光変調素子およびこれを用いた空間光変調器
【課題】透明電極を適用する必要がなく、また、開口率を増大、効率的な偏光変調を行なうことができ、さらに、磁化反転動作を正確に検知できる光変調素子およびこれを用いた空間光変調器を提供する。
【解決手段】基板７上に、磁化自由層３、上部中間層２１、２２、上部磁化固定層１１、１２とがこの順序で積層された上部素子１Ａと、基板７と磁化自由層３との間に形成される下部素子１Ｂとを備える光変調素子１であって、上部磁化固定層は分離した２つの上部磁化固定層からなり、上部磁化固定層は、互いに反平行な磁化に固定され、かつ磁化自由層よりも保磁力の大きい磁性体であり、下部素子１Ｂは、補助電極５３、下部磁化固定層１３、下部中間層２３とがこの順序で基板側から積層され、透過した光を磁化自由層３に入射させるための窓部５４が形成され、駆動電極の一方と補助電極５３との間の電気抵抗は、駆動電極間の電気抵抗に比べて大きい。
【解決手段】基板７上に、磁化自由層３、上部中間層２１、２２、上部磁化固定層１１、１２とがこの順序で積層された上部素子１Ａと、基板７と磁化自由層３との間に形成される下部素子１Ｂとを備える光変調素子１であって、上部磁化固定層は分離した２つの上部磁化固定層からなり、上部磁化固定層は、互いに反平行な磁化に固定され、かつ磁化自由層よりも保磁力の大きい磁性体であり、下部素子１Ｂは、補助電極５３、下部磁化固定層１３、下部中間層２３とがこの順序で基板側から積層され、透過した光を磁化自由層３に入射させるための窓部５４が形成され、駆動電極の一方と補助電極５３との間の電気抵抗は、駆動電極間の電気抵抗に比べて大きい。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、入射した光を磁気光学効果により光の位相や振幅等を空間的に変調して出射する光変調素子およびこれを用いた空間光変調器に関する。
【背景技術】
【０００２】
空間光変調器は、画素として光学素子（光変調素子）を用い、これを２次元アレイ状に配列して光の位相や振幅等を空間的に変調するものであって、ホログラフィ装置等の露光装置、ディスプレイ技術、記録技術等の分野で広く利用されている。また、２次元で並列に光情報を処理することができることから光情報処理技術への応用も研究されている。空間光変調器として、従来より液晶が用いられ、表示装置として広く利用されているが、ホログラフィや光情報処理用としては、応答速度や画素の高精細性が不十分であるため、近年では、高速処理かつ画素の微細化の可能性が期待される磁気光学材料を用いた磁気光学式空間光変調器の開発が進められている。
【０００３】
磁気光学式空間光変調器（以下、空間光変調器）においては、磁気光学材料すなわち磁性体に入射した光が透過または回折する際にその偏光の向きを変化（旋光）させて出射する、ファラデー効果（回折の場合はカー効果）を利用している。すなわち、選択された画素（選択画素）における光変調素子の磁化方向とそれ以外の画素（非選択画素）における光変調素子の磁化方向を異なるものとして、選択画素から出射した光と非選択画素から出射した光で、その偏光の回転角（旋光角）に差を生じさせる。このような光変調素子の磁化方向を変化させる方法として、光変調素子に磁界を印加する磁界印加方式の他に、近年では光変調素子に電流を供給することでスピンを注入するスピン注入方式（例えば、特許文献１）、磁壁を駆動する磁壁駆動方式（例えば、特許文献２）がある。
【０００４】
図１２に示すように、スピン注入方式を用いたスピン注入型の空間光変調器１００は、基板１０７上に設けられた光変調素子１０１の上下に一対の駆動電極（上部電極１０２および下部電極１０３）を接続して膜面に垂直に電流を供給することにより、スピンが注入されて積層された磁性膜の一部の層（磁化自由層）の磁化方向が変化（反転）する。そして磁気カー効果により磁化自由層の磁化の向きに応じて出射光（出射偏光）の偏光状態を、θｋと、−θｋの２値に変調することができる。このような空間光変調器１００においては、入射偏光側と出射偏光側にそれぞれ偏光子ＰＦｉ，ＰＦｏを設け、これら偏光子ＰＦｉ，ＰＦｏの偏光面を互いに所定角度に設定したクロスニコル配置とする。そして、光変調素子１０１によって偏光面が角度−θｋ回転すると、出射偏光は偏光子ＰＦｏを透過できず暗状態となり、角度θｋだけ回転すると、その分、出射偏光は偏光子ＰＦｏを透過し、明状態となる。
【０００５】
図１３に示すように、磁壁駆動方式を用いた磁壁駆動型の空間光変調器２００は、基板２０７上に設けられた磁性細線（磁化自由層）２０１の一方の端部にその中央部の磁化と反平行となる磁化を固定し、磁性細線２０１の端部に設けた電極２０２に電流を供給することにより、磁性細線２０１の一方の端部と中央部との間に生じた磁壁２０１ａを他方の端部側に駆動（移動）して、磁性細線２０１の中央部の磁化方向を変化（反転）させるものである。そして磁気カー効果により磁性細線２０１の磁化の向きに応じて出射光（出射偏光）の偏光状態を、θｋと、−θｋの２値に変調することができる。このような空間光変調器２００においては、入射偏光側と出射偏光側にそれぞれ偏光子ＰＦｉ，ＰＦｏを設け、これら偏光子ＰＦｉ，ＰＦｏの偏光面を互いに所定角度に設定したクロスニコル配置とする。そして、磁性細線２０１によって偏光面が角度−θｋ回転すると、出射偏光は偏光子ＰＦｏを透過できず暗状態となり、角度θｋだけ回転すると、その分、出射偏光は偏光子ＰＦｏを透過し、明状態となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−８３６８６号公報
【特許文献２】特開２０１０−２０１１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に記載された空間光変調器においては、以下のような問題がある。
スピン注入磁化反転素子には上下に電流を供給するための駆動電極を設けるため、スピン注入磁化反転素子に光を入射するためには、回折型の空間光変調器の光変調素子であれば上または下の一方に、あるいは透過型の空間光変調器の光変調素子であれば上下共に、光を透過する透明電極を適用しなくてはならない。透明電極は、金属電極と比べて導電性が大きく劣るため、複数の画素に均一な電流を供給することが困難であるという問題がある。特により多数の光変調素子を２次元アレイ状に配列した高精細の空間光変調器になるほど中央部で動作が遅れる虞がある。これを防止するためには、駆動電極を厚膜化したり、大電流を供給して空間光変調器を動作させたりする必要があり、省電力化の点で改良の余地がある。
【０００８】
また、光変調される有効領域の面積率（開口率）を大きくするためには、素子サイズ（面積）を大きくする必要がある。一方でスピン注入磁化反転素子は、好適に磁化反転させるために一辺が３００ｎｍ以下程度の微小な素子サイズとする必要がある。そのため、素子サイズを大きくして開口率の増大を図ると共に、効率的な磁化反転を行なうことができる空間光変調器の開発が望まれている。
【０００９】
特許文献２に記載された空間光変調器においては、駆動電極にＣｕなどの金属電極を用いることができ、特許文献１で用いられていた比抵抗の高いＩＺＯやＩＴＯなどの透明電極（比抵抗はＣｕ電極の２００倍程度）を用いる必要がないため、複数の画素に均一な電流を供給することができるが、以下のような問題がある。
【００１０】
磁性細線の端部に反平行磁化が常に存在しているために、磁性細線（光変調素子）の開口率が低下する。また、一般的に磁壁の生成は磁性細線の形状、材料に強く依存し、磁性細線の端部に所望の反平行磁化を安定して形成することが困難であるため、効率的な磁化反転を行うことは困難である。さらに、電極が２つしかないため、磁性細線（光変調素子）の磁化反転動作を正確に知るには、磁性細線の両端に配置された電極間の磁壁抵抗を測定するほかない。なお、磁壁抵抗は、その変化率が小さいため、光変調素子の磁化反転動作を正確に検知することが困難である。
【００１１】
本発明は前記問題点に鑑み創案されたもので、駆動電極に透明電極を適用する必要がなく、また、開口率を増大させることができると共に、効率的な偏光変調を行なうことができ、さらに、空間光変調器に使用する場合に、磁化反転動作を正確に検知することができる光変調素子およびこの光変調素子を用いた空間光変調器を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記課題を解決するため、本発明者らは、既に発明したデュアルピン構造のスピン注入磁化反転素子を適用した光変調素子（特開２０１０−６０７４８号公報参照）について、その積層の配置を変え、磁化自由層の上下に配置していた磁化固定層を、両方共、磁化自由層の上に積層することで、磁化自由層を底部としたＵ字型に電流経路を形成し、磁化自由層の下に電極を要しない構成とすることに至った。また、この構成により、開口率を大きくすると共に、効率的な磁化反転を行なうことを可能とした。さらに、基板と磁化自由層との間に補助電極を有する下部素子を備えることにより、磁化自由層の磁化反転動作を正確に検知することを可能とした。
【００１３】
すなわち、本発明に係る光変調素子は、光を透過させる基板上に形成され、磁化自由層と、上部中間層と、上部磁化固定層とがこの順序で積層された上部素子と、前記基板と前記磁化自由層との間に形成される下部素子とを備えるスピン注入磁化反転素子構造を有し、前記上部素子の上部磁化固定層上に接続した一対の駆動電極間に電流が供給され、前記磁化自由層の磁化方向を変化させることによって前記基板を透過して入射した光をその偏光方向を変化させて回折して出射する光変調素子であって、前記上部素子の上部磁化固定層は、同一平面上に分離した２つの上部磁化固定層からなり、前記２つの上部磁化固定層は、互いに反平行な磁化に固定され、かつ前記磁化自由層よりも保磁力の大きい磁性体であり、前記下部素子は、補助電極と、下部磁化固定層と、下部中間層とがこの順序で前記基板側から積層されたものであり、前記基板側に当該基板を透過した光を前記磁化自由層に入射させるための窓部が形成され、前記駆動電極の一方と前記補助電極との間の電気抵抗は、前記駆動電極間の電気抵抗に比べて大きいことを特徴とする。
【００１４】
かかる構成によれば、同一平面上に分離した２つの上部磁化固定層を備えることで、一対の駆動電極の両方を光変調素子の上側に設けることができるため、基板側から光変調素子に入射した光は、駆動電極を介さずに磁化自由層へ到達して回折する。したがって、駆動電極は光を透過させる必要がなく、導電性に優れた金属電極を駆動電極に適用できる。また、２つの上部磁化固定層を備え、これらが互いに反平行な磁化に固定されていることで、一種の二重スピン注入方式となり、スピントルクが２倍となる。そのため、スピン注入の効率が向上する。また、光の入射面（出射面）の面積を広くしても磁化自由層の磁化反転が効率よく起きるため、画素の開口率を増大させることができる。さらに、上部素子の磁化自由層の下に形成される下部素子が、補助電極と、下部磁化固定層と、下部中間層とからなり、駆動電極の一方と補助電極との間の電気抵抗が、駆動電極間の電気抵抗に比べて大きいことで、磁化自由層の磁化反転動作を電気的に測定することが容易となる。
【００１５】
また、本発明に係る光変調素子は、前記２つの上部磁化固定層のうちの一方が、磁気交換結合膜を備えた多層構造であることが好ましい。
かかる構成によれば、上部磁化固定層が多層構造であることで、容易に２つの上部磁化固定層を互いに反平行な磁化に固定することができる。
【００１６】
本発明に係る空間光変調器は、前記の光変調素子を用いた空間光変調器であって、光を透過させる基板と、この基板上に２次元配列された複数の画素と、この複数の画素から１以上の画素を選択する画素選択手段と、この画素選択手段が選択した画素に所定の電流を供給する電流供給手段と、を備え、前記画素は、前記光変調素子と、前記２つの上部磁化固定層上にそれぞれ接続され、前記光変調素子に電流を供給する一対の前記駆動電極と、を有し、さらに、前記選択された画素における前記一対のうちの一方の駆動電極と、前記光変調素子の補助電極との間の電圧値を測定する測定部を備え、前記画素選択手段は、前記測定部で測定された電圧値から電気抵抗値を算出する算出部と、前記選択された画素において予め設定された磁化方向に応じて定められた標準電気抵抗値の設定範囲を記憶する記憶部と、前記算出された電気抵抗値が前記標準電気抵抗値の設定範囲内の値である場合に磁化反転が良好と判断し、前記設定範囲外の値である場合に磁化反転が不良と判断する判断部と、前記磁化反転が不良と判断された場合に前記駆動電極への電流の再供給を指令する指令部と、を有することを特徴とする。
【００１７】
かかる構成によれば、前記の光変調素子を用いることで、基板側から入射する光を回折する回折型空間光変調器として一対の電極に透明電極を適用する必要がなくなる。また、前記の光変調素子を用いることで、効率的なスピン注入磁化反転により偏光変調の効率が向上し、画素の開口率が増大する。さらに、測定部、画素選択部を備え、画素選択部が算出部と、記憶部と、判断部と、指令部とを有することで、配列された複数の画素全面の磁化反転動作を電気的に測定することが容易となると共に、磁化状態を制御できる。
【００１８】
また、本発明に係る空間光変調器は、前記配列された複数の画素において、前記２つの上部磁化固定層が同一平面上に並んだ方向に隣り合う２つの前記光変調素子の下部素子が一体化されていることが好ましい。
【００１９】
かかる構成によれば、光変調素子の下部素子が一体化されていることで、下部素子による過剰な抵抗増大が緩和されるため、２次元アレイ状に並べた複数の画素間における補助電極抵抗の差を小さくすることができ、磁化反転動作を電気的に測定することがさらに容易となる。
【００２０】
また、本発明に係る空間光変調器は、前記配列された複数の画素において、前記２つの上部磁化固定層が同一平面上に並んだ方向に隣り合う２つの前記光変調素子の補助電極の間、および、それぞれの補助電極に形成された窓部を塞ぐように形成された透明電極を有することが好ましい。
【００２１】
かかる構成によれば、透明電極を有することで、下部素子による過剰な抵抗増大が緩和されるため、２次元アレイ状に並べた複数の画素間における補助電極抵抗の差を小さくすることができ、磁化反転動作を電気的に測定することがさらに容易となる。また、透明電極での多重回折の効果を利用して、上部素子の磁化自由層におけるカー回転角を増進させることが可能となる。
【００２２】
さらに、本発明に係る空間光変調器は、前記複数の画素のそれぞれが複数の光変調素子を有することが好ましい。
かかる構成によれば、１つの画素の複数の光変調素子において、磁化自由層の磁化方向を、それぞれ異なる方向とすることができる。これにより、画素の多段階表示が可能となる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明に係る光変調素子によれば、空間光変調器に用いる場合に、一対の駆動電極に透明電極を適用する必要がないため、空間光変調器の省電力化を図ることができる。また、２つの上部磁化固定層を備えることで、スピン注入の効率が向上し、効率的なスピン注入磁化反転を行なうことができるため、効率的な偏光変調を可能とする。また、光の入射面（出射面）の面積を通常のスピン注入磁化反転素子の２倍以上とすることができるため、開口率を増大させた画素とすることができる。さらに、下部素子を形成することで、上部素子での磁化反転動作を正確に検知することができる。
【００２４】
本発明に係る空間光変調器によれば、前記光変調素子を用いることで、金属電極で一対の駆動電極を形成することができ、効率的なスピン注入磁化反転による偏光変調が可能となり、画素の開口率が増大したものとなる。また、配列された複数の画素全面の磁化反転動作を正確に検知することができ、磁化状態が所望の状態になる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明に係る光変調素子の構成を模式的に示す断面図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る空間光変調器の構成を模式的に示す基板側から見た底面図である。
【図３】画素選択部の構成を模式的に示すブロック図である。
【図４】空間光変調器の駆動および磁化反転動作の検知動作の手順を示すフローチャートである。
【図５】本発明の第１実施形態に係る空間光変調器の構成を模式的に示す断面図である。
【図６】本発明に係る光変調素子の動作を説明するための説明図である。
【図７】本発明に係る光変調素子における磁化方向の２値状態を説明するための説明図である。
【図８】本発明の第２実施形態に係る空間光変調器の構成を模式的に示す基板側から見た底面図である。
【図９】本発明の第２実施形態に係る空間光変調器の構成を模式的に示す断面図である。
【図１０】本発明の第３実施形態に係る空間光変調器の構成を模式的に示す断面図である。
【図１１】本発明の第４実施形態に係る空間光変調器の構成を模式的に示す基板側から見た底面図である。
【図１２】従来の空間光変調器を模式的に示す断面図である。
【図１３】従来の空間光変調器を模式的に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明に係る光変調素子およびこれを用いた空間光変調器の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
≪光変調素子≫
図１に示すように、本発明の光変調素子１は、光を透過させる基板７上に形成され、上部素子１Ａと、下部素子１Ｂとを備える。そして、上部素子１Ａは、磁化自由層３と、第１上部中間層２１および第２上部中間層２２（以下、適宜、上部中間層２１，２２という）と、第１上部磁化固定層１１および第２上部磁化固定層１２（以下、適宜、上部磁化固定層１１，１２という）と、がこの順序で基板７側から積層されたものである。また、下部素子１Ｂは、基板７と磁化自由層３との間に形成され、補助電極５３と、下部磁化固定層１３と、下部中間層２３と、がこの順序で基板７側から積層されたものである。
【００２７】
光変調素子１では、上部素子１Ａの上面に駆動電極としてのＸ電極５１およびＹ電極５２（以下、適宜、駆動電極５１，５２という）が接続されている。具体的には、第１上部磁化固定層１１の上面にはＸ電極５１が、第２上部磁化固定層１２の上面にはＹ電極５２が接続されている。そして、光変調素子１は、上部素子１Ａ上に接続した一対の駆動電極５１、５２との間に電流が供給され、上部素子１Ａ、具体的には磁化自由層３の磁化方向を変化させることによって、下方から基板７を透過して入射した光をその偏光方向を変化させて回折し、異なる２値の光（偏光成分）に変調して下方へ出射するものである。なお、反射光は０次回折光と表現できるので、回折には反射も含むものである。また、光変調素子１では、下部素子１Ｂ、具体的には補助電極５３を用いて光変調素子１の電気抵抗を測定することによって、上部素子１Ａ（磁化自由層３）における磁化反転動作を正確に知ることができる。
【００２８】
光変調素子１としては、所謂、ＣＰＰ−ＧＭＲ（Current Perpendicular to the Plane Giant MagnetoResistance：垂直通電型巨大磁気抵抗効果）型またはＴＭＲ（Tunneling MagnetoResistance：トンネル磁気抵抗効果）型の素子構造を有すると共に、スピン注入磁化反転素子構造を有するものである。なお、本実施形態では、光変調素子１の磁化方向、具体的には上部磁化固定層１１，１２、磁化自由層３、下部磁化固定層１３の磁化方向が垂直方向（層表面と直交する方向）の場合について説明する。以下、光変調素子１の構成について説明する。
【００２９】
＜上部素子＞
上部素子１Ａは、前記したように磁化自由層３、上部磁化固定層１１，１２および上部中間層２１，２２から構成される。
（磁化自由層）
磁化自由層３は、２つの上部磁化固定層１１，１２上にそれぞれ接続したＸ電極５１およびＹ電極５２を一対の駆動電極として電流が供給されることにより、磁化方向が変化するものである。すなわち、Ｘ電極５１とＹ電極５２との間に供給される電流の向きに応じて、注入される電子のスピンと磁化自由層３内の電子スピンとの相互作用により磁化自由層３内の磁化の向きが反転する。
【００３０】
磁化自由層３は、上部磁化固定層１１，１２と共に、垂直磁気異方性を有する材料を使用する。具体的には、ＣｏＦｅＢ、ＣｏＦｅ、Ｃｏ、Ｆｅ、ＣｏＦｅＳｉ、ＣｏＦｅＧｅ等の遷移金属系材料を主に用いることができる。また、遷移金属からなる薄膜層と貴金属からなる薄膜層とが交互に積層した多層膜や、遷移金属と貴金属との合金や、希土類金属と遷移金属との合金等、磁気光学効果の大きな材料を用いることができる。
【００３１】
前記多層膜としては、Ｃｏ／Ｐｔ（左側から記載の材料から順に積層）多層膜、Ｃｏ／Ｐｄ多層膜、Ｆｅ／Ｐｄ多層膜、ＣｏＦｅ／Ｐｄ多層膜、Ｆｅ／Ｐｔ多層膜等が挙げられる。遷移金属と貴金属との合金としては、ＣｏＰｔ合金、ＣｏＰｄ合金、ＦｅＰｄ合金、ＦｅＰｔ合金等が挙げられる。希土類金属と遷移金属との合金としては、ＧｄＦｅ合金、ＧｄＣｏＦｅ合金、ＧｄＣｏ合金、ＴｂＦｅＣｏ合金等が挙げられる。その他、ＭｎＢｉ合金、Ｍｎ／Ｂｉ多層膜、ＰｔＭｎＳｂ合金、Ｐｔ／ＭｎＳｂ多層膜等の磁気光学効果の大きな材料を用いることができる。
【００３２】
また、磁化自由層３は、入射した光の波長における磁気光学効果が２つの上部磁化固定層１１，１２よりも大きい磁性体であることが好ましい。かかる構成により、光変調素子１は、入射した光が磁化自由層３を透過して２つの上部磁化固定層１１，１２に到達した場合に、互いに反平行な磁化による旋光角のばらつきを抑制することができる。
【００３３】
磁化自由層３の厚さは特に限定されるものではないが、磁化自由層３が薄すぎると保磁力が低下し、一方、厚すぎると垂直磁気異方性が劣化する。したがって、磁化自由層３の厚さは、１．５〜１５ｎｍが好ましい。
【００３４】
（上部磁化固定層）
上部磁化固定層１１，１２は、同一平面上に分離した２つの上部磁化固定層、すなわち、第１上部磁化固定層１１および第２上部磁化固定層１２からなり、この２つの上部磁化固定層１１，１２のそれぞれが、１つの磁化自由層３上に、上部中間層２１，２２を挟んで積層されている。上部磁化固定層１１，１２は、磁化方向が所定方向、すなわち、高さ方向と平行な方向（垂直な方向）の一方の向きに固定されており、第１上部磁化固定層１１および第２上部磁化固定層１２は、互いに反平行な磁化に固定されている。また、上部磁化固定層１１，１２は強磁性材料からなり、磁化自由層３よりも保磁力の大きい磁性体である。
【００３５】
第１上部磁化固定層１１および第２上部磁化固定層１２の磁化を、互いに反平行な状態とするためには、上部磁化固定層１１，１２にＣｏＦｅ／ＴｂＦｅＣｏ等の積層膜を用い、一方の膜厚を厚くしたり、一方の上部磁化固定層１１（１２）の形状を変えたりすることで、第１上部磁化固定層１１および第２上部磁化固定層１２がそれぞれ異なる保磁力ＨＣ１，ＨＣ２を有するようにすればよい。あるいは、それぞれ異なる材料を用いることで、それぞれ異なる保磁力ＨＣ１，ＨＣ２を有するようにすればよい。ただし、磁化自由層３の保磁力をＨＣｆとすると、ＨＣｆ＜ＨＣ１＜ＨＣ２とする必要がある。そして、ＨＣ２より大きな磁界Ｈｍａｘを印加した後、ＨＣ１とＨＣ２の中間の大きさとなる負の磁界−Ｈｍｉｄ（ＨＣ１＜Ｈｍｉｄ＜ＨＣ２）を印加することによって、２つの上部磁化固定層１１，１２の磁化を反平行な状態に初期設定することができる。なお、この磁界の印加は、駆動電極５１，５２を形成する前でもよく、形成した後でもよい。
【００３６】
上部磁化固定層１１，１２に用いる材料としては、希土類金属と遷移金属との合金（例えば、ＴｂＦｅＣｏ、ＴｂＦｅ、ＴｂＣｏ、ＤｙＣｏ、ＤｙＣｏＦｅ、ＧｄＦｅ、ＧｄＣｏ、ＧｄＦｅＣｏ等）の上に遷移金属薄膜を積層したものや、遷移金属／貴金属系多層膜（例えば、Ｃｏ／Ｐｄ多層膜、Ｆｅ／Ｐｔ多層膜、Ｃｏ／Ｐｔ多層膜等）や、遷移金属と貴金属との合金（例えば、ＣｏＰｔ合金、ＦｅＰｔ合金等）等が挙げられる。その他，Ｃｏ／Ｎｉ多層膜、ＣｏＮｉ合金／Ｐｔ多層膜等がある。なお、前記遷移金属としては、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ等、前記貴金属としては、Ａｕ、Ａｇ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ等が挙げられる。
【００３７】
また、上部磁化固定層１１，１２のうちの一方を、Ｒｕ等の磁気交換結合膜を備えた多層構造、例えば、ＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅ／ＴｂＦｅＣｏ等とすることが好ましい。このような構成により、前記のＨｍａｘやＨｍｉｄ等の磁界を印加することなく、２つの上部磁化固定層１１，１２の磁化を反平行な状態に初期設定することができる。
【００３８】
上部磁化固定層１１，１２の厚さは特に限定されるものではないが、上部磁化固定層１１，１２が薄すぎると保磁力が低下し、一方、厚すぎると垂直磁気異方性が劣化する。したがって、上部磁化固定層１１，１２の厚さは、３〜５０ｎｍが好ましい。また、第１上部磁化固定層１１と第２上部磁化固定層１２との間隔は、開口率の増大および加工性等の観点から、１０〜３００ｎｍが好ましい。なお、磁化自由層３の膜厚が通常素子（すなわち、従来の光変調素子）と同じである場合を想定すると、スピン注入磁化反転のスピントルクを与える上部磁化固定層１１，１２が、磁化自由層３に対して２枚あると考えられるので、光変調素子１のサイズは、通常素子の２倍（例えば、３００ｎｍ×１００ｎｍ×２素子）程度まで大きくすることができる。
【００３９】
（上部中間層）
第１上部中間層２１および第２上部中間層２２は、それぞれ、磁化自由層３と第１上部磁化固定層１１との間、および、磁化自由層３と第２上部磁化固定層１２との間に配置される層である。上部中間層２１，２２は、磁化自由層３の磁化状態と上部磁化固定層１１，１２の磁化状態とを分離するために必要であり、後記する「光変調素子の磁区状態の変移」で説明するとおり、磁化自由層３と上部磁化固定層１１，１２との間でスピン偏極した電子をやり取りする際の通路として機能する。このように、上部中間層２１、２２はスピンの通路として機能するため、上部中間層２１、２２には、スピン軌道相互作用が小さく、スピン拡散長（スピンを保持する距離）の長い材料を用いることが好ましい。
【００４０】
光変調素子１がＣＰＰ−ＧＭＲ型の磁気抵抗効果素子の場合には、上部中間層２１、２２として、非磁性金属が用いられる。この場合、非磁性金属材料としてはＣｕ、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ等が好ましく、ＺｎＯ等の半導体材料を用いてもよい。また、その厚さは、スピン偏極した電子がスピン状態を十分に保ったまま流れるように、２〜６ｎｍが好ましい。
また、ＴＭＲ型の磁気抵抗効果素子の場合には、上部中間層２１、２２として、マグネシア（ＭｇＯ）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、ＭｇＦ２等の絶縁材料が用いられる。上部中間層２１、２２を絶縁体層とすることにより、光変調素子１の磁気抵抗効果比（ＭＲ比）を改善することができ、ＭＲ比に反比例する磁化反転電流を低減することができる。また、ＴＭＲ型の場合には、上部中間層２１、２２の厚さは、０．６〜２ｎｍ程度が好ましい。
【００４１】
また、上部素子１Ａは、光変調素子１をＴＭＲ型の素子とする場合には、図示しないが、上部中間層２１，２２に絶縁材料を用いるため、同一平面上に分離したものとせず、磁化自由層３と同様に１つの上部中間層として形成してもよい。このような構成とすることで、後記する光変調器の製造方法において、素子膜をエッチングやミリング加工等により掘り下げる際に、上部素子膜の中央を上部中間層の上面または途中まで除去すればよいため、過度なエッチング等が行なわれた場合であっても、磁化自由層３が損傷することを防止できる。
【００４２】
さらに、上部素子１Ａは、図示しないが、第１上部磁化固定層１１とＸ電極５１との間、および、第２上部磁化固定層１２とＹ電極５２との間に保護層を設けてもよい。保護層は、上部磁化固定層１１，１２の酸化や現像処理時のアルカリ性薬品等によるダメージを防止する役割を担う層であり、特に、光変調素子１を形成する際の熱処理における上部磁化固定層１１，１２の酸化を防止する。また、保護層を構成する材料には、熱処理の際に上部磁化固定層１１，１２を構成する材料と反応しない性質が求められる。このような要求を満たす材料として、Ｔａ、Ｒｕ等を用いることができる。特にＲｕは、それ自体が酸化されても抵抗率が増大しないため本発明の光変調素子１に用いることが好ましい。
【００４３】
＜下部素子＞
下部素子１Ｂは、前記したように補助電極５３、下部磁化固定層１３および下部中間層２３で構成される。また、下部素子１Ｂには、基板７を透過した光を上部素子１Ａの磁化自由層３に入射させるための窓部５４が形成されている（図５参照）。そのため、下部素子１Ｂは、光入射側から見た断面形状が中央部に窓部５４を有する枠形状に形成され、その枠の幅は５０〜２００ｎｍである。また、窓部５４の形状は、光が入射できれば特に限定されないが、製造が容易なことから矩形状であることが好ましい。
【００４４】
（補助電極）
補助電極５３は、上部素子１Ａ（磁化自由層３）の磁化反転動作を検知する際に用いられる電極であって、光入射側（基板７側）から見た断面形状が中央部に窓部５４を有する枠形状に形成される。そして、補助電極５３には、銅（Ｃｕ）、金（Ａｔ）、Ｐｔ（白金）等の金属からなる金属電極、または、ＩＺＯ、ＩＴＯ等の透明材料からなる透明電極が用いられる。なお、補助電極５３の厚さは、２０〜５００ｎｍ程度が好ましい。
【００４５】
（下部磁化固定層）
下部磁化固定層１３は、補助電極５３の上に積層されるもので、光入射側（基板７側）から見た断面形状が中央部に窓部５４を有する枠形状に形成される。そして、下部磁化固定層１３は、前記した上部素子１Ａの上部磁化固定層１１，１２と同様に、強磁性材料からなり、上部素子１Ａの磁化自由層３よりも保磁力が大きい磁性体である。また、下部磁化固定層１３の磁化方向は、光変調素子１の駆動前における磁化自由層３の磁化方向と平行、または、反平行のいずれでもよい。なお、下部磁化固定層１３の厚さは、３〜５０ｎｍ程度が好ましい。
【００４６】
（下部中間層）
下部中間層２３は、下部磁化固定層１３の上に積層され、上部素子１Ａの磁化自由層３と下部素子１Ｂの下部磁化固定層１３との間に配置される層である。また、下部中間層２３は、光入射側（基板７側）から見た断面形状が中央部に窓部５４を有する枠形状に形成される。なお、下部中間層２３としてＭｇＯ等の透明材料を用いる場合には、前記した窓部５４を形成した枠形状の下部中間層２３でなく、平面状の下部中間層２３（図１に示す破線部分に相当）であってもよい。
【００４７】
上部素子１Ａ（磁化自由層３）に対して下部素子１ＢがＣＰＰ−ＧＭＲ構造を取る場合には、下部中間層２３として、非磁性金属が用いられる。この場合、非磁性金属材料としてはＣｕ、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ等が好ましく、ＺｎＯ等の半導体材料を用いてもよい。また、その厚さは、２〜６ｎｍが好ましい。
【００４８】
上部素子１Ａ（磁化自由層３）に対して下部素子１ＢがＴＭＲ構造を取る場合には、下部中間層２３として、マグネシア（ＭｇＯ）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、ＭｇＦ２等の絶縁材料が用いられる。また、ＴＭＲ型の場合には、上部中間層２１、２２の厚さ：０．６〜２ｎｍ程度に対して、下部中間層の厚さは２〜３ｎｍ程度とするのが好ましい。
【００４９】
このように、下部中間層２３を非磁性金属（半導体材料）または絶縁材料で構成し、下部素子１ＢがＣＰＰ−ＧＭＲ構造またはＴＭＲ構造となることによって、光変調素子１のＭＲ比が大きくなり、駆動電極（Ｘ電極５１）と補助電極５３との間の電気抵抗Ｒ２Ｈ、Ｒ２Ｌも大きくなり、その変化率も大きくなる。その結果、磁化自由層３の磁化方向の反転前後での電気抵抗Ｒ２Ｈ、電気抵抗Ｒ２Ｌを測定、比較することによって、磁化自由層３の磁化反転動作を正確に検知することが可能となる（図７参照）。
なお、電気抵抗変化はＣＰＰ−ＧＭＲ構造に比べてＴＭＲ構造のほうが大きいため、下部中間層２３を絶縁材料で構成することが好ましい。
【００５０】
また、本発明に係る光変調素子１は、Ｘ電極５１と補助電極５３との間の電気抵抗Ｒ２が、Ｘ電極５１とＹ電極５２との間の電気抵抗Ｒ１に比べて大きいことが特徴である（図７参照）。これにより、光変調素子１では、Ｘ電極５１と補助電極５３との間の電気抵抗Ｒ２の変化を確認することによって、上部素子１Ａ（磁化自由層３）における磁化反転動作を正確に知ることができる。
【００５１】
以上、本発明に係る光変調素子１の実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更することができる。例えば、前記実施形態では、垂直磁化の場合について説明したが、磁化方向が層表面と平行な方向である面内磁化であってもよい。面内磁化の場合には、磁化自由層３、上部磁化固定層１１，１２および下部磁化固定層１３には、面内磁気異方性を有する材料を使用する。なお、上部磁化固定層１１，１２のうちの一方を磁気交換結合膜を備えた多層構造とする場合、面内磁化であれば、ＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅ／ＩｒＭｎ（ＩｒＭｎの代わりに、ＦｅＭｎ、ＰｔＭｎ等の反強磁性材料を用いることも可能）等とすることが好ましい。
【００５２】
≪空間光変調器≫
［第１実施形態］
図２に示すように、空間光変調器１０は、前記記載の光変調素子１を用いたものであり、光を透過させる基板７（図１参照）と、この基板７上に２次元配列された複数の画素４と、複数の画素４から１以上の画素４を選択する画素選択手段（画素選択部９４）と、この画素選択手段が選択した画素４に所定の電流を供給する電流供給手段（電源９３）と、を備える。また、空間変調器１０は、選択された画素４におけるＸ電極５１と補助電極５３との間の電圧値を測定する測定部９６を備えている。さらに、画素選択部９４と電源９３は、電流制御部９０に備えられている。そして、空間光変調器１０は、基板７を透過して画素選択手段が選択した画素４に入射した光の偏光の向きを特定の方向に変化させて回折して出射する。
以下、各構成について説明する。
【００５３】
（基板）
基板７は、光変調素子１、駆動電極５１，５２を形成するための土台となるものである。空間光変調器１０では、後記するように、基板７を透過して光変調素子１に入射した後に回折される光を利用するため、基板７としては、ＳｉＯ２、ＭｇＯ、サファイア、石英ガラス等の透過性に優れた透明基板を用いる。
【００５４】
（画素）
画素４は、空間光変調器１０の光の入射面に、２次元アレイ状に配列されて画素アレイ４０を構成する。すなわち、画素アレイ４０は、平面視で複数のＸ電極５１と、平面視でＸ電極５１と直交する複数のＹ電極５２と、を備え、Ｘ電極５１とＹ電極５２との交点毎に１つの画素４を設ける。本実施形態では、画素アレイ４０は、３行×３列の９個の画素４からなる構成で例示される。
【００５５】
画素４は、光変調素子１と、２つの上部磁化固定層１１，１２上にそれぞれ接続され、光変調素子１に電流を供給する一対の駆動電極５１，５２と、を有している。また、光変調素子１の溝部（上部磁化固定層１１，１２間、上部中間層２１，２２間：図１参照）や、隣り合うＸ電極５１，５１間、光変調素子１，１間、およびＹ電極５２，５２間等、すなわち、図２の空白部分は、絶縁部材６で埋められている。
【００５６】
〈光変調素子〉
光変調素子１は、Ｘ電極５１とＹ電極５２との間に一定の電流を供給したときに、光変調素子１に入射した入射光の偏光面をカー効果により一定角度回転させて回折する役割を担う。光変調素子１の平面視での大きさは、一例として、磁化自由層３の幅（横方向の長さ）（ここでの幅とは、２つの上部磁化固定層１１，１２が同一平面上に並んだ方向、以下同じ）が３００ｎｍ、長さ（縦方向の長さ）が３００ｎｍ、あるいは、幅が４００ｎｍ、長さが３００ｎｍ等である。また、第１上部磁化固定層１１および第２上部磁化固定層１２の幅がそれぞれ１５０ｎｍ、第１上部磁化固定層１１と第２上部磁化固定層１２との間隔が１００ｎｍ等である。ただし、光変調素子１等の大きさは、これに限定されるものではない。
【００５７】
また、空間光変調器１０では、光変調素子１は、二次元マトリックス状（縦横に一定間隔で二次元配置された状態）に配置されており、ここでは、１個の光変調素子１が１画素となっている。また、光変調素子１の形状は、例えば正方形や長方形（矩形）が挙げられるが、その他の形状であってもよい。光変調素子１同士のピッチは、駆動電極（Ｘ電極５１およびＹ電極５２）および光変調素子１の成膜技術（半導体製造プロセスが好適に用いられる）の精度に依存し、適宜定められ、例えば、１μｍ以下である。この光変調素子１は、第１上部磁化固定層１１と第２上部磁化固定層１２が、それぞれ一対の電極であるＸ電極５１とＹ電極５２に接続されて、層面に垂直に電流が供給される（図１参照）。
【００５８】
〈駆動電極：Ｘ電極およびＹ電極〉
Ｘ電極５１は、光変調素子１に電流を供給するための一対の電極のうち、片方の電極であり、Ｙ電極５２は、もう一方の電極である。Ｘ電極５１およびＹ電極５２を構成する材料としては、安価で導電性に優れた銅（Ｃｕ）が好適に用いられるが、これに限定されるものではなく、金（Ａｕ）や白金（Ｐｔ）等の貴金属を用いてもよい。そして後記するように、入射偏光は基板７側から光変調素子１に入射し、磁化自由層３で回折されるため、駆動電極５１，５２は光を透過させる必要がない。そのため、駆動電極５１，５２を、透明材料で構成する必要はない。駆動電極５１，５２の幅は、基板７上に形成する光変調素子１の形状に合わせて、適宜定められ、例えば、１００ｎｍ以下である。空間光変調器１０では、光変調素子１を縦横に一定間隔で二次元配置する構成としているため、Ｘ電極５１は、帯状の形状を有し、一定幅かつ一定間隔で第１上部磁化固定層１１上に設けられている。また、Ｙ電極５２も、その長手方向がＸ電極５１の長手方向と直交するように、一定間隔で平行に配置されて、第２上部磁化固定層１２上に設けられている。
【００５９】
〈絶縁部材〉
絶縁部材６は、Ｘ電極５１およびＹ電極５２の電極間や、光変調素子１，１間等を絶縁するための部材である。絶縁部材６としては、ＳｉＯ2やＡｌ2Ｏ3等の従来公知の絶縁材料を用いればよい。
【００６０】
（測定部）
測定部９６は、後記する画素選択部９４で選択された画素４における一対の駆動電極５１，５２のうちの一方の駆動電極であるＸ電極５１と、光変調素子１の補助電極５３との間の電圧値を測定するものである。ここで、Ｘ電極５１、補助電極５３の選択は、画素選択部９４の指令を受けるＸ電極選択部９１、補助電極選択部９５とで行われる。後記するように、測定部９６で測定された電圧値は画素選択部９４に送られ、電気抵抗値が算出される。
【００６１】
（電源および画素選択部）
電源９３および画素選択部９４の駆動動作は、電流制御部９０により制御される。
（電流制御部）
図２に示すように、電流制御部９０は、空間光変調器１０の駆動動作、および、空間変調器１０（光変調素子１）の磁化反転動作の検知動作を制御する。
そして、電流制御部９０は、画素選択部９４（画素選択手段）と、画素選択部９４によって制御される電源９３（電源供給手段）とを備える。また、画素選択部９４は、図３に示すように、Ｘ電極５１、Ｙ電極５２、補助電極５３を選択し、かつ電源９３の駆動を制御する電極選択部９４ａと、測定部９６で測定された電圧値から電気抵抗値を算出する算出部９４ｂと、予め設定された磁化方向に応じて定められた標準電気抵抗値の設定範囲を記憶する記憶部９４ｃと、算出された電気抵抗値と標準電気抵抗値を比較して、前記電気抵抗値が前記設定範囲内である場合に磁化反転が良好とし、前記設定範囲外である場合に不良として磁化反転の良好または不良を判断する判断部９４ｄと、磁化反転が不良の場合に駆動電極（Ｘ電極５１およびＹ電極５２）への電流の再供給を指令する指令部９４ｅとを備えている。ここで、標準電気抵抗値とは、図７（ａ）、（ｂ）で示された２値の磁化方向における電気抵抗値Ｒ２Ｈ、Ｒ２Ｌを意味する。
【００６２】
〈空間光変調器の駆動および磁化反転動作の検知動作〉
次に、空間光変調器１０の駆動および磁化反転動作の検知動作について、図３、図４を参照して、説明する。なお、標準電気抵抗値Ｒ２Ｈ、Ｒ２Ｌについては、後記する。
図３、図４に示すように、まず、画素選択部９４に備えられた電極選択部９４ａからの指令を受けたＸ電極選択部９１によって複数のＸ電極５１の中から電流を供給するＸ電極５１が選択され、電極選択部９４ａからの指令を受けたＹ電極選択部９２によって複数のＹ電極５２の中から電流を供給するＹ電極５２が選択される。さらに、電極選択部９４ａからの指令を受けた補助電極選択部９５によって複数の補助電極５３の中からＸ電極５１との間の電圧値を測定する補助電極５３が選択される（Ｓ１）。これにより、所定の画素４が選択される。ここで、画素選択部９４に備えられた記憶部９４ｃには、予め設定された磁化方向に応じて定められた標準電気抵抗値の設定範囲が記憶されている（Ｓ１０１）。そして、所定の画素４の選択と共に、この画素４に対応する標準電気抵抗値の設定範囲が選択される。次に、画素選択部９４からの指令を受けた電源９３によって、選択されたＸ電極５１とＹ電極５２とに電流が供給される（Ｓ２）。
【００６３】
次に、測定部９６により、前記Ｓ１で選択されたＸ電極５１と補助電極５３との間の電圧値が測定され（Ｓ３）、測定部９６で測定された電圧値は画素選択部９４に送られる。次に、画素選択部９４に備えられた算出部９４ｂによって、電圧値から電気抵抗値が算出される（Ｓ４）。算出された電気抵抗値は、判断部９４ｄによって、予め記憶部９４ｃに記憶され、選択された画素４において予め設定された磁化方向に応じて定められた標準電気抵抗値（Ｒ２Ｈ、Ｒ２Ｌ）のうちの一方の値の設定範囲と比較される（Ｓ５）。標準抵抗値は、磁化自由層３の磁化方向が下向きの場合（Ｒ２Ｈ）は、所定の範囲内の値であるものとし、磁化方向が上向きの場合（Ｒ２Ｌ）は、下向きの場合（Ｒ２Ｈ）よりも低い所定範囲内の値であるものとする。そして、算出された電気抵抗値が、所望の範囲内に一致するか否かを判断する（Ｓ６）。例えば、設定された磁化反転に対応する一方の値がＲ２Ｈの場合、算出された電気抵抗値をＲ２とすると、「Ｒ２がＲ２Ｈの設定範囲の範囲内」であれば、磁化反転が良好と判断し、一方、「Ｒ２がＲ２Ｌの設定範囲の範囲内、すなわち、Ｒ２Ｈの設定範囲の範囲外」であれば、磁化反転が不良と判断する（図７参照：詳細は、後記する「磁化方向の２値状態について」で説明する）。すなわち、所望の範囲内にある場合（Ｙｅｓ）は、磁化反転が良好とし、次のステップに進む。一方、所望の範囲内にない場合（Ｎｏ）は、磁化反転が不良とし、指令部９４ｅによって、駆動電極５１，５２への電流の再供給が指令され、電源９３から駆動電極５１，５２へ電流が供給される。そして、すべての画素４において、処理が終了したか否かを判断し、終了していれば（Ｙｅｓ）、処理を終了し、終了していなければ（Ｎｏ）、次の電極を選択する。
これにより、空間変調器１０が駆動すると共に、空間光変調器１０（光変調素子１の磁化自由層３）の磁化方向が検知され、所望の磁化状態に反転する。
【００６４】
Ｘ電極選択部９１は、複数のＸ電極５１にそれぞれ対応して設けられた複数のスイッチング素子から構成される。Ｙ電極選択部９２もこれと同様に、複数のＹ電極５２にそれぞれ対応して設けられた複数のスイッチング素子から構成される。各スイッチング素子へは電源９３から一定電流が供給されており、駆動対象となる光変調素子１にＸ電極５１を介して接続されているスイッチング素子、および、Ｙ電極５２を介して接続されているスイッチング素子が、画素選択部９４からの指令（動作信号）を受けて導通動作を行うことにより、その光変調素子１に電流が供給される。
【００６５】
補助電極選択部９５は、Ｘ電極選択部９１およびＹ電極選択部９２と同様に、複数の光変調素子１の補助電極５３にそれぞれ対応して設けられた複数のスイッチング素子から構成される。検知対象となる光変調素子１に補助電極５３を介して接続されるスイッチング素子が、画素選択部９４からの指令（動作信号）を受けて導通動作を行うことにより、光変調素子１の電気抵抗の測定が行われ、光変調素子１の磁化反転動作の検知が行われる。駆動対象または検知対象となっている光変調素子１の選択と、この光変調素子１の駆動、および、磁化反転動作の検知を行うためのスイッチング素子の動作制御は、画素選択部９４によって行われる。
【００６６】
電源９３は電流反転機能を備えている。つまり、Ｘ電極５１に正電流を供給すると共に、Ｙ電極５２に負電流を供給することができ、逆に、Ｘ電極５１に負電流を供給すると共に、Ｙ電極５２に正電流を供給することもできるようになっている。この電源９３の電流反転機能の制御もまた画素選択部９４により行われる。
【００６７】
画素選択部９４は、所謂、コンピュータであり、図示しない中央演算装置がＲＯＭに格納されたプログラムを実行することにより、Ｘ電極選択部９１、Ｙ電極選択部９２、補助電極選択部９５および電源９３の動作制御が行われる。また、Ｘ電極選択部９１、Ｙ電極選択部９２、補助電極選択部９５による各選択は、画素選択部９４に、人為的に予め所望のプログラムを設定し、このプログラムを実行することで行われる。なお、図２においては、紙面上、上下に２つあるＸ電極選択部９１は、本来同一の１つのＸ電極選択部９１であり、また、紙面上、左右に２つある画素選択部９４は、本来同一の１つの画素選択部９４であるが、ここでは、便宜上、２つに分けて図示している。
【００６８】
＜空間光変調器の動作＞
次に、空間光変調器１０の動作について、図５を参照して説明する。
まず、光源である光学系ＯＰＳから、レーザー光が照射される。この光学系ＯＰＳから照射されたレーザー光は様々な偏光成分を含んでいるので、これを基板７の下方の偏光子ＰＦｉを透過させて、１つの偏光成分の光とする。以下、１つの偏光成分の光を偏光と称する。この偏光（入射偏光）は、画素アレイ４０（図２参照）のすべての画素４に所定の入射角で入射する。入射偏光は、それぞれの画素４において、基板７を透過して光変調素子１に入射し、当該光変調素子１の磁化自由層３によるカー効果により、偏光方向が所定角度回転した出射偏光として光変調素子１から出射し、再び基板７を透過して画素４から出射する。それぞれの画素４から出射したすべての出射偏光は、偏光子ＰＦｏに到達する。偏光子ＰＦｏは、特定の偏光、ここでは入射偏光に対して角度θｋ旋光した偏光のみを透過させ、この透過した出射偏光が検出器ＰＤに入射する。一方、角度−θｋ旋光した偏光は、偏光子ＰＦｏを透過できない。なお、偏光子ＰＦｉ，ＰＦｏはそれぞれ偏光板等であり、検出器ＰＤはスクリーン等の画像表示手段やカメラ等である。
【００６９】
このように、角度θｋ旋光した場合の回折光（出射偏光）は偏光子ＰＦｏを通過することができるが、角度−θｋ旋光した場合の回折光は偏光子ＰＦｏを通過することができない状態を作り出すことができる。空間光変調器１０は、前記の通りＸ電極５１とＹ電極５２とを選択的に駆動（電流供給）して所望の光変調素子１に電流を流すことができるようになっているため、光変調素子１毎に（画素４毎に）磁化自由層３の磁化の向きを電流の向きや大きさによって制御し、偏光子ＰＦｏを通過可能な回折光とするか通過不能な回折光とするかによって、回折光の強弱（コントラスト）を制御することができる。
【００７０】
また、この制御の際、光変調素子１の補助電極５３を用いて、光変調素子１の電気抵抗、具体的にはＸ電極５１と補助電極５３との間の電気抵抗を測定し、その値で光変調素子１（磁化自由層３）の磁化反転動作が良好に行われているかどうかを検知する。そして、磁化反転動作が不良の場合には、再度、電流供給を行う。
【００７１】
また、磁化自由層３によるカー効果の大きさ（カー回転角の大きさ）によって回折光のコントラストの強弱比が決まる。図５に示すように、角度θｋ旋光して回折光を透過するか、または、角度−θｋ旋光して遮光するかの状態の場合、カー回転角（θｋ，−θｋ）が一定角度以上ある場合には、高いコントラストを得ることができるが、カー回転角が小さい場合には、低コントラストとなる。なお、図５のように磁化自由層３の磁化の向きが下向きである場合に光検出器の出力が「明状態」となり、逆に磁化自由層３の磁化の向きが上向きである場合には「暗状態」となる。
【００７２】
＜光変調素子の磁区状態の変移＞
次に、光変調素子１の磁区状態の変移について、図６を参照して説明する。
図６（ａ）に示すように、初期状態として、磁化の方向は、磁化自由層３では下向き、第１上部磁化固定層１１では上向き、第２上部磁化固定層１２では下向きであるとする。
【００７３】
この状態から、図６（ｂ）に示すように、Ｘ電極５１を負、Ｙ電極５２を正としてパルス電流を供給すると、Ｘ電極５１から注入された電子において、上向きスピンの電子ｄ１は第１上部磁化固定層１１を通過するが、下向きスピンの電子ｄ２は第１上部磁化固定層１１を通過することができない。すなわち、Ｘ電極５１から注入された電子は第１上部磁化固定層１１によって弁別され、第１上部磁化固定層１１の内部で第１上部磁化固定層１１の磁化方向にスピンを揃え（スピン偏極）、そのスピン偏極した電子（上向きスピンの電子ｄ１）が第１上部中間層２１内をスピンを保持したまま通過し、磁化自由層３に注入される。そして、磁化自由層３の内部では、磁化自由層３の磁化方向を決定づける内部電子と注入されたスピン偏極電子との相互作用により、局所的なスピントルクという力が生じて磁化自由層３内の磁化方向を決定づける内部電子のスピンを反転させる。そのために、結果として第１上部磁化固定層１１の直下付近の磁化自由層３から磁化反転が生ずる。
【００７４】
同時に、第２上部磁化固定層１２の直下付近の磁化自由層３内の電子において、下向きスピンの電子ｄ２は第２上部磁化固定層１２を通過するが、上向きスピンの電子ｄ１は第２上部磁化固定層１２を通過することができない。すなわち、磁化自由層３内の電子は、下向きスピンの電子ｄ２のみが第２上部磁化固定層１２内をスピンを保持したまま通過することで第２上部磁化固定層１２によって弁別される。これにより、第２上部磁化固定層１２の直下付近の磁化自由層３には上向きスピンの電子ｄ１が留まり、この上向きスピンによるトルクのため、第２上部磁化固定層１２の直下付近の磁化自由層３からも磁化反転が生じる。このように、適当な幅のパルス電流を供給することにより、磁化自由層３の磁化が反転し、結果的に図６（ｂ）から図６（ｃ）の状態に移行する。なお、このとき、下部素子１Ｂと磁化自由層３との間には膜厚２ｎｍ以上の絶縁層である下部中間層２３が形成されているため，その比抵抗ＲＡ（抵抗×面積）は数１００ｋΩμｍ２以上となり、下部素子１Ｂに流れる電流はほぼゼロである。したがって、下部磁化固定層１３は磁化自由層３の磁化反転に寄与しない。
【００７５】
そして、図６（ｃ）に示すように、この状態では、磁化自由層３の磁化の方向は、上向きとなる。この状態から、図６（ｄ）に示すように、Ｘ電極５１を正、Ｙ電極５２を負としてパルス電流を供給すると、第２上部磁化固定層１２によって弁別された下向きスピンの電子ｄ２が磁化自由層３に注入され、下向きスピンによるトルクのため、第２上部磁化固定層１２の直下付近の磁化自由層３から磁化反転が生じる。同時に、第１上部磁化固定層１１によって弁別された下向きスピンの電子ｄ２の下向きスピンによるトルクのため、第１上部磁化固定層１１の直下付近の磁化自由層３からも磁化反転が生じる。このように、適当な幅のパルス電流を供給することにより、磁化自由層３の磁化方向が反転し、結果的に図６（ｄ）から図６（ａ）の状態に移行する。なお、このとき、下部素子１Ｂと磁化自由層３との間には膜厚２ｎｍ以上の絶縁層である下部中間層２３が形成されているため，その比抵抗ＲＡ（抵抗×面積）は数１００ｋΩμｍ２以上となり、下部素子１Ｂに流れる電流はほぼゼロである。したがって、下部磁化固定層１３は磁化自由層３の磁化反転に寄与しない。
【００７６】
このように、磁化自由層３の磁化の向きは、パルス電流を流す向きによって制御することができるため、パルス電流によって回折する光の偏光面を制御する光変調素子１として動作させることができる。なお、パルス電流の大きさを大きくすることでも、磁化自由層３の磁化方向を反転させることができる。そして、パルス電流ではなく、直流電流であってもよい。また、ここでは電流を供給するものとして説明したが、電圧を印加するものであってもよい。なお、パルス供給後の磁化の向きはそのまま保持され、別途電流を流す必要はない。すなわち、本発明の光変調素子１は自らメモリ機能を有する。
そして、２つの上部磁化固定層１１，１２を備えることで、スピン注入の効率を向上させることができ、また、光の入射面（出射面）の面積を広くしても磁化自由層３の磁化反転が効率よく起きるため、画素４の開口率を増大させることができる。
【００７７】
＜磁化方向の２値状態について＞
本発明では、磁化自由層３の磁化反転動作を電気的に測定することが可能である。これについて、図７を参照して説明する。図７（ａ）は磁化自由層３の磁化方向が下向きの状態、（ｂ）は磁化自由層３の磁化方向が上向きの状態を示す図である。
図７（ａ）、（ｂ）に示すように、例えば、第１上部磁化固定層１１、および、第２上部磁化固定層１２の材料が同一で、第１上部中間層２１、および、第２上部中間層２２の材料と膜厚とが同一であるとすると、上部磁化固定層１１，１２と磁化自由層３との間の抵抗は、それぞれの磁化方向の組み合わせにより、Ｒ０Ｈ，Ｒ０Ｌのいずれかとなる。また、磁化自由層３と下部磁化固定層１３との間の抵抗も、それぞれの磁化方向の組合せにより、Ｒ３Ｈ，Ｒ３Ｌのいずれかとなる。ここで、「Ｈ」は抵抗値が高く、「Ｌ」は抵抗値が低いことを表している。
【００７８】
したがって、Ｘ電極５１とＹ電極５２との間の抵抗をＲ１とすると、図７（ａ）、（ｂ）の状態において、共に「Ｒ１＝Ｒ０Ｈ＋Ｒ０Ｌ」となり、磁化自由層３の磁化反転を検知できない。しかしながら、Ｘ電極５１と補助電極５３との間の抵抗をＲ２とすると、Ｒ２は、磁化自由層３の磁化の方向が下向きである図７（ａ）の状態ではＲ２Ｈ＝Ｒ０Ｈ＋Ｒ３Ｈ／２、磁化自由層３の磁化の方向が上向きである図７（ｂ）の状態ではＲ２Ｌ＝Ｒ０Ｌ＋Ｒ２Ｌ／２となり、値が異なる（Ｒ２ＨまたはＲ２Ｌ）。ここで、「２」は、「定数」である。図７（ａ）、（ｂ）では、下部素子１Ｂの２つの部分が磁化自由層３に並列に接続する断面形状を有するため、定数＝２としたが、断面形状によって「２」以外の定数であることもある。そして、前記したとおり、選択された画素４において予め設定された磁化方向に応じて定められ、記憶された標準電気抵抗値（例えばＲ２Ｈ）の設定範囲と算出された電気抵抗値Ｒ２を比較して、電気抵抗値Ｒ２が設定範囲の範囲内の場合に光変調素子１の磁化反転が良好とし、範囲外である場合に不良として磁化反転の良好または不良を判断することができる。また、Ｒ３Ｈ，Ｒ３Ｌは、Ｒ０Ｈ，Ｒ０Ｌに比べて大きい値をとるため、Ｒ２Ｈ，Ｒ２Ｌの測定が容易となる。そのため、下部素子１Ｂ（補助電極５３）を備えることで磁化自由層３の磁化反転動作を正確に検知できる。
【００７９】
これにより、磁化自由層３の磁化反転動作が正確に行われていないと判断した場合には、再度電流を供給して、所望の磁化状態に反転させればよい。このようにすることで、例えば、所望の磁化反転が起きないエラーが生じた場合のエラー訂正に利用することができる。
【００８０】
＜光変調器の製造方法＞
次に、空間光変調器１０の製造方法の一例について、図１、２を適宜参照して説明する。
【００８１】
まず、基板７上に補助電極５３、下部磁化固定層１３、下部中間層２３の順に、スパッタリング法（例えば、マグネトロンスパッタリング、イオンビームスパッタリング）等、公知の技術を用いて、真空中で一貫して製膜し、下部素子膜を形成する。また、基板７上に形成された下部素子膜に対して、必要に応じて、熱処理を施す。この熱処理は、下部素子１Ｂの特性を向上させ、また、後に行われるフォトリソグラフィプロセス中における光変調素子１の特性変化を抑制するために行われる。熱処理条件としては、例えば１９０〜５００℃で１時間の真空熱処理を行う。
【００８２】
次に、下部素子膜の層上に、窓部サイズのレジストを形成し、レジストパターンを形成する。レジストの形成は、例えば、２５０ｎｍ×３５０ｎｍの孔パターンとなるように、ＥＢ（電子ビーム）露光法等により形成する。そして、レジストパターンのレジストが形成されていない孔の部位について、下部素子膜の膜厚方向に、基板７の上面まで（表面が露出するまで）除去する。除去については、エッチング、あるいはＡｒイオン等を用いたイオンビームミリング法によるミリング加工等により行うことができる。
その後、レジストを剥離せずにアルミナや酸化珪素などの絶縁材料を全面に堆積し、窓部５４をこの絶縁材料で埋める。このとき、レジスト上部にも絶縁材料が堆積される。
【００８３】
その後、レジスト剥離液に浸して、リフトオフ（レジストの剥離）して下部素子１Ｂを作製する。あるいは、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing：化学機械研磨）法により、レジストを除去してもよい。なお、ＣＭＰ処理等を行う場合には、最上部に形成されている下部中間層２３の厚さが所定値となるように、成膜時に研磨厚さ分だけ厚く形成しておいてもよい。
【００８４】
次に、下部素子１Ｂ（下部中間層２３）上に磁化自由層３、上部中間層２１，２２、上部磁化固定層１１，１２の順に、スパッタリング法（例えば、マグネトロンスパッタリング、イオンビームスパッタリング）等、公知の技術を用いて、真空中で一貫して製膜し、上部素子膜を形成する。また、下部素子１Ｂ上に形成された上部素子膜に対して、必要に応じて、熱処理を施す。この熱処理は、光変調素子１の特性を向上させ、また、後に行われるフォトリソグラフィプロセス中における光変調素子１の特性変化を抑制するために行われる。熱処理条件としては、例えば１９０〜５００℃で１時間の真空熱処理を行う。
【００８５】
次に、上部素子膜の層上に、画素サイズのレジストを形成し、レジストパターンを形成する。レジストの形成は、例えば、３００ｎｍ×４００ｎｍのレジストパターンをメサパターンとなるように、ＥＢ（電子ビーム）露光法等により形成する。そして、レジストパターンのレジストが形成されていない部位について、上部素子膜の膜厚方向に、基板７の上面まで（表面が露出するまで）除去する。除去については、エッチング、あるいはＡｒイオン等を用いたイオンビームミリング法によるミリング加工等により行なうことができる。
【００８６】
その後、レジストを剥離せずに、アルミナや酸化珪素等の絶縁材料（絶縁部材６）を全面に堆積し、ミリング加工等により形成された溝を絶縁部材６で埋める。絶縁部材６の形成は、反応性スパッタ法やＣＶＤ法、ゾル−ゲル法等により行うことができる。溝に堆積する絶縁部材６の厚さは、溝深さと同程度か、それ以上厚くする。また、レジストを除去する前に堆積するため、レジスト上にも絶縁部材６が堆積する。
【００８７】
絶縁部材６を堆積した後、レジスト剥離液に浸して、リフトオフ（レジストの剥離）する。あるいは、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing：化学機械研磨）法により、レジストを除去してもよい。なお、ＣＭＰ処理等を行う場合には、最上部に形成されている上部磁化固定層１１，１２の厚さが所定値となるように、成膜時に研磨厚さ分だけ厚く形成しておいてもよい。
次に、上部素子膜の中央付近を分断するようにレジストの孔パターンを形成し、孔の部位について、上部素子膜の膜厚方向に磁化自由層３の上面が露出するまで除去する。除去については、エッチング、あるいはＡｒイオン等を用いたイオンビームミリング法によるミリング加工等により行なうことができる。
その後、レジストを剥離せずにアルミナや酸化珪素などの絶縁材料を全面に堆積し、この孔を絶縁材料で埋める。このとき、レジスト上部にも絶縁材料が堆積される。レジストを除去し、下部素子１Ｂ上に上部素子１Ａが作製された光変調素子１とする。
そして、第１上部磁化固定層１１上にＸ電極５１、第２上部磁化固定層１２上にＹ電極５２を、これらが直交するように所定間隔で形成して空間光変調器１０とする。この電極の形成は、素子膜の形成方法と同様にして行うことができる。そして、Ｘ電極５１間、Ｙ電極５２間には、絶縁部材６が充填される。
【００８８】
以上、本発明に係る空間光変調器１０の実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更することができる。例えば、以下の構成としてもよい。
【００８９】
［第２実施形態］
図８、９に示すように、空間光変調器１０Ａは、配列された複数の画素４（画素アレイ４０）において、上部素子１Ａの２つの上部磁化固定層１１，１２が同一平面上に並んだ方向に隣り合う２つの光変調素子１の下部素子１Ｂが一体化されていることが好ましい。ここで、下部素子１Ｂの一体化とは、隣り合う光変調素子１同士が下部中間層２３、下部磁化固定層１３、補助電極５３を互いに共有している構成を意味する。その他の構成については、前記第１実施形態の空間光変調器１０と同様である。
【００９０】
このような構成とすることで、空間光変調器１０Ａは、光変調素子１の下部素子１Ｂによる過剰な抵抗増大が緩和されるため、Ｘ電極５１と補助電極５３との間の電気抵抗を容易に測定することができ、磁化自由層３磁化反転動作を正確に検知することができる。
【００９１】
［第３実施形態］
図１０に示すように、空間光変調器１０Ｂは、配列された複数の画素４（画素アレイ）において、上部素子１Ａの２つの上部磁化固定層１１，１２が同一平面上に並んだ方向に隣り合う２つの光変調素子１の補助電極５３の間、および、それぞれの補助電極５３に形成された窓部５４を塞ぐように形成された透明電極５５を有することが好ましい。透明電極５５は、ＩＺＯ、ＩＴＯ等の透明電極材料から構成されることが好ましい。その他の構成については、前記第１実施形態の空間光変調器１０と同様である。
【００９２】
空間光変調器１０Ｂは、図１０では透明電極５５は２つの補助電極５３間に形成されているが、空間光変調器１０Ｂは、透明電極５５が基板７と補助電極５３との間に形成されるものであってもよい（図示せず）。
【００９３】
このような構成とすることで、空間光変調器１０Ｂは、光変調素子１の下部素子１Ｂによる過剰な抵抗増大が緩和されるため、Ｘ電極５１と補助電極５３との間の電気抵抗を容易に測定することができ、磁化自由層３の磁化反転動作を正確に検知することができる。また、透明電極５５での多重回折の効果を利用して、磁化自由層３におけるカー回転角を増進することが可能となり、磁気光学効果が向上する。
【００９４】
［第４実施形態］
図１１に示すように、空間光変調器１０Ｃは、１つの画素４が３つの光変調素子１から構成されている。そして、３つの光変調素子１は、下部素子１Ｂ（下部中間層、下部磁化固定層および補助電極５３）を共有し、Ｘ電極５１およびＹ電極５２も共有している。その他の構成については、前記第１実施形態の空間光変調器１０と同様である。また、空間光変調器１０Ｃは、下部素子１Ｂを３つの光変調素子１同士で一体として形成したが、光変調素子１毎に分断して構成したものであってもよい（図示せず）。
【００９５】
このような構成とすることで、複数の光変調素子１を１つの画素４とするため、画素４の多段階表示を可能とすることができる。すなわち、１つの光変調素子１で１画素を構成する場合、１画素は磁化方向の向きに対応した２状態しか取ることができず、１画素の光の階調が例えば「１」で示す明状態と「０」で示す暗状態との２階調となる。しかし、３つの光変調素子１で１画素を構成する場合には、明状態と暗状態との間にある状態、すなわち、明状態よりも暗く、暗状態よりも明るい状態である中間状態を作り出すことができる。具体的には、３つの光変調素子１の磁化の向きが、それぞれ、（１）「上，上，上」、（２）「上，上，下」、「上，下，上」、または、「下，上，上」、（３）「上，下，下」、「下，上，下」、または、「下，下，上」、（４）「下，下，下」である４状態を形成することができる。この４状態に応じて、明暗状態も４段階に変化させることができる。このように、１画素が３つの光変調素子１を備えると、各画素４を、光変調素子１に流す電流の向きや大きさにしたがって、明状態から暗状態（又は暗状態から明状態）へと段階的に変化させることで、複数の異なる中間状態を作り出すことが可能となる。そのため、例えば、この空間光変調器１０Ｃを用いて映像や画像を表示する場合に、精密な階調表現が可能になる。
【００９６】
［その他］
その他、前記各実施形態においては、１つの画素４が、１つまたは３つの光変調素子１を備える場合について説明したが、１つの画素４が備える光変調素子１は、２つでも、４つ以上であってもよい。なお、２つの場合は、前記した中間状態は１つとなる。すなわち、複数の画素４のそれぞれが複数の光変調素子１を有するものとしてもよい。また、光変調素子１を磁気抵抗効果素子として、磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）に用いてもよい。
【符号の説明】
【００９７】
１ 光変調素子
１Ａ 上部素子
１Ｂ 下部素子
３ 磁化自由層
４ 画素
６ 絶縁部材
７ 基板
１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ 空間光変調器
１１ 第１上部磁化固定層
１２ 第２上部磁化固定層
１３ 下部磁化固定層
２１ 第１上部中間層
２２ 第２上部中間層
２３ 下部中間層
４０ 画素アレイ
５１ Ｘ電極（駆動電極）
５２ Ｙ電極（駆動電極）
５３ 補助電極
５４ 窓部
５５ 透明電極
９０ 電流制御部（電流制御手段）
９１ Ｘ電極選択部
９２ Ｙ電極選択部
９３ 電源（電流供給手段）
９４ 画素選択部（画素選択手段）
９５ 補助電極選択部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、入射した光を磁気光学効果により光の位相や振幅等を空間的に変調して出射する光変調素子およびこれを用いた空間光変調器に関する。
【背景技術】
【０００２】
空間光変調器は、画素として光学素子（光変調素子）を用い、これを２次元アレイ状に配列して光の位相や振幅等を空間的に変調するものであって、ホログラフィ装置等の露光装置、ディスプレイ技術、記録技術等の分野で広く利用されている。また、２次元で並列に光情報を処理することができることから光情報処理技術への応用も研究されている。空間光変調器として、従来より液晶が用いられ、表示装置として広く利用されているが、ホログラフィや光情報処理用としては、応答速度や画素の高精細性が不十分であるため、近年では、高速処理かつ画素の微細化の可能性が期待される磁気光学材料を用いた磁気光学式空間光変調器の開発が進められている。
【０００３】
磁気光学式空間光変調器（以下、空間光変調器）においては、磁気光学材料すなわち磁性体に入射した光が透過または回折する際にその偏光の向きを変化（旋光）させて出射する、ファラデー効果（回折の場合はカー効果）を利用している。すなわち、選択された画素（選択画素）における光変調素子の磁化方向とそれ以外の画素（非選択画素）における光変調素子の磁化方向を異なるものとして、選択画素から出射した光と非選択画素から出射した光で、その偏光の回転角（旋光角）に差を生じさせる。このような光変調素子の磁化方向を変化させる方法として、光変調素子に磁界を印加する磁界印加方式の他に、近年では光変調素子に電流を供給することでスピンを注入するスピン注入方式（例えば、特許文献１）、磁壁を駆動する磁壁駆動方式（例えば、特許文献２）がある。
【０００４】
図１２に示すように、スピン注入方式を用いたスピン注入型の空間光変調器１００は、基板１０７上に設けられた光変調素子１０１の上下に一対の駆動電極（上部電極１０２および下部電極１０３）を接続して膜面に垂直に電流を供給することにより、スピンが注入されて積層された磁性膜の一部の層（磁化自由層）の磁化方向が変化（反転）する。そして磁気カー効果により磁化自由層の磁化の向きに応じて出射光（出射偏光）の偏光状態を、θｋと、−θｋの２値に変調することができる。このような空間光変調器１００においては、入射偏光側と出射偏光側にそれぞれ偏光子ＰＦｉ，ＰＦｏを設け、これら偏光子ＰＦｉ，ＰＦｏの偏光面を互いに所定角度に設定したクロスニコル配置とする。そして、光変調素子１０１によって偏光面が角度−θｋ回転すると、出射偏光は偏光子ＰＦｏを透過できず暗状態となり、角度θｋだけ回転すると、その分、出射偏光は偏光子ＰＦｏを透過し、明状態となる。
【０００５】
図１３に示すように、磁壁駆動方式を用いた磁壁駆動型の空間光変調器２００は、基板２０７上に設けられた磁性細線（磁化自由層）２０１の一方の端部にその中央部の磁化と反平行となる磁化を固定し、磁性細線２０１の端部に設けた電極２０２に電流を供給することにより、磁性細線２０１の一方の端部と中央部との間に生じた磁壁２０１ａを他方の端部側に駆動（移動）して、磁性細線２０１の中央部の磁化方向を変化（反転）させるものである。そして磁気カー効果により磁性細線２０１の磁化の向きに応じて出射光（出射偏光）の偏光状態を、θｋと、−θｋの２値に変調することができる。このような空間光変調器２００においては、入射偏光側と出射偏光側にそれぞれ偏光子ＰＦｉ，ＰＦｏを設け、これら偏光子ＰＦｉ，ＰＦｏの偏光面を互いに所定角度に設定したクロスニコル配置とする。そして、磁性細線２０１によって偏光面が角度−θｋ回転すると、出射偏光は偏光子ＰＦｏを透過できず暗状態となり、角度θｋだけ回転すると、その分、出射偏光は偏光子ＰＦｏを透過し、明状態となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−８３６８６号公報
【特許文献２】特開２０１０−２０１１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に記載された空間光変調器においては、以下のような問題がある。
スピン注入磁化反転素子には上下に電流を供給するための駆動電極を設けるため、スピン注入磁化反転素子に光を入射するためには、回折型の空間光変調器の光変調素子であれば上または下の一方に、あるいは透過型の空間光変調器の光変調素子であれば上下共に、光を透過する透明電極を適用しなくてはならない。透明電極は、金属電極と比べて導電性が大きく劣るため、複数の画素に均一な電流を供給することが困難であるという問題がある。特により多数の光変調素子を２次元アレイ状に配列した高精細の空間光変調器になるほど中央部で動作が遅れる虞がある。これを防止するためには、駆動電極を厚膜化したり、大電流を供給して空間光変調器を動作させたりする必要があり、省電力化の点で改良の余地がある。
【０００８】
また、光変調される有効領域の面積率（開口率）を大きくするためには、素子サイズ（面積）を大きくする必要がある。一方でスピン注入磁化反転素子は、好適に磁化反転させるために一辺が３００ｎｍ以下程度の微小な素子サイズとする必要がある。そのため、素子サイズを大きくして開口率の増大を図ると共に、効率的な磁化反転を行なうことができる空間光変調器の開発が望まれている。
【０００９】
特許文献２に記載された空間光変調器においては、駆動電極にＣｕなどの金属電極を用いることができ、特許文献１で用いられていた比抵抗の高いＩＺＯやＩＴＯなどの透明電極（比抵抗はＣｕ電極の２００倍程度）を用いる必要がないため、複数の画素に均一な電流を供給することができるが、以下のような問題がある。
【００１０】
磁性細線の端部に反平行磁化が常に存在しているために、磁性細線（光変調素子）の開口率が低下する。また、一般的に磁壁の生成は磁性細線の形状、材料に強く依存し、磁性細線の端部に所望の反平行磁化を安定して形成することが困難であるため、効率的な磁化反転を行うことは困難である。さらに、電極が２つしかないため、磁性細線（光変調素子）の磁化反転動作を正確に知るには、磁性細線の両端に配置された電極間の磁壁抵抗を測定するほかない。なお、磁壁抵抗は、その変化率が小さいため、光変調素子の磁化反転動作を正確に検知することが困難である。
【００１１】
本発明は前記問題点に鑑み創案されたもので、駆動電極に透明電極を適用する必要がなく、また、開口率を増大させることができると共に、効率的な偏光変調を行なうことができ、さらに、空間光変調器に使用する場合に、磁化反転動作を正確に検知することができる光変調素子およびこの光変調素子を用いた空間光変調器を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記課題を解決するため、本発明者らは、既に発明したデュアルピン構造のスピン注入磁化反転素子を適用した光変調素子（特開２０１０−６０７４８号公報参照）について、その積層の配置を変え、磁化自由層の上下に配置していた磁化固定層を、両方共、磁化自由層の上に積層することで、磁化自由層を底部としたＵ字型に電流経路を形成し、磁化自由層の下に電極を要しない構成とすることに至った。また、この構成により、開口率を大きくすると共に、効率的な磁化反転を行なうことを可能とした。さらに、基板と磁化自由層との間に補助電極を有する下部素子を備えることにより、磁化自由層の磁化反転動作を正確に検知することを可能とした。
【００１３】
すなわち、本発明に係る光変調素子は、光を透過させる基板上に形成され、磁化自由層と、上部中間層と、上部磁化固定層とがこの順序で積層された上部素子と、前記基板と前記磁化自由層との間に形成される下部素子とを備えるスピン注入磁化反転素子構造を有し、前記上部素子の上部磁化固定層上に接続した一対の駆動電極間に電流が供給され、前記磁化自由層の磁化方向を変化させることによって前記基板を透過して入射した光をその偏光方向を変化させて回折して出射する光変調素子であって、前記上部素子の上部磁化固定層は、同一平面上に分離した２つの上部磁化固定層からなり、前記２つの上部磁化固定層は、互いに反平行な磁化に固定され、かつ前記磁化自由層よりも保磁力の大きい磁性体であり、前記下部素子は、補助電極と、下部磁化固定層と、下部中間層とがこの順序で前記基板側から積層されたものであり、前記基板側に当該基板を透過した光を前記磁化自由層に入射させるための窓部が形成され、前記駆動電極の一方と前記補助電極との間の電気抵抗は、前記駆動電極間の電気抵抗に比べて大きいことを特徴とする。
【００１４】
かかる構成によれば、同一平面上に分離した２つの上部磁化固定層を備えることで、一対の駆動電極の両方を光変調素子の上側に設けることができるため、基板側から光変調素子に入射した光は、駆動電極を介さずに磁化自由層へ到達して回折する。したがって、駆動電極は光を透過させる必要がなく、導電性に優れた金属電極を駆動電極に適用できる。また、２つの上部磁化固定層を備え、これらが互いに反平行な磁化に固定されていることで、一種の二重スピン注入方式となり、スピントルクが２倍となる。そのため、スピン注入の効率が向上する。また、光の入射面（出射面）の面積を広くしても磁化自由層の磁化反転が効率よく起きるため、画素の開口率を増大させることができる。さらに、上部素子の磁化自由層の下に形成される下部素子が、補助電極と、下部磁化固定層と、下部中間層とからなり、駆動電極の一方と補助電極との間の電気抵抗が、駆動電極間の電気抵抗に比べて大きいことで、磁化自由層の磁化反転動作を電気的に測定することが容易となる。
【００１５】
また、本発明に係る光変調素子は、前記２つの上部磁化固定層のうちの一方が、磁気交換結合膜を備えた多層構造であることが好ましい。
かかる構成によれば、上部磁化固定層が多層構造であることで、容易に２つの上部磁化固定層を互いに反平行な磁化に固定することができる。
【００１６】
本発明に係る空間光変調器は、前記の光変調素子を用いた空間光変調器であって、光を透過させる基板と、この基板上に２次元配列された複数の画素と、この複数の画素から１以上の画素を選択する画素選択手段と、この画素選択手段が選択した画素に所定の電流を供給する電流供給手段と、を備え、前記画素は、前記光変調素子と、前記２つの上部磁化固定層上にそれぞれ接続され、前記光変調素子に電流を供給する一対の前記駆動電極と、を有し、さらに、前記選択された画素における前記一対のうちの一方の駆動電極と、前記光変調素子の補助電極との間の電圧値を測定する測定部を備え、前記画素選択手段は、前記測定部で測定された電圧値から電気抵抗値を算出する算出部と、前記選択された画素において予め設定された磁化方向に応じて定められた標準電気抵抗値の設定範囲を記憶する記憶部と、前記算出された電気抵抗値が前記標準電気抵抗値の設定範囲内の値である場合に磁化反転が良好と判断し、前記設定範囲外の値である場合に磁化反転が不良と判断する判断部と、前記磁化反転が不良と判断された場合に前記駆動電極への電流の再供給を指令する指令部と、を有することを特徴とする。
【００１７】
かかる構成によれば、前記の光変調素子を用いることで、基板側から入射する光を回折する回折型空間光変調器として一対の電極に透明電極を適用する必要がなくなる。また、前記の光変調素子を用いることで、効率的なスピン注入磁化反転により偏光変調の効率が向上し、画素の開口率が増大する。さらに、測定部、画素選択部を備え、画素選択部が算出部と、記憶部と、判断部と、指令部とを有することで、配列された複数の画素全面の磁化反転動作を電気的に測定することが容易となると共に、磁化状態を制御できる。
【００１８】
また、本発明に係る空間光変調器は、前記配列された複数の画素において、前記２つの上部磁化固定層が同一平面上に並んだ方向に隣り合う２つの前記光変調素子の下部素子が一体化されていることが好ましい。
【００１９】
かかる構成によれば、光変調素子の下部素子が一体化されていることで、下部素子による過剰な抵抗増大が緩和されるため、２次元アレイ状に並べた複数の画素間における補助電極抵抗の差を小さくすることができ、磁化反転動作を電気的に測定することがさらに容易となる。
【００２０】
また、本発明に係る空間光変調器は、前記配列された複数の画素において、前記２つの上部磁化固定層が同一平面上に並んだ方向に隣り合う２つの前記光変調素子の補助電極の間、および、それぞれの補助電極に形成された窓部を塞ぐように形成された透明電極を有することが好ましい。
【００２１】
かかる構成によれば、透明電極を有することで、下部素子による過剰な抵抗増大が緩和されるため、２次元アレイ状に並べた複数の画素間における補助電極抵抗の差を小さくすることができ、磁化反転動作を電気的に測定することがさらに容易となる。また、透明電極での多重回折の効果を利用して、上部素子の磁化自由層におけるカー回転角を増進させることが可能となる。
【００２２】
さらに、本発明に係る空間光変調器は、前記複数の画素のそれぞれが複数の光変調素子を有することが好ましい。
かかる構成によれば、１つの画素の複数の光変調素子において、磁化自由層の磁化方向を、それぞれ異なる方向とすることができる。これにより、画素の多段階表示が可能となる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明に係る光変調素子によれば、空間光変調器に用いる場合に、一対の駆動電極に透明電極を適用する必要がないため、空間光変調器の省電力化を図ることができる。また、２つの上部磁化固定層を備えることで、スピン注入の効率が向上し、効率的なスピン注入磁化反転を行なうことができるため、効率的な偏光変調を可能とする。また、光の入射面（出射面）の面積を通常のスピン注入磁化反転素子の２倍以上とすることができるため、開口率を増大させた画素とすることができる。さらに、下部素子を形成することで、上部素子での磁化反転動作を正確に検知することができる。
【００２４】
本発明に係る空間光変調器によれば、前記光変調素子を用いることで、金属電極で一対の駆動電極を形成することができ、効率的なスピン注入磁化反転による偏光変調が可能となり、画素の開口率が増大したものとなる。また、配列された複数の画素全面の磁化反転動作を正確に検知することができ、磁化状態が所望の状態になる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明に係る光変調素子の構成を模式的に示す断面図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る空間光変調器の構成を模式的に示す基板側から見た底面図である。
【図３】画素選択部の構成を模式的に示すブロック図である。
【図４】空間光変調器の駆動および磁化反転動作の検知動作の手順を示すフローチャートである。
【図５】本発明の第１実施形態に係る空間光変調器の構成を模式的に示す断面図である。
【図６】本発明に係る光変調素子の動作を説明するための説明図である。
【図７】本発明に係る光変調素子における磁化方向の２値状態を説明するための説明図である。
【図８】本発明の第２実施形態に係る空間光変調器の構成を模式的に示す基板側から見た底面図である。
【図９】本発明の第２実施形態に係る空間光変調器の構成を模式的に示す断面図である。
【図１０】本発明の第３実施形態に係る空間光変調器の構成を模式的に示す断面図である。
【図１１】本発明の第４実施形態に係る空間光変調器の構成を模式的に示す基板側から見た底面図である。
【図１２】従来の空間光変調器を模式的に示す断面図である。
【図１３】従来の空間光変調器を模式的に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明に係る光変調素子およびこれを用いた空間光変調器の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
≪光変調素子≫
図１に示すように、本発明の光変調素子１は、光を透過させる基板７上に形成され、上部素子１Ａと、下部素子１Ｂとを備える。そして、上部素子１Ａは、磁化自由層３と、第１上部中間層２１および第２上部中間層２２（以下、適宜、上部中間層２１，２２という）と、第１上部磁化固定層１１および第２上部磁化固定層１２（以下、適宜、上部磁化固定層１１，１２という）と、がこの順序で基板７側から積層されたものである。また、下部素子１Ｂは、基板７と磁化自由層３との間に形成され、補助電極５３と、下部磁化固定層１３と、下部中間層２３と、がこの順序で基板７側から積層されたものである。
【００２７】
光変調素子１では、上部素子１Ａの上面に駆動電極としてのＸ電極５１およびＹ電極５２（以下、適宜、駆動電極５１，５２という）が接続されている。具体的には、第１上部磁化固定層１１の上面にはＸ電極５１が、第２上部磁化固定層１２の上面にはＹ電極５２が接続されている。そして、光変調素子１は、上部素子１Ａ上に接続した一対の駆動電極５１、５２との間に電流が供給され、上部素子１Ａ、具体的には磁化自由層３の磁化方向を変化させることによって、下方から基板７を透過して入射した光をその偏光方向を変化させて回折し、異なる２値の光（偏光成分）に変調して下方へ出射するものである。なお、反射光は０次回折光と表現できるので、回折には反射も含むものである。また、光変調素子１では、下部素子１Ｂ、具体的には補助電極５３を用いて光変調素子１の電気抵抗を測定することによって、上部素子１Ａ（磁化自由層３）における磁化反転動作を正確に知ることができる。
【００２８】
光変調素子１としては、所謂、ＣＰＰ−ＧＭＲ（Current Perpendicular to the Plane Giant MagnetoResistance：垂直通電型巨大磁気抵抗効果）型またはＴＭＲ（Tunneling MagnetoResistance：トンネル磁気抵抗効果）型の素子構造を有すると共に、スピン注入磁化反転素子構造を有するものである。なお、本実施形態では、光変調素子１の磁化方向、具体的には上部磁化固定層１１，１２、磁化自由層３、下部磁化固定層１３の磁化方向が垂直方向（層表面と直交する方向）の場合について説明する。以下、光変調素子１の構成について説明する。
【００２９】
＜上部素子＞
上部素子１Ａは、前記したように磁化自由層３、上部磁化固定層１１，１２および上部中間層２１，２２から構成される。
（磁化自由層）
磁化自由層３は、２つの上部磁化固定層１１，１２上にそれぞれ接続したＸ電極５１およびＹ電極５２を一対の駆動電極として電流が供給されることにより、磁化方向が変化するものである。すなわち、Ｘ電極５１とＹ電極５２との間に供給される電流の向きに応じて、注入される電子のスピンと磁化自由層３内の電子スピンとの相互作用により磁化自由層３内の磁化の向きが反転する。
【００３０】
磁化自由層３は、上部磁化固定層１１，１２と共に、垂直磁気異方性を有する材料を使用する。具体的には、ＣｏＦｅＢ、ＣｏＦｅ、Ｃｏ、Ｆｅ、ＣｏＦｅＳｉ、ＣｏＦｅＧｅ等の遷移金属系材料を主に用いることができる。また、遷移金属からなる薄膜層と貴金属からなる薄膜層とが交互に積層した多層膜や、遷移金属と貴金属との合金や、希土類金属と遷移金属との合金等、磁気光学効果の大きな材料を用いることができる。
【００３１】
前記多層膜としては、Ｃｏ／Ｐｔ（左側から記載の材料から順に積層）多層膜、Ｃｏ／Ｐｄ多層膜、Ｆｅ／Ｐｄ多層膜、ＣｏＦｅ／Ｐｄ多層膜、Ｆｅ／Ｐｔ多層膜等が挙げられる。遷移金属と貴金属との合金としては、ＣｏＰｔ合金、ＣｏＰｄ合金、ＦｅＰｄ合金、ＦｅＰｔ合金等が挙げられる。希土類金属と遷移金属との合金としては、ＧｄＦｅ合金、ＧｄＣｏＦｅ合金、ＧｄＣｏ合金、ＴｂＦｅＣｏ合金等が挙げられる。その他、ＭｎＢｉ合金、Ｍｎ／Ｂｉ多層膜、ＰｔＭｎＳｂ合金、Ｐｔ／ＭｎＳｂ多層膜等の磁気光学効果の大きな材料を用いることができる。
【００３２】
また、磁化自由層３は、入射した光の波長における磁気光学効果が２つの上部磁化固定層１１，１２よりも大きい磁性体であることが好ましい。かかる構成により、光変調素子１は、入射した光が磁化自由層３を透過して２つの上部磁化固定層１１，１２に到達した場合に、互いに反平行な磁化による旋光角のばらつきを抑制することができる。
【００３３】
磁化自由層３の厚さは特に限定されるものではないが、磁化自由層３が薄すぎると保磁力が低下し、一方、厚すぎると垂直磁気異方性が劣化する。したがって、磁化自由層３の厚さは、１．５〜１５ｎｍが好ましい。
【００３４】
（上部磁化固定層）
上部磁化固定層１１，１２は、同一平面上に分離した２つの上部磁化固定層、すなわち、第１上部磁化固定層１１および第２上部磁化固定層１２からなり、この２つの上部磁化固定層１１，１２のそれぞれが、１つの磁化自由層３上に、上部中間層２１，２２を挟んで積層されている。上部磁化固定層１１，１２は、磁化方向が所定方向、すなわち、高さ方向と平行な方向（垂直な方向）の一方の向きに固定されており、第１上部磁化固定層１１および第２上部磁化固定層１２は、互いに反平行な磁化に固定されている。また、上部磁化固定層１１，１２は強磁性材料からなり、磁化自由層３よりも保磁力の大きい磁性体である。
【００３５】
第１上部磁化固定層１１および第２上部磁化固定層１２の磁化を、互いに反平行な状態とするためには、上部磁化固定層１１，１２にＣｏＦｅ／ＴｂＦｅＣｏ等の積層膜を用い、一方の膜厚を厚くしたり、一方の上部磁化固定層１１（１２）の形状を変えたりすることで、第１上部磁化固定層１１および第２上部磁化固定層１２がそれぞれ異なる保磁力ＨＣ１，ＨＣ２を有するようにすればよい。あるいは、それぞれ異なる材料を用いることで、それぞれ異なる保磁力ＨＣ１，ＨＣ２を有するようにすればよい。ただし、磁化自由層３の保磁力をＨＣｆとすると、ＨＣｆ＜ＨＣ１＜ＨＣ２とする必要がある。そして、ＨＣ２より大きな磁界Ｈｍａｘを印加した後、ＨＣ１とＨＣ２の中間の大きさとなる負の磁界−Ｈｍｉｄ（ＨＣ１＜Ｈｍｉｄ＜ＨＣ２）を印加することによって、２つの上部磁化固定層１１，１２の磁化を反平行な状態に初期設定することができる。なお、この磁界の印加は、駆動電極５１，５２を形成する前でもよく、形成した後でもよい。
【００３６】
上部磁化固定層１１，１２に用いる材料としては、希土類金属と遷移金属との合金（例えば、ＴｂＦｅＣｏ、ＴｂＦｅ、ＴｂＣｏ、ＤｙＣｏ、ＤｙＣｏＦｅ、ＧｄＦｅ、ＧｄＣｏ、ＧｄＦｅＣｏ等）の上に遷移金属薄膜を積層したものや、遷移金属／貴金属系多層膜（例えば、Ｃｏ／Ｐｄ多層膜、Ｆｅ／Ｐｔ多層膜、Ｃｏ／Ｐｔ多層膜等）や、遷移金属と貴金属との合金（例えば、ＣｏＰｔ合金、ＦｅＰｔ合金等）等が挙げられる。その他，Ｃｏ／Ｎｉ多層膜、ＣｏＮｉ合金／Ｐｔ多層膜等がある。なお、前記遷移金属としては、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ等、前記貴金属としては、Ａｕ、Ａｇ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ等が挙げられる。
【００３７】
また、上部磁化固定層１１，１２のうちの一方を、Ｒｕ等の磁気交換結合膜を備えた多層構造、例えば、ＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅ／ＴｂＦｅＣｏ等とすることが好ましい。このような構成により、前記のＨｍａｘやＨｍｉｄ等の磁界を印加することなく、２つの上部磁化固定層１１，１２の磁化を反平行な状態に初期設定することができる。
【００３８】
上部磁化固定層１１，１２の厚さは特に限定されるものではないが、上部磁化固定層１１，１２が薄すぎると保磁力が低下し、一方、厚すぎると垂直磁気異方性が劣化する。したがって、上部磁化固定層１１，１２の厚さは、３〜５０ｎｍが好ましい。また、第１上部磁化固定層１１と第２上部磁化固定層１２との間隔は、開口率の増大および加工性等の観点から、１０〜３００ｎｍが好ましい。なお、磁化自由層３の膜厚が通常素子（すなわち、従来の光変調素子）と同じである場合を想定すると、スピン注入磁化反転のスピントルクを与える上部磁化固定層１１，１２が、磁化自由層３に対して２枚あると考えられるので、光変調素子１のサイズは、通常素子の２倍（例えば、３００ｎｍ×１００ｎｍ×２素子）程度まで大きくすることができる。
【００３９】
（上部中間層）
第１上部中間層２１および第２上部中間層２２は、それぞれ、磁化自由層３と第１上部磁化固定層１１との間、および、磁化自由層３と第２上部磁化固定層１２との間に配置される層である。上部中間層２１，２２は、磁化自由層３の磁化状態と上部磁化固定層１１，１２の磁化状態とを分離するために必要であり、後記する「光変調素子の磁区状態の変移」で説明するとおり、磁化自由層３と上部磁化固定層１１，１２との間でスピン偏極した電子をやり取りする際の通路として機能する。このように、上部中間層２１、２２はスピンの通路として機能するため、上部中間層２１、２２には、スピン軌道相互作用が小さく、スピン拡散長（スピンを保持する距離）の長い材料を用いることが好ましい。
【００４０】
光変調素子１がＣＰＰ−ＧＭＲ型の磁気抵抗効果素子の場合には、上部中間層２１、２２として、非磁性金属が用いられる。この場合、非磁性金属材料としてはＣｕ、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ等が好ましく、ＺｎＯ等の半導体材料を用いてもよい。また、その厚さは、スピン偏極した電子がスピン状態を十分に保ったまま流れるように、２〜６ｎｍが好ましい。
また、ＴＭＲ型の磁気抵抗効果素子の場合には、上部中間層２１、２２として、マグネシア（ＭｇＯ）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、ＭｇＦ２等の絶縁材料が用いられる。上部中間層２１、２２を絶縁体層とすることにより、光変調素子１の磁気抵抗効果比（ＭＲ比）を改善することができ、ＭＲ比に反比例する磁化反転電流を低減することができる。また、ＴＭＲ型の場合には、上部中間層２１、２２の厚さは、０．６〜２ｎｍ程度が好ましい。
【００４１】
また、上部素子１Ａは、光変調素子１をＴＭＲ型の素子とする場合には、図示しないが、上部中間層２１，２２に絶縁材料を用いるため、同一平面上に分離したものとせず、磁化自由層３と同様に１つの上部中間層として形成してもよい。このような構成とすることで、後記する光変調器の製造方法において、素子膜をエッチングやミリング加工等により掘り下げる際に、上部素子膜の中央を上部中間層の上面または途中まで除去すればよいため、過度なエッチング等が行なわれた場合であっても、磁化自由層３が損傷することを防止できる。
【００４２】
さらに、上部素子１Ａは、図示しないが、第１上部磁化固定層１１とＸ電極５１との間、および、第２上部磁化固定層１２とＹ電極５２との間に保護層を設けてもよい。保護層は、上部磁化固定層１１，１２の酸化や現像処理時のアルカリ性薬品等によるダメージを防止する役割を担う層であり、特に、光変調素子１を形成する際の熱処理における上部磁化固定層１１，１２の酸化を防止する。また、保護層を構成する材料には、熱処理の際に上部磁化固定層１１，１２を構成する材料と反応しない性質が求められる。このような要求を満たす材料として、Ｔａ、Ｒｕ等を用いることができる。特にＲｕは、それ自体が酸化されても抵抗率が増大しないため本発明の光変調素子１に用いることが好ましい。
【００４３】
＜下部素子＞
下部素子１Ｂは、前記したように補助電極５３、下部磁化固定層１３および下部中間層２３で構成される。また、下部素子１Ｂには、基板７を透過した光を上部素子１Ａの磁化自由層３に入射させるための窓部５４が形成されている（図５参照）。そのため、下部素子１Ｂは、光入射側から見た断面形状が中央部に窓部５４を有する枠形状に形成され、その枠の幅は５０〜２００ｎｍである。また、窓部５４の形状は、光が入射できれば特に限定されないが、製造が容易なことから矩形状であることが好ましい。
【００４４】
（補助電極）
補助電極５３は、上部素子１Ａ（磁化自由層３）の磁化反転動作を検知する際に用いられる電極であって、光入射側（基板７側）から見た断面形状が中央部に窓部５４を有する枠形状に形成される。そして、補助電極５３には、銅（Ｃｕ）、金（Ａｔ）、Ｐｔ（白金）等の金属からなる金属電極、または、ＩＺＯ、ＩＴＯ等の透明材料からなる透明電極が用いられる。なお、補助電極５３の厚さは、２０〜５００ｎｍ程度が好ましい。
【００４５】
（下部磁化固定層）
下部磁化固定層１３は、補助電極５３の上に積層されるもので、光入射側（基板７側）から見た断面形状が中央部に窓部５４を有する枠形状に形成される。そして、下部磁化固定層１３は、前記した上部素子１Ａの上部磁化固定層１１，１２と同様に、強磁性材料からなり、上部素子１Ａの磁化自由層３よりも保磁力が大きい磁性体である。また、下部磁化固定層１３の磁化方向は、光変調素子１の駆動前における磁化自由層３の磁化方向と平行、または、反平行のいずれでもよい。なお、下部磁化固定層１３の厚さは、３〜５０ｎｍ程度が好ましい。
【００４６】
（下部中間層）
下部中間層２３は、下部磁化固定層１３の上に積層され、上部素子１Ａの磁化自由層３と下部素子１Ｂの下部磁化固定層１３との間に配置される層である。また、下部中間層２３は、光入射側（基板７側）から見た断面形状が中央部に窓部５４を有する枠形状に形成される。なお、下部中間層２３としてＭｇＯ等の透明材料を用いる場合には、前記した窓部５４を形成した枠形状の下部中間層２３でなく、平面状の下部中間層２３（図１に示す破線部分に相当）であってもよい。
【００４７】
上部素子１Ａ（磁化自由層３）に対して下部素子１ＢがＣＰＰ−ＧＭＲ構造を取る場合には、下部中間層２３として、非磁性金属が用いられる。この場合、非磁性金属材料としてはＣｕ、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ等が好ましく、ＺｎＯ等の半導体材料を用いてもよい。また、その厚さは、２〜６ｎｍが好ましい。
【００４８】
上部素子１Ａ（磁化自由層３）に対して下部素子１ＢがＴＭＲ構造を取る場合には、下部中間層２３として、マグネシア（ＭｇＯ）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、ＭｇＦ２等の絶縁材料が用いられる。また、ＴＭＲ型の場合には、上部中間層２１、２２の厚さ：０．６〜２ｎｍ程度に対して、下部中間層の厚さは２〜３ｎｍ程度とするのが好ましい。
【００４９】
このように、下部中間層２３を非磁性金属（半導体材料）または絶縁材料で構成し、下部素子１ＢがＣＰＰ−ＧＭＲ構造またはＴＭＲ構造となることによって、光変調素子１のＭＲ比が大きくなり、駆動電極（Ｘ電極５１）と補助電極５３との間の電気抵抗Ｒ２Ｈ、Ｒ２Ｌも大きくなり、その変化率も大きくなる。その結果、磁化自由層３の磁化方向の反転前後での電気抵抗Ｒ２Ｈ、電気抵抗Ｒ２Ｌを測定、比較することによって、磁化自由層３の磁化反転動作を正確に検知することが可能となる（図７参照）。
なお、電気抵抗変化はＣＰＰ−ＧＭＲ構造に比べてＴＭＲ構造のほうが大きいため、下部中間層２３を絶縁材料で構成することが好ましい。
【００５０】
また、本発明に係る光変調素子１は、Ｘ電極５１と補助電極５３との間の電気抵抗Ｒ２が、Ｘ電極５１とＹ電極５２との間の電気抵抗Ｒ１に比べて大きいことが特徴である（図７参照）。これにより、光変調素子１では、Ｘ電極５１と補助電極５３との間の電気抵抗Ｒ２の変化を確認することによって、上部素子１Ａ（磁化自由層３）における磁化反転動作を正確に知ることができる。
【００５１】
以上、本発明に係る光変調素子１の実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更することができる。例えば、前記実施形態では、垂直磁化の場合について説明したが、磁化方向が層表面と平行な方向である面内磁化であってもよい。面内磁化の場合には、磁化自由層３、上部磁化固定層１１，１２および下部磁化固定層１３には、面内磁気異方性を有する材料を使用する。なお、上部磁化固定層１１，１２のうちの一方を磁気交換結合膜を備えた多層構造とする場合、面内磁化であれば、ＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅ／ＩｒＭｎ（ＩｒＭｎの代わりに、ＦｅＭｎ、ＰｔＭｎ等の反強磁性材料を用いることも可能）等とすることが好ましい。
【００５２】
≪空間光変調器≫
［第１実施形態］
図２に示すように、空間光変調器１０は、前記記載の光変調素子１を用いたものであり、光を透過させる基板７（図１参照）と、この基板７上に２次元配列された複数の画素４と、複数の画素４から１以上の画素４を選択する画素選択手段（画素選択部９４）と、この画素選択手段が選択した画素４に所定の電流を供給する電流供給手段（電源９３）と、を備える。また、空間変調器１０は、選択された画素４におけるＸ電極５１と補助電極５３との間の電圧値を測定する測定部９６を備えている。さらに、画素選択部９４と電源９３は、電流制御部９０に備えられている。そして、空間光変調器１０は、基板７を透過して画素選択手段が選択した画素４に入射した光の偏光の向きを特定の方向に変化させて回折して出射する。
以下、各構成について説明する。
【００５３】
（基板）
基板７は、光変調素子１、駆動電極５１，５２を形成するための土台となるものである。空間光変調器１０では、後記するように、基板７を透過して光変調素子１に入射した後に回折される光を利用するため、基板７としては、ＳｉＯ２、ＭｇＯ、サファイア、石英ガラス等の透過性に優れた透明基板を用いる。
【００５４】
（画素）
画素４は、空間光変調器１０の光の入射面に、２次元アレイ状に配列されて画素アレイ４０を構成する。すなわち、画素アレイ４０は、平面視で複数のＸ電極５１と、平面視でＸ電極５１と直交する複数のＹ電極５２と、を備え、Ｘ電極５１とＹ電極５２との交点毎に１つの画素４を設ける。本実施形態では、画素アレイ４０は、３行×３列の９個の画素４からなる構成で例示される。
【００５５】
画素４は、光変調素子１と、２つの上部磁化固定層１１，１２上にそれぞれ接続され、光変調素子１に電流を供給する一対の駆動電極５１，５２と、を有している。また、光変調素子１の溝部（上部磁化固定層１１，１２間、上部中間層２１，２２間：図１参照）や、隣り合うＸ電極５１，５１間、光変調素子１，１間、およびＹ電極５２，５２間等、すなわち、図２の空白部分は、絶縁部材６で埋められている。
【００５６】
〈光変調素子〉
光変調素子１は、Ｘ電極５１とＹ電極５２との間に一定の電流を供給したときに、光変調素子１に入射した入射光の偏光面をカー効果により一定角度回転させて回折する役割を担う。光変調素子１の平面視での大きさは、一例として、磁化自由層３の幅（横方向の長さ）（ここでの幅とは、２つの上部磁化固定層１１，１２が同一平面上に並んだ方向、以下同じ）が３００ｎｍ、長さ（縦方向の長さ）が３００ｎｍ、あるいは、幅が４００ｎｍ、長さが３００ｎｍ等である。また、第１上部磁化固定層１１および第２上部磁化固定層１２の幅がそれぞれ１５０ｎｍ、第１上部磁化固定層１１と第２上部磁化固定層１２との間隔が１００ｎｍ等である。ただし、光変調素子１等の大きさは、これに限定されるものではない。
【００５７】
また、空間光変調器１０では、光変調素子１は、二次元マトリックス状（縦横に一定間隔で二次元配置された状態）に配置されており、ここでは、１個の光変調素子１が１画素となっている。また、光変調素子１の形状は、例えば正方形や長方形（矩形）が挙げられるが、その他の形状であってもよい。光変調素子１同士のピッチは、駆動電極（Ｘ電極５１およびＹ電極５２）および光変調素子１の成膜技術（半導体製造プロセスが好適に用いられる）の精度に依存し、適宜定められ、例えば、１μｍ以下である。この光変調素子１は、第１上部磁化固定層１１と第２上部磁化固定層１２が、それぞれ一対の電極であるＸ電極５１とＹ電極５２に接続されて、層面に垂直に電流が供給される（図１参照）。
【００５８】
〈駆動電極：Ｘ電極およびＹ電極〉
Ｘ電極５１は、光変調素子１に電流を供給するための一対の電極のうち、片方の電極であり、Ｙ電極５２は、もう一方の電極である。Ｘ電極５１およびＹ電極５２を構成する材料としては、安価で導電性に優れた銅（Ｃｕ）が好適に用いられるが、これに限定されるものではなく、金（Ａｕ）や白金（Ｐｔ）等の貴金属を用いてもよい。そして後記するように、入射偏光は基板７側から光変調素子１に入射し、磁化自由層３で回折されるため、駆動電極５１，５２は光を透過させる必要がない。そのため、駆動電極５１，５２を、透明材料で構成する必要はない。駆動電極５１，５２の幅は、基板７上に形成する光変調素子１の形状に合わせて、適宜定められ、例えば、１００ｎｍ以下である。空間光変調器１０では、光変調素子１を縦横に一定間隔で二次元配置する構成としているため、Ｘ電極５１は、帯状の形状を有し、一定幅かつ一定間隔で第１上部磁化固定層１１上に設けられている。また、Ｙ電極５２も、その長手方向がＸ電極５１の長手方向と直交するように、一定間隔で平行に配置されて、第２上部磁化固定層１２上に設けられている。
【００５９】
〈絶縁部材〉
絶縁部材６は、Ｘ電極５１およびＹ電極５２の電極間や、光変調素子１，１間等を絶縁するための部材である。絶縁部材６としては、ＳｉＯ2やＡｌ2Ｏ3等の従来公知の絶縁材料を用いればよい。
【００６０】
（測定部）
測定部９６は、後記する画素選択部９４で選択された画素４における一対の駆動電極５１，５２のうちの一方の駆動電極であるＸ電極５１と、光変調素子１の補助電極５３との間の電圧値を測定するものである。ここで、Ｘ電極５１、補助電極５３の選択は、画素選択部９４の指令を受けるＸ電極選択部９１、補助電極選択部９５とで行われる。後記するように、測定部９６で測定された電圧値は画素選択部９４に送られ、電気抵抗値が算出される。
【００６１】
（電源および画素選択部）
電源９３および画素選択部９４の駆動動作は、電流制御部９０により制御される。
（電流制御部）
図２に示すように、電流制御部９０は、空間光変調器１０の駆動動作、および、空間変調器１０（光変調素子１）の磁化反転動作の検知動作を制御する。
そして、電流制御部９０は、画素選択部９４（画素選択手段）と、画素選択部９４によって制御される電源９３（電源供給手段）とを備える。また、画素選択部９４は、図３に示すように、Ｘ電極５１、Ｙ電極５２、補助電極５３を選択し、かつ電源９３の駆動を制御する電極選択部９４ａと、測定部９６で測定された電圧値から電気抵抗値を算出する算出部９４ｂと、予め設定された磁化方向に応じて定められた標準電気抵抗値の設定範囲を記憶する記憶部９４ｃと、算出された電気抵抗値と標準電気抵抗値を比較して、前記電気抵抗値が前記設定範囲内である場合に磁化反転が良好とし、前記設定範囲外である場合に不良として磁化反転の良好または不良を判断する判断部９４ｄと、磁化反転が不良の場合に駆動電極（Ｘ電極５１およびＹ電極５２）への電流の再供給を指令する指令部９４ｅとを備えている。ここで、標準電気抵抗値とは、図７（ａ）、（ｂ）で示された２値の磁化方向における電気抵抗値Ｒ２Ｈ、Ｒ２Ｌを意味する。
【００６２】
〈空間光変調器の駆動および磁化反転動作の検知動作〉
次に、空間光変調器１０の駆動および磁化反転動作の検知動作について、図３、図４を参照して、説明する。なお、標準電気抵抗値Ｒ２Ｈ、Ｒ２Ｌについては、後記する。
図３、図４に示すように、まず、画素選択部９４に備えられた電極選択部９４ａからの指令を受けたＸ電極選択部９１によって複数のＸ電極５１の中から電流を供給するＸ電極５１が選択され、電極選択部９４ａからの指令を受けたＹ電極選択部９２によって複数のＹ電極５２の中から電流を供給するＹ電極５２が選択される。さらに、電極選択部９４ａからの指令を受けた補助電極選択部９５によって複数の補助電極５３の中からＸ電極５１との間の電圧値を測定する補助電極５３が選択される（Ｓ１）。これにより、所定の画素４が選択される。ここで、画素選択部９４に備えられた記憶部９４ｃには、予め設定された磁化方向に応じて定められた標準電気抵抗値の設定範囲が記憶されている（Ｓ１０１）。そして、所定の画素４の選択と共に、この画素４に対応する標準電気抵抗値の設定範囲が選択される。次に、画素選択部９４からの指令を受けた電源９３によって、選択されたＸ電極５１とＹ電極５２とに電流が供給される（Ｓ２）。
【００６３】
次に、測定部９６により、前記Ｓ１で選択されたＸ電極５１と補助電極５３との間の電圧値が測定され（Ｓ３）、測定部９６で測定された電圧値は画素選択部９４に送られる。次に、画素選択部９４に備えられた算出部９４ｂによって、電圧値から電気抵抗値が算出される（Ｓ４）。算出された電気抵抗値は、判断部９４ｄによって、予め記憶部９４ｃに記憶され、選択された画素４において予め設定された磁化方向に応じて定められた標準電気抵抗値（Ｒ２Ｈ、Ｒ２Ｌ）のうちの一方の値の設定範囲と比較される（Ｓ５）。標準抵抗値は、磁化自由層３の磁化方向が下向きの場合（Ｒ２Ｈ）は、所定の範囲内の値であるものとし、磁化方向が上向きの場合（Ｒ２Ｌ）は、下向きの場合（Ｒ２Ｈ）よりも低い所定範囲内の値であるものとする。そして、算出された電気抵抗値が、所望の範囲内に一致するか否かを判断する（Ｓ６）。例えば、設定された磁化反転に対応する一方の値がＲ２Ｈの場合、算出された電気抵抗値をＲ２とすると、「Ｒ２がＲ２Ｈの設定範囲の範囲内」であれば、磁化反転が良好と判断し、一方、「Ｒ２がＲ２Ｌの設定範囲の範囲内、すなわち、Ｒ２Ｈの設定範囲の範囲外」であれば、磁化反転が不良と判断する（図７参照：詳細は、後記する「磁化方向の２値状態について」で説明する）。すなわち、所望の範囲内にある場合（Ｙｅｓ）は、磁化反転が良好とし、次のステップに進む。一方、所望の範囲内にない場合（Ｎｏ）は、磁化反転が不良とし、指令部９４ｅによって、駆動電極５１，５２への電流の再供給が指令され、電源９３から駆動電極５１，５２へ電流が供給される。そして、すべての画素４において、処理が終了したか否かを判断し、終了していれば（Ｙｅｓ）、処理を終了し、終了していなければ（Ｎｏ）、次の電極を選択する。
これにより、空間変調器１０が駆動すると共に、空間光変調器１０（光変調素子１の磁化自由層３）の磁化方向が検知され、所望の磁化状態に反転する。
【００６４】
Ｘ電極選択部９１は、複数のＸ電極５１にそれぞれ対応して設けられた複数のスイッチング素子から構成される。Ｙ電極選択部９２もこれと同様に、複数のＹ電極５２にそれぞれ対応して設けられた複数のスイッチング素子から構成される。各スイッチング素子へは電源９３から一定電流が供給されており、駆動対象となる光変調素子１にＸ電極５１を介して接続されているスイッチング素子、および、Ｙ電極５２を介して接続されているスイッチング素子が、画素選択部９４からの指令（動作信号）を受けて導通動作を行うことにより、その光変調素子１に電流が供給される。
【００６５】
補助電極選択部９５は、Ｘ電極選択部９１およびＹ電極選択部９２と同様に、複数の光変調素子１の補助電極５３にそれぞれ対応して設けられた複数のスイッチング素子から構成される。検知対象となる光変調素子１に補助電極５３を介して接続されるスイッチング素子が、画素選択部９４からの指令（動作信号）を受けて導通動作を行うことにより、光変調素子１の電気抵抗の測定が行われ、光変調素子１の磁化反転動作の検知が行われる。駆動対象または検知対象となっている光変調素子１の選択と、この光変調素子１の駆動、および、磁化反転動作の検知を行うためのスイッチング素子の動作制御は、画素選択部９４によって行われる。
【００６６】
電源９３は電流反転機能を備えている。つまり、Ｘ電極５１に正電流を供給すると共に、Ｙ電極５２に負電流を供給することができ、逆に、Ｘ電極５１に負電流を供給すると共に、Ｙ電極５２に正電流を供給することもできるようになっている。この電源９３の電流反転機能の制御もまた画素選択部９４により行われる。
【００６７】
画素選択部９４は、所謂、コンピュータであり、図示しない中央演算装置がＲＯＭに格納されたプログラムを実行することにより、Ｘ電極選択部９１、Ｙ電極選択部９２、補助電極選択部９５および電源９３の動作制御が行われる。また、Ｘ電極選択部９１、Ｙ電極選択部９２、補助電極選択部９５による各選択は、画素選択部９４に、人為的に予め所望のプログラムを設定し、このプログラムを実行することで行われる。なお、図２においては、紙面上、上下に２つあるＸ電極選択部９１は、本来同一の１つのＸ電極選択部９１であり、また、紙面上、左右に２つある画素選択部９４は、本来同一の１つの画素選択部９４であるが、ここでは、便宜上、２つに分けて図示している。
【００６８】
＜空間光変調器の動作＞
次に、空間光変調器１０の動作について、図５を参照して説明する。
まず、光源である光学系ＯＰＳから、レーザー光が照射される。この光学系ＯＰＳから照射されたレーザー光は様々な偏光成分を含んでいるので、これを基板７の下方の偏光子ＰＦｉを透過させて、１つの偏光成分の光とする。以下、１つの偏光成分の光を偏光と称する。この偏光（入射偏光）は、画素アレイ４０（図２参照）のすべての画素４に所定の入射角で入射する。入射偏光は、それぞれの画素４において、基板７を透過して光変調素子１に入射し、当該光変調素子１の磁化自由層３によるカー効果により、偏光方向が所定角度回転した出射偏光として光変調素子１から出射し、再び基板７を透過して画素４から出射する。それぞれの画素４から出射したすべての出射偏光は、偏光子ＰＦｏに到達する。偏光子ＰＦｏは、特定の偏光、ここでは入射偏光に対して角度θｋ旋光した偏光のみを透過させ、この透過した出射偏光が検出器ＰＤに入射する。一方、角度−θｋ旋光した偏光は、偏光子ＰＦｏを透過できない。なお、偏光子ＰＦｉ，ＰＦｏはそれぞれ偏光板等であり、検出器ＰＤはスクリーン等の画像表示手段やカメラ等である。
【００６９】
このように、角度θｋ旋光した場合の回折光（出射偏光）は偏光子ＰＦｏを通過することができるが、角度−θｋ旋光した場合の回折光は偏光子ＰＦｏを通過することができない状態を作り出すことができる。空間光変調器１０は、前記の通りＸ電極５１とＹ電極５２とを選択的に駆動（電流供給）して所望の光変調素子１に電流を流すことができるようになっているため、光変調素子１毎に（画素４毎に）磁化自由層３の磁化の向きを電流の向きや大きさによって制御し、偏光子ＰＦｏを通過可能な回折光とするか通過不能な回折光とするかによって、回折光の強弱（コントラスト）を制御することができる。
【００７０】
また、この制御の際、光変調素子１の補助電極５３を用いて、光変調素子１の電気抵抗、具体的にはＸ電極５１と補助電極５３との間の電気抵抗を測定し、その値で光変調素子１（磁化自由層３）の磁化反転動作が良好に行われているかどうかを検知する。そして、磁化反転動作が不良の場合には、再度、電流供給を行う。
【００７１】
また、磁化自由層３によるカー効果の大きさ（カー回転角の大きさ）によって回折光のコントラストの強弱比が決まる。図５に示すように、角度θｋ旋光して回折光を透過するか、または、角度−θｋ旋光して遮光するかの状態の場合、カー回転角（θｋ，−θｋ）が一定角度以上ある場合には、高いコントラストを得ることができるが、カー回転角が小さい場合には、低コントラストとなる。なお、図５のように磁化自由層３の磁化の向きが下向きである場合に光検出器の出力が「明状態」となり、逆に磁化自由層３の磁化の向きが上向きである場合には「暗状態」となる。
【００７２】
＜光変調素子の磁区状態の変移＞
次に、光変調素子１の磁区状態の変移について、図６を参照して説明する。
図６（ａ）に示すように、初期状態として、磁化の方向は、磁化自由層３では下向き、第１上部磁化固定層１１では上向き、第２上部磁化固定層１２では下向きであるとする。
【００７３】
この状態から、図６（ｂ）に示すように、Ｘ電極５１を負、Ｙ電極５２を正としてパルス電流を供給すると、Ｘ電極５１から注入された電子において、上向きスピンの電子ｄ１は第１上部磁化固定層１１を通過するが、下向きスピンの電子ｄ２は第１上部磁化固定層１１を通過することができない。すなわち、Ｘ電極５１から注入された電子は第１上部磁化固定層１１によって弁別され、第１上部磁化固定層１１の内部で第１上部磁化固定層１１の磁化方向にスピンを揃え（スピン偏極）、そのスピン偏極した電子（上向きスピンの電子ｄ１）が第１上部中間層２１内をスピンを保持したまま通過し、磁化自由層３に注入される。そして、磁化自由層３の内部では、磁化自由層３の磁化方向を決定づける内部電子と注入されたスピン偏極電子との相互作用により、局所的なスピントルクという力が生じて磁化自由層３内の磁化方向を決定づける内部電子のスピンを反転させる。そのために、結果として第１上部磁化固定層１１の直下付近の磁化自由層３から磁化反転が生ずる。
【００７４】
同時に、第２上部磁化固定層１２の直下付近の磁化自由層３内の電子において、下向きスピンの電子ｄ２は第２上部磁化固定層１２を通過するが、上向きスピンの電子ｄ１は第２上部磁化固定層１２を通過することができない。すなわち、磁化自由層３内の電子は、下向きスピンの電子ｄ２のみが第２上部磁化固定層１２内をスピンを保持したまま通過することで第２上部磁化固定層１２によって弁別される。これにより、第２上部磁化固定層１２の直下付近の磁化自由層３には上向きスピンの電子ｄ１が留まり、この上向きスピンによるトルクのため、第２上部磁化固定層１２の直下付近の磁化自由層３からも磁化反転が生じる。このように、適当な幅のパルス電流を供給することにより、磁化自由層３の磁化が反転し、結果的に図６（ｂ）から図６（ｃ）の状態に移行する。なお、このとき、下部素子１Ｂと磁化自由層３との間には膜厚２ｎｍ以上の絶縁層である下部中間層２３が形成されているため，その比抵抗ＲＡ（抵抗×面積）は数１００ｋΩμｍ２以上となり、下部素子１Ｂに流れる電流はほぼゼロである。したがって、下部磁化固定層１３は磁化自由層３の磁化反転に寄与しない。
【００７５】
そして、図６（ｃ）に示すように、この状態では、磁化自由層３の磁化の方向は、上向きとなる。この状態から、図６（ｄ）に示すように、Ｘ電極５１を正、Ｙ電極５２を負としてパルス電流を供給すると、第２上部磁化固定層１２によって弁別された下向きスピンの電子ｄ２が磁化自由層３に注入され、下向きスピンによるトルクのため、第２上部磁化固定層１２の直下付近の磁化自由層３から磁化反転が生じる。同時に、第１上部磁化固定層１１によって弁別された下向きスピンの電子ｄ２の下向きスピンによるトルクのため、第１上部磁化固定層１１の直下付近の磁化自由層３からも磁化反転が生じる。このように、適当な幅のパルス電流を供給することにより、磁化自由層３の磁化方向が反転し、結果的に図６（ｄ）から図６（ａ）の状態に移行する。なお、このとき、下部素子１Ｂと磁化自由層３との間には膜厚２ｎｍ以上の絶縁層である下部中間層２３が形成されているため，その比抵抗ＲＡ（抵抗×面積）は数１００ｋΩμｍ２以上となり、下部素子１Ｂに流れる電流はほぼゼロである。したがって、下部磁化固定層１３は磁化自由層３の磁化反転に寄与しない。
【００７６】
このように、磁化自由層３の磁化の向きは、パルス電流を流す向きによって制御することができるため、パルス電流によって回折する光の偏光面を制御する光変調素子１として動作させることができる。なお、パルス電流の大きさを大きくすることでも、磁化自由層３の磁化方向を反転させることができる。そして、パルス電流ではなく、直流電流であってもよい。また、ここでは電流を供給するものとして説明したが、電圧を印加するものであってもよい。なお、パルス供給後の磁化の向きはそのまま保持され、別途電流を流す必要はない。すなわち、本発明の光変調素子１は自らメモリ機能を有する。
そして、２つの上部磁化固定層１１，１２を備えることで、スピン注入の効率を向上させることができ、また、光の入射面（出射面）の面積を広くしても磁化自由層３の磁化反転が効率よく起きるため、画素４の開口率を増大させることができる。
【００７７】
＜磁化方向の２値状態について＞
本発明では、磁化自由層３の磁化反転動作を電気的に測定することが可能である。これについて、図７を参照して説明する。図７（ａ）は磁化自由層３の磁化方向が下向きの状態、（ｂ）は磁化自由層３の磁化方向が上向きの状態を示す図である。
図７（ａ）、（ｂ）に示すように、例えば、第１上部磁化固定層１１、および、第２上部磁化固定層１２の材料が同一で、第１上部中間層２１、および、第２上部中間層２２の材料と膜厚とが同一であるとすると、上部磁化固定層１１，１２と磁化自由層３との間の抵抗は、それぞれの磁化方向の組み合わせにより、Ｒ０Ｈ，Ｒ０Ｌのいずれかとなる。また、磁化自由層３と下部磁化固定層１３との間の抵抗も、それぞれの磁化方向の組合せにより、Ｒ３Ｈ，Ｒ３Ｌのいずれかとなる。ここで、「Ｈ」は抵抗値が高く、「Ｌ」は抵抗値が低いことを表している。
【００７８】
したがって、Ｘ電極５１とＹ電極５２との間の抵抗をＲ１とすると、図７（ａ）、（ｂ）の状態において、共に「Ｒ１＝Ｒ０Ｈ＋Ｒ０Ｌ」となり、磁化自由層３の磁化反転を検知できない。しかしながら、Ｘ電極５１と補助電極５３との間の抵抗をＲ２とすると、Ｒ２は、磁化自由層３の磁化の方向が下向きである図７（ａ）の状態ではＲ２Ｈ＝Ｒ０Ｈ＋Ｒ３Ｈ／２、磁化自由層３の磁化の方向が上向きである図７（ｂ）の状態ではＲ２Ｌ＝Ｒ０Ｌ＋Ｒ２Ｌ／２となり、値が異なる（Ｒ２ＨまたはＲ２Ｌ）。ここで、「２」は、「定数」である。図７（ａ）、（ｂ）では、下部素子１Ｂの２つの部分が磁化自由層３に並列に接続する断面形状を有するため、定数＝２としたが、断面形状によって「２」以外の定数であることもある。そして、前記したとおり、選択された画素４において予め設定された磁化方向に応じて定められ、記憶された標準電気抵抗値（例えばＲ２Ｈ）の設定範囲と算出された電気抵抗値Ｒ２を比較して、電気抵抗値Ｒ２が設定範囲の範囲内の場合に光変調素子１の磁化反転が良好とし、範囲外である場合に不良として磁化反転の良好または不良を判断することができる。また、Ｒ３Ｈ，Ｒ３Ｌは、Ｒ０Ｈ，Ｒ０Ｌに比べて大きい値をとるため、Ｒ２Ｈ，Ｒ２Ｌの測定が容易となる。そのため、下部素子１Ｂ（補助電極５３）を備えることで磁化自由層３の磁化反転動作を正確に検知できる。
【００７９】
これにより、磁化自由層３の磁化反転動作が正確に行われていないと判断した場合には、再度電流を供給して、所望の磁化状態に反転させればよい。このようにすることで、例えば、所望の磁化反転が起きないエラーが生じた場合のエラー訂正に利用することができる。
【００８０】
＜光変調器の製造方法＞
次に、空間光変調器１０の製造方法の一例について、図１、２を適宜参照して説明する。
【００８１】
まず、基板７上に補助電極５３、下部磁化固定層１３、下部中間層２３の順に、スパッタリング法（例えば、マグネトロンスパッタリング、イオンビームスパッタリング）等、公知の技術を用いて、真空中で一貫して製膜し、下部素子膜を形成する。また、基板７上に形成された下部素子膜に対して、必要に応じて、熱処理を施す。この熱処理は、下部素子１Ｂの特性を向上させ、また、後に行われるフォトリソグラフィプロセス中における光変調素子１の特性変化を抑制するために行われる。熱処理条件としては、例えば１９０〜５００℃で１時間の真空熱処理を行う。
【００８２】
次に、下部素子膜の層上に、窓部サイズのレジストを形成し、レジストパターンを形成する。レジストの形成は、例えば、２５０ｎｍ×３５０ｎｍの孔パターンとなるように、ＥＢ（電子ビーム）露光法等により形成する。そして、レジストパターンのレジストが形成されていない孔の部位について、下部素子膜の膜厚方向に、基板７の上面まで（表面が露出するまで）除去する。除去については、エッチング、あるいはＡｒイオン等を用いたイオンビームミリング法によるミリング加工等により行うことができる。
その後、レジストを剥離せずにアルミナや酸化珪素などの絶縁材料を全面に堆積し、窓部５４をこの絶縁材料で埋める。このとき、レジスト上部にも絶縁材料が堆積される。
【００８３】
その後、レジスト剥離液に浸して、リフトオフ（レジストの剥離）して下部素子１Ｂを作製する。あるいは、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing：化学機械研磨）法により、レジストを除去してもよい。なお、ＣＭＰ処理等を行う場合には、最上部に形成されている下部中間層２３の厚さが所定値となるように、成膜時に研磨厚さ分だけ厚く形成しておいてもよい。
【００８４】
次に、下部素子１Ｂ（下部中間層２３）上に磁化自由層３、上部中間層２１，２２、上部磁化固定層１１，１２の順に、スパッタリング法（例えば、マグネトロンスパッタリング、イオンビームスパッタリング）等、公知の技術を用いて、真空中で一貫して製膜し、上部素子膜を形成する。また、下部素子１Ｂ上に形成された上部素子膜に対して、必要に応じて、熱処理を施す。この熱処理は、光変調素子１の特性を向上させ、また、後に行われるフォトリソグラフィプロセス中における光変調素子１の特性変化を抑制するために行われる。熱処理条件としては、例えば１９０〜５００℃で１時間の真空熱処理を行う。
【００８５】
次に、上部素子膜の層上に、画素サイズのレジストを形成し、レジストパターンを形成する。レジストの形成は、例えば、３００ｎｍ×４００ｎｍのレジストパターンをメサパターンとなるように、ＥＢ（電子ビーム）露光法等により形成する。そして、レジストパターンのレジストが形成されていない部位について、上部素子膜の膜厚方向に、基板７の上面まで（表面が露出するまで）除去する。除去については、エッチング、あるいはＡｒイオン等を用いたイオンビームミリング法によるミリング加工等により行なうことができる。
【００８６】
その後、レジストを剥離せずに、アルミナや酸化珪素等の絶縁材料（絶縁部材６）を全面に堆積し、ミリング加工等により形成された溝を絶縁部材６で埋める。絶縁部材６の形成は、反応性スパッタ法やＣＶＤ法、ゾル−ゲル法等により行うことができる。溝に堆積する絶縁部材６の厚さは、溝深さと同程度か、それ以上厚くする。また、レジストを除去する前に堆積するため、レジスト上にも絶縁部材６が堆積する。
【００８７】
絶縁部材６を堆積した後、レジスト剥離液に浸して、リフトオフ（レジストの剥離）する。あるいは、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing：化学機械研磨）法により、レジストを除去してもよい。なお、ＣＭＰ処理等を行う場合には、最上部に形成されている上部磁化固定層１１，１２の厚さが所定値となるように、成膜時に研磨厚さ分だけ厚く形成しておいてもよい。
次に、上部素子膜の中央付近を分断するようにレジストの孔パターンを形成し、孔の部位について、上部素子膜の膜厚方向に磁化自由層３の上面が露出するまで除去する。除去については、エッチング、あるいはＡｒイオン等を用いたイオンビームミリング法によるミリング加工等により行なうことができる。
その後、レジストを剥離せずにアルミナや酸化珪素などの絶縁材料を全面に堆積し、この孔を絶縁材料で埋める。このとき、レジスト上部にも絶縁材料が堆積される。レジストを除去し、下部素子１Ｂ上に上部素子１Ａが作製された光変調素子１とする。
そして、第１上部磁化固定層１１上にＸ電極５１、第２上部磁化固定層１２上にＹ電極５２を、これらが直交するように所定間隔で形成して空間光変調器１０とする。この電極の形成は、素子膜の形成方法と同様にして行うことができる。そして、Ｘ電極５１間、Ｙ電極５２間には、絶縁部材６が充填される。
【００８８】
以上、本発明に係る空間光変調器１０の実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更することができる。例えば、以下の構成としてもよい。
【００８９】
［第２実施形態］
図８、９に示すように、空間光変調器１０Ａは、配列された複数の画素４（画素アレイ４０）において、上部素子１Ａの２つの上部磁化固定層１１，１２が同一平面上に並んだ方向に隣り合う２つの光変調素子１の下部素子１Ｂが一体化されていることが好ましい。ここで、下部素子１Ｂの一体化とは、隣り合う光変調素子１同士が下部中間層２３、下部磁化固定層１３、補助電極５３を互いに共有している構成を意味する。その他の構成については、前記第１実施形態の空間光変調器１０と同様である。
【００９０】
このような構成とすることで、空間光変調器１０Ａは、光変調素子１の下部素子１Ｂによる過剰な抵抗増大が緩和されるため、Ｘ電極５１と補助電極５３との間の電気抵抗を容易に測定することができ、磁化自由層３磁化反転動作を正確に検知することができる。
【００９１】
［第３実施形態］
図１０に示すように、空間光変調器１０Ｂは、配列された複数の画素４（画素アレイ）において、上部素子１Ａの２つの上部磁化固定層１１，１２が同一平面上に並んだ方向に隣り合う２つの光変調素子１の補助電極５３の間、および、それぞれの補助電極５３に形成された窓部５４を塞ぐように形成された透明電極５５を有することが好ましい。透明電極５５は、ＩＺＯ、ＩＴＯ等の透明電極材料から構成されることが好ましい。その他の構成については、前記第１実施形態の空間光変調器１０と同様である。
【００９２】
空間光変調器１０Ｂは、図１０では透明電極５５は２つの補助電極５３間に形成されているが、空間光変調器１０Ｂは、透明電極５５が基板７と補助電極５３との間に形成されるものであってもよい（図示せず）。
【００９３】
このような構成とすることで、空間光変調器１０Ｂは、光変調素子１の下部素子１Ｂによる過剰な抵抗増大が緩和されるため、Ｘ電極５１と補助電極５３との間の電気抵抗を容易に測定することができ、磁化自由層３の磁化反転動作を正確に検知することができる。また、透明電極５５での多重回折の効果を利用して、磁化自由層３におけるカー回転角を増進することが可能となり、磁気光学効果が向上する。
【００９４】
［第４実施形態］
図１１に示すように、空間光変調器１０Ｃは、１つの画素４が３つの光変調素子１から構成されている。そして、３つの光変調素子１は、下部素子１Ｂ（下部中間層、下部磁化固定層および補助電極５３）を共有し、Ｘ電極５１およびＹ電極５２も共有している。その他の構成については、前記第１実施形態の空間光変調器１０と同様である。また、空間光変調器１０Ｃは、下部素子１Ｂを３つの光変調素子１同士で一体として形成したが、光変調素子１毎に分断して構成したものであってもよい（図示せず）。
【００９５】
このような構成とすることで、複数の光変調素子１を１つの画素４とするため、画素４の多段階表示を可能とすることができる。すなわち、１つの光変調素子１で１画素を構成する場合、１画素は磁化方向の向きに対応した２状態しか取ることができず、１画素の光の階調が例えば「１」で示す明状態と「０」で示す暗状態との２階調となる。しかし、３つの光変調素子１で１画素を構成する場合には、明状態と暗状態との間にある状態、すなわち、明状態よりも暗く、暗状態よりも明るい状態である中間状態を作り出すことができる。具体的には、３つの光変調素子１の磁化の向きが、それぞれ、（１）「上，上，上」、（２）「上，上，下」、「上，下，上」、または、「下，上，上」、（３）「上，下，下」、「下，上，下」、または、「下，下，上」、（４）「下，下，下」である４状態を形成することができる。この４状態に応じて、明暗状態も４段階に変化させることができる。このように、１画素が３つの光変調素子１を備えると、各画素４を、光変調素子１に流す電流の向きや大きさにしたがって、明状態から暗状態（又は暗状態から明状態）へと段階的に変化させることで、複数の異なる中間状態を作り出すことが可能となる。そのため、例えば、この空間光変調器１０Ｃを用いて映像や画像を表示する場合に、精密な階調表現が可能になる。
【００９６】
［その他］
その他、前記各実施形態においては、１つの画素４が、１つまたは３つの光変調素子１を備える場合について説明したが、１つの画素４が備える光変調素子１は、２つでも、４つ以上であってもよい。なお、２つの場合は、前記した中間状態は１つとなる。すなわち、複数の画素４のそれぞれが複数の光変調素子１を有するものとしてもよい。また、光変調素子１を磁気抵抗効果素子として、磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）に用いてもよい。
【符号の説明】
【００９７】
１ 光変調素子
１Ａ 上部素子
１Ｂ 下部素子
３ 磁化自由層
４ 画素
６ 絶縁部材
７ 基板
１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ 空間光変調器
１１ 第１上部磁化固定層
１２ 第２上部磁化固定層
１３ 下部磁化固定層
２１ 第１上部中間層
２２ 第２上部中間層
２３ 下部中間層
４０ 画素アレイ
５１ Ｘ電極（駆動電極）
５２ Ｙ電極（駆動電極）
５３ 補助電極
５４ 窓部
５５ 透明電極
９０ 電流制御部（電流制御手段）
９１ Ｘ電極選択部
９２ Ｙ電極選択部
９３ 電源（電流供給手段）
９４ 画素選択部（画素選択手段）
９５ 補助電極選択部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を透過させる基板上に形成され、磁化自由層と、上部中間層と、上部磁化固定層とがこの順序で積層された上部素子と、前記基板と前記磁化自由層との間に形成される下部素子とを備えるスピン注入磁化反転素子構造を有し、前記上部素子の上部磁化固定層上に接続した一対の駆動電極間に電流が供給され、前記磁化自由層の磁化方向を変化させることによって前記基板を透過して入射した光をその偏光方向を変化させて回折して出射する光変調素子であって、
前記上部素子の上部磁化固定層は、同一平面上に分離した２つの上部磁化固定層からなり、前記２つの上部磁化固定層は、互いに反平行な磁化に固定され、かつ前記磁化自由層よりも保磁力の大きい磁性体であり、
前記下部素子は、補助電極と、下部磁化固定層と、下部中間層とがこの順序で前記基板側から積層されたものであり、前記基板側に当該基板を透過した光を前記磁化自由層に入射させるための窓部が形成され、
前記駆動電極の一方と前記補助電極との間の電気抵抗は、前記駆動電極間の電気抵抗に比べて大きいことを特徴とする光変調素子。
【請求項２】
前記２つの上部磁化固定層のうちの一方が、磁気交換結合膜を備えた多層構造であることを特徴とする請求項１に記載の光変調素子。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の光変調素子を用いた空間光変調器であって、
光を透過させる基板と、この基板上に２次元配列された複数の画素と、この複数の画素から１以上の画素を選択する画素選択手段と、この画素選択手段が選択した画素に所定の電流を供給する電流供給手段と、を備え、
前記画素は、前記光変調素子と、前記２つの上部磁化固定層上にそれぞれ接続され、前記光変調素子に電流を供給する一対の前記駆動電極と、を有し、
さらに、前記選択された画素における前記一対のうちの一方の駆動電極と、前記光変調素子の補助電極との間の電圧値を測定する測定部を備え、
前記画素選択手段は、前記測定部で測定された電圧値から電気抵抗値を算出する算出部と、前記選択された画素において予め設定された磁化方向に応じて定められた標準電気抵抗値の設定範囲を記憶する記憶部と、前記算出された電気抵抗値が前記標準電気抵抗値の設定範囲内の値である場合に磁化反転が良好と判断し、前記設定範囲外の値である場合に磁化反転が不良と判断する判断部と、前記磁化反転が不良と判断された場合に前記駆動電極への電流の再供給を指令する指令部と、を有することを特徴とする空間光変調器。
【請求項４】
前記配列された複数の画素において、前記２つの上部磁化固定層が同一平面上に並んだ方向に隣り合う２つの前記光変調素子の下部素子が一体化されていることを特徴とする請求項３に記載の空間光変調器。
【請求項５】
前記配列された複数の画素において、前記２つの上部磁化固定層が同一平面上に並んだ方向に隣り合う２つの前記光変調素子の補助電極の間、および、それぞれの補助電極に形成された窓部を塞ぐように形成された透明電極を有することを特徴とする請求項３または請求項４に記載の空間光変調器。
【請求項６】
前記複数の画素のそれぞれが複数の光変調素子を有することを特徴とする請求項３ないし請求項５のいずれか一項に記載の空間光変調器。
【請求項１】
光を透過させる基板上に形成され、磁化自由層と、上部中間層と、上部磁化固定層とがこの順序で積層された上部素子と、前記基板と前記磁化自由層との間に形成される下部素子とを備えるスピン注入磁化反転素子構造を有し、前記上部素子の上部磁化固定層上に接続した一対の駆動電極間に電流が供給され、前記磁化自由層の磁化方向を変化させることによって前記基板を透過して入射した光をその偏光方向を変化させて回折して出射する光変調素子であって、
前記上部素子の上部磁化固定層は、同一平面上に分離した２つの上部磁化固定層からなり、前記２つの上部磁化固定層は、互いに反平行な磁化に固定され、かつ前記磁化自由層よりも保磁力の大きい磁性体であり、
前記下部素子は、補助電極と、下部磁化固定層と、下部中間層とがこの順序で前記基板側から積層されたものであり、前記基板側に当該基板を透過した光を前記磁化自由層に入射させるための窓部が形成され、
前記駆動電極の一方と前記補助電極との間の電気抵抗は、前記駆動電極間の電気抵抗に比べて大きいことを特徴とする光変調素子。
【請求項２】
前記２つの上部磁化固定層のうちの一方が、磁気交換結合膜を備えた多層構造であることを特徴とする請求項１に記載の光変調素子。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の光変調素子を用いた空間光変調器であって、
光を透過させる基板と、この基板上に２次元配列された複数の画素と、この複数の画素から１以上の画素を選択する画素選択手段と、この画素選択手段が選択した画素に所定の電流を供給する電流供給手段と、を備え、
前記画素は、前記光変調素子と、前記２つの上部磁化固定層上にそれぞれ接続され、前記光変調素子に電流を供給する一対の前記駆動電極と、を有し、
さらに、前記選択された画素における前記一対のうちの一方の駆動電極と、前記光変調素子の補助電極との間の電圧値を測定する測定部を備え、
前記画素選択手段は、前記測定部で測定された電圧値から電気抵抗値を算出する算出部と、前記選択された画素において予め設定された磁化方向に応じて定められた標準電気抵抗値の設定範囲を記憶する記憶部と、前記算出された電気抵抗値が前記標準電気抵抗値の設定範囲内の値である場合に磁化反転が良好と判断し、前記設定範囲外の値である場合に磁化反転が不良と判断する判断部と、前記磁化反転が不良と判断された場合に前記駆動電極への電流の再供給を指令する指令部と、を有することを特徴とする空間光変調器。
【請求項４】
前記配列された複数の画素において、前記２つの上部磁化固定層が同一平面上に並んだ方向に隣り合う２つの前記光変調素子の下部素子が一体化されていることを特徴とする請求項３に記載の空間光変調器。
【請求項５】
前記配列された複数の画素において、前記２つの上部磁化固定層が同一平面上に並んだ方向に隣り合う２つの前記光変調素子の補助電極の間、および、それぞれの補助電極に形成された窓部を塞ぐように形成された透明電極を有することを特徴とする請求項３または請求項４に記載の空間光変調器。
【請求項６】
前記複数の画素のそれぞれが複数の光変調素子を有することを特徴とする請求項３ないし請求項５のいずれか一項に記載の空間光変調器。
【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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１２−８８６６７（Ｐ２０１２−８８６６７Ａ）
【公開日】平成２４年５月１０日（２０１２．５．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２３７７８６（Ｐ２０１０−２３７７８６）
【出願日】平成２２年１０月２２日（２０１０．１０．２２）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２１年度、独立行政法人情報通信研究機構「革新的三次元映像表示のためのデバイス技術」に係わる委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００００４３５２）日本放送協会 (2,206)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年５月１０日（２０１２．５．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１０月２２日（２０１０．１０．２２）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２１年度、独立行政法人情報通信研究機構「革新的三次元映像表示のためのデバイス技術」に係わる委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００００４３５２）日本放送協会 (2,206)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]