光変調器１では、電流ではなく電圧によって、画素１１ａにおける磁化Ｍの方向を反転させる。従って、本実施の形態によれば、空間光変調器１の消費電力および発熱を低減することができる。
【００４３】
また、本実施の形態では、圧電層１４は、磁性層１１の各画素１１ａに対応した各部分毎に分割されている。そのため、本実施の形態によれば、圧電層１４の１つの部分におけるひずみが圧電層１４の他の部分に影響を与えることがないと共に、圧電層１４の１つの部分におけるひずみが圧電層１４の他の部分によって抑制されることもない。従って、本実施の形態によれば、圧電層１４を各部分毎に分割しない場合に比べて、圧電層１４の各部分にひずみを発生させるための電界を小さくすることが可能になる。その結果、本実施の形態によれば、圧電層１４を各部分毎に分割しない場合に比べて、空間光変調器１の動作に必要な電圧を小さくすることが可能になる。
【００４４】
次に、本実施の形態に係る空間光変調器１における変形例について説明する。図７はこの変形例の空間光変調器の一部を示す断面図である。この変形例では、磁性層１１の各画素１１ａの領域を規定する溝１１ｂは、磁性層１１の上面から、上面と下面との間の所定の位置まで形成されている。磁性層１１の上面は本発明における磁性層の一方の面に対応し、磁性層１１の下面は本発明における磁性層の他方の面に対応する。溝１１ｂ内には絶縁層１２が配置されている。このように、変形例では、磁性層１１は、画素１１ａ毎に完全に分割されてはおらず、複数の画素１１ａにわたって連続している。本発明者の実験により、このような磁性層１１の構造によれば、磁性層１１を画素１１ａ毎に完全に分割した場合に比べて、画素１１ａにおける磁化の方向の反転を容易に行わせることができることが分かった。
【００４５】
変形例における磁性層１１の構造によれば画素１１ａにおける磁化の方向の反転を容易に行わせることができる理由は、次のように考えられる。すなわち、変形例では、隣接する２つの画素１１ａの間が磁性層１１によって連結されている。そのため、隣接する２つの画素１１ａにおける磁化の方向が異なる場合でも、磁性層１１のうち２つの画素１１ａの間の部分は、２つの画素１１ａにおける２つの磁化の方向の中間的な方向に磁化され得る。これにより、画素１１ａにおける磁化の方向の変化が容易になると考えられる。
【００４６】
以上のことから、変形例によれば、画素１１ａにおける磁化の方向の反転を容易に行わせることが可能になる。その結果、導体層１３，１５に印加する電圧を小さくしたり、バイアス磁界を低減したり、バイアス磁界を不要にしたりすることが可能になる。また、これにより、空間光変調器の動作を高速化することが可能になる。
【００４７】
また、変形例における溝１１ｂは、磁性層１１を画素１１ａ毎に完全に分割した場合に画素１１ａ間に形成される溝に比べて浅くなる。従って、変形例によれば、溝１１ｂを絶縁材料によって埋めて絶縁層１２を形成することが容易になる。あるいは、変形例によれば、溝１１ｂを絶縁材料によって埋めることなく磁性層１１の上に導体層１３を形成することも可能になる。また、変形例によれば、溝１１ｂの形成も容易になる。
【００４８】
変形例の空間光変調器におけるその他の構成、作用および効果は、図１ないし図４に示した空間光変調器１と同様である。
【００４９】
［第２の実施の形態］
次に、図８を参照して、本発明の第２の実施の形態に係る空間光変調器について説明する。図８は本実施の形態に係る空間光変調器の一部を示す断面図である。本実施の形態に係る空間光変調器は、透過型の空間光変調器である。本実施の形態では、導体層１３，１５を共にインジウム酸化第一すず（Indium Tin Oxide：ＩＴＯ）等の透明導電材料によって形成して、空間光変調器によって変調する光に対して導体層１３，１５が透光性を有するようにしている。また、本実施の形態では、隣接する導体層１５の間に、透明な絶縁材料よりなる絶縁層１７を配置し、導体層１５および絶縁層１７の上面を平坦化している。
【００５０】
図８に示した例では、基板１０の下面を光Ｌの入射面２Ａとし、導体層１５および絶縁層１７の上面を光Ｌの出射面２Ｂとしている。しかし、これらは逆でもよい。
【００５１】
本実施の形態に係る空間光変調器では、入射面２Ａから素子部２に入射した光Ｌは、磁性層１１の各画素１１ａを１回だけ通過してファラデー回転が与えられた後、出射面２Ｂから出射される。
【００５２】
本実施の形態におけるその他の構成、作用および効果は、第１の実施の形態と同様である。
【００５３】
［第３の実施の形態］
次に、図９を参照して、本発明の第３の実施の形態に係る空間光変調器について説明する。図９は本実施の形態に係る空間光変調器の一部を示す断面図である。本実施の形態に係る空間光変調器は、第２の実施の形態と同様に透過型の空間光変調器である。
【００５４】
図９に示したように、本実施の形態における素子部２は、磁性層１１、絶縁層１２、第１の導体層１３、圧電層１４、第２の導体層１５および絶縁層１７を備えている。これらの配置および材料は、第２の実施の形態と同様である。
【００５５】
本実施の形態における素子部２は、基板１０を有しておらず、代りに、磁性層１１および絶縁層１２の下に配置された第３の導体層２３、圧電層２４、第４の導体層２５および絶縁層２７を備えている。この第３の導体層２３、圧電層２４、第４の導体層２５および絶縁層２７は、磁性層１１および絶縁層１２を挟んで、第１の導体層１３、圧電層１４、第２の導体層１５および絶縁層１７と上下対称な位置に配置されている。また、第３の導体層２３、圧電層２４、第４の導体層２５および絶縁層２７の材料は、第１の導体層１３、圧電層１４、第２の導体層１５および絶縁層１７の材料と同様である。
【００５６】
第１の実施の形態と同様に、圧電層１４は、磁性層１１の各画素１１ａに対応した各部分毎に分割されている。この圧電層１４の各部分の間には絶縁層１６が配置されている。この圧電層１４と同様に、圧電層２４も、磁性層１１の各画素１１ａに対応した各部分毎に分割されている。この圧電層２４の各部分の間には絶縁層２６が配置されている。
【００５７】
本実施の形態における素子部２は、例えば、以下のようにして製造することができる。まず、基板の上に磁性層１１および絶縁層１２を形成し、この磁性層１１および絶縁層１２の上に、第１の導体層１３、圧電層１４、第２の導体層１５および絶縁層１７を順に形成する。次に、基板を研磨して除去し、この研磨によって露出した磁性層１１および絶縁層１２の面の上に、第３の導体層２３、圧電層２４、第４の導体層２５および絶縁層２７を順に形成する。
【００５８】
図９に示した例では、第４の導体層２５および絶縁層２７の下面を光Ｌの入射面２Ａとし、第２の導体層１５および絶縁層１７の上面を光Ｌの出射面２Ｂとしている。しかし、これらは逆でもよい。
【００５９】
本実施の形態では、第３の導体層２３には第１の導体層１３と同じ電圧が印加され、第４の導体層２５には第２の導体層１５と同じ電圧が印加される。そのため、本実施の形態では、１つの画素１１ａに対応する圧電層１４および圧電層２４の各部分は、同時に、厚み方向に圧縮または伸張する。その結果、本実施の形態では、磁性層１１の画素１１ａには、上下から同時に、厚み方向に伸張する方向の応力または厚み方向に圧縮する方向の応力が与えられる。従って、本実施の形態によれば、第２の実施の形態に比べて、画素１１ａにより大きな応力を与えることが可能になり、その結果、画素１１ａの磁化の方向の反転をより円滑に行わせることが可能になる。
【００６０】
また、本実施の形態では、第１の導体層１３、圧電層１４、第２の導体層１５、第３の導体層２３、圧電層２４および第４の導体層２５は、いずれも誘電体層となる。そこで、これらの誘電体層の材料や厚みを適切に設計することにより、これらの誘電体層によって、磁性層１１の画素１１ａの機能、すなわち、入射光に対して磁化の方向に応じた偏光方向の回転を与える機能を増強することが可能になる。この場合、具体的には、上記の複数の誘電体層は、磁性層１１と協働して、複数の誘電体層および磁性層１１を通過する光に対して、磁性層１１のみを１回通過する光に与えられる偏光方向の回転角度よりも大きな回転角度で、偏光方向の回転を与える。特に、磁性層１１および上記の複数の誘電体層は、１次元磁性フォトニック結晶を構成してもよい。１次元磁性フォトニック結晶は、本質的にファブリ・ペロ共振器として動作する磁気光学体である。１次元磁性フォトニック結晶では、それを構成する各層の材料や厚みを変えることによって、磁気光学効果が増大する光波長を設計することが可能である。１次元磁性フォトニック結晶では、理論的には、磁性ガーネット薄膜の光吸収を無視できる波長範囲で、１００％に近い透過率と、単層の磁性ガーネット薄膜のファラデー回転角の１００倍程度のファラデー回転角とを得ることができる。
【００６１】
本実施の形態におけるその他の構成、作用および効果は、第２の実施の形態と同様である。
【００６２】
［第４の実施の形態］
次に、図１０を参照して、本発明の第４の実施の形態に係る空間光変調器について説明する。図１０は本実施の形態に係る空間光変調器の一部を示す断面図である。本実施の形態に係る空間光変調器は、反射型の空間光変調器である。
【００６３】
図１０に示したように、本実施の形態における素子部２は、第３の実施の形態における第２の導体層１５および絶縁層１７の上面に反射層２８を配置した構成になっている。反射層２８は例えばＡｌによって形成されている。この素子部２では、第４の導体層２５および絶縁層２７の下面が光Ｌの入出射面２ａとなっている。
【００６４】
本実施の形態では、第１の実施の形態と同様に、入出射面２ａから空間光変調器１の素子部２に入射した光Ｌは、磁性層１１の各画素１１ａを通過した後、反射層２８で反射されて、再度、各画素１１ａを通過して、入出射面２ａから出射される。
【００６５】
本実施の形態におけるその他の構成、作用および効果は、第１の実施の形態または第３の実施の形態と同様である。
【００６６】
［第５の実施の形態］
次に、図１１を参照して、本発明の第５の実施の形態に係る空間光変調器について説明する。図１１は本実施の形態に係る空間光変調器の一部を示す断面図である。本実施の形態に係る空間光変調器は、反射型の空間光変調器である。
【００６７】
図１１に示したように、本実施の形態における素子部２は、基板１０と、この基板１０の上に形成された磁性層１１とを備えている。本実施の形態における磁性層１１は、平坦な下面および上面を有している。磁性層１１は、複数の画素１１ａと、隣接する画素１１ａの間に配置された画素間領域１１ｃとを含んでいる。画素１１ａの平面形状は例えば矩形である。磁性層１１の下面と上面のいずれにおいても、画素１１ａと画素間領域１１ｃとの間で段差はない。画素１１ａは、画素間領域１１ｃに比べて、自発磁化が小さく、磁化の方向が容易に変化するようになっている。
【００６８】
素子部２は、更に、磁性層１１の上に形成されたスペース層４０と、このスペース層４０の上に形成された複数の画素規定層４１と、スペース層４０および画素規定層４１を覆う絶縁層４２とを備えている。スペース層４０は、ＳｉＯ_２等の絶縁材料によって形成されている。スペース層４０の厚みは、例えば１００ｎｍ以下である。各画素規定層４１は、それぞれ、スペース層４０を介して磁性層１１の上面に対向していると共に、各画素１１ａに対応した位置に配置されている。また、画素規定層４１の平面形状と画素１１ａの平面形状は、ほぼ等しくなっている。画素規定層４１は、Ｐｔ、Ｓｉ、Ａｌ等の酸化可能な金属材料によって形成されている。絶縁層４２は、ＳｉＯ_２等の絶縁材料によって形成されている。また、絶縁層４２の上面は平坦になっている。
【００６９】
素子部２は、更に、絶縁層４２の上に形成され、Ｘ方向に延び、一定の周期で配列された複数の第１の導体層１３と、圧電材料よりなり、複数の導体層１３の上に形成された圧電層１４と、この圧電層１４の上に形成され、Ｙ方向に延び、一定の周期で配列された複数の第２の導体層１５とを備えている。第１の導体層１３、圧電層１４および第２の導体層１５の形状、材料および機能は、第１の実施の形態と同様である。
【００７０】
次に、図１２を参照して、本実施の形態における素子部２の製造方法について説明する。この製造方法では、まず、基板１０の上に、光磁気材料によって、磁性層１１となる膜５１を形成する。この膜５１を構成する光磁気材料は、例えば、希土類鉄ガーネットやビスマス置換希土類鉄ガーネット等の磁性ガーネットである。膜５１を構成する光磁気材料の具体例としては、（ＢｉＧｄＹ）_３（ＦｅＧａ）_５Ｏ_１２がある。この膜５１の形成方法としては、液相エピタキシャル成長法（ＬＰＥ法）またはスパッタ法によって単結晶の磁性ガーネット薄膜を形成する方法がある。
【００７１】
次に、膜５１の上面に、スパッタ法等によってスペース層４０を形成する。次に、スペース層４０の上に画素規定層４１を形成する。画素規定層４１は、スペース層４０を介して膜５１の上面に対向すると共に、この後、膜５１中に形成される各画素１１ａに対応した位置に配置される。
【００７２】
画素規定層４１は、例えばリフトオフ法によって形成される。リフトオフ法を用いる場合には、まず、フォトリソグラフィによって、スペース層４０の上において、画素規定層４１を配置すべき領域以外の領域に、パターン化されたフォトレジスト層を形成する。次に、スペース層４０およびフォトレジスト層の上に、例えばスパッタ法によって、画素規定層４１を構成する材料よりなる膜を形成する。最後に、フォトレジスト層をリフトオフする。
【００７３】
次に、膜５１および画素規定層４１を熱処理する。この熱処理は、例えば、画素規定層４１の上から、画素規定層４１に向けて赤外線を照射することによって行われる。この熱処理により、画素規定層４１が酸化し、それに伴い、膜５１のうち、画素規定層４１の下に位置する領域において酸素が減少する。これにより、この領域においてＦｅ^２＋イオンが発生し、その結果、この領域は、他の領域に比べて、自発磁化が小さくなり、磁化の方向が容易に変化するようになる。このようにして、膜５１において、画素規定層４１の下に位置する領域は画素１１ａとなり、他の領域は画素間領域１１ｃとなる。また、これにより、膜５１は、画素１１ａと画素間領域１１ｃとを含む磁性層１１となる。図１２には、磁性層１１における水平方向の位置と自発磁化Ｍｓとの関係を概念的に示している。
【００７４】
上述のように画素１１ａと画素間領域１１ｃとを形成した後は、画素規定層４１を除去してもよいが、本実施の形態では、この画素規定層４１を残している。これによる効果は後で説明する。
【００７５】
次に、スパッタ法等により、スペース層４０および画素規定層４１を覆うように絶縁層４２を形成する。次に、絶縁層４２の上に、第１の導体層１３、圧電層１４、第２の導体層１５を順に形成して、素子部２が完成する。
【００７６】
以上説明したように、本実施の形態では、磁性層１１に溝を形成することなく画素１１ａを規定している。磁性層１１における偏光方向の回転の能力を高めるには、磁性層１１を厚くするのがよい。しかし、磁性層１１に溝を形成して画素１１ａを規定する場合には、磁性層１１を厚くすると溝の形成が困難になるため、あまり磁性層１１を厚くすることができない。これに対し、本実施の形態によれば、磁性層１１に溝を形成する必要がないため、磁性層１１を厚くして、磁性層１１における偏光方向の回転の能力を高めることが可能になる。
【００７７】
また、本実施の形態では、画素１１ａは画素間領域１１ｃに比べて自発磁化が小さく、磁化の方向が容易に変化する。そのため、本実施の形態によれば、画素１１ａにおける磁化の方向の反転を容易に行わせることが可能になる。その結果、本実施の形態によれば、導体層１３，１５に印加する電圧を小さくしたり、バイアス磁界を低減したり、バイアス磁界を不要にしたりすることが可能になる。また、これにより、空間光変調器の動作を高速化することが可能になる。
【００７８】
次に、図１３を参照して、素子部２内に画素規定層４１を残すことによる効果について説明する。図１３に示したように、スペース層４０を介して磁性層１１に画素規定層４１が隣接していると、画素規定層４１に起因して、磁性層１１内において圧縮応力と引っ張り応力とが発生する。図１３には、磁性層１１内における主要な応力の方向を示している。図１３において、内側に向いた２つの矢印は圧縮応力を表わし、外側に向いた２つの矢印は引っ張り応力を表わしている。また、図１３には、磁性層１１における水平方向の位置と応力の大きさｋとの関係を示している。図１３において、符号５２で示した実線は圧縮応力の大きさを表わし、符号５３で示した破線は引っ張り応力の大きさを表わしている。
【００７９】
図１３から分かるように、磁性層１１内において、画素規定層４１のエッジの近傍の領域では、応力が大きく変化する。その結果、この領域では、磁壁エネルギも大きく変化する。そのため、この領域では、磁壁の移動が抑止される。従って、画素規定層４１を残しておくことで、磁性層１１内において、画素１１ａとなる領域を明確に規定することが可能になる。
【００８０】
図１１に示したように、本実施の形態では、素子部２において、基板１０の下面が光Ｌの入出射面２ａになっている。この入出射面２ａから素子部２に入射した光Ｌは、基板１０、磁性層１１の各画素１１ａ、スペース層４０を順に通過した後、画素規定層４１で反射されて、再度、スペース層４０、画素１１ａ、基板１０を順に通過して、入出射面２ａから出射される。
【００８１】
本実施の形態におけるその他の構成、作用および効果は、第１の実施の形態と同様である。
【００８２】
なお、本発明は、上記各実施の形態に限定されず、種々の変更が可能である。例えば、第１の実施の形態における変形例は、第２ないし第４の実施の形態にも適用することができる。
【００８３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の空間光変調器では、電流ではなく電圧によって、磁性層の画素における磁化の方向を反転させる。従って、本発明によれば、磁気光学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の消費電力および発熱を低減することができるという効果を奏する。また、本発明では、圧電層は各画素に対応した各部分毎に分割されている。従って、本発明によれば、圧電層を各部分毎に分割しない場合に比べて、空間光変調器の動作に必要な電圧を小さくすることが可能になるという効果を奏する。
【００８５】
また、本発明の空間光変調器では、磁性層は平坦な２つの面を有している。従って、本発明によれば、磁性層を厚くして、磁性層における偏光方向の回転の能力を高めることが可能になるという効果を奏する。
【００８６】
また、本発明の空間光変調器は、それぞれ磁性層の一方の面に対向すると共に各画素に対応した位置に配置された複数の画素規定層を備えている。従って、本発明によれば、磁性層内において画素となる領域を明確に規定することが可能になるという効果を奏する。
【００８７】
本発明の空間光変調器の製造方法によれば、磁気光学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であって、消費電力および発熱を低減できると共に、動作に必要な電圧を小さくすることができる空間光変調器を実現することができるという効果を奏する。また、本発明によれば、平坦な２つの面を有する磁性層を形成することができる。従って、本発明によれば、磁性層を厚くして、磁性層における偏光方向の回転の能力を高めることが可能になるという効果を奏する。
【００８８】
また、本発明の空間光変調器の製造方法では、画素規定層を残して空間光変調器を製造する。従って、本発明によれば、磁性層内において画素となる領域を明確に規定することが可能になるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る空間光変調器の一部を示す平面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線断面図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係る空間光変調器の使用方法を概念的に示す斜視図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係る空間光変調器とその周辺回路を示す説明図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態に係る空間光変調器の作用を説明するための断面図である。
【図６】本発明の第１の実施の形態に係る空間光変調器の作用を説明するための断面図である。
【図７】本発明の第１の実施の形態における変形例の空間光変調器の一部を示す断面図である。
【図８】本発明の第２の実施の形態に係る空間光変調器の一部を示す断面図である。
【図９】本発明の第３の実施の形態に係る空間光変調器の一部を示す断面図である。
【図１０】本発明の第４の実施の形態に係る空間光変調器の一部を示す断面図である。
【図１１】本発明の第５の実施の形態に係る空間光変調器の一部を示す断面図である。
【図１２】本発明の第５の実施の形態における素子部の製造方法を説明するための説明図である。
【図１３】本発明の第５の実施の形態において素子部内に画素規定層を残すことによる効果について説明するための説明図である。
【符号の説明】
１…空間光変調器、２…素子部、３…バイアス磁界印加用コイル、１０…基板、１１…磁性層、１１ａ…画素、１１ｂ…溝、１２…絶縁層、１３…第１の導体層、１４…圧電層、１５…第２の導体層、１６…絶縁層。

Claims

光磁気材料よりなり、それぞれ独立に磁化の方向が設定され、磁気光学効果により、入射する光に対して磁化の方向に応じた偏光方向の回転を与える複数の画素を含む磁性層と、
圧電材料よりなり、自らがひずむことによって前記磁性層の各画素に応力を与えるための圧電層と、
前記圧電層を挟み且つ前記各画素に対応した位置で交差するように配置され、所定の電圧が印加されることによって、前記圧電層における前記各画素に対応した部分に対して、電気ひずみ効果によるひずみを発生させるための電界を与える複数の第１の導体層および複数の第２の導体層とを備え、
前記圧電層は、前記各画素に対応した各部分毎に分割され、
前記磁性層の各画素は、前記圧電層の各部分によって与えられた応力の方向に応じて磁化の方向が設定され、
前記磁性層は、平坦な２つの面を有し、
空間光変調器は、更に、それぞれ前記磁性層の一方の面に対向すると共に前記各画素に対応した位置に配置され、前記磁性層内に応力を発生させることによって各画素の領域を規定する複数の画素規定層を備えたことを特徴とする空間光変調器。
更に、光の入出射面を備え、
前記入出射面に入射した光が、前記磁性層を通過し、前記画素規定層で反射され、再度前記磁性層を通過して、前記入出射面から出射されるように、前記磁性層、画素規定層、第１の導体層および圧電層は、前記入出射面側から磁性層、画素規定層、第１の導体層、圧電層の順に配置されていることを特徴とする請求項１記載の空間光変調器。
更に、前記各画素における磁化の方向を変化させるために用いられるバイアス磁界を前記磁性層に印加するバイアス磁界印加手段を備えたことを特徴とする請求項１または２記載の空間光変調器。
光磁気材料よりなり、それぞれ独立に磁化の方向が設定され、磁気光学効果により、入射する光に対して磁化の方向に応じた偏光方向の回転を与える複数の画素を含む磁性層と、圧電材料よりなり、自らがひずむことによって前記磁性層の各画素に応力を与えるための圧電層と、前記圧電層を挟み且つ前記各画素に対応した位置で交差するように配置され、所定の電圧が印加されることによって、前記圧電層における前記各画素に対応した部分に対して、電気ひずみ効果によるひずみを発生させるための電界を与える複数の第１の導体層および複数の第２の導体層とを備え、前記圧電層は、前記各画素に対応した各部分毎に分割され、前記磁性層の各画素は、前記圧電層の各部分によって与えられた応力の方向に応じて磁化の方向が設定される空間光変調器を製造する方法であって、
前記磁性層、圧電層、第１の導体層および第２の導体層を形成する各工程を備え、
前記磁性層を形成する工程は、
平坦な２つの面を有し、前記磁性層となる膜を形成する工程と、
金属材料によって、前記膜の一方の面に対向すると共に各画素に対応した位置に配置されるように、複数の画素規定層を形成する工程と、
前記膜および画素規定層を熱処理することによって、前記膜中に前記画素を形成する工程とを含み、
前記画素規定層を残して空間光変調器を製造することを特徴とする空間光変調器の製造方法。