JP4829850B2 - 光変調器、表示装置、ホログラフィー装置、及びホログラム記録装置 - Google Patents

Description

本発明は、磁化方向の変化を用いた光変調器、及び当該光変調器を用いた表示装置、オログラフィー装置、及びホログラム記録装置に関する。

従来、典型的な光変調器としては、液晶を用いるものが一般的であった。液晶を用いる光変調器では、電圧の印加により液晶分子の配向を回転又は反転させ、光の吸収、反射、透過を制御する。この種の光変調器は直視型あるいは投射型液晶表示装置として多用されている。また、同様の原理は、液晶光シャッタ、反射光抑制フィルタ、又は色温度変換フィルタ等にも応用されている。

また、光変調器としては、液晶の他に、例えば電気泳動素子を用いたものが知られている。電気泳動方式の典型的な例はマイクロカプセル型である（例えば、非特許文献１参照）。電気泳動素子を用いた光変調器では、液体を包むポリマーのマイクロカプセルの中に着色して正負に帯電した顔料を封入し、これを外部電界によって基板側又は背面基板側へ移動させて反射型としてのコントラストを得る。

また、機械的な外部光変調方式としては、ＭＥＭＳ(Micro-Electromechanical Systems)と呼ばれる半導体の微細加工技術を応用して作製する空間光変調器としてＤＭＤ(Digital Micro-mirror Device)がすでに市場に出ている（例えば、非特許文献２参照）。この方式では、画素ドットに対応する十数ミクロン角の微細な可動ミラー・アレイによって、入射光が画素ドット毎にミラーの傾きによって変調される。
H.Kawai, M.Miyasaka,A.Miyazaki, S.Nebashi, T.Shimoda, "Flexible Active-Matrix ElectrophoreticDisplays for Electronic Paper Applications ",Proc.IDW’05,pp.833-836(2005) J.Grimmett and J.Huffman, "Advancements in DLP Technology: The New10.8μm Pixeland Beyond", Proc.IDW’05,pp.1879-1882(2005)

しかし、従来の前記光変調器は、応答速度が遅いという問題があった。例えば、液晶を用いた光変調器の応答速度は、主として素子の材料と構造に左右される。通常のＴＮ液晶では液晶分子の粘性のために、典型的には応答速度は十数ミリ秒程度である。近年開発された、スプレイ配向状態から一旦ベンド配向状態へ遷移させ、このベンド配向状態でＯＮ／ＯＦＦを行う高速型のＯＣＢ（Optically Compensated Bend）液晶であっても、その応答速度はせいぜい３ｍｓ程度である。また、電気泳動方式では粒子が電界や磁界によって移動したり回転したりするので、それらの応答速度は数十ミリ秒程度に留まっている。

また、機械的な外部光変調方式では、応答速度は数マイクロ秒と高速の場合もあるが、逆に下記のように微細化に難点がある。

また、従来の光変調器は、微細化が困難であるために光変調の高精細化が困難であった。例えば、光変調器あるいは表示装置の画素ドットサイズは、光変調方法あるいは表示原理に加えて構造や作製技術で決まる。液晶方式では、画像保持のためのＴＦＴ（薄膜トランジスタ）が画素ドット毎に必要となる。また、高コントラストを確保するためには、液晶層厚として２ミクロン程度は必要であり、さらに、この液晶層を２枚のガラス基板又はプラスチック基板で挟む必要がある。このため、最小の画素ドットサイズは数ミクロン角程度が限界であると言われている。

また、電気泳動方式では、マイクロカプセルのサイズの限界が数十ミクロン角程度であり、電気化学反応又は発色反応方式を用いる場合でも、数十ミクロン角程度が限界である。さらに、機械的変調方式では、画素ドットサイズは主としてＭＥＭＳの精度で決まり、ＤＭＤで十数ミクロン角程度が限界である。

このように、従来の光変調器には画素ドットサイズの限界があり、これらの限界を大幅に縮小化するのは現状技術では困難である。

そこで、本発明は、応答速度が高速で高精細な光変調が可能な光変調器、及びこの光変調器を用いた、表示装置、ホログラフィー装置、ホログラム記録装置を提供することを目的とする。

本発明の一局面の光変調器は、入射する光を偏光する第１偏光手段と、アレイ状に配設された複数の画素の各々に配設され、スピン注入により磁化方向が反転され、前記第１偏光手段によって偏光された光が入射されるスピン注入型磁化反転素子と、前記磁化方向の反転による前記スピン注入型磁化反転素子への入射光の偏光方向の変化を検出する第２偏光手段と、前記画素を選択するために前記スピン注入型磁化反転素子に電圧を印加する電圧印加装置とを含み、前記スピン注入型磁化反転素子は、電圧の印加によって磁化方向が変化する磁化方向可変層と、磁化方向が固定された磁化方向固定層と、前記磁化方向可変層と前記磁化方向固定層とを分離する分離層とが積層された積層構造であり、前記電圧印加装置は、前記磁化方向固定層と積層される第１電極と、前記磁化方向可変層と積層される第２電極とを備え、前記第１電極及び前記第２電極のうちの少なくとも前記入射光が入射する電極の少なくとも前記画素に含まれる部分は、透明電極材料で構成されており、前記第２偏光手段の検出結果に基づいて画素選択を行う。

また、前記スピン注入型磁化反転素子の各々には、任意の画素を選択するための画素選択用電極が接続されており、前記磁化方向の反転は、前記画素選択用電極を介して行われてもよい。

また、前記スピン注入型磁化反転素子は、画素領域毎に配設される柱状のスピン注入素子であり、相隣接するスピン注入素子同士は、電気的及び磁気的に絶縁されてもよい。

また、前記スピン注入型磁化反転素子は、前記入射光を反射する層を含んでもよい。

また、前記スピン注入型磁化反転素子へのスピン注入のためのパルス電圧の制御により、前記入射光の変調を行ってもよい。

また、前記分離層は、前記入射光を反射する材料で構成されてもよい。

また、前記スピン注入型磁化反転素子と前記偏光手段との間に配設され、時分割で前記入射光の偏光角度が可変となるシャッタをさらに含んでもよい。

本発明の一局面の表示装置は、これらの光変調器を含む。

本発明の一局面のホログラフィー装置は、２系統の入射光の干渉縞を撮像する撮像手段と、前記撮像手段の画像信号を前記いずれかに記載の光変調器を用いて表示する表示手段と、を有する。

本発明の一局面のホログラム記録装置は、２系統の入射光を用いて記録媒体に記録するホログラム記録装置であって、前記記録媒体の状態の変化をモニターする撮像手段を有し、前記撮像手段の位相情報に基づき、前記２系統の入射光のうちの少なくとも１系統の光変調を前記いずれかに記載の光変調器を用いて行う。

本発明によれば、応答速度が高速で高精細な光変調が可能な光変調器と、この光変調器を用いる表示装置、ホログラフィー装置、及びホログラム記録装置を提供できるという特有の効果が得られる。

以下、本発明の光変調器を適用した実施の形態について説明する。

本実施の形態の光変調器では、画素を構成する磁性材料に入射する光の偏光方向のファラデー回転効果又はカー回転効果を利用する。

例えば、同一の方向に一様に磁化された磁性材料に偏光した光が入射すると、磁性材料の磁化の方向に応じて、その偏光軸が回転する。

ここで、この磁性材料の磁化の方向をスピン注入によって反転させると、その領域を通過又は反射する光の偏光軸は、反転前の磁性材料の偏光軸の回転方向と異なる方向（逆方向）に観点する。画素選択はこの原理を利用する。

例えば、この原理を利用して画素選択を行うためには、スピン注入（電圧の印加）によって、少なくとも一部の磁化方向が反転する構造を有するスピン注入型磁化反転素子を用いればよい。

このスピン注入型磁化反転素子は、例えば多層構造を有するように構成され、多層構造のうちの少なくとも一部の層の磁化方向が、スピン注入によって反転するように構成されている。スピン注入型磁化反転素子の構成の一例としては、電圧の印加（スピン注入）によって磁化方向が変化する磁化方向可変層と、磁化方向が固定された磁化方向固定層、この磁化方向可変層と磁化方向固定層とを分離する分離層、及び磁化方向可変層の所定の領域に電圧を印加する電圧印加装置とを有するように構成される。

この構成において、磁化方向可変層への電圧の印加による磁化方向の変化（反転）によって、入射光の偏光方向を変化（逆方向に回転）させ、変調される入射光の領域を選択することができる。

従来の空間光変調器は、例えば、液晶分子の配向や、粒子の移動・回転、又は、画素ミラーの角度回転等の制御を伴うものであり、本実施の形態による光変調器では従来の光変調器に比べて動作速度が高速となる。

また、本実施の形態による光変調器は、液晶を用いた光変調器のように動作保持のためのアクティブ素子（ＴＦＴ等）を必要とせず、また、マイクロミラー等の機械的な動作を伴わないために構造が単純となる。さらに、コントラストを確保するための素子の膜厚が、液晶等の光変調器と比べて薄くてすむため、従来の光変調器に比べて微細化が容易であるために光変調を高精細で行うことができる。

［実施の形態１］
図１Ａは、実施の形態１の光変調器により画素選択を行う原理を模式的に表す断面図である。図１Ｂは、実施の形態１の光変調器を表す平面図である。図１Ａは、図１ＢのＡ０−Ａ０’断面を表す。

図１Ａに示すように、光変調器１０は、スピン注入型磁化反転素子１０１、非磁性絶縁体１０２、電極印加手段２０、及び偏光板を含む。なお、実施の形態１では偏光板を図示せずに省略する。偏光板についての説明は実施の形態２において行う。

スピン注入型磁化反転素子１０１は、磁化方向が固定された磁化方向固定層１１と、非磁性材料で構成される分離層１２と、電圧の印加によって磁化方向（スピン方向）が反転する磁化方向可変層１３とが柱状（ピラー状）に積層された構造を有する。

スピン注入型磁化反転素子１０１は、図１Ａに示す紙面を貫く方向に延伸するように複数配列されている。各スピン注入型磁化反転素子１０１の間には、非磁性絶縁体１０２が形成されている。

電圧印加装置２０は、入射光１６が変調される領域（画素）を選択するために、磁化方向可変層１３の所定の領域に電圧を印加する。

この電圧印加装置２０は、図１Ａ及び図１Ｂに示すように、電極１４（電極Ｘ）及び電極１５（電極Ｙ）を含む。電極１４は、磁化方向固定層１１の上にライン状に配列される。また、各電極１５は、スピン注入型磁化反転素子１０１及び非磁性絶縁体１０２の面のうちの各電極１４とは反対の面に配列される。電極１４及び電極１５は、それぞれ平行に複数配列されており、各電極１４と各電極１５とは、図１Ａに示すように空間的には離間し、図１Ｂに示すように、平面視では互いに直交して格子状（アレイ状）をなすように配列されている。

画素１０３は、図１Ｂに示すように、電極１４と電極１５とが平面視において重なる領域に形成される。すなわち、電極１４及び電極１５は、画素選択用の電極である。

なお、電極１４及び電極１５は、光が透過し易い透明電極材料で形成することが望ましいが、画素１０３に含まれる部分だけを透明電極材料で形成し、画素１０３に含まれない部分には低抵抗電極材料を用いて形成してもよい。

このような光変調器１０において、光変調される領域の選択（画素１０３の選択）は以下のようにして行う。

まず、初期状態では、磁化方向可変層１３の磁化方向（スピン方向）は、（＋）方向（図１において、左方向）を向いており、磁化方向固定層１３の磁化方向は（−）方向（図１において、右方向）を向いている。

この場合に、所定の偏光方向（偏光軸１７）を有する入射光１６が入射すると、電極１４及び電極１５に電圧が印加されていない状態では、磁化方向固定層１１、及び磁化方向可変層１３の磁化方向に従ってその偏光方向がファラデー回転（偏光軸１８，角度θ_１）する。

ここで、電極１４及び電極１５に電圧を印加して画素を選択すると、選択された磁化方向可変層１３の所定の領域の磁化方向のみが（−）方向に反転する。

この場合、各スピン注入型磁化反転素子１０１が非磁性絶縁体１０２によって囲まれているため、選択される領域は、電圧が印加される電極１４及び電極１５の交点の画素１０３になる。この選択された画素１０３に入射光１６が入射した場合、磁化方向可変層１３の磁化方向の変化（反転）に伴って、電圧が印加されていない領域とは逆向きに偏光方向が回転（偏光軸１９，角度θ_２）する。この偏光方向の変化を、周知の偏光板を用いて検出することにより所望の画素１０３を選択できる。さらに、電極１４及び電極１５に印加される電圧のパルス制御や、又は印加される電圧の電圧値の制御によって（図５以下で後述）、入射光の光変調を行うことが可能となる。

この場合、電極１４及び電極１５による電圧の印加は、磁化方向可変層１３、分離層１２、及び磁化方向固定層１１に対して行われるが、実質的には磁化方向可変層１３の電圧印加による磁化方向の変化により、入射光の変調が行われる。

なお、分離層１２は、非磁性材料ではなく、絶縁材料で構成されてもよい。このような構造をトンネル磁気抵抗効果素子（TMR:Tunneling Magnetoresistiv）と呼ぶ場合もある。

以上のような光変調器１０では、磁化方向の反転による光の偏光方向の回転を利用しているため、従来の光変調器に比べて動作速度が速く、１０〜５０ｎｓｅｃ程度の動作速度がえら得る。

また、局所的な磁化反転は、電極１４及び電極１５の交点領域内で起こるので、その磁化反転領域（画素１０３の領域）の大きさは、実質的に電極の大きさに依存することになる。すなわち、現状の半導体の微細加工技術を用いて電極１４及び電極１５を形成すれば、少なくともサブミクロン以下のサイズでの高精細な光変調を行うことが可能になる。

次に、図１に示す光変調器１０の製造方法の一例について、図２Ａ〜図２Ｅ、及び図３Ａ〜図３Ｂに基づき、手順を追って説明する。なお、以下の図では、図１と上下が逆になる（以下の図では電極１４が下側になる）。

まず、図２Ａに示す工程において、シリコン（Ｓｉ）、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、あるいはガラス等よりなる基板１０ａ上に、画素選択駆動用の電極１４を形成する。電極１４は、例えば、ＳｎＯ_３，ＩＴＯ，ＩＺＯ、又はＴｉＯ_２等の透明電極材料、若しくは、Ｔａ、Ｃｒ、又はＣｕ等の金属材料をスパッタ法等で堆積し、リソグラフィー法等で所望のサイズに加工することで形成することができる。

なお、スピン注入型磁化反転素子１０１の上面の全領域に透明電極材料を形成するのではなく、上面のうちの画素１０３に含まれる領域に透明電極材料を形成し、画素１０３に含まれない上面領域には、低抵抗金属材料を形成してもよい。

また、基板１０ａにＳｉやＭｇＯを用いる場合には、電極１４をエピタキシャル成長させてもよい。

次に、図２Ｂに示す工程において、磁化方向固定層１１を形成する。磁化方向固定層１１は、スピン分極率の高い材料で形成されることが好ましい。例えば、金属系ハーフメタルとして、Ｃｏ₂ＭｎＡｌ、Ｃｏ₂ＭｎＳｉ、Ｃｏ₂Ｃｒ_0.6Ｆｅ_0.4Ａｌ、ＣｏＦｅＢ、ＭｉＭｎＳｂ等が大きなスピン偏極率を有する材料として考えられる。また、酸化物系ハーフメタルとしては、Ｌａ_0.7Ｓｒ_0.3Ｍｎ_O3、Ｓｒ₂Ｆｅ(Ｗ_0.4Ｍｏ_0.6)Ｏ₆、Ｓｒ₂ＦｅＲｅＯ₆、ＣｒＯ₂、ＦＥ₃Ｏ₄等を用いることもできる。さらに、ＴｉＯＣｏ、ＺｎＯＭｎ等の導電性のある透明磁性体、又は、ＧａＭｎＮやＺｎＣｒＴｅ等の磁性半導体を用いることもできる。

また、磁化方向固定層１１は、上述のいずれかの材料層を複数積層することにより組成の異なる層の積層構造にしてもよく、また、磁化方向固定層１１の磁化方向を固定するために、スピン固着層を追加することによって積層構造としてもよい。本実施の形態では、電極１４上に磁化方向固定層１１を厚さ数〜数十ｎｍだけ堆積する。堆積方法としては、例えば、分子線エピタクシー法（ＭＢＥ法）やスパッタ法等を用いることができる。

次に、図２Ｃに示す工程において、例えばＣｕよりなる分離層１２を堆積する。後述するように、空間光変調器を反射型で用いる場合には、磁化方向可変層に進入した入射光を反射させる必要があるため、入射光（たとえばＲＧＢ光）に対する反射率の大きい材料を用いるのが望ましい。また、非磁性層１２は、例えばＭＢＥ法やスパッタ法等で堆積する。また、この非磁性層１２の厚さは偏極スピン電子がトンネルできる厚さ（２〜３ｎｍ）とされることが好ましい。

次に、図２Ｄに示す工程において、図２Ｂ又は図２Ｃの工程と同様にして、非磁性層１２上に磁化方向可変層１３を堆積する。

磁化方向可変層１３に用いる材料としては、例えば、ＣｏＦｅ、ＮｉＦｅ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｐｙ等を用いることができる。また、Ａｌ₂Ｏ₃やＳｉＯ₂等の絶縁体中にＣｏ等の微粒子を分散させたグラニュラー薄膜構造としてもよい。また、ＴＩＯＣｏ、ＺｎＯＭｎ等の導電性のある透明磁性体、又は、ＧａＭｎＮやＺｎＣｒＴｅ等の磁性半導体を用いることもできる。磁化方向可変層１３の厚さは、数ｎｍ以下程度とし、例えばＭＢＥ法やスパッタ法等により堆積することができる。

次に、図２Ｅに示す工程において、スピン注入型磁化反転素子１０１として残す部分（図中、電極１４の上に形成されている部分）を除き、リソグラフィー法等により、磁化方向可変層１３、非磁性層１２、及び磁化方向固定層１１層を除去する。

次に、図２Ｆに示す工程において、非磁性絶縁体１０１を堆積する。非磁性絶縁体１０１は、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＡｌＮ等の絶縁材料で形成することができる。

次に、図２Ｇに示す工程において、図２Ａの工程と同様の方法により電極１５を形成する。電極１５は、磁化方向可変層１３に効率よく光を侵入させるため、入射光に対して透明な材料を用いることが望ましい。たとえば、Ｓｎ₂Ｏ₃あるいはＩＴＯ等の材料を用いることができる。

また、電極１４と電極１５は、平面視した場合に互いに直交となる方向に延伸した構造（アレイ状）となっている。図３Ａは、図２Ａに示す工程の平面図であり、図３ＡのＡ−Ａ‘断面が図２Ａに対応する。また、図３Ｂは、図２Ｅに示す工程の平面図であり、図３ＢのＢ−Ｂ’断面が図２Ｅに対応している。

また、以上の光変調器１０の構造において、個々の素子（選択領域）の電気的あるいは磁気的な分離は、例えば以下の方法により行うことができる。第１の方法（構造）としては、リソグラフィー等によるメサエッチングで磁化方向可変層１３を画素加工する方法がある。この場合、磁化方向可変層１３に、素子分離のための格子状の溝が形成されることになる。また、第２の方法としては、磁化方向可変層１３に、例えば窒素等のイオンを局所的に注入することにより、部分的に絶縁化する方法がある。

以上、本実施の形態によれば、アレイ状に配列されたスピン注入型磁化反転素子１０１のうちの任意の画素１０３を選択することによって入射光を変調するので、応答速度が高速で高精細な光変調器を提供することができる。

なお、このような磁気的又は電気的な分離構造が形成された場合であっても、従来の液晶や電気泳動素子、又はＭＥＭＳ等を用いた変調器に比べて微細な構造を形成することが可能であり、高精細な光変調を行う上では殆ど問題になることはない。

［実施の形態２］
図４は、実施の形態２の光変調器１０Ａの構成を示す図である。この光変調器１０Ａの構成は、実施の形態１の光変調器１０に準ずるものである。このため、実施の形態１における光変調器１０と同一の構成要素には同一符号を付し、その説明を省略する。

図４に示すように、実施の形態２の光変調器１０Ａは、実施の形態１のスピン注入型磁化反転素子１０１の非磁性層１２に相当する非磁性層１２Ａが、入射光１６を反射するよう構成されている点が異なる。この相違点により、磁化方向可変層１３を透過した入射光１６は、非磁性層１２Ａによって反射されて再び磁化方向可変層１３を透過する。このため、実施の形態２の光変調器１０Ａでは、画素１０３が選択された入射光の偏光方向が回転する角度が大きくなり、選択される画素１０３の検出が容易になる。

また、実施の形態１に記載したような透過型の非磁性層１２を有する光変調器１０では、磁化方向固定層１１、非磁性層１２、及び磁化方向可変層１３のすべてが入射光を透過するように構成されることが好ましいが、実施の形態２の光変調器１０Ａの場合は、少なくとも磁化方向可変層１３が入射光を透過するように構成されていればよい。なお、電極１５は、入射光を透過する材料で構成されてもよい。これにより、入射光の利用効率がさらに良好となる。

すなわち、光変調器１０Ａにおいては、磁化方向可変層１３に入射光１６を導入させる側に形成された電極１５と、磁化方向可変層１３によって変調された入射光１６又は反射光（１６Ａ及び１６Ｂ）を外部に放出させる側に形成される電極（実施の形態１では電極１４、実施の形態２では電極１５）とが、光透過性の材料により構成されることが好ましい。

図４には、偏光板２２及び２５と、電圧制御手段２１を示す。すなわち、入射光１６を予め偏光させるための偏光板２２と、選択された画素を検出するための、反射光（出射光）を透過させる偏光板２５が示されている。また、電圧制御手段２１は、電極１４及び電極１５に接続されて、電圧印加装置２０を構成している。

実施の形態２の光変調器１０Ａでは、偏光板２２によって所定の方向に偏光した入射光１６が、磁化方向可変層１３に入射する。所定の偏光方向を有する入射光１６が入射すると、電極１４及び電極１５に電圧が印加されていない状態では、磁化方向可変層１３の磁化方向に従ってその偏光方向がファラデー回転する。

ここで、電極１４及び電極１５に電圧を印加して画素を選択すると、選択された磁化方向可変層１３の所定の領域（スピン方向反転領域）の磁化方向のみが反転する。

この選択された領域に入射光１６が入射した場合、磁化方向可変層１３の磁化方向の変化（反転）に伴って、電圧が印加されていない領域とは逆向きに偏光方向が回転する。ここで、偏光方向が異なる光が混在した反射光（１６Ａ、１６Ｂ）に対して、偏光板２５を用いて画素選択されていない素子（電圧が印加されていない画素１０３）からの反射光１６Ａを除外する。この場合、偏光板２５は、偏光板２２と、偏光方向がクロスニコル配置となるような偏光板２３を含む構造とする。すなわち、選択された画素１０３からの出射光１６Ｂは、偏光板２３を透過することができる。このようにして、偏光板２３を透過させたい光を変調させるための画素１０３を選択することができる。

また、偏光板２５が、偏光板２３とは別の偏光板２４を含むように構成してもよい。例えば、偏光板２４を偏光板２３の近傍に配置して、その偏光軸を選択された画素１０３における偏光軸の逆回転の角度に合わせておくと、この偏光軸の逆回転に対応した光を選択的に高いＳＮ比で検出することができる。

また、電極１４及び電極１５に印加される電圧は、電圧制御手段２１によって制御され、入射光の光変調が行われる。次に、これらの電圧制御の具体的な例について説明する。

図５〜図８は、光変調器１０Ａの基本的な駆動方法を示す図である。図５は、個々の素子（個々の選択領域）の電圧・抵抗特性を示す図であり、図６は、図５に示す特性を有する素子を配列（電極Ｘ，Ｙを格子状に配列）した画素の構成を模式的に示す図であり、図７、図８は電圧制御と表示期間の例を示す図である。

光変調器１０Ａの個々の素子は図５に示すような電圧・抵抗特性を示し、抵抗が高い状態（Ｈ）が画素非選択の状態に対応し、抵抗が低い状態（Ｌ）が選択された画素１０３の状態（偏光軸逆回転）に対応する。すなわち、電圧がＶｄ以上となると消去（非選択）、電圧が−Ｖｄ以下で書き込み（選択）が可能となる。

例えば、アレイ状に配列された個々の素子においては、図６に示すように、各電極Ｘ、Ｙ（電極１４及び電極１５）に書き込み・消去回路（電圧制御手段２１）を接続してＨ／Ｌの変換を行い、所望の画素１０３を選択する。

また、光変調にあたっては、図７に示すように、電極Ｘ、Ｙ間にまずＶｄ以上の電圧を印加して画素非選択状態（Ｈ）の初期化を行う。次に電極Ｘ、Ｙ間に−Ｖｄの電圧を印加して画素選択状態（Ｌ）に転移させる。その後、表示期間に相当する時間を経て再びＶｄの電圧を印加することにより、画素１０３の選択を終了する。この、書き込パルス（−Ｖｄ電圧印加）から、消去パルス（２回目のＶｄ電圧印加）までの時間幅によって、入射光の強度変調を行うことができる。

また、図８は、強度変調をするためのパルス数を変調した例である。一定の間隔を有する−ＶｄとＶｄのパルスの組を表示パルスとし、所定期間内における当該表示パルスの数を変更することで、入射光の強度変調を行うことができる。

また、図９〜図１１は、素子に印加する電圧値を制御することで光強度変調を行う方法の例を示す図である。図９は個々の素子の電圧とスピン（磁化）反転領域の関係を、図１０は、電圧制御の例を、図１１は図１０に対応する表示期間を示す図である。

例えば、個々の素子が図９に示すような電圧・スピン反転領域の関係を有している場合に、光強度変調の電圧値による制御が可能になる。すなわち、電極Ｘ、Ｙ間に印加する電圧を変化させることでスピン反転領域が変化するため、電圧値の制御によって光変調が可能になる。

例えば、図１０に示すように、まず電極Ｘ，Ｙの間にＶｅ以上の電圧を印加して初期化する。次にいずれかの画素１０３を選択するにあたり、−Ｖｄと−Ｖｅの間の電圧を印加することで、スピン反転領域を制御し、面積階調方式として強度変調を行うことができる。

この場合、図１１に示すように、パルスの期間よって表示期間を制御することが可能となるとともに、印加される電圧値によっても強度変調を行うことが可能となる。

また、この光変調器を用いて、例えば表示装置（ディスプレイ）を実現することが可能となるが、例えばカラー対応の表示装置を構成する例について以下に説明する。

［実施の形態３］
また、図１２は、実施の形態２による光変調器１０Ａを用いて、カラー対応の表示装置１０Ｂを構成した例を示す図である。ただし、先に説明した部分には同一の符号を付し、説明を省略する。

本実施の形態による表示装置１０Ｂでは、光変調器１０Ａ（磁化方向可変層１３）への入射光の供給を、ＲＧＢ光の時分割照明器２６を用いて行っていることが特徴である。時分割照明器２６は、Ｒ，Ｇ，Ｂ光を放射する発光ダイオードやレーザ光を有し、Ｒ，Ｇ，Ｂに対応するダイオードやレーザが、１フィールド期間内で順次点灯する構造になっている。これらの光を光変調器に入射し、その反射光をスクリーン２７に投写する構成とすることで、表示速度が高速であって、高精細な表示装置を形成することが可能となる。

例えば、表示装置１０Ｂは、ＤＭＤ等を用いた従来の投写型表示装置に比べて画素サイズが小さく、高精細となっている。

［実施の形態４］
また、磁化方向可変層によって回転される入射光の偏光軸の角度が、波長（Ｒ，Ｇ，Ｂ）によって異なる性質を利用して、カラー対応の表示装置を構成することもできる。図１３は、波長と偏光軸回転角度の関係を模式的に示す図である。図１３に示すように、波長が長いほど、磁化方向可変層によって回転される偏光軸の回転角度は大きくなっている。

図１４は、実施の形態４によるカラー対応の表示装置１０Ｃを示す図である。ただし、先に説明した部分には同一の符号を付し、説明を省略する。本実施の形態による表示装置１０Ｃでは、光源に白色光源２８を用いている。また、光変調された出射光側には、液晶偏光シャッタ２９が配設されている。液晶偏光シャッタ２９は、液晶を挟む２枚の電極間に印加する電圧の大きさを変更することで、偏光角度を制御することができる。従って、ＲＧＢに対応する偏光軸回転角度θ_R、θ_G、θ_Bに相当する電圧を、１フィールド期間内で、時分割で順次印加してカラー表示を行うことができる。

［実施の形態５］
また、図１５は、光変調器１０Ａを用いて立体動画対応のホログラフィー装置３０を構成した例である。ただし、先に説明した部分には同一の符号を付し、説明を省略するとともに、光変調器１０Ａの詳細な構造の図示は省略する。

本実施の形態によるホログラフィー装置３０は、大別して画像入力系と画像再生系とに分けることができる。まず、画像入力系は、レーザ光源３１、ビーム拡大器３２、レンズ３３、３６、ハーフミラー３４、３７、ミラー３５、及び撮像手段（ＣＣＤカメラ）３８によって構成されている。

まず、画像入力にあたっては、レーザ光源３１から発するレーザ光を、ビーム拡大器３２で拡大した後、レンズ３３により並行光とする。このレーザ光を、ハーフミラー３４により、被写体に照明して物体光とするものと、参照光とに分ける。被写体に照射された物体光は、レンズ３６、ハーフミラー３７を介して撮像手段３８に入射する。また、参照光は、ミラー３５、ハーフミラー３７によって反射されて参照光と合成され、干渉縞が形成される。この干渉縞パターンを撮像手段３８（ＣＣＤカメラ）によりリアルタイムで検出する。

一方、画像再生系は、レーザ光源４０、ビーム拡大器４１、レンズ３９、偏光板２２及び２３、光変調器１０Ａを有している。画像の再生にあたっては、レーザ光源４０，ビーム拡大器４１，レンズ３９により平行な参照レーザービームを形成し、これを光変調器１０Ａに入射する。ここで、撮像手段３８（ＣＣＤカメラ）から、干渉縞パターン画像信号を光変調器１０Ａに入力し、当該干渉縞パターン画像信号に対応した光変調を行うことで、立体画像を形成することができる。この場合、参照光の変調には、動作速度が高速度であって高精細である光変調器１０Ａを用いることが好ましい。

［実施の形態６］
また、図１６は、光変調器１０Ａを用いてホログラム記録装置５０を構成した例である。ただし、先に説明した部分には同一の符号を付し、説明を省略するとともに、光変調器１０Ａの詳細な構造の図示は省略する。

本実実施の形態によるホログラム記録装置５０では、レーザ光源５１から発するレーザ光を、ビーム拡大器５２で拡大した後、レンズ５３により並行光とする。このレーザ光を、ハーフミラー５４により、信号光と参照光に分ける。信号光は、光変調器１０Ａにより２次元ページデータに対応した光変調がなされ、記録媒体５５に到達する。また、参照光は、ミラー５７を介して光変調器１０Ａに入射され、光変調された後、ミラー５８を介して記録媒体５５に到達する。この場合、記録媒体５５の波面の乱れは位相情報として撮像手段（ＣＣＤカメラ）５６によってリアルタイムに検出される。また、光変調器１０Ａは、当該位相情報に応じて参照光の光変調を行い、このために波面の乱れの影響をキャンセルすることが可能になっている。

例えば、従来のフォトポリマー記録媒体を用いた体積ホログラム記録の場合、空気の流れ等によるシステムの温度変動、書き込み時の光重合によるフォトポリマーの収縮、あるいは収差等の光学系の不完全性に基づいて記録媒体の波面が乱れることが、高多重化を妨げる要因となる場合があった。

そこで、ホログラム記録装置５０では、この波面の乱れをＣＭＯＳカメラ等の撮像手段でリアルタイムに検出し、その乱れをキャンセルするように参照光を空間的に変調している。この場合、参照光の変調には、動作速度が高速度である光変調器１０Ａを用いることが好ましい。また、ページデータの書き込みにもこの光変調器１０Ａを用いることができる。また、ホログラム記録装置では、光の波長程度の分解能で波面を制御できるため、多重度を格段に向上させることができる。

［実施の形態７］
図１７は、実施の形態７の光変調器の要部（スピン注入型磁化反転素子及び電極）を示す断面図である。

光変調器のスピン注入型磁化反転素子は、磁化方向固定層１１、及び磁化方向可変層１３が複数材料層を含む積層体であるとともに、下部側の電極１４も複数の金属材料層の積層体によって構成される点が実施の形態１乃至６の光変調器と異なる。なお、非磁性層１２Ａは、入射光を反射するよう構成されている。この点は、実施の形態２と同様である。

下部側の電極１４は、シリコン（Ｓｉ）基板上にＴａ層、Ｃｕ層、Ｔａ層、Ｃｕ層、及びＲｕ層がこの順に積層された積層体である。

磁化方向固定層１１は、Ｒｕ層、Ｃｕ層、Ｉｒ−Ｍｎ層、Ｃｏ−Ｆｅ層、Ｒｕ層、Ｃｏ−Ｆｅ層、及びＣｏ−Ｆｅ−Ｓｉ層をこの順に積層された積層体である。

分離層１２Ａは、Ｃｕ層の単層構造である。

磁化方向可変層１３は、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｓｉ層、Ｃｕ層、及びＲｕ層がこの順に積層された積層体である。

このように下部側の電極１４、磁化方向固定層１１、分離層１２Ａ、及び磁化方向可変層１３を形成した後に、スピン注入型磁化反転素子１０１として残す部分以外をリソグラフィー法等により除去する。さらに、ＳｉＯ_２で構成される非磁性絶縁体１０２と透明電極を順次形成する。これは、実施の形態１の光変調器１０と同一の作製方法である。

図１８は、実施の形態７の光変調器の上部透明電極と下部電極との間に電流Ｉａｐを通流させてスピン注入型磁化反転素子１０１をスピン注入磁化反転させたときにおける磁化方向可変層による反射光のカー回転角の変化を表す特性図である。

上部の透明な電極１５を負極、下部側の電極１４を正極としたときの電流の向きを正、電極１５を正極、電極１４を負極としたときの電流の向きを負としている。

電流Ｉａｐが＋３０ｍＡ以上となる点Ａでは、反射光のカー回転角θは、正方向であり、この状態から電流を零とした点Ａ‘においてもカー回転角θは正方向を維持する。電流Ｉａｐは−２５ｍＡ以下となる点Ｂでは、反射光のカー回転角θは点Ａとは逆方向（負方向）であり、この状態から電流を零とした点Ｂ’においてもカー回転角θは負方向を維持することが分かる。

このように、実施の形態７の光変調器によれば、磁化方向固定層１１及び磁化方向可変層１３が複数材料層を含む積層体によって構成されるスピン注入型磁化反転素子１０１と、複数の金属材料層の積層体によって構成される下部側の電極１４とを有することにより、電流を零とした状態においても、電流供給時とほぼ同様のカー回転角θを維持することができる。

以上、本発明の例示的な実施の形態の光変調器について説明したが、本発明は、具体的に開示された実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。

実施の形態１の光変調器により画素選択を行う原理を模式的に表す断面図である。 実施の形態１の光変調器を表す平面図である。 図１のスピン注入型磁化反転素子の製造方法を示す図（その１）である。 図１のスピン注入型磁化反転素子の製造方法を示す図（その２）である。 図１のスピン注入型磁化反転素子の製造方法を示す図（その３）である。 図１のスピン注入型磁化反転素子の製造方法を示す図（その４）である。 図１のスピン注入型磁化反転素子の製造方法を示す図（その５）である。 図１のスピン注入型磁化反転素子の製造方法を示す図（その５）である。 図１のスピン注入型磁化反転素子の製造方法を示す図（その５）である。 図１のスピン注入型磁化反転素子の製造方法を示す図（その６）である。 図１のスピン注入型磁化反転素子の製造方法を示す図（その７）である。 実施の形態２による光変調器の構成の概要図である。 図４の光変調器の個々の素子の電圧・抵抗特性を示す図である。 図４の光変調器の画素の配置を示す図である。 電圧制御と表示期間の関係を示す図（その１）である。 電圧制御と表示期間の関係を示す図（その２）である。 図４の光変調器の個々の素子の電圧とスピン反転領域の関係を示す図である。 電圧制御の方法の例を示す図である。 図１０に対応した表示期間を示す図である。 実施の形態３による表示装置を示す図である。 カラー表示の動作原理を示す図である。 実施の形態４による表示装置を示す図である。 実施の形態５によるホログラフィー装置を示す図である。 実施の形態６によるホログラム記録装置を示す図である。 実施の形態７の光変調器の要部（スピン注入型磁化反転素子及び電極）を示す断面図である。 実施の形態７の光変調器の上部透明電極と下部電極との間に電流Ｉａｐを通流させてスピン注入型磁化反転素子１０１をスピン注入磁化反転させたときにおける磁化方向可変層による反射光のカー回転角の変化を表す特性図である。

符号の説明

１０，１０Ａ 光変調器
１１ 磁化方向固定層
１２，１２Ａ 分離層
１３ 磁化方向可変層
１４，１５ 電極
１６ 入射光
１７，１８，１９ 偏光軸
２０ 電圧印加装置
２１ 電圧制御手段
２２，２３，２４，２５ 偏光板
２６ 時分割照明器
２７ スクリーン
３０ ホログラフィー装置
３１，４０ レーザ光源
３２，４１ ビーム拡大器
３３，３６ レンズ
３４，３７ ハーフミラー
３５ ミラー
３７ 撮像手段
５０ ホログラム記録装置
５１ レーザ光源
５２ ビーム拡大器
５３ レンズ
５４ ハーフミラー
５５ 記録媒体
５６撮像手段
５７，５８ ミラー

Claims (10)

1. 入射する光を偏光する第１偏光手段と、
   アレイ状に配設された複数の画素の各々に配設され、スピン注入により磁化方向が反転され、前記第１偏光手段によって偏光された光が入射されるスピン注入型磁化反転素子と、
   前記磁化方向の反転による前記スピン注入型磁化反転素子への入射光の偏光方向の変化を検出する第２偏光手段と、
   前記画素を選択するために前記スピン注入型磁化反転素子に電圧を印加する電圧印加装置と
   を含み、
   前記スピン注入型磁化反転素子は、
   電圧の印加によって磁化方向が変化する磁化方向可変層と、
   磁化方向が固定された磁化方向固定層と、
   前記磁化方向可変層と前記磁化方向固定層とを分離する分離層と
   が積層された積層構造であり、
   前記電圧印加装置は、
   前記磁化方向固定層と積層される第１電極と、
   前記磁化方向可変層と積層される第２電極と
   を備え、前記第１電極及び前記第２電極のうちの少なくとも前記入射光が入射する電極の少なくとも前記画素に含まれる部分は、透明電極材料で構成されており、
   前記第２偏光手段の検出結果に基づいて画素選択を行う、光変調器。
2. 前記スピン注入型磁化反転素子の各々には、任意の画素を選択するための画素選択用電極が接続されており、前記磁化方向の反転は、前記画素選択用電極を介して行われる、請求項１に記載の光変調器。
3. 前記スピン注入型磁化反転素子は、画素領域毎に配設される柱状のスピン注入素子であり、相隣接するスピン注入素子同士は、電気的及び磁気的に絶縁される、請求項１又は２に記載の光変調器。
4. 前記スピン注入型磁化反転素子は、前記入射光を反射する層を含む、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の光変調器。
5. 前記スピン注入型磁化反転素子へのスピン注入のためのパルス電圧の制御により、前記入射光の変調を行う、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の光変調器。
6. 前記分離層は、前記入射光を反射する材料で構成されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の光変調器。
7. 前記スピン注入型磁化反転素子と前記偏光手段との間に配設され、時分割で前記入射光の偏光角度が可変となるシャッタをさらに含む、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の光変調器。
8. 請求項６又は７記載の光変調器を含む表示装置。
9. ２系統の入射光の干渉縞を撮像する撮像手段と、
   前記撮像手段の画像信号を、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の光変調器を用いて表示する表示手段と、を有するホログラフィー装置。
10. ２系統の入射光を用いて記録媒体に記録するホログラム記録装置であって、
    前記記録媒体の状態の変化をモニターする撮像手段を有し、
    前記撮像手段の位相情報に基づき、前記２系統の入射光のうちの少なくとも１系統の光変調を、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の光変調器を用いて行うことを特徴とするホログラム記録装置。

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