JP6581454B2 - 空間光変調器 - Google Patents

Description

本発明は、入射した光を磁気光学効果により光の位相や振幅等を空間的に変調して出射する空間光変調器に関する。

空間光変調器は、画素として光学素子（光変調素子）を用い、これをマトリクス状に２次元配列して光の位相や振幅等を空間的に変調するものであって、ディスプレイ技術やホログラムの画像露光技術、その他記録技術等の分野で広く利用されている。空間光変調器として、従来より液晶が用いられ、近年では画素（ピッチ）が数μｍ程度まで微細化されているが、さらに１μｍ以下の微細化かつ高速処理の可能性が期待される磁気光学材料を用いた磁気光学式空間光変調器の開発が進められている。

磁気光学式空間光変調器においては、磁性体に入射した光が透過または反射する際にその偏光の向きを変化（旋光）させて出射するファラデー効果（反射の場合はカー効果）を利用している。すなわち磁気光学式空間光変調器（以下、適宜、空間光変調器）は、画素毎にそれぞれの光変調素子の磁化方向を異なる向きに変化させて、それぞれの磁化方向の光変調素子によって、偏光の向きの異なる光に変調される。特に、入射面に垂直または垂直に近い角度で入射させた光を極カー効果により高い光変調度で変調することができることから、垂直磁気異方性材料が光変調素子に適用されている。このような光変調素子の磁化方向を変化させる方法として、光変調素子に磁界を印加する磁界印加方式（例えば、特許文献１〜４）や、光変調素子に電流を供給することでスピンを注入するスピン注入方式（例えば、特許文献５，６）がある。

特許文献１〜４に記載された磁界印加方式の空間光変調器は、光変調素子が磁性ガーネット膜のような磁性膜で形成され、Ｘ，Ｙの２次元配列した光変調素子のそれぞれに印加する磁界を発生させるために、Ｘ，Ｙそれぞれの駆動ラインに電流を通電させる。Ｘ駆動ラインおよびＹ駆動ラインは、平面視において、合わせて各光変調素子の周囲を１周以上巻き回した電流経路が形成されるように、光変調素子の周縁（特許文献１，３，４）や光変調素子同士の間隙（特許文献２）に設けられる。

一方、特許文献５，６に記載されたスピン注入方式の空間光変調器は、光変調素子が、磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）のメモリセルの磁気抵抗効果素子として搭載されるＴＭＲ（Tunnel MagnetoResistance：トンネル磁気抵抗効果）素子等からなり、膜面垂直方向に電流を供給されることによりその磁化方向を変化させる。そのため、Ｘ，Ｙそれぞれの方向の駆動ラインは、一対の電極として光変調素子の上下に接続され、光の入出射側の駆動ラインが透明電極材料で形成される。

また、ＴＭＲ素子については、主にＭＲＡＭの磁気抵抗効果素子として、磁化反転に要する電流（反転電流）の低減のための研究が進められている。具体的には、障壁層の材料として酸化マグネシウム（ＭｇＯ）が好適とされ、特に、２枚の磁性膜の少なくとも一方の障壁層との界面にＣｏ−ＦｅやＣｏ−Ｆｅ−Ｂ等の磁性金属の薄膜を設けることで、スピン注入効率が向上し、反転電流密度が１０⁶Ａ／ｃｍ²程度まで低減することが知られている。さらに、本発明者らは、前記磁性金属の薄膜に、磁気光学効果の高い垂直磁気異方性材料として知られているＧｄ−Ｆｅ系合金を組み合わせて、光変調素子に好適なＴＭＲ素子を発明している（特許文献６参照）。また、Ｆｅ，Ｃｏ−Ｆｅ，Ｃｏ，Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂの磁性金属の薄膜を、ＭｇＯ膜やＨｆＯ₂等の絶縁膜と積層した磁気トンネル接合（ＭＴＪ）において、膜面垂直方向に電圧を印加することにより、磁性膜の面内磁気異方性が弱くなって、ＴＭＲ素子がより低い電流密度で磁化反転し得ることが知られている（非特許文献１〜４参照）。また、絶縁膜上に形成したＣｏ／Ｐｔ２層膜からなる垂直磁気異方性の磁性細線において、電圧印加によって磁壁移動速度が変化することが知られている（非特許文献５参照）。

特開２００５−７０１０１号公報 特許第４４９７４０１号公報 特許第４５９６４６８号公報 特許第４０９３５６７号公報 特許第５００１８０７号公報 特開２０１４−１９７６７１号公報

T. Maruyama, Y. Shiota, T. Nozaki, K. Ohta, N. Toda, M. Mizuguchi, A. A. Tulapurkar, T. Shinjo, M. Shiraishi, S. Mizukami, Y. Ando, Y. Suzuki, "Large voltage-induced magnetic anisotropy change in a few atomic layers of iron", Nature Nanotechnology 4, pp.158-161 (2009) Yoichi Shiota, Takuto Maruyama, Takayuki Nozaki, Teruya Shinjo, Masashi Shiraishi, Yoshishige Suzuki, "Voltage-Assisted Magnetization Switching in Ultrathin Fe80Co20 Alloy Layers", Applied Physics Express 2(6), 063001, June 2009 千葉 大地，他，"遷移金属強磁性体における磁性の電界制御"，日本磁気学会研究会資料１８６巻，2012.11.02 J.G. Alzate, P. Khalili Amiri, P. Upadhyaya, S.S. Cherepov, J. Zhu, M. Lewis, R. Dorrance, J.A. Katine, J. Langer, K. Galatsis, D. Markovic, I. Krivorotov, K.L. Wang, "Voltage-Induced Switching of Nanoscale Magnetic Tunnel Junctions", Technical Digest of the IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM 2012), San Francisco, California, pp.29.5.1-29.5.4, December 2012 D. Chiba, M. Kawaguchi, S. Fukami, N. Ishiwata, K. Shimamura, K. Kobayashi, T. Ono, "Electric-field control of magnetic domain-wall velocity in ultrathin cobalt with perpendicular magnetization", Nature Communications 3, 888, 2012

特許文献１〜４に記載された磁界印加方式の空間光変調器は、磁界を生成する電流を通電させるために一定以上の幅に形成された駆動ラインが配置されるので、画素を数μｍ以下に微細化することが困難である。また、光変調素子同士の間隙が狭くなると、発生させた磁界により、隣の非選択の画素における光変調素子も磁化反転する虞がある。一方、特許文献５，６に記載されたスピン注入方式の空間光変調器は、画素の微細化に好適であるものの、駆動ライン（電極）から光変調素子に電流が直接に流れる構造であるために、電流の非選択の画素への回り込みによる損失が大きい。この電流の損失を解消するために、ＭＲＡＭのメモリセルと同様に、画素毎にトランジスタ等のスイッチ素子を設けることが知られているが、構造が複雑なものになる。

本発明は、前記問題点に鑑みてなされたものであり、簡易な構造としつつ、省電力化および画素のいっそうの微細化の容易な磁気光学式空間光変調器を提供することを課題とする。

本発明者らは、非特許文献１〜５に記載されている電圧印加による磁性膜の磁気異方性の低下は、スピン注入磁化反転における電流低減に限られず、磁界印加にも有効であり、電圧印加によって小さな磁界で磁化反転するようになることを見出した。さらに、本発明者らは、電圧と磁界との両方を印加することで磁化反転させることにより、磁界のみを選択的に画素毎に印加せず、電圧印加と組み合わせてまたは電圧印加のみでＸ，Ｙの二方向の駆動ラインを構成することにより、簡易な構造の空間光変調器とすることに想到した。

本発明に係る空間光変調器は、垂直磁気異方性を有する磁性層と絶縁膜を積層した光変調素子を２次元配列して備えて、前記光変調素子に入射した光の偏光方向を２値の角度に変化させた光を出射するものである。前記光変調素子は、前記磁性層と前記絶縁膜との界面に電圧を垂直に印加する一対の電圧印加電極、および前記界面と垂直な磁界を前記磁性層に印加する磁界印加手段をさらに備え、前記磁性層に対して光の入出射側に設けられた前記電圧印加電極が光を透過する。そして、空間光変調器は、前記一対の電圧印加電極の少なくとも一方が、前記２次元配列した光変調素子の行毎に延設され、前記磁界印加手段が前記磁界を生成する電流を通電する導線であって、前記導線が前記２次元配列した光変調素子の列毎に延設され、前記光変調素子の前記磁性層が、少なくとも前記絶縁膜との界面に、Ｃｏ，Ｆｅ，Ｃｏ−Ｆｅ，Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂから選択される磁性金属膜を備え、前記電圧を前記界面に印加されると共に前記磁界を印加されることにより、前記磁性層の磁化方向が変化することを特徴とする。

本発明に係る別の空間光変調器は、垂直磁気異方性を有する磁性層と絶縁膜を積層した光変調素子を２次元配列して備えて、前記光変調素子に入射した光の偏光方向を２値の角度に変化させた光を出射するものであって、前記２次元配列した光変調素子のすべての前記磁性層に同時に、前記絶縁膜との界面と垂直な磁界を印加する磁界印加手段をさらに備える。前記光変調素子は、前記磁性層と前記絶縁膜との界面に電圧を垂直に印加する一対の電圧印加電極をさらに備え、前記磁性層に対して光の入出射側に設けられた前記電圧印加電極が光を透過する。そして、空間光変調器は、前記一対の電圧印加電極の一方と他方が、前記２次元配列した光変調素子の行毎と列毎にそれぞれ延設され、前記光変調素子の前記磁性層が、少なくとも前記絶縁膜との界面に、Ｃｏ，Ｆｅ，Ｃｏ−Ｆｅ，Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂから選択される磁性金属膜を備え、前記電圧を前記界面に印加されると共に前記磁界を印加されることにより、前記磁性層の磁化方向が変化することを特徴とする。

かかる構成により、空間光変調器は、光変調素子の磁性層を上下から挟む等の簡易な構成の電極により電圧を印加することができる。そして、一対の電圧印加電極の一方を行と列の二方向の駆動ラインの一方とすることにより、磁界印加手段として電流を通電させる導線を、前記駆動ラインに交差するもう一方向の駆動ラインのみで構成することができて、構造が複雑なものとならない。さらに、電圧を印加されて磁性層の保磁力が一時的に低下することにより、磁化反転に要する印加磁界を小さくすることができて、磁界を生成する電流が低減される。その結果、電流を通電させる導線を幅狭化することができ、また、非選択の画素に漏れる磁界も小さくなるので誤動作し難くなり、画素を微細化することができる。あるいは、空間光変調器は、一対の電圧印加電極で二方向の駆動ラインを構成することにより、磁界印加手段で駆動ラインを構成する必要がないので、全体に磁界を印加するコイル等で構成されてもよく、同様に画素を微細化することができる。

本発明に係る空間光変調器によれば、簡易な構造で、電流を低減し、かつ画素を１μｍ以下に微細化可能な磁界印加方式の空間光変調器とすることができる。

本発明の第１実施形態に係る空間光変調器の構造を説明する模式図である。 本発明に係る空間光変調器のブロック図である。 本発明に係る空間光変調器の光変調素子の構成を説明する模式図であり、図 １のＹ方向に沿った拡大断面図である。 本発明の第１実施形態に係る空間光変調器の磁化反転動作を説明する模式図 であり、（ａ）はＸ方向に沿った断面図、（ｂ）はＹ方向に沿った断面図である。 本発明に係る空間光変調器における光変調素子に印加される磁界を説明する 模式図であり、Ｘ方向に沿った断面図の部分拡大図に相当する。 本発明の第１実施形態に係る空間光変調器を用いた表示装置の模式図であり 、Ｘ方向に沿った断面図に相当する。 本発明の第２実施形態に係る空間光変調器の構造を説明する模式図である。 本発明の第２実施形態に係る空間光変調器の磁化反転動作を説明する模式図 で、Ｘ方向に沿った断面図である。 本発明の第３実施形態に係る空間光変調器の構造を説明する模式図である。 本発明に係る空間光変調器の光変調素子を模擬した実施例のサンプルの垂 直磁気異方性の保磁力の印加電圧依存性のグラフである。

本発明に係る空間光変調器を実施するための形態について図を参照して説明する。本発明に係る空間光変調器は、光変調素子を画素として２次元配列して備え、光変調素子に入射した光を異なる２値の光（偏光成分）に変調して出射する。画素とは、空間光変調器による表示の最小単位での情報（明／暗）を表示する手段を指す。

〔第１実施形態〕
図１に示すように、本発明の第１実施形態に係る空間光変調器１０は、基板８、およびその上にＸ方向とＹ方向のそれぞれに２次元配列された光変調素子１を備える。光変調素子１は、絶縁層２と垂直磁気異方性の磁性層３を積層し、その上下に、上部電極４と下部電極５（一対の電圧印加電極）を接続して備え、さらに下部電極５の下方に、２本の導線（磁界印加手段）７，７を平面視で磁性層３の両側に並設して備える。空間光変調器１０において、光変調素子１は、磁性層３が当該光変調素子１毎に分離して設けられ、上部電極４が、すべての光変調素子１で共有されて一体に形成され、下部電極５が、光変調素子１の行毎に設けられてＸ方向に延設された帯状に形成されて（光変調素子１の行数）本（図１では３本）設けられる。一方、導線７は、下部電極５に直交してＹ方向に延設され、平面視で光変調素子１（磁性層３）の列同士の間に配置されて（光変調素子１の列数＋１）本（図１では４本）設けられる。すなわち、Ｘ方向に隣り合う光変調素子１，１でそれぞれの導線７，７の１本が共有されている。空間光変調器１０は、さらに磁性層３，３間や前記電極同士の間等を絶縁する絶縁部材６（図６参照、図１では空白で表す）を備え、基板８上に、下から、導線７、絶縁部材６、下部電極５、絶縁層２、磁性層３、上部電極４、の順に配置されている。なお、ここでは、空間光変調器は、説明を簡潔にするために、３行×３列の９個の画素からなる構成で例示される。

さらに空間光変調器１０は、図２に示すように、光変調素子１を駆動する（磁性層３を磁化反転させる）駆動装置として、Ｘ（列）アドレスデータを受けて空間光変調器１０における光変調素子１の列を選択するＸデコーダ９２と、Ｙ（行）アドレスデータを受けて空間光変調器１０における光変調素子１の行を１行以上選択するＹデコーダ９３と、Ｘデコーダ９２が選択した光変調素子１の列における磁性層３に印加する磁界を生成するための電流を供給する電流回路９４と、Ｙデコーダ９３が選択した光変調素子１の行における磁性層３に電圧を印加する電源９７と、Ｘデコーダ９２、Ｙデコーダ９３、および電流回路９４にアドレスデータの出力や電流の供給方向の指示等を行う制御回路９１と、を備える。以下、本実施形態に係る空間光変調器を構成する各要素を、主に光変調素子について詳細に説明する。

〔光変調素子〕
（磁性層）
磁性層３は、垂直磁気異方性を示す、光変調素子１における光変調層であり、電圧を印加された状態で磁界を印加されることにより磁化反転する。そのため、磁性層３は平面視における一辺の長さを光変調のために少なくとも入射光の回折限界（波長の１／２程度）以上とし、また、画素サイズ（ピッチ）に応じた大きさの所望の形状に設計することができる。図３に示すように、磁性層３は、光変調素子１において絶縁層２上に設けられ、絶縁層２との界面に、Ｃｏ，Ｆｅ，Ｃｏ−Ｆｅ，Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂから選択される磁性金属膜３１を備える。磁性金属膜３１は、特にＣｏまたはＣｏを含有するＣｏ−Ｆｅ，Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂを適用することが好ましい。これらの磁性材料は単独で面内磁気異方性を示すため、磁性層３は、全体で垂直磁気異方性を示すように、磁性金属膜３１に垂直磁気異方性材料からなる層を積層して備える。このような材料として、垂直磁気異方性を有するスピン注入磁化反転素子（ＴＭＲ素子、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子）に適用される公知の磁性材料を適用することができ、特に、磁気光学効果の高いＧｄＦｅ層（Ｇｄ−Ｆｅからなる層）３３を適用することが好ましい。具体的には、磁性層３は、下（絶縁層２側）から、Ｃｏ−ＦｅまたはＣｏ−Ｆｅ−Ｂからなる磁性金属膜３１、Ｇｄ膜３２、ＧｄＦｅ層３３の３層構造を有することが特に好ましい。

ＦｅやＣｏは、電圧を印加されると絶縁層２との界面で電荷が蓄積されて、３ｄ軌道の電子占有状態が変化することにより、磁化容易軸が膜面方向よりも垂直方向で安定するようになるとされる（非特許文献１，２）。本実施形態においては、磁性層３が、このような磁性金属膜３１に垂直磁気異方性のＧｄＦｅ層３３がＧｄ膜３２を挟んで積層されて形成されているため、磁気的に結合して全体で垂直磁気異方性を示すが、電圧が印加されると、磁性金属膜３１の磁気異方性の強さが変化することにより、磁性層３全体が面内磁気異方性を示すようになると推測される。

磁性金属膜３１において磁界印加により電子占有状態が変化するのは、絶縁層２との界面の１原子分の領域と考えられることから、１原子分を大きく超える厚さの膜になると、元の磁気異方性が優勢となって、変化が表れ難い。さらに、Ｃｏ−ＦｅまたはＣｏ−Ｆｅ−Ｂからなる磁性金属膜３１は、厚さが０．３ｎｍを超えると、ＧｄＦｅ層３３を含めた磁性層３全体が垂直磁気異方性を示さない。一方、磁化方向を有効に示すために、磁性金属膜３１は厚さを０．１ｎｍ以上とすることが好ましい。したがって、磁性金属膜３１は、厚さを０．１〜０．３ｎｍの範囲とすることが好ましい。

ＧｄＦｅ層３３は、磁性層３の主たる要素であり、垂直磁気異方性を有する磁性材料である遷移金属（ＴＭ）と希土類金属（ＲＥ）との合金（ＲＥ−ＴＭ合金）の一種であるが、垂直磁気異方性が比較的弱いＧｄ−Ｆｅ合金で形成される。Ｇｄ−Ｆｅ合金は、磁気光学効果が特に高く、光変調素子において磁化方向を変化させる層として好適である。ＧｄＦｅ層３３は、厚いほど磁気光学効果が高くなるが、一方で過剰に厚膜化されると垂直磁気異方性を示し難くなるため、一般的なＴＭＲ素子の磁化自由層と同様に、厚さを１〜２０ｎｍの範囲とすることが好ましく、１０ｎｍ以下がより好ましい。

Ｇｄ−Ｆｅ合金においては、遷移金属であるＦｅが一方向（＋ｚ方向とする）の磁気モーメントを示すのに対し、希土類金属であるＧｄは、この一方向の逆方向（−ｚ方向）の磁気モーメントを示す。ＲＥ−ＴＭ合金はフェリ磁性体の一種であり、例えばスピン注入磁化反転素子の磁性層として適用する場合には、通常、例えばＴｂ−Ｆｅ−Ｃｏ合金については、ＴＭ，ＲＥのそれぞれの磁気モーメントが相殺される組成（補償組成）に対して僅かにＲＥが多い組成として、当該ＲＥ−ＴＭ合金全体として飽和磁化の小さい−ｚ方向の磁気モーメントとして、容易に垂直磁気異方性を示すようにし、かつ必要な保磁力を確保している。一方、Ｇｄ−Ｆｅ合金については、このような補償組成付近では、他のＲＥ−ＴＭ合金と比較して保磁力が小さいことから、Ｆｅの含有率を高くして、全体として＋ｚ方向の磁気モーメントを示すようにする。

ここで、Ｇｄ−Ｆｅ合金は、Ｃｏ−ＦｅやＣｏ−Ｆｅ−Ｂと組み合わされると、垂直磁気異方性を示さず、Ｃｏ−Ｆｅ等と同じ面内磁気異方性を示すようになる。これは、Ｃｏ−Ｆｅ等のＦｅによって、Ｇｄ−Ｆｅ合金におけるＦｅの反磁界成分の影響が強くなることによると考えられる。そこで、磁性層３は、磁性金属膜３１とＧｄＦｅ層３３の間に、Ｇｄ膜３２をさらに備えることで、磁性金属膜３１によるＦｅの影響を相殺し、ＧｄＦｅ層３３（磁性層３）が垂直磁気異方性を示すようにする。

Ｇｄ膜３２は、磁性金属膜３１とＧｄＦｅ層３３の間に設けられ、磁性金属膜３１中のＦｅのＧｄＦｅ層３３への影響を相殺して、ＧｄＦｅ層３３が本来の垂直磁気異方性を示すようにする。Ｇｄ膜３２は、ＧｄＦｅ層３３や磁性金属膜３１の厚さに応じて、ＧｄＦｅ層３３が垂直磁気異方性を示すように、厚さを設定される。具体的には、Ｇｄ膜３２は、厚さを０．１ｎｍ以上とすることが好ましく、Ｇｄ原子１個分（０．１８ｎｍ）相当の０．２ｎｍ以上とすることがより好ましく、また、２ｎｍ以下とすることが好ましい。言い換えると、磁性層３は、磁性金属膜３１との界面でＧｄ−ｒｉｃｈとなるＧｄ−Ｆｅ合金の層を備える。

（絶縁層）
絶縁層２は、磁性層３（磁性金属膜３１）において当該絶縁層２との界面に電荷を蓄積させるために設けられ、磁性層３と同一平面視形状に形成される。絶縁層２は、ＴＭＲ素子の障壁層に適用されるＭｇＯ，Ａｌ₂Ｏ₃，ＨｆＯ₂を適用することができ、特に、（００１）面配向のＭｇＯとすることが好ましい。絶縁層２は、電極４，５間に電流が流れないように、厚さを３ｎｍ以上とすることが好ましく、このような構造により、電圧印加では消費電力が実質的に増大しない。一方、絶縁層２は、厚さの上限は特に規定されない。ただし、空間光変調器１０においては、絶縁層２が厚いと、下部電極５のさらに下方に設けられる導線７が、磁性層３からの距離が遠くなって、磁界を生成するために必要な電流が大きくなる。あるいは、電圧印加だけでなく、電流を流してジュール熱を発生させて、磁性層３、特にＲＥ−ＴＭ合金からなるＧｄＦｅ層３３の保磁力を低減させてもよい。この場合は、絶縁層２は、厚さを３ｎｍ未満とし、ＴＭＲ素子の障壁層と同様に厚さを２ｎｍ以下とすることが好ましく、かつ０．１ｎｍ以上とすることが好ましく、１ｎｍ以上とすることがより好ましい。

（保護膜、下地膜）
光変調素子１は、製造工程におけるダメージから磁性層３を保護するために、磁性層３（ＧｄＦｅ層３３）上に保護膜３４を積層して備えることが好ましい。製造工程におけるダメージとは、例えばレジスト形成時の現像液の含浸や磁性層３のＧｄＦｅ層３３の酸化等である。保護膜３４は、Ｒｕ，Ｔａ，Ｃｕ，Ｐｔ，Ａｕ等の非磁性金属材料からなる単層膜、またはＣｕ／Ｔａ，Ｃｕ／Ｒｕ等の異なる金属材料からなる金属膜を２層以上積層した積層膜から構成される。保護膜３４は、厚さが１ｎｍ未満であると連続した膜を形成し難いため、保護膜として十分な効果が得られず、一方、１０ｎｍを超えて厚くしても、磁性層３を保護する効果がそれ以上には向上せず、また、光変調素子１の上方からの入射光の透過光量を減衰させる。したがって、保護膜３４は、厚さを１〜１０ｎｍとすることが好ましい。また、光変調素子１は、必要に応じて、絶縁層２の下に、下部電極５への密着性を付与するために、保護膜３４と同様の金属膜を下地膜として設けてもよい（図示せず）。

（上部電極、下部電極）
上部電極４および下部電極５は、磁性層３を、絶縁層２と共に上下から挟むように設けられ、一対の電極として磁性層３と絶縁層２の界面に垂直な所定の向き、ここでは下から上へ電圧を印加する。前記したように、上部電極４は、一体で空間光変調器１０のすべての光変調素子１で共有されるように、平面視において空間光変調器１０の全体に設けられ、また、磁性層３に対して光の入出射側に設けられているので、透明電極材料で形成される。具体的には、上部電極４は、インジウム亜鉛酸化物（Indium Zinc Oxide：ＩＺＯ）、インジウム−スズ酸化物（Indium Tin Oxide：ＩＴＯ）、酸化スズ（ＳｎＯ₂）、酸化アンチモン−酸化スズ系（ＡＴＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、フッ素ドープ酸化スズ（ＦＴＯ）、酸化インジウム（Ｉｎ₂Ｏ₃）等の公知の透明電極材料からなる。一方、下部電極５は、光変調素子１の行毎にその磁性層３の直下でＸ方向（図１参照）に延設され、磁性層３の全体に電圧が印加されるように、磁性層３のＹ方向長以上の幅の帯状に形成される。また、下部電極５を挟んで下方に設けられる導線７と磁性層３との距離を短くするために、下部電極５は印加する電圧等に応じた厚さとして、過剰に厚くないことが好ましい。下部電極５は、Ｃｕ，Ａｌ，Ａｕ，Ａｇ，Ｔａ，Ｃｒ等の金属やその合金のような一般的な金属電極材料で形成される。電極４，５のこのような構成により、空間光変調器１０において、磁性層３への電圧の印加が光変調素子１の行毎に行われる。

（導線）
導線７は、磁性層３に垂直に印加する磁界を生成する電流を通電させ、そのために平面視で磁性層３を挟んで２本が並設されている。詳しくは後記するように、これら２本の導線７，７に互いに反対方向に通電する電流によりそれぞれ生成した磁界が合成されて、磁性層３において垂直な磁界になる。また、空間光変調器１０においては、導線７，７は、光変調素子１の列毎にＹ方向に延設され、さらに構造をより簡易にするために、前記したように、Ｘ（列）方向に隣り合う光変調素子１，１でそれぞれの導線７，７の１本を共有するように、平面視でこれらの光変調素子１，１の磁性層３，３の略中間の位置に設けられる。したがって、空間光変調器１０においては、磁性層３への垂直な磁界の印加が光変調素子１の列毎に行われる。導線７は、下部電極５と同様、Ｃｕ等の一般的な金属電極材料からなり、通電させる電流の大きさに対応した太さ（幅および厚さ）に形成される。

また、導線７は、リーク電流等も含めて他の導体（磁性層３、電極４，５）と短絡しないように、本実施形態においては、磁性層３の下方の、さらに下部電極５の下方に絶縁部材６を隔てて設けられ、下部電極５から３ｎｍ以上、あるいはさらに導線７に通電する電流の大きさや電極４，５間の電圧に応じた距離を空けて離間している。一方、磁性層３を磁化反転させる合成磁界をより小さい電流で生成するために、導線７と磁性層３との距離はより短いことが好ましい。

（基板）
基板８は、光変調素子１を形成するための土台である。基板８は、少なくとも表層が絶縁性の公知の基板材料が適用でき、具体的には、表面に熱酸化膜を形成されたＳｉ（シリコン）基板、ＳｉＯ₂（酸化ケイ素、ガラス）等を適用することができる。

（絶縁部材）
絶縁部材６は、空間光変調器１０において、磁性層３，３間、下部電極５，５間、導線７，７間、ならびに下部電極５と導線７の層間に設けられる。絶縁部材６は、例えばＳｉＯ₂，Ｓｉ₃Ｎ₄，Ａｌ₂Ｏ₃，ＭｇＯ等の公知の絶縁材料からなり、また空間光変調器１０の全体で同じ材料を適用されなくてもよい。また、絶縁部材６は、光変調素子１の絶縁層２と一体に形成されてもよい。

（駆動装置）
図２に示すように、Ｘデコーダ９２は、選択した光変調素子１の列の磁性層３を挟む２本の導線７，７を電流回路９４に内蔵された電流源９５に接続して、これら隣り合う２本の導線７，７に電流が通電されるようにする。Ｙデコーダ９３は、選択した光変調素子１の行の下部電極５を電源９７の正極に接続して、この下部電極５と上部電極４との間、すなわち選択した光変調素子１の行の各磁性層３に電圧が上向きに印加されるようにする。電流回路９４は、電流源９５および電流可変回路９６を内蔵し、選択された光変調素子１の列の２本の導線７，７に互いに反対方向の電流を、生成される磁界の向き（上向きまたは下向き）に応じた向きで電流源９５から供給する。なお、Ｘデコーダ９２、Ｙデコーダ９３、および電流回路９４のこれらの動作は、画像データに基づいて、制御回路９１からの命令により行われる。

（光変調素子の変形例）
光変調素子１は、絶縁層２が異なる絶縁材料で２層以上に形成されてもよく、この場合は、前記のＭｇＯ，Ａｌ₂Ｏ₃，ＨｆＯ₂を磁性層３（磁性金属膜３１）との界面に設けることが好ましい。特に、後記第２実施形態のように、絶縁層２が十分に厚く形成される場合は、下側（下部電極５の側）にＳｉ窒化物（Ｓｉ₃Ｎ₄）等の高屈折率材料を備えて、磁性層３の下面と下部電極５の上面との間で光を多重反射させ、磁性層３によるカー回転角を累積させて光変調度を大きくすることができる。また、光変調素子１は、磁性層３と上部電極４との間にも絶縁層を備えてもよい（図示せず）。

また、磁性層３として、Ｃｏ膜にＰｔ膜またはＰｄ膜を積層した２層膜を適用することもできる。垂直磁気異方性材料として、Ｃｏ膜とＰｔ膜等とを交互に繰り返し積層した多層膜が知られているが、本発明においては、２層膜とすることで、電圧印加により磁化方向を変化させる。この場合、絶縁層２の側にＣｏ膜を設ける。Ｃｏ膜は前記した通り、厚膜化すると電圧印加の効果が低下するため、１原子から２、３原子相当の厚さである０．１〜０．５ｎｍが好ましい。Ｐｔ膜、Ｐｄ膜も厚膜化すると、Ｃｏ膜の磁気異方性の影響が低下するため、０．１〜１．０ｎｍが好ましい。

（空間光変調器の駆動方法）
本実施形態に係る空間光変調器の駆動方法として、図４、図５、および適宜図１，２を参照して、選択した１列に配列された光変調素子の磁性層の磁化方向を所望の向きにする方法を説明する。なお、図４においては、磁性層３にハッチングを付さずに磁化方向を黒塗り矢印で表し、また、絶縁部材６および基板８は図示省略する。また、図５は、図４（ａ）の選択された光変調素子１の磁性層３および導線７，７のみを示す。

図４（ａ）における中央の１つの光変調素子１を含む１列がＸデコーダ９２により選択されると、この列の磁性層３を挟む２本の導線７，７に電流源９５が接続され、まず、上向きの磁界を生成するために、図４（ａ）において、左側（左から２本目）の導線７には奥から手前へ、右側（左から３本目）の導線７には手前から奥へ、同じ大きさの電流Ｉ_aが通電される。これらの導線７，７のそれぞれに流れる電流Ｉ_aにより生成された磁界Ｈ，Ｈが、選択された光変調素子１の列の各磁性層３において、合成された上向きの磁界Ｈ_totとして印加される。この磁界Ｈ_totは、大きさが磁性層３の保磁力Ｈc（電圧印加等の外部からの影響がない状態での保磁力）未満である（Ｈ_tot＜Ｈc）。

この選択された列を当該列に沿って図４（ｂ）に示す。この列において、磁性層３の磁化方向を上向きにする光変調素子１の行がＹデコーダ９３により選択されて、選択された各行（図４（ｂ）における両端の２つ）の下部電極５が電源９７の正（＋）極に接続され、既に電源９７の負（−）極に接続されている上部電極４と前記下部電極５とに挟まれた磁性層３のそれぞれに上向きの電圧Ｖが印加される。すると、磁性層３（磁性金属膜３１）において、絶縁層２との界面近傍に負（−）の電荷が蓄積され、これらの磁性層３は磁化容易軸が垂直から傾いて（図４（ａ）参照）、垂直な磁化方向における見かけ上の保磁力がＨcからＨc´に低下して磁界Ｈ_tot未満になる（Ｈc´＜Ｈ_tot）。その結果、そのうちの、磁界Ｈ_totが印加されている選択された列に配列された磁性層３の磁化方向が磁界Ｈ_totと同じ上向きを示す。このように、選択した列における所望の磁性層３が上向きの磁化方向となった（磁化反転した）後、Ｙデコーダ９３が下部電極５と電源９７との接続を解除して電圧Ｖの印加を停止する。電圧Ｖの印加が停止されると、磁性層３の保磁力がＨcに回復する。なお、電圧Ｖを印加されているときに磁界Ｈ_totが印加されていない磁性層３（図４（ａ）における両端の２つ）は、電圧Ｖの印加停止による保磁力の回復と共に、その保磁力Ｈcにより元の磁化方向に戻る。

次に、同じ２本の導線７，７にそれぞれ前記とは逆方向に電流Ｉ_aを通電して、選択された光変調素子１の列の磁性層３に下向きの磁界Ｈ_totを印加させる。さらに、前記の上向きの磁界Ｈ_totを印加した時に非選択であった光変調素子１の行がＹデコーダ９３により選択されて、選択された各行における下部電極５が電源９７の正極に接続され、選択された各行の光変調素子１のそれぞれの磁性層３に電圧Ｖが印加されて保磁力がＨc´に低下する。その結果、そのうちの選択された列の光変調素子１の磁性層３の磁化方向が磁界Ｈ_totと同じ下向きを示し、選択した列におけるすべての光変調素子１のそれぞれの磁性層３が所望の磁化方向となる。そして、Ｘデコーダ９２により新たな１列を選択して、同様に、この列の光変調素子１のそれぞれの磁性層３を所望の磁化方向にする。

なお、電圧Ｖの極性は、磁性層３（磁性金属膜３１）の材料によって決定されると考えられる。また、電圧Ｖが大きいほど、磁性層３の保磁力がある値（Ｈc_min´）までは小さくなる。電圧Ｖの大きさ（下部電極５−上部電極４間の電位差）は、磁性層３と下部電極５との間隔が長い（絶縁層２が厚い）、すなわち抵抗が高いほど大きく設定される。磁性層３の上下面間の電位差が１００ｍＶ未満で磁化方向を変化させることができるとされるため（非特許文献１）、電極４，５から印加する電圧は、主に絶縁層２の抵抗に比例し、厚さや材料によって０．１Ｖ程度から２００Ｖもの値に設定される。光変調素子１が電流の流れる態様、すなわち絶縁層２が薄い場合は、絶縁層２が絶縁破壊されないように、絶縁層２の厚さに応じて電圧の大きさを設定する。一方、絶縁層２が厚い場合は、印加電圧が極めて大きくても、厚い絶縁層２により光変調素子１に電流が流れないので、特に省電力化の効果が高い。

また、１本の導線７に通電する電流Ｉ_aによって磁性層３に印加される磁界Ｈは、図５に示すように、導線７から磁性層３までの距離：ｒとすると、下式（１）で表される（式中、ａ，ｈ：導線７から磁性層３までのＸ方向長および高さ方向長）。一方、両側の２本の導線７，７のそれぞれに通電する電流Ｉ_aによって生成した磁界Ｈ，Ｈが合成された垂直な磁界Ｈ_totは、下式（２）で表される（式中、θ：導線７，７の並び方向（Ｘ方向）と一方の導線７、磁性層３の並び方向とがなす角）。
Ｈ＝Ｉ_a／２πｒ＝Ｉ_a／２π√(ａ²＋ｈ²) ・・・（１）
Ｈ_tot＝２ｃｏｓθ×Ｈ＝２ａ／ｒ×Ｈ＝Ｉ_a×ａ／π(ａ²＋ｈ²) ・・・（２）

ここで、図４（ａ）および図５に示すように、磁界Ｈは導線７を軸に回転する向きであるため、選択された光変調素子１の列だけでなくその隣の光変調素子１の列（図４（ａ）における両端の２つ）の磁性層３にも、磁界Ｈが左右反転した向きに印加されている。この磁界Ｈは、垂直方向（上向き）における大きさが（ｃｏｓθ×Ｈ）である。そして、電圧Ｖを印加すると、この非選択の列においても、上部電極４および下部電極５を共有しているので、選択した行の光変調素子１の磁性層３の保磁力がＨc´に低下する。したがって、選択した列の隣の列の光変調素子１の磁性層３が追随して磁化反転しないように、Ｈｃｏｓθ＜Ｈc´を満足する磁界Ｈを生成させる。さらに前記したようにＨc´＜Ｈ_tot＜Ｈcであるから、Ｈｃｏｓθ＜Ｈc´＜Ｈ_tot＜Ｈcを満足するように、磁性層３の保磁力Ｈc、磁性層３と導線７との間の高さ方向における距離ｈ、および導線７，７間の距離２ａ（＝光変調素子１（画素）のＸ方向のピッチ）に応じて、印加電圧Ｖおよび電流Ｉ_aのそれぞれの大きさを設定する。具体的には、電流Ｉ_aを抑制するために、磁性層３と導線７との間の高さ方向における距離ｈがより短いことが好ましい。また、電圧Ｖの印加による磁性層３の保磁力の低下量（Ｈc−Ｈc´）を大きくするために、磁性層３の保磁力がより最小値（Ｈc_min´）に近くなる電圧Ｖに設定されることが好ましい。

磁性層３への電圧Ｖの印加と磁界Ｈ_totの印加（導線７，７への電流Ｉ_aの通電）とについて、その開始および停止のそれぞれの先後は、同時でもよいし、電圧Ｖのみまたは磁界Ｈ_totのみが印加されている期間があってもよく、特に安定して動作させるために、電圧Ｖの印加を停止してから磁界Ｈ_totの印加を停止することが好ましい。また、電圧Ｖと磁界Ｈ_totの両方を印加されている期間が、磁性層３の磁化反転に要する時間以上であるように、制御回路９１により制御される。

前記の磁性層３への電圧Ｖの印加は、選択した列において同じ磁化方向とするすべての光変調素子１に対して同時に行ったが、１ずつあるいは２以上の任意の数（行）ずつ行ってもよい。また、選択した列におけるすべての光変調素子１の磁性層３に電圧Ｖを印加して同じ磁化方向に、例えば上向きに揃えた後、下向きとする光変調素子１（行）の磁性層３に電圧Ｖを印加してもよい。あるいは、Ｙデコーダ９３により選択した光変調素子１の１行において、電圧Ｖを印加しながら磁界Ｈ_totを１つずつ印加することもできる。なお、２列以上の光変調素子１の磁性層３に同時に磁界Ｈ_totを印加することもできるが、空間光変調器１０では、隣り合う２列の光変調素子１において、導線７の１本を共有するので、同じ向きの磁界Ｈ（Ｈ_tot）を生成することができない。また、１列おきの２列の光変調素子１の各磁性層３に同じ向きの磁界Ｈ_totを印加すると、同時にその間の１列の光変調素子１の磁性層３に逆向きに磁界Ｈ_totが印加される（図８参照）。したがって、例えば隣り合う４列の光変調素子１を１セットとし、１つの行を選択して電圧Ｖを印加しながら、まず、１列目、５列目、９列目、・・・（（４ｎ−３）列目、ｎ：自然数）を同時に選択して、それぞれ所望の向きに磁界Ｈ_totが印加されるように、各列における導線７，７に電流Ｉ_aを通電する。次に、２列目、６列目、１０列目、・・・（（４ｎ−２）列目）を同時に選択して同様に磁界Ｈ_totを印加し、さらに（４ｎ−１）列目、４ｎ列目を順次選択して磁界Ｈ_totを印加することにより、電圧Ｖを印加されている１行におけるすべての光変調素子１のそれぞれの磁性層３を所望の磁化方向とすることができる。さらに、空間光変調器１０のすべての光変調素子１の磁性層３を同じ磁化方向に揃える場合は、すべての行を選択してすべての光変調素子１の磁性層３に電圧Ｖを印加しながら、前記の４列を１セットとした磁界印加を行えばよい。

（空間光変調器の光変調動作）
第１実施形態に係る空間光変調器の光変調動作を、図６を参照して、この空間光変調器を用いた表示装置にて説明する。表示装置は、前記した従来の磁気光学式空間光変調器（特許文献１〜５参照）と同様の構成とすればよい。本実施形態に係る空間光変調器１０は反射型であり、また、光変調素子１の磁性層３は垂直磁気異方性材料からなり磁化方向が上向きまたは下向きを示すため、表示装置は以下の構成とすることが好ましい。空間光変調器１０の上方には、空間光変調器１０に向けて光（レーザー光）を照射する光源等を備える光学系ＯＰＳと、光学系ＯＰＳから照射された光が空間光変調器１０に入射される前に１つの偏光成分の光にする偏光子ＰＦｉと、この入射光が空間光変調器１０で反射して出射した出射光から特定の偏光成分の光を遮光する偏光子（検光子）ＰＦｏと、が配置される。

光学系ＯＰＳは、例えばレーザー光源、およびこれに光学的に接続されてレーザー光を空間光変調器１０の全面に照射する大きさに拡大するビーム拡大器、さらに拡大されたレーザー光を平行光にするレンズで構成される（図示省略）。偏光子ＰＦｉ，ＰＦｏはそれぞれ偏光板等であり、特定の１つの偏光成分の光を完全に遮光する。光学系ＯＰＳから照射されたレーザー光は様々な偏光成分を含んでいるため、この光を空間光変調器１０の手前の偏光子ＰＦｉを透過させて、１つの偏光成分の光にし、この光が入射光Ｌ₀になる。

空間光変調器１０のすべての光変調素子１は、前記した駆動方法により画像データに基づいて、磁性層３がそれぞれ上向きまたは下向きの磁化方向とされている（図６に示す３つの光変調素子１，１，１においては左から、それぞれ下向き、上向き、下向き）。空間光変調器１０に入射した入射光Ｌ₀は、上部電極４を透過して、これらの磁性層３のそれぞれに入射すると、当該磁性層３またはその下の下部電極５で反射して再び上部電極４を透過して出射する。空間光変調器１０から出射した光（出射光Ｌ₁，Ｌ₂，Ｌ₃）は、偏光子ＰＦｏに入射する。

磁性層３の磁化方向が上向きの光変調素子１から出射した出射光Ｌ₂は、磁性層３の磁気光学効果により＋θkの角度で旋光した光であり、磁性層３の磁化方向が下向きの光変調素子１から出射した出射光Ｌ₁，Ｌ₃は、−θkの角度で旋光した光である。偏光子ＰＦｏは、入射光Ｌ₀に対して−θkの角度で旋光した光を完全に遮光するように配置されているため、出射光Ｌ₁，Ｌ₃を遮光して出射光Ｌ₂のみを透過させる。したがって、磁性層３の磁化方向が下向きの光変調素子１から出射した出射光Ｌ₁，Ｌ₃はスクリーン等の画像表示手段（図示省略）に到達せず、暗状態（黒）で表示され、磁性層３の磁化方向が上向きの光変調素子１から出射した出射光Ｌ₂は明状態（白）で表示される。

また、図６においては、入射光Ｌ₀と出射光Ｌ₁，Ｌ₂，Ｌ₃との経路が異なるように入射光Ｌ₀の入射角を傾斜させて示しているが、入射角が大きいほど極カー効果が低下するため、３０°以内とすることが好ましく、膜面に垂直に入射、すなわち入射角を０°にすることが最も好ましい。入射角を０°にする場合は、入射光と出射光の光路が一致するため、例えば入射側の偏光子ＰＦｉと空間光変調器１０との間にハーフミラーを配置して、出射光のみを側方へ反射させてもよく、反射させた先に出射側の偏光子ＰＦｏを配置する（図示せず）。

第１実施形態に係る空間光変調器１０は、下部電極５を上部電極４と同様に透明電極材料で形成し、また基板８を透明基板として、透過型の空間光変調器とすることもできる。この場合には、出射光が遮られないように、導線７の幅（Ｘ方向長）が、隣り合う光変調素子１，１の磁性層３，３の間隙の長さ以下に形成されることが好ましい。

以上のように、本発明の第１実施形態に係る空間光変調器によれば、消費電流の増大を伴わない電圧の印加により、小さな印加磁界で光変調素子の磁性層を磁化反転させることができ、漏れ磁界による誤動作がし難くなり、また、磁界を生成する電流を低減することができる。また、配列した光変調素子の行毎に電圧を印加するように構成したことにより、磁界を光変調素子の列毎に印加しても所望の画素のみを磁化反転させることができ、磁界を生成する電流の経路となる導線を一方向に延設すればよく、簡易な構造となって、画素を微細化し易い。

〔第２実施形態〕
第１実施形態に係る空間光変調器は、２次元配列した光変調素子の全面に設けた上部電極と行毎に設けた帯状の下部電極とにより、光変調素子の行毎にその磁性層に電圧を印加するが、透明電極からなる上部電極も帯状に形成して、下部電極と同様に選択されたもののみが電源に接続されてもよい。さらに、上部電極と下部電極をそれぞれ列毎と行毎に延設することにより、画素毎に電圧を印加することができ、いっそう誤動作し難くなる。以下、本発明の第２実施形態に係る空間光変調器について説明する。第１実施形態（図１〜６参照）と同一の要素については同じ符号を付し、説明を省略する。

本発明の第２実施形態に係る空間光変調器１０Ａは、第１実施形態と同様に磁界印加方式の反射型空間光変調器であり、図７に示すように、基板８、およびその上に２次元配列された光変調素子１Ａを備える。光変調素子１Ａの構成は図３に示す第１実施形態における光変調素子１と概ね同様であるが、側面視（断面図）において、導線７が下部電極５Ａの上方に、すなわち磁性層３と下部電極５Ａの間に設けられる。そのため、絶縁層２が導線７の厚さよりも厚く形成されている（図８参照）。なお、図７においては、絶縁層２は、絶縁部材６と共に空白で表す。したがって、空間光変調器１０Ａは、基板８上に、下から、下部電極５Ａ、絶縁層２、磁性層３、上部電極４Ａ、の順に配置され、さらに下部電極５Ａと磁性層３の間に、絶縁部材６、導線７、絶縁部材６の順に配置されている。また、空間光変調器１０Ａにおいて、上部電極４Ａは、第１実施形態に係る空間光変調器１０における下部電極５と同様に光変調素子１Ａの行毎に設けられ、Ｘ方向に延設された帯状に形成される。これに対して下部電極５Ａは、光変調素子１Ａの列毎に設けられ、Ｙ方向に延設された帯状に形成されて、導線７と平行に設けられている。すなわち、下部電極５Ａは、第１実施形態に対して平面視で９０°延設方向が異なり、また、前記したように導線７と上下の配置が入れ替わっている。また、空間光変調器１０Ａにおいては、短絡しないように、導線７と下部電極５Ａとの間隔と共に、導線７と磁性層３との間隔も離間させ、特に絶縁層２が厚いために電極４Ａ，５Ａ間の電圧が大きいので、これに応じた距離をそれぞれ空ける。一方、本実施形態に係る空間光変調器１０Ａは、導線７が磁性層３の近傍に設けられているので、通電させる電流を低減することができ、導線７を狭幅化することができる。空間光変調器１０Ａにおいて、このような形状および配置以外の材料等は、第１実施形態に係る空間光変調器１０と同様の構成とすることができる。

空間光変調器１０Ａの駆動装置は、図２に示す第１実施形態と同様の構成とすることができる。ただし、Ｙデコーダ９３は、選択した光変調素子１Ａの行の上部電極４Ａを電源９７の負極に接続する。一方、Ｘデコーダ９２は、選択した光変調素子１の列の２本の導線７，７を電流源９５に接続すると共に、この光変調素子１Ａの列の下部電極５Ａを電源９７の正極に接続する。

（空間光変調器の駆動方法）
第２実施形態に係る空間光変調器の駆動方法を説明する。
光変調素子１Ａの１つの列がＸデコーダ９２により選択されると、この列の磁性層３を挟む２本の導線７，７に電流源９５が接続され、さらにこの列の光変調素子１Ａの下部電極５Ａが電源９７の正（＋）極に接続される。そして、例えば上向きの磁界を生成するために、第１実施形態（図４（ａ）参照）と同様に、左側の導線７には奥から手前へ、右側の導線７には手前から奥へ、同じ大きさの電流Ｉ_aが通電される。これらの導線７，７のそれぞれに流れる電流Ｉ_aにより生成された磁界Ｈ，Ｈが、選択された光変調素子１Ａの列の各磁性層３において、合成された上向きの磁界Ｈ_tot（Ｈ_tot＜Ｈc）として印加される。

この選択された列において、磁性層３の磁化方向を上向きにする光変調素子１Ａの行がＹデコーダ９３により選択されて、選択された各行の光変調素子１Ａの上部電極４Ａが電源９７の負（−）極に接続され、Ｘデコーダ９２により電源９７の正極に接続されている下部電極５Ａと前記上部電極４Ａとに挟まれた磁性層３のそれぞれに上向きの電圧Ｖが印加される。これらの磁性層３は保磁力がＨcからＨc´に低下して磁界Ｈ_tot未満になる（Ｈc´＜Ｈ_tot）ため、磁化方向が磁界Ｈ_totと同じ上向きを示す。このように、選択した列における所望の光変調素子１Ａの磁性層３が上向きの磁化方向となった（磁化反転した）後、Ｙデコーダ９３が上部電極４Ａと電源９７との接続を解除して電圧Ｖの印加を停止する。

次に、同じ２本の導線７，７にそれぞれ前記とは逆方向に電流Ｉ_aを通電して、選択された光変調素子１Ａの列の磁性層３に下向きの磁界Ｈ_totを印加させる。さらに、前記の上向きの磁界Ｈ_totを印加した時に非選択であった光変調素子１Ａの行がＹデコーダ９３により選択されて、選択された各行における上部電極４Ａが電源９７の負極に接続され、選択された各行の光変調素子１Ａのそれぞれの磁性層３に電圧Ｖが印加されて保磁力がＨc´に低下する。その結果、そのうちの選択された列の光変調素子１Ａの磁性層３の磁化方向が磁界Ｈ_totと同じ下向きを示し、第１実施形態と同様、選択した列におけるすべての光変調素子１Ａのそれぞれの磁性層３が所望の磁化方向となる。そして、Ｘデコーダ９２により新たな１列を選択して、同様に、この列の光変調素子１Ａのそれぞれの磁性層３を所望の磁化方向にする。

本実施形態に係る空間光変調器１０Ａにおいては、選択された光変調素子１Ａの１列以外には磁性層３に電圧Ｖが印加されないので、隣の非選択の列の光変調素子１Ａの磁性層３が保磁力Ｈcを維持し、逆向きの磁界Ｈで反転する虞がなく、いっそう誤動作し難い。したがって、１本の導線７に通電する電流Ｉ_aで生成する磁界Ｈの垂直方向における大きさ（ｃｏｓθ×Ｈ）が、Ｈc´未満でなくてもよい。ただし、Ｈｃｏｓθ≦Ｈ_tot＜Ｈcを満足するように設定する（θ：導線７，７の並び方向（Ｘ方向）と一方の導線７、磁性層３の並び方向とがなす角（図５参照））。さらに、空間光変調器１０Ａは、前記したように、導線７が磁性層３の近傍に設けられているので、通電させる電流Ｉ_aを低減することができる。また、第１実施形態に係る空間光変調器１０と異なり、１列おきの２列の光変調素子１Ａを選択することができる。以下、図８を参照して、１列おきの２列の光変調素子を選択して、その磁化方向を所望の向きにする方法を説明する。なお、図８においては、磁性層３にハッチングを付さずに磁化方向を黒塗り矢印で表し、また、絶縁部材６および基板８は図示省略する。

図８における両端の２つの光変調素子１Ａ，１Ａの各列がＸデコーダ９２により選択されると、これらの２列をそれぞれ挟む導線７、すなわち隣り合う４本の導線７に電流源９５が接続され、また、これらの２列に対向する下部電極５Ａが電源９７の正（＋）極に接続される。そして、選択された２列の磁性層３にそれぞれ上向きの磁界Ｈ_totを生成するために、左から１、３本目の導線７，７には奥から手前へ、２、４本目の導線７，７には手前から奥へ、同じ大きさの電流Ｉ_aが通電される。その結果、選択された光変調素子１Ａの２列の磁性層３においては、合成された上向きの磁界Ｈ_totが印加されると同時にこれらの列の間の中央の光変調素子１の列の磁性層３においては同じ大きさで逆向き（下向き）の磁界Ｈ_totが印加される。

この状態で、図８に示す光変調素子１Ａの行がＹデコーダ９３により選択されて、選択された各行の上部電極４Ａが電源９７の負極に接続されると、両端の２つの光変調素子１Ａ，１Ａの磁性層３，３に電圧Ｖが印加される。その結果、これらの磁性層３，３は、保磁力がＨcからＨc´に低下して、磁化方向が磁界Ｈ_totと同じ上向きを示す。一方、中央の光変調素子１Ａの磁性層３は、電圧Ｖが印加されていないので保磁力Ｈcを維持し、印加されている磁界Ｈ_totの向きにかかわらず、磁化方向（図８では上向き）が維持される。

第２実施形態に係る空間光変調器１０Ａは、第１実施形態と同様に、下部電極５Ａを透明電極材料で形成し、基板８を透明基板として、透過型の空間光変調器とすることもできる。また、空間光変調器１０Ａは、上部電極４Ａと下部電極５Ａとで延設方向を入れ替えて、下部電極５Ａと導線７が直交してもよい。また、光変調素子１Ａは、第１実施形態と同様に、導線７が下部電極５Ａの下方に設けられてもよい。あるいは光変調素子１Ａは、導線７が隣り合う光変調素子１Ａ，１Ａの磁性層３，３の間隙に対して十分に幅狭に形成されて下部電極５Ａとの間隔が十分に空けられるのであれば、導線７と下部電極５Ａとが同じまたは重複する高さ（厚さ方向）位置に設けられてもよい。

以上のように、本発明の第２実施形態に係る空間光変調器によれば、第１実施形態と同様に消費電流の増大を伴わない電圧の印加により、磁界を生成する電流を低減することができ、また、簡易な構造とすることができる。さらに、第２実施形態に係る空間光変調器によれば、電圧を画素毎に印加するように構成したことにより、選択した画素の隣の非選択の画素の光変調素子の磁性層が追随して磁化反転することを防止することができ、画素をいっそう微細化し易い。

〔第３実施形態〕
第２実施形態に係る空間光変調器は、電圧印加手段である一対の電極が行毎と列毎に互いに直交して延設されているので、前記一対の電極が二方向の駆動ラインを構成する。したがって、磁界印加手段が駆動ラインの一部（一方向）を構成しなくても、画素毎に駆動することができることになる。以下、本発明の第３実施形態に係る空間光変調器について説明する。第１、第２実施形態（図１〜８参照）と同一の要素については同じ符号を付し、説明を省略する。

本発明の第３実施形態に係る空間光変調器１０Ｂは、第１、第２実施形態と同様に磁界印加方式の反射型空間光変調器であり、図９に示すように、基板８、およびその上に２次元配列された光変調素子１Ｂを備える。ただし、空間光変調器１０Ｂにおいては、導線（磁界印加手段）７Ａは、すべての光変調素子１Ｂで共有して設けられ、２次元配列された光変調素子１Ｂの全体を内包するコイル状に形成されている。したがって、空間光変調器１０Ｂは、基板８上に、下から、下部電極５Ａ、絶縁層２、磁性層３、上部電極４Ａ、の順に配置された、図７に示す第２実施形態に係る空間光変調器１０Ａから導線７を除いた構成に、さらに電極間等に絶縁部材６（図６参照、図９においては空白で表す）を備える。空間光変調器１０Ｂにおいて、このような形状および配置以外の材料等、ならびに導線７Ａを除いて、第１、第２実施形態に係る空間光変調器１０，１０Ａと同様の構成とすることができる。

導線７Ａは、すべての光変調素子１Ｂにおける共通の磁界印加手段であり、所定の大きさの電流を向きを入れ替えて通電させることにより、均一な大きさの磁界ＨＡを向きを上向きと下向きとに切り替えて印加するものである。また、導線７Ａは、光変調素子１Ｂへの光の入出射を遮らない構造とする。図９においては、簡略化して、導線７Ａが４周巻き回されたソレノイドコイルで表されるが、例えば外形が円筒形状の枠体に収容されていたり、芯（ヨーク）を備えた電磁石であってもよい（図示省略）。

空間光変調器１０Ｂの駆動装置は、第２実施形態と同様に、Ｙデコーダ９３が、選択した光変調素子１Ｂの行の上部電極４Ａを電源９７の負極に接続し、Ｘデコーダ９２が、選択した光変調素子１Ｂの列の下部電極５Ａを電源９７の正極に接続する。一方、１つ設けられた導線７Ａは、両端に電流源９５が接続され、電流可変回路９６によって通電する電流の向きのみが制御される（図２参照）。

（空間光変調器の駆動方法）
第３実施形態に係る空間光変調器の駆動方法を説明する。
空間光変調器１０Ｂにおいては、導線７Ａに通電する電流によりすべての光変調素子１Ｂの磁性層３に共通の磁界が印加されるため、まず、これらすべての光変調素子１Ｂの磁性層３を例えば上向きの磁化方向に揃える。詳しくは、導線７Ａに所定の大きさの電流を通電して、磁界ＨＡを上向きに印加する。そして、すべての電極４Ａ，５Ａを電源９７に接続して、上向きの電圧Ｖを印加して磁性層３の保磁力をＨcからＨＡ未満のＨc´（Ｈc´＜ＨＡ＜Ｈc）に低減させ、磁化方向を上向きにする。磁性層３の磁化方向が上向きに揃えられたら、電極４Ａ，５Ａと電源９７との接続を解除して電圧Ｖの印加を停止し、さらに電流源９５の電流供給を停止して磁界の印加を停止する。

次に、導線７Ａへの電流源９５の接続の極性を入れ替えて、電流を逆向きに通電して、磁界ＨＡを下向きに印加する。そして、光変調素子１Ｂの１つの列がＸデコーダ９２により選択されると、この列の光変調素子１Ｂの下部電極５Ａが電源９７の正（＋）極に接続される。この選択された列において、磁性層３の磁化方向を下向きにする光変調素子１Ｂの行がＹデコーダ９３により選択されて、選択された各行の光変調素子１Ｂの上部電極４Ａが電源９７の負（−）極に接続され、電源９７の正極に接続されている下部電極５Ａと前記上部電極４Ａとに挟まれた磁性層３のそれぞれに上向きの電圧Ｖが印加される。これらの磁性層３は保磁力がＨcからＨc´に低下して磁界ＨＡ未満になるため、磁化方向が反転して磁界ＨＡと同じ下向きを示す。その結果、選択した列におけるすべての光変調素子１Ｂのそれぞれの磁性層３が所望の磁化方向となる。そして、Ｘデコーダ９２により新たな１列を選択して、この列においても同様に、所望の光変調素子１Ｂの磁性層３を下向きに磁化反転させる。

このように、本実施形態に係る空間光変調器の駆動方法は、列毎の駆動については第２実施形態と概ね同様である。なお、最初にすべての光変調素子１Ｂの磁性層３の磁化方向を上向き（または下向き）に揃える工程においては、電圧Ｖを印加せずに、導線７Ａに通電する電流を大きくして、磁性層３の保磁力Ｈcよりも大きな磁界を印加してもよい。

第３実施形態に係る空間光変調器１０Ｂは、第１、第２実施形態と同様に、下部電極５Ａを透明電極材料で形成し、基板８を透明基板として、透過型の空間光変調器とすることもできる。この場合には、導線（磁界印加手段）７Ａについて、光変調素子１Ｂの上下両側について、光を遮るヨーク等を設けない構成とする。

以上のように、本発明の第３実施形態に係る空間光変調器によれば、第２実施形態と同様に電圧を画素毎に印加するように構成したことにより、選択した画素の隣の非選択の画素の光変調素子の磁性層が追随して磁化反転することを防止することができ、さらに磁界印加手段である導線を光変調素子の列毎に設けていないので、画素をいっそう微細化し易い。また、前記磁界印加手段が２次元配列した光変調素子の外側に設けられるため、磁界を生成する電流を低減する構成とし易く、消費電流の増大を伴わない電圧の印加と併せて省電力化することができる。

以上、本発明の空間光変調器を実施するための各実施形態について述べてきたが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。

本発明の効果を確認するために、本発明に係る空間光変調器の光変調素子のサンプルを作製した。サンプルは、Ｃｏ−Ｆｅからなる膜（磁性金属膜）およびＧｄ−Ｆｅからなる層を備えた垂直磁気異方性の磁性層（図３参照）における磁化方向の変化を、抵抗の測定によって確認するために、前記磁性層を磁化自由層、絶縁層を障壁層とするＴＭＲ素子を模擬した。詳しくは、熱酸化Ｓｉ基板に、表１に示すように、Ｃｕ膜で下部電極を形成した上に、下地膜から保護膜までの材料を下から順にイオンビームスパッタリング法にて連続して成膜して積層し、さらにその上にＣｕ膜で上部電極を形成し、フォトリソグラフィで０．５μｍ×０．５μｍの矩形に加工してサンプルとした。なお、ＧｄＦｅ層（Ｇｄ−Ｆｅからなる層）の組成は、Ｇｄ：２０ａｔ％、Ｆｅ：８０ａｔ％とした。

作製したサンプルに、初期化磁界＋５ｋＯｅを印加して、磁化固定層および磁性層（磁化自由層）の磁化方向を上向きに揃えた。そして、上下電極から定電圧を印加し、初期化磁界と反対方向の磁界Ｈ（＜０）をその大きさ（絶対値）を漸増させながら印加して、電流値の変化を観察することにより、磁性層の磁化方向が下向きに反転して上下電極間の抵抗が変化（上昇）する磁界Ｈを測定し、保磁力Ｈcとした。同様の測定を、印加する定電圧の大きさ（絶対値）および向き（＋，−）を変化させて行った。なお、定電圧の大きさ（絶対値）は、絶縁層（ＭｇＯ膜）が絶縁破壊しない３６０ｍＶまでとした。保磁力Ｈcの印加電圧依存性のグラフを図１０に示す。なお、本実施例において、印加電圧は、下部電極が「＋」、上部電極が「−」において、正の値で表す。

図１０に示すように、下部電極を「＋」として、すなわち磁性層の側を「−」にして電圧を印加すると、印加電圧を大きくするほど、保磁力Ｈcが減少した。これは、磁性層の垂直磁気異方性が弱くなって面内磁気異方性の傾向を示すようになったために、磁性層の垂直方向の保磁力Ｈcが低下したことを表す。反対に、上部電極を「＋」として、すなわち磁性層の側を「＋」にして電圧を印加すると、−２００ｍＶまでは保磁力Ｈcが増大し、さらに印加電圧（絶対値）を大きくすると減少に転じた。このように磁性層の側を「＋」にして電圧を印加したときに保磁力Ｈcが増大するのは、磁性層（磁性金属膜）の垂直磁気異方性が増強されるためと推測される。また、印加電圧が−２００ｍＶを超える（絶対値で２００ｍＶ超）と保磁力Ｈcが減少に転じたのは、大きな電圧が印加されてジュール熱が発生し、熱による影響を受け易いＧｄＦｅ層の保磁力が低下したことによると推測される。磁性層の側を「−」にした場合に、＋２００ｍＶを超えると保磁力Ｈcの減少が急峻になるのも同様である。

以上のことから、本発明に係る空間光変調器の光変調素子は、極性を固定して電圧を印加することにより、垂直磁気異方性を有する磁性層の磁化方向を膜面方向へ変化させて、垂直方向における保磁力を低減させることができ、その結果、より小さな外部磁界で磁化反転させることができることが確認された。

１０，１０Ａ，１０Ｂ 空間光変調器
１，１Ａ，１Ｂ 光変調素子
２ 絶縁層（絶縁膜）
３ 磁性層
３１ 磁性金属膜
４，４Ａ 上部電極（電圧印加電極）
５，５Ａ 下部電極（電圧印加電極）
７，７Ａ 導線（磁界印加手段）

Claims (6)

1. 垂直磁気異方性を有する磁性層と絶縁膜を積層した光変調素子を２次元配列して備えて、前記光変調素子に入射した光の偏光方向を２値の角度に変化させた光を出射する空間光変調器であって、
   前記光変調素子は、前記磁性層と前記絶縁膜との界面に電圧を垂直に印加する一対の電圧印加電極、および前記界面と垂直な磁界を前記磁性層に印加する磁界印加手段をさらに備え、前記磁性層に対して光の入出射側に設けられた前記電圧印加電極が光を透過し、
   前記一対の電圧印加電極の少なくとも一方が、前記２次元配列した光変調素子の行毎に延設され、
   前記磁界印加手段は前記磁界を生成する電流を通電する導線であって、前記導線が前記２次元配列した光変調素子の列毎に延設され、
   前記光変調素子の前記磁性層は、少なくとも前記絶縁膜との界面に、Ｃｏ，Ｆｅ，Ｃｏ−Ｆｅ，Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂから選択される磁性金属膜を備え、前記電圧を前記界面に印加されると共に前記磁界を印加されることにより、磁化方向が変化することを特徴とする空間光変調器。
2. 前記導線が、列方向において、隣り合う２つの前記光変調素子の前記磁性層から略等距離の位置に設けられ、前記光変調素子の列の両側の隣り合う２本を１組として、互いに反対方向に電流を通電されることにより前記磁界が生成されることを特徴とする請求項１に記載の空間光変調器。
3. 前記一対の電圧印加電極の他方が、前記２次元配列した光変調素子の列毎に延設されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の空間光変調器。
4. 前記一対の電圧印加電極の他方が、前記２次元配列した光変調素子のすべてで共有されて一体に形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の空間光変調器。
5. 垂直磁気異方性を有する磁性層と絶縁膜を積層した光変調素子を２次元配列して備えて、前記光変調素子に入射した光の偏光方向を２値の角度に変化させた光を出射する空間光変調器であって、
   前記２次元配列した光変調素子のすべての前記磁性層に同時に、前記絶縁膜との界面と垂直な磁界を印加する磁界印加手段をさらに備え、
   前記光変調素子は、前記磁性層と前記絶縁膜との界面に電圧を垂直に印加する一対の電圧印加電極をさらに備え、前記磁性層に対して光の入出射側に設けられた前記電圧印加電極が光を透過し、
   前記一対の電圧印加電極の一方と他方が、前記２次元配列した光変調素子の行毎と列毎にそれぞれ延設され、
   前記光変調素子の前記磁性層は、少なくとも前記絶縁膜との界面に、Ｃｏ，Ｆｅ，Ｃｏ−Ｆｅ，Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂから選択される磁性金属膜を備え、前記電圧を前記界面に印加されると共に前記磁界を印加されることにより、磁化方向が変化することを特徴とする空間光変調器。
6. 前記光変調素子の前記磁性層が、Ｇｄ−Ｆｅからなる層を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の空間光変調器。

Images