JP4764397B2 - 空間光変調素子 - Google Patents

Description

本発明は、各種表示装置、ホログラフィー装置、ホログラム記録装置等に用いる空間光変調素子に関する。

従来、各種表示装置、ホログラフィー装置、ホログラム記録装置等に用いられる画像表示部では、空間光変調器（Spatial Light Modulator;ＳＬＭ）を用いて画素を構成するものがある。そして、この空間光変調器として、液晶やＤＭＤ（Digital Micro-mirror device）を用いたものが知られている。液晶を用いたＳＬＭは、液晶分子の配向を電圧の印加によって反転（回転）させて、透過する光をコントロールするものである（非特許文献１）。また、ＤＭＤを用いたＳＬＭは、画素に対応した多数の微少鏡面を配列したミラーアレイを機械的に動かすことによって、光を変調するものである（非特許文献２）。
しかし、前記の液晶を用いたＳＬＭでは、画素の精細さおよび動作の高速性に劣り、ＤＭＤを用いたＳＬＭでは、動作は数μｓと速いものの画素が１０μｍ程度と大きいことが問題であった。

そこで、最近、スピン分極された電子を注入して磁気光学可変層の磁化を反転させ、その磁気光学可変層における磁気光学効果を利用して入射光の偏光面を変えることで、光を変調する光変調器が提案された。このスピン注入磁化反転（非特許文献３参照）を利用する光変調器を用いる表示装置では、画素サイズの微細化と応答時間の短縮が可能であるため、高速・高精細な表示が可能となる。

このスピン注入磁化反転を利用する光変調器は、図７に示すとおり、基板４１の上に構成された光変調素子４２と、光変調素子４２の上方に配置された偏光フィルター４３ａ，４３ｂとを備えるものである。そして、光変調素子４２は、下部電極４４と上部透明電極４９の間に、光変調部４５を挟設した構成を有するものであり、光変調部４５は、下部電極４４から上に、磁化方向固定層４６、非磁性層４７、磁化方向可変層４８の順に積層された多層構造に構成される。

この光変調器においては、図７に示すように、光変調器の上方から入射する入射光Ｌ４１は、偏光フィルター４３ａによって、一定の偏光面角度を有する偏光として光変調素子４２に入射して透明上部電極４９を透過して磁化方向可変層４８で反射される。そして、磁化方向可変層４８で反射された反射光Ｌ４２は、反射光Ｌ４２の光路上に配設された２枚の偏光板５０ａ，５０ｂで構成される偏光フィルター４３ｂを通って、外部に出射光Ｌ４３として出射される。

このとき、光変調素子４２においては、磁気光学効果によって、反射光Ｌ４２の偏光面が回転する。そして、反射光Ｌ４２の偏光面の回転角度は、磁化方向可変層４８の磁化方向に応じて、異なる方向となる。例えば、図７に示す矢印Ｅの方向、すなわち、磁化方向可変層４８の磁化方向が右向きの場合、反射光Ｌ４２の偏光面の回転が、右回り（＋θ）に生じたとすると、逆に磁化方向可変層４８における磁化方向が矢印Ｄの方向、すなわち、左向きの場合には、反射光Ｌ４２の偏光面の回転方向は左回り（−θ）となる。この偏光面の回転方向が右回りになるか左回りになるかは、磁化方向可変層４８を構成する材料によって異なるが、磁化方向可変層４８の磁化方向（右・左）によって、反射光Ｌ４２の偏光面の回転方向は逆になる。

したがって、磁化方向可変層４８の磁化方向は、スピン注入磁化反転を利用して制御できる。この磁化方向可変層４８の磁化方向は、外部から磁界を印加しない限り右向き、左向きのどちらも安定状態で、スピン注入磁化反転によって磁化方向を逆にするまでそのままの向きを維持している。一方、磁化方向固定層４６の磁化方向は、極めて大きな外部磁界を印加しない限りはある一方向（図７では右向き（矢印Ｃの方向））を向くように構成されている。そして、図７に示す光変調素子４２においては、下部電極４４から上部透明電極４９に向けてスピンの揃った電子を流す（電流を上部透明電極４９から下部電極４４に向けて流す）ことによって、磁化方向可変層４８におけるスピン注入磁化反転を起こして、磁化方向を右向き（矢印Ｅの方向）にすることができる。逆に、上部透明電極４９から下部電極４４に向けてスピンの揃った電子を流す（電流を下部電極４４から上部透明電極４９に向けて流す）ことによって、磁化方向可変層４８の磁化方向を左向き（矢印Ｄの方向）にすることができる。このように、スピン注入磁化反転によって、磁化方向可変層４８の磁化方向を決定させた後、入射光Ｌ４１を光変調素子４２に入射させれば、反射光Ｌ４２の偏光面の回転方向が、例えば、右回りまたは左回りと逆状態になる。その状態で偏光フィルター４３ｂを通してやれば、どちらか所望の偏光面の回転角度の光のみを選別することができ、磁化方向可変層４８の磁化方向に対応した出射光Ｌ４３を得ることができる。そして、偏光フィルター４３ｂにおいて、所定の偏光面角度を有する偏光のみが透過する。これによって、光変調素子４２によって、入射光Ｌ４１の変調が行われる。
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しかし、従来提案されているスピン注入磁化反転を利用する光変調器では、磁化方向可変層による１次反射光の偏光についてのみ着目しているため、偏光面の回転角度の変化が少なく、大きな偏光度を有する反射光を出射することができなかった。

そこで、本発明の課題は、入射光を反射して、偏光度の大きい複数の偏光成分の光のベクトル和で表される偏光を出射することができる空間光変調素子を提供することにある。

すなわち、請求項１に係る発明は、下部電極と、上部透明電極との間に介設された光変調部を有し、前記光変調部が、前記下部電極の上に、磁化方向固定層と磁化方向可変層とを有し、前記磁化方向固定層と前記磁化方向可変層の間に介設された非磁性中間層を有する空間光変調素子であって、前記上部透明電極が、下記式（１）で表される厚さｄを有する平行平面層であることを特徴とする。
ｄ＝（ｍλ／２）〔１−（ｎ_０／ｎ_ｔ）^２ｓｉｎ^２θ_０〕^１／２ （１）
（ここで、λ：入射光の波長、ｍは自然数、ｎ_０：外部空間媒質の屈折率、ｎ_ｔ：上部透明電極層の屈折率、θ_０：上部透明電極層への入射光の入射角である。）

この空間光変調素子では、式（１）で表される厚さｄを有する平行平面層である上部透明電極に入射する入射光が、上部透明電極と磁化方向可変層の界面と、外部媒質と上部透明電極の界面との間での複数次に亘る多重反射の間に、上部透明電極と磁化方向可変層の界面で反射される毎に偏光されて、１次反射光、２次反射光、・・・と、反射次数が多いほど偏光度が大きい偏光成分となる。そのため、入射した光に対して、透明電極から出射される出射光は、それらの偏向度が異なる複数の偏光成分のベクトル和で表される偏光の光として出射される。

また、請求項２に係る発明は、下部電極と、上部透明電極との間に介設された磁化方向可変層を有する空間光変調素子であって、前記上部透明電極が、下記式（２）で表される辺長ｆを有する２つの等辺に挟まれた頂角が直角である直角二等辺三角形の断面形状を有し、前記上部透明電極の入射面に入射光が垂直に入射するように構成されたことを特徴とする。
ｆ＝ｍλ／２ （２）
（ここで、λ：入射光の波長、ｍは自然数である。）

この空間光変調素子では、上部透明電極が、前記式（２）で表される辺長ｈを有する２つの等辺に挟まれた頂角が直角である直角二等辺三角形の断面形状を有し、前記上部透明電極の入射面に入射光が垂直に入射するように構成されていることによって、上部透明電極と磁化方向可変層の界面と、外部媒質と上部透明電極の界面との間での複数次に亘る多重反射の間に、上部透明電極と磁化方向可変層の界面で反射される毎に偏光されて、１次反射光、２次反射光、・・・と、反射次数が多いほど偏光度が大きい偏光成分となる。そのため、入射した光に対して、透明電極から出射される出射光は、それらの偏向度が異なる複数の偏光成分を全て含む光として出射される。

さらに、請求項３に係る発明は、下部電極と、上部透明電極との間に介設された磁化方向可変層を有する空間光変調素子であって、前記上部透明電極が、下記式（３）で表される半径ｒの半円形の断面形状を有し、前記上部透明電極の入射面に入射光が垂直に入射するように構成されたことを特徴とする。
ｒ＝ｍλ／４ （３）
（ここで、λ：入射光の波長、ｍは自然数である。）

この空間光変調素子では、上部透明電極が、前記式（３）で表される半径ｒの半円形の断面形状を有し、前記上部透明電極の入射面に入射光が垂直に入射するように構成されていることによって、上部透明電極と磁化方向可変層の界面と、外部媒質と上部透明電極の界面との間での複数次に亘る多重反射の間に、上部透明電極と磁化方向可変層の界面で反射される毎に偏光されて、１次反射光、２次反射光、・・・と、反射次数が多いほど偏光度が大きい偏光成分となる。そのため、入射した光に対して、透明電極から出射される出射光は、それらの偏向度が異なる複数の偏光成分を全て含む光として出射される。

本発明の空間光変調素子は、上部透明電極と磁化方向可変層の界面と、外部媒質と上部透明電極の界面との間での複数次に亘る多重反射の間に、上部透明電極と磁化方向可変層の界面で反射される毎に偏光されて、反射次数が多いほど偏光度が大きい偏光成分となる。そのため、入射した光に対して、透明電極から出射される出射光は、それらの偏向度が異なる複数の偏光成分を全て含む光として出射される。したがって、このような多重反射を利用することにより、単純な１次反射光の持つ偏光面回転角の変化よりもさらに大きな偏光面回転角を有する光を得ることができる。

以下、本発明の空間光変調素子について、図面を用いて詳細に説明する。
図１は、本発明の第１実施形態に係る空間光変調素子１の構造を示す断面模式図、図２は、本発明の第２実施形態に係る空間光変調素子２１の構造を示す断面模式図、図３は、本発明の第３実施形態に係る空間光変調素子３１の構造を示す断面模式図である。

図１に示す空間光変調素子１は、下部電極２と、下部電極２の上に、磁化方向固定層３、非磁性中間層４、磁化方向可変層５および上部透明電極６の順に積層された多層構造を有する。

下部電極２と上部透明電極６とは、光変調素子１を駆動する電流を流すための電極であり、その電流を制御する電流制御手段（図示せず）に接続されている。

磁化方向固定層３は、磁化方向が所定の方向に固定される層である。例えば、図１に示す磁化方向固定層３においては、矢印Ａの方向に磁化方向が固定されている。

非磁性中間層４は、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｇＯ、Ｆｅ_２O_３、ＣｒＯ_２等の非磁性絶縁材料で構成され、この非磁性中間層４の膜厚は、スピン偏極電子がトンネルできる程度の厚さ（数ｎｍ以下）を有する。また、非磁性中間層４は、Ｃｕ、Ａｇ、Ｃｒ等の非磁性導伝性材料でもよく、この場合は、トンネル電流ではなく、通常の自由電子の一部がスピン偏極電子として動作する。

磁化方向可変層５は、磁化方向が予め磁化方向固定層３の磁化方向と同一または反対方向に磁化された層である。この磁化方向可変層５の磁化方向は、スピン分極された電子が注入されることによって磁化方向が反転する層である。この磁化方向可変層５は、上部透明電極６と磁化方向可変層５の界面における反射光の偏光度を大きくするために、磁気光学的カー効果の大きな強磁性体で構成されることが望ましい。

上部透明電極６は、入射光が上部透明電極６と磁化方向可変層５の界面に効率よく到達できるように、ＩＺＯ、ＩＴＯ、ＺｎＯ等の一般的な透明電極材料を用いて構成されている。また、下部電極２は、例えば、Ａｌ、Ｃｕ、Ｔａ、Ｒｕなどの一般的な電極用金属材料で形成される。

この上部透明電極６は、下記式（１）で表される厚さｄを有する平行平面層で構成される。
ｄ＝（ｍλ／２）〔１−（ｎ_０／ｎ_ｔ）^２ｓｉｎ^２θ_０〕^１／２ （１）
（ここで、λ：入射光の波長、ｍは自然数、ｎ_０：外部空間媒質の屈折率、ｎ_ｔ：上部透明電極層の屈折率、θ_０：上部透明電極層への入射光の入射角である。）

次に、この空間光変調素子１の動作について説明する。
この空間光変調素子１では、上部透明電極６から下部電極２の向きに電流が流されている状態では、磁化方向固定層３から非磁性中間層４を介してスピン分極された電子が磁化方向可変層５に注入され、これによって、磁化方向可変層５の磁化方向が反転し、磁化方向可変層５の磁化方向が、磁化方向固定層３における磁化方向（矢印Ａの方向）と反対の矢印Ｂの方向となる。

ここで、磁化方向可変層５における磁化方向と、磁化方向固定層３における磁化方向が相互に逆の方向となった状態と、磁化方向が相互に同じ方向となった状態とでは、上部透明電極６と磁化方向可変層５の界面で生じる磁気光学カー効果による反射光ＦＬの偏光面の回転方向が逆になる。

このとき、上部透明電極６が、前記（１）で表される膜厚ｄを有することによって、上部透明電極に入射された光は、上部透明電極６と磁化方向可変層５の界面と、外部媒質と上部透明電極６の界面との間での複数次に亘る多重反射の間に、上部透明電極６と磁化方向可変層５の界面で反射される毎に磁気光学カー効果によって偏光されて、１次反射光ＦＬ１、２次反射光ＦＬ２、・・・ｎ次反射光ＦＬｎ・・・・が生じる。

すなわち、まず、上部透明電極６の上方から入射角θ_０で入射する入射光Ｌ１は、外部空間媒質と上部透明電極６の界面６ａで屈折されて入射し、上部透明電極６と磁化方向可変層５の界面５ａで反射され、１次反射光ＦＬ１として外部空間媒質と上部透明電極６の界面６ａに向かう。このとき、１次反射光ＦＬ１の内の一部が、上部透明電極６から、入射光Ｌ１の偏光軸に対してθｋの偏光面回転角を有する１次出射光Ｌ３１として出射する。

一方、１次反射光ＦＬ１の内、外部空間媒質と上部透明電極６の界面６ａで反射された反射光Ｌ２２は、上部透明電極６と磁化方向可変層５の界面５ａで反射され、２次反射光ＦＬ２として外部空間媒質と上部透明電極６の界面６ａに向かう。この２次反射光ＦＬ２は、偏光面回転角θｋを有する反射光Ｌ２２が、さらに、上部透明電極６と磁化方向可変層５の界面における磁気光学カー効果によって偏光されて、偏光面回転角２θｋを有する偏光となる。そして、２次反射光ＦＬ２の内の一部が、１次出射光Ｌ３２として出射する。この１次出射光Ｌ３２は、上部透明電極６から、入射光Ｌ１の偏光軸に対して２θｋの偏光面回転角を有する偏光となる。また、ｎ次の出射光Ｌ３ｎは、ｎθｋの偏光面回転角を有する偏光となる。

以上のように、上部透明電極６に入射光Ｌ１が入射すると、上部透明電極６内の多重反射によって、それぞれθｋ、２θｋ、・・・・ｎθｋ、・・・の偏光面回転角を有する１次出射光、２次出射光、・・・・・ｎ次出射光、・・・が、上部透明電極６から出射される。このとき、λ：入射光の波長、ｍは自然数、ｎ_０：外部空間媒質の屈折率、ｎ_ｔ：上部透明電極層の屈折率、θ_０：上部透明電極層への入射光の入射角とすると、下記の式（４）および（５）が満たされる場合に、１次出射光、２次出射光、・・・・・ｎ次出射光、・・・が、同じ出射角で上部透明電極６から出射して、１次出射光、２次出射光、・・・・・ｎ次出射光、・・・を合計した光が観測される。また、ｎ_０：外部空間媒質の屈折率、ｎ_ｔ：上部透明電極層の屈折率およびθ_０：上部透明電極層への入射光の入射角は、下記式（６）で表される関係がある。

式（４）、（５）および（６）から、下記の式（１）が求められる。
ｄ＝（ｍλ／２）〔１−（ｎ_０／ｎ_ｔ）^２ｓｉｎ^２θ_０〕^１／２ （１）

以上のとおり、空間光変調素子１においては、式（１）で表される厚さｄを有する平行平面層である上部透明電極６に入射光Ｌ１が入射すると、上部透明電極６と磁化方向可変層５の界面と、外部媒質と上部透明電極６の界面との間での複数次に亘る多重反射の間に、上部透明電極６と磁化方向可変層５の界面で反射される毎に偏光されて、１次反射光、２次反射光、・・・と、反射次数が多いほど偏光度（θｋ、２θｋ、・・・・ｎθｋ、・・・）が大きい偏光成分となる。そのため、入射光Ｌ１に対して、上部透明電極６から出射される出射光は、それらの偏向度が異なる複数の偏光成分を各偏光成分の光強度比で重みづけしたベクトル和の光として出射される。

この空間光変調素子１は、多層構造を形成する各層を、例えば、スパッタリング法や蒸着法などで成膜することによって形成することができる。例えば、基板上に、スパッタリング法や蒸着法によって、下部電極２を構成する金属膜を成膜した後、電子ビームやフォトリソグラフィを用いて下部電極２を形成する。次に、磁化方向固定層３、非磁性中間層４および磁化方向可変層５となる材料を、この順で積層した後、その上に、電子ビームやフォトリソグラフィを用いて井桁状にレジストからなるパターンを形成し、イオンミリングやドライエッチングを用いて磁化方向固定層３がなくなるまでエッチングを行う。その後、上部透明電極６を形成することによって、空間光変調素子１を形成することができる。

次に、図２に示す本発明の第２実施形態に係る空間光変調素子２１について説明する。
図２に示す空間光変調素子２１は、下部電極２と、下部電極２の上に、磁化方向固定層３、非磁性中間層４、磁化方向可変層５および上部透明電極２６の順に積層された多層構造を有する。この空間光変調素子２１において、上部透明電極２６が、直角二等辺三角形の断面形状を有する以外は、下部電極２、磁化方向固定層３、非磁性中間層４および磁化方向可変層５は、前記第１実施形態の空間光変調素子１と同様の構造を有するものである。したがって、以下の説明において、下部電極２、磁化方向固定層３、非磁性中間層４および磁化方向可変層５に関する説明は省略する。

この空間光変調素子２１において、上部透明電極２６は、図２に示すように、辺長ｆを有する２つの等辺２６ａ，２６ｂに挟まれた頂角Ｒが直角である直角二等辺三角形の断面形状を有する。

この空間光変調素子２１においては、入射光Ｌ１が、上部透明電極２６の等辺（入射面）２６ａに垂直に入射するように構成される。例えば、レーザ光源等から入射する平行光束に対して垂直となるように、空間光変調素子を配置することによって、入射光Ｌ１が、上部透明電極２６の等辺（入射面）２６ａに垂直に入射するように構成することができる。

そして、上部透明電極２６は、等辺（入射面）２６ａが下記式（２）で表される辺長ｆを有するものである。
ｆ＝ｍλ／２ （２）
（ここで、λ：入射光の波長、ｍは自然数である。）
そして、上部透明電極２６の高さｈと、辺長ｆとは、ｆ＝２^１／２ｈの関係がある。また、上部透明電極２６の底辺の長さは２ｈとなる。

この上部透明電極２６は、図３に示すように、頭頂部２７が欠けた等脚台形の断面形状を有する透明電極２８であってもよい。この図３に示す形状の透明電極２８において、等辺（入射面）２８ａの辺長ｆ１と、頭頂部２７の辺長ｆ２は、下記の式で表される。
ｆ１＋ｆ２＝ｍλ／２ （２−１）
（ここで、λ：入射光の波長、ｍは自然数である。）
そして、透明電極２８の高さｈ１と、頭頂部２７の高さｈ２と、辺長ｆとは、ｆ＝２^１／２ｈの関係がある。また、透明電極２８の底辺の長さは２（ｈ１＋ｈ２）となる。
この等脚台形の断面形状を有する透明電極２８は、後記の作製方法によって、確実に作製し易い、という利点がある。

次に、この空間光変調素子２１の動作について説明する。
この空間光変調素子２１では、上部透明電極６から下部電極２の向きに電流が流されている状態では、磁化方向可変層５における磁化方向と、磁化方向固定層３における磁化方向とが相互に逆の方向となった状態（スピン注入磁化反転状態）では、磁気光学カー効果によって、磁化方向可変層５による反射光の偏光面が回転する。逆に、磁化方向可変層５における磁化方向と、磁化方向固定層３における磁化方向が相互に同じ方向となった状態では、磁気光学カー効果が逆方向に働き、磁化方向可変層５による反射光の偏光面の回転方向が前者の場合とは逆方向に回転することになる。

このとき、上部透明電極２６が、前記（２）で表される辺長ｆを有する等辺２６ａ，２６ｂを有し、等辺２６ａ，２６ｂの間の頂角Ｒが直角である形状を有することによって、上部透明電極２６の等辺（入射面）２６ａに入射光Ｌ１が垂直に入射したとき、上部透明電極２６と磁化方向可変層５の界面２５と、外部媒質と上部透明電極６の界面２６ｃ、２６ｄとの間での複数次に亘る多重反射の間に、上部透明電極２６と磁化方向可変層５の界面２５で反射される毎に磁気光学カー効果によって偏光される。そして、外部媒質と上部透明電極６の界面２６ｃから入射した光は、上部透明電極２６の内部を、上部透明電極２６と磁化方向可変層５の界面２５で反射されてＰ１→Ｐ２→Ｐ３の経路で、外部媒質と上部透明電極２６の界面２６ｄから出射光として出射され、上部透明電極２６と磁化方向可変層５との界面において磁気光学カー効果により偏光面回転角がθｋだけ変化する。

しかし、全ての光がＰ３の経路で上部透明電極２６から外部媒質へ出射されるわけではなく、その界面２６ｄにおいて、Ｐ４のように一部は反射される。この反射光はＰ５→Ｐ６と進み、再度、磁気光学カー効果（この時点で、磁気光学カー効果により偏光面回転角が２θｋとなる）を受け、Ｐ７へ進む。さらに、光は再度反射され、Ｐ８→Ｐ９→Ｐ１０という光路を進み、３回目の磁気光学カー効果により偏光面回転角が３θｋとなって、Ｐ１１の経路で外部媒質と上部透明電極６の界面２６ｄから出射光として出射される。この光は３次の反射光に相当し、減衰などにより強度は低下するものの、偏光面回転角３θｋの情報を持っていることになる。以下、同様に５次・７次・・・と奇数次の反射光を出射光として取り出すことができ、外部から観測する場合には、これら全ての偏光面回転角を有する出射光の強度を考慮したベクトル和の光を、合計の出射光として得ることができる。
以上、直角二等辺三角形の断面形状を有する上部透明電極２６を備える空間光変調素子２１の動作について説明したが、前記の等脚台形の断面形状を有する透明電極２８を備える空間光変調素子についても同様にして、偏向度が異なる複数の偏光成分を全て含むベクトル和の光を合計の出射光として得ることができる。

次に、図４に示す本発明の第３実施形態に係る空間光変調素子３１について説明する。
図４に示す空間光変調素子３１は、下部電極２と、下部電極２の上に、磁化方向固定層３、非磁性中間層４、磁化方向可変層５および上部透明電極３６の順に積層された多層構造を有する。この空間光変調素子３１において、上部透明電極３６が、半円形の断面形状を有する以外は、下部電極２、磁化方向固定層３、非磁性中間層４および磁化方向可変層５は、前記第１実施形態の空間光変調素子１と同様の構造を有するものである。したがって、以下の説明において、下部電極２、磁化方向固定層３、非磁性中間層４および磁化方向可変層５に関する説明は省略する。

この空間光変調素子３１においては、入射光Ｌ１が、上部透明電極３６の入射面３６ａに垂直に入射するように構成される。例えば、レーザ光源等から入射する平行光束に対して垂直となるように、空間光変調素子を配置することによって、入射光Ｌ１が、上部透明電極３６の入射面３６ａにおける法線Ｎに垂直になる角度で入射するように構成することができる。

そして、上部透明電極３６は、下記式（３）で表される半径ｒを有するものである。
ｒ＝ｍλ／４ （３）
（ここで、λ：入射光の波長、ｍは自然数である。）

次に、この空間光変調素子３１の動作について説明する。
この空間光変調素子３１では、上部透明電極３６から下部電極２の向きに電流が流されている状態では、磁化方向可変層５における磁化方向と、磁化方向固定層３における磁化方向とが相互に逆の方向となった状態（スピン注入磁化反転状態）では、磁気光学カー効果によって、磁化方向可変層５による反射光の偏光面が回転する。逆に、磁化方向可変層５における磁化方向と、磁化方向固定層３における磁化方向が相互に同じ方向となった状態では、磁気光学カー効果が逆方向に働き、磁化方向可変層５による反射光の偏光面の回転方向が前者の場合とは逆方向に回転することになる。

このとき、上部透明電極３６が、前記式（３）で表される半径ｒを有する半円形の断面形状を有することによって、上部透明電極３６の入射面３６ａに入射光Ｌ１が垂直に入射したとき、上部透明電極３６と磁化方向可変層５の界面３５と、外部媒質と上部透明電極６の界面３６ａ，３６ｂとの間での複数次に亘る多重反射の間に、上部透明電極３６と磁化方向可変層５の界面３５で反射される毎に磁気光学カー効果によって偏光される。そして、外部媒質と上部透明電極３６の界面３６ａから入射した光は、上部透明電極３６の内部を、上部透明電極３６と磁化方向可変層５の界面３５で反射されてＰ１→Ｐ２→Ｐ３の経路で、上部透明電極３６と磁化方向可変層５との界面において磁気光学カー効果により偏光面回転角がθｋだけ変化するとともに、外部媒質と上部透明電極３６の界面３６ｂから出射光として出射される。

しかし、全ての光がＰ３の経路で上部透明電極３６から外部媒質へ出射されるわけではなく、その界面３６ｂにおいて、Ｐ４のように一部は反射される。この反射光はＰ５→Ｐ６と進み、再度、磁気光学カー効果（この時点で、磁気光学カー効果により偏光面回転角が２θｋとなる）を受け、Ｐ７へ進む。さらに、この光は再度反射されＰ８→Ｐ９→Ｐ１０という光路を進み、３回目の磁気光学カー効果により偏光面回転角が３θｋとなって、Ｐ１１の経路で外部媒質と上部透明電極３６の界面３６ｂから出射光として出射される。この光は３次の反射光に相当し、減衰などにより強度は低下するものの、偏光面回転角３θｋの情報を持っていることになる。以下、同様に５次・７次・・・と奇数次の反射光を取り出すことができ、外部から観測する場合には、これら全ての偏光面回転角を有する出射光のベクトル和の光を、合計の出射光として得ることができる。

以上の第２実施形態および第３実施形態の空間光変調素子２１，３１の作製においては、多層構造を形成する下部電極２、磁化方向固定層３、非磁性中間層４および磁化方向可変層５を、例えば、スパッタリング法や蒸着法などで成膜することによって形成する。例えば、基板上に、スパッタリング法や蒸着法によって、下部電極２を構成する金属膜を成膜した後、電子ビームやフォトリソグラフィを用いて下部電極２を形成する。次に、磁化方向固定層３、非磁性中間層４および磁化方向可変層５となる材料を、この順で積層した後、その上に、電子ビームやフォトリソグラフィを用いて井桁状にレジストからなるパターンを形成し、イオンミリングやドライエッチングを用いて磁化方向固定層３がなくなるまでエッチングを行う。その後、上部透明電極２６，３６を形成することによって、空間光変調素子２１，３１を形成することができる。

直角二等辺三角形の断面形状を有する上部透明電極２６は、電子線描画装置を用いて、描画ドーズ量（電子を電子線レジストに照射する絶対量）を制御する方法、もしくは等方性エッチングを用いる方法によって形成することができる。以下、上部透明電極２６の形成方法の具体例について、図５（Ａ）〜（Ｅ）に従って説明する。

まず、図５（Ａ）に示すように、基板５１の上に、下部電極２、磁化方向固定層３、非磁性中間層４、磁化方向可変層５の順に、例えば、スパッタリング法等によって成膜することによって形成した後、磁化方向可変層５の上に、透明電極材料５６ａを堆積する。次に、上部透明電極材料５６ａの上に、電子線レジストを堆積し、さらに、電子線リソグラフィーによって、図５（Ｂ）に示すように、同一方向（図５中、紙面に垂直な方向）に整列した複数の直線状のレジストパターン５７を形成する。このとき、各レジストパターン５７の間隔、パターン幅およびレジスト厚によって、最終的に形成される上部透明電極の断面における直角二等辺三角形の大きさを決定することができる。

次に、透明電極材料５６ａを溶解するエッチング液を用いてエッチングを行う。これによって、図５（Ｃ）に示すように、レジストパターン５７の下部の透明電極材料５６ａのアンダーエッチが起こる。この等方的選択エッチングを続けると、図５（Ｄ）に示すように、所望の直角二等辺三角形の断面構造を有する上部透明電極２６を作製することができる。最後に、レジストパターン５７を除去することによって、図５（Ｅ）に示すように、基板５１の上に、下部電極２、磁化方向固定層３、非磁性中間層４、磁化方向可変層５の順に積層されて構成された光変調部の上に、直角二等辺三角形の断面形状を有する上部透明電極２６を有する空間光変調素子２１を得ることができる。

また、半円形の断面形状を有する上部透明電極３６は、例えば、下記の方法に従って形成することができる。まず、図６（Ａ）に示すように、基板６１の上に、下部電極２、磁化方向固定層３、非磁性中間層４、磁化方向可変層５の順に、例えば、スパッタリング法等によって成膜することによって形成する。次に、図６（Ｂ）に示すように、例えば、インクジェット法によって、透明電極材料６６ａの液滴を、磁化方向可変層５の上に直接堆積させる。次いで、加熱処理して、透明電極材料６６ａを溶融し、表面張力によって透明電極材料６６ａを半球状に形成して固化させることによって、図６（Ｃ）に示すように、基板６１の上に、下部電極２、磁化方向固定層３、非磁性中間層４、磁化方向可変層５の順に積層されて構成された光変調部の上に、半円形の断面形状を有する上部透明電極３６を有する空間光変調素子３１を得ることができる。このとき、空間光変調素子３１を、逆さまにに引っくり返すことによって生じる重力を、溶融状態の透明電極材料６６ａに加えると、より半円に近い断面形状の上部透明電極３６を作製することができる。

以上の実施形態においては、２つの磁性膜の間に非磁性膜が挟設された構成の光変調部を備える空間光変調素子について説明したが、本発明の空間光変調素子は、この実施形態に示す構成に限定されない。例えば、磁化方向固定層および磁化方向可変層、ならびに非磁性中間層は、それぞれ多層構造を有するものでもよい。また、２つの磁性膜の間に非磁性膜が挟設された構成を複数組、組み合わせた構成を有するものでもよい。例えば、スピンバルブやデュアルスピンバルブのような構造でもよい。

また、前記実施形態においては、下部電極と磁化方向固定層の間、さらに、上部透明電極の上には、それぞれ、下地層および保護層を、必要に応じて設けてもよい。下地層は、例えば、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｕ、Ｔａ、Ｒｕ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｆｅ、Ｗ等で形成することができる。また、保護層は、Ｔａ、Ｃｕ、Ｒｕ、Ｗ、Ｓｉ、ＳｉＯ_２等で形成することができる。

さらに、本発明の空間光変調素子は、直列または並列に配列して、各空間光変調素子を単独で、または複数の空間光変調素子を組合せて１画素を構成することができる。これによって、各種表示装置、ホログラフィー装置、ホログラム記録装置等に用いられる画像表示部の画素を構成する空間光変調器を構成することができる。例えば、図４に示す空間光変調器を構成することができる。

本発明の第１実施形態に係る空間光変調素子の模式断面図である。 本発明の第２実施形態に係る空間光変調素子の模式断面図である。 本発明の第２実施形態の空間光変調素子の上部透明電極の変形例を示す模式断面図である。 本発明の第３実施形態に係る空間光変調素子の模式断面図である。 （Ａ）〜（Ｅ）は、本発明の第２実施形態に係る空間光変調素子の製造方法の工程例を順を追って示す図である。 （Ａ）〜（Ｃ）および（Ｄ）は、本発明の第３実施形態に係る空間光変調素子の製造方法の工程例を順を追って示す図である。 従来の空間光変調素子を示す概念図である。

符号の説明

１、２１、３１ 空間光変調素子
２ 下部電極
３ 磁化方向固定層
４ 非磁性中間層
５ 磁化方向可変層
６、２６、３６ 上部透明電極

Claims (3)

1. 下部電極と、上部透明電極との間に介設された光変調部を有し、前記光変調部が、前記下部電極の上に、磁化方向固定層と磁化方向可変層とを有し、前記磁化方向固定層と前記磁化方向可変層の間に介設された非磁性中間層を有する空間光変調素子であって、
   前記上部透明電極が、下記式（１）で表される厚さｄを有する平行平面層であることを特徴とする空間光変調素子。
   ｄ＝（ｍλ／２）〔１−（ｎ_０／ｎ_ｔ）^２ｓｉｎ^２θ_０〕^１／２ （１）
   （ここで、λ：入射光の波長、ｍは自然数、ｎ_０：外部空間媒質の屈折率、ｎ_ｔ：上部透明電極層の屈折率、θ_０：上部透明電極層への入射光の入射角である。）
2. 下部電極と、上部透明電極との間に介設された磁化方向可変層を有する空間光変調素子であって、
   前記上部透明電極が、下記式（２）で表される辺長ｆを有する２つの等辺に挟まれた頂角が直角である直角二等辺三角形の断面形状を有し、前記上部透明電極の入射面に入射光が垂直に入射するように構成されたことを特徴とする空間光変調素子。
   ｆ＝ｍλ／２ （２）
   （ここで、λ：入射光の波長、ｍは自然数である。）
3. 下部電極と、上部透明電極との間に介設された磁化方向可変層を有する空間光変調素子であって、
   前記上部透明電極が、下記式（３）で表される半径ｒの半円形の断面形状を有し、前記上部透明電極の入射面に入射光が垂直に入射するように構成されたことを特徴とする空間光変調素子。
   ｒ＝ｍλ／４ （３）
   （ここで、λ：入射光の波長、ｍは自然数である。）

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