JP6741453B2 - 光変調素子、空間光変調器及び表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、光変調素子、空間光変調器及び表示装置に関する。

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る。空間光変調器は、ホログラフィ装置等の露光装置、ディスプレイ技術、記録技術等の分野で広く利用されている。また、２次元で並列に光情報を処理することができることから光情報処理技術への応用も研究されている。

空間光変調器の一例として、液晶の偏光を利用した表示装置が広く知られている。一方で、ホログラフィや光情報処理用としては、応答速度や画素の高精細性が不十分であるという問題がある。そこで、近年、高速処理かつ画素の微細化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（以下、空間光変調器）は、磁気光学材料すなわち磁性体に入射した光が透過または反射する際に、偏光の向きを変化（旋光）する効果を利用している。この効果は、磁性体を透過する場合はファラデー効果、磁性体で反射する場合はカー効果と言われる。

例えば、特許文献１には、選択された画素（選択画素）における光変調素子の磁化方向とそれ以外の画素（非選択画素）における光変調素子の磁化方向を変化させ、選択画素から出射した光と非選択画素から出射した光で、その偏光の回転角（旋光角）に差を生じさせる光変調素子が記載されている。

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や、光変調素子に電流を供給することにより電子のスピンを注入するスピン注入方式（例えば、特許文献１）が知られている。

特許第４８２９８５０号公報

磁界印加方式の光変調素子は、各光変調素子の外周に沿って磁界を発生させるための電極（配線）を備えられる。そのため、画素サイズが数μｍ以上となり、さらなる微細化が困難である。また、磁界印加方式の光変調素子は、印加磁界により隣の画素の光変調素子が追随して磁化反転しないように、光変調素子同士の間隔を十分に空ける必要がある。その結果、画素の開口率を充分確保することが難しい。

一方で、スピン注入方式の光変調素子は、特許文献１に記載のように、ＴＭＲ（Ｔｕｎｎｅｌ ＭａｇｎｅｔｏＲｅｓｉｓｔａｎｃｅ：トンネル磁気抵抗効果）素子やＣＰＰ−ＧＭＲ（Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ ｔｏ ｔｈｅ Ｐｌａｎｅ Ｇｉａｎｔ ＭａｇｎｅｔｏＲｅｓｉｓｔａｎｃｅ：垂直通電型巨大磁気抵抗効果）素子等の、磁気抵抗ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）にも適用されるスピン注入磁化反転素子が適用される。

スピン注入方式の光変調素子は、膜面に垂直に電流を供給してスピンを注入するので、上下に接続された配線を狭ピッチ化できる。例えば、１μｍ以下という更なる微細化も可能である。

しかしながら、磁界印加方式及びスピン注入方式のいずれも電流を印加することで磁化反転を生み出す電流駆動方式である。すなわち、磁化反転には大きな電流が必要であり、消費電力を充分低減することが難しいという問題がある。また、空間光変調器の大型サイズ化には、長い配線が必要となる。電流駆動方式では、配線抵抗による損失により、画素の駆動が困難になるという課題もある。

例えば、ＭＯＳ−ＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ−Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等からなる画素選択手段を備えた空間光変調器の画素ピッチを狭ピッチ化する際には、ＭＯＳ−ＦＥＴ等に流すことのできる最大電流が画素の面積に比例して小さくなる。そのため、消費電力を充分低減することは光変調素子においてきわめて重要な問題である。

本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、消費電力を低減できる光変調素子を提供することを目的とする。

本発明者らは、強磁性強誘電性材料（以下、「マルチフェロイック材料」ということがある。）を用い、電圧を印加する際に生じる電界で磁化反転を生み出す電圧駆動方式とすることで、消費電力を低減できる光変調素子を提供できることを見出した。
すなわち、本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。

（１）本発明の一態様に係る光変調素子は、光が入射する入射面側に配置される透明な第１電極と、前記第１電極に対向する第２電極と、前記第１電極及び前記第２電極の間に挟まれた強磁性強誘電体層と、前記強磁性強誘電体層の一方または両方の面に接続された磁気転写層と、を有する。

（２）上記（１）に記載の光変調素子において、前記第２電極が透明であってもよい。

（３）上記（１）又は（２）のいずれかに記載の光変調素子において、前記強磁性強誘電体層と前記磁気転写層との間に、バッファ層をさらに有してもよい。

（４）本発明の一態様に係る空間光変調器は、上記（１）〜（３）のいずれか一つに記載の光変調素子と、前記光変調素子に接続され、前記光変調素子における強磁性強誘電体層の磁化の向きを所定の画素毎に制御する画素選択手段と、前記光変調素子に入射させる光を偏光する第１偏光手段と、を備える。

（５）上記（４）に記載の空間光変調器において、前記第１電極は、第１の方向に延在する複数の第１電極列を有し、前記第２電極は、第１の方向と交差する第２の方向に延在する複数の第２電極列を有し、前記画素選択手段は、前記複数の第１電極列及び前記複数の第２電極列のそれぞれに接続され、前記複数の第１電極列及び前記複数の第２電極列から任意の第１電極列及び第２電極列を選択する構成でもよい。

（６）上記（４）または（５）のいずれかに記載の空間光変調器において、前記画素選択手段が、前記所定の画素毎に前記第１電極及び前記第２電極の一方または両方に接続された画素選択手段を有してもよい。

（７）上記（４）〜（６）のいずれか一つに記載の空間光変調器において、前記強磁性強誘電体層が、所定の画素毎に分離されていなくてもよい。

（８）本発明の一態様に係る表示装置は、上記（４）〜（７）のいずれか一つに記載の空間光変調器を有する。

本発明の一態様に係る光変調素子及び空間光変調器によれば、消費電力を低減できる。

本発明の第１実施形態に係る空間光変調器の断面模式図である。 本発明の第１実施形態に係る空間光変調器の回路構成を模式的に示した図である。 本発明の第１実施形態に係る空間光変調器の動作を説明するための模式図である。 本発明の第１実施形態に係る空間光変調器の変形例の断面模式図である。 本発明の第１実施形態に係る空間光変調器の別の変形例の断面模式図である。 本発明の第２実施形態に係る空間光変調器の断面模式図である。 本発明の第２実施形態に係る空間光変調器の回路構成を模式的に示した図である。 本発明の第２実施形態に係る空間光変調器の動作を説明するための模式図である。 本発明の第３実施形態に係る空間光変調器の断面模式図である。 本発明の第３実施形態に係る空間光変調器の動作を説明するための模式図である。

以下、本発明について、図を適宜参照しながら詳細に説明する。以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際とは異なっていることがある。以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。また、説明に用いる各図面において、共通の構成要素には同一の符号を付すものとする。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る空間光変調器の断面模式図である。第１実施形態に係る空間光変調器１００は、光変調素子１０と、画素選択手段２０と、第１偏光手段３０（図３参照）とを有する。また光変調素子１０は、外部に接続された外部電源４０によって駆動する。

光変調素子１０は、磁気光学効果を利用した素子である。図１に示す光変調素子１０は、第１電極１と、第２電極２と、強磁性強誘電体層３と、磁気転写層４とを有する。

第１電極１は、強磁性強誘電体層３に入射する光の入射面側に配置される。第１電極１は、入射した光が強磁性強誘電体層３に届く程度に透明な透明電極である。

第１電極１に用いられる透明電極材料としては、例えば、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（ＳｎＯ_２）、アンチモンドープ酸化スズ（ＡＴＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、フッ素ドープ酸化スズ（ＦＴＯ）、酸化インジウム（Ｉｎ_２Ｏ_３）等、インジウム−ガリウム−亜鉛酸化物（Ｉｎｄｉｕｍ Ｇａｌｌｉｕｍ Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ：ＩＧＺＯ）などを用いることができる。またグラフェン、カーボンナノチューブなども適用できる。さらに、入射した光が強磁性強誘電体層３に届けば、薄膜の金属層等も用いることができる。

第２電極２は、第１電極１に対向して複数設けられている。第１電極１と第２電極２の間に電圧を印加することで、強磁性強誘電体層３のスピンの向きが変化する。
一つの第２電極２と第１電極１とにより挟まれ、一つの第２電極２と第１電極１との間の電界の影響を受ける領域が一つの画素となる。

第２電極２は、導電性を有すれば、その材質は特に問わない。例えば、第１電極に用いる材料の他、銅、アルミニウム、銀等を用いることができる。

強磁性強誘電体層３は、面内に一様に延在する。すなわち、空間光変調器１００の画素毎に分離されていない。なお、用途に応じては、変形例として、画素毎に強磁性強誘電体層３を区切ってもよい。

強磁性強誘電体層３は、マルチフェロイック材料を含む。マルチフェロイック材料とは、「磁気秩序」と「強誘電秩序」が共存する材料である。すなわち、強磁性と強誘電性を合せて持つ材料である。強磁性強誘電体層３がマルチフェロイック材料を含むことで、電場による磁化の方向制御及び磁場による電気分極の方向制御が可能である。

マルチフェロイック材料には、以下の一般式（１）で表記される物質を用いることができる。
（Ａ_ｗＢ_ｘＣ_{１−ｗ−ｘ}）_ｓ（Ｌ_ｙＭ_ｚＮ_{１−ｙーｚ}）_ｔＯ_ｕ ・・・（１）
一般式（１）において、Ａ、Ｂ及びＣは、それぞれＢｉ、Ｌａ、Ｔｂ、Ｐｂ、Ｙ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｂａ、Ｌｕ、ＹｂまたはＥｕのいずれかの元素である。
一般式（１）において、Ｌ、Ｍ及びＮは、それぞれ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｃｒ、ＣｏまたはＶのいずれかの元素である。
一般式（１）において、ｗ、ｘ、ｙ及びｚは０〜１の実数であり、ｗ＋ｘ及びｙ＋ｚは、１を超えない。
一般式（１）において、ｓは１〜３の整数であり、ｔは１〜３の整数であり、ｎは３〜６の整数である。

一般式（１）を満たす具体的な例としては、例えば、ＢｉＭｎＯ_３、ＴｂＭｎＯ_３、ＴｂＭｎ_２Ｏ_５、ＹＭｎＯ_３、ＥｕＴｉＯ_３、ＣｏＣｒ_２Ｏ_４、Ｃｒ_２Ｏ_３、ＢｉＭｎ_０．５Ｎｉ_０．５Ｏ_３、ＢｉＦｅ_０．５Ｃｒ_０．５Ｏ_３、Ｌａ_０．１Ｂｏ_０．９ＭｎＯ_３、Ｌａ_１−ｘＢｉ_ｘＮｉ_０．５Ｍｎ_０．５Ｏ_３、Ｂｉ_１−ｘＢａ_ｘＦｅＯ、（Ｂｉ_ｗＢａ_ｘＬａ_{１−ｗ−ｘ}）_ｓ（Ｆｅ_ｙＭｎ_１−ｙ）_ｔＯ_ｕ、（Ｂｉ_ｗＢａ_ｘＬａ_{１−ｗ−ｘ}）_ｓ（Ｆｅ_ｙＭｎ_ｚＴｉ_{１−ｙーｚ}）_ｔＯ_ｕ等が挙げられる。

磁気転写層４は、強磁性強誘電体層３の一方または両方の面に配設される。図１に示す空間光変調器１００においては、強磁性強誘電体層３の第１電極１側の面に磁気転写層４が配設されている。

磁気転写層４は、強磁性体を含む。磁気転写層４は、強磁性体を含めば、金属、半導体、絶縁体のいずれの材料種でもよいし、それら材料種による複数の組合せを用いてもよい。

強磁性強誘電体層３への電界印加を効率的に行うためには、磁気転写層４に金属を用いて、第１電極１と同電位にすることが好ましい。本実施例のように反射型の空間光変調器で用いる場合は、必ずしも磁気転写層４は透光性を要しないため、磁気転写層４の材料種や厚さには高い自由度を設けることができる。一方で、透過型の空間光変調器で用いる場合は、磁気転写層４には、光学的に透明な材料を適用する。透明な材料としては、材料種の多い絶縁体を用いることが好ましい。なお、磁気転写層４に金属を用いて透過型の空間光変調器を構成する場合は、その金属の厚さは、最大でも入射した光が強磁性強誘電体層３との界面にまで届く程度の厚さ（概ね４０ｎｍ以下）とするのが好適である。

金属の強磁性体を含む磁気転写層４としては、例えば、遷移金属系材料、遷移金属と貴金属の多層膜、遷移金属と貴金属との合金、希土類金属と遷移金属との合金等を用いることができる。この他、ＭｎＮ，ＦｅＮ等の窒化物磁性体、ＭｎＢｉ合金、Ｍｎ／Ｂｉ多層膜、ＰｔＭｎＳｂ合金、Ｐｔ／ＭｎＳｂ多層膜などを用いることができる。

遷移金属系材料としては、例えば、ＣｏＦｅＢ、ＣｏＦｅ、Ｃｏ、Ｆｅ、ＣｏＦｅＳｉ、ＣｏＦｅＧｅなどを用いることができる。遷移金属と貴金属の多層膜としては、例えば、Ｃｏ／Ｐｔ多層膜、Ｃｏ／Ｐｄ多層膜、Ｆｅ／Ｐｄ多層膜、ＣｏＦｅ／Ｐｄ多層膜、Ｆｅ／Ｐｔ多層膜などを用いることができる。遷移金属と貴金属との合金としては、例えば、ＣｏＰｔ合金、ＣｏＰｄ合金、ＦｅＰｄ合金、ＦｅＰｔ合金などを用いることができる。希土類金属と遷移金属との合金としては、例えば、ＧｄＦｅ合金、ＧｄＣｏＦｅ合金、ＧｄＣｏ合金、ＴｂＦｅ合金、ＴｂＦｅＣｏ合金等を用いることができる。

絶縁体の強磁性体を含む磁気転写層４としては、例えば、イットリウム鉄ガーネット（Ｙ_３Ｆｅ_５Ｏ_１２）、イットリウム鉄ガーネットのイットリウムの一部をＢｉに置換したＢｉ_ｘＹ_３−ｘＦｅ_５Ｏ_１２等を用いることができる。

磁気転写層４は、強磁性強誘電体層３と界面において磁気的に強く結合している。すなわち、強磁性強誘電体層３の磁化の向きが変化すると、磁気転写層４の磁化の向きを変化する。強磁性強誘電体層３と磁気転写層４の磁化の向きは、必ずしも同方向である必要はない。磁気光学効果を効率的に得るためには、強磁性強誘電体層３と磁気転写層４の磁化の向きは、同一であることが好ましい。

強磁性強誘電体層３と磁気転写層４の間には、バッファ層（図示略）を有していてもよい。バッファ層には、例えば、Ｔａ、Ｒｕ、Ｇｄ、Ｗ、Ｐｔ，Ｐｄ、Ａｕ、Ａｇ等を用いることができる。

なお、バッファ層を介した磁気結合がＲＫＫＹ相互作用による結合となる場合は、バッファ層の厚さを適時調整することにより、強磁性強誘電体層３と磁気転写層４の磁化方向の組み合わせを、反平行あるいは平行のいずれかに設定することができる。

磁気光学特性は、一般的には磁化の大きさが大きい程、大きな特性が得られる。すなわち、磁気転写層４を設けることで全体の磁化の大きさが増大し、大きな磁気光学特性が得られる。

一方で、強磁性強誘電体層３及び磁気転写層４全体での磁化の大きさが大きくなると、強磁性強誘電体層３及び磁気転写層４の両方の磁化を磁化反転させるために必要な外力が大きくなる。

強磁性強誘電体層３と磁気転写層４の磁化は互いに密接な関係を有する。磁気転写層４の飽和磁化や保磁力の大きさは、強磁性強誘電体層３の飽和磁化や保磁力の大きさに合せて適宜設定することが好ましい。磁気転写層４の飽和磁化や保磁力が大きい場合、逆に、磁気転写層４から強磁性強誘電体層３への磁気的な影響が強くなり、電界印加による強磁性強誘電体層３の磁化方向制御が困難になる可能性もある。したがって、磁気転写層４には、ＧｄＦｅ合金やＴｂＦeＣｏ合金、あるいはイットリウム鉄ガーネット薄膜など、飽和磁化が小さいものの磁気光学効果が大きく、組成等により小さな保磁力に調整できる強磁性材料を適用するのが好適である。

図１に示す画素選択手段２０は、ＭＯＳ−ＦＥＴである。画素選択手段２０は、半導体基板２１と、ゲート電極２３と、ソース電極２４と、ドレイン電極２７と、絶縁体２５、２６とを有する。

半導体基板２１には、例えばシリコン等を用いることができる。図１に示す画素選択手段２０は、ｐ型ドーパントが添加された半導体基板２１の一部に、ｎ型ドーパントがドーピングされたソース領域２２ａ、ドレイン領域２２ｂを有する。

ゲート電極２３は、半導体基板２１と絶縁体２５を介して配設される。ゲート電極２３に電圧を印加することで、ソース領域２２ａとドレイン領域２２ｂの間にチャネルが形成される。

ソース電極２４は、外部電源４０とソース領域２２ａとを接続する。ドレイン電極２７は、ドレイン領域２２ｂと第２電極２とを接続する。

絶縁体２５及び絶縁体２６は、第２電極２、半導体基板２１、ゲート電極２３及びソース電極２４の間に配設され、これらを互いに絶縁している。図では重なっているが、ドレイン電極２７も、ゲート電極２３及びソース電極２４と絶縁されている。

第１偏光手段３０は、光源と光変調素子１０の間に配設される。第１偏光手段３０は、公知のものを用いることができ、例えば偏光板等を用いることができる。

外部電源４０は、公知の電源を用いることができる。外部電源４０は、選択素子４１を介して光変調素子１０及び画素選択手段２０に接続される。

空間光変調器１００は、公知の方法を用いて作製することができる。例えば、スパッタ等の成膜手段やフォトリソグラフィ等を用いることができる。

次いで、図１及び図２を用いて、空間光変調器１００の電気的な動作について説明する。図２は、本発明の第１実施形態に係る空間光変調器の回路構成を模式的に示した図である。

第１電極１と第２電極２に挟まれた強磁性強誘電体層３は、複数の画素Ｒを形成する。図２では、複数の画素Ｒが二次元状に配列している。それぞれの画素には、一つの画素選択手段２０Ａが設けられている。画素選択手段２０Ａが複数集まったものが、図１における画素選択手段２０に対応する。

一つの画素選択手段２０Ａのソース電極２４はソースラインＳＬに接続され、ゲート電極２３はゲートラインＧＬに接続されている。また上述のようにドレイン電極２７は、第２電極２に接続されている。

ソースラインＳＬに流れる電流は、選択素子４１によって制御される。ゲートラインＧＬに流れる電流は、第２選択素子４２によって制御される。

ある任意の画素Ｒに電圧を印加する場合を例に具体的に説明する。
まず、選択素子４１により電圧を印加するソースラインＳＬを選択する。選択されたソースラインＳＬに接続されるソース電極２４のそれぞれに外部電源４０から電圧が印加される。

次いで、第２選択素子４２により電圧を印加するゲートラインＧＬを選択する。選択されたゲートラインＧＬに接続されるゲート電極２３に電圧が印加されることで、ゲート電極２３と対向する半導体２１にチャネルが形成される。チャネルが形成されると、ソース領域２２ａとドレイン領域２２ｂとが接続される。

すなわち、選択されたソースラインＳＬとゲートラインＧＬが交差する部分に位置する画素選択手段２０Ａにおいて、外部電源４０から印加された電圧がチャネルを介して第２電極２に印加される。その結果、第１電極１と第２電極２の間に電位差が生じ、選択された画素Ｒ内の強磁性強誘電体層３に電圧を印加できる。

次いで、選択した画素Ｒに電圧を印加することにより、空間光変調が生じる空間光変調器の動作について説明する。図３は、本発明の第１実施形態に係る空間光変調器の動作を説明するための模式図である。

上述のように、選択された画素Ｒに電圧を印加する。電圧が印加されると強磁性強誘電体層３における選択画素Ｒ１の領域には分極Ｐ１が誘起される。そして分極Ｐ１により磁化が影響を受け、磁化の方向が変化する。その結果、強磁性強誘電体層３における選択画素Ｒ１の領域には、分極Ｐ１に強く結合した磁化Ｍ１が優先的に分布する。

強磁性強誘電体層３に磁化Ｍ１が生じると、これに近設した磁気転写層４における磁化Ｍ１近傍の磁気モーメントが、磁化Ｍ１の磁気モーメントと磁気的に結合し、磁気転写層４における選択画素Ｒ１の領域に磁化Ｍ３が優先的に分布する。

これに対し、選択画素Ｒ１以外の非選択画素Ｒ２に選択画素Ｒ１と逆向きの電圧を印加する。逆向きの電圧を印加されると、強磁性強誘電体層３の非選択画素Ｒ２の領域には分極Ｐ１と逆向きの分極Ｐ２が誘起される。また分極Ｐ２により磁化が影響を受け、磁化の方向が変化する。その結果、強磁性強誘電体層３における非選択画素Ｒ２の領域には、分極Ｐ２に強く結合した、磁化Ｍ１の磁化方向とは逆向きの磁化Ｍ２が優先的に分布する。

強磁性強誘電体層３の非選択画素Ｒ２に磁化Ｍ２が生じると、これに近設した磁気転写層４における磁化Ｍ２近傍の磁気モーメントが、磁化Ｍ２の磁気モーメントと磁気的に結合し、磁気転写層４における非選択画素Ｒ２の領域に、選択画素Ｒ１に生じる磁化Ｍ３の磁化方向とは逆向きの磁化Ｍ４が優先的に分布する。

磁化方向が決定された複数の画素を有する光変調素子１０に光を照射する。
光照射手段３１から照射された光Ｌ１は、第１偏光手段３０により特定の方向に偏光された偏光光Ｌ２となる。偏光光Ｌ２は、光変調素子１０の第１電極１を透過し、磁気カー効果の大きい磁気転写層４もしくは、強磁性強誘電体層３および磁気転写層４で反射又は回折する。反射又は回折する際に、画素の磁化の向きに応じて磁気光学カー効果により偏光光Ｌ２が旋光する。

この結果、選択画素Ｒ１で反射又は回折した偏光光Ｌ２はカー回転角が−θ_ｋだけ回転した旋光光Ｌ３となり、非選択画素Ｒ２で反射又は回折した偏光光Ｌ２はカー回転角がθ_ｋだけ回転した旋光光Ｌ４となる。

例えば、旋光光Ｌ３及び旋光光Ｌ４の出射側に、旋光光Ｌ３又は旋光光Ｌ４のいずれかに対して９０°の偏光設定の第２偏光手段を設けると、第２偏光手段を通過後の光は明状態と暗状態に分けられる。すなわち、空間光変調器１００によって入射する光を明暗の２値に変調した像が得られる。また、旋光光Ｌ３と旋光光Ｌ４を干渉させると、ホログラフィ像等も得られる。このような変調した像やホログラフィ像を用いて、空間光変調器を表示装置として用いることもできる。

上述のように、第１実施形態に係る空間光変調器１００を用いると、電圧駆動により強磁性強誘電体層３の磁化の向きを制御できる。そのため、電流駆動の空間光変調器に比べて低消費電力化が実現できる。

また強磁性強誘電体層３の磁化の向きは、外部電源４０による電圧印加が無くなっても別の外力が印加されないと変化しない。つまり磁化を記録するメモリー機能を有する。したがって、駆動時以外は外部電源４０による電圧印加を行う必要が無く、更なる低消費電力化が実現できる。

また第１実施形態に係る空間光変調器１００における強磁性強誘電体層３は、画素Ｒごとに分離されていない。そのため、画素Ｒのサイズを印加する電圧強度によって自由に制御することができる。すなわち、よりシームレスな表示像を得ることができる。また画素Ｒを区切るためのブラックマトリックス等が不要であり、高い開口率を実現することができる。

また第１実施形態に係る空間光変調器１００は、磁気転写層４を有する。そのため、強磁性強誘電体層３と磁気転写層４を合せて大きな磁化強度を得ることができ、大きな磁気光学特性を得ることができる。

本発明は、上記第１の実施形態として示す空間光変調器１００の構成に必ずしも限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。

図４は、本発明の第１実施形態に係る空間光変調器の変形例の断面模式図である。
図４に示す空間光変調器１０１は、磁気転写層４が強磁性強誘電体層３と第２電極２の間に配設されている点が、上述の空間光変調器１００と異なる。

図４に示す空間光変調器１０１において、磁気転写層４は透過性を要しない。そのため、磁気転写層４に用いることができる材料種及び磁気転写層４の厚みの設計の自由度が高まる。

また図５は、本発明の第１実施形態に係る空間光変調器の別の変形例の断面模式図である。図５に示す空間光変調器１０２は、磁気転写層４が強磁性強誘電体層３の両面に配設されている点が、上述の空間光変調器１００と異なる。

磁気転写層４が強磁性強誘電体層３の両面に配設されているため、強磁性強誘電体層３と磁気転写層４を合せた磁化強度をより大きくすることができる。その結果、より大きな磁気光学特性を得ることができる。

（第２実施形態）
次に第２実施形態に係る空間光変調器について説明する。
図６は、本発明の第２実施形態に係る空間光変調器の断面模式図である。

図６に示す第２実施形態に係る空間光変調器１０３は、反射型でなく透過型である点が第１実施形態に係る空間光変調器と異なる。また画素選択手段２０がアクティブマトリクスではなく単純マトリクスである点が異なる。

画素選択手段２０が単純マトリクスであるため、ＭＯＳ−ＦＥＴ等のトランジスタ構造は不要であり、透明基板６０上に第２電極２は配設されている。
第２電極２及び透明基板６０はいずれも透明である。第２電極は、第１実施形態に係る第１電極と同様の物を用いることができる。透明基板６０は、ＳｉＯ_２基板、ＭｇＯ基板、サファイア基板などを用いることができる。

まず、画素選択手段の構成について説明する。図６及び図７に示すように、第２実施形態に係る空間光変調器１０３は、選択素子４１及び第３選択素子４３により画素を選択する。すなわち、選択素子４１と第３選択素子４３を合せて画素選択手段である。

図７に示すように、空間光変調器１０３において、第１電極１は、第１の方向に延在する複数の第１電極列を有する。第２電極２は、第１の方向と交差する第２の方向に延在する複数の第２電極列を有する。

選択素子４１は第２電極列を選択し、第３選択素子４３は第１電極列を選択する。外部電源４０から電圧を印加すると、選択された第２電極列と選択された第１電極列が交差する部分の画素に電圧が印加される。

次いで、選択した画素Ｒに電圧を印加することにより、空間光変調が生じる透過型の空間光変調器の動作について説明する。図８は、本発明の第４実施形態に係る空間光変調器の動作を説明するための模式図である。

選択された画素Ｒに電圧が印加されることで、強磁性強誘電体層３に分極Ｐ１及び分極Ｐ２が生じ、分極Ｐ１及び分極Ｐ２のそれぞれに強く結合した磁化Ｍ１及び磁化Ｍ２がそれぞれの画素に優先的に分布する。その結果、磁気転写層４に磁化Ｍ３及び磁化Ｍ４がそれぞれの画素に優先的に分布する。この点は、第１実施形態に係る空間光変調器１０１と同様である。

磁化Ｍ１とＭ３及び磁化Ｍ２とＭ４によって、それぞれ磁化方向が決定された複数の画素を有する光変調素子１０に光を照射する。
光照射手段３１から照射された光Ｌ１は、第１偏光手段３０により特定の方向に偏光された偏光光Ｌ２となる。偏光光Ｌ２は、光変調素子１０の第１電極１を透過し、強磁性強誘電体層３で透過又は回折する。透過又は回折する際に、画素の磁化の向きに応じてファラデー効果により偏光光Ｌ２が旋光する。

この結果、選択画素Ｒ１を透過又は回折した偏光光Ｌ２は回転角が−θ_ｋだけ回転した旋光光Ｌ５となり、非選択画素Ｒ２を透過又は回折した偏光光Ｌ２は回転角がθ_ｋだけ回転した旋光光Ｌ６となる。

例えば、旋光光Ｌ５及び旋光光Ｌ６の出射側に、旋光光Ｌ５又は旋光光Ｌ６のいずれかに対して９０°の偏光設定の第２偏光手段を設けると、第２偏光手段を通過後の光は明状態と暗状態に分けられる。すなわち、空間光変調器１０３によって入射する光を明暗の２値に変調した像が得られる。また、旋光光Ｌ５と旋光光Ｌ６を干渉させると、ホログラフィ像等も得られる。このような変調した像やホログラフィ像を用いて、空間光変調器を表示装置として用いることもできる。

上述のように、第２実施形態に係る空間光変調器１０３によれば、透過型でも空間光変調が可能である。また画素選択手段が単純マトリクスであるため、空間光変調器の作製が容易である。

（第３実施形態）
次に第３実施形態に係る空間光変調器について説明する。
図９は、本発明の第３実施形態に係る空間光変調器の断面模式図である。

図９に示す第３実施形態に係る空間光変調器１０４は、反射型である点が第２実施形態に係る空間光変調器１０３と異なる。また画素選択手段２０がアクティブマトリクスではなく単純マトリクスである点が第１実施形態にかかる空間光変調器１０１と異なる。

第３実施形態に係る空間光変調器１０４は反射型である。そのため、第２実施形態に係る空間光変調器１０４と異なり、第２電極２及び基板６１は任意のものを用いることができる。

図１０は、本発明の第３実施形態に係る空間光変調器の動作を説明するための模式図である。
画素の選択、画素内の強磁性強誘電体層３に生じる分極Ｐ１、Ｐ２及び磁化Ｍ１、Ｍ２の向きの制御及び画素内の磁気転写層４に生じる磁化Ｍ３、Ｍ４の向きの制御の仕方は、第２実施形態に係る空間光変調器１０３と同様である。また光変調の仕方は、第１実施形態に係る空間光変調器１０１と同様である。

上述のように、第３実施形態に係る空間光変調器１０４を用いると、電圧駆動により強磁性強誘電体層３の磁化の向きを制御できる。そのため、電流駆動の空間光変調器に比べて低消費電力化が実現できる。また画素選択手段が単純マトリクスであるため、空間光変調器の作製が容易である。

１…第１電極、２…第２電極、３…強磁性強誘電体層、４…磁気転写層、１０…光変調素子、２０…画素選択手段、２０Ａ…画素選択手段、２１…半導体基板、２２ａ…ソース領域、２２ｂ…ドレイン領域、２３…ゲート電極、２４…ソース電極、２５，２６…絶縁体、２７…ドレイン電極、３０…第１偏光手段、３１…光照射手段、４０…外部電源、４１…選択素子、４２…第２選択素子、４３…第３選択素子、６０…透明基板、６１…基板、１００，１０１,１０２，１０３，１０４…空間光変調器、ＳＬ…ソースライン、ＧＬ…ゲートライン、Ｒ…画素、Ｒ１…選択画素、Ｒ２…非選択画素、Ｌ１…光、Ｌ２…偏光光、Ｌ３，Ｌ４，Ｌ５，Ｌ６…旋光光、Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４…磁化、Ｐ１，Ｐ２…分極

Claims (8)

1. 光が入射する入射面側に配置される透明な第１電極と、
   前記第１電極に対向する第２電極と、
   前記第１電極及び前記第２電極の間に挟まれた単層の強磁性強誘電体層と、
   前記強磁性強誘電体層の一方または両方の面に接続された磁気転写層と、を有し、
   前記第１電極及び前記第２電極を用いて前記強磁性強誘電体層に電圧が印加されることによって前記強磁性強誘電体層に電気分極が誘起され、その電気分極に応じて前記強磁性強誘電体層の磁化が制御される、光変調素子。
2. 前記第２電極が透明である請求項１に記載の光変調素子。
3. 前記強磁性強誘電体層と前記磁気転写層との間に、バッファ層をさらに有する請求項１又は２のいずれかに記載の光変調素子。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の光変調素子と、
   前記光変調素子に接続され、前記光変調素子における強磁性強誘電体層の磁化の向きを所定の画素毎に制御する画素選択手段と、
   前記光変調素子に入射させる光を偏光する第１偏光手段と、を備える空間光変調器。
5. 前記第１電極は、第１の方向に延在する複数の第１電極列を有し、
   前記第２電極は、第１の方向と交差する第２の方向に延在する複数の第２電極列を有し、
   前記画素選択手段は、前記複数の第１電極列及び前記複数の第２電極列のそれぞれに接続され、前記複数の第１電極列及び前記複数の第２電極列から任意の第１電極列及び第２電極列を選択する請求項４に記載の空間光変調器。
6. 前記画素選択手段が、前記所定の画素毎に前記第１電極及び前記第２電極の一方または両方に接続された画素選択素子を有する請求項４または５のいずれかに記載の空間光変調器。
7. 前記強磁性強誘電体層が、所定の画素毎に分離されていない請求項４〜６のいずれか一項に記載の空間光変調器。
8. 請求項４〜７のいずれか一項に記載の空間光変調器を用いた表示装置。

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