JP5147050B2

JP5147050B2 - 磁気光学素子

Info

Publication number: JP5147050B2
Application number: JP2007282140A
Authority: JP
Inventors: 博貴河合; 智和井村; 浩光梅澤
Original assignee: FDK Corp
Current assignee: FDK Corp
Priority date: 2007-10-30
Filing date: 2007-10-30
Publication date: 2013-02-20
Anticipated expiration: 2027-10-30
Also published as: JP2009109756A

Description

本発明は、非磁性ガーネット基板上に磁性ガーネット膜が設けられている構造の磁気光学素子に関し、更に詳しく述べると、非磁性ガーネット基板と磁性ガーネット膜との間にガーネット中間膜を介在させ、該ガーネット中間膜の屈折率と膜厚を適切な範囲に収めることにより内部反射を抑制した磁気光学素子に関するものである。この磁気光学素子は、特に反射型の磁気光学式空間光変調器に有用である。

磁性ガーネット膜を用いる磁気光学デバイスとしては、光通信分野では光アイソレータや光スイッチ等があり、光情報処理分野では磁気光学式空間光変調器（ＭＯＳＬＭ）等がある。磁気光学式空間光変調器は、光の振幅、位相、偏光状態を、磁性膜のファラデー効果を利用して空間的に変調する磁気光学デバイスであり、近年、ホログラム記録、各種ディスプレイなどへの応用が期待されている。

磁気光学式空間光変調器では、光を並列処理するために多数のセル（画素）を２次元アレイ状に配列した磁気光学素子が用いられる。各セルは磁性ガーネット膜からなり、その磁化方向を独立に制御可能な構造である。反射型の場合、入射光（直線偏光）が各セルに入射すると、各セルを透過しミラーで反射して戻る光の偏光面は、磁性ガーネット膜のファラデー効果によって所定の角度だけ回転する。従って、各セルに印加する外部磁界の向きを正負切り換えることによって、各セルからの出射光の検光子での透過（オン）・遮断（オフ）を制御できる。この種の磁気光学式空間光変調器は、例えば特許文献１に開示されている。

このような磁気光学素子における磁性ガーネット膜は、微細加工技術の制約から、かなり薄い（膜厚数μｍ程度）ため、成膜時に下地に用いた基板を取り除くことができない。つまり、磁性ガーネット膜は基板に付着したままの状態で用いられる。実際には、液相エピタキシャル法（ＬＰＥ法）などによって、非磁性ガーネット基板上に磁性ガーネット膜を育成し、その磁性ガーネット膜を多数のセルに区画した集積構造とする。反射型の場合には、磁性ガーネット膜の近傍に磁界制御用の配線を設ける関係上、非磁性ガーネット基板に反射防止膜（ＡＲコート）を設けて入出射面とし、磁性ガーネット膜にミラー（反射膜）を設けて反射面とする。

入射光（直線偏光）は、まず非磁性ガーネット基板を透過し、更に磁性ガーネット膜を透過した後、ミラーで反射して、再度磁性ガーネット膜、更には非磁性ガーネット基板を透過して外部に出射する。この過程で、光は磁性ガーネット膜中を往復することになり、その間における磁性ガーネット膜のファラデー効果によって偏光面が所定の角度だけ回転する。

ところが、このような構造の磁気光学素子を用いた空間光変調器では、出射光のコントラスト（オン時の光量／オフ時の光量）が低くなり、変調特性が悪化する問題があった。磁気光学素子からの出射光のコントラストが低下する主な原因は、磁性ガーネット膜と非磁性ガーネット基板との界面で生じる内部反射である。しかし、この内部反射の発生は、磁性ガーネット膜が薄く非磁性ガーネット基板を除去できないために不可避である。内部反射光は、磁性ガーネット膜を透過していないために偏光面の回転は生じず（実際はカー効果による回転が生じているが、磁性ガーネット膜透過による回転に対して微小であるため無視できる）、他方、磁性ガーネット膜を透過してミラーで反射してくる本来必要なミラー反射光は、ファラデー効果によって偏光面が回転するので、これらが重なることで出射光の主軸が異なるために光が鈍り、それがコントラストの低下をもたらしている。
特開２００６−１１９３３７号公報

本発明は、非磁性ガーネット基板上に、ファラデー効果を有する磁性ガーネット膜が設けられ、前記非磁性ガーネット基板の表面に反射防止膜を設け、前記磁性ガーネット膜の表面にミラーを設けた構造をなし、前記非磁性ガーネット基板側から光を入出射させる反射型の磁気光学素子において、前記非磁性ガーネット基板と磁性ガーネット膜との間にガーネット中間膜が介在しており、該ガーネット中間膜の屈折率ｎ１はｎｓ＜ｎ１＜ｎ２（但し、ｎｓは非磁性ガーネット基板の屈折率、ｎ２は磁性ガーネット膜の屈折率）で、且つガーネット中間膜の屈折率ｎ１と膜厚ｄ１との積が、ｎ１・ｄ１＝λ／４±１０％（但し、λは使用波長）に収まっており、使用波長λの光が、非磁性ガーネット基板側から膜面に垂直に入射し、ミラーで反射して前記非磁性ガーネット基板側から出射するときのコントラストが２０ｄＢ以上であることを特徴とする磁気光学素子である。より好ましくは、ガーネット中間膜の屈折率ｎ１と厚みｄ１との積が、ｎ１・ｄ１＝λ／４±２％に収まるように設定することである。

反射型の磁気光学式空間光変調器に用いる磁気光学素子の場合には、非磁性ガーネット基板の表面に反射防止膜を設け、磁性ガーネット膜の表面にミラーを設けた構造とし、前記非磁性ガーネット基板側から光を入出射させる。

磁性ガーネット膜及びガーネット中間膜は、その組成が、
Ｒ_3-xＢｉ_xＦｅ_5-yＭ_yＯ₁₂（但し、ＲはＹを含む１種以上の希土類元素、Ｍは鉄と置換可能な１種以上の元素）
で表され、磁性ガーネット膜についてはｘ＞０且つｙ≧０、ガーネット中間膜についてはｘ≧０且つｙ≧０であるガーネット材料を用いることができる。ガーネット中間膜は、磁性ガーネット膜より屈折率が小さくなければならず、そのためには鉄サイト置換Ｍを多くすることや、Ｂｉを少なくすることが適当である。勿論、Ｂｉを含有しないガーネット材料を用いてもよい。

このような磁気光学素子は、非磁性ガーネット基板上に、ガーネット中間膜を液相エピタキシャル法で成膜した後、エッチングにより規定の膜厚に調整し、その上に磁性ガーネット膜を液相エピタキシャル法で成膜することで製造することができる。

本発明の磁気光学素子は、非磁性ガーネット基板と磁性ガーネット膜との間にガーネット中間膜を設け、その屈折率と膜厚を適切に設定したことにより、内部反射光の干渉を利用して不要な内部反射光の影響を低減することができ、それによって出射光のコントラストが改善され、磁気光学式空間光変調器の変調特性を向上させることができる。

本発明は、非磁性ガーネット基板上に、ガーネット中間膜を介して、ファラデー効果を有する磁性ガーネット膜を設ける構造の磁気光学素子である。その最良の形態は、ガーネット中間膜の屈折率ｎ１は、ｎｓ＜ｎ１＜ｎ２（但し、ｎｓ：非磁性ガーネット基板の屈折率、ｎ２；磁性ガーネット膜の屈折率）で、且つガーネット中間膜の屈折率ｎ１と膜厚ｄ１との積が、ｎ１・ｄ１＝λ／４±２％（但し、λは使用波長）に収まるようにすることである。ｎ１・ｄ１＝λ／４±１０％に収まっていれば、ガーネット中間膜の両面での合計の内部反射率は、ガーネット中間膜が存在しないときの内部反射率（基板と磁性ガーネット膜との界面での反射率）よりも小さくなり、出射光のコントラストを改善できるが、更にｎ１・ｄ１＝λ／４±２％に収まるようにすると、内部反射率を１％未満に抑えることができ、磁気光学素子からの出射光のコントラストを２０ｄＢ以上に改善することができる。

このような磁気光学素子を製造するには、まず、非磁性ガーネット基板上に、ガーネット中間膜を液相エピタキシャル法で成膜した後、エッチングにより表面を削り取って規定の膜厚に調整し、その上に磁性ガーネット膜を液相エピタキシャル法で成膜する。次に、非磁性ガーネット基板の表面に反射防止膜（ＡＲコート）を設け、反対側の磁性ガーネット膜の表面に銀の蒸着などによりミラーを設ける。その後、磁性ガーネット膜及びガーネット中間膜の側に、例えば縦横に規則的に溝を形成することで、互いに分離し２次元アレイ状にセルが配列された構造の磁気光学素子が得られる。

このようにして、図１に示すような構造の磁気光学素子が得られる。磁気光学素子１０は、反射防止膜付きの共通の非磁性ガーネット基板１２上に、ガーネット中間膜１４、ファラデー効果を呈する磁性ガーネット膜１６、ミラー１８の順に積層され、縦横に形成した溝によって互いに分離したセル２０が、２次元アレイ状に配列された構造である。その上（ミラー側）に、各セル２０に外部磁界を印加するための縦横の駆動用配線（Ｘ側配線２２、Ｙ側配線２４）を形成する。この磁気光学素子１０は、非磁性ガーネット基板１２側から光を入射し、ミラー１８で反射させ、非磁性ガーネット基板１２側から光を出射させる反射型となる。

図２に示すように、この磁気光学素子１０の光入射側に偏光子３０、光出射側に検光子３２を配置する。入射光は、偏光子３０を通過することで直線偏光となり、磁気光学素子１０の各セルを透過する。個々のセルには駆動用配線から膜面に垂直方向の正逆２方向のどちらかの向きの外部磁界が印加されてセル内の磁性ガーネット膜が飽和しており、ミラーの反射で磁性ガーネット膜を往復する光は、そのファラデー効果によって偏光面が回転する。その回転方向は、セル内磁性ガーネット膜の磁化方向の正逆方向により異なる。ここで、一方の磁化方向を白部分、他方の磁化方向を黒部分で表示する。検光子３２を、例えば黒部分の光量が最小になる角度に設定しておくと、白部分からの光と黒部分からの光で検光子の透過光量に差が生じ、出射光により白部分と黒部分を識別することができる。

各セルでの入射光と出射光の反射経路を図３に示す。Ａは従来技術、Ｂは本発明構造である。入射光は、まず下地である非磁性ガーネット基板の表面で反射する。この表面反射光ａは基板表面に反射防止膜（ＡＲコート）を形成しておくことで低減できる。Ａの場合（従来技術）は、非磁性ガーネット基板と磁性ガーネット膜との界面で反射する。この内部反射光ｂはファラデー効果を受けず、表面反射光ａと同様、回転角ゼロの光である。磁性ガーネット膜を透過した光はミラーで反射し、再び磁性ガーネット膜を透過して出射する。このミラー反射光ｃは、ファラデー効果により偏光面が所定の角度θだけ回転した光となる。従来技術では、表面反射光ａは低減できるが、内部反射光ｂは低減できない。従って、回転角θのミラー反射光ｃと回転角ゼロの内部反射光ｂが重なって出射し、これらの光は主軸が異なるために鈍り、それがコントラスト（ここでは検光子透過光量大の白部分と透過光量小の黒部分からの出射光強度の差）を低下させていた大きな要因であった。

しかしＢの場合（本発明）は、非磁性ガーネット基板とガーネット中間膜との界面で反射し（ｄ）、更にはガーネット中間膜と磁性ガーネット膜との界面でも反射する（ｅ）。本発明では、ガーネット中間膜の膜厚と屈折率を適切な値に設定し、内部反射光ｄ、ｅを干渉させることにより、内部反射光の強度を低減させている。それによって、光の鈍りが低減され、コントラストは大幅に改善される。勿論、表面反射光ａは、従来同様、基板表面に反射防止膜を形成しておくことで低減できる。

ガーネット中間膜の組成及び膜厚を種々変えた磁気光学素子を作製し、内部反射率及びコントラストを測定した。

＜実施例１＞
非磁性ガーネット基板として、格子定数１．２４９６ｎｍ、組成（ＣａＧｄ）₃（ＭｇＺｒＧａ）₅Ｏ₁₂の１インチＳＧＧＧ基板を用いた。このＳＧＧＧ基板の波長５３２ｎｍにおける屈折率ｎｓは１．９７である。このＳＧＧＧ基板上に、液相エピタキシャル（ＬＰＥ）法により非磁性のガーネット中間膜、及び磁性ガーネット膜を形成した。

ガーネット中間膜は次のように形成した。Ｇｄ₂Ｏ₃、Ｙ₂Ｏ₃、Ｂｉ₂Ｏ₃、Ｆｅ₂Ｏ₃、Ｇａ₂Ｏ₃、Ｎａ₂ＣＯ₃からなる原料を白金坩堝に入れて９５０℃で２４時間放置した後、同じ９５０℃で３時間攪拌した。その後、６９０℃まで降温し、白金ホルダで保持したＳＧＧＧ基板の片面を液面に接液して、該基板を４０ｒｐｍで回転させながら１分間育成しガーネット膜を得た。得られたガーネット膜は、膜厚２５０ｎｍ、ＥＰＭＡによる組成分析値はＧｄ_1.57Ｙ_0.34Ｂｉ_1.09Ｆｅ_2.81Ｇａ_2.05Ｐｔ_0.14Ｏ₁₂であり、波長５３２ｎｍにおける屈折率は２．３であった。その後、膜表面をイオンミリングにより膜厚５７ｎｍに加工し、ガーネット中間膜とした。

磁性ガーネット膜の育成は、Ｇｄ₂Ｏ₃、Ｙ₂Ｏ₃、Ｂｉ₂Ｏ₃、Ｆｅ₂Ｏ₃、Ｇａ₂Ｏ₃、Ｎａ₂ＣＯ₃からなる原料を白金坩堝に入れて９５０℃で２４時間放置した後、同じ９５０℃で３時間攪拌し、その後６８０℃まで降温し、ＳＧＧＧ基板を白金ホルダで保持し、膜形成面を液面に接液して、４０ｒｐｍで８分間回転させることで行った。得られた磁性ガーネット膜は、膜厚２０００ｎｍ、ＥＰＭＡによる組成分析値はＧｄ_1.06Ｙ_0.85Ｂｉ_1.09Ｆｅ_4.0Ｇａ_0.81Ｐｔ_0.19Ｏ₁₂で、波長５３２ｎｍにおける屈折率は２．７ｎｍであった。この状態で、表裏両面以外の内部反射光強度を測定したところ、波長５３２ｎｍにおける反射率は０．０２％であった。

更に、ＳＧＧＧ基板表面にＳｉＯ₂９０ｎｍ（ＡＲコート）を蒸着し、磁性ガーネット膜上に銀（ミラー）をスパッタ法により成膜した。次に、フォトリソグラフィー技術を使用してＬＰＥ膜（磁性ガーネット膜及びガーネット中間膜）に、幅２μｍでＳＧＧＧ基板まで達する溝を格子状に設けて、１４μｍ角のセルを２次元状に形成した。そして、個々に分離されたセル上に駆動用配線を施して、個々のセルに独立した個別の磁界を印加できるようにした。この磁気光学素子に、光入射側に偏光子、光出射側に検光子を配置し、コントラストを測定したところ、２４．５ｄＢであった。

なお検光子は、黒部分（図２で黒く示されている部分）からの出射光量が最小になる角度に設定されている。個々のセルには駆動用配線から膜面に垂直方向の正逆２方向のどちらかの向きの磁界が印加され、セル内の磁性ガーネット膜は飽和している。

＜実施例２＞
実施例１と同じ非磁性ガーネット基板を使用し、ガーネット中間膜を形成した。Ｇｄ₂Ｏ₃、Ｙ₂Ｏ₃、Ｂｉ₂Ｏ₃、Ｆｅ₂Ｏ₃、Ｇａ₂Ｏ₃、Ｎａ₂ＣＯ₃からなる原料を白金坩堝に入れて９５０℃で２４時間放置した後、同じ９５０℃で３時間攪拌した。その後６８５℃まで降温し、白金ホルダで保持したＳＧＧＧ基板の片面を液面に接液して、該基板を４０ｒｐｍで回転させながら１分間育成しガーネット膜を得た。得られた結晶膜は、膜厚２５０ｎｍ、ＥＰＭＡによる組成分析値はＧｄ_1.34Ｙ_0.57Ｂｉ_1.09Ｆｅ_3.31Ｇａ_1.52Ｐｔ_0.17Ｏ₁₂であり、波長５３２ｎｍにおける屈折率は２．５であった。その後、膜表面をイオンミリングにより膜厚５３ｎｍに加工し、ガーネット中間膜とした。

このガーネット中間膜上に、実施例１と同様の手法で磁性ガーネット膜を成膜し、その状態で、表裏両面以外の内部反射光強度を測定したところ、波長５３２ｎｍにおける反射率は０．６％であった。次に、実施例１と同様に２次元セルアレイに加工し、偏光子と検光子を配置してコントラストを測定したところ、２１ｄＢであった。

＜実施例３＞
実施例１と同じ非磁性ガーネット基板を使用し、ガーネット中間膜を形成した。Ｇｄ₂Ｏ₃、Ｔｂ₄Ｏ₇、Ｆｅ₂Ｏ₃、Ｉｎ₂Ｏ₃、ＰｂＯ、Ｂ₂Ｏ₃からなる原料を白金坩堝に入れて１０５０℃で２４時間放置した後、同じ１０５０℃で３時間攪拌した。その後、９４０℃まで降温し、白金ホルダで保持したＳＧＧＧ基板の片面を液面に接液して、基板を４０ｒｐｍで回転させながら１分間育成しガーネット膜を得た。得られた結晶膜は、膜厚２１０ｎｍ、ＥＰＭＡによる組成分析値はＧｄ_2.3Ｔｂ_0.7Ｆｅ_4.7Ｉｎ_0.27Ｐｔ_0.03Ｏ₁₂であり、波長５３２ｎｍにおける屈折率は２．３であった。その後、膜表面をイオンミリングにより膜厚５７ｎｍに加工し、ガーネット中間膜とした。

このガーネット中間膜上に、実施例１と同様の手法で磁性ガーネット膜を成膜し、その状態で、表裏両面以外の内部反射光強度を測定したところ、波長５３２ｎｍにおける反射率は０．０３％であった。次に、実施例１と同様に２次元セルアレイに加工し、偏光子と検光子を配置してコントラストを測定したところ、２４ｄＢであった。

＜実施例４＞
実施例１と同じ非磁性ガーネット基板を使用し、ガーネット中間膜を形成した。Ｇｄ₂Ｏ₃、Ｆｅ₂Ｏ₃、Ｉｎ₂Ｏ₃、Ｇａ₂Ｏ₃、ＰｂＯ、Ｂ₂Ｏ₃からなる原料を白金坩堝に入れて１０５０℃で２４時間放置した後、同じ１０５０℃で３時間攪拌した。その後９４０℃まで降温し、白金ホルダで保持したＳＧＧＧ基板の片面を液面に接液して、基板を４０ｒｐｍで回転させながら１分間育成しガーネット膜を得た。得られた結晶膜は、膜厚２１５ｎｍ、ＥＰＭＡによる組成分析値はＧｄ₃Ｆｅ_3.1Ｉｎ_0.37Ｇａ_1.5Ｐｔ_0.03Ｏ₁₂であり、波長５３２ｎｍにおける屈折率は２．１であった。その後、膜表面をイオンミリングにより膜厚６３ｎｍに加工し、ガーネット中間膜とした。

このガーネット中間膜上に、実施例１と同様の手法で磁性ガーネット膜を成膜し、その状態で、表裏両面以外の内部反射光強度を測定したところ、波長５３２ｎｍにおける反射率は０．９％であった。次に、実施例１と同様に２次元セルアレイに加工し、偏光子と検光子を配置してコントラストを測定したところ、２０ｄＢであった。

＜比較例＞
実施例１と同じ非磁性ガーネット基板上に、直接、実施例１と同様の手法で磁性ガーネット膜を成膜し、その状態（ガーネット中間膜無し）で、表裏両面以外の内部反射光強度を測定したところ、波長５３２ｎｍにおける反射率は２．８％であった。次に、実施例１と同様に２次元セルアレイに加工し、偏光子と検光子を配置してコントラストを測定したところ、１４ｄＢであった。

以上の結果をまとめたのが表１である。実施例１〜４は、いずれもガーネット中間膜の屈折率ｎ１と膜厚ｄ１との積は、ｎ１・ｄ１＝λ／４±２％に収まっている。そして、各実施例は、いずれも内部反射率が１％以下、コントラストが２０ｄＢ以上の良好な特性を呈している。

上記各実施例と比較例の測定結果をグラフ化したものが図４及び図５である。図４は、ガーネット中間膜の屈折率に対する内部反射率とコントラストの関係を示しており、図５は、内部反射率に対するコントラストの関係を示している。

以上、磁気光学式空間光変調器に用いる反射型磁気光学素子を例にとって説明したが、本発明は、例えば短波長用光アイソレータなど、磁性ガーネット膜の膜厚が薄く、基板付きの状態で使用するような磁気光学デバイスにも適用できる。

本発明に係る磁気光学素子の一例を示す概略図。磁気光学式空間光変調器の動作説明図。磁気光学素子における光の反射経路を示す説明図。ガーネット中間膜の屈折率に対する内部反射率とコントラストの関係を示すグラフ。内部反射率に対するコントラストの関係を示すグラフ。

符号の説明

１０磁気光学素子
１２非磁性ガーネット基板
１４ガーネット中間膜
１６磁性ガーネット膜
１８ミラー
２０セル
３０偏光子
３２検光子

Claims

非磁性ガーネット基板上に、ファラデー効果を有する磁性ガーネット膜が設けられ、前記非磁性ガーネット基板の表面に反射防止膜を設け、前記磁性ガーネット膜の表面にミラーを設けた構造をなし、前記非磁性ガーネット基板側に偏光子と検光子を配置して、該偏光子による直線偏光を入射し、反射した出射光が前記検光子を透過する反射型の磁気光学素子において、
前記非磁性ガーネット基板と磁性ガーネット膜との間にガーネット中間膜が介在しており、該ガーネット中間膜の屈折率ｎ１は、ｎｓ＜ｎ１＜ｎ２（但し、ｎｓは非磁性ガーネット基板の屈折率、ｎ２は磁性ガーネット膜の屈折率）で、且つガーネット中間膜の屈折率ｎ１と膜厚ｄ１との積が、ｎ１・ｄ１＝λ／４±１０％（但し、λは使用波長）に収まっており、使用波長λの光が、非磁性ガーネット基板側から膜面に垂直に入射し、ミラーで反射して前記非磁性ガーネット基板側から出射するようにし、外部磁界の印加により前記磁性ガーネット膜をその膜面に垂直な一方向に飽和させた状態で検光子を透過光量が最小になる角度に設定したとき、磁性ガーネット膜の正逆の磁化方向に応じて生じる検光子透過光量大の白部分と透過光量小の黒部分からの出射光強度の差であるコントラストが２０ｄＢ以上であることを特徴とする磁気光学素子。
ガーネット中間膜の屈折率ｎ１と厚みｄ１との積が、ｎ１・ｄ１＝λ／４±２％に収まっている請求項１記載の磁気光学素子。
磁性ガーネット膜及びガーネット中間膜は、その組成が、
Ｒ_3-xＢｉ_xＦｅ_5-yＭ_yＯ₁₂（但し、ＲはＹを含む１種以上の希土類元素、Ｍは鉄と置換可能な１種以上の元素）
で表され、磁性ガーネット膜についてはｘ＞０且つｙ≧０、ガーネット中間膜についてはｘ≧０且つｙ≧０である請求項１又は２記載の磁気光学素子。
請求項１乃至３のいずれかに記載の磁気光学素子を製造する方法であって、非磁性ガーネット基板上に、ガーネット中間膜を液相エピタキシャル法で成膜した後、エッチングにより規定の膜厚に調整し、その上に磁性ガーネット膜を液相エピタキシャル法で成膜する磁気光学素子の製造方法。