JP4497401B2

JP4497401B2 - 磁気光学式空間光変調器

Info

Publication number: JP4497401B2
Application number: JP2004030668A
Authority: JP
Inventors: 洋一鈴木; 照夫清宮; 浩光梅澤; 哲山中
Original assignee: FDK Corp; Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Current assignee: FDK Corp; Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2004-02-06
Filing date: 2004-02-06
Publication date: 2010-07-07
Anticipated expiration: 2024-02-06
Also published as: JP2005221841A

Description

本発明は、ファラデー効果により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、面に垂直方向に磁化する各ピクセル（画素）の間隙領域に、形状異方性を利用して各ピクセルの磁化方向とは異なる面内方向に磁化する磁性薄膜を設けることにより、各ピクセルの分離精度を向上させた磁気光学式空間光変調器に関するものである。

空間光変調器は、２次元の広がりをもつ光の強度分布、振幅分布、位相分布、偏光状態の分布を、外部からの信号に応じて空間的に変化させることができる光デバイスである。多数のピクセル（画素）を２次元的に配列した空間光変調器は、情報を高速に並列処理できることから、光コンピューティング、光メモリ、光ストレージ、光ディスプレイのようなイメージファイルやページデータの処理装置などを実現するキーデバイスとして研究が進められている。

代表的な空間光変調器としては、液晶技術を利用したデバイス、メンブレンミラーなどＭＥＭＳ（Micro-Electro Mechanical System ）技術を利用したデバイス、磁気光学技術を利用したデバイスなどがある。しかし、液晶技術を用いた空間光変調器は動作速度が遅いという問題があり、ＭＥＭＳ技術を用いた空間光変調器は機械的な駆動部分を有するので信頼性の面で問題がある。

上記のように、光学的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く且つ信頼性の高いものが要求されている。そのため最近では、そのような点で優れている磁気光学技術を用いた空間光変調器が精力的に研究開発されている。

例えば特許文献１には、磁気光学技術を用いた空間光変調器の一例が開示されている。磁気光学式空間光変調器は、光磁気材料からなり、独立に磁化の方向を選択可能な複数のピクセルを有している。各ピクセルは、磁性ガーネット材料上のピクセルに相当する領域にＳｉ等の酸化可能な膜パターンを形成し、全体を熱処理することにより、Ｓｉ膜直下の磁性ガーネット材料を還元して変質させ、ピクセル単位で磁化反転が可能となる複数のピクセルを形成するものである。このようにすると、ファラデー効果によって、各ピクセルを通過する光の偏光方向は互いに反対方向に所定角度ずつ回転する。従って、このような磁気光学式空間光変調器では、各ピクセル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。

しかし特許文献１に記載されているように、Ｓｉのような酸化可能な膜を用いて磁性ガーネット材料全体を熱処理すると、熱拡散のためＳｉ膜周辺も還元してしまうため、各ピクセルの輪郭が不明瞭となり、ピクセルサイズにもばらつきが生じる。そのため、例えば通電により選択したピクセル以外の隣接ピクセルが、間隙を介して磁化反転して追従してしまう（つまり誤ったデータが作成されてしまう）といった問題が生じる。そのような問題を解決するには、ピクセル間距離を大きく取ればよいのであるが、ピクセル間距離を大きくすると、光の利用効率が低下するし、単位面積当たりの情報量が少なくなってしまうため大量の情報を高速で処理する用途には不向きとなる。
米国特許第５，４７３，４６６号公報

本発明が解決しようとする課題は、従来技術では、各ピクセルを明確に分離し難い点、そのためピクセル間隔が広がり単位面積当たりの情報量が少なくなる点、光の利用効率が低下する点、小型化・高密度化が困難な点などである。

本発明は、磁性ガーネット膜中に、それぞれ独立に磁化方向を設定できファラデー効果により入射光に対して磁化方向に応じた偏光方向の回転を与える多数のピクセルが２次元的に間隙をあけて配列されており、各ピクセルの磁化方向を個別に制御するための磁界を発生するＸ側及びＹ側の駆動ラインを備え、Ｘ側及びＹ側の駆動ラインによる通電が合致した合成磁界が該当ピクセルを磁気飽和させる空間光変調器において、面に垂直方向に磁化する各ピクセルの間隙領域の一部もしくは全部に、形状異方性により磁化方向が面内方向となる磁性薄膜を設けて、各ピクセルを分離したことを特徴とする磁気光学式空間光変調器である。

ここで、各ピクセルの間隙領域の少なくとも一部に溝が形成されており、該溝の内部に磁性薄膜を設ける構成が好ましい。特に、各ピクセルの間隙領域に格子状に溝を形成し、該溝の内部に磁性薄膜設けるのがよい。Ｘ側及びＹ側の駆動ラインも層間絶縁された状態で溝内に埋設すると、フラットサーフェス化を図ることができる。

磁性ガーネット膜は、例えば非磁性基板上に成膜したＢｉ置換希土類鉄ガーネットＬＰＥ膜である。その場合、溝が磁性ガーネット膜を切断し非磁性基板の一部に達するように形成することができ、磁性薄膜は該非磁性基板の溝内に設けることもできる。

本発明において、面に垂直な方向での磁性薄膜の形成位置は任意であり、例えば溝を形成せず、入射面側に設けることも可能である。なお磁性薄膜は、裏面側、あるいは入射面側と裏面側の両方の設けることもできる。

本発明に係る磁気光学式空間光変調器は、ピクセルとは異なる向きに磁化している磁性薄膜によってピクセル同士が分離されるため、各ピクセルの輪郭が明瞭となり、ピクセルサイズも一定となる。そのため、例えば通電により選択したピクセル以外の隣接ピクセルが磁化反転して追従してしまうといった誤動作は生じない。また、ピクセル間距離（ピクセル間隔）を小さく、従って高密度化できるので、光の利用効率が向上し、単位面積当たりの情報量が多くなり、大量の情報を高速で処理することが可能となるし、小型化が可能となる。

磁気光学式空間光変調器は、磁性ガーネット膜中に、それぞれ独立に磁化方向を設定できファラデー効果により入射光に対して磁化方向に応じた偏光方向の回転を与える多数のピクセルが２次元的に間隙をあけて配列されており、各ピクセルの磁化方向を個別に制御するための磁界を発生するＸ側及びＹ側の駆動ラインを設けた構造である。そして、Ｘ側及びＹ側の駆動ラインによる通電が合致した合成磁界によって該当ピクセルを磁気飽和させるようになっている。

各ピクセルの間隙領域に格子状にドライエッチングにより溝を形成し、該溝の内部に磁性薄膜を設ける。磁性薄膜は、各ピクセルの間隙領域の一部もしくは全部に、厚みよりも長いパターンに形成することで、形状異方性により磁化方向が面内方向となり、面に垂直方向に磁化するピクセルとは磁化方向が異なる。そのため磁性薄膜直下の磁性ガーネット膜部分の磁化方向がこれに揃うのでピクセルの輪郭が明瞭になる。特に、各ピクセルの間隙領域に格子状に溝を形成すると、溝に応力が集中し、応力印加によるピクセル間の分離効果が加わり、更に磁極の発生で磁壁のピンニング効果も加わり、ピクセルの分離精度はより一層向上する。

本発明に係る磁気光学式空間光変調器の一例を図１に示す。Ａは平面を、Ｂは断面を表している。空間光変調器１０は、ＧＧＧ（ガドリニウム・ガリウム・ガーネット）基板１１上にＬＰＥ法にて育成した磁性ガーネット膜１２中に多数の矩形状のピクセル１４が２次元的（縦横規則的）に一定の間隙をあけて配列形成され、そのピクセル間隙領域の一部もしくは全部に、形状異方性により磁化方向が面内方向となる磁性薄膜１６が設けられている構造である。ここでは図示していないが、各ピクセルの磁化方向を制御するＸ側及びＹ側の駆動ラインが設けられる。

各ピクセル１４は、面に垂直方向に磁化するもので、Ｘ側及びＹ側の駆動ラインによる合成磁界によって独立に磁化の方向を設定でき、そのファラデー効果によって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ものである。

この種の空間光変調器には透過型と反射型があり、反射型の場合には一方の面に反射率の大きなＡｌ等からなる反射膜を設ける。図１は透過型の例を示しておあり、入射光は、ＧＧＧ基板１１を透過し、ピクセル１４にてファラデー回転して出射する。反射型の場合には、背面側に光反射膜を設け、入射光は、ＧＧＧ基板を透過し、ピクセルにてファラデー回転し、光反射膜で反射し、再びピクセルにてファラデー回転を増して、ＧＧＧ基板を透過して出射するようにする。

各ピクセル１４は、磁性ガーネット膜１２のピクセル形成領域のみを局所的に熱処理することによって形成される。その具体的な製作工程の一例を図２に示す。磁性ガーネット膜１２は、例えばＢｉ置換希土類鉄ガーネット膜であり、前述のようにＧＧＧ基板上に液相エピタキシャル成長させることによって形成したものである。なお、以降の主な図では、ＧＧＧ基板については図示するのを省略している。
（ａ）磁性ガーネット膜１２の表面上のピクセル形成領域のみにＳｉ等からなる赤外線吸収膜１８を形成しておく。
（ｂ）そして、赤外線（ＩＲ）照射を行う。これによって赤外線吸収膜１８が赤外線を吸収し、その直下のみが加熱され、必要な局所熱処理が行われて、結晶中におけるＢｉやＧａのサイトが移動するなどにより磁気異方性が下がり飽和磁化が変わるなどの局所的な特性変化が起こる。その特性変化が生じた領域がピクセル１４となる。
（ｃ）その後、赤外線吸収膜を除去する。
（ｄ）形成したピクセル１４同士の間隙領域１５に、磁性薄膜１６を形成する。

磁性薄膜１６は、典型的には鉄ニッケル合金（商品名：パーマロイ）等からなり、ここではピクセル１４同士の間隙領域１５の全体にわたって形成する。本発明では、局所熱処理によってピクセルが形成されるばかりでなく、ピクセル同士の間に、形状異方性により磁化方向が面内方向となりピクセルとは異なる向きに磁化している磁性薄膜１６が存在するために、磁性薄膜直下の磁性ガーネット膜部分の磁化方向がこれに揃うのでピクセル同士が明瞭に分離され、それらによってピクセル単位の磁区構造が形成されるようになっており、その点に一つの特徴がある。このような構成により、ピクセル間距離をピクセルサイズ以下、例えば２μｍ以下に狭めることが可能となる。

このような空間光変調器の駆動手段の一例を図３に示す。空間光変調器１０には、行方向（横方向）で各ピクセル１４近傍を通るようにＸ側駆動ラインが形成され、列方向（縦方向）で各ピクセル１４近傍を通るようにＹ側駆動ラインが形成されている。各Ｘ側駆動ラインにはＸ側駆動部２２からＸ側駆動パルス電流が供給され、各Ｙ側駆動ラインにはＹ側駆動部２４からＹ側駆動パルス電流が供給される。そして、選択されたＸ側駆動ラインとＹ側駆動ラインの交点に位置するピクセル１４の磁化方向が、Ｘ側及びＹ側駆動ラインを流れる合成パルス電流による合成磁界によって反転制御される。Ｘ側駆動部２２とＹ側駆動部２４の動作は制御部２６によって制御される。

図４は空間光変調器の使用状態の例を示している。Ａは透過型の場合であり、空間光変調器１０に入射した光は、透過の際に空間的に変調されて出射する。Ｂは反射型の場合であり、空間光変調器１０に入射した光は、反射の際に空間的に変調されて出射する。このような空間光変調器から出射した光は、そのまま利用してもよいし、図示するのを省略するが、空間光変調器から出射した光を検光子を通過させた後に利用してもよい。

図５は、本発明に係る磁気光学式空間光変調器の製造方法の他の実施例を示している。磁性ガーネット膜１２は、前述したのと同様、例えばＢｉ置換希土類鉄ガーネット膜であり、ＧＧＧ基板上に液相エピタキシャル成長させることによって形成したものである。ここでもＧＧＧ基板については、図示するのを省略している。
（ａ）磁性ガーネット膜１２の表面上のピクセル形成領域のみにＳｉ等からなる赤外線吸収膜１８を形成しておく。
（ｂ）そして、赤外線（ＩＲ）照射を行う。これによって赤外線吸収膜１８が赤外線を吸収し、原理的にはその直下が加熱され、必要な局所熱処理が行われて、結晶中におけるＢｉやＧａのサイトが移動するなどにより磁気異方性が下がり飽和磁化が変わるなどの局所的な特性変化が起こる。その特性変化が生じた領域がピクセル１４となる。
（ｃ）次に、赤外線吸収膜（Ｓｉ膜）１８をマスクとして、イオンミリングによりピクセル同士の間隙領域に溝３０を形成する（図５のＢ参照）。従って、溝３０は、ピクセル形成領域を除いて縦横に格子状に形成される。ここでは、外周もイオンミリングされて凹部３１となっている。
（ｄ）形成した格子状の溝３０及び外周凹部３１の底部に、スパッタリングによりＦｅＮｉ合金（商品名：パーマロイ）の磁性薄膜１６を埋め込む（図５のＣ参照）。
（ｅ）ＳｉＯ₂絶縁膜３２を形成後、メッキでＣｕ膜３４を埋め込むことにより、横方向のＸ側駆動ラインを配置する（図５のＤ参照）。
（ｆ）更に、ＳｉＯ₂絶縁膜３６を形成後、メッキでＣｕ膜３８を埋め込むことにより、縦方向のＹ側駆動ラインを配置する（図５のＥ参照）。そして、赤外線吸収膜（Ｓｉ膜）１８をケミカルエッチングにより除去する。

このようにすると、Ｘ側及びＹ側の駆動ラインが溝（凹部）に埋め込まれるため、表面（上面）が平坦な磁気光学式空間光変調器が得られる。表面が平坦になることで乱反射や不要な回折を避け、透過型構造とすることができる。ピクセルの間隙領域に磁性薄膜が存在するために、その形状異方性によって磁化方向が面内方向となりピクセルとは異なる向きに磁化し、溝の存在とも相俟ってピクセル同士が明瞭に分離される。

駆動形態の一例を図６に示す。ここでは図６のＢに示すように、Ｘ側駆動ライン４０及びＹ側駆動ライン４２を、一端で２本ずつ接続して通電している。通電により、Ｘ側駆動ライン４０とＹ側駆動ライン４２の交点に位置するピクセル（図６のＢでは交差斜線で示すピクセル）が選択され、そのピクセルの磁化方向がＸ側及びＹ側のパルス電流による合成磁界によって磁気飽和し磁化方向が反転する（図６のＡで白抜き矢印で示す）。但し、隣接するピクセルは、Ｘ側及びＹ側の駆動ラインによる通電が合致しないので磁気飽和せず、磁化方向は元の状態を保ったままである。

この構造では、４本の駆動ラインで１個のピクセルを取り囲んでおり、そのためピクセルに均一磁界が作用し、確実に磁化方向を制御できる。駆動ラインと共に磁性薄膜を溝に埋め込むことで、駆動ラインと磁性薄膜が近づき、ピクセル間隙領域は面内方向、ピクセルは垂直方向となる磁界を効率よく供給でき、ピクセル分離の精度が向上する。

次に本発明構造と従来構造の特性を測定した比較結果について、図７により説明する。Ａは本発明構造を示し、Ｂは従来構造を示している。異なる点は、本発明構造（Ａ）が基板に達する溝を有し、その基板部分に磁性薄膜５２を埋設した点である。駆動ラインは、Ｘ側及びＹ側とも磁性ガーネット膜上に形成している。材料及び形状は、以下の通りである。
・基板４０：ＧＧＧ
・磁性ガーネット膜４２：Ｂｉ置換希土類鉄ガーネットＬＰＥ膜、３μｍ厚（膜組成はＢｉ₁Ｙ₁Ｇｄ₁Ｆｅ₄Ｇａ₁Ｏ₁₂）
・第１の絶縁層４４：アルミナ０．４μｍ厚
・Ｘ側駆動ライン４６：Ｃｕ０．４μｍ厚
・第２の絶縁層４８：アルミナ０．５μｍ厚
・Ｘ側駆動ライン５０：Ｃｕ０．６５μｍ厚
・磁性薄膜５２：ＦｅＮｉ合金（商品名；パーマロイ）１μｍ厚
なお、ピクセルは一辺１６μｍの正方形、ピクセル間隙寸法は２μｍである。

Ｘ側駆動ライン及びＹ側駆動ラインにそれぞれ４０ｍＡの電流を供給したところ、ピクセル位置での磁性ガーネット膜に垂直な平均磁束密度は、
・本発明構造（Ａ）：５．４×１０^-3Ｔ
・従来構造（Ｂ）：３．６×１０^-3Ｔ
であり、本発明構造は従来構造に比し約１．５倍特性が向上していることが確認できた。

図８は、本発明における磁性薄膜の面に垂直な方向での設置可能な位置をまとめて示したものである。Ａに示す例では、基板６０上にＬＰＥ成膜した磁性ガーネット膜６２に溝を形成して駆動ライン６４を埋設し、磁性薄膜６６は磁性ガーネット膜６２の上面とほぼ同じ面上（絶縁層上）に形成している。駆動ラインを磁性薄膜の上に絶縁層を介して設ける構成も可能である。Ｂに示す例では、基板６０上にＬＰＥ成膜した磁性ガーネット膜６２に溝を形成して、溝底部に磁性薄膜６６を埋め込み、絶縁層を介して駆動ライン６４を埋設している。磁性薄膜の位置は、磁性ガーネット膜の厚み方向の任意の位置とすることができる。Ｃに示す例では、基板６０上にＬＰＥ成膜した磁性ガーネット膜６２に、基板に達する溝を形成して、基板に磁性薄膜６６を埋め込み、絶縁体６８を充填し、駆動ライン６４を埋設している。Ｄに示す例では、基板６０上にＬＰＥ成膜した磁性ガーネット膜６２に溝を形成して駆動ライン６４を埋設し、磁性薄膜６６は基板側に形成している。このように、磁性薄膜６６はピクセル間隙領域の様々な位置に設置することができ、いずれの位置でもその磁化方向がピクセル形成領域の磁化方向と異なるため、隣り合うピクセルを明瞭に分離する機能を果たすことができる。

図９は、画素間に磁性体を形成する他の例をまとめて示している。Ａに示す例では、基板６０上にＬＰＥ成膜した磁性ガーネット膜６２上の画素間に磁性薄膜６６を形成し、更にその上方に駆動ライン６４を配置している。この構成では、磁性薄膜による形状異方性で、画素間を分離できる。Ｂに示す例では、基板６０上にＬＰＥ成膜した磁性ガーネット膜６２の画素間に溝７０を形成し、その底部に磁性薄膜６６を埋設し、更にその上方に駆動ライン６４を配置している。この構成では、溝によって画素間を分離でき、且つ駆動ライン通電中は磁束が効率よく磁性ガーネット膜を縦方向（基板面に垂直方向）に、磁性薄膜を横方向（基板面に平行な方向）に通る。Ｃに示す例では、基板６０上にＬＰＥ成膜した磁性ガーネット膜６２の画素間に溝を形成し、その溝に磁性体７２を埋設し、更に画素の上方に駆動ライン６４を配置している。この構成では、溝によって画素間を分離でき、且つ駆動ライン通電中は磁束が効率よく磁性体を縦方向（基板面に垂直な方向）に通り、更に磁気シールドされ隣のピクセルに磁束が漏れない。いずれにしても、これらによって磁性ガーネット膜の垂直磁化効率が向上する。

本発明に係る磁気光学式空間光変調器の一例を示す説明図。その製造工程の一例を示す説明図。空間光変調器と周辺回路の例を示す説明図。空間光変調器の使用状態の例を示す説明図。空間光変調器の製造工程の他の例を示す説明図。空間光変調器の動作説明図。本発明構造と従来構造の特性比較説明図。本発明に係る空間光変調器の磁性薄膜の設置位置の説明図。画素間に磁性体を形成する他の例を示す説明図。

符号の説明

１０空間光変調器
１１基板
１２磁性ガーネット膜
１４ピクセル
１６磁性薄膜

Claims

磁性ガーネット膜中に、それぞれ独立に磁化方向を設定できファラデー効果により入射光に対して磁化方向に応じた偏光方向の回転を与える多数のピクセルが２次元的に間隙をあけて配列されており、各ピクセルの磁化方向を個別に制御するための磁界を発生するＸ側及びＹ側の駆動ラインを備え、Ｘ側及びＹ側の駆動ラインによる通電が合致した合成磁界が該当ピクセルを磁気飽和させる空間光変調器において、
面に垂直方向に磁化する各ピクセルの間隙領域に格子状に溝が形成されており、該溝の内部に、形状異方性により磁化方向が面内方向となる磁性薄膜を設けて、各ピクセルを分離したことを特徴とする磁気光学式空間光変調器。
Ｘ側及びＹ側の駆動ラインも層間絶縁された状態で前記溝内に埋設されている請求項１記載の磁気光学式空間光変調器。