WO2023153286A1 - 空間光位相変調器及び光演算装置 - Google Patents

空間光位相変調器及び光演算装置 Download PDF

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WO2023153286A1
WO2023153286A1 PCT/JP2023/003204 JP2023003204W WO2023153286A1 WO 2023153286 A1 WO2023153286 A1 WO 2023153286A1 JP 2023003204 W JP2023003204 W JP 2023003204W WO 2023153286 A1 WO2023153286 A1 WO 2023153286A1
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free layer
magnetization free
phase modulator
microcell
magnetization
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PCT/JP2023/003204
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雄一朗 九内
正浩 柏木
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株式会社フジクラ
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    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/09—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on magneto-optical elements, e.g. exhibiting Faraday effect
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
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    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/82—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by variation of the magnetic field applied to the device
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/80—Constructional details

Definitions

  • the present invention relates to a spatial optical phase modulator and an optical arithmetic device having a plurality of spatial optical phase modulators.
  • a spatial light modulator is obtained by arranging a plurality of light modulators in a matrix.
  • spatial light modulators LCOS (Liquid Crystal On Silicon, see Patent Document 1, for example) and DMD (Digital Mirror Device, see Patent Document 2, for example) are known. These spatial light modulators are used, for example, in projectors.
  • LCOS and DMD have the problem of being difficult to operate at high speed.
  • LCOS is for using liquid crystals
  • DMD is for mechanically moving mirrors.
  • the spatial light phase modulator is a spatial light phase modulator provided with a plurality of microcells.
  • each microcell includes a magnetization free layer having a first optically effective surface and a second optically effective surface facing each other, and a control section for controlling the magnetization direction of the magnetization free layer.
  • each magnetization free layer and each control section are parallel or substantially parallel to the normal direction of each of the first optically effective surface and the second optically effective surface. is configured to control the orientation of the magnetization.
  • a spatial light phase modulator that can be miniaturized and that can operate at high speed, and an optical operation device that includes a plurality of such spatial light phase modulators. can be done.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of an optical arithmetic device according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2A is a plan view showing a specific example of a spatial light phase modulator included in the optical operation device shown in FIG. 1
  • FIG. (b) is a cross-sectional view of a microcell included in the spatial light phase modulator.
  • 3 is a cross-sectional view of a first variant of the microcell shown in FIG. 2(b);
  • FIG. Figure 3 is a cross-sectional view of a second variant of the microcell shown in Figure 2(b);
  • (a) is a perspective view of a third modification of the microcell shown in (b) of FIG. (b) is a plan view of a third modification.
  • FIG. (a) is a perspective view of a fourth modification of the microcell shown in (b) of FIG. (b) is a plan view of a fourth modification. It is a schematic diagram which shows the structure of the example of a changed completely type of the optical arithmetic apparatus which concerns on one Embodiment of this invention.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of an optical arithmetic device 1.
  • FIG. 2(a) is a plan view showing a specific example of the spatial light phase modulator 13 included in the optical arithmetic device 1.
  • FIG. (b) of FIG. 2 is a cross-sectional view of the microcell C provided in the spatial light phase modulator 13 .
  • the optical arithmetic device 1 includes a polarizing beam splitter 11, a quarter-wave plate 12, a spatial optical phase modulator 13, and a mirror .
  • the polarizing beam splitter 11 is a polarization separation element capable of splitting incident light into a p-polarized component and an s-polarized component.
  • a polarizing splitting element of a type in which a polarizing splitting film is sandwiched between two rectangular glass prisms is employed as the polarizing beam splitter 11.
  • the type of polarization separation element used as the polarization beam splitter 11 is not limited to this, and may be, for example, a flat plate type.
  • the polarization separation film included in the polarization beam splitter 11 transmits p-polarized light L1, which is the p-polarized component, of the incident light Li, and reflects s-polarized light L2, which is the s-polarized component.
  • the signal light Li enters the polarization beam splitter 11 from the right side.
  • the polarizing beam splitter 11 splits the signal light Li into p-polarized light L1 and s-polarized light L2, transmits the p-polarized light L1 to the left side of the polarizing beam splitter 11, and reflects the s-polarized light L2 to the upper side of the polarizing beam splitter 11.
  • the signal light Li has a two-dimensional intensity distribution.
  • the s-polarized light L7 enters the polarization beam splitter 11 from its left side.
  • the polarizing beam splitter 11 outputs the signal light Lo to the outside of the polarizing beam splitter 11 by reflecting the s-polarized light L7 to the lower side of the polarizing beam splitter 11 .
  • the polarization directions of the p-polarized light L1 and the s-polarized light L2, and the right circularly polarized light L3, right circularly polarized light L4, left circularly polarized light L5, and left circularly polarized light L6, which will be described later, are schematically indicated by arrows. ing.
  • the arrows indicating these polarization directions indicate the polarization directions when each polarized light is viewed from behind in the propagation direction. Comparing right circularly polarized light L3 and right circularly polarized light L4 with left circularly polarized light L5 and left circularly polarized light L6, they appear to rotate in the same direction (clockwise in the state shown in FIG. 1). However, the right circularly polarized light L3 and the right circularly polarized light L4, and the left circularly polarized light L5 and the left circularly polarized light L6 have opposite propagation directions, and thus have opposite polarization directions.
  • the quarter-wave plate 12 has a fast axis and a slow axis orthogonal to each other, and has a quarter wavelength between linearly polarized light passing through the fast axis and linearly polarized light passing through the slow axis. It is an optical element that produces a phase difference of .
  • One principal surface of the quarter-wave plate 12 (the principal surface located on the right in the state shown in FIG. 1) is located on one side of the polarizing beam splitter 11 (the principal surface located on the left in the state shown in FIG. 1). side) and are arranged to be parallel to each other. That is, the quarter-wave plate 12 is provided on the magnetization free layer C11 side of each microcell C. As shown in FIG. The quarter-wave plate 12 is provided so that its main surface is parallel or substantially parallel to the bottom surface C111 of each microcell C described later.
  • the quarter-wave plate 12 is arranged such that the slow axis forms an angle of 45 degrees with the polarization direction of the p-polarized light L1. With this configuration, the quarter-wave plate 12 can convert between linearly polarized light and circularly polarized light. Thus, quarter-wave plate 12 converts p-polarized light L1 to right-handed circularly polarized light L3 and left-handed circularly polarized light L6 to s-polarized light L7.
  • ⁇ Half-wave plate> Although not shown in the optical operation device 1 shown in FIG. 1, between the polarizing beam splitter 11 and the quarter-wave plate 12, on the optical path of the p-polarized light L1 and the s-polarized light L7, there is a bifurcated light beam.
  • a single wave plate may be provided.
  • the half-wave plate has (1) one principal surface facing and parallel to one side surface of the polarizing beam splitter 11, and (2) the other principal surface being a quarter-wave plate. It is arranged so as to face and be parallel to one main surface of the one-wave plate 12 .
  • This structure is widely used as the structure of a broadband circularly polarizing plate.
  • a half-wave plate is arranged so that the slow axis forms an angle of 15 degrees with the polarization direction of the p-polarized light L1, and the slow axis is 75 degrees with the polarization direction of the p-polarized light L1.
  • the spatial light phase modulator 13 includes a substrate 131 and a plurality of microcells C arranged two-dimensionally (that is, arranged in a matrix) on one main surface of the substrate 131 .
  • Each microcell C is configured so that the phase modulation amount can be set independently of each other.
  • a specific example of the spatial light phase modulator 13 including each microcell C will be described later with reference to FIG.
  • the other main surface of the substrate 131 faces the other main surface of the quarter-wave plate 12 (the left main surface in the state shown in FIG. 1), and arranged in parallel. Therefore, the right circularly polarized light L3 converted by the quarter-wave plate 12 is converted into the right circularly polarized light L4 by passing through the spatial light phase modulator 13, and the right circularly polarized light L4 is reflected by the mirror 14, which will be described later.
  • the surface 141 is irradiated.
  • the left circularly polarized light L5 generated by reflecting the right circularly polarized light L4 by the reflecting surface 141 is converted into the left circularly polarized light L6 by passing through the spatial light phase modulator 13, and the left circularly polarized light L6 is converted into four beams.
  • the other main surface of the one-minute wavelength plate 12 is irradiated.
  • the spatial light phase modulator 13 converts the right-handed circularly polarized light L3 into the right-handed circularly polarized light L4 according to the phase modulation amount predetermined for each microcell C. can phase-modulate the right circularly polarized light L3. Further, when the spatial light phase modulator 13 converts the left-handed circularly polarized light L5 into the left-handed circularly polarized light L6, the spatial light phase modulator 13 can phase-modulate the left-handed circularly polarized light L5 according to a phase modulation amount predetermined for each microcell C. can.
  • the magnetization free layer provided in the microcell C is arranged such that the magnetization direction of the magnetization free layer is parallel or substantially parallel to the propagation direction of light propagating inside the microcell C. Therefore, the phase modulation amount for the right circularly polarized light L3 and the phase modulation amount for the left circularly polarized light L5 are added. Therefore, in the optical arithmetic device 1 using the reflective spatial light phase modulator 13, the phase modulation amount can be doubled compared to the case of using the transmissive spatial light phase modulator 13.
  • the phase modulation amount of each microcell C of the spatial light phase modulator 13 is predetermined so as to perform desired optical calculation.
  • the setting of the phase modulation amount of each microcell C can be realized using machine learning, for example.
  • machine learning for example, the two-dimensional intensity distribution of the right-handed circularly polarized light L3 incident on the other principal surface of the substrate 131 is input, and the left-handed circularly polarized light reflected by the reflecting surface of the mirror 14 described later is A model whose output is the two-dimensional intensity distribution of the left-handed circularly polarized light L6 emitted from the other principal surface of 131 and which includes the phase modulation amount of each microcell C as a parameter can be used.
  • FIG. 2(a) is a plan view of the spatial light phase modulator 13 according to this specific example.
  • FIG. 2(b) is a cross-sectional view of a microcell C that constitutes the spatial light phase modulator 13 according to this specific example.
  • the spatial light phase modulator 13 is composed of a plurality of microcells C whose phase modulation amounts are set independently of each other, as shown in FIG. 2(a).
  • signal light in this embodiment, right circularly polarized light L3 or left circularly polarized light L5
  • the signal light phase-modulated by each microcell C interferes with each other, A predetermined light calculation is performed.
  • the phase modulation amount of each microcell C may be variable or fixed, but is variable in this specific example.
  • microcell refers to a cell with a cell size of less than 10 ⁇ m, for example.
  • cell size refers to the square root of the area of a cell. For example, when the planar view shape of the microcell C is square, the cell size of the microcell C is the length of one side of the microcell C. As shown in FIG. The lower limit of the cell size of microcell C is, for example, 1 nm.
  • the spatial light phase modulator 13 illustrated in (a) of FIG. 2 is composed of 200 ⁇ 200 microcells C arranged in a matrix.
  • the plan view shape of each microcell C is a square of 500 nm ⁇ 500 nm, and the plan view shape of the spatial light phase modulator 13 is a square of 100 ⁇ m ⁇ 100 ⁇ m.
  • Each microcell C that constitutes the spatial optical phase modulator 13 includes, for example, a magnetization free layer C11 and an electrode C12, as shown in FIG. 2(b).
  • the magnetization free layer C11 is a rectangular parallelepiped columnar member formed to stand on one main surface of the substrate 131 .
  • the pair of bottom surfaces C111 and C112 facing each other among the six surfaces forming the magnetization free layer C11 are squares of 500 nm ⁇ 500 nm as described above.
  • the bottom surfaces C111 and C112 of the magnetization free layer C11 refer to the surfaces parallel to the main surface of the substrate 131 among the six surfaces forming the magnetization free layer C11.
  • Each of the bottom surface C111 and the bottom surface C112 is a surface that transmits light in the magnetization free layer C11, and is an example of an optically effective surface.
  • the right-handed circularly polarized light L3, which is the forward signal light is incident on the bottom surface C111
  • the left-handed circularly polarized light L5, which is the backward signal light is incident on the bottom surface C112. Therefore, the optically effective surface on which the signal light first enters the magnetization free layer C11 is the bottom surface C111. Therefore, the bottom surface C111 is an example of a first optically effective surface, and the bottom surface C112 is an example of a second optically effective surface.
  • the arrow kf indicates the propagation direction of the right-handed circularly polarized light L3, which is the forward path signal light
  • the arrow kr indicates the propagation direction of the left-handed circularly polarized light L5, which is the return path signal light.
  • the arrow kf is the direction from the bottom surface C111 to the bottom surface C112, that is, the direction from the right side to the left side of the magnetization free layer C11 in the state shown in FIG. 2B.
  • An arrow kr is the direction from the bottom surface C112 to the bottom surface C111, that is, the direction from the left side to the right side of the magnetization free layer C11 in the state shown in FIG. 2B.
  • the magnetization free layer C11 is made of a conductive and translucent soft magnetic material (eg, CoFeB).
  • the soft magnetic material forming the magnetization free layer C11 is not limited to CoFeB.
  • Other examples of the soft magnetic material forming the magnetization free layer C11 include YIG (yttrium iron garnet), which is a magnetic garnet, as in the case of a spin orbit torque (SOT) type MRAM, A substituted magnetic garnet obtained by partially substituting yttrium of YIG with Bi, Ce, or the like is exemplified.
  • the electrode C12 is a conductive film formed on any one of the four side surfaces, excluding the pair of bottom surfaces described above, among the six surfaces forming the magnetization free layer C11. That is, the electrode C12 is formed in direct contact with one side surface of the magnetization free layer C11. In the state shown in FIG. 2B, the electrode C12 is formed on the side surface located below the magnetization free layer C11. In this example, electrode C12 is a single electrode.
  • control unit may be formed so as to be in direct contact with the magnetization free layer, such as the electrode C12 (see (b) of FIG. 2), or, for example, the electrode Cb12 (described later). 4), it may be indirectly formed via another material with respect to the magnetization free layer.
  • the control unit can inject current or spin current into the magnetization free layer, or apply an external magnetic field to the magnetization free layer. , is constructed as follows:
  • the conductor that constitutes the electrode C12 preferably contains a heavy metal.
  • heavy metals include palladium (Pd), platinum (Pt), tantalum (Ta), and tungsten (W).
  • the electrode C12 may be composed of one type of heavy metal among these heavy metals, or may be composed of an alloy of a plurality of types of heavy metals. Also, the electrode C12 may be made of an alloy of at least one of these heavy metals and a transition metal. Examples of transition metals include iron (Fe), cobalt (Co), and copper (Cu). Further, the electrode C12 may be configured by a multilayer film including a layer made of at least one of the heavy metals described above and a layer made of at least one of the transition metals described above.
  • the optical arithmetic device 1 also includes a power supply PS connected to the electrode C12 of each microcell C (see (b) of FIG. 2).
  • Power supply PS is configured to generate a pulsed voltage or pulsed current.
  • the power supply PS is configured to supply a pulse voltage.
  • the pulse voltage means a voltage having a waveform in which the voltage exceeds a predetermined voltage only for a very short period of time when the horizontal axis represents time and the vertical axis represents voltage.
  • a pulse current means a current having a waveform in which the current exceeds a predetermined voltage only for a very short period of time, where the horizontal axis represents time and the vertical axis represents voltage.
  • the pulse voltage or pulse current generated by the power supply PS connected to the electrode C12 may be continuous pulses or single pulses.
  • the electrode C12 When a pulse voltage or pulse current is applied to the electrode C12, a spin current, which is a flow of spin-polarized electrons, is injected from the electrode C12 into the magnetization free layer C11, as in the case of the SOT MRAM.
  • the electrode C12 is an electrode that injects a spin current into the magnetization free layer C11.
  • the polarization direction of the spin current injected into the magnetization free layer C11 is parallel or substantially parallel to the normal direction of the bottom surfaces C111 and C112, and the direction is from the bottom surface C111 to the bottom surface C112. be.
  • the magnetization free layer C11 is magnetized so as to align with the polarization direction of the injected spin current.
  • the magnetization direction of the magnetization free layer C11 is indicated by an arrow M11.
  • the magnetization direction of the magnetization free layer C11 generated when a spin current is injected from the electrode C12 is parallel or substantially parallel to the normal directions of the bottom surfaces C111 and C112.
  • the propagation direction (see arrow kf) of the right circularly polarized light L3, which is the forward path signal light is parallel or substantially parallel to the magnetization direction (see arrow M11) of the magnetization free layer C11, and is the same.
  • the propagation direction of the left-handed circularly polarized light L5, which is the return signal light (see arrow kr) is parallel or substantially parallel to the direction of magnetization of the magnetization free layer C11 (see arrow M11), and in the opposite direction.
  • the electrode C12 is one aspect of the control unit that controls the magnetization direction of the magnetization free layer C11 by injecting a spin current into the magnetization free layer C11.
  • the phase of the right-handed circularly polarized light L3 delays and advances according to the magnitude of the magnetization of the magnetization free layer C11. change in either direction.
  • the phase of the right circularly polarized light L3 is delayed.
  • the phase of the left-handed circularly polarized light L5 delays and advances according to the magnitude of the magnetization of the magnetization free layer C11. change in either direction.
  • the phase of the left circularly polarized light L5 is delayed.
  • the phase modulation amount can be controlled according to the magnitude of magnetization of the magnetization free layer C11 for both the right circularly polarized light L3 and the left circularly polarized light L5.
  • each microcell C of the spatial optical phase modulator 13 of this specific example is composed of a spin injection type optical phase modulator.
  • the refractive index differs between right-handed circularly polarized light and left-handed circularly polarized light.
  • a phase difference occurs.
  • the phase difference that occurs between the right-handed circularly polarized light and the left-handed circularly polarized light is known as the Faraday effect.
  • each microcell C of this specific example does not use liquid crystal like LCOS, and does not use a mechanically moving mirror like DMD.
  • LCOS and DMDs require a certain size for smooth operation because their operating principles are based on bulk physical properties. As the structure is made smaller, the influence of intermolecular forces from the walls becomes stronger, especially at the nano-size level, and the original operability is lost.
  • each microcell C of this specific example employs an optical phase modulator configured in the same manner as an SOT MRAM as a configuration for injecting a spin current into the magnetization free layer.
  • Magnetization of a magnetization free layer by spin injection is a phenomenon that occurs in a nano-sized space. For this reason, devices utilizing magnetization by spin injection, such as this specific example, tend to approach the original high-speed operation by reducing the size of the microcells. Therefore, this specific example can be miniaturized and can operate at high speed, like the MRAM.
  • this specific example can provide an optical phase modulator that can be miniaturized and that can operate at high speed.
  • the magneto-optical effect that can be used to modulate the phase of the signal light includes, for example, the Cotton Mouton effect.
  • the phase modulation amount due to the Faraday effect is less than the phase modulation amount due to the Cotton-Mouton effect.
  • the spatial optical phase modulator 13 can give more phase modulation to the signal light than the spatial optical phase modulator using the Cotton-Mouton effect. The maximum amount can be increased.
  • the thickness of the magnetization free layer C11 is made thinner than in the spatial optical phase modulator utilizing the Cotton-Mouton effect. be able to. Reducing the thickness of the magnetization free layer C11 facilitates the fabrication of each microcell C, makes the distribution of magnetization in the magnetization free layer C11 nearly uniform, and prevents signal light from being absorbed in the magnetization free layer C11. There is an effect that it can be suppressed that it is done.
  • a matrix structure employed for driving pixels in a liquid crystal display or an organic EL display can be used.
  • the matrix structure used in the spatial light phase modulator 13 may be a simple matrix structure or an active matrix structure.
  • the simple matrix structure has a first group of signal lines each extending along a first direction and a and a second signal line group to which each signal line is extended.
  • the first direction and the second direction intersect.
  • the direction along the top and bottom of the paper is the first direction
  • the direction along the left and right of the paper is the second direction.
  • Both the first signal line group and the second signal line group may be provided on one main surface of the substrate 131, or one of them (for example, the first signal line group) may be provided on the substrate 131.
  • the other may be provided on one main surface and the other (for example, the second signal line group) may be provided on one main surface of a substrate different from the substrate 131 .
  • An example of one main surface of another substrate is the reflecting surface 141 of the mirror 14, which will be described later.
  • the active matrix structure includes a first group of signal lines each extending along a first direction and a It includes a second signal line group in which each signal line is extended in parallel with each other, an active element (also called a switching element), and a common electrode.
  • an active element also called a switching element
  • the first direction and the second direction intersect in the active matrix structure as well.
  • both the first signal line group and the second signal line group are provided on one main surface of the substrate 131 .
  • the common electrode is provided on one main surface (for example, the reflecting surface 141 of the mirror 14) of a substrate different from the substrate 131 so as to face the first signal line group and the second signal line group.
  • An active element is connected to an intersection of each signal line forming the first signal line group and each signal line forming the second signal line group, and a cell group is connected between the active element and the common electrode. C intervenes.
  • the mirror 14 has a reflecting surface 141 that specularly reflects incident light.
  • a plate-like member made of glass is used as the base material, and the reflecting surface 141 is obtained by forming a metal film on one main surface of the plate-like member.
  • the configuration of the mirror 14 is not limited to this, and can be selected as appropriate.
  • the mirror 14 is arranged so that the reflecting surface 141 faces the bottom surface C112 of each microcell C of the spatial light phase modulator 13 and is parallel or substantially parallel.
  • mirror 14 converts left-handed circularly polarized light L5 by reflecting right-handed circularly polarized light L4 at reflective surface 141 .
  • each microcell C of the spatial light phase modulator 13 and the reflecting surface 141 of the mirror 14 are spaced apart.
  • each microcell C and the reflective surface 141 may be in close contact with each other.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the microcell Ca.
  • the microcell Ca as shown in FIG. 3, includes a magnetization free layer Ca11 and an electrode Ca12.
  • the magnetization free layer Ca11 is configured similarly to the magnetization free layer C11 of the microcell C. However, the magnetization free layer Ca11 is not formed to stand directly on one main surface of the substrate 131, but is formed to stand on the surface of the electrode Ca12 laminated on one main surface of the substrate 131. is different from the magnetization free layer C11.
  • the electrode Ca12 like the electrode C12 of the microcell C, is a single electrode composed of a conductor film. However, the electrode Ca12 is not formed on any one of the four side surfaces excluding the bottom surfaces Ca111 and Ca112 of the six surfaces forming the magnetization free layer Ca11, but is formed on the bottom surface Ca112. is different from the electrode C12. In other words, the electrode Ca12 is formed to be interposed between the bottom surface Ca112 of the magnetization free layer Ca11 and one main surface of the substrate 131. As shown in FIG. That is, the electrode Ca12 is formed in direct contact with the bottom surface Ca112, which is one bottom surface of the magnetization free layer Ca11.
  • the bottom surface Ca112 is covered with the electrode Ca12, so the bottom surface Ca112 of the magnetization free layer Ca11 reflects light. That is, the bottom surface Ca 112 reflects light. Therefore, in the microcell Ca, the bottom surface Ca111 forming the tip surface thereof is used as the first optically effective surface, and the right-handed circularly polarized light L3, which is the outgoing signal light, is incident.
  • the right-handed circularly polarized light L3 incident on the magnetization free layer Ca11 is directed in the direction of the arrow kf (the direction from the right to the left in the state shown in FIG. 3) and reaches the magnetization free layer Ca11 Propagate inside .
  • the right-handed circularly polarized light L3 propagated to the bottom surface Ca112 is reflected on the surface of the electrode Ca12 and converted into left-handed circularly polarized light L6, which is signal light on the return path. Therefore, the surface of the electrode Ca12 functions as a reflective surface. In other words, the electrode Ca12 has the function of the mirror 14 in the microcell C in addition to the function of the electrode.
  • the left-handed circularly polarized light L6 reflected by the electrode Ca12 travels in the direction of arrow kr (the direction from left to right in the state shown in FIG. , and emitted from the bottom surface Ca111 to the outside of the microcell Ca.
  • the electrode Ca12 is connected to a power source PS that generates a pulse voltage or a pulse current in the same manner as the electrode C12.
  • a spin current which is a flow of spin-polarized electrons, is injected from the electrode C12 to the magnetization free layer C11, as in the case of the SOT MRAM.
  • the polarization direction of the spin current injected into the magnetization free layer Ca11 is parallel or substantially parallel to the normal direction of the bottom surfaces Ca111 and Ca112, and the direction is the direction from the bottom surface Ca111 to the bottom surface Ca112. .
  • the magnetization free layer C11 is magnetized so as to align with the polarization direction of the injected spin current. Therefore, also in the case of the microcell Ca, as in the case of the magnetization free layer C11 of the microcell C, the magnetization free layer Ca11 is arranged parallel or substantially parallel to the normal directions of the bottom surfaces Ca111 and Ca112. It is magnetized (see arrow M11 shown in FIG. 3). Therefore, the microcell Ca, like the microcell C, functions as a spin-injection optical phase modulator.
  • the microcell Ca employs a configuration similar to that of the SOT type MRAM in order to inject a spin current into the magnetization free layer Ca11.
  • the electrode Ca12 is one aspect of a control unit that controls the magnetization direction of the magnetization free layer Ca11.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of the microcell Cb.
  • the microcell Cb includes a magnetization free layer Cb11, an electrode Cb12, an electrode Cb13, a magnetization fixed layer Cb14, and an insulating layer Cb15.
  • the magnetization free layer Cb11 is configured similarly to the magnetization free layer C11 of the microcell C. However, the magnetization free layer Cb11 is not formed so as to stand directly on one main surface of the substrate 131, but an electrode Cb12, a magnetization fixed layer Cb14, and an insulating layer stacked on one main surface of the substrate 131. It differs from the magnetization free layer C11 in that it is stacked upright on the layer Cb15.
  • the bottom surface Cb111 functions as a first optically effective surface
  • the bottom surface Cb112 functions as a second optically effective surface
  • the electrode Cb12 like the electrode C12 of the microcell C, is an electrode made of a conductor film. However, the electrode Cb12 is not formed on any one of the four side surfaces excluding the pair of bottom surfaces Cb111 and Cb112 among the six surfaces forming the magnetization free layer Ca11. and the magnetization fixed layer Cb14. In other words, the electrode Cb12 is configured similarly to the electrode Ca12 (see FIG. 3) of the microcell Ca. Moreover, the electrode Cb12 is preferably made of a metal having high electrical conductivity such as aluminum (Al) or copper (Cu). The electrode Cb12 is an example of a second electrode provided in a magnetization fixed layer Cb14, which will be described later.
  • the electrode Cb12 not only the electrode Cb12 but also the magnetization fixed layer Cb14, the insulating layer Cb15, the magnetization free layer Cb11, and the electrode Cb13 are laminated in this order on one main surface of the substrate 131.
  • the magnetization fixed layer Cb14 is made of, for example, a conductive hard magnetic material (eg permalloy).
  • the magnetization direction of the magnetization fixed layer Cb14 (see arrow M14 in FIG. 4) is the normal direction of each of the bottom surface Cb111 as the first optically effective surface and the bottom surface Cb112 as the second optically effective surface. It is configured to be parallel or substantially parallel.
  • the surface of the electrode Cb12 (the interface between the electrode Cb12 and the magnetization fixed layer Cb14) functions as a reflecting surface for the right circularly polarized light L3.
  • the material forming the magnetization fixed layer Cb14 exhibits a certain reflectance with respect to the right-handed circularly polarized light L3 having a predetermined wavelength.
  • the right-handed circularly polarized light L3 is emitted not only on the surface of the electrode Cb12 but also inside the magnetization fixed layer Cb14 or inside the magnetization fixed layer Cb14. It is also reflected at the surface of Cb14 (the interface between the magnetization fixed layer Cb14 and the insulating layer Cb15).
  • the insulating layer Cb15 is an insulating layer forming a tunnel junction together with the magnetization fixed layer Cb14 and the magnetization free layer Cb11.
  • the electrode Cb13 is an electrode made of a conductor film, like the electrode Cb12. However, the electrode Cb13 is formed so as to face the electrode Cb12 and cover the bottom surface Cb111 so as to sandwich the magnetization fixed layer Cb14, the insulating layer Cb15, and the magnetization free layer Cb11 together with the electrode Cb12. That is, the electrode Cb13 is formed in direct contact with the bottom surface Cb111, which is one bottom surface of the magnetization free layer Cb11.
  • the electrode Cb13 is made of a transparent electrode material that transmits the right circularly polarized light L3 and the left circularly polarized light L6.
  • Suitable transparent electrode materials include ITO, IGZO, ZnO, GZO (gallium-doped zinc oxide), silver nanowires, carbon nanotube thin films, and the like.
  • the electrode Cb13 is an example of a first electrode provided on the magnetization free layer Cb11.
  • a power supply PS is connected to the electrodes Cb12 and Cb13, which are a pair of electrodes (see FIG. 4).
  • a voltage generated by a power supply PS is used to apply a potential difference between the electrodes Cb12 and Cb13, a spin current is injected into the magnetization free layer Cb11 from the magnetization fixed layer Cb14 via the insulating layer Cb15 by the tunnel effect, resulting in magnetization.
  • Magnetization occurs in the free layer Cb11 (see arrow M11 shown in FIG. 4).
  • the magnetization generated in the magnetization free layer Cb11 is parallel to the magnetization of the magnetization fixed layer Cb14 (see arrow M14 shown in FIG. 4).
  • the magnetization free layer Cb11 is magnetized so as to be parallel or substantially parallel to the normal directions of each of the bottom surfaces Cb111 and Cb112 of the magnetization free layer Cb11. Therefore, the microcell Cb, like the microcell C, functions as a spin-injection optical phase modulator. Further, the microcell Cb employs a configuration similar to that of an STT type MRAM in order to inject a spin current into the magnetization free layer Cb11.
  • the electrode Cb12 and the electrode Cb13 are one mode of a control unit that controls the magnetization direction of the magnetization free layer Ca11.
  • one of the two control units (electrode Cb13) is formed so as to be in direct contact with the magnetization free layer, and the other (electrode Cb13) is formed to be in direct contact with the magnetization free layer.
  • Cb12) may be indirectly formed on the magnetization free layer via another material.
  • FIG. 5(a) is a perspective view of the microcell Cc.
  • FIG. 5(b) is a plan view of the microcell Cc.
  • the bottom surface Cc111 of the magnetization free layer Cc11 constituting the microcell Cc is viewed from the normal direction of the bottom surface Cc111 (the right direction in FIG. 5A). state.
  • the microcell Cc includes a magnetization free layer Cc11 and a conductor pattern Cc16, as shown in FIGS. 5(a) and 5(b).
  • the magnetization free layer Cc11 is configured similarly to the magnetization free layer C11 of the microcell C. That is, the magnetization free layer Cc11 is formed to stand directly on one main surface of the substrate 131 .
  • the conductor pattern Cc16 is a conductor film formed over three of the four side surfaces of the magnetization free layer Cc11, which is a rectangular parallelepiped columnar member. That is, the conductor pattern Cc16 is formed in direct contact with the three side surfaces of the magnetization free layer Cc11.
  • the region formed on the lower side surface among the three side surfaces described above is called a first region Cc161
  • the region formed on the left side surface is called a first region Cc161.
  • the region is referred to as a second region Cc162, and the region formed on the upper side surface is referred to as a third region Cc163.
  • the conductor pattern Cc16 is one aspect of a control section that controls the magnetization direction of the magnetization free layer Cc11.
  • the conductor forming the conductor pattern Cc16 is preferably a metal, more preferably a metal with good conductivity.
  • metals with good electrical conductivity include gold, copper, and aluminum.
  • part of the matrix structure formed on one main surface of the substrate 131 is illustrated.
  • the matrix structure used in this modified example is a simple matrix structure.
  • an active matrix structure can be used instead of the simple matrix structure.
  • FIG. 5A and 5B show a first signal line LS1 extending along a first direction (vertical direction in FIG. 5B) and a second signal line LS1 extending in a second direction (b) shows the second signal line LS2 extending along the horizontal direction).
  • first signal line LS1 and the second signal line LS2 are formed in different layers, and the layer in which the first signal line LS1 is formed and the second signal line LS2 are formed. An insulating layer is interposed between the layers. Therefore, although the first signal line LS1 and the second signal line LS2 intersect in the plan view of FIG. 5B, the first signal line LS1 and the second signal line LS2 2 is insulated from the signal line LS2.
  • the first region Cc161 is electrically connected to the first signal line LS1 through the first electrode pattern EL1
  • the third region Cc153 is electrically connected to the second signal line LS1 through the second electrode pattern EL2. It is electrically connected to the signal line LS2. Therefore, when the current I flows from the first signal line LS1 toward the second signal line LS2, the current I qualitatively flows as indicated by the arrows shown in FIGS. .
  • an external magnetic field caused by the current I flowing through the conductor pattern Cc16 is applied to the magnetization free layer Cc11, and the magnetization free layer Cc11 is magnetized.
  • the magnetization direction of the magnetization free layer Cc11 is indicated by an arrow M11.
  • the magnitude of magnetization of the magnetization free layer Cc11 can be controlled using the direction and magnitude of the current flowing through the conductor pattern Cc16.
  • the magnetization free layer Cc11 is such that the direction of magnetization generated when the current I flows through the conductor pattern Cc16 is normal to each of the pair of bottom surfaces (the bottom surface Cc111 and the bottom surface facing the bottom surface Cc111). It is configured to be parallel or substantially parallel to the direction. Therefore, like the microcell C shown in FIG. 2B, the microcell Cc can control the amount of phase modulation of circularly polarized light according to the magnetization magnitude of the magnetization free layer Cc11.
  • the microcell Cc has a pair of first and second optically effective surfaces facing each other (the bottom surface Cc111 and the bottom surface facing the bottom surface Cc111). It includes a layer Cc11 and an electrode (conductor pattern Cc16) that controls the direction of magnetization of the magnetization free layer Cc11.
  • each magnetization free layer Cc11 and each control section (conductor pattern Cc16) are normal to each of the first optically effective surface and the second optically effective surface (the bottom surface Cc111 and the bottom surface facing the bottom surface Cc111). It is configured to control the magnetization direction of the magnetization free layer Cc11 so as to be parallel or substantially parallel to the direction.
  • the conductor pattern Cc16 is formed continuously over three of the four side surfaces forming the magnetization free layer Cc11.
  • the number of side surfaces forming the conductor pattern Cc16 is not limited to three, and may be two or four.
  • the two side surfaces may be two side surfaces adjacent to each other or two side surfaces facing each other.
  • the conductor pattern Cc16 is formed on two side surfaces facing each other, the first signal line and the second signal line may be connected to each conductor pattern.
  • the number of side surfaces forming the conductor pattern Cc16 is four, one end (the first The end portion on the side connecting the electrode pattern EL1) and the other end portion (the end portion on the side connecting the second electrode pattern EL2) may be separated from each other.
  • FIG. 6(a) is a perspective view of the microcell Cd.
  • FIG. 6(b) is a plan view of the microcell Cd.
  • the bottom surface Cd111 of the magnetization free layer Cd11 constituting the microcell Cd is viewed from the normal direction of the bottom surface Cc111 (the right direction in FIG. 5A). state.
  • the microcell Cd can be said to be a modified example of the microcell Cc.
  • the configuration of the microcell Cd will be described based on the microcell Cc.
  • the microcell Cd includes a magnetization free layer Cd11, a conductor pattern Cd16, and gap fillers FG.
  • the magnetization free layer Cd11 is configured similarly to the magnetization free layer Cc11 of the microcell Cc. Also, the bottom surface Cd111 corresponds to the bottom surface Cc111 of the magnetization free layer Cc11. Therefore, in this modification, description of the magnetization free layer Cd11 is omitted.
  • the conductor pattern Cd16 corresponds to the conductor pattern Cc16 of the microcell Cc, and is one aspect of the control unit that controls the magnetization direction of the magnetization free layer Cd11. As shown in FIG. 6A, the conductor pattern Cd16 is obtained by spirally forming strip-shaped conductor films on the four side surfaces of the magnetization free layer Cd11. That is, the conductor pattern Cd16 is formed in direct contact with the four side surfaces of the magnetization free layer Cd11.
  • the conductor pattern Cd16 can also be said to be a kind of solenoid coil.
  • one end of the conductor pattern Cd16 is located on the root side of the magnetization free layer Cd11 (left side in the state shown in FIG. 6A), and the other end of the conductor pattern Cd16 is magnetized. It is located on the tip side of the free layer Cd11 (on the right side in the state shown in FIG. 6(a)). Therefore, in the conductor pattern Cd16, there is a gap corresponding to the height of the magnetization free layer Cd11 (the distance between the bottom surface Cd111 and the bottom surface facing the bottom surface Cd111) between one end and the other end.
  • the first signal line group (the first signal line LS1 in FIG. 6A) of the first signal line group and the second signal line group constituting the matrix structure is After forming on one main surface of the substrate 131, a gap filler FG having the same thickness as the height of the magnetization free layer Cd11 is formed on one main surface of the substrate 131 to form a second signal line group (see FIG. 6). In (a), the second signal line LS2) is formed on the surface of the gap filler FG.
  • the material of the gap filler FG is not limited and can be appropriately selected from existing materials.
  • Examples of materials for the gap filler FG include SOG (Spin-On-Grass) and polymers.
  • the conductor pattern Cd16 functions as a solenoid coil. Therefore, by causing the current I to flow from the first signal line LS1 toward the second signal line LS2, as shown in FIGS. An external magnetic field can be applied due to a current I flowing through . Therefore, like the microcell C shown in FIG. 2B, the microcell Cd can control the amount of phase modulation of circularly polarized light according to the magnetization magnitude of the magnetization free layer Cd11.
  • FIG. 7 is a schematic diagram showing the configuration of the optical arithmetic device 1A.
  • the optical computing device 1A is configured similarly to the optical computing device 1. However, while the optical operation device 1 has a single spatial light phase modulator 13, the optical operation device 1A has a spatial light phase modulator group consisting of three spatial light phase modulators 13a, 13b, and 13c. 13A. Therefore, in this modified example, the spatial light phase modulator group 13A will be described, and the description of other members will be omitted.
  • Each of the spatial light phase modulators 13 a , 13 b , 13 c is configured similarly to the spatial light phase modulator 13 in the optical arithmetic device 1 .
  • Each of the spatial light phase modulators 13a, 13b, and 13c is arranged between the quarter-wave plate 12 and the mirror 14 and on the optical path of the signal light in an overlapping state.
  • each of the spatial optical phase modulators 13a, 13b, 13c responds to the outgoing signal light from the quarter-wave plate 12 to the mirror 14 by the spatial optical phase modulators 13a, 13b, 13c order.
  • Each of the spatial light phase modulators 13a, 13b, and 13c responds to the signal light on the return path from the mirror 14 toward the quarter-wave plate 12 after being reflected by the mirror 14, and the spatial light phase modulators 13c and 13b , 13a.
  • Each of the spatial optical phase modulators 13 a , 13 b , 13 c configured in this way can carry out multistage optical operations on the signal light Li input to the optical operation device 1 .
  • adjacent spatial light phase modulators among the spatial light phase modulators 13a, 13b, and 13c are in contact with each other. Therefore, the distance between the adjacent magnetization free layers C11 (for example, the distance between the bottom surface C112 of the spatial optical phase modulator 13a and the bottom surface C111 of the spatial optical phase modulator 13b) is defined by the thickness of the substrate 131.
  • the thickness of the substrate 131 that defines the spacing between the magnetization free layers C11 is not particularly limited and can be determined as appropriate.
  • Adjacent spatial light phase modulators among the spatial light phase modulators 13a, 13b, and 13c may be separated by a predetermined distance.
  • the spacing between the magnetization free layers C11 and the spacing between the spatial optical phase modulators 13 are determined according to the design of the optical arithmetic device 1A, the tasks executed by the optical arithmetic device 1A, and the like. can be adjusted.
  • a spatial light phase modulator is a spatial light phase modulator comprising a plurality of microcells.
  • each microcell includes a magnetization free layer having a first optically effective surface and a second optically effective surface facing each other, and a control section for controlling the magnetization direction of the magnetization free layer.
  • each magnetization free layer and each control section are parallel or substantially parallel to the normal direction of each of the first optically effective surface and the second optically effective surface. is configured to control the orientation of the magnetization.
  • the control unit controls the spin current in the magnetization free layer. and the magnetization direction of the magnetization free layer generated when the spin current is injected from the electrode is the normal line of each of the first optically effective surface and the second optically effective surface It is configured to be parallel or substantially parallel to the direction.
  • a spatial optical phase modulator according to a second aspect of the present invention is a spatial optical phase modulator provided with a plurality of microcells arranged two-dimensionally, each microcell comprising a magnetization free layer and and an electrode for injecting a spin current into the magnetization free layer.
  • Each magnetization free layer has a first optically effective surface and a second optically effective surface facing each other. and the direction of magnetization generated when the spin current is injected from the electrode is parallel or substantially parallel to the normal direction of each of the first optically effective surface and the second optically effective surface. is configured to be
  • a spin transfer torque (STT) type MRAM Magneticoresistive Random Access Memory
  • SOT Spin Orbit Torque
  • Magnetization of a magnetization free layer by spin injection is a phenomenon that occurs in a nano-sized space. For this reason, a device that uses magnetization by spin injection tends to approach its original high-speed operation by reducing the size of the microcell. Therefore, this spatial light phase modulator can be miniaturized and can operate at high speed, like an MRAM.
  • the magnetization free layer becomes parallel or substantially parallel to the normal directions of each of the first optically effective surface and the second optically effective surface due to a spin current, which is a flow of spin-polarized electrons. to magnetize.
  • the signal light propagates in the magnetization free layer along the normal direction of each of the first optically effective surface and the second optically effective surface. Therefore, in each microcell, the propagation direction of the signal light and the magnetization direction in the magnetization free layer are parallel or substantially parallel. Therefore, in each microcell, the magnitude of the spin current injected into the magnetic free layer of each microcell can be used to control the phase modulation amount in each microcell.
  • the present spatial optical phase modulator configured as described above can provide an optical phase modulator that can be miniaturized and that can operate at high speed.
  • the signal light is first applied to the magnetic free layer.
  • the signal light is first applied to the magnetic free layer.
  • the second optically effective surface of each of the magnetic free layers with the incident optically effective surface as the first optically effective surface, and the reflecting surface being parallel to or substantially parallel to the second optically effective surface;
  • An arrangement is employed which further comprises mirrors which are parallel.
  • each optical phase modulator of the spatial optical phase modulator the signal light incident from the first optical effective surface is reflected by the mirror, and the reflected signal light is reflected from the first optical effective surface. It is an emitting reflective optical phase modulator.
  • a reflective optical phase modulator can double the optical path of signal light compared to a transmissive optical phase modulator. Therefore, the reflective optical phase modulator can widen the range of controllable phase modulation amounts compared to the transmissive optical phase modulator.
  • the transmissive optical phase modulator is an optical phase modulator that does not have a mirror and in which the signal light that has entered through the first optical effective surface is emitted from the second optical effective surface.
  • the first optically effective A configuration is adopted that further comprises a quarter-wave plate provided on the side of the surface and having a principal surface parallel or substantially parallel to the first optically effective surface.
  • the quarter-wave plate converts linearly polarized light into either right-handed circularly polarized light or left-handed circularly polarized light, so linearly polarized light can be used as the signal light to be incident on the spatial light phase modulator. .
  • each of the above In microcells in addition to the configuration of the spatial light phase modulator according to any one of the above-described second to fourth aspects, each of the above In microcells, the configuration is adopted in which the electrode is a single electrode made of a material containing heavy metals.
  • a pulse voltage or a pulse voltage is connected to the electrodes and An arrangement is employed which further comprises a power source for generating a current.
  • the conversion efficiency can be further increased.
  • each of the above The microcell further includes a magnetization fixed layer, and in each microcell, the electrodes comprise a first electrode provided on the magnetization free layer and a second electrode provided on the magnetization fixed layer. , configuration is adopted.
  • each microcell of this spatial optical phase modulator a configuration similar to that of an STT type MRAM is adopted as a configuration for injecting a spin current into the magnetization free layer.
  • each microcell of this spatial optical phase modulator has an electrode material There are many choices of materials that can be used for Therefore, this spatial light phase modulator can increase the degree of freedom in designing the electrodes.
  • An optical arithmetic device includes a plurality of spatial optical phase modulators according to any one of the first to seventh aspects described above.
  • each spatial light phase modulator is arranged to act on the signal light in turn.
  • Optical arithmetic unit 11 Polarizing beam splitter 12 Quarter wavelength plate 13, 13a, 13b, 13c Spatial optical phase modulator 131 Substrate 13A Spatial optical phase modulator group C, Ca, Cb, Cc, Cd Microcell C11 , Ca11, Cb11, Cc11, Cd11 Magnetization free layer C111, Ca111, Cb111, Cc111, Cd111 Bottom surface C112, Ca112, Cb112 Bottom surface C12, Ca12, Cb12 Electrode (control unit) Cb13 electrode Cb14 magnetization fixed layer Cb15 insulating layers Cc16, Cd16 conductor pattern (control unit) 14 Mirror

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Abstract

小型化が可能であり、且つ、高速で動作可能な空間光位相変調器を提供するために、空間光位相変調器（１３）の各マイクロセル（Ｃ）は、磁化自由層（Ｃ１１）と、磁化自由層（Ｃ１１）の磁化の向き（矢印Ｍ１１）を制御する制御部（電極Ｃ１２）と、を備えた光位相変調器により構成されている。磁化自由層（Ｃ１１）及び制御部（電極Ｃ１２）は、第１の光学有効面及び第２の光学有効面（底面Ｃ１１１，Ｃ１１２）の法線方向（矢印ｋｆ，ｋｒ）と平行又は略平行になるように磁化の向き（矢印Ｍ１１）を制御するように構成されている

Description

空間光位相変調器及び光演算装置
　本発明は、空間光位相変調器、及び、空間光位相変調器を複数備えた光演算装置に関する。
　複数の光変調器をマトリクス状に配置することにより空間光変調器が得られる。空間光変調器としては、ＬＣＯＳ（Liquid Crystal On Silicon、例えば特許文献１参照）及びＤＭＤ（Digital Mirror Device、例えば特許文献２参照）が知られている。これらの空間光変調器は、例えば、プロジェクターに用いられている。
日本国公開特許公報「特開２０１７－１９８９４９号公報」 日本国好評特許公報「特表２００７－５１０１７４号公報」
　これらの空間光変調器には、ピクセルサイズを小さくすることが難しいという課題がある。
　また、ＬＣＯＳ及びＤＭＤには、高速で動作させることが難しいという課題がある。ＬＣＯＳは、液晶を用いるためであり、ＤＭＤは、ミラーを機械的に動かすためである。
　本発明は、上述した課題に鑑み成されたものであり、その目的は、小型化が可能であり、且つ、高速で動作可能な空間光位相変調器を提供することである。また、そのような空間光位相変調器を複数備えた光演算装置を提供することである。
　上記の課題を解決するために、本発明の第１の態様に係る空間光位相変調器は、複数のマイクロセルを備えた空間光位相変調器である。本空間光位相変調器において、各マイクロセルは、互いに対向する第１の光学有効面及び第２の光学有効面を有する磁化自由層と、当該磁化自由層の磁化の向きを制御する制御部と、を備えた光位相変調器により構成され、各磁化自由層及び各制御部は、前記第１の光学有効面及び前記第２の光学有効面の各々の法線方向と平行又は略平行になるように前記磁化の向きを制御するように構成されている。
　本発明の一態様によれば、小型化が可能であり、且つ、高速で動作可能な空間光位相変調器、及び、そのような空間光位相変調器を複数備えた光演算装置を提供することができる。
本発明の一実施形態に係る光演算装置の構成を示す模式図である。 （ａ）は、図１に示す光演算装置が備える空間光位相変調器の具体例を示す平面図である。（ｂ）は、その空間光位相変調器が備えるマイクロセルの断面図である。 図２の（ｂ）に示すマイクロセルの第１の変形例の断面図である。 図２の（ｂ）に示すマイクロセルの第２の変形例の断面図である。 （ａ）は、図２の（ｂ）に示すマイクロセルの第３の変形例の斜視図である。（ｂ）は、第３の変形例の平面図である。 （ａ）は、図２の（ｂ）に示すマイクロセルの第４の変形例の斜視図である。（ｂ）は、第４の変形例の平面図である。 本発明の一実施形態に係る光演算装置の一変形例の構成を示す模式図である。
　本発明の一実施形態に係る光演算装置１について、図１及び図２を参照して説明する。図１は、光演算装置１の構成を示す模式図である。図２の（ａ）は、光演算装置１が備える空間光位相変調器１３の具体例を示す平面図である。図２の（ｂ）は、空間光位相変調器１３が備えるマイクロセルＣの断面図である。
　〔光演算装置の構成〕
　図１に示すように、光演算装置１は、偏光ビームスプリッター１１と、四分の一波長板１２と、空間光位相変調器１３と、ミラー１４と、を備えている。
　＜偏光ビームスプリッター＞
　偏光ビームスプリッター１１は、入射する光をｐ偏光成分とｓ偏光成分とに分割することができる偏光分離素子である。本実施形態では、偏光ビームスプリッター１１として、偏光分離膜を２つの直角ガラスプリズムで挟み込んだタイプの偏光分離素子を採用している。ただし、偏光ビームスプリッター１１として用いる偏光分離素子のタイプはこれに限定されず、例えば、平板タイプのものであってもよい。
　本実施形態において、偏光ビームスプリッター１１が備えている偏光分離膜は、入射する光Ｌｉのうち、ｐ偏光成分であるｐ偏光Ｌ１を透過させ、ｓ偏光成分であるｓ偏光Ｌ２を反射する。図１に示した状態において、偏光ビームスプリッター１１には、その右側から信号光Ｌｉが入射する。偏光ビームスプリッター１１は、信号光Ｌｉをｐ偏光Ｌ１とｓ偏光Ｌ２とに分割し、ｐ偏光Ｌ１を偏光ビームスプリッター１１の左側へ透過させ、ｓ偏光Ｌ２を偏光ビームスプリッター１１の上側へ反射する。なお、信号光Ｌｉは、二次元強度分布を有する。
　また、後述するように、偏光ビームスプリッター１１には、その左側からｓ偏光Ｌ７が入射する。偏光ビームスプリッター１１は、ｓ偏光Ｌ７を偏光ビームスプリッター１１の下側へ反射することによって、信号光Ｌｏを偏光ビームスプリッター１１の外部へ出力する。
　なお、図１には、ｐ偏光Ｌ１及びｓ偏光Ｌ２、並びに、後述する右円偏光Ｌ３、右円偏光Ｌ４、左円偏光Ｌ５、及び左円偏光Ｌ６の偏光方向を模式的に矢印で図示している。これらの偏光方向を示す矢印は、各偏光を伝搬方向の後方から見た場合の偏光方向を示している。右円偏光Ｌ３及び右円偏光Ｌ４と、左円偏光Ｌ５及び左円偏光Ｌ６とを比較すると、同じ方向（図１に示した状態では時計回り方向）に回転しているように見える。しかし、右円偏光Ｌ３及び右円偏光Ｌ４と、左円偏光Ｌ５及び左円偏光Ｌ６とでは、互いに伝搬方向が逆向きなため、偏光方向は、逆向きである。
　＜四分の一波長板＞
　四分の一波長板１２は、互いに直交する進相軸及び遅相軸を有し、進相軸を透過する直線偏光と、遅相軸を透過する直線偏光との間に四分の一波長分の位相差を生じさせる光学素子である。
　四分の一波長板１２は、一方の主面（図１に示した状態においては右側に位置する主面）が偏光ビームスプリッター１１の一側面（図１に示した状態においては左側に位置する側面）と対向し、且つ、平行になるように、配置されている。すなわち、四分の一波長板１２は、各マイクロセルＣの磁化自由層Ｃ１１の側に設けられている。また、四分の一波長板１２は、その主面が後述する各マイクロセルＣの底面Ｃ１１１と平行又は略平行になるように設けられている。
　また、四分の一波長板１２は、遅相軸がｐ偏光Ｌ１の偏光方向と４５度の角度をなすように配置されている。この構成によれば、四分の一波長板１２は、直線偏光と円偏光とを互いに変換することができる。したがって、四分の一波長板１２は、ｐ偏光Ｌ１を右円偏光Ｌ３に変換し、左円偏光Ｌ６をｓ偏光Ｌ７に変換する。
　＜二分の一波長板＞
　図１に示した光演算装置１には図示していないものの、偏光ビームスプリッター１１と四分の一波長板１２との間であって、ｐ偏光Ｌ１及びｓ偏光Ｌ７の光路上には、二分の一波長板が設けられていてもよい。この場合、二分の一波長板は、（１）一方の主面が偏光ビームスプリッター１１の一側面と対向し、且つ、平行になるように、且つ、（２）他方の主面が四分の一波長板１２の一方の主面と対向し、且つ、平行になるように、配置されている。この構成は、広帯域円偏光板の構成として広く使われているものである。広帯域円偏光板の一例としては、遅相軸がｐ偏光Ｌ１の偏光方向と１５度の角度をなすように二分の一波長板を配置し、遅相軸がｐ偏光Ｌ１の偏光方向と７５度の角度をなすように四分の一波長板１２を配置する構成が挙げられる。
　このように、広帯域円偏光板の構成を光演算装置１に適用することによって、直線偏光と円偏光とを変換できる光の波長帯域を広げることができる。
　＜空間光位相変調器＞
　空間光位相変調器１３は、基板１３１と、基板１３１の一方の主面上に二次元的に配列された（すなわち、マトリクス状に配列された）複数のマイクロセルＣを備えている。各マイクロセルＣは、位相変調量を互いに独立に設定可能なように構成されている。なお、各マイクロセルＣを含む空間光位相変調器１３の具体例については、図２を参照して後述する。
　空間光位相変調器１３は、基板１３１の他方の主面が四分の一波長板１２の他方の主面（図１に示した状態においては左側に位置する主面）と対向し、且つ、平行になるように、配置されている。したがって、四分の一波長板１２により変換された右円偏光Ｌ３は、空間光位相変調器１３を透過することにより右円偏光Ｌ４に変換され、右円偏光Ｌ４は、後述するミラー１４の反射面１４１に照射される。また、右円偏光Ｌ４を反射面１４１が反射することにより生成される左円偏光Ｌ５は、空間光位相変調器１３を透過することにより左円偏光Ｌ６に変換され、左円偏光Ｌ６は、四分の一波長板１２の他方の主面に照射される。
　詳しくは、図２を参照して後述するが、空間光位相変調器１３は、右円偏光Ｌ３を右円偏光Ｌ４に変換するときに、各マイクロセルＣについて予め定められた位相変調量に応じて右円偏光Ｌ３を位相変調することができる。また、空間光位相変調器１３は、左円偏光Ｌ５を左円偏光Ｌ６に変換するときに、各マイクロセルＣについて予め定められた位相変調量に応じて左円偏光Ｌ５を位相変調することができる。空間光位相変調器１３においては、マイクロセルＣが備えている磁化自由層の磁化の方向が、マイクロセルＣの内部を伝搬する光の伝搬方向と平行又は略平行になるように磁化自由層が構成されているため、右円偏光Ｌ３に対する位相変調量と、左円偏光Ｌ５に対する位相変調量とが足し合わされる。したがって、空間光位相変調器１３を反射型として用いる光演算装置１においては、空間光位相変調器１３を透過型として用いる場合と比較して、２倍の位相変調量を得ることができる。
　なお、空間光位相変調器１３の各マイクロセルＣの位相変調量は、所望の光演算を実施するように予め定められている。各マイクロセルＣの位相変調量の設定は、例えば、機械学習を用いて実現することができる。この機械学習においては、例えば、基板１３１の他方の主面に入射する右円偏光Ｌ３の二次元強度分布を入力とし、後述するミラー１４の反射面により反射された左円偏光であって、基板１３１の他方の主面から出射する左円偏光Ｌ６の二次元強度分布を出力とするモデルであって、各マイクロセルＣの位相変調量をパラメータとして含むモデルを用いることができる。
　（具体例）
　空間光位相変調器１３の具体例について、図２を参照して説明する。図２の（ａ）は、本具体例に係る空間光位相変調器１３の平面図である。図２の（ｂ）は、本具体例に係る空間光位相変調器１３を構成するマイクロセルＣの断面図である。
　空間光位相変調器１３は、図２の（ａ）に示すように、位相変調量が互いに独立に設定された複数のマイクロセルＣにより構成されている。空間光位相変調器１３に信号光（本実施形態においては、右円偏光Ｌ３又は左円偏光Ｌ５）が入射すると、各マイクロセルＣにて位相変調された信号光が相互に干渉することによって、予め定められた光演算が行われる。各マイクロセルＣの位相変調量は、可変であってもよいし、固定であってもよいが、本具体例においては可変である。
　なお、本明細書において、「マイクロセル」とは、例えば、セルサイズが１０μｍ未満のセルのことを指す。また、「セルサイズ」とは、セルの面積の平方根のことを指す。例えば、マイクロセルＣの平面視形状が正方形である場合、マイクロセルＣのセルサイズとは、マイクロセルＣの一辺の長さである。マイクロセルＣのセルサイズの下限は、例えば、１ｎｍである。
　図２の（ａ）に例示した空間光位相変調器１３は、マトリックス状に配置された２００×２００個のマイクロセルＣにより構成されている。各マイクロセルＣの平面視形状は、５００ｎｍ×５００ｎｍの正方形であり、空間光位相変調器１３の平面視形状は、１００μｍ×１００μｍの正方形である。
　空間光位相変調器１３を構成する各マイクロセルＣは、例えば図２の（ｂ）に示すように、磁化自由層Ｃ１１と、電極Ｃ１２と、を備えている。
　磁化自由層Ｃ１１は、基板１３１の一方の主面に起立するように形成された、直方体状の柱状部材である。本実施形態において、磁化自由層Ｃ１１を構成する６面のうち互いに対向する一対の底面Ｃ１１１，Ｃ１１２は、上述したように５００ｎｍ×５００ｎｍの正方形である。なお、磁化自由層Ｃ１１の底面Ｃ１１１，Ｃ１１２は、磁化自由層Ｃ１１を構成する６面のうち、基板１３１の主面と平行な面のことを指す。
　底面Ｃ１１１及び底面Ｃ１１２の各々は、磁化自由層Ｃ１１において光を透過する面であり、光学有効面の一例である。本具体例では、底面Ｃ１１１に往路の信号光である右円偏光Ｌ３が入射し、底面Ｃ１１２に復路の信号光である左円偏光Ｌ５が入射する。したがって、磁化自由層Ｃ１１に対して最初に信号光が入射する光学有効面は、底面Ｃ１１１である。したがって、底面Ｃ１１１は、第１の光学有効面の一例であり、底面Ｃ１１２は、第２の光学有効面の一例である。
　図２の（ｂ）においては、往路の信号光である右円偏光Ｌ３の伝搬方向を矢印ｋｆで示し、復路の信号光である左円偏光Ｌ５の伝搬方向を矢印ｋｒで示している。矢印ｋｆは、底面Ｃ１１１から底面Ｃ１１２に向かう方向、すなわち、図２の（ｂ）に示した状態では磁化自由層Ｃ１１の右側から左側へ向かう方向である。また、矢印ｋｒは、底面Ｃ１１２から底面Ｃ１１１に向かう方向、すなわち、図２の（ｂ）に示した状態では磁化自由層Ｃ１１の左側から右側へ向かう方向である。
　磁化自由層Ｃ１１は、導電性及び透光性を有する軟磁性材料（例えば、ＣｏＦｅＢ）により構成される。ただし、磁化自由層Ｃ１１を構成する軟磁性材料は、ＣｏＦｅＢに限定されない。なお、磁化自由層Ｃ１１を構成する軟磁性材料の他の例としては、スピン軌道トルク（ＳＯＴ：Spin Orbit Torque）方式のＭＲＡＭの場合と同様に、磁性ガーネットであるＹＩＧ（イットリウム鉄ガーネット）や、ＹＩＧのイットリウムの一部をＢｉやＣｅなどで置換した置換磁性ガーネットが挙げられる。
　電極Ｃ１２は、磁化自由層Ｃ１１を構成する６面のうち、上述した一対の底面を除いた４つの側面の何れか１つに形成された導電膜である。すなわち、電極Ｃ１２は、磁化自由層Ｃ１１の一側面に対して直接接する状態で形成されている。図２の（ｂ）に示した状態では、磁化自由層Ｃ１１の下側に位置する側面に電極Ｃ１２が形成されている。本具体例において、電極Ｃ１２は、単一の電極である。
　本発明の一態様において、制御部は、例えば電極Ｃ１２（図２の（ｂ）参照）のように磁化自由層に対して直接接するように形成されていてもよいし、例えば後述する電極Ｃｂ１２（図４参照）のように磁化自由層に対して他の材料を介して間接的に形成されていてもよい。ただし、後者の場合であっても、磁化自由層の磁化の向きを制御するために、制御部は、磁化自由層に電流若しくはスピン流を注入できる、又は、磁化自由層に外部磁場を印加できる、ように構成されている。
　電極Ｃ１２を構成する導電体は、重金属を含むことが好ましい。重金属の一例としては、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、タンタル（Ｔａ）、及び、タングステン（Ｗ）が挙げられる。電極Ｃ１２は、これらの重金属のうち、何れか１種類の重金属により構成されていてもよいし、複数種類の重金属の合金により構成されていてもよい。また、電極Ｃ１２は、これらの重金属の少なくとも何れかと、遷移金属との合金により構成されていてもよい。遷移金属の一例としては、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、及び、銅（Ｃｕ）が挙げられる。また、電極Ｃ１２は、上述した重金属の少なくとも何れかからなる層と、上述した遷移金属の少なくとも何れかからなる層と、を含む多層膜により構成されていてもよい。
　また、光演算装置１は、各マイクロセルＣの電極Ｃ１２に接続された電源ＰＳを備えている（図２の（ｂ）参照）。電源ＰＳは、パルス電圧又はパルス電流を生成するように構成されている。本実施形態において、電源ＰＳは、パルス電圧を供給するように構成されている。ここで、パルス電圧とは、横軸に時間をとり縦軸に電圧をとった場合に、ごく短い時間のみ電圧が所定の電圧を上回る波形を有する電圧を意味する。また、パルス電流とは、横軸に時間をとり縦軸に電圧をとった場合に、ごく短い時間のみ電流が所定の電圧を上回る波形を有する電流を意味する。電極Ｃ１２に接続される電源ＰＳが生成するパルス電圧又はパルス電流は、連続パルスであってもよいし、単発パルスであってもよい。
　電極Ｃ１２にパルス電圧又はパルス電流を印加すると、ＳＯＴ方式のＭＲＡＭの場合と同様に、スピン偏極した電子の流れであるスピン流が電極Ｃ１２から磁化自由層Ｃ１１へ注入される。このように、電極Ｃ１２は、磁化自由層Ｃ１１にスピン流を注入する電極である。本具体例において磁化自由層Ｃ１１へ注入されるスピン流の偏極方向は、底面Ｃ１１１，Ｃ１１２の法線方向と平行又は略平行な方向であり、向きは、底面Ｃ１１１から底面Ｃ１１２へ向かう方向である。
　磁化自由層Ｃ１１は、注入されたスピン流の偏極方向に揃うように磁化する。図２の（ｂ）においては、磁化自由層Ｃ１１の磁化の向きを矢印Ｍ１１で示している。
　このように、本具体例において、磁化自由層Ｃ１１は、電極Ｃ１２からスピン流を注入されたときに生じる磁化の向きが、底面Ｃ１１１及び底面Ｃ１１２の各々の法線方向と平行又は略平行になるように構成されている。具体的には、往路の信号光である右円偏光Ｌ３の伝搬方向（矢印ｋｆ参照）は、磁化自由層Ｃ１１の磁化の向き（矢印Ｍ１１参照）と、平行又は略平行であり、且つ、同じ向きである。また、復路の信号光である左円偏光Ｌ５の伝搬方向（矢印ｋｒ参照）は、磁化自由層Ｃ１１の磁化の向き（矢印Ｍ１１参照）と、平行又は略平行であり、且つ、反対向きである。以上のように、電極Ｃ１２は、スピン流を磁化自由層Ｃ１１に注入することによって磁化自由層Ｃ１１の磁化の向きを制御する制御部の一態様である。
　そのため、マイクロセルＣを矢印ｋｆの方向に伝搬する信号光として右円偏光Ｌ３を選択した場合、磁化自由層Ｃ１１の磁化の大きさに応じて、右円偏光Ｌ３の位相は、遅れる及び進む、の何れかの方向に変化する。本具体例においては、右円偏光Ｌ３の位相が遅れるものとする。また、マイクロセルＣを矢印ｋｒの方向に伝搬する信号光として左円偏光Ｌ５を選択した場合、磁化自由層Ｃ１１の磁化の大きさに応じて、左円偏光Ｌ５の位相は、遅れる及び進む、の何れかの方向に変化する。本具体例においては、左円偏光Ｌ５の位相が遅れるものとする。このように、本具体例においては、右円偏光Ｌ３及び左円偏光Ｌ５の両方について、磁化自由層Ｃ１１の磁化の大きさに応じて位相変調量を制御することができる。
　また、磁化自由層Ｃ１１の磁化の大きさは、磁化自由層Ｃ１１に注入されるスピン流の大きさに応じて決まる。また、磁化自由層Ｃ１１に注入されるスピン流の大きさは、電源ＰＳから電極Ｃ１２に供給されるパルス電圧又はパルス電流の大きさに応じて決まる。したがって、電源ＰＳから電極Ｃ１２に供給されるパルス電圧又はパルス電流の大きさを制御することによって、マイクロセルＣの位相変調量を制御することができる。以上のように、本具体例の空間光位相変調器１３の各マイクロセルＣは、スピン注入型の光位相変調器により構成されている。
　なお、磁化自由層内を伝搬する信号光においては、右円偏光及び左円偏光の各々における屈折率が異なるため、磁化自由層の磁化に起因して右円偏光と左円偏光との間に位相差が生じる。この右円偏光と左円偏光との間に生じる位相差は、ファラデー効果として知られている。
　また、本具体例の各マイクロセルＣでは、ＬＣＯＳのように液晶を用いていないし、ＤＭＤのように機械的に動くミラーも用いていない。ＬＣＯＳやＤＭＤはその動作原理がバルクの物性に基づいているため、スムーズな動作にはある程度のサイズが必要である。構造を小さくするにつれて、特にナノサイズレベルでは、壁面からの分子間力などの影響が強くなり、本来の動作性が失われる。
　一方で、本具体例の各マイクロセルＣでは、磁化自由層にスピン流を注入するための構成として、ＳＯＴ方式のＭＲＡＭと同様に構成された光位相変調器を採用している。スピン注入による磁化自由層の磁化は、ナノサイズの空間で起こる現象である。このため、本具体例のように、スピン注入による磁化を利用するデバイスは、マイクロセルのサイズを小さくする方が本来の高速動作に近づく傾向を有する。したがって、本具体例は、ＭＲＡＭと同様に、小型化可能であり、また、高速で動作可能である。
　したがって、本具体例は、小型化が可能であり、且つ、高速で動作可能な光位相変調器を提供することができる。
　なお、信号光の位相を変調するために利用可能な磁気光学効果は、空間光位相変調器１３で用いているファラデー効果以外にも、例えばコットンムートン効果が挙げられる。ただし、磁化自由層Ｃ１１の厚み（信号光の伝搬方向に沿った長さ）及び磁化の大きさを統一した場合、ファラデー効果に起因する位相変調量は、コットンムートン効果に起因する位相変調量を上回る。したがって、空間光位相変調器１３は、磁化自由層Ｃ１１の厚み及び磁化の大きさを統一した場合に、コットンムートン効果を利用する空間光位相変調器よりも、信号光に与えることができる位相変調量の最大値を大きくすることができる。また、コットンムートン効果を利用する空間光位相変調器同じ位相変調量を信号光に与えればよい場合には、コットンムートン効果を利用する空間光位相変調器よりも磁化自由層Ｃ１１の厚みを薄くすることができる。磁化自由層Ｃ１１の厚みを薄くすることは、各マイクロセルＣの造形を容易にする、磁化自由層Ｃ１１における磁化の分布を均一に近づけることができる、及び、信号光が磁化自由層Ｃ１１において吸収されることを抑制できる、といった効果を奏する。
　なお、各マイクロセルＣにパルス電圧又はパルス電流を印加するための構造としては、例えば、液晶ディスプレイあるいは有機ＥＬディスプレイにおいて画素を駆動するために採用されているマトリクス構造を用いることができる。ここで、空間光位相変調器１３において用いるマトリクス構造は、単純マトリクス構造であってもよいし、アクティブマトリクス構造であってもよい。
　単純マトリクス構造は、各マイクロセルＣにパルス電圧又はパルス電流を印加するために、第１の方向に沿って各々の信号線が延伸された第１の信号線群と、第２の方向に沿って各々の信号線が延伸された第２の信号線群と、を備えている。第１の方向と第２の方向とは、交わっている。図２の（ａ）に図示した空間光位相変調器１３の平面図において、紙面の上下に沿った方向を第１の方向とした場合、紙面の左右に沿った方向が第２の方向である。第１の信号線群及び第２の信号線群は、その両方が基板１３１の一方の主面上に設けられていてもよいし、その一方（例えば第１の信号線群）が基板１３１の一方の主面上に設けられており、且つ、その他方（例えば第２の信号線群）が基板１３１とは別の基板の一方の主面上に設けられていてもよい。別の基板の一方の主面の例としては、後述するミラー１４の反射面１４１が挙げられる。
　アクティブマトリクス構造は、各マイクロセルＣにパルス電圧又はパルス電流を印加するために、第１の方向に沿って各々の信号線が延伸された第１の信号線群と、第２の方向に沿って各々の信号線が延伸された第２の信号線群と、アクティブ素子（スイッチング素子とも呼ばれる）と、共通電極と、を備えている。単純マトリクス構造の場合と同じように、アクティブマトリクス構造においても第１の方向と第２の方向とは、交わっている。アクティブマトリクス構造において、第１の信号線群及び第２の信号線群は、その両方が基板１３１の一方の主面上に設けられている。また、共通電極は、第１の信号線群及び第２の信号線群と対向するように基板１３１とは別の基板の一方の主面（例えば、ミラー１４の反射面１４１）上に設けられている。第１の信号線群を構成する各信号線と、第２の信号線群を構成する各信号線との交点にはアクティブ素子が接続されており、アクティブ素子と共通電極との間にセル群Ｃが介在している。
　＜ミラー＞
　ミラー１４は、入射した光を正反射する反射面１４１を備えている。本実施形態では、ガラス製の板状部材を基材として用い、その板状部材の一方の主面に金属膜を形成することにより反射面１４１を得ている。ただし、ミラー１４の構成は、これに限定されず、適宜選択することができる。
　ミラー１４は、反射面１４１が空間光位相変調器１３の各マイクロセルＣの底面Ｃ１１２と対向し、且つ、平行又は略平行になるように、配置されている。
　右円偏光Ｌ４が反射面１４１において反射される場合、円偏光の回転方向は維持される一方で、光の伝搬方向は反転される。したがって、ミラー１４は、右円偏光Ｌ４を反射面１４１において反射することによって左円偏光Ｌ５を変換する。
　なお、図１及び図２の（ｂ）に示すように、本実施形態では、空間光位相変調器１３の各マイクロセルＣと、ミラー１４の反射面１４１とを離間させている。ただし、各マイクロセルＣと反射面１４１とは密着していてもよい。
　〔マイクロセルの第１の変形例〕
　マイクロセルＣ（図２の（ｂ）参照）の第１の変形例であるマイクロセルＣａについて、図３を参照して説明する。図３は、マイクロセルＣａの断面図である。
　マイクロセルＣａは、図３に示すように、磁化自由層Ｃａ１１と、電極Ｃａ１２と、を備えている。
　磁化自由層Ｃａ１１は、マイクロセルＣの磁化自由層Ｃ１１と同様に構成されている。ただし、磁化自由層Ｃａ１１は、基板１３１の一方の主面に直接起立するように形成されているのではなく、基板１３１の一方の主面に積層された電極Ｃａ１２の表面に起立するように形成されている点が磁化自由層Ｃ１１とは異なる。
　電極Ｃａ１２は、マイクロセルＣの電極Ｃ１２と同様に、導体膜により構成された単一の電極である。ただし、電極Ｃａ１２は、磁化自由層Ｃａ１１を構成する６面のうち、底面Ｃａ１１１，Ｃａ１１２を除いた４つの側面の何れか１つに形成されているのではなく、底面Ｃａ１１２に形成されている点が電極Ｃ１２とは異なる。換言すれば、電極Ｃａ１２は、磁化自由層Ｃａ１１の底面Ｃａ１１２と、基板１３１の一方の主面との間に介在するように形成されている。すなわち、電極Ｃａ１２は、磁化自由層Ｃａ１１の一方の底面である底面Ｃａ１１２に対して直接接する状態で形成されている。
　このように、マイクロセルＣａにおいては、底面Ｃａ１１２が電極Ｃａ１２により覆われているため、磁化自由層Ｃａ１１の底面Ｃａ１１２は、光を反射する。すなわち、底面Ｃａ１１２は、光を反射する。そのため、マイクロセルＣａにおいては、その先端面を形成する底面Ｃａ１１１を第１の光学有効面として用い、往路の信号光である右円偏光Ｌ３を入射させる。
　磁化自由層Ｃａ１１に入射された右円偏光Ｌ３は、マイクロセルＣの場合と同様に、矢印ｋｆの方向（図３に示した状態において右側から左側へ向かう方向）に向かって、磁化自由層Ｃａ１１の内部を伝搬する。
　底面Ｃａ１１２にまで伝搬した右円偏光Ｌ３は、電極Ｃａ１２の表面において反射されることにより、復路の信号光である左円偏光Ｌ６に変換される。したがって、電極Ｃａ１２の表面は、反射面として機能する。換言すれば、電極Ｃａ１２は、電極としての機能に加えて、マイクロセルＣにおけるミラー１４の機能も有する。
　電極Ｃａ１２により反射された左円偏光Ｌ６は、マイクロセルＣの場合と同様に、矢印ｋｒの方向（図３に示した状態において左側から右側へ向かう方向）に向かって、磁化自由層Ｃａ１１の内部を伝搬し、底面Ｃａ１１１からマイクロセルＣａの外部へ出射される。
　また、図３においては図示を省略しているが、電極Ｃａ１２には、電極Ｃ１２の場合と同様に、パルス電圧又はパルス電流を生成する電源ＰＳが接続されている。
　マイクロセルＣａにおいても、電極Ｃａ１２にパルス電圧又はパルス電流を印加すると、ＳＯＴ方式のＭＲＡＭの場合と同様に、スピン偏極した電子の流れであるスピン流が電極Ｃ１２から磁化自由層Ｃ１１へ注入される。ここで、磁化自由層Ｃａ１１へ注入されるスピン流の偏極方向は、底面Ｃａ１１１，Ｃａ１１２の法線方向と平行又は略平行な方向であり、向きは、底面Ｃａ１１１から底面Ｃａ１１２へ向かう方向である。
　マイクロセルＣの項において上述したように、磁化自由層Ｃ１１は、注入されたスピン流の偏極方向に揃うように磁化する。そのため、マイクロセルＣａの場合においても、磁化自由層Ｃａ１１は、マイクロセルＣの磁化自由層Ｃ１１の場合と同様に、底面Ｃａ１１１及び底面Ｃａ１１２の各々の法線方向と平行又は略平行になるように磁化する（図３の示す矢印Ｍ１１参照）。したがって、マイクロセルＣａは、マイクロセルＣと同様に、スピン注入型の光位相変調器として機能する。また、マイクロセルＣａは、磁化自由層Ｃａ１１にスピン流を注入するためにＳＯＴ方式のＭＲＡＭと同様の構成を採用している。マイクロセルＣａにおいて、電極Ｃａ１２は、磁化自由層Ｃａ１１の磁化の向きを制御する制御部の一態様である。
　〔マイクロセルの第２の変形例〕
　マイクロセルＣ（図２の（ｂ）参照）の第２の変形例であるマイクロセルＣｂについて、図４を参照して説明する。図４は、マイクロセルＣｂの断面図である。
　マイクロセルＣｂは、図４に示すように、磁化自由層Ｃｂ１１と、電極Ｃｂ１２と、電極Ｃｂ１３と、磁化固定層Ｃｂ１４と、絶縁層Ｃｂ１５と、を備えている。
　磁化自由層Ｃｂ１１は、マイクロセルＣの磁化自由層Ｃ１１と同様に構成されている。ただし、磁化自由層Ｃｂ１１は、基板１３１の一方の主面に直接起立するように形成されているのではなく、基板１３１の一方の主面に積層された電極Ｃｂ１２、磁化固定層Ｃｂ１４、及び絶縁層Ｃｂ１５の上に、起立するように積層されている点が磁化自由層Ｃ１１とは異なる。
　なお、磁化自由層Ｃｂ１１においては、底面Ｃｂ１１１が第１の光学有効面として機能し、底面Ｃｂ１１２が第２の光学有効面として機能する。
　電極Ｃｂ１２は、マイクロセルＣの電極Ｃ１２と同様に、導体膜により構成された電極である。ただし、電極Ｃｂ１２は、磁化自由層Ｃａ１１を構成する６面のうち、一対の底面Ｃｂ１１１，Ｃｂ１１２を除いた４つの側面の何れか１つに形成されているのではなく、底面Ｃｂ１１２に絶縁層Ｃｂ１５及び磁化固定層Ｃｂ１４を介して間接的に形成されている点が電極Ｃ１２とは異なる。換言すれば、電極Ｃｂ１２は、マイクロセルＣａの電極Ｃａ１２（図３参照）と同様に構成されている。また、電極Ｃｂ１２は、アルミニウム（Ａｌ）や銅（Ｃｕ）などの導電率が高い金属により構成することが好ましい。電極Ｃｂ１２は、後述する磁化固定層Ｃｂ１４に設けられた第２の電極の一例である。
　マイクロセルＣｂにおいては、基板１３１の一方の主面に、電極Ｃｂ１２だけでなく、磁化固定層Ｃｂ１４、絶縁層Ｃｂ１５、磁化自由層Ｃｂ１１、及び電極Ｃｂ１３が、この順番で積層されている。
　磁化固定層Ｃｂ１４は、例えば、導電性を有する硬磁性材料（例えば、パーマロイ）により構成される。なお、磁化固定層Ｃｂ１４は、その磁化の向き（図４に示す矢印Ｍ１４参照）が第１の光学有効面である底面Ｃｂ１１１及び第２の光学有効面である底面Ｃｂ１１２の各々の法線方向と平行又は略平行になるように構成されている。なお、図４においては、右円偏光Ｌ３に対して、電極Ｃｂ１２の表面（電極Ｃｂ１２と磁化固定層Ｃｂ１４との界面）が反射面として機能するように図示している。ただし、磁化固定層Ｃｂ１４を構成する材料は、所定の波長を有する右円偏光Ｌ３に対して、ある反射率を示す。したがって、右円偏光Ｌ３の波長と、その波長に対する磁化固定層Ｃｂ１４の反射率に応じて、右円偏光Ｌ３は、電極Ｃｂ１２の表面だけではなく、磁化固定層Ｃｂ１４の内部、又は、磁化固定層Ｃｂ１４の表面（磁化固定層Ｃｂ１４と絶縁層Ｃｂ１５との界面）においても反射される。磁化固定層Ｃｂ１４を構成する材料と、磁化固定層Ｃｂ１４の厚みとを適宜選択することにより、右円偏光Ｌ３を反射する位置を変化させることができる。
　絶縁層Ｃｂ１５は、磁化固定層Ｃｂ１４と磁化自由層Ｃｂ１１とともにトンネル接合を構成する絶縁層である。
　電極Ｃｂ１３は、電極Ｃｂ１２と同様に、導体膜により構成された電極である。ただし、電極Ｃｂ１３は、電極Ｃｂ１２と対向し、且つ、電極Ｃｂ１２と共に磁化固定層Ｃｂ１４、絶縁層Ｃｂ１５、及び磁化自由層Ｃｂ１１を挟み込むように、底面Ｃｂ１１１を覆うように形成されている。すなわち、電極Ｃｂ１３は、磁化自由層Ｃｂ１１の一方の底面である底面Ｃｂ１１１に対して直接接する状態で形成されている。また、電極Ｃｂ１３は、右円偏光Ｌ３及び左円偏光Ｌ６を透過する透明電極材料により構成されている。透明電極材料としては、ＩＴＯや、ＩＧＺＯや、ＺｎＯや、ＧＺＯ（ガリウムドープ酸化亜鉛）や、銀ナノワイヤや、カーボンナノチューブ薄膜などが好適である。電極Ｃｂ１３は、磁化自由層Ｃｂ１１に設けられた第１の電極の一例である。
　また、一対の電極である電極Ｃｂ１２及び電極Ｃｂ１３には、電源ＰＳが接続されている（図４参照）。電源ＰＳが生成する電圧を用いて、電極Ｃｂ１２と電極Ｃｂ１３との間に電位差を与えると、トンネル効果によりスピン流が絶縁層Ｃｂ１５を介して磁化固定層Ｃｂ１４から磁化自由層Ｃｂ１１に注入され、磁化自由層Ｃｂ１１に磁化が生じる（図４に示す矢印Ｍ１１参照）。ここで、磁化自由層Ｃｂ１１に生じる磁化は、磁化固定層Ｃｂ１４の磁化（図４に示す矢印Ｍ１４参照）と平行な磁化である。すなわち、磁化自由層Ｃｂ１１は、磁化自由層Ｃｂ１１の底面Ｃｂ１１１及び底面Ｃｂ１１２の各々の法線方向と平行又は略平行になるように磁化する。したがって、マイクロセルＣｂは、マイクロセルＣと同様に、スピン注入型の光位相変調器として機能する。また、マイクロセルＣｂは、磁化自由層Ｃｂ１１にスピン流を注入するためにＳＴＴ方式のＭＲＡＭと同様の構成を採用している。マイクロセルＣｂにおいて、電極Ｃｂ１２及び電極Ｃｂ１３は、磁化自由層Ｃａ１１の磁化の向きを制御する制御部の一態様である。なお、本発明の一態様においては、電極Ｃｂ１２及び電極Ｃｂ１３のように、２つの制御部のうち、一方（電極Ｃｂ１３）が磁化自由層に対して直接接するように形成されており、他方（電極Ｃｂ１２）が磁化自由層に対して他の材料を介して間接的に形成されていてもよい。
　〔マイクロセルの第３の変形例〕
　マイクロセルＣ（図２の（ｂ）参照）の第３の変形例であるマイクロセルＣｃについて、図５を参照して説明する。図５の（ａ）は、マイクロセルＣｃの斜視図である。図５の（ｂ）は、マイクロセルＣｃの平面図である。なお、図５の（ｂ）に図示した平面図においては、マイクロセルＣｃを構成する磁化自由層Ｃｃ１１の底面Ｃｃ１１１を、底面Ｃｃ１１１の法線方向（図５の（ａ）における右方向）から見た状態を示している。
　マイクロセルＣｃは、図５の（ａ）及び（ｂ）に示すように、磁化自由層Ｃｃ１１と、導体パターンＣｃ１６と、を備えている。
　磁化自由層Ｃｃ１１は、マイクロセルＣの磁化自由層Ｃ１１と同様に構成されている。すなわち、磁化自由層Ｃｃ１１は、基板１３１の一方の主面に直接起立するように形成されている。
　導体パターンＣｃ１６は、直方体状の柱状部材である磁化自由層Ｃｃ１１を構成する４つの側面のうち３つの側面に亘って形成された導体膜である。すなわち、導体パターンＣｃ１６は、磁化自由層Ｃｃ１１の３つの側面に対して直接接する状態で形成されている。図５の（ｂ）に図示した導体パターンＣｃ１６において、上述した３つの側面のうち、下側に位置する側面に形成された領域を第１領域Ｃｃ１６１と称し、左側に位置する側面に形成された領域を第２領域Ｃｃ１６２と称し、上側に位置する側面に形成された領域を第３領域Ｃｃ１６３と称する。導体パターンＣｃ１６は、磁化自由層Ｃｃ１１の磁化の向きを制御する制御部の一態様である。
　導体パターンＣｃ１６を構成する導体は、金属であることが好ましく、導電性がよい金属であることがより好ましい。導電性がよい金属の例としては、金、銅、及びアルミニウムが挙げられる。
　本変形例においては、基板１３１の一方の主面に形成されたマトリクス構造の一部を図示している。本変形例において用いているマトリクス構造は、単純マトリクス構造である。ただし、本変形例において、単純マトリクス構造に変えてアクティブマトリクス構造を用いることもできる。
　図５の（ａ）及び（ｂ）には、第１の方向（図５の（ｂ）においては上下方向）に沿って延伸された第１の信号線ＬＳ１と、第２の方向（図５の（ｂ）においては左右方向）に沿って延伸された第２の信号線ＬＳ２と、図示している。なお、第１の信号線ＬＳ１と第２の信号線ＬＳ２とは、異なる層に形成されており、且つ、第１の信号線ＬＳ１が形成されている層と、第２の信号線ＬＳ２が形成されている層との間には、絶縁層が介在している。したがって、図５の（ｂ）の平面図において、第１の信号線ＬＳ１と第２の信号線ＬＳ２とが交差しているものの、その交差している箇所においては第１の信号線ＬＳ１と第２の信号線ＬＳ２とは絶縁されている。
　導体パターンＣｃ１６において、第１領域Ｃｃ１６１は、第１の電極パターンＥＬ１を介して第１の信号線ＬＳ１と導通しており、第３領域Ｃｃ１５３は、第２の電極パターンＥＬ２を介して第２の信号線ＬＳ２と導通している。したがって、第１の信号線ＬＳ１から第２の信号線ＬＳ２に向かって電流Ｉを流す場合、定性的には図５の（ａ）及び（ｂ）に図示する矢印のように電流Ｉは、流れる。その結果、磁化自由層Ｃｃ１１には導体パターンＣｃ１６を流れる電流Ｉに起因する外部磁場が印加され、磁化自由層Ｃｃ１１は、磁化する。図５の（ａ）及び（ｂ）においては、磁化自由層Ｃｃ１１の磁化の向きを矢印Ｍ１１で示している。なお、磁化自由層Ｃｃ１１の磁化の大きさは、導体パターンＣｃ１６に流す電流の向き及び大きさを用いて制御することができる。
　このように、本変形例において、磁化自由層Ｃｃ１１は、導体パターンＣｃ１６に電流Ｉを流すときに生じる磁化の向きが、一対の底面（底面Ｃｃ１１１及び底面Ｃｃ１１１に対向する底面）の各々の法線方向と平行又は略平行になるように構成されている。したがって、マイクロセルＣｃは、図２の（ｂ）に示したマイクロセルＣと同様に、磁化自由層Ｃｃ１１の磁化の大きさに応じて円偏光の位相変調量を制御することができる。
　以上のように、本発明の一態様において、マイクロセルＣｃは、互いに対向する一対の第１の光学有効面及び第２の光学有効面（底面Ｃｃ１１１及び底面Ｃｃ１１１に対向する底面）を有する磁化自由層Ｃｃ１１と、磁化自由層Ｃｃ１１の磁化の向きを制御する電極（導体パターンＣｃ１６）と、を備えている。マイクロセルＣｃにおいて、各磁化自由層Ｃｃ１１及び各制御部（導体パターンＣｃ１６）は、第１の光学有効面及び第２の光学有効面（底面Ｃｃ１１１及び底面Ｃｃ１１１に対向する底面）の各々の法線方向と平行又は略平行になるように磁化自由層Ｃｃ１１の磁化の向きを制御するように構成されている。
　なお、本変形例では、磁化自由層Ｃｃ１１を構成する４つの側面のうち３つの側面に亘って連続した導体パターンＣｃ１６を形成している。ただし、導体パターンＣｃ１６を形成する側面の数は、３つに限定されず、２つであってもよいし、４つであってもよい。導体パターンＣｃ１６を形成する側面の数が２つである場合、その２つの側面は、互いに隣り合う２つの側面であってもよいし、互いに対向する２つの側面であってもよい。互いに対向する２つの側面に導体パターンＣｃ１６を形成する場合、各導体パターンに第１の信号線及び第２の信号線を接続すればよい。また、導体パターンＣｃ１６を形成する側面の数が４つである場合、導体パターンＣｃ１６が磁化自由層Ｃｃ１１の周りで閉じたループを構成しないように、導体パターンＣｃ１６の一方の端部（第１の電極パターンＥＬ１を接続する側の端部）と他方の端部（第２の電極パターンＥＬ２を接続する側の端部）とを離間させておけばよい。
　〔マイクロセルの第４の変形例〕
　マイクロセルＣ（図２の（ｂ）参照）の第４の変形例であるマイクロセルＣｄについて、図６を参照して説明する。図６の（ａ）は、マイクロセルＣｄの斜視図である。図６の（ｂ）は、マイクロセルＣｄの平面図である。なお、図６の（ｂ）に図示した平面図においては、マイクロセルＣｄを構成する磁化自由層Ｃｄ１１の底面Ｃｄ１１１を、底面Ｃｃ１１１の法線方向（図５の（ａ）における右方向）から見た状態を示している。
　マイクロセルＣｄは、マイクロセルＣｃの一変形例とも言える。本変形例では、マイクロセルＣｃをベースにして、マイクロセルＣｄの構成について説明する。マイクロセルＣｄは、図６の（ａ）及び（ｂ）に示すように、磁化自由層Ｃｄ１１と、導体パターンＣｄ１６と、ギャップフィラーＦＧと、を備えている。
　磁化自由層Ｃｄ１１は、マイクロセルＣｃの磁化自由層Ｃｃ１１と同様に構成されている。また、底面Ｃｄ１１１は、磁化自由層Ｃｃ１１の底面Ｃｃ１１１に対応する。したがって、本変形例では、磁化自由層Ｃｄ１１の説明を省略する。
　導体パターンＣｄ１６は、マイクロセルＣｃの導体パターンＣｃ１６に対応しており、磁化自由層Ｃｄ１１の磁化の向きを制御する制御部の一態様である。導体パターンＣｄ１６は、図６の（ａ）に示すように、磁化自由層Ｃｄ１１の４つの側面に対して、帯状の導体膜をらせん状に形成することによって得られる。すなわち、導体パターンＣｄ１６は、磁化自由層Ｃｄ１１の４つの側面に対して直接接する状態で形成されている。導体パターンＣｄ１６は、一種のソレノイドコイルとも言える。
　本変形例においては、導体パターンＣｄ１６の一方の端部が磁化自由層Ｃｄ１１の根本側（図６の（ａ）に図示した状態において左側）に位置し、導体パターンＣｄ１６の他方の端部が磁化自由層Ｃｄ１１の先端側（図６の（ａ）に図示した状態において右側）に位置する。そのため、導体パターンＣｄ１６において、一方の端部と他方の端部との間には、磁化自由層Ｃｄ１１の高さ（底面Ｃｄ１１１と底面Ｃｄ１１１に対向する底面との間隔）に想到するギャップがある。
　そこで、本変形例では、マトリクス構造を構成する第１の信号線群及び第２の信号線群のうち第１の信号線群（図６の（ａ）においては第１の信号線ＬＳ１）を基板１３１の一方の主面上に形成したうえで、磁化自由層Ｃｄ１１の高さと同じ厚みのギャップフィラーＦＧを基板１３１の一方の主面上に形成し、第２の信号線群（図６の（ａ）においては第２の信号線ＬＳ２）をギャップフィラーＦＧの表面に形成している。
　ギャップフィラーＦＧの材料は、限定されず、既存の材料の中から適宜選択することができる。ギャップフィラーＦＧの材料の例としては、ＳＯＧ（Ｓｐｉｎ－Ｏｎ－Ｇｒａｓｓ）やポリマーなどが挙げられる。
　マイクロセルＣｄにおいて、導体パターンＣｄ１６は、ソレノイドコイルとして機能する。そのため、第１の信号線ＬＳ１から第２の信号線ＬＳ２に向かって電流Ｉを流すことによって、図６の（ａ）及び（ｂ）に示すように、磁化自由層Ｃｄ１１に対して導体パターンＣｄ１６を流れる電流Ｉに起因する外部磁場を印加することができる。したがって、マイクロセルＣｄは、図２の（ｂ）に示したマイクロセルＣと同様に、磁化自由層Ｃｄ１１の磁化の大きさに応じて円偏光の位相変調量を制御することができる。
　〔光演算装置の変形例〕
　光演算装置１の一変形例である光演算装置１Ａについて、図７を参照して説明する。図７は、光演算装置１Ａの構成を示す模式図である。
　光演算装置１Ａは、光演算装置１と同様に構成されている。ただし、光演算装置１が単一の空間光位相変調器１３を備えていたのに対し、光演算装置１Ａは、３つの空間光位相変調器１３ａ，１３ｂ，１３ｃからなる空間光位相変調器群１３Ａを備えている。したがって、本変形例においては、空間光位相変調器群１３Ａについて説明し、その他の部材の説明を省略する。
　空間光位相変調器１３ａ，１３ｂ，１３ｃの各々は、光演算装置１における空間光位相変調器１３と同様に構成されている。空間光位相変調器１３ａ，１３ｂ，１３ｃの各々は、四分の一波長板１２とミラー１４との間、且つ、信号光の光路上に、順番に重ねられた状態で配置されている。
　上記の構成によれば、空間光位相変調器１３ａ，１３ｂ，１３ｃの各々は、四分の一波長板１２からミラー１４へ向かう往路の信号光に対して、空間光位相変調器１３ａ，１３ｂ，１３ｃの順番で作用する。また、空間光位相変調器１３ａ，１３ｂ，１３ｃの各々は、ミラー１４により反射され、ミラー１４から四分の一波長板１２へ向かう復路の信号光に対して、空間光位相変調器１３ｃ，１３ｂ，１３ａの順番で作用する。
　このように構成された空間光位相変調器１３ａ，１３ｂ，１３ｃの各々は、光演算装置１に入力される信号光Ｌｉに対して複数段の光演算を実施することができる。
　なお、本変形例において、空間光位相変調器１３ａ，１３ｂ，１３ｃのうち隣接する空間光位相変調器同士は、互いに接している。そのため、隣接する磁化自由層Ｃ１１同士の間隔（例えば、空間光位相変調器１３ａの底面Ｃ１１２と、空間光位相変調器１３ｂの底面Ｃ１１１との間隔）は、基板１３１の厚みで規定されている。磁化自由層Ｃ１１同士の間隔を規定する基板１３１の厚みは、特に限定されず、適宜定めることができる。また、空間光位相変調器１３ａ，１３ｂ，１３ｃのうち隣接する空間光位相変調器同士は、所定の間隔だけ離間していてもよい。このように、光演算装置１Ａにおいて、磁化自由層Ｃ１１同士の間隔、及び、空間光位相変調器１３同士の間隔は、光演算装置１Ａの設計や、光演算装置１Ａが実行するタスクなどに応じて、調整することができる。
　〔まとめ〕
　本発明の第１の態様に係る空間光位相変調器は、複数のマイクロセルを備えた空間光位相変調器である。本空間光位相変調器において、各マイクロセルは、互いに対向する第１の光学有効面及び第２の光学有効面を有する磁化自由層と、当該磁化自由層の磁化の向きを制御する制御部と、を備えた光位相変調器により構成され、各磁化自由層及び各制御部は、前記第１の光学有効面及び前記第２の光学有効面の各々の法線方向と平行又は略平行になるように前記磁化の向きを制御するように構成されている。
　上記の構成によれば、小型化が可能であり、且つ、高速で動作可能な空間光位相変調器を提供することができる。
　また、本発明の第２の態様に係る空間光位相変調器においては、上述した第１の態様に係る空間光位相変調器の構成に加えて、前記制御部は、前記磁化自由層にスピン流を注入する電極であり、前記磁化自由層は、前記電極から前記スピン流を注入されたときに生じる磁化の向きが前記第１の光学有効面及び前記第２の光学有効面の各々の法線方向と平行又は略平行になるように構成されている。
　また、本発明の第２の態様に係る空間光位相変調器は、次のようにも表現できる。すなわち、本発明の第２の態様に係る空間光位相変調器は、２次元的に配列された複数のマイクロセルを備えた空間光位相変調器であって、各マイクロセルは、磁化自由層と、当該磁化自由層にスピン流を注入する電極と、を備えたスピン注入型の光位相変調器により構成され、各磁化自由層は、互いに対向する第１の光学有効面及び第２の光学有効面を有し、且つ、前記電極から前記スピン流を注入されたときに生じる磁化の向きが前記第１の光学有効面及び前記第２の光学有効面の各々の法線方向と平行又は略平行になるように構成されている。
　本空間光位相変調器の各マイクロセルにおいては、磁化自由層にスピン流を注入するための構成として、スピン移行トルク磁化反転（ＳＴＴ：Spin Transfer Torque）方式のＭＲＡＭ（Magnetoresistive Random Access Memory）あるいはスピン軌道トルク（ＳＯＴ：Spin Orbit Torque）方式のＭＲＡＭと同様に構成された光位相変調器を採用している。スピン注入による磁化自由層の磁化は、ナノサイズの空間で起こる現象である。このため、スピン注入による磁化を利用するデバイスは、マイクロセルのサイズを小さくする方が本来の高速動作に近づく傾向を有する。したがって、本空間光位相変調器は、ＭＲＡＭと同様に、小型化可能であり、また、高速で動作可能である。
　また、磁化自由層は、スピン偏極した電子の流れであるスピン流に起因して、第１の光学有効面及び前記第２の光学有効面の各々の法線方向と平行又は略平行になるように磁化する。各マイクロセルにおいて、信号光は、第１の光学有効面及び前記第２の光学有効面の各々の法線方向に沿って、磁化自由層内を伝搬する。したがって、各マイクロセルにおいては、信号光の伝搬方向と、磁化自由層における磁化方向とが平行又は略平行になる。そのため、各マイクロセルにおいては、各マイクロセルの磁気自由層に注入するスピン流の大きさを用いて各マイクロセルにおける位相変調量を制御することができる。
　したがって、上記のように構成された本空間光位相変調器は、小型化が可能であり、且つ、高速で動作可能な光位相変調器を提供することができる。
　また、本発明の第３の態様に係る空間光位相変調器においては、上述した第２の態様に係る空間光位相変調器の構成に加えて、前記磁気自由層に対して信号光が最初に入射する光学有効面を前記第１の光学有効面として、前記各磁気自由層の前記第２の光学有効面の側に設けられ、且つ、反射面が前記第２の光学有効面と平行又は略平行であるミラーを更に備えている、構成が採用されている。
　上記の構成によれば、空間光位相変調器の各光位相変調器は、第１の光学有効面から入射した信号光がミラーにより反射され、反射された信号光が第１の光学有効面から出射する反射型の光位相変調器である。反射型の光位相変調器は、透過型の光位相変調器と比較して、信号光の光路を２倍にすることができる。したがって、反射型の光位相変調器は、透過型の光位相変調器よりも制御可能な位相変調量の幅を広げることができる。なお、透過型の光位相変調器とは、ミラーを備えておらず、第１の光学有効面から入射した信号光が第２の光学有効面から出射される光位相変調器を指す。
　また、本発明の第４の態様に係る空間光位相変調器においては、上述した第３の態様に係る空間光位相変調器の構成に加えて、前記各磁化自由層の前記第１の光学有効面の側に設けられ、且つ、主面が前記第１の光学有効面と平行又は略平行である四分の一波長板を更に備えている、構成が採用されている。
　上記の構成によれば、四分の一波長板が直線偏光を右円偏光及び左円偏光の何れかに変換するので、空間光位相変調器に入射させる信号光として直線偏光を用いることができる。
　また、本発明の第５の態様に係る空間光位相変調器においては、上述した第２の態様～第４の態様の何れか一態様に係る空間光位相変調器の構成に加えて、前記各マイクロセルにおいて、前記電極は、重金属を含む材料からなる単一の電極である、構成が採用されている。
　上記の構成によれば、本空間光位相変調器の各マイクロセルにおいては、磁化自由層にスピン流を注入するための構成として、ＳＯＴ方式のＭＲＡＭと同様の構成が採用されている。このため、磁化自由層にスピン流を注入するための構成としてＳＴＴ方式のＭＲＡＭと同様の構成が採用されている空間光位相変調器と比較して、本空間光位相変調器は、動作をより高速化することができる。また、上記の構成によれば、電流を一方のスピンに偏極したスピン流に変換する変換効率を高めることができる。
　また、本発明の第６の態様に係る空間光位相変調器においては、上述した第５の態様に係る空間光位相変調器の構成に加えて、前記電極に接続され、且つ、パルス電圧又はパルス電流を生成する電源を更に備えている、構成が採用されている。
　上記の構成によれば、前記変換効率をより高めることができる。
　また、本発明の第７の態様に係る空間光位相変調器においては、上述した第２の態様～第４の態様の何れか一態様に係る空間光位相変調器の構成に加えて、前記各マイクロセルは、磁化固定層を更に備え、前記各マイクロセルにおいて、前記電極は、前記磁化自由層に設けられた第１の電極と、前記磁化固定層に設けられた第２の電極とからなる、構成が採用されている。
　上記の構成によれば、本空間光位相変調器の各マイクロセルにおいては、磁化自由層にスピン流を注入するための構成として、ＳＴＴ方式のＭＲＡＭと同様の構成が採用されている。磁化自由層にスピン流を注入するための構成としてＳＯＴ方式のＭＲＡＭと同様の構成が採用されている空間光位相変調器と比較して、本空間光位相変調器の各マイクロセルは、電極材料に用いることができる材料の選択肢が多い。そのため、本空間光位相変調器は、電極の設計自由度を高めることができる。
　また、本発明の第８の態様に係る光演算装置は、上述した第１の態様～第７の態様の何れか一態様に係る空間光位相変調器を複数備えている。本光演算装置において、各空間光位相変調器は、信号光に対して順番に作用するように配置されている。
　上記の構成によれば、各空間光位相変調器の小型化及び動作の高速化が可能なので、小型化が可能であり、且つ、高速で動作可能な光演算装置を提供することができる。
　　１，１Ａ　光演算装置
　１１　偏光ビームスプリッター
　１２　四分の一波長板
　１３，１３ａ，１３ｂ，１３ｃ　空間光位相変調器
１３１　基板
１３Ａ　空間光位相変調器群
　　Ｃ，Ｃａ，Ｃｂ，Ｃｃ，Ｃｄ　マイクロセル
Ｃ１１，Ｃａ１１，Ｃｂ１１，Ｃｃ１１，Ｃｄ１１　磁化自由層
Ｃ１１１，Ｃａ１１１，Ｃｂ１１１，Ｃｃ１１１，Ｃｄ１１１　底面
Ｃ１１２，Ｃａ１１２，Ｃｂ１１２　底面
Ｃ１２，Ｃａ１２，Ｃｂ１２　電極（制御部）
Ｃｂ１３　電極
Ｃｂ１４　磁化固定層
Ｃｂ１５　絶縁層
Ｃｃ１６，Ｃｄ１６　導体パターン（制御部）
　１４　ミラー

Claims (8)

  1. 　複数のマイクロセルを備えた空間光位相変調器であって、
    　各マイクロセルは、互いに対向する第１の光学有効面及び第２の光学有効面を有する磁化自由層と、当該磁化自由層の磁化の向きを制御する制御部と、を備えた光位相変調器により構成され、
    　各磁化自由層及び各制御部は、前記第１の光学有効面及び前記第２の光学有効面の各々の法線方向と平行又は略平行になるように前記磁化の向きを制御するように構成されている、
    ことを特徴とする空間光位相変調器。
  2. 　前記制御部は、前記磁化自由層にスピン流を注入する電極であり、
    　前記磁化自由層は、前記電極から前記スピン流を注入されたときに生じる磁化の向きが前記第１の光学有効面及び前記第２の光学有効面の各々の法線方向と平行又は略平行になるように構成されている、
    ことを特徴とする請求項１に記載の空間光位相変調器。
  3. 　前記磁化自由層に対して信号光が最初に入射する光学有効面を前記第１の光学有効面として、
    　前記各磁化自由層の前記第２の光学有効面の側に設けられ、且つ、反射面が前記第２の光学有効面と平行又は略平行であるミラーを更に備えている、
    ことを特徴とする請求項２に記載の空間光位相変調器。
  4. 　前記各磁化自由層の前記第１の光学有効面の側に設けられ、且つ、主面が前記第１の光学有効面と平行又は略平行である四分の一波長板を更に備えている、
    ことを特徴とする請求項３に記載の空間光位相変調器。
  5. 　前記各マイクロセルにおいて、前記電極は、重金属を含む材料からなる単一の電極である、
    ことを特徴とする請求項２～４の何れか１項に記載の空間光位相変調器。
  6. 　前記電極に接続され、且つ、パルス電圧又はパルス電流を生成する電源を更に備えている、
    ことを特徴とする請求項５に記載の空間光位相変調器。
  7. 　前記各マイクロセルは、磁化固定層を更に備え、
    　前記各マイクロセルにおいて、前記電極は、前記磁化自由層に設けられた第１の電極と、前記磁化固定層に設けられた第２の電極とからなる、
    ことを特徴とする請求項２～４の何れか１項に記載の空間光位相変調器。
  8. 　請求項１～７の何れか１項に記載の空間光位相変調器を複数備えた光演算装置であって、
    　各空間光位相変調器は、信号光に対して順番に作用するように配置されている、
    ことを特徴とする光演算装置。
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