JP5054636B2 - 光変調素子、光変調器、表示装置、ホログラフィ装置及びホログラム記録装置 - Google Patents

Description

本発明は、磁化方向の変化を利用した光変調素子、この光変調素子を用いた光変調器、この光変調器を用いた表示装置、ホログラフィ装置及びホログラム記録装置に関する。

光変調器としては、液晶や、ＭＥＭＳ（Micro-Electromechanical System）と呼ばれる半導体の微細加工技術を応用して作製されるＤＭＤ（Digital Micro-Mirror Device）を用いたものが知られている(例えば、非特許文献１、２参照)。液晶方式は、一般に、液晶分子の配向を電圧印加により反転（回転）させて光の透過をコントロールしている。また、ＤＭＤ方式は、画素に対応した１０μｍ程度のミラーアレイを機械的に動かすことにより、光を変調している。

しかしながら、液晶方式は、ホログラフィ装置やホログラム記録装置への応用を考えた場合に、画素の精細さや動作の高速応答性の点で問題がある。具体的には、高速型液晶と呼ばれているＯＣＢ（Optically Compensated Bend）液晶でも、応答速度は数ミリ秒に止まっている。また、液晶方式では、画像保持のためにＴＦＴ（薄膜トランジスタ（Thin Film Transistor）が必要で、高コントラストを確保するために液晶層として少なくとも２μｍ程度の厚さが必要であり、しかも、このような液晶層を２枚の透明板材で挟む必要があるために、最小の画素サイズとしては数ミクロン角が限度と言われている。他方、ＤＭＤ方式では、応答速度は数マイクロ秒と速いものの、画素の大きさはＭＥＭＳの精度で決まり、十数ミクロン角程度が限界であるという問題がある。

そこで、磁性膜における磁化の向きの変化を用いた光変調素子が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１に開示された光変調素子は、磁化の向きをスピン注入磁化反転によって反転させ、入射光の偏光面をカー効果により回転させることによって光を変調するものであり、数ナノ秒という高速応答性と、サブミクロンサイズの画素による高精細な光変調を可能とするものである。
特開２００８−８３６８６号公報 H.Kawai，M.Miyasaka，A.Miyazaki，S.Nebashi＆T.Shimada，"Flexible Active-Matrix Electrophoretic Displays for Electronic Paper Applications", Proc. IDW2005, pp883-886(2005) J. Grimmett and J. Huffman, "Advancements in DLP Technology: The New 10.6μm Pixel and Beyond", Proc. IDW2005, pp1879-1882(2005)

しかしながら、特許文献１に開示された光変調方法では、光変調の大きさが大きくはない、つまり磁気光学効果が小さいという問題がある。この問題を解決する１つの方法としては、磁性膜の膜厚を厚くして磁気光学効果を高める方法があるが、このような方法を用いると、反転電流が大きくなってしまう問題が生じる。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、スピン注入磁化反転素子構造を有し、大きな磁気光学効果を示す光変調素子、この光変調素子を用いて構成される光変調器、この光変調器を用いて構成される表示装置、ホログラフィ装置及びホログラム記録装置を提供することを目的とする。

本発明に係る光変調素子は、固定磁化膜層と、非磁性中間膜層と、自由磁化膜層とがこの順序で積層されたスピン注入磁化反転素子構造を有し、前記固定磁化膜層と前記自由磁化膜層における磁化の方向が膜面に垂直な方向であり、前記自由磁化膜層における磁化状態を変化させることによって前記自由磁化膜層へ入射する光の偏光軸に対してその反射光の偏光軸を回転させる光変調素子であって、前記自由磁化膜層は、コバルト膜層と白金膜層とが交互に積層された構造を有することを特徴とする。

前記した特許文献１に開示されたスピン注入磁化反転素子では、自由磁化膜層の磁化方向が膜面と平行な方向であるために、磁気光学効果（ファラデー効果及びカー効果）を大きくするためには、入射角を大きくしなければならない。しかし、入射角を大きくしすぎると全反射が生じて自由磁化膜層に光が入射できなくなる。これに対して、本発明に係る光変調素子では、自由磁化膜層の磁化方向を膜面に対して垂直にしているために、入射角を小さくして光の入射方向と磁化の方向とを平行に近付けることが容易となるため、大きな磁気光学効果を得ることができる。さらに自由磁化膜層をコバルト膜層と白金膜層とが交互に積層された構造とすることで、さらに大きな磁気光学効果が得られる。これにより光変調によって得られる光のコントラストを高めることができるため、より鮮明な画像や映像等の表現が可能となる。

本発明に係る光変調素子においては、前記自由磁化膜層の保磁力が前記固定磁化膜層の保磁力よりも小さいことが好ましい。
このような構成により、固定磁化膜層の磁化が安定するため、スピン注入磁化反転動作（自由磁化膜層における磁化の向きの反転と維持）を安定して行うことができるようになる。

また、本発明に係る光変調素子においては、前記固定磁化膜層もまた、コバルト膜層と白金膜層とが交互に積層された構造を有することが好ましい。
このような構成により、自由磁化膜層の保磁力に対する固定磁化膜層の保磁力の設定が容易となる。なお、光変調素子を構成するコバルト膜層と白金膜層とは連続して成膜することができるため、製造が容易である。

前記自由磁化膜層を構成するコバルト層の１層の厚さが、前記固定磁化膜層を構成するコバルト層の１層の厚さよりも薄いことを特徴とする。
このような構成により、自由磁化膜層の保磁力が固定磁化膜層の保磁力よりも小さい光変調素子の製造が容易となる。

本発明に係る光変調器は、このような光変調素子が二次元アレイ状に配置されてなることを特徴とする。
本発明に係る光変調素子は、微細化が可能で高速応答性を有するため、このような構成によれば、高精細な光変調を高速で行うことができる。

本発明に係る表示装置は、前記した光変調器と、この光変調器から出射した光を投影するスクリーンとを備えたことを特徴とする。
このような構成によれば、速い表示速度で高精細な画像・映像表現が可能となる。

本発明に係るホログラフィ装置は、物体光と参照光とによって形成された干渉縞を撮像する撮像手段と、前記撮像手段に記録された画像信号を前記した光変調器を用いて再生する画像再生手段と、を具備することを特徴とする。
このような構成によれば、速い表示速度で高精細な立体画像を再現することができる。

本発明に係るホログラム記録装置は、所定の情報を信号光と参照光の２系統の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、前記した光変調器と、前記２系統の光が前記記録媒体に入射する際の当該記録媒体での状態変化を位相情報として検出する撮像手段と、を備え、前記撮像手段が検出した前記位相情報に基づき、前記２系統の光のうちの少なくとも１系統の光変調を、前記光変調器を用いて行うことを特徴とする。
このような構成によれば、記録の多重度を格段に向上させることができ、前記２系統の光の光変調をそれぞれ前記光変調器を用いて行うことにより、この効果をさらに向上させることができる。

本発明に係る光変調素子によれば、スピン注入磁化反転素子構造を用い、その自由磁化膜層をその磁化の方向を膜面に対して垂直な方向とすると共にコバルト膜層と白金膜層とが交互に積層された構造とすることで、大きな磁気光学効果を得ることができる。また、固定磁化膜層の保磁力と自由磁化膜層の保磁力の設定が容易であり、これらの保磁力を適切に設定することにより、安定したスピン注入磁化反転動作が可能になる。本発明によれば、このような光変調素子の特性に起因する高速応答性と高精細かつ高コントラストな光変調特性とを備えた光変調器や表示装置、ホログラフィ装置、ホログラム記録装置を実現することができる。

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。
《光変調器−第１実施形態》
＜全体構造＞
図１（ａ）に本発明の第１実施形態に係る光変調器の概略構成を表した平面図を示し、図１（ｂ）に図１（ａ）のＡ−Ａ断面図を示し、図１（ｃ）に光変調器に用いられている光変調素子の概略構造を表した断面図を示す。また、図２に光変調素子による光変調の一形態を模式的に表した図を示す。

図１（ａ），（ｂ）に示すように、光変調器１０は、基板１４と、基板１４上に一定間隔で平行に設けられた帯状の下部電極１３と、下部電極１３上に一定間隔で設けられた光変調素子１１と、下部電極１３とで光変調素子１１を挟むように一定間隔で平行に設けられた帯状の上部透明電極１２と、を備えている。光変調素子１１間には、図１（ｂ）に示すように、絶縁体１５（図１（ａ）に図示せず）が設けられている。図２に示すように、光変調器１０の上空には、偏光フィルタ１７，１８が配置されている。

図１（ａ）に示されるように、光変調器１０の駆動（動作）は制御装置８０によって制御され、実行される。制御装置８０は、複数の下部電極１３の中から電圧を印加する電極を選択する下部電極選択部８２と、複数の上部透明電極１２の中から電圧を印加する電極を選択する上部電極選択部８３と、下部電極選択部８２と上部電極選択部８３とに電力を供給する電源８１と、下部電極選択部８２と上部電極選択部８３及び電源８１の動作制御を司る制御部８４とを備えている。

次に、光変調器１０を構成する各構成要素について説明する。ここでは光変調器１０として、図２に示されるように、磁気光学効果の１つであるカー効果を利用するものを示している。すなわち、光変調器１０では、上部透明電極１２を通して光変調素子１１に入射した光を光変調素子１１で光変調し、その反射光が検出される。そこで、以下における光変調器１０の各構成要素についての説明では、カー効果を利用するに好ましい形態に絞って説明することとする。なお、磁気光学効果としてファラデー効果を利用する光変調器の一実施形態については後記する。

＜基板＞
基板１４は、下部電極１３、光変調素子１１及び上部透明電極１２を形成するための土台となるものである。光変調器１０では光変調素子１１に入射した後に反射される光を利用するため、基板１４に透光性は要求されず、下部電極１３、光変調素子１１及び上部透明電極１２を形成（成膜）する際の成膜環境に耐えられるものであればよい。したがって、基板１４としては、Ｓｉウエハ、ガラス基板、セラミックス基板等を用いることができる。

＜下部電極＞
下部電極１３は、光変調素子１１に電圧を印加するための一対の電極の片方の電極である。光変調器１０では、光変調素子１１を縦横に一定間隔で二次元配置する構成としているため、下部電極１３は、帯状の形状を有し、一定幅かつ一定間隔で基板１４上に設けられている。光変調器１０では光変調素子１１に入射した後に反射される光を利用するため、下部電極１３に透光性は要求されず、下部電極１３を構成する材料としては、安価で導電性に優れた銅（Ｃｕ）が好適に用いられる。但し、これに限定されるものではなく、金（Ａｕ）や白金（Ｐｔ）等の貴金属を用いてもよい。下部電極１３の幅は、下部電極１３上に形成する光変調素子１１の形状に合わせて、適宜、定められる。

＜上部透明電極＞
上部透明電極１２は、光変調素子１１に電圧を印加するための一対の電極の片方の電極である。光変調器１０では、縦横に一定間隔で二次元配置された光変調素子１１の中から選ばれる任意の素子に電圧を印加することができるように、上部透明電極１２は、一定幅の帯状形状を有し、その長手方向が下部電極１３の長手方向と直交するように、一定間隔で平行に配置されている。上部透明電極１２としては、ＩＺＯやＩＴＯ、ＺｎＯ、ＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２、導電性高分子材料等の透明電極材料が好適に用いられる。

＜光変調素子＞
光変調素子１１は、下部電極１３と上部透明電極１２との間に一定の電圧を印加したときに、光変調素子１１に入射した入射光の偏光面をカー効果により一定角度回転させて反射する役割を担う。光変調素子１１の平面視〔図１（ａ）〕での大きさは、例えば、１００ｎｍ×３００ｎｍとすることができる。光変調器１０では、光変調素子１１は二次元マトリックス状（縦横に一定間隔で二次元配置された状態）に配置されており、１個の光変調素子１１が１画素となっているが、１画素を２個以上の光変調素子１１から構成することも可能である。光変調素子１１の形状は長方形（矩形）に限定されるものではない。光変調素子１１同士の間隔は、上部透明電極１２、下部電極１３及び光変調素子１１の成膜技術（後述するように、半導体製造プロセスが好適に用いられる）の精度に依存し、適宜、定められる。

光変調素子１１としては、所謂、スピン注入磁化反転素子構造を有するもの、より具体的には、ＣＰＰ−ＧＭＲ型、スピンバルブ型またはトンネル電流型の磁化反転素子が用いられる。図１（ｃ）に示されるように、光変調素子１１は、下部電極１３側から、固定磁化膜層２２、非磁性中間膜層２３、自由磁化膜層２４が逐次積層された構造を有しており、自由磁化膜層２４の表面に上部透明電極１２が設けられている。光変調器１０は、このような光変調素子１１を二次元マトリックス状に配置することにより、メサ構造を有している。

固定磁化膜層２２と自由磁化膜層２４には、垂直磁化材料が用いられる。これにより光変調素子１１への光の入射角を小さくして、光の入射方向と磁化の方向とを平行に近付けることが容易となり、大きな磁気光学効果を得ることができる。図２において、固定磁化膜層２２と自由磁化膜層２４にそれぞれ示されている矢印は、磁化の向き（スピンの向き）を表しており、各膜層における磁化方向は膜面に垂直な方向となっている。固定磁化膜層２２における磁化方向は固定されているが、自由磁化膜層２４における磁化方向は、上部透明電極１２と下部電極１３との間に流す電流の向きに応じて変化（反転）する。光変調器１０では、自由磁化膜層２４における磁化の向きによってカー回転の方向が逆になることを利用して光変調を行う。

自由磁化膜層２４によるカー効果を最大限に得ることができる入射光の入射方向は、自由磁化膜層２４の磁化の方向と平行である。図２では、自由磁化膜層２４の膜面に垂直な方向に対して一定角度ずれた方向から光を入射させているが、この入射角を小さくして光の入射方向と自由磁化膜層２４における磁化の方向とを平行に近付けることが容易となるため、大きなカー効果を得ることができる。固定磁化膜層２２、非磁性中間膜層２３及び自由磁化膜層２４の詳細な構成については後に詳細に説明する。

＜制御装置＞
下部電極選択部８２は、複数の下部電極１３にそれぞれ対応して設けられた複数のスイッチング素子から構成される。上部電極選択部８３もこれと同様に、複数の上部透明電極１２にそれぞれ対応して設けられた複数のスイッチング素子から構成される。各スイッチング素子へは電源８１から一定電圧が供給されており、駆動対象となる光変調素子１１に下部電極１３を介して接続されているスイッチング素子及び上部透明電極１２を介して接続されているスイッチング素子が、制御部８４からの指令（動作信号）を受けて導通動作を行うことにより、その光変調素子１１に電圧が印加される。駆動対象となっている光変調素子１１の選択と、この光変調素子１１を駆動するためにスイッチング素子の動作制御は、制御部８４によって行われる。

電源８１は電圧反転機能を備えている。つまり、下部電極１３に正電圧を印加すると共に、上部透明電極１２に負電圧を印加することができ、逆に、下部電極１３に負電圧を印加すると共に、上部透明電極１２に正電圧を印加することもできるようになっている。この電源８１の電圧反転機能の制御もまた制御部８４により行われる。制御部８４は、所謂、コンピュータであり、図示しない中央演算装置がＲＯＭ等に格納されたプログラムを実行することにより、電源８１、下部電極選択部８２及び上部電極選択部８３の動作制御が行われる。

＜偏光フィルタ＞
図２において、偏光軸７０で示される光では、偏光軸はランダムな方向に向いている。偏光フィルタ１７は、光変調素子１１へ入射する光が偏光軸７１で示される所定方向となるように、偏光軸を揃える役割を果たす。偏光フィルタ１８は、光変調素子１１からの反射光を、その偏光軸の角度によって透過させたり遮光したりする役割を果たす。この図２に示されている状態についてより詳細に以下に説明する。

＜光変調素子の駆動＞
図２には上部透明電極１２と下部電極１３とに印加する電圧の正負を逆にした２通りの形態、すなわち、光変調素子１１を流れる電流の向きが逆となっている２通りの形態が示されている。図２の左側に示すように、上部透明電極１２から光変調素子１１を通って下部電極１３へと膜面に垂直に電流が流れるようにした場合には、自由磁化膜層２４における磁化（スピン）の向きは、固定磁化膜層２２の磁化の向きと同じになる。一方、図２の右側に示すように、下部電極１３側から光変調素子１１を通して上部透明電極１２側へと膜面に垂直に電流が流れるようにした場合には、自由磁化膜層２４における磁化の向きは、固定磁化膜層２２における磁化の向きとは逆になる。このように、上部透明電極１２と下部電極１３との間で流す電流の向きによって、自由磁化膜層２４における磁化の状態が変化する。この磁化の状態変化は、数ｎｓ〜数十ｎｓ（ｎｓ：ナノ秒）と極めて高速である。

偏光フィルタ１７を通過することにより偏光軸７１で示される所定の偏光軸を有する入射光が、図２に示す各光変調素子１１へ入射すると、自由磁化膜層２４によるカー効果により、偏光軸が所定角度回転した反射光となって、各光変調素子１１から射出される。ここでは、カー回転角について、図２の左側の光変調素子１１の場合のように、偏光軸７２で示される右回転が生じる方向を「正方向（＋方向、＋θ）」とし、図２右側の光変調素子１１の場合のように、偏光軸７３で示される左回転が生じる方向を「負方向（−方向、−θ）」とする。

そこで、反射光の進行方向に偏光フィルタ１８として偏光軸７２と平行な偏光軸を有するものを配置すると、図２左側の場合の反射光は偏光フィルタ１８を通過することができるが、図２右側の場合の反射光は偏光フィルタ１８を通過することができない状態を作り出すことができる。光変調器１０は、前記の通りに上部透明電極１２と下部電極１３とを選択的に駆動（電圧印加）して所望の光変調素子１１に電流を流すことができるようになっているため、光変調素子１１毎に（画素毎に）自由磁化膜層２４の磁化の向きを電流の向きによって制御し、偏光フィルタ１８を通過可能な反射光とするか通過不能な反射光とするかによって、反射光の強弱（コントラスト）を制御することができる。

自由磁化膜層２４によるカー効果の大きさ（カー回転角の大きさ）によって反射光のコントラストの強弱比が決まる。図２に示すように、反射光を透過するかまたは遮光するかの状態の場合（つまり、カー回転角が一定角度以上ある場合）には、高いコントラストを得ることができるが、カー回転角が小さい場合には、例えば、完全に遮光することができずに、一部の光が偏光フィルタ１８から漏れることによって、低コントラストとなる。光変調器１０では、次に説明する通り、自由磁化膜層２４をコバルト（Ｃｏ）膜層と白金（Ｐｔ）膜層との積層構造とすることにより、大きなカー効果を得ることができる。

＜光変調素子の詳細構造＞
［自由磁化膜層］
自由磁化膜層２４は、上部透明電極１２と下部電極１３との間に印加される電圧の極性に応じて（つまり、光変調素子１１を流れる電流の向きに応じて）磁化の向きが反転する垂直磁化材料で構成されており、具体的には、コバルト（Ｃｏ）膜層と白金（Ｐｔ）膜層とを交互に積み重ねた多層膜構造を有するもの（以下「Ｃｏ／Ｐｔ多層膜」という）が用いられる。

Ｃｏ／Ｐｔ多層膜は、所謂、人工格子膜の１つであり、Ｃｏ単層では磁化は面内に向くのに対し、Ｃｏ／Ｐｔ多層膜ではＣｏ膜層の磁化が膜面と垂直な方向に向く。また、Ｃｏ膜層とＰｔ膜層との界面近傍では、Ｃｏ原子とＰｔ原子の近接効果によって、界面近傍のＰｔ原子もまた磁化を持つようになると考えられる。自由磁化膜層２４にこのようなＣｏ／Ｐｔ多層膜を用いることにより、後述する実施例に示されるように、従前より垂直磁化材料として知られているＧｄ_３０Ｆｅ_７０等の遷移金属元素−希土類元素の金属間化合物よりも、大きなカー効果が得られる。

図３（ａ）〜（ｄ）に自由磁化膜層の具体的な構成例を示す。自由磁化膜層２４は、Ｃｏ膜層７５とＰｔ膜層７６が交互に積層されていれば、積層方向の下端と上端にＣｏ膜層７５とＰｔ膜層７６のどちらが配置されていてもよい。したがって、自由磁化膜層２４の具体的な構造としては、Ｃｏ膜層７５を「Ｃｏ」、Ｐｔ膜層７６を「Ｐｔ」とそれぞれ略記して、図３（ａ）に示すＣｏ／Ｐｔ／Ｃｏ／・・・／Ｐｔ／Ｃｏ／Ｐｔ、図３（ｂ）に示すＣｏ／Ｐｔ／Ｃｏ／・・・／Ｃｏ／Ｐｔ／Ｃｏ、図３（ｃ）に示すＰｔ／Ｃｏ／Ｐｔ／・・・／Ｃｏ／Ｐｔ／Ｃｏ、図３（ｄ）に示すＰｔ／Ｃｏ／Ｐｔ／・・・／Ｐｔ／Ｃｏ／Ｐｔがあり、これらのうちいずれの構造を用いてもよい。

図４に、１層のＰｔ膜層の厚さを１ｎｍとしたときのＣｏ／Ｐｔ多層膜の保磁力ＨｃをＣｏ膜層の１層の厚さの関数として表したグラフを示す。ここで、Ｃｏ膜層とＰｔ膜層の層数は同じとしている。図４に示されるように、Ｃｏ膜層の厚さが薄い方が保磁力Ｈｃは小さく、Ｃｏ膜層の厚さを厚くすると保磁力Ｈｃが大きくなることがわかる。自由磁化膜層２４の保磁力Ｈｃは、印加する電流の向きを変えたときの磁化の向きの反転が容易に起こるように、小さい方がよい。また、自由磁化膜層２４に磁化反転を生じさせる電流の大きさは、自由磁化膜層２４の厚さに比例する。したがって、自由磁化膜層２４においては、Ｃｏ膜層７５の厚さを薄くすることが好ましい。

具体的には、自由磁化膜層２４の全厚さを２０ｎｍ以下とし、Ｃｏ膜層７５の１層の厚さを０．２〜０．５ｎｍとし、Ｐｔ膜層７６の１層の厚さを０．８〜１．５ｎｍとすることが好ましい。なお、自由磁化膜層２４の全厚さを２０ｎｍ以下とするのは、自由磁化膜層２４の全厚さが厚すぎると、磁化反転し難くなるという問題が生じるからである。後記するように、固定磁化膜層２２の保磁力Ｈｃを自由磁化膜層２４の保磁力Ｈｃよりも大きくするため、自由磁化膜層２４を構成するＣｏ膜層７５の１層の厚さは、固定磁化膜層２２を構成するＣｏ膜層７５の１層の厚さに対して、相対的に定められる。Ｐｔ膜層７６は、厚さが０．８〜１．５ｎｍの範囲ではカー回転角がほぼ一定になる性質を有するため、光変調器１０において、各光変調素子１１の特性を一定に制御することが容易となる。

［非磁性中間膜層］
光変調素子１１がスピンバルブ型の磁化反転素子の場合には、非磁性中間膜層２３として非磁性金属であるＣｕやＡｌ等が用いられる。この場合、下部電極１３と上部透明電極１２との間に電圧を印加したときに、非磁性中間膜層２３を流れる電子が固定磁化膜層２２による磁場の影響を受けることで非磁性中間膜層２３の抵抗値が変化し、自由磁化膜層２４の磁化の向きを変化させる。非磁性中間膜層２３に金属材料を用いる場合には、その厚さは、スピン編極した電子がスピン状態を保ったまま流れるように、１〜１０ｎｍの範囲とすることが好ましい。

また、非磁性中間膜層２３としては、マグネシア（ＭｇＯ）やアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）等の絶縁体を用いることができる。その場合、光変調素子１１の構造はトンネル電流型の磁化反転素子（ＴＭＲ素子）となる。非磁性中間膜層２３の厚さは、スピン偏極電子がトンネルできる程度の厚さである数ｎｍ以下とされる。

［固定磁化膜層−第１形態］
固定磁化膜層２２の第１形態として、自由磁化膜層２４と同様に、コバルト（Ｃｏ）膜層と白金（Ｐｔ）膜層とを交互に積み重ねた構造のものを用いることができる。固定磁化膜層２２を自由磁化膜層２４と同様の構造とすることにより、固定磁化膜層２２と自由磁化膜層２４との特性調整（保磁力Ｈｃの調整等）を容易に行うことができる共に、光変調素子１１の成膜プロセスを簡単にすることができる。固定磁化膜層２２にＣｏ／Ｐｔ多層膜を用いる場合の具体的な構造は、自由磁化膜層２４の構造として示した図３（ａ）〜（ｄ）に準じ、これら図３（ａ）〜（ｄ）のいずれの構造を用いてもよい。

自由磁化膜層２４における磁化の向きの反転を確実に生じさせるために、固定磁化膜層２２の保磁力Ｈｃは自由磁化膜層２４の保磁力Ｈｃよりも大きいことが好ましく、かつ、５００〔Ｏｅ〕以上とすることが好ましい。先に図４を参照して説明したように、Ｃｏ／Ｐｔ多層膜の保磁力ＨｃはＣｏ膜層７５が厚くなると大きくなるため、例えば、自由磁化膜層２４と固定磁化膜層２２とでＰｔ膜層７６の１層の厚さを同じとした場合には、固定磁化膜層２２におけるＣｏ膜層７５の厚さを、自由磁化膜層２４におけるＣｏ膜層７５の厚さよりも厚くすることで、固定磁化膜層２２の保磁力Ｈｃを自由磁化膜層２４の保磁力Ｈｃよりも大きくすることができる。逆に言えば、自由磁化膜層２４の保磁力Ｈｃを固定磁化膜層２２の保磁力Ｈｃをよりも小さくするためには、自由磁化膜層２４を構成するＣｏ膜層７５の厚さを、固定磁化膜層２２を構成するＣｏ膜層７５の厚さよりも薄くすればよい。

前記した保磁力Ｈｃを確保する観点から、固定磁化膜層２２の全厚さを１０〜３０ｎｍとし、このときにＰｔ膜層７６の１層の厚さを０．８〜１．５ｎｍとし、Ｃｏ膜層７５の１層の厚さを０．４〜１．５ｎｍとすることが好ましい。固定磁化膜層２２の全厚さが１０ｎｍ未満であると、磁化方向が反転するおそれがある。一方、固定磁化膜層２２の全厚さが厚すぎることのデメリットとしては、固定磁化膜層２２の形成が困難になることや、光変調素子１１の抵抗値が大きくなるために、スピン注入のための印加電圧の値が大きくなることが挙げられる。固定磁化膜層２２を構成するＰｔ膜層７６の厚さは、自由磁化膜層２４を構成するＰｔ膜層７６の厚さと同様に定められる。固定磁化膜層２２を構成するＣｏ膜層７５の厚さは、前記したように、自由磁化膜層２４を構成するＣｏ膜層７５との相対的な関係で定められる。

［固定磁化膜層−第２形態］
固定磁化膜層２２の第２形態として、第１ピンド膜層（下部電極１３側）と第２ピンド膜層（非磁性中間膜層２３側）からなる２層構造のものが挙げられる。例えば、第１ピンド膜層は、反強磁性を示すＴｂＦｅＣｏ等の垂直磁化材料（磁化の方向が膜面に垂直な方向となる材料）からなり、第２ピンド膜層は、強磁性を示すＣｏＦｅ等の垂直磁化材料からなる。このような構造では、第２ピンド膜層における磁化の向きが第１ピンド膜層との交換結合により固定される。この磁化の向きを保持するために、固定磁化膜層２２の保磁力Ｈｃは、５００〔Ｏｅ〕以上であることが好ましい。

＜光変調器の製造方法＞
図５に光変調器の製造方法を模式的に示す。最初に、基板１４の表面にＣｕまたはＡｌ等からなる下部電極１３を形成する〔図５（ａ）〕。この下部電極１３の形成は、例えば、基板１４の表面に一様にスパッタ法等によりＣｕ膜等を形成し、Ｃｕ膜等上に下部電極１３と同じ線幅のレジストパターンを形成し、このレジストパターンをエッチングマスクとして基板１４の表面が露出するまでＣｕ膜等をドライエッチング等した後、レジストパターンを剥離することにより、行うことができる。また、下部電極１３を形成する領域を溝としたレジストパターンを先に形成し、スパッタ法によりＣｕ膜を埋め込み形成した後、レジスト膜を剥離するリフトオフ法によって下部電極１３を形成してもよい。

続いて、下部電極１３間の溝をアルミナ等の絶縁材料で埋め、絶縁体１５を形成する〔図５（ｂ）〕。アルミナ膜の形成は、反応性スパッタ法やＣＶＤ法、ゾル−ゲル法等により行うことができ、必要に応じて、ＣＭＰ処理等により下部電極１３を含む表面を平滑にする。こうして形成された表面に、固定磁化膜層２２、非磁性中間膜層２３、自由磁化膜層２４（図５では各層ごとの表示を省略する）を、この順番で各層ごとに所定の膜厚でスパッタ法（例えば、マグネトロンスパッタリング）等により逐次成膜し、光変調素子１１の層を形成する〔図５（ｃ）〕。前記したように、固定磁化膜層２２と自由磁化膜層２４の成膜では、例えば、ＣｏスパッタターゲットとＰｔスパッタターゲットとが装着可能で、これらのターゲットに選択的にスパッタ電圧を印加することができる構造のスパッタ装置を用いることで、Ｃｏ／Ｐｔ多層膜を容易に形成することができる。また、マグネトロンスパッタリングやイオンビームスパッタリングの他、１原子層をコントロール可能なＭＢＥ法等も使用できる。

次に、基板１４上に形成された光変調素子１１に対して、必要に応じて、熱処理を施す。この熱処理は、光変調素子１１の特性を向上させ、また、後に行われるフォトリソグラフィプロセス中における光変調素子１１の特性変化を抑制するために行われる。この熱処理における光変調素子１１の特性低下を抑制する観点から、自由磁化膜層２４の表面に、耐酸化性に優れるＲｕ膜等を保護膜層として設けておくことも好ましい。

続いて、熱処理された光変調素子１１の層上に、例えば、１００ｎｍ×３００ｎｍのレジストパターン９１をメサパターンとなるように、ＥＢ露光法等により形成する〔図５（ｄ）〕。このレジストパターン９１をエッチングマスクとして用いて、光変調素子１１の層をエッチングし、その後、レジストパターン９１を除去する〔図５（ｅ）〕。これにより光変調素子１１が形成される。次いで、ＣＶＤ法等により、光変調素子１１間をアルミナ等の絶縁材料（絶縁体１５）で埋め、必要に応じてＣＭＰ処理等により光変調素子１１を含む表面を平滑にする〔図５（ｆ）〕。または、光変調素子１１の層をエッチングした後に、このエッチングにより形成された溝をアルミナ等の絶縁材料（絶縁体１５）で埋め、その後にリフトオフ（レジストパターン９１の剥離）またはＣＭＰを行う方法を用いてもよい。

なお、ＣＭＰ処理等を行う場合には、光変調素子１１の最上部に形成されている自由磁化膜層２４の最上層（Ｃｏ膜層７５とＰｔ膜層７６のいずれか一方）の厚さが、ＣＭＰ処理後に所定値となるように、その最上層を成膜時に研磨厚さ分だけ厚く形成しておいてもよい。

上部透明電極１２を、光変調素子１１が覆われるように、かつ、下部電極１３のラインパターンと直交するように、所定間隔で形成する〔図５（ｇ）〕。この上部透明電極１２の形成は、下部電極１３の形成方法と同様にして行うことができる。このような製造方法を用いれば、微細な光変調素子１１を高密度に配置した光変調器１０を製造することができる。

《光変調素子よる光変調の第１変形例》
前記した通り、図２に示した光変調素子１１による光変調は、一定の入射角で光を光変調素子１１へ入射させ、その反射光を、偏光フィルタ１８を通して検出する構成とした。この場合、光の入射方向及び反射方向と自由磁化膜層２４における磁化の向きとが完全に平行とはならないために、自由磁化膜層２４によるカー効果は最大とはならない。そこで自由磁化膜層２４によるカー効果を最大限に引き出す構成として、図６（ａ），（ｂ）に光変調素子１１による光変調の別の形態を模式的に表した図を示す。

図６（ａ）、（ｂ）に共通して、ここでは、光源２７から出射する光を、光変調素子１１の固定磁化膜層２２及び自由磁化膜層２４の磁化の方向と平行となるように光変調素子１１へ入射させ、その反射光をハーフミラー１６で所定方向に取り出す構成としている。より詳しくは、まず、レーザ光源等の光源２７から出射した光は、その偏光軸７０がランダムな方向に向いているために偏光フィルタ１７によって偏光軸７１に揃えられ、その後、ハーフミラー１６を透過して、入射方向が光変調素子１１の固定磁化膜層２２及び自由磁化膜層２４の磁化の方向と平行となるようにして、光変調素子１１に入射する。

その反射光には、自由磁化膜層２４の磁化の向きに応じて、＋方向または−方向にカー回転が生じる。図６（ａ）には偏光軸７２で示される＋方向（＋θ）のカー回転が生じた形態が示されており、図６（ｂ）には偏光軸７３で示される−方向（−θ）のカー回転が生じた形態が示されている。反射光は、入射光と同じ方向に光変調素子１１から出射するため、ハーフミラー１６を用いて所定方向（例えば、入射光の進行方向と直交する方向）に取り出される。ハーフミラー１６により屈折した反射光は、例えば、偏光軸７２で示される＋θのカー回転角が得られた反射光を透過する偏光フィルタ１８によって検出器２６に検出され〔図６（ａ）〕、偏光軸７３で示される−θのカー回転角が得られた反射光は偏光フィルタ１８により遮光される〔図６（ｂ）〕。この図６に示す形態では、大きなカー効果が得られるために、検出器２６によって検出される反射光のコントラストが大きくなる。

《光変調素子よる光変調の第２変形例》
前記した図２及び図６には、光変調素子１１のカー効果を利用した光変調の形態を示したが、光変調素子１１の下部電極１３と基板１４に透光性を持たせることにより、ファラデー効果を利用した光変調が可能となる。図７に光変調素子のファラデー効果を利用した光変調の形態を模式的に表した図を示す。なお、光変調素子１１のファラデー効果を利用する場合には、基板１４〔図７に図示せず、図１（ｃ）参照〕としては、石英ガラス等の透光性に優れた材料からなる基板が用いられる。また、下部電極１３としては、上部透明電極１２と同様に透光性を有するＩＺＯやＩＴＯを用いてもよいし、Ｃｕ等の金属膜も、薄膜であれば一定の透光性が得られるので、用いることが可能である。

図７（ａ）、（ｂ）に共通して、レーザ光源等の光源２７から出射した光は、その偏光軸７０がランダムな方向に向いているために偏光フィルタ１７によって偏光軸７１に揃えられ、その後、入射方向が光変調素子１１の固定磁化膜層２２及び自由磁化膜層２４の磁化の方向と平行となるようにして、光変調素子１１に入射する。その透過光には、自由磁化膜層２４の磁化の向きに応じて、＋方向または−方向にファラデー回転が生じ、このとき、自由磁化膜層２４の磁化の方向と入射光の入射方向とが平行であるため、大きなファラデー効果が得られる。図７（ａ）には偏光軸７２で示される＋方向（＋θ）のファラデー回転が、図７（ｂ）には偏光軸７３で示される−方向（−θ）のファラデー回転が生じた形態が示されている。光変調素子１１、下部電極１３及び基板１４（図示せず）を透過して、基板１４から出射された透過光は、例えば、偏光軸７２で示される＋θのファラデー回転角が得られた反射光を透過する偏光フィルタ１８によって検出器２６に検出され〔図７（ａ）〕、偏光軸７３で示される−θのファラデー回転角が得られた反射光は偏光フィルタ１８により遮光される〔図７（ｂ）〕。

《表示装置》
図８に本発明の実施形態に係る光変調器を用いた表示装置の概略構成図を示す。この表示装置３０は、光変調器１０を用いたカラー対応の表示装置であり、光変調器１０と、ＲＧＢ時分割照明器１９と、偏光フィルタ１７，１８と、スクリーン２９を備えている。

ＲＧＢ時分割照明器１９は、光の三原色であるＲ，Ｇ，Ｂ光をそれぞれ放射する発光ダイオードや半導体レーザ等の光源を備えており、Ｒ，Ｇ，Ｂにそれぞれ対応する各光源が１フィールド期間内で順次点灯する構造になっている。例えば、図示しない映像信号送信装置からの信号を受けてＲＧＢ時分割照明器１９を駆動させる。ＲＧＢ時分割照明器１９から射出された光は、偏光軸を揃えるための偏光フィルタ１７を通して光変調器１０に入射し、その際に入射光に対応する光変調素子１１を駆動（電流印加）してカー効果による反射光の偏光軸制御を行う。そして、偏光フィルタ１８は、所定の偏光軸の反射光を強く透過し、この偏光軸と角度の異なる偏光軸の光の透過を、その角度に応じて制限する。こうして、所定のコントラストを有する映像がスクリーン２９に投影される。

前記した通り、光変調器１０は、高速応答性を有し、微細な光変調素子１１を高密度に配置した構造を有しているため、表示装置３０では、速い表示速度で高精細な画像・映像表現が可能となる。

《ホログラフィ装置》
図９に本発明の実施形態に係る光変調器を用いた立体動画対応のホログラフィ装置の概略構造を示す。なお、図９では光変調器１０の詳細な構造は省略しており、また、制御装置８０の図示を省略している。

ホログラフィ装置４０は、大別して、画像入力系と画像再生系とに分けられる。画像入力系は、レーザ光源３１と、ビーム拡大器３２と、レンズ３３，３６と、ハーフミラー３４，３７と、ミラー３５と、撮像手段たるＣＣＤカメラ３８とを備えている。一方、画像再生系は、レーザ光源４１と、ビーム拡大器４２と、レンズ４５と、偏光板４３，４４と、光変調器１０とを備えている。レーザ光源３１とレーザ光源４１とは同等のものであり、例えば、前記した表示装置３０に用いられているＲＧＢ時分割照明器１９であって、半導体レーザ光源を備えたものが用いられる。

ホログラフィ装置４０では、まず、画像入力にあたって、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（平行光）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ための光と、参照光とに分ける。被写体からは反射光たる物体光は、レンズ３６とハーフミラー３７を介して、ＣＣＤカメラ３８側へ出射する。一方、参照光は、ミラー３５とハーフミラー３７によって反射される。こうして、ハーフミラー３７から出射する物体光と参照光とが合成されて干渉縞が形成される。この干渉縞のパターンをＣＣＤカメラ３８により撮像する。なお、図９では、レンズ３３から射出された光の光路を１本線で簡単に示している。

ホログラフィ装置４０での画像の再生にあたっては、まず、レーザ光源４１から出射したレーザ光をビーム拡大器４２で拡大し、その光をレンズ４５により平行にして、この平行光を光変調器１０に入射させる。他方、ＣＣＤカメラ３８から干渉縞パターンを記録した画像信号が光変調器１０の制御装置８０（図９に図示せず）に入力される。制御装置８０が入力信号にしたがって光変調素子１１を駆動することによって、干渉縞パターンの画像信号に対応した光変調が行われ、立体画像を再生することができる。ホログラフィ装置４０では、光変調器１０が用いられていることによって、速い表示速度で高精細な立体画像を再現することができる。

《ホログラム記録装置》
図１０に本発明の実施形態に係る光変調器を用いたホログラム記録装置の概略構造を示す。なお、図１０では光変調器１０の詳細な構造は省略している。また、図１０では、光の進行方向のみを示すものとし、レンズ等による光の空間的な幅の変更等の図示を省略する。

ホログラム記録装置５０では、レーザ光源５１（前記したレーザ光源３１，４１等と同等）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。この平行光（レーザ光）は、ハーフミラー５４によって、信号光と参照光とに分けられる。信号光は、光変調器１０により２次元ページデータに対応した光変調がなされて、記録媒体５５に到達する。一方、参照光は、ミラー５７を介して別の光変調器１０に入射され、そこで光変調された後、ミラー５８を介して記録媒体５５に到達する。記録媒体５５での状態変化たる波面の乱れは、位相情報として撮像手段たるＣＭＯＳカメラ５６によってリアルタイムに検出される。こうしてＣＭＯＳカメラ５６によって検出された位相情報に基づいて、別の光変調器１０が参照光の光変調を行うことによって、記録媒体５５での波面の乱れの影響をキャンセルすることができ、これにより、多重記録の精度を向上させることができる。

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や書き込み時の光重合によるフォトポリマーの収縮、収差等の光学系の不完全性等に起因して、記録媒体の波面が乱れることが、記録の多重化を妨げる要因となる場合がある。

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５６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する。この場合、参照光の変調は高速で行われることが好ましく、光変調器１０はその用途に適する。また、ページデータの書き込みにも光変調器１０を用いることができる。こうして、ホログラム記録装置５０では、光の波長程度の分解能で記録媒体５５での波面の乱れを制御できるため、記録の多重度を格段に向上させることができる。なお、ホログラム記録装置５０に用いる２つの光変調器のうち、いずれか一方に本発明に係る光変調器１０を用いた構成としてもよい。

次に本発明に係る光変調器を構成する光変調素子の実施例について詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
Ｓｉ基板上に下部電極としてのＣｕ膜を形成し、このＣｕ膜上に、表１に示す構造を有する光変調素子を成膜形成した。光変調素子の熱処理を行わず、かつ、上部透明電極を設けずに、直接に光変調素子に磁界を印加して自由磁化膜層の磁化の向きを調整することにより、自由磁化膜層の磁気光学効果（カー効果）によるカー回転角を、カー効果測定装置（レーザ波長：７８０ｎｍ）を用い、外部磁界±１ｋＯｅを印加して行った。結果を表１に併記する。表１に示されるように、自由磁化膜層をＣｏ／Ｐｔ多層膜とすることで、比較例としてのＧｄＦｅ単層膜やＣｏ_２ＳｉＦｅ単層膜に比べて、カー回転角は極めて大きな値を示すことが確認された。

以上、本発明の実施の形態及び実施例について説明したが、本発明はこのような実施の形態に限定されるものではない。例えば、光変調素子１１として、固定磁化膜層２２と、非磁性中間膜層２３と、自由磁化膜層２４とを備えた構造のものを取り上げたが、自由磁化膜層２４と上部透明電極１２との間にさらに、耐酸化性に優れた金属からなる保護膜層が設けられていてもよい。この保護膜層は、光変調素子１１の特性を向上させるために、積層成膜された固定磁化膜層２２、非磁性中間膜層２３及び自由磁化膜層２４を熱処理する際に、これらの膜を酸化から保護する役割を果たし、これにより光変調素子１１の特性向上を図ることができる。この保護膜層としては、ルテニウム（Ｒｕ）膜やタンタル（Ｔａ）膜が好適に用いられる。

（ａ）は本発明の一実施形態に係る光変調器の概略構成を示す平面図であり（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図であり、（ｃ）は光変調器に用いられている光変調素子の概略構造を示す断面図である。 光変調素子への電圧印加形態と自由磁化膜層のカー効果との関係を模式的に示す図である。 （ａ）〜（ｄ）はそれぞれ、自由磁化膜層（固定磁化膜層）の具体的な構成例を示す断面図（固定磁化膜層についても同様）である。 １層のＰｔ膜層の厚さを１ｎｍとしたときのＣｏ／Ｐｔ多層膜の保磁力ＨｃをＣｏ膜層の１層の厚さの関数として示したグラフである。 光変調器の製造方法を模式的に示す図であり、（ａ）〜（ｇ）はそれぞれ所定の製造段階での構成を示した模式図である。 光変調素子による光変調の別の形態を模式的に示す図であり、（ａ），（ｂ）はそれぞれ下部電極と上部透明電極とに印加する電圧の正負を逆にした場合の模式図である。 光変調素子による光変調のさらに別の形態を模式的に示す図であり、（ａ），（ｂ）はそれぞれ下部電極と上部透明電極とに印加する電圧の正負を逆にした場合の模式図である。 本発明に係る光変調器を用いた表示装置の概略構造図である。 本発明に係る光変調器を用いた立体動画対応のホログラフィ装置の概略構造図である。 本発明に係る光変調器を用いたホログラム記録装置の概略構造図である。

符号の説明

１０ 光変調器
１１ 光変調素子
１２ 上部透明電極
１３ 下部電極
１４ 基板
１６ ハーフミラー
１７ 偏光フィルタ
１８ 偏光フィルタ
１９ ＧＲＢ時分割照明器
２２ 固定磁化膜層
２３ 非磁性中間膜層
２４ 自由磁化膜層
２９ スクリーン
３０ 表示装置
４０ ホログラフィ装置
５０ ホログラム記録装置
７５ コバルト（Ｃｏ）膜層
７６ 白金（Ｐｔ）膜層

Claims (9)

1. 固定磁化膜層と、非磁性中間膜層と、自由磁化膜層とがこの順序で積層されたスピン注入磁化反転素子構造を有し、前記固定磁化膜層と前記自由磁化膜層における磁化の方向が膜面に垂直な方向であり、前記自由磁化膜層における磁化状態を変化させることによって前記自由磁化膜層へ入射する光の偏光軸に対してその反射光の偏光軸を回転させる光変調素子であって、
   前記自由磁化膜層は、コバルト膜層と白金膜層とが交互に積層された構造を有することを特徴とする光変調素子。
2. 前記自由磁化膜層の保磁力が前記固定磁化膜層の保磁力よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の光変調素子。
3. 前記固定磁化膜層が、コバルト膜層と白金膜層とが交互に積層された構造を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光変調素子。
4. 前記自由磁化膜層を構成するコバルト層の１層の厚さが、前記固定磁化膜層を構成するコバルト層の１層の厚さよりも薄いことを特徴とする請求項３に記載の光変調素子。
5. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の光変調素子が二次元アレイ状に配置されてなることを特徴とする光変調器。
6. 請求項５に記載の光変調器と、
   前記光変調器から出射した光を投影するスクリーンと、を備えたことを特徴とする表示装置。
7. 物体光と参照光とによって形成された干渉縞を撮像する撮像手段と、
   前記撮像手段に記録された画像信号を前記請求項５に記載の光変調器を用いて再生する画像再生手段と、を具備することを特徴とするホログラフィ装置。
8. 所定の情報を信号光と参照光の２系統の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、
   前記請求項５に記載の光変調器と、
   前記２系統の光が前記記録媒体に入射する際の当該記録媒体での状態変化を位相情報として検出する撮像手段と、を備え、
   前記撮像手段が検出した前記位相情報に基づき、前記２系統の光のうちの少なくとも１系統の光変調を前記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。
9. 前記２系統の光の光変調をそれぞれ前記光変調器を用いて行うことを特徴とする請求項８に記載のホログラム記録装置。

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