光変調素子、光変調方法、および光変調装置
【課題】光変調において、高速な動作が可能であり、かつ消費電力を少なくすることができ、また多段階階調性を得ること。
【解決手段】変調する光を透過しかつ導電性を有する透明電極層１４と、強磁性を有しかつ導電性を有する磁性酸化物層１３と、酸化材料を含む酸素供給層１２と、酸素供給層１２から供給される酸素により酸化される導電性膜からなる酸化性電極層１１とがこの順に設けられる。酸化性電極層１１および酸素供給層１２はいずれも非磁性であり、透明電極層１４は垂直磁化性を有するものとすることができる。また、透明電極層１４が透明基板１５の表面に配置される。
【解決手段】変調する光を透過しかつ導電性を有する透明電極層１４と、強磁性を有しかつ導電性を有する磁性酸化物層１３と、酸化材料を含む酸素供給層１２と、酸素供給層１２から供給される酸素により酸化される導電性膜からなる酸化性電極層１１とがこの順に設けられる。酸化性電極層１１および酸素供給層１２はいずれも非磁性であり、透明電極層１４は垂直磁化性を有するものとすることができる。また、透明電極層１４が透明基板１５の表面に配置される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、入射光に対し電気信号によって光変調を行う光変調素子、光変調方法、および光変調装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、光がもつ強度や位相または偏光などの空間分布を電気信号によって変調する光変調素子は、光シャッタや空間光変調器またはディスプレイ（プロジェクタ）などの種々の用途に用いられている。
【０００３】
しかし、液晶（ＬＣＤ）やデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）などに代表される従来の光変調素子は、その動作速度が１０μｓｅｃ〜１０ｍｓｅｃとかなり低速であった。
【０００４】
より高速で動作可能な光変調素子として、磁気光学効果を利用した光変調素子が提案されている。
【０００５】
例えば、ＬａＳｒＭｎＯ3 などの強相関電子材料上に３電極を形成した半導体デバイスが提案されている（特許文献１）。これによると、ゲート電極に印加する電圧を制御することにより、半導性強相関電子材料のキャリア濃度を変調し、常温で強磁性と常磁性とが切り換えられる。
【０００６】
また、電子軌道が整列状態を示す固体材料を電極で挟んだ素子と、素子から生じた透過光または反射光の偏光面の回転を検出する手段を具備した固体表示素子が提案されている（特許文献２）。電圧の印加によって、固体材料を反強的軌道秩序相または強的秩序相に相変化させる。
【０００７】
また、２つの電極間に微小な磁性体を配置し、磁性体にスピンの向きがそろった電子を流すスピン注入型の光変調素子が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平９−９２９０３号
【特許文献２】特許第３８０９９１０号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、光通信技術または光情報処理技術の進展のためには、遅くとも１００ｎｓｅｃ程度の高速で動作する光変調素子の開発が望まれる。また、環境負荷を低減する観点から、省電力の光変調素子の開発も望まれる。
【００１０】
さらに、複数の光変調素子を２次元アレイ状に配置した空間光変調器やディスプレイに利用するためには、一層の高精細化が求められる。従来のいずれの光変調素子も、こうした状況に十分に対応できるものではなかった。
【００１１】
また、スピン注入型の光変調素子では、電流駆動型であるので、消費電力が大きくなる。
【００１２】
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、磁気光学効果などを利用することによって高速な動作が可能であり、かつ消費電力を少なくすることができ、また多段階階調性を得ることが可能な光変調素子、そのような光変調素子を用いた光変調方法、および光変調装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本明細書で提案される実施形態の光変調素子は、変調する光を透過しかつ導電性を有する透明電極層と、強磁性を有しかつ導電性を有する磁性酸化物層と、酸化材料を含む酸素供給層と、前記酸素供給層から供給される酸素により酸化される導電性膜からなる酸化性電極層と、がこの順に設けられる。
【００１４】
本明細書で提案される実施形態の光変調方法は、前記酸化性電極層と前記透明電極層との間に、正負が交互に反転する交番電圧を印加して前記磁性酸化物層における飽和磁化を変化させ、前記透明電極層の側から入射した偏光に対し磁気光学効果を与えて偏光面を回転させる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によると、高速な動作が可能であり、かつ消費電力を少なくすることができ、また多段階階調性を得ることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】第１の実施形態の光変調素子の構造を示す図である。
【図２】第１の実施形態の光変調素子の動作状態を示す図である。
【図３】光変調素子による光変調方法を説明する図である。
【図４】磁性酸化物層の飽和磁化Ｍｓの変化の様子を説明する図である。
【図５】光変調素子に印加する交番電圧の波形の例を示す図である。
【図６】第２の実施形態の光変調素子の構造を示す図である。
【図７】第２の実施形態の光変調素子の動作状態を示す図である。
【図８】第３の実施形態の光変調素子の構造を示す図である。
【図９】第３の実施形態の光変調素子の動作状態を示す図である。
【図１０】垂直磁化膜の磁化の様子を説明する図である。
【図１１】第４の実施形態の光変調素子の構造を示す図である。
【図１２】第４の実施形態の光変調素子の動作状態を示す図である。
【図１３】第５の実施形態の光変調素子の動作状態を示す図である。
【図１４】第６〜第９の実施形態の光変調素子の構造を示す図である。
【図１５】第１０の実施形態の光変調素子の構造を示す図である。
【図１６】第１０の実施形態の光変調素子の動作状態を示す図である。
【図１７】第１１の実施形態の光変調素子の構造を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
〔第１の実施形態〕
図１において、光変調素子１は、酸化性電極層１１、酸素供給層１２、磁性酸化物層１３、透明電極層１４、および透明基板１５が、この順に設けられてなっている。つまり、磁性酸化物層１３と酸素供給層１２とを積層した構造体（以下、「積層体ＫＫ」と記載することがある）を２つの電極（酸化性電極層１１と透明電極層１４）で挟んだサンドイッチ構造である。酸化性電極層１１、酸素供給層１２、磁性酸化物層１３、および透明電極層１４を「サンドイッチ構造体ＳＫ」と記載することがある。第１の実施形態の光変調素子１は、サンドイッチ構造体ＳＫにおける透明電極層１４が、透明基板１５の表面に設けられたものである。
【００１８】
磁性酸化物層１３と酸素供給層１２との２層を組み合わせることで光変調素子としての素子機能が実現される。サンドイッチ構造体ＳＫに電圧を印加することにより（図２参照）、酸素供給層１２の発生する酸素イオンに由来する電子を取り出し、この電子を磁性酸化物層１３に注入する。これにより、磁性酸化物層１３の電子密度を変化させ、磁性（飽和磁化）を変化させる。
【００１９】
すなわち、光変調素子１を動作させるには、酸化性電極層１１と透明電極層１４との間に、正負が交互に反転する交番電圧を印加して磁性酸化物層１３における磁性（飽和磁化）を可逆的に変化させる。これによって、透明電極層１４の側から入射した偏光光線（偏光）に対し磁気光学効果（ファラデー効果、カー効果）を与えて偏光面を回転させる。
【００２０】
以下、光変調素子１の構造について詳しく説明する。
【００２１】
図１において、酸化性電極層１１は、酸化され易い導電性膜からなり、酸素供給層１２から供給される酸素により酸化される。酸化性電極層１１として、非磁性の材料が用いられる。酸化性電極層１１を非磁性とすることにより、透明基板１５の側から入射した偏光光線が仮に酸素供給層１２を透過して酸化性電極層１１にまで達した場合であっても、酸化性電極層１１が偏光面の回転に影響を与えることがない。具体的には、酸化性電極層１１として金属が用いられ、例えば、Ｔａ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｃｒ、Ｗ、Ｖ、Ｍｎ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｉｎ、Ｓｎ、またはこれらの合金などが用いられる。なお、本実施形態においては、透明基板１５の側から偏光光線を入射させるので、酸化性電極層１１は透明である必要はない。
【００２２】
酸素供給層１２は、酸素イオンの移動し易い酸素イオン伝導膜であり、酸素イオンＯ2-を発生する。酸素供給層１２には、偏光面の回転に影響を与えないように非磁性の材料を用いる。酸素供給層１２は、一種の酸化物であってもよい。酸素供給層１２には、例えば固体電解質などが用いられる。具体的には、酸素供給層１２として、例えば、ＰｒＣａＭｎＯ3 、Ｙ2 Ｏ3 などが用いられる。
【００２３】
磁性酸化物層１３は、室温で強磁性を有し、かつ導電性を有する。つまり、磁性酸化物層１３として、飽和磁化が大きい材料を用いる。つまり、例えば、図４に示す大きい方の磁化曲線ＣＶＢにおける飽和磁化ＭｓＢを有する材料を用いる。また、磁性酸化物層１３として、磁性イオンの価数変化によって磁性の変化が可能な酸化物膜を用いる。磁性酸化物層１３に電圧を印加することによりその飽和磁化を低下させ、これによって入射した偏光光線に磁気光学効果を与える。磁性酸化物層１３の厚さは、磁性酸化物層１３の全体の磁性が変化する程度に薄いものとする（例えば１〜２０ｎｍ程度）。なお、本実施形態において、磁性酸化物層１３の磁化の状態は面内磁化膜である。
【００２４】
具体的には、磁性酸化物層１３として、例えば、Ｆｅ3 Ｏ4 などの鉄酸化物、ＬａＳｒＭｎＯ3 、ＬａＮｉＭｎＯ3 などＭｎ酸化物などが用いられる。
【００２５】
透明電極層１４は、変調を行うために入射した光線が透過可能なように透明であり、かつ導電性を有する。透明電極層１４と磁性酸化物層１３との界面が酸化されることを抑止するため、透明電極層１４には、酸化され難い材料を用いる。また、透明電極層１４には、偏光面の回転に影響を与えないように非磁性の材料を用いる。具体的には、透明電極層１４として、例えば、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｒｕなどの非酸化性金属、または、ＳｒＲｕＯ3 、ＩＴＯ、ＺｎＯなどの透明導電材料が用いられる。これらの合金を用いることも可能である。透明電極層１４として非酸化性金属を用いる場合には、入射された偏光光線を透過させる程度に薄いこと（例えば１〜２０ｎｍ程度）が必要である。
【００２６】
透明基板１５は、サンドイッチ構造体ＳＫの成膜の基台となるものであり、またサンドイッチ構造体ＳＫを支持するものである。透明基板１５は、本実施形態においては、入射する偏光光線に対して透明であることが必要である。具体的には、透明基板１５として、例えば、ＭｇＯ、Ａｌ2 Ｏ3 、ＳｉＯ2 などが用いられる。
【００２７】
各層の厚さの具体例をあげると、酸化性電極層１１は、１００〜２００ｎｍ程度、酸素供給層１２は、１００〜２００ｎｍ程度である。磁性酸化物層１３は、上に述べたように１〜２０ｎｍ程度、または１０〜２０ｎｍ程度である。透明電極層１４は、上に述べたように１〜２０ｎｍ程度、または１０〜２０ｎｍ程度である。これらは、例えばスパッタによって成膜を行う。透明基板１５は、３００〜１０００μｍ程度である。
【００２８】
次に、光変調素子１の動作について説明する。
【００２９】
図２には、光変調素子１および制御電圧源２１からなる光変調装置ＨＳが示されている。
【００３０】
図２（Ａ）に示すように、酸化性電極層１１と透明電極層１４との間に制御電圧源（信号源）２１を接続し、酸化性電極層１１がプラス側、透明電極層１４がマイナス側となるように、電圧を印加する。そうすると、酸素供給層１２で発生した酸素イオンはマイナスの電荷を持っているので、プラス極である酸化性電極層１１の界面ＫＭに引き寄せられ、界面ＫＭを酸化する。これにより、界面ＫＭに酸素が偏在した状態となる。
【００３１】
これにより、酸素イオンの持っている電子が取り出され、これによって、次の式に示すように酸素イオンに由来する電子ｅ- が発生する。
【００３２】
Ｍ ＋ ｘＯ2- → ＭＯｘ ＋ ２ｘｅ-
発生した電子ｅ- は、外部回路である制御電圧源２１を介してマイナス極である透明電極層１４に流入する。これにより、電子ｅ- は、透明電極層１４を介して磁性酸化物層１３に注入され、鉄酸化物の場合におけるＦｅ（＋3)イオン、Ｍｎ酸化物におけるＭｎ（＋4)イオンを還元し、その価数を変化させる。つまり、磁性酸化物層１３および透明電極層１４の近傍に多くの電子が溜まり、電子密度が高くなる。その結果、磁性酸化物層１３の飽和磁化Ｍｓが低下する。つまり、磁性酸化物層１３の飽和磁化Ｍｓが小さい状態となる。例えば、図４に示す大きい方の磁化曲線ＣＶＢから小さい方の磁化曲線ＣＶＡに変化し、その結果、飽和磁化Ｍｓは、ＭｓＢからＭｓＡと小さくなる。
【００３３】
なお、図４に示す磁化曲線ＣＶＡ，Ｂにおいて、飽和磁化ＭｓＡ，Ｂは、それぞれ残留磁化ＭｒＡ，Ｂと同じか、またはほぼ同じである。飽和磁化ＭｓＡ，Ｂと残留磁化ＭｒＡ，Ｂとが異なる場合には、上に述べた飽和磁化Ｍｓに代えて、残留磁化Ｍｒを用いればよい。
【００３４】
ところで、制御電圧源２１の電圧がパルス状の電圧であっても、つまり、印加される電圧がゼロになった後も、磁性酸化物層１３の近辺における電子密度の高い状態が維持され、磁性酸化物層１３の飽和磁化Ｍｓの小さい状態が維持される。つまり、光変調素子１における飽和磁化Ｍｓの状態は不揮発性である。これを元の状態に戻すには、逆の極性の電圧を印加する。
【００３５】
すなわち、図２（Ｂ）に示すように、制御電圧源２１の極性を切り換えて、酸化性電極層１１がマイナス側、透明電極層１４がプラス側となるように電圧を印加する。そうすると、磁性酸化物層１３に引っ張られていた電子ｅ- はプラスの電位によって磁性酸化物層１３から引き抜かれ、磁性酸化物層１３のＦｅ（＋2)イオンまたはＭｎ（＋3)イオンの価数が元に戻る。その結果、磁性酸化物層１３の飽和磁化Ｍｓが元の大きい状態に回復する。磁性酸化物層１３から引き抜かれた電子は、外部回路である制御電圧源２１を通って、マイナス極である酸化性の金属からなる酸化性電極層１１に戻ってくる。
【００３６】
酸化性電極層１１に流入した電子は、酸化性電極層１１と酸素供給層１２との間で酸化状態にある界面ＫＭを還元する。これによって、酸化性電極層１１および酸素供給層１２は元の状態に戻る。つまり、酸化状態にあった界面ＫＭは、電子が入ってくることにより、酸素イオンの状態に戻る。イオンになって電荷を持つと、界面ＫＭの酸化の状態は解消される。
【００３７】
このように、酸化性電極層１１と透明電極層１４との間に印加する電圧の極性を交互に反転することにより、磁性酸化物層１３の飽和磁化Ｍｓが大（ＭｓＢ）と小（ＭｓＡ）とに切り換えられる。
【００３８】
そうすると、透明基板１５の側から入射した偏光光線は、磁性酸化物層１３と透明電極層１４との界面の近辺において反射するとともに、飽和磁化Ｍｓの大きさに応じてその偏光面が回転される。
【００３９】
なお、飽和磁化Ｍｓの大きさは、酸化性電極層１１と透明電極層１４との間に印加される電圧の大きさおよびパルス幅の大きさに依存する。大きいプラスの電圧を印加すると、飽和磁化Ｍｓの低下が大きい。また、プラスの電圧のパルス幅が大きいほど飽和磁化Ｍｓの低下が大きい。
【００４０】
また、低下した飽和磁化Ｍｓを回復させるには、マイナスの電圧を印加すればよい。つまり、飽和磁化Ｍｓを低下させたときとは逆極性のエネルギーを与えることによって、飽和磁化Ｍｓが元に回復する。なお、飽和磁化Ｍｓの最大値は磁性酸化物層１３の材料などに依存する。
【００４１】
図３に示すように、光変調素子１の透明基板１５の側から偏光光線が入射するように偏光子２２を配置し、光変調素子１で反射した偏光光線が透過するように偏光子２３を配置する。制御電圧源２１からの電圧の大きさおよびパルス幅の大きさに応じて、反射する偏光光線の偏光面の回転角度が変化するので、偏光光線が偏光子２３を通過することによって、電圧の大きさまたはパルス幅に応じた強度の偏光光線が出力される。つまり、制御電圧源２１の電圧の大きさまたはパルス幅に応じて変調された偏光光線が出力される。
【００４２】
図５（Ａ）に示すように、制御電圧源２１による印加電圧として、上に述べたように、プラス側のパルスＰＲ１とマイナス側のパルスＰＲ２とが、休止期間をおいて交互に繰り返される交番電圧ＶＮ１を用いる。この場合に、プラス側の電圧Ｖ１は、例えば＋３ボルト程度、マイナス側の電圧Ｖ２は、例えば−４ボルト程度とする。また、パルスＰＲ１，２の幅Ｔ１，Ｔ２は、いずれも、例えば１〜１００ｎｓｅｃ程度である。したがって、この場合に、パルスＰＲ１，２の反転の周期Ｔ３を、例えば２〜１００ｎｓｅｃ程度とすることが可能である。
【００４３】
また、図５（Ｂ）に示すように、プラス側のパルスＰＲ３とマイナス側のパルスＰＲ４とが、休止期間をおくことなく、交互に繰り返される交番電圧ＶＮ２を用いてもよい。この場合に、パルスＰＲ３，４の幅Ｔ４，Ｔ５を例えばそれぞれ０．５ｎｓｅｃ程度とした場合には、飽和磁化Ｍｓの切り換えの周期を１ｎｓｅｃ程度とすることも可能であり、光変調を高速で行うことができる。
【００４４】
また、正負が交互に反転する交番電圧ＶＮとして、プラス側のパルスＰＲ１またはマイナス側のパルスＰＲ２が、それぞれ複数個連続するような交番電圧ＶＮでもよい。この場合には、複数個のパルスからなるパルス群によって１回の電圧の印加が行われたと考えればよい。
【００４５】
このように、上に述べた実施形態の光変調素子１によると、飽和磁化Ｍｓを変化させるのが電子注入方式（電圧印加方式）であるので、高速な動作が可能である。例えば数ｎｓｅｃ〜数十ｎｓｅｃ程度の高速動作が可能である。
【００４６】
上に述べた実施形態の光変調素子１によると、制御電圧源２１から光変調素子１に対して電圧を印加することにより磁性酸化物層１３の飽和磁化Ｍｓの状態を変化させることが可能であり、飽和磁化Ｍｓの状態は不揮発性であるから、電圧駆動型であり、消費電力を少なくすることができる。
【００４７】
また、制御電圧源２１の電圧をアナログ的な多段階階調とすることにより、飽和磁化Ｍｓを多段階階調に変化させることができ、多段階階調の光変調が可能である。
【００４８】
例えば、光変調素子１をパルスによって駆動して光変調を行うとともに、パルス強度変調またはパルス幅変調などを行うことが可能である。
【００４９】
上に述べた実施形態の光変調素子１は、小型のものとすることができる。したがって、例えば小型の光シャッタとして利用することができる。また、複数個の光変調素子１を２次元的にアレイ状に配置することによって、高精細の空間光変調器として利用することができる。
〔第２の実施形態〕
上に述べた第１の実施形態では、透明基板１５の表面にサンドイッチ構造体ＳＫにおける透明電極層１４を設けたが、第２の実施形態では、サンドイッチ構造体ＳＫの積層の順序を逆にし、基板１５Ｂの表面にサンドイッチ構造体ＳＫＢにおける酸化性電極層１１を設ける。
【００５０】
なお、第２の実施形態では、サンドイッチ構造体ＳＫＢの表裏が逆である点を除いて第１の実施形態と同様な構造であるので、各要素に符号「Ｂ」を付して説明を省略しまたは簡略化する。以下においても同様に、各要素に符号「Ｃ」「Ｄ」などを付して示す。
【００５１】
すなわち、図６において、光変調素子１Ｂは、透明電極層１４Ｂ、磁性酸化物層１３Ｂ、酸素供給層１２Ｂ、酸化性電極層１１Ｂ、および基板１５Ｂが、この順に設けられてなっている。
【００５２】
偏光光線は、透明電極層１４Ｂの側から入射し、同じ側に反射する。したがって、基板１５Ｂは透明である必要はない。
【００５３】
図７に示すように、酸化性電極層１１Ｂと透明電極層１４Ｂとの間に制御電圧源２１を接続し、交番電圧ＶＮを印加する。これによって、第１の実施形態で述べた作用により、磁性酸化物層１３Ｂの飽和磁化Ｍｓが可逆的に変化し、入射した偏光光線を変調することができる。
〔第３の実施形態〕
第３の実施形態では、透明電極層１４Ｃを垂直磁化膜とする。透明電極層１４Ｃを垂直磁化膜とすることにより、磁性酸化物層１３における飽和磁化Ｍｓの変化によって、透明電極層１４Ｃの磁化の状態が垂直磁化と面内磁化との間で変化する。これにより、偏光光線に対して極カー効果が生じ、かつ極カー効果の大きさが変化することを利用して光変調を行う。
【００５４】
つまり、透明電極層１４Ｃは、磁性酸化物層１３Ｃにおける飽和磁化Ｍｓの変化を増幅するエンハンス層として機能する。
【００５５】
すなわち、図８において、光変調素子１Ｃは、酸化性電極層１１Ｃ、酸素供給層１２Ｃ、磁性酸化物層１３Ｃ、透明電極層１４Ｃ、および透明基板１５Ｃが、この順に設けられてなっている。
【００５６】
透明電極層１４Ｃは、入射した光線が透過可能なように透明であって、酸化され難く、垂直磁化を示す導電性膜である。具体的には、例えば、ＣｏＣｒＰｔなどが用いられる。透明電極層１４Ｃの厚さは、例えば１０〜５０ｎｍ程度であり、例えば２５〜５０ｎｍとし、または３０ｎｍ程度とすることができる。
【００５７】
なお、磁性酸化物層１３Ｃと透明電極層１４Ｃとの厚さの比率は、磁気的な相互作用が十分に表れるように決定すればよい。例えば、磁性酸化物層１３Ｃの厚さを１０ｎｍ程度とした場合に、透明電極層１４Ｃは３０ｎｍ程度とする。
【００５８】
図１０（Ａ）に示すように、透明電極層１４Ｃの磁化の状態は、磁性酸化物層１３Ｃの飽和磁化Ｍｓが小さいときには、垂直磁化の状態である。しかし、図１０（Ｂ）に示すように、磁性酸化物層１３Ｃの飽和磁化Ｍｓが大きくなると、その飽和磁化Ｍｓの影響を受けて、透明電極層１４Ｃにおける垂直磁化が減少し、面内磁化の状態となる。
【００５９】
図９（Ａ）に示すように、酸化性電極層１１Ｃと透明電極層１４Ｃとの間に制御電圧源２１を接続し、酸化性電極層１１Ｃにプラスの電圧を印加する。これにより、酸素供給層１２Ｃで発生した酸素イオンは酸化性電極層１１Ｃの界面ＫＭに引き寄せられ、界面ＫＭに酸素が偏在した状態となる。これにより、酸素イオンに由来する電子ｅ- が発生する。
【００６０】
発生した電子ｅ- は、制御電圧源２１を介して透明電極層１４Ｃに流入する。これにより、電子ｅ- は磁性酸化物層１３Ｃに注入され、その価数を変化させる。つまり、磁性酸化物層１３Ｃおよび透明電極層１４Ｃの近辺に多くの電子が溜まり、電子密度が高くなる。その結果、磁性酸化物層１３Ｃの飽和磁化Ｍｓが低下する。
【００６１】
磁性酸化物層１３Ｃの飽和磁化Ｍｓが低下することにより、磁性酸化物層１３Ｃとの磁気的相互作用が弱くなり、透明電極層１４Ｃが垂直磁化の状態に戻る。これによって、入射した偏光光線に対して極カー効果が生じ、偏光光線の偏光面の回転が大きくなる。つまり、大きなカー回転角が得られる。
【００６２】
次に、図９（Ｂ）に示すように、酸化性電極層１１Ｃがマイナス側、透明電極層１４Ｃがプラス側となるように電圧を切り換えると、磁性酸化物層１３Ｃのイオンの価数が元に戻る。その結果、磁性酸化物層１３Ｃの飽和磁化Ｍｓが元の大きい状態に回復する。そのため、磁性酸化物層１３Ｃとの磁気的相互作用が強くなり、透明電極層１４Ｃが面内磁化の状態となる。これによって、入射した偏光光線の偏光面の回転が小さくなる。つまり、小さなカー回転角が検出される。
【００６３】
第３の実施形態の光変調素子１Ｃによると、透明電極層１４Ｃの垂直磁化による極カー効果が主として働くので、偏光光線に対する偏光角の変化を大きくとることができる。
〔第４の実施形態〕
上に述べた第３の実施形態では、透明基板１５Ｃの表面にサンドイッチ構造体ＳＫＣにおける透明電極層１４Ｃを設けたが、第４の実施形態では、サンドイッチ構造体ＳＫＤの積層の順序を逆にし、基板１５Ｄの表面にサンドイッチ構造体ＳＫＤにおける酸化性電極層１１Ｄを設ける。
【００６４】
すなわち、図１１において、光変調素子１Ｄは、透明電極層１４Ｄ、磁性酸化物層１３Ｄ、酸素供給層１２Ｄ、酸化性電極層１１Ｄ、および基板１５Ｄが、この順に設けられてなっている。
【００６５】
偏光光線は、透明電極層１４Ｄの側から入射し、同じ側に反射する。したがって、基板１５Ｄは透明である必要はない。
【００６６】
図１２に示すように、酸化性電極層１１Ｄと透明電極層１４Ｄとの間に制御電圧源２１を接続し、交番電圧ＶＮを印加する。これによって、第３の実施形態で述べたと同様な作用により、磁性酸化物層１３Ｄの飽和磁化Ｍｓが可逆的に変化し、入射した偏光光線を変調することができる。
〔第５の実施形態〕
次に、第５の実施形態について説明する。第５の実施形態では、第３の実施形態における各層の材料を具体的に示す。
【００６７】
すなわち図１３において、光変調素子１Ｅは、酸化性電極層１１ＣとしてＴａが用いられる。酸素供給層１２ＣとしてＰＣＭＯが用いられ、磁性酸化物層１３ＣとしてＦｅ3 Ｏ4 が用いられ、透明電極層１４ＣとしてＣｏＣｒＰｔが用いられる。
【００６８】
このような構造の光変調素子１Ｅは、上に述べた光変調素子１Ｃと同様に動作し、入射した偏光光線を光変調することができる。
【００６９】
しかし、この構造の光変調素子１Ｅを実際にデバイスとして製造した場合に、スパッタによる成膜後に、透明電極層１４Ｃなどの表面が凸凹の荒れた状態となることがある。つまり、透明電極層１４Ｃの表面が見た目でスリガラス状のようになる。その場合には、入射した偏光光線が散乱してしまう。この理由は次のように考えられる。
【００７０】
すなわち、Ｆｅ3 Ｏ4 やＰＣＭＯの成膜に際しては、温度を３００〜４００°Ｃに上げた加熱成膜を行う。そのため、例えばＰＣＭＯ中の酸素イオンの動きが活発化し、還元性酸化物であるＦｅ3 Ｏ4 に酸素イオンがＰＣＭＯから拡散し、かつ、薄いＦｅ3 Ｏ4 を通過して、Ｆｅ3 Ｏ4 とＣｏＣｒＰｔとの界面、またはＣｏＣｒＰｔと基板との界面に、酸素イオンが蓄積して気泡化する。
【００７１】
ＣｏＣｒＰｔは酸化され難く、かつ、薄いために、酸素イオンを通過させてしまう。また、透明基板１５Ｃも酸化され難い。したがって、拡散してきた酸素イオンの逃げ道がなく、また拡散してきた酸素イオンを取り込むことができない。そのため、透明電極層１４Ｃが透明基板１５Ｃとの界面などに気泡を作ってしまい、その気泡が原因で膜が浮いてしまい、表面が凸凹になる。つまり、ＰＣＭＯからやってきた酸素の逃げ道がなくなり、界面の近傍で気泡を作ってしまい、この気泡が膜を荒れた状態にしている。
【００７２】
そこで、この問題を解決するための４つの改善案を、次に第６〜第９の実施形態として示す。
〔第６の実施形態〕
図１４（Ａ）に示すように、光変調素子１Ｆでは、透明電極層１４Ｃと透明基板１５Ｃとの間に、Ａｌ（アルミニウム）などからなる酸素吸収層１６Ｆを設ける。酸素吸収層１６Ｆは、拡散してきた酸素イオンによって容易に酸化され、その酸化体が透明になる非磁性の物質からなる。酸素吸収層１６Ｆを設けることにより、逃げ場のなくなった酸素を取り込み、気泡の発生を防ぐ。
〔第７の実施形態〕
第６の実施形態では、酸素吸収層１６ＦとしてＡｌを用いたので、これが酸化物となった場合に導電性がなくなる。そうすると、透明電極層１４Ｃのみが通電に用いられることとなるが、透明電極層１４Ｃは薄いので、耐久性の点から望ましくない。そこで、第７の実施形態では、酸素吸収層１６Ｇを導電性のある下地層として配置した。
【００７３】
第７の実施形態の光変調素子１Ｇでは、図１４（Ｂ）に示すように、酸素吸収層１６ＧとしてＲｕ（ルテニウム）を用いる。Ｒｕの酸化物は透明であるとともに導電性があるので、全体の抵抗値を下げることができ、酸素吸収層１６Ｇを介しても通電され、透明電極層１４Ｃの耐久性を向上させることができる。
〔第８の実施形態〕
第７の実施形態では、Ｒｕの酸素吸収層１６Ｇが厚すぎた場合に、Ｒｕを酸化させるための酸素が足らなくなり、Ｒｕが酸化しきれず、したがって透明にならない。
【００７４】
そこで、第８の実施形態の光変調素子１Ｈでは、図１４（Ｃ）に示すように、Ｒｕの全部が酸化されて透明になるように酸素吸収層１６Ｈを薄くする。そして、導電性を確保するために、導電性を持ち非磁性で透明な酸化体であるＲｕＯｘからなる導電性透明酸化物層１７Ｈを設ける。導電性透明酸化物層１７Ｈは、導電性を補助するための電極として働く。
〔第９の実施形態〕
第８の実施形態では、酸素吸収層１６Ｈと導電性透明酸化物層１７Ｈとの２つの層を設けたが、第９の実施形態では、図１４（Ｄ）に示すように、酸化が不十分な酸化体からなる１つの導電性透明酸化物層１７Ｊを設ける。
【００７５】
導電性透明酸化物層１７Ｊは、例えばＲｕＯｙからなり、第８の実施形態のＲｕＯｘよりも酸化が不十分である。つまり、この場合に、ｙ＜ｘである。導電性透明酸化物層１７Ｊは、酸化物と金属との中間の物質のような存在である。
【００７６】
なお、酸素イオンによって容易に酸化され、その酸化体が導電性を持ち、かつ透明になる物質には、Ｒｕ、Ｒｅ、Ｉｒ、Ｏｓ、ＡｇＰｄ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｌａ、Ｅｕなどがある。これらは、酸素吸収層１６Ｆ〜１６Ｈ、または導電性透明酸化物層１７Ｈ，１７Ｊとして用いることが可能である。
〔第１０の実施形態〕
上に述べた第１〜第９の実施形態では、磁気光学効果を用いて光変調を行っているが、第１０の実施形態では、光学的な反射率を変化させることによって光変調を行う。
【００７７】
すなわち、図１５において、光変調素子１Ｋは、酸化性電極層１１Ｋ、酸素供給層１２Ｋ、導電性透明酸化物層１８Ｋ、および透明基板１５Ｋが、この順に設けられてなっている。酸化性電極層１１Ｋ、酸素供給層１２Ｋ、および導電性透明酸化物層１８Ｋは、サンドイッチ構造体ＳＫＫを構成する。
【００７８】
酸化性電極層１１Ｋは、酸化され易い導電性膜からなる。酸化性電極層１１Ｋは、磁性または非磁性のいずれであってもよい。具体的には、酸化性電極層１１Ｋとして金属が用いられ、例えば、Ｔａ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｃｒ、Ｗ、Ｖ、Ｍｎ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、またはこれらの合金などが用いられる。なお、本実施形態においては、透明基板１５Ｋの側から光を入射させるので、酸化性電極層１１Ｋは透明である必要はない。
【００７９】
酸素供給層１２Ｋは、酸素イオンの移動し易い酸素イオン伝導膜であり、酸素イオンＯ2-を発生する。酸素供給層１２Ｋは、ｐ型半導性であることが好ましい。酸素供給層１２Ｋは、磁性または非磁性のいずれであってもよい。具体的には、酸素供給層１２Ｋとして、例えば、ＬａＳｒＭｎＯ3 、ＬａＮｉＭｎＯ3 、ＰｒＣａＭｎＯ3 、Ｙ2 Ｏ3 などが用いられる。
【００８０】
導電性透明酸化物層１８Ｋは、透明であって導電性を有する酸化物膜からなる。導電性透明酸化物層１８Ｋは、酸化され難い電極である。導電性透明酸化物層１８Ｋは、磁性または非磁性のいずれであってもよい。導電性透明酸化物層１８Ｋとして、例えば、Ｆｅ3 Ｏ4 、ＬａＳｒＭｎＯ3 、ＬａＮｉＭｎＯ3 、ＰｒＣａＭｎＯ3 、ＲｕＯｘなどが用いられる。
【００８１】
透明基板１５Ｋは、本実施形態においては、入射する光に対して透明であることが必要である。具体的には、透明基板１５Ｋとして、例えば、ＭｇＯ、Ａｌ2 Ｏ3 、ＳｉＯ2 などが用いられる。
【００８２】
各層の厚さの具体例をあげると、酸化性電極層１１Ｋは、１００〜２００ｎｍ程度、酸素供給層１２Ｋは、１００〜２００ｎｍ程度である。導電性透明酸化物層１８Ｋは、２０〜１００ｎｍ程度である。これらは、例えばスパッタによって成膜を行う。透明基板１５Ｋは、３００〜１０００μｍ程度である。また、酸化性電極層１１Ｋの直径は、例えば、４０μｍ〜４００μｍ程度である。
【００８３】
次に、光変調素子１Ｋの動作について説明する。
【００８４】
図１６（Ａ）に示すように、酸化性電極層１１Ｋと導電性透明酸化物層１８Ｋとの間に制御電圧源２１を接続し、酸化性電極層１１Ｋがプラス側、導電性透明酸化物層１８Ｋがマイナス側となるように、電圧を印加する。そうすると、酸素供給層１２Ｋで発生した酸素イオンはプラス極である酸化性電極層１１Ｋの界面ＫＭに引き寄せられ、界面ＫＭを酸化する。これにより、界面ＫＭに酸素が偏在した状態となる。
【００８５】
これにより、酸素イオンの持っている電子が取り出され、酸素イオンに由来する電子ｅ- が発生する。
【００８６】
発生した電子ｅ- は、外部回路である制御電圧源２１を介してマイナス極である導電性透明酸化物層１８Ｋに流入する。これにより、電子ｅ- は、導電性透明酸化物層１８Ｋ、酸素供給層１２Ｋ、またはこれらの界面ＫＭＢに注入される。電子ｅ- が注入されると、その近傍において電子密度の高い状態に遷移する。その結果、物質の電子構造、例えばバンド構造などが変化し、その部分の反射率が高くなる。
【００８７】
例えば、図１６（Ａ）において、導電性透明酸化物層１８Ｋと酸素供給層１２Ｋとの間の界面ＫＭＢが高反射率化する。反射率が高くなることによって、光の反射量が増大する。例えば、制御電圧源２１による電圧をかける前と比べて、反射率が２〜１０倍程度に大きくなる。
【００８８】
光変調素子１Ｋに印加する電圧は、パルス状の電圧であっても直流であってもよい。パルス状の電圧を印加することによて、図１６（Ａ）に示した状態が維持される。つまり、不揮発性である。これを元の状態に戻すには、逆の極性の電圧を印加する。
【００８９】
すなわち、図１６（Ｂ）に示すように、制御電圧源２１の極性を切り換えて、酸化性電極層１１Ｋがマイナス側、導電性透明酸化物層１８Ｋがプラス側となるように電圧を印加する。そうすると、導電性透明酸化物層１８Ｋ、酸素供給層１２Ｋ、または界面ＫＭＢから電子ｅ- が引き抜かれ、これらは電子密度が小さい状態、つまり元の状態に戻る。その結果、物質の電子構造が元に戻り、反射率が小さい状態に戻る。
【００９０】
引き抜かれた電子は、外部回路である制御電圧源２１を通って、マイナス極である酸化性電極層１１Ｋに戻ってくる。酸化性電極層１１Ｋに流入した電子は、酸化性電極層１１Ｋと酸素供給層１２Ｋとの間の界面ＫＭを還元する。これによって、酸化性電極層１１Ｋおよび酸素供給層１２Ｋは元の状態に戻る。つまり、酸化状態にあった界面ＫＭは、電子が入ってくることにより酸素イオンの状態に戻る。
【００９１】
このように、酸化性電極層１１Ｋと導電性透明酸化物層１８Ｋとの間に印加する電圧の極性を交互に反転することにより、導電性透明酸化物層１８Ｋ、酸素供給層１２Ｋ、または界面ＫＭＢの近傍における光学的な反射率が変化する。
【００９２】
そうすると、透明基板１５Ｋの側から入射した光は、界面ＫＭＢの近傍において反射するとともに、反射率に応じた強さの光となって出力される。
【００９３】
なお、光変調素子１Ｋにおける反射率の変化の大きさは、酸化性電極層１１Ｋと導電性透明酸化物層１８Ｋとの間に印加される電圧の大きさおよびパルス幅の大きさに依存する。大きいプラスの電圧を印加すると、反射率が高くなる。また、プラスの電圧のパルス幅が大きいほど反射率が高くなる。
【００９４】
また、光変調素子１Ｋにおける反射率を元に戻すには、マイナスの電圧を印加すればよい。つまり、反射率を高くさせたときとは逆極性のエネルギーを与えることによって、反射率が元に回復する。
【００９５】
なお、光変調素子１Ｋに入射させる光は、偏光でも自然光でもよい。制御電圧源２１からの電圧の大きさおよびパルス幅の大きさに応じて、反射光の強度が変化する。つまり、制御電圧源２１の電圧の大きさまたはパルス幅に応じて変調された光が出力される。
【００９６】
光変調素子１Ｋに印加する電圧として、第１の実施形態で説明したような種々の電圧を用いることができる。
【００９７】
第１０の実施形態の光変調素子１Ｋについても、電圧の印加による反射率の変化は不揮発性であるから、電圧駆動型であり、消費電力を少なくすることができる。
【００９８】
また、制御電圧源２１の電圧をアナログ的な多段階階調とすることにより、反射率を多段階階調に変化させることができ、多段階階調の光変調が可能である。
〔第１１の実施形態〕
上に述べた第１０の実施形態では、透明基板１５Ｋの表面にサンドイッチ構造体ＳＫＫにおける導電性透明酸化物層１８Ｋを設けたが、第１１の実施形態の光変調素子１Ｌでは、サンドイッチ構造体ＳＫＫの積層の順序を逆にし、基板１５Ｌの表面にサンドイッチ構造体ＳＫＬにおける酸化性電極層１１Ｌを設ける。
【００９９】
すなわち、図１７において、光変調素子１Ｌは、導電性透明酸化物層１８Ｌ、酸素供給層１２Ｌ、酸化性電極層１１Ｌ、および基板１５Ｌが、この順に設けられてなっている。光は、導電性透明酸化物層１８Ｋの側から入射し、同じ側に反射する。したがって、基板１５Ｌは透明である必要はない。
【０１００】
酸化性電極層１１Ｌと導電性透明酸化物層１８Ｌとの間に制御電圧源２１を接続し、交番電圧ＶＮを印加する。これによって、第１０の実施形態で述べた作用により、反射率が変化し、入射した光を変調することができる。
【０１０１】
上に述べた第１〜第１１の実施形態において、光変調素子１〜１Ｌにおける各層の材質、厚さ、形成方法などは、上に述べた以外の種々のものを採用することが可能である。さらに他の層を適当な位置に追加してもよい。制御電圧源２１として種々の電圧源または信号源を用いることができ、電圧値、電圧波形、パルスの幅、間隔または周期などは、上に述べた以外に種々変更することが可能である。
【０１０２】
本実施形態には次に記載する形態も含まれる。
（付記１） （１、図１〜１６）
変調する光を透過しかつ導電性を有する透明電極層と、
強磁性を有しかつ導電性を有する磁性酸化物層と、
酸化材料を含む酸素供給層と、
前記酸素供給層から供給される酸素により酸化される導電性膜からなる酸化性電極層と、
がこの順に設けられていることを特徴とする光変調素子。
（付記２） （図１〜７）
前記酸化性電極層、前記酸素供給層、および前記透明電極層は、いずれも非磁性である、
付記１記載の光変調素子。
（付記３） （２、図８〜１４）
前記酸化性電極層および前記酸素供給層は、いずれも非磁性であり、
前記透明電極層は、垂直磁化性を有する、
付記１記載の光変調素子。
（付記４） （３、図８〜１４）
前記磁性酸化物層は、面内磁化性を有する、
付記３記載の光変調素子。
（付記５） （図１〜５、図８〜１０）
透明基板を有し、前記透明電極層が前記透明基板の表面に配置されている、
付記１ないし４のいずれに記載の光変調素子。
（付記６） （図１４）
前記透明電極層と前記透明基板との間に、酸素吸収層が設けられている、
付記５記載の光変調素子。
（付記７） （４、図１４）
前記酸素吸収層として導電性を有する材料が用いられている、
付記６記載の光変調素子。
（付記８） （図１４）
前記酸素吸収層の導電性を補助するために、導電性を有し非磁性で透明な酸化体からなる導電性透明酸化物層が設けられている、
付記７記載の光変調素子。
（付記９） （図１４）
前記透明電極層と前記透明基板との間に、導電性を有し非磁性であって酸化が不十分な酸化体からなる導電性透明酸化物層が設けられている、
付記５記載の光変調素子。
（付記１０） （５、図１５〜１７）
変調する光を透過しかつ導電性を有する酸化物からなる導電性透明酸化物層と、
酸化材料を含む酸素供給層と、
前記酸素供給層から供給される酸素により酸化される導電性膜からなる酸化性電極層と、
がこの順に設けられていることを特徴とする光変調素子。
（付記１１） （図１５〜１６）
透明基板を有し、前記導電性透明酸化物層が前記透明基板の表面に配置されている、
付記１０記載の光変調素子。
（付記１２） （６、図１〜１４）
付記１記載の光変調素子を用い、
前記酸化性電極層と前記透明電極層との間に、正負が交互に反転する交番電圧を印加して前記磁性酸化物層における飽和磁化を変化させ、前記透明電極層の側から入射した偏光に対し磁気光学効果を与えて偏光面を回転させる、
ことを特徴とする光変調方法。
（付記１３） （７、図８〜１４）
付記３または４記載の光変調素子を用い、
前記酸化性電極層と前記透明電極層との間に、正負が交互に反転する交番電圧を印加して前記磁性酸化物層における飽和磁化を変化させ、これよって前記透明電極層における垂直磁化性を変化させ、前記透明電極層の側から入射した偏光に対し極カー効果を与えて偏光面を回転させる、
ことを特徴とする光変調方法。
（付記１４） （８、図１５〜１７）
付記１０または１１記載の光変調素子を用い、
前記酸化性電極層と前記導電性透明酸化物層との間に、正負が交互に反転する交番電圧を印加することにより、前記導電性透明酸化物層の側から入射した偏光に対する反射量を変化させる、
ことを特徴とする光変調方法。
（付記１５） （図１〜１４）
磁性酸化物層と酸素供給層との積層体を２つの電極で挟んだサンドイッチ構造とし、前記２つの電極間に交番電圧を印加して前記磁性酸化物層の飽和磁化を変化させ、入射した偏光に対し磁気光学効果を与えて偏光面を回転させる、
ことを特徴とする光変調方法。
（付記１６） （９、図１〜１４）
磁性酸化物層と酸素供給層とを有する積層体と、
前記積層体を挟む２つの電極と、
前記２つの電極間に交番電圧を印加する電圧源と、
を有することを特徴とする光変調装置。
【符号の説明】
【０１０３】
１，１Ｂ〜１Ｌ 光変調素子
１１ 酸化性電極層
１２ 酸素供給層
１３ 磁性酸化物層
１４ 透明電極層
１５ 透明基板
１６ 酸素吸収層
１７ 導電性透明酸化物層
１８ 導電性透明酸化物層
２１ 制御電圧源
２２ 偏光子
２３ 偏光子
ＨＳ 光変調装置
ＫＫ 積層体
ＳＫ サンドイッチ構造体
【技術分野】
【０００１】
本発明は、入射光に対し電気信号によって光変調を行う光変調素子、光変調方法、および光変調装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、光がもつ強度や位相または偏光などの空間分布を電気信号によって変調する光変調素子は、光シャッタや空間光変調器またはディスプレイ（プロジェクタ）などの種々の用途に用いられている。
【０００３】
しかし、液晶（ＬＣＤ）やデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）などに代表される従来の光変調素子は、その動作速度が１０μｓｅｃ〜１０ｍｓｅｃとかなり低速であった。
【０００４】
より高速で動作可能な光変調素子として、磁気光学効果を利用した光変調素子が提案されている。
【０００５】
例えば、ＬａＳｒＭｎＯ3 などの強相関電子材料上に３電極を形成した半導体デバイスが提案されている（特許文献１）。これによると、ゲート電極に印加する電圧を制御することにより、半導性強相関電子材料のキャリア濃度を変調し、常温で強磁性と常磁性とが切り換えられる。
【０００６】
また、電子軌道が整列状態を示す固体材料を電極で挟んだ素子と、素子から生じた透過光または反射光の偏光面の回転を検出する手段を具備した固体表示素子が提案されている（特許文献２）。電圧の印加によって、固体材料を反強的軌道秩序相または強的秩序相に相変化させる。
【０００７】
また、２つの電極間に微小な磁性体を配置し、磁性体にスピンの向きがそろった電子を流すスピン注入型の光変調素子が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平９−９２９０３号
【特許文献２】特許第３８０９９１０号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、光通信技術または光情報処理技術の進展のためには、遅くとも１００ｎｓｅｃ程度の高速で動作する光変調素子の開発が望まれる。また、環境負荷を低減する観点から、省電力の光変調素子の開発も望まれる。
【００１０】
さらに、複数の光変調素子を２次元アレイ状に配置した空間光変調器やディスプレイに利用するためには、一層の高精細化が求められる。従来のいずれの光変調素子も、こうした状況に十分に対応できるものではなかった。
【００１１】
また、スピン注入型の光変調素子では、電流駆動型であるので、消費電力が大きくなる。
【００１２】
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、磁気光学効果などを利用することによって高速な動作が可能であり、かつ消費電力を少なくすることができ、また多段階階調性を得ることが可能な光変調素子、そのような光変調素子を用いた光変調方法、および光変調装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本明細書で提案される実施形態の光変調素子は、変調する光を透過しかつ導電性を有する透明電極層と、強磁性を有しかつ導電性を有する磁性酸化物層と、酸化材料を含む酸素供給層と、前記酸素供給層から供給される酸素により酸化される導電性膜からなる酸化性電極層と、がこの順に設けられる。
【００１４】
本明細書で提案される実施形態の光変調方法は、前記酸化性電極層と前記透明電極層との間に、正負が交互に反転する交番電圧を印加して前記磁性酸化物層における飽和磁化を変化させ、前記透明電極層の側から入射した偏光に対し磁気光学効果を与えて偏光面を回転させる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によると、高速な動作が可能であり、かつ消費電力を少なくすることができ、また多段階階調性を得ることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】第１の実施形態の光変調素子の構造を示す図である。
【図２】第１の実施形態の光変調素子の動作状態を示す図である。
【図３】光変調素子による光変調方法を説明する図である。
【図４】磁性酸化物層の飽和磁化Ｍｓの変化の様子を説明する図である。
【図５】光変調素子に印加する交番電圧の波形の例を示す図である。
【図６】第２の実施形態の光変調素子の構造を示す図である。
【図７】第２の実施形態の光変調素子の動作状態を示す図である。
【図８】第３の実施形態の光変調素子の構造を示す図である。
【図９】第３の実施形態の光変調素子の動作状態を示す図である。
【図１０】垂直磁化膜の磁化の様子を説明する図である。
【図１１】第４の実施形態の光変調素子の構造を示す図である。
【図１２】第４の実施形態の光変調素子の動作状態を示す図である。
【図１３】第５の実施形態の光変調素子の動作状態を示す図である。
【図１４】第６〜第９の実施形態の光変調素子の構造を示す図である。
【図１５】第１０の実施形態の光変調素子の構造を示す図である。
【図１６】第１０の実施形態の光変調素子の動作状態を示す図である。
【図１７】第１１の実施形態の光変調素子の構造を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
〔第１の実施形態〕
図１において、光変調素子１は、酸化性電極層１１、酸素供給層１２、磁性酸化物層１３、透明電極層１４、および透明基板１５が、この順に設けられてなっている。つまり、磁性酸化物層１３と酸素供給層１２とを積層した構造体（以下、「積層体ＫＫ」と記載することがある）を２つの電極（酸化性電極層１１と透明電極層１４）で挟んだサンドイッチ構造である。酸化性電極層１１、酸素供給層１２、磁性酸化物層１３、および透明電極層１４を「サンドイッチ構造体ＳＫ」と記載することがある。第１の実施形態の光変調素子１は、サンドイッチ構造体ＳＫにおける透明電極層１４が、透明基板１５の表面に設けられたものである。
【００１８】
磁性酸化物層１３と酸素供給層１２との２層を組み合わせることで光変調素子としての素子機能が実現される。サンドイッチ構造体ＳＫに電圧を印加することにより（図２参照）、酸素供給層１２の発生する酸素イオンに由来する電子を取り出し、この電子を磁性酸化物層１３に注入する。これにより、磁性酸化物層１３の電子密度を変化させ、磁性（飽和磁化）を変化させる。
【００１９】
すなわち、光変調素子１を動作させるには、酸化性電極層１１と透明電極層１４との間に、正負が交互に反転する交番電圧を印加して磁性酸化物層１３における磁性（飽和磁化）を可逆的に変化させる。これによって、透明電極層１４の側から入射した偏光光線（偏光）に対し磁気光学効果（ファラデー効果、カー効果）を与えて偏光面を回転させる。
【００２０】
以下、光変調素子１の構造について詳しく説明する。
【００２１】
図１において、酸化性電極層１１は、酸化され易い導電性膜からなり、酸素供給層１２から供給される酸素により酸化される。酸化性電極層１１として、非磁性の材料が用いられる。酸化性電極層１１を非磁性とすることにより、透明基板１５の側から入射した偏光光線が仮に酸素供給層１２を透過して酸化性電極層１１にまで達した場合であっても、酸化性電極層１１が偏光面の回転に影響を与えることがない。具体的には、酸化性電極層１１として金属が用いられ、例えば、Ｔａ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｃｒ、Ｗ、Ｖ、Ｍｎ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｉｎ、Ｓｎ、またはこれらの合金などが用いられる。なお、本実施形態においては、透明基板１５の側から偏光光線を入射させるので、酸化性電極層１１は透明である必要はない。
【００２２】
酸素供給層１２は、酸素イオンの移動し易い酸素イオン伝導膜であり、酸素イオンＯ2-を発生する。酸素供給層１２には、偏光面の回転に影響を与えないように非磁性の材料を用いる。酸素供給層１２は、一種の酸化物であってもよい。酸素供給層１２には、例えば固体電解質などが用いられる。具体的には、酸素供給層１２として、例えば、ＰｒＣａＭｎＯ3 、Ｙ2 Ｏ3 などが用いられる。
【００２３】
磁性酸化物層１３は、室温で強磁性を有し、かつ導電性を有する。つまり、磁性酸化物層１３として、飽和磁化が大きい材料を用いる。つまり、例えば、図４に示す大きい方の磁化曲線ＣＶＢにおける飽和磁化ＭｓＢを有する材料を用いる。また、磁性酸化物層１３として、磁性イオンの価数変化によって磁性の変化が可能な酸化物膜を用いる。磁性酸化物層１３に電圧を印加することによりその飽和磁化を低下させ、これによって入射した偏光光線に磁気光学効果を与える。磁性酸化物層１３の厚さは、磁性酸化物層１３の全体の磁性が変化する程度に薄いものとする（例えば１〜２０ｎｍ程度）。なお、本実施形態において、磁性酸化物層１３の磁化の状態は面内磁化膜である。
【００２４】
具体的には、磁性酸化物層１３として、例えば、Ｆｅ3 Ｏ4 などの鉄酸化物、ＬａＳｒＭｎＯ3 、ＬａＮｉＭｎＯ3 などＭｎ酸化物などが用いられる。
【００２５】
透明電極層１４は、変調を行うために入射した光線が透過可能なように透明であり、かつ導電性を有する。透明電極層１４と磁性酸化物層１３との界面が酸化されることを抑止するため、透明電極層１４には、酸化され難い材料を用いる。また、透明電極層１４には、偏光面の回転に影響を与えないように非磁性の材料を用いる。具体的には、透明電極層１４として、例えば、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｒｕなどの非酸化性金属、または、ＳｒＲｕＯ3 、ＩＴＯ、ＺｎＯなどの透明導電材料が用いられる。これらの合金を用いることも可能である。透明電極層１４として非酸化性金属を用いる場合には、入射された偏光光線を透過させる程度に薄いこと（例えば１〜２０ｎｍ程度）が必要である。
【００２６】
透明基板１５は、サンドイッチ構造体ＳＫの成膜の基台となるものであり、またサンドイッチ構造体ＳＫを支持するものである。透明基板１５は、本実施形態においては、入射する偏光光線に対して透明であることが必要である。具体的には、透明基板１５として、例えば、ＭｇＯ、Ａｌ2 Ｏ3 、ＳｉＯ2 などが用いられる。
【００２７】
各層の厚さの具体例をあげると、酸化性電極層１１は、１００〜２００ｎｍ程度、酸素供給層１２は、１００〜２００ｎｍ程度である。磁性酸化物層１３は、上に述べたように１〜２０ｎｍ程度、または１０〜２０ｎｍ程度である。透明電極層１４は、上に述べたように１〜２０ｎｍ程度、または１０〜２０ｎｍ程度である。これらは、例えばスパッタによって成膜を行う。透明基板１５は、３００〜１０００μｍ程度である。
【００２８】
次に、光変調素子１の動作について説明する。
【００２９】
図２には、光変調素子１および制御電圧源２１からなる光変調装置ＨＳが示されている。
【００３０】
図２（Ａ）に示すように、酸化性電極層１１と透明電極層１４との間に制御電圧源（信号源）２１を接続し、酸化性電極層１１がプラス側、透明電極層１４がマイナス側となるように、電圧を印加する。そうすると、酸素供給層１２で発生した酸素イオンはマイナスの電荷を持っているので、プラス極である酸化性電極層１１の界面ＫＭに引き寄せられ、界面ＫＭを酸化する。これにより、界面ＫＭに酸素が偏在した状態となる。
【００３１】
これにより、酸素イオンの持っている電子が取り出され、これによって、次の式に示すように酸素イオンに由来する電子ｅ- が発生する。
【００３２】
Ｍ ＋ ｘＯ2- → ＭＯｘ ＋ ２ｘｅ-
発生した電子ｅ- は、外部回路である制御電圧源２１を介してマイナス極である透明電極層１４に流入する。これにより、電子ｅ- は、透明電極層１４を介して磁性酸化物層１３に注入され、鉄酸化物の場合におけるＦｅ（＋3)イオン、Ｍｎ酸化物におけるＭｎ（＋4)イオンを還元し、その価数を変化させる。つまり、磁性酸化物層１３および透明電極層１４の近傍に多くの電子が溜まり、電子密度が高くなる。その結果、磁性酸化物層１３の飽和磁化Ｍｓが低下する。つまり、磁性酸化物層１３の飽和磁化Ｍｓが小さい状態となる。例えば、図４に示す大きい方の磁化曲線ＣＶＢから小さい方の磁化曲線ＣＶＡに変化し、その結果、飽和磁化Ｍｓは、ＭｓＢからＭｓＡと小さくなる。
【００３３】
なお、図４に示す磁化曲線ＣＶＡ，Ｂにおいて、飽和磁化ＭｓＡ，Ｂは、それぞれ残留磁化ＭｒＡ，Ｂと同じか、またはほぼ同じである。飽和磁化ＭｓＡ，Ｂと残留磁化ＭｒＡ，Ｂとが異なる場合には、上に述べた飽和磁化Ｍｓに代えて、残留磁化Ｍｒを用いればよい。
【００３４】
ところで、制御電圧源２１の電圧がパルス状の電圧であっても、つまり、印加される電圧がゼロになった後も、磁性酸化物層１３の近辺における電子密度の高い状態が維持され、磁性酸化物層１３の飽和磁化Ｍｓの小さい状態が維持される。つまり、光変調素子１における飽和磁化Ｍｓの状態は不揮発性である。これを元の状態に戻すには、逆の極性の電圧を印加する。
【００３５】
すなわち、図２（Ｂ）に示すように、制御電圧源２１の極性を切り換えて、酸化性電極層１１がマイナス側、透明電極層１４がプラス側となるように電圧を印加する。そうすると、磁性酸化物層１３に引っ張られていた電子ｅ- はプラスの電位によって磁性酸化物層１３から引き抜かれ、磁性酸化物層１３のＦｅ（＋2)イオンまたはＭｎ（＋3)イオンの価数が元に戻る。その結果、磁性酸化物層１３の飽和磁化Ｍｓが元の大きい状態に回復する。磁性酸化物層１３から引き抜かれた電子は、外部回路である制御電圧源２１を通って、マイナス極である酸化性の金属からなる酸化性電極層１１に戻ってくる。
【００３６】
酸化性電極層１１に流入した電子は、酸化性電極層１１と酸素供給層１２との間で酸化状態にある界面ＫＭを還元する。これによって、酸化性電極層１１および酸素供給層１２は元の状態に戻る。つまり、酸化状態にあった界面ＫＭは、電子が入ってくることにより、酸素イオンの状態に戻る。イオンになって電荷を持つと、界面ＫＭの酸化の状態は解消される。
【００３７】
このように、酸化性電極層１１と透明電極層１４との間に印加する電圧の極性を交互に反転することにより、磁性酸化物層１３の飽和磁化Ｍｓが大（ＭｓＢ）と小（ＭｓＡ）とに切り換えられる。
【００３８】
そうすると、透明基板１５の側から入射した偏光光線は、磁性酸化物層１３と透明電極層１４との界面の近辺において反射するとともに、飽和磁化Ｍｓの大きさに応じてその偏光面が回転される。
【００３９】
なお、飽和磁化Ｍｓの大きさは、酸化性電極層１１と透明電極層１４との間に印加される電圧の大きさおよびパルス幅の大きさに依存する。大きいプラスの電圧を印加すると、飽和磁化Ｍｓの低下が大きい。また、プラスの電圧のパルス幅が大きいほど飽和磁化Ｍｓの低下が大きい。
【００４０】
また、低下した飽和磁化Ｍｓを回復させるには、マイナスの電圧を印加すればよい。つまり、飽和磁化Ｍｓを低下させたときとは逆極性のエネルギーを与えることによって、飽和磁化Ｍｓが元に回復する。なお、飽和磁化Ｍｓの最大値は磁性酸化物層１３の材料などに依存する。
【００４１】
図３に示すように、光変調素子１の透明基板１５の側から偏光光線が入射するように偏光子２２を配置し、光変調素子１で反射した偏光光線が透過するように偏光子２３を配置する。制御電圧源２１からの電圧の大きさおよびパルス幅の大きさに応じて、反射する偏光光線の偏光面の回転角度が変化するので、偏光光線が偏光子２３を通過することによって、電圧の大きさまたはパルス幅に応じた強度の偏光光線が出力される。つまり、制御電圧源２１の電圧の大きさまたはパルス幅に応じて変調された偏光光線が出力される。
【００４２】
図５（Ａ）に示すように、制御電圧源２１による印加電圧として、上に述べたように、プラス側のパルスＰＲ１とマイナス側のパルスＰＲ２とが、休止期間をおいて交互に繰り返される交番電圧ＶＮ１を用いる。この場合に、プラス側の電圧Ｖ１は、例えば＋３ボルト程度、マイナス側の電圧Ｖ２は、例えば−４ボルト程度とする。また、パルスＰＲ１，２の幅Ｔ１，Ｔ２は、いずれも、例えば１〜１００ｎｓｅｃ程度である。したがって、この場合に、パルスＰＲ１，２の反転の周期Ｔ３を、例えば２〜１００ｎｓｅｃ程度とすることが可能である。
【００４３】
また、図５（Ｂ）に示すように、プラス側のパルスＰＲ３とマイナス側のパルスＰＲ４とが、休止期間をおくことなく、交互に繰り返される交番電圧ＶＮ２を用いてもよい。この場合に、パルスＰＲ３，４の幅Ｔ４，Ｔ５を例えばそれぞれ０．５ｎｓｅｃ程度とした場合には、飽和磁化Ｍｓの切り換えの周期を１ｎｓｅｃ程度とすることも可能であり、光変調を高速で行うことができる。
【００４４】
また、正負が交互に反転する交番電圧ＶＮとして、プラス側のパルスＰＲ１またはマイナス側のパルスＰＲ２が、それぞれ複数個連続するような交番電圧ＶＮでもよい。この場合には、複数個のパルスからなるパルス群によって１回の電圧の印加が行われたと考えればよい。
【００４５】
このように、上に述べた実施形態の光変調素子１によると、飽和磁化Ｍｓを変化させるのが電子注入方式（電圧印加方式）であるので、高速な動作が可能である。例えば数ｎｓｅｃ〜数十ｎｓｅｃ程度の高速動作が可能である。
【００４６】
上に述べた実施形態の光変調素子１によると、制御電圧源２１から光変調素子１に対して電圧を印加することにより磁性酸化物層１３の飽和磁化Ｍｓの状態を変化させることが可能であり、飽和磁化Ｍｓの状態は不揮発性であるから、電圧駆動型であり、消費電力を少なくすることができる。
【００４７】
また、制御電圧源２１の電圧をアナログ的な多段階階調とすることにより、飽和磁化Ｍｓを多段階階調に変化させることができ、多段階階調の光変調が可能である。
【００４８】
例えば、光変調素子１をパルスによって駆動して光変調を行うとともに、パルス強度変調またはパルス幅変調などを行うことが可能である。
【００４９】
上に述べた実施形態の光変調素子１は、小型のものとすることができる。したがって、例えば小型の光シャッタとして利用することができる。また、複数個の光変調素子１を２次元的にアレイ状に配置することによって、高精細の空間光変調器として利用することができる。
〔第２の実施形態〕
上に述べた第１の実施形態では、透明基板１５の表面にサンドイッチ構造体ＳＫにおける透明電極層１４を設けたが、第２の実施形態では、サンドイッチ構造体ＳＫの積層の順序を逆にし、基板１５Ｂの表面にサンドイッチ構造体ＳＫＢにおける酸化性電極層１１を設ける。
【００５０】
なお、第２の実施形態では、サンドイッチ構造体ＳＫＢの表裏が逆である点を除いて第１の実施形態と同様な構造であるので、各要素に符号「Ｂ」を付して説明を省略しまたは簡略化する。以下においても同様に、各要素に符号「Ｃ」「Ｄ」などを付して示す。
【００５１】
すなわち、図６において、光変調素子１Ｂは、透明電極層１４Ｂ、磁性酸化物層１３Ｂ、酸素供給層１２Ｂ、酸化性電極層１１Ｂ、および基板１５Ｂが、この順に設けられてなっている。
【００５２】
偏光光線は、透明電極層１４Ｂの側から入射し、同じ側に反射する。したがって、基板１５Ｂは透明である必要はない。
【００５３】
図７に示すように、酸化性電極層１１Ｂと透明電極層１４Ｂとの間に制御電圧源２１を接続し、交番電圧ＶＮを印加する。これによって、第１の実施形態で述べた作用により、磁性酸化物層１３Ｂの飽和磁化Ｍｓが可逆的に変化し、入射した偏光光線を変調することができる。
〔第３の実施形態〕
第３の実施形態では、透明電極層１４Ｃを垂直磁化膜とする。透明電極層１４Ｃを垂直磁化膜とすることにより、磁性酸化物層１３における飽和磁化Ｍｓの変化によって、透明電極層１４Ｃの磁化の状態が垂直磁化と面内磁化との間で変化する。これにより、偏光光線に対して極カー効果が生じ、かつ極カー効果の大きさが変化することを利用して光変調を行う。
【００５４】
つまり、透明電極層１４Ｃは、磁性酸化物層１３Ｃにおける飽和磁化Ｍｓの変化を増幅するエンハンス層として機能する。
【００５５】
すなわち、図８において、光変調素子１Ｃは、酸化性電極層１１Ｃ、酸素供給層１２Ｃ、磁性酸化物層１３Ｃ、透明電極層１４Ｃ、および透明基板１５Ｃが、この順に設けられてなっている。
【００５６】
透明電極層１４Ｃは、入射した光線が透過可能なように透明であって、酸化され難く、垂直磁化を示す導電性膜である。具体的には、例えば、ＣｏＣｒＰｔなどが用いられる。透明電極層１４Ｃの厚さは、例えば１０〜５０ｎｍ程度であり、例えば２５〜５０ｎｍとし、または３０ｎｍ程度とすることができる。
【００５７】
なお、磁性酸化物層１３Ｃと透明電極層１４Ｃとの厚さの比率は、磁気的な相互作用が十分に表れるように決定すればよい。例えば、磁性酸化物層１３Ｃの厚さを１０ｎｍ程度とした場合に、透明電極層１４Ｃは３０ｎｍ程度とする。
【００５８】
図１０（Ａ）に示すように、透明電極層１４Ｃの磁化の状態は、磁性酸化物層１３Ｃの飽和磁化Ｍｓが小さいときには、垂直磁化の状態である。しかし、図１０（Ｂ）に示すように、磁性酸化物層１３Ｃの飽和磁化Ｍｓが大きくなると、その飽和磁化Ｍｓの影響を受けて、透明電極層１４Ｃにおける垂直磁化が減少し、面内磁化の状態となる。
【００５９】
図９（Ａ）に示すように、酸化性電極層１１Ｃと透明電極層１４Ｃとの間に制御電圧源２１を接続し、酸化性電極層１１Ｃにプラスの電圧を印加する。これにより、酸素供給層１２Ｃで発生した酸素イオンは酸化性電極層１１Ｃの界面ＫＭに引き寄せられ、界面ＫＭに酸素が偏在した状態となる。これにより、酸素イオンに由来する電子ｅ- が発生する。
【００６０】
発生した電子ｅ- は、制御電圧源２１を介して透明電極層１４Ｃに流入する。これにより、電子ｅ- は磁性酸化物層１３Ｃに注入され、その価数を変化させる。つまり、磁性酸化物層１３Ｃおよび透明電極層１４Ｃの近辺に多くの電子が溜まり、電子密度が高くなる。その結果、磁性酸化物層１３Ｃの飽和磁化Ｍｓが低下する。
【００６１】
磁性酸化物層１３Ｃの飽和磁化Ｍｓが低下することにより、磁性酸化物層１３Ｃとの磁気的相互作用が弱くなり、透明電極層１４Ｃが垂直磁化の状態に戻る。これによって、入射した偏光光線に対して極カー効果が生じ、偏光光線の偏光面の回転が大きくなる。つまり、大きなカー回転角が得られる。
【００６２】
次に、図９（Ｂ）に示すように、酸化性電極層１１Ｃがマイナス側、透明電極層１４Ｃがプラス側となるように電圧を切り換えると、磁性酸化物層１３Ｃのイオンの価数が元に戻る。その結果、磁性酸化物層１３Ｃの飽和磁化Ｍｓが元の大きい状態に回復する。そのため、磁性酸化物層１３Ｃとの磁気的相互作用が強くなり、透明電極層１４Ｃが面内磁化の状態となる。これによって、入射した偏光光線の偏光面の回転が小さくなる。つまり、小さなカー回転角が検出される。
【００６３】
第３の実施形態の光変調素子１Ｃによると、透明電極層１４Ｃの垂直磁化による極カー効果が主として働くので、偏光光線に対する偏光角の変化を大きくとることができる。
〔第４の実施形態〕
上に述べた第３の実施形態では、透明基板１５Ｃの表面にサンドイッチ構造体ＳＫＣにおける透明電極層１４Ｃを設けたが、第４の実施形態では、サンドイッチ構造体ＳＫＤの積層の順序を逆にし、基板１５Ｄの表面にサンドイッチ構造体ＳＫＤにおける酸化性電極層１１Ｄを設ける。
【００６４】
すなわち、図１１において、光変調素子１Ｄは、透明電極層１４Ｄ、磁性酸化物層１３Ｄ、酸素供給層１２Ｄ、酸化性電極層１１Ｄ、および基板１５Ｄが、この順に設けられてなっている。
【００６５】
偏光光線は、透明電極層１４Ｄの側から入射し、同じ側に反射する。したがって、基板１５Ｄは透明である必要はない。
【００６６】
図１２に示すように、酸化性電極層１１Ｄと透明電極層１４Ｄとの間に制御電圧源２１を接続し、交番電圧ＶＮを印加する。これによって、第３の実施形態で述べたと同様な作用により、磁性酸化物層１３Ｄの飽和磁化Ｍｓが可逆的に変化し、入射した偏光光線を変調することができる。
〔第５の実施形態〕
次に、第５の実施形態について説明する。第５の実施形態では、第３の実施形態における各層の材料を具体的に示す。
【００６７】
すなわち図１３において、光変調素子１Ｅは、酸化性電極層１１ＣとしてＴａが用いられる。酸素供給層１２ＣとしてＰＣＭＯが用いられ、磁性酸化物層１３ＣとしてＦｅ3 Ｏ4 が用いられ、透明電極層１４ＣとしてＣｏＣｒＰｔが用いられる。
【００６８】
このような構造の光変調素子１Ｅは、上に述べた光変調素子１Ｃと同様に動作し、入射した偏光光線を光変調することができる。
【００６９】
しかし、この構造の光変調素子１Ｅを実際にデバイスとして製造した場合に、スパッタによる成膜後に、透明電極層１４Ｃなどの表面が凸凹の荒れた状態となることがある。つまり、透明電極層１４Ｃの表面が見た目でスリガラス状のようになる。その場合には、入射した偏光光線が散乱してしまう。この理由は次のように考えられる。
【００７０】
すなわち、Ｆｅ3 Ｏ4 やＰＣＭＯの成膜に際しては、温度を３００〜４００°Ｃに上げた加熱成膜を行う。そのため、例えばＰＣＭＯ中の酸素イオンの動きが活発化し、還元性酸化物であるＦｅ3 Ｏ4 に酸素イオンがＰＣＭＯから拡散し、かつ、薄いＦｅ3 Ｏ4 を通過して、Ｆｅ3 Ｏ4 とＣｏＣｒＰｔとの界面、またはＣｏＣｒＰｔと基板との界面に、酸素イオンが蓄積して気泡化する。
【００７１】
ＣｏＣｒＰｔは酸化され難く、かつ、薄いために、酸素イオンを通過させてしまう。また、透明基板１５Ｃも酸化され難い。したがって、拡散してきた酸素イオンの逃げ道がなく、また拡散してきた酸素イオンを取り込むことができない。そのため、透明電極層１４Ｃが透明基板１５Ｃとの界面などに気泡を作ってしまい、その気泡が原因で膜が浮いてしまい、表面が凸凹になる。つまり、ＰＣＭＯからやってきた酸素の逃げ道がなくなり、界面の近傍で気泡を作ってしまい、この気泡が膜を荒れた状態にしている。
【００７２】
そこで、この問題を解決するための４つの改善案を、次に第６〜第９の実施形態として示す。
〔第６の実施形態〕
図１４（Ａ）に示すように、光変調素子１Ｆでは、透明電極層１４Ｃと透明基板１５Ｃとの間に、Ａｌ（アルミニウム）などからなる酸素吸収層１６Ｆを設ける。酸素吸収層１６Ｆは、拡散してきた酸素イオンによって容易に酸化され、その酸化体が透明になる非磁性の物質からなる。酸素吸収層１６Ｆを設けることにより、逃げ場のなくなった酸素を取り込み、気泡の発生を防ぐ。
〔第７の実施形態〕
第６の実施形態では、酸素吸収層１６ＦとしてＡｌを用いたので、これが酸化物となった場合に導電性がなくなる。そうすると、透明電極層１４Ｃのみが通電に用いられることとなるが、透明電極層１４Ｃは薄いので、耐久性の点から望ましくない。そこで、第７の実施形態では、酸素吸収層１６Ｇを導電性のある下地層として配置した。
【００７３】
第７の実施形態の光変調素子１Ｇでは、図１４（Ｂ）に示すように、酸素吸収層１６ＧとしてＲｕ（ルテニウム）を用いる。Ｒｕの酸化物は透明であるとともに導電性があるので、全体の抵抗値を下げることができ、酸素吸収層１６Ｇを介しても通電され、透明電極層１４Ｃの耐久性を向上させることができる。
〔第８の実施形態〕
第７の実施形態では、Ｒｕの酸素吸収層１６Ｇが厚すぎた場合に、Ｒｕを酸化させるための酸素が足らなくなり、Ｒｕが酸化しきれず、したがって透明にならない。
【００７４】
そこで、第８の実施形態の光変調素子１Ｈでは、図１４（Ｃ）に示すように、Ｒｕの全部が酸化されて透明になるように酸素吸収層１６Ｈを薄くする。そして、導電性を確保するために、導電性を持ち非磁性で透明な酸化体であるＲｕＯｘからなる導電性透明酸化物層１７Ｈを設ける。導電性透明酸化物層１７Ｈは、導電性を補助するための電極として働く。
〔第９の実施形態〕
第８の実施形態では、酸素吸収層１６Ｈと導電性透明酸化物層１７Ｈとの２つの層を設けたが、第９の実施形態では、図１４（Ｄ）に示すように、酸化が不十分な酸化体からなる１つの導電性透明酸化物層１７Ｊを設ける。
【００７５】
導電性透明酸化物層１７Ｊは、例えばＲｕＯｙからなり、第８の実施形態のＲｕＯｘよりも酸化が不十分である。つまり、この場合に、ｙ＜ｘである。導電性透明酸化物層１７Ｊは、酸化物と金属との中間の物質のような存在である。
【００７６】
なお、酸素イオンによって容易に酸化され、その酸化体が導電性を持ち、かつ透明になる物質には、Ｒｕ、Ｒｅ、Ｉｒ、Ｏｓ、ＡｇＰｄ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｌａ、Ｅｕなどがある。これらは、酸素吸収層１６Ｆ〜１６Ｈ、または導電性透明酸化物層１７Ｈ，１７Ｊとして用いることが可能である。
〔第１０の実施形態〕
上に述べた第１〜第９の実施形態では、磁気光学効果を用いて光変調を行っているが、第１０の実施形態では、光学的な反射率を変化させることによって光変調を行う。
【００７７】
すなわち、図１５において、光変調素子１Ｋは、酸化性電極層１１Ｋ、酸素供給層１２Ｋ、導電性透明酸化物層１８Ｋ、および透明基板１５Ｋが、この順に設けられてなっている。酸化性電極層１１Ｋ、酸素供給層１２Ｋ、および導電性透明酸化物層１８Ｋは、サンドイッチ構造体ＳＫＫを構成する。
【００７８】
酸化性電極層１１Ｋは、酸化され易い導電性膜からなる。酸化性電極層１１Ｋは、磁性または非磁性のいずれであってもよい。具体的には、酸化性電極層１１Ｋとして金属が用いられ、例えば、Ｔａ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｃｒ、Ｗ、Ｖ、Ｍｎ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、またはこれらの合金などが用いられる。なお、本実施形態においては、透明基板１５Ｋの側から光を入射させるので、酸化性電極層１１Ｋは透明である必要はない。
【００７９】
酸素供給層１２Ｋは、酸素イオンの移動し易い酸素イオン伝導膜であり、酸素イオンＯ2-を発生する。酸素供給層１２Ｋは、ｐ型半導性であることが好ましい。酸素供給層１２Ｋは、磁性または非磁性のいずれであってもよい。具体的には、酸素供給層１２Ｋとして、例えば、ＬａＳｒＭｎＯ3 、ＬａＮｉＭｎＯ3 、ＰｒＣａＭｎＯ3 、Ｙ2 Ｏ3 などが用いられる。
【００８０】
導電性透明酸化物層１８Ｋは、透明であって導電性を有する酸化物膜からなる。導電性透明酸化物層１８Ｋは、酸化され難い電極である。導電性透明酸化物層１８Ｋは、磁性または非磁性のいずれであってもよい。導電性透明酸化物層１８Ｋとして、例えば、Ｆｅ3 Ｏ4 、ＬａＳｒＭｎＯ3 、ＬａＮｉＭｎＯ3 、ＰｒＣａＭｎＯ3 、ＲｕＯｘなどが用いられる。
【００８１】
透明基板１５Ｋは、本実施形態においては、入射する光に対して透明であることが必要である。具体的には、透明基板１５Ｋとして、例えば、ＭｇＯ、Ａｌ2 Ｏ3 、ＳｉＯ2 などが用いられる。
【００８２】
各層の厚さの具体例をあげると、酸化性電極層１１Ｋは、１００〜２００ｎｍ程度、酸素供給層１２Ｋは、１００〜２００ｎｍ程度である。導電性透明酸化物層１８Ｋは、２０〜１００ｎｍ程度である。これらは、例えばスパッタによって成膜を行う。透明基板１５Ｋは、３００〜１０００μｍ程度である。また、酸化性電極層１１Ｋの直径は、例えば、４０μｍ〜４００μｍ程度である。
【００８３】
次に、光変調素子１Ｋの動作について説明する。
【００８４】
図１６（Ａ）に示すように、酸化性電極層１１Ｋと導電性透明酸化物層１８Ｋとの間に制御電圧源２１を接続し、酸化性電極層１１Ｋがプラス側、導電性透明酸化物層１８Ｋがマイナス側となるように、電圧を印加する。そうすると、酸素供給層１２Ｋで発生した酸素イオンはプラス極である酸化性電極層１１Ｋの界面ＫＭに引き寄せられ、界面ＫＭを酸化する。これにより、界面ＫＭに酸素が偏在した状態となる。
【００８５】
これにより、酸素イオンの持っている電子が取り出され、酸素イオンに由来する電子ｅ- が発生する。
【００８６】
発生した電子ｅ- は、外部回路である制御電圧源２１を介してマイナス極である導電性透明酸化物層１８Ｋに流入する。これにより、電子ｅ- は、導電性透明酸化物層１８Ｋ、酸素供給層１２Ｋ、またはこれらの界面ＫＭＢに注入される。電子ｅ- が注入されると、その近傍において電子密度の高い状態に遷移する。その結果、物質の電子構造、例えばバンド構造などが変化し、その部分の反射率が高くなる。
【００８７】
例えば、図１６（Ａ）において、導電性透明酸化物層１８Ｋと酸素供給層１２Ｋとの間の界面ＫＭＢが高反射率化する。反射率が高くなることによって、光の反射量が増大する。例えば、制御電圧源２１による電圧をかける前と比べて、反射率が２〜１０倍程度に大きくなる。
【００８８】
光変調素子１Ｋに印加する電圧は、パルス状の電圧であっても直流であってもよい。パルス状の電圧を印加することによて、図１６（Ａ）に示した状態が維持される。つまり、不揮発性である。これを元の状態に戻すには、逆の極性の電圧を印加する。
【００８９】
すなわち、図１６（Ｂ）に示すように、制御電圧源２１の極性を切り換えて、酸化性電極層１１Ｋがマイナス側、導電性透明酸化物層１８Ｋがプラス側となるように電圧を印加する。そうすると、導電性透明酸化物層１８Ｋ、酸素供給層１２Ｋ、または界面ＫＭＢから電子ｅ- が引き抜かれ、これらは電子密度が小さい状態、つまり元の状態に戻る。その結果、物質の電子構造が元に戻り、反射率が小さい状態に戻る。
【００９０】
引き抜かれた電子は、外部回路である制御電圧源２１を通って、マイナス極である酸化性電極層１１Ｋに戻ってくる。酸化性電極層１１Ｋに流入した電子は、酸化性電極層１１Ｋと酸素供給層１２Ｋとの間の界面ＫＭを還元する。これによって、酸化性電極層１１Ｋおよび酸素供給層１２Ｋは元の状態に戻る。つまり、酸化状態にあった界面ＫＭは、電子が入ってくることにより酸素イオンの状態に戻る。
【００９１】
このように、酸化性電極層１１Ｋと導電性透明酸化物層１８Ｋとの間に印加する電圧の極性を交互に反転することにより、導電性透明酸化物層１８Ｋ、酸素供給層１２Ｋ、または界面ＫＭＢの近傍における光学的な反射率が変化する。
【００９２】
そうすると、透明基板１５Ｋの側から入射した光は、界面ＫＭＢの近傍において反射するとともに、反射率に応じた強さの光となって出力される。
【００９３】
なお、光変調素子１Ｋにおける反射率の変化の大きさは、酸化性電極層１１Ｋと導電性透明酸化物層１８Ｋとの間に印加される電圧の大きさおよびパルス幅の大きさに依存する。大きいプラスの電圧を印加すると、反射率が高くなる。また、プラスの電圧のパルス幅が大きいほど反射率が高くなる。
【００９４】
また、光変調素子１Ｋにおける反射率を元に戻すには、マイナスの電圧を印加すればよい。つまり、反射率を高くさせたときとは逆極性のエネルギーを与えることによって、反射率が元に回復する。
【００９５】
なお、光変調素子１Ｋに入射させる光は、偏光でも自然光でもよい。制御電圧源２１からの電圧の大きさおよびパルス幅の大きさに応じて、反射光の強度が変化する。つまり、制御電圧源２１の電圧の大きさまたはパルス幅に応じて変調された光が出力される。
【００９６】
光変調素子１Ｋに印加する電圧として、第１の実施形態で説明したような種々の電圧を用いることができる。
【００９７】
第１０の実施形態の光変調素子１Ｋについても、電圧の印加による反射率の変化は不揮発性であるから、電圧駆動型であり、消費電力を少なくすることができる。
【００９８】
また、制御電圧源２１の電圧をアナログ的な多段階階調とすることにより、反射率を多段階階調に変化させることができ、多段階階調の光変調が可能である。
〔第１１の実施形態〕
上に述べた第１０の実施形態では、透明基板１５Ｋの表面にサンドイッチ構造体ＳＫＫにおける導電性透明酸化物層１８Ｋを設けたが、第１１の実施形態の光変調素子１Ｌでは、サンドイッチ構造体ＳＫＫの積層の順序を逆にし、基板１５Ｌの表面にサンドイッチ構造体ＳＫＬにおける酸化性電極層１１Ｌを設ける。
【００９９】
すなわち、図１７において、光変調素子１Ｌは、導電性透明酸化物層１８Ｌ、酸素供給層１２Ｌ、酸化性電極層１１Ｌ、および基板１５Ｌが、この順に設けられてなっている。光は、導電性透明酸化物層１８Ｋの側から入射し、同じ側に反射する。したがって、基板１５Ｌは透明である必要はない。
【０１００】
酸化性電極層１１Ｌと導電性透明酸化物層１８Ｌとの間に制御電圧源２１を接続し、交番電圧ＶＮを印加する。これによって、第１０の実施形態で述べた作用により、反射率が変化し、入射した光を変調することができる。
【０１０１】
上に述べた第１〜第１１の実施形態において、光変調素子１〜１Ｌにおける各層の材質、厚さ、形成方法などは、上に述べた以外の種々のものを採用することが可能である。さらに他の層を適当な位置に追加してもよい。制御電圧源２１として種々の電圧源または信号源を用いることができ、電圧値、電圧波形、パルスの幅、間隔または周期などは、上に述べた以外に種々変更することが可能である。
【０１０２】
本実施形態には次に記載する形態も含まれる。
（付記１） （１、図１〜１６）
変調する光を透過しかつ導電性を有する透明電極層と、
強磁性を有しかつ導電性を有する磁性酸化物層と、
酸化材料を含む酸素供給層と、
前記酸素供給層から供給される酸素により酸化される導電性膜からなる酸化性電極層と、
がこの順に設けられていることを特徴とする光変調素子。
（付記２） （図１〜７）
前記酸化性電極層、前記酸素供給層、および前記透明電極層は、いずれも非磁性である、
付記１記載の光変調素子。
（付記３） （２、図８〜１４）
前記酸化性電極層および前記酸素供給層は、いずれも非磁性であり、
前記透明電極層は、垂直磁化性を有する、
付記１記載の光変調素子。
（付記４） （３、図８〜１４）
前記磁性酸化物層は、面内磁化性を有する、
付記３記載の光変調素子。
（付記５） （図１〜５、図８〜１０）
透明基板を有し、前記透明電極層が前記透明基板の表面に配置されている、
付記１ないし４のいずれに記載の光変調素子。
（付記６） （図１４）
前記透明電極層と前記透明基板との間に、酸素吸収層が設けられている、
付記５記載の光変調素子。
（付記７） （４、図１４）
前記酸素吸収層として導電性を有する材料が用いられている、
付記６記載の光変調素子。
（付記８） （図１４）
前記酸素吸収層の導電性を補助するために、導電性を有し非磁性で透明な酸化体からなる導電性透明酸化物層が設けられている、
付記７記載の光変調素子。
（付記９） （図１４）
前記透明電極層と前記透明基板との間に、導電性を有し非磁性であって酸化が不十分な酸化体からなる導電性透明酸化物層が設けられている、
付記５記載の光変調素子。
（付記１０） （５、図１５〜１７）
変調する光を透過しかつ導電性を有する酸化物からなる導電性透明酸化物層と、
酸化材料を含む酸素供給層と、
前記酸素供給層から供給される酸素により酸化される導電性膜からなる酸化性電極層と、
がこの順に設けられていることを特徴とする光変調素子。
（付記１１） （図１５〜１６）
透明基板を有し、前記導電性透明酸化物層が前記透明基板の表面に配置されている、
付記１０記載の光変調素子。
（付記１２） （６、図１〜１４）
付記１記載の光変調素子を用い、
前記酸化性電極層と前記透明電極層との間に、正負が交互に反転する交番電圧を印加して前記磁性酸化物層における飽和磁化を変化させ、前記透明電極層の側から入射した偏光に対し磁気光学効果を与えて偏光面を回転させる、
ことを特徴とする光変調方法。
（付記１３） （７、図８〜１４）
付記３または４記載の光変調素子を用い、
前記酸化性電極層と前記透明電極層との間に、正負が交互に反転する交番電圧を印加して前記磁性酸化物層における飽和磁化を変化させ、これよって前記透明電極層における垂直磁化性を変化させ、前記透明電極層の側から入射した偏光に対し極カー効果を与えて偏光面を回転させる、
ことを特徴とする光変調方法。
（付記１４） （８、図１５〜１７）
付記１０または１１記載の光変調素子を用い、
前記酸化性電極層と前記導電性透明酸化物層との間に、正負が交互に反転する交番電圧を印加することにより、前記導電性透明酸化物層の側から入射した偏光に対する反射量を変化させる、
ことを特徴とする光変調方法。
（付記１５） （図１〜１４）
磁性酸化物層と酸素供給層との積層体を２つの電極で挟んだサンドイッチ構造とし、前記２つの電極間に交番電圧を印加して前記磁性酸化物層の飽和磁化を変化させ、入射した偏光に対し磁気光学効果を与えて偏光面を回転させる、
ことを特徴とする光変調方法。
（付記１６） （９、図１〜１４）
磁性酸化物層と酸素供給層とを有する積層体と、
前記積層体を挟む２つの電極と、
前記２つの電極間に交番電圧を印加する電圧源と、
を有することを特徴とする光変調装置。
【符号の説明】
【０１０３】
１，１Ｂ〜１Ｌ 光変調素子
１１ 酸化性電極層
１２ 酸素供給層
１３ 磁性酸化物層
１４ 透明電極層
１５ 透明基板
１６ 酸素吸収層
１７ 導電性透明酸化物層
１８ 導電性透明酸化物層
２１ 制御電圧源
２２ 偏光子
２３ 偏光子
ＨＳ 光変調装置
ＫＫ 積層体
ＳＫ サンドイッチ構造体
【特許請求の範囲】
【請求項１】
変調する光を透過しかつ導電性を有する透明電極層と、
強磁性を有しかつ導電性を有する磁性酸化物層と、
酸化材料を含む酸素供給層と、
前記酸素供給層から供給される酸素により酸化される導電性膜からなる酸化性電極層と、
がこの順に設けられていることを特徴とする光変調素子。
【請求項２】
前記酸化性電極層および前記酸素供給層は、いずれも非磁性であり、
前記透明電極層は、垂直磁化性を有する、
請求項１記載の光変調素子。
【請求項３】
前記磁性酸化物層は、面内磁化性を有する、
請求項２記載の光変調素子。
【請求項４】
前記透明電極層の上に、導電性を有する材料からなる酸素吸収層が設けられている、
請求項１ないし３のいずれかに記載の光変調素子。
【請求項５】
変調する光を透過しかつ導電性を有する酸化物からなる導電性透明酸化物層と、
酸化材料を含む酸素供給層と、
前記酸素供給層から供給される酸素により酸化される導電性膜からなる酸化性電極層と、
がこの順に設けられていることを特徴とする光変調素子。
【請求項６】
請求項１ないし４のいずれに記載の光変調素子を用い、
前記酸化性電極層と前記透明電極層との間に、正負が交互に反転する交番電圧を印加して前記磁性酸化物層における飽和磁化を変化させ、前記透明電極層の側から入射した偏光に対し磁気光学効果を与えて偏光面を回転させる、
ことを特徴とする光変調方法。
【請求項７】
請求項２または３記載の光変調素子を用い、
前記酸化性電極層と前記透明電極層との間に、正負が交互に反転する交番電圧を印加して前記磁性酸化物層における飽和磁化を変化させ、これよって前記透明電極層における垂直磁化性を変化させ、前記透明電極層の側から入射した偏光に対し極カー効果を与えて偏光面を回転させる、
ことを特徴とする光変調方法。
【請求項８】
請求項５記載の光変調素子を用い、
前記酸化性電極層と前記導電性透明酸化物層との間に、正負が交互に反転する交番電圧を印加することにより、前記導電性透明酸化物層の側から入射した光に対する反射量を変化させる、
ことを特徴とする光変調方法。
【請求項９】
磁性酸化物層と酸素供給層とを有する積層体と、
前記積層体を挟む２つの電極と、
前記２つの電極間に交番電圧を印加する電圧源と、
を有することを特徴とする光変調装置。
【請求項１】
変調する光を透過しかつ導電性を有する透明電極層と、
強磁性を有しかつ導電性を有する磁性酸化物層と、
酸化材料を含む酸素供給層と、
前記酸素供給層から供給される酸素により酸化される導電性膜からなる酸化性電極層と、
がこの順に設けられていることを特徴とする光変調素子。
【請求項２】
前記酸化性電極層および前記酸素供給層は、いずれも非磁性であり、
前記透明電極層は、垂直磁化性を有する、
請求項１記載の光変調素子。
【請求項３】
前記磁性酸化物層は、面内磁化性を有する、
請求項２記載の光変調素子。
【請求項４】
前記透明電極層の上に、導電性を有する材料からなる酸素吸収層が設けられている、
請求項１ないし３のいずれかに記載の光変調素子。
【請求項５】
変調する光を透過しかつ導電性を有する酸化物からなる導電性透明酸化物層と、
酸化材料を含む酸素供給層と、
前記酸素供給層から供給される酸素により酸化される導電性膜からなる酸化性電極層と、
がこの順に設けられていることを特徴とする光変調素子。
【請求項６】
請求項１ないし４のいずれに記載の光変調素子を用い、
前記酸化性電極層と前記透明電極層との間に、正負が交互に反転する交番電圧を印加して前記磁性酸化物層における飽和磁化を変化させ、前記透明電極層の側から入射した偏光に対し磁気光学効果を与えて偏光面を回転させる、
ことを特徴とする光変調方法。
【請求項７】
請求項２または３記載の光変調素子を用い、
前記酸化性電極層と前記透明電極層との間に、正負が交互に反転する交番電圧を印加して前記磁性酸化物層における飽和磁化を変化させ、これよって前記透明電極層における垂直磁化性を変化させ、前記透明電極層の側から入射した偏光に対し極カー効果を与えて偏光面を回転させる、
ことを特徴とする光変調方法。
【請求項８】
請求項５記載の光変調素子を用い、
前記酸化性電極層と前記導電性透明酸化物層との間に、正負が交互に反転する交番電圧を印加することにより、前記導電性透明酸化物層の側から入射した光に対する反射量を変化させる、
ことを特徴とする光変調方法。
【請求項９】
磁性酸化物層と酸素供給層とを有する積層体と、
前記積層体を挟む２つの電極と、
前記２つの電極間に交番電圧を印加する電圧源と、
を有することを特徴とする光変調装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【公開番号】特開２０１１−１２３３０３（Ｐ２０１１−１２３３０３Ａ）
【公開日】平成２３年６月２３日（２０１１．６．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２８０９１９（Ｐ２００９−２８０９１９）
【出願日】平成２１年１２月１０日（２００９．１２．１０）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【出願人】（３０４０２１２７７）国立大学法人 名古屋工業大学 (784)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年６月２３日（２０１１．６．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１２月１０日（２００９．１２．１０）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【出願人】（３０４０２１２７７）国立大学法人 名古屋工業大学 (784)
【Ｆターム（参考）】
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