多素子空間光変調器
【課題】画素の階調表示の可能な、磁気光学式の空間光変調器を提供する。
【解決手段】２次元配列された画素４に、平面視における面積が異なる複数の光変調素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄと、一対の電極２，３とを備える多素子空間光変調器であって、画素４に供給された電流が増大するにしたがい、面積の小さい光変調素子５ａから面積の大きい光変調素子５ｄへと磁化反転する光変調素子が増えることにより、明暗の表示を切り換えたり明暗の中間表示を行う。
【解決手段】２次元配列された画素４に、平面視における面積が異なる複数の光変調素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄと、一対の電極２，３とを備える多素子空間光変調器であって、画素４に供給された電流が増大するにしたがい、面積の小さい光変調素子５ａから面積の大きい光変調素子５ｄへと磁化反転する光変調素子が増えることにより、明暗の表示を切り換えたり明暗の中間表示を行う。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、入射した光を透過あるいは反射させた際に、磁気光学効果により光の位相や振幅、偏光等を空間的に変調する多素子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、ディスプレイ技術や記録技術等の分野で広く利用されている。空間光変調器として、従来より液晶が用いられているが、近年では、高速処理および画素の微細化の可能な磁気光学材料が用いられ、その磁気光学効果により光の偏光が変調する磁気光学式の空間光変調器が開発されている。特にスピン注入磁化反転素子を適用された画素によれば、数μｍ以下からさらに可視光波長サイズ（青色：４００ｎｍ）の高精細と、論理的に数ｐｓ程度となる高速応答とを同時に可能とする空間光変調器となる。
【０００３】
磁気光学式の空間光変調器においては、選択された画素における光変調素子の磁化方向とそれ以外の画素の磁化方向の違いにより、選択された画素を透過（または反射）した光とそれ以外の画素を透過（または反射）した光で、その光の偏光の回転角（旋光角）に差が生じるファラデー効果（反射の場合はカー効果）を利用している。このような旋光角の差をディスプレイ技術等に利用するためには、例えば、入射された偏光に対して選択されていない画素における旋光角だけ旋光した偏光のみ透過する偏光フィルタを、２次元アレイ状に配列された画素の出射側に配する。偏光フィルタにより、選択された画素からの出射偏光は遮られて黒く、それ以外の画素からの出射偏光は透過して白く表示されて、白／黒（明／暗）を画素毎に切り分けることができる（後記図５参照）。
【０００４】
空間光変調器には、このような白／黒の２階調に限られず両者の間も表示する多階調表示の機能も求められている。しかしながら、前記の磁気光学式の空間光変調器における光変調素子は、明／暗の２パターンの切り換えのみを行うものである。したがって、このような光変調素子を用いる場合は、個々に電極が接続された複数の光変調素子を一画素として構成してそれぞれの光変調素子の明／暗を個別に切り換えることで、一画素における多階調表示が可能となる。しかし、このような構成においては、光変調素子毎に別々に電流を供給する電極（配線）が必要となるため、階調を増やすほど配線の数が多く必要となり微細化には適さない。
【０００５】
そこで、本発明者らによって、一対の電極を接続した画素に、平面視形状の面積が等しく縦横比が異なるスピン注入磁化反転素子を複数備える空間光変調器が開示されている（例えば、特許文献１参照）。この空間光変調器は、スピン注入磁化反転素子の平面視形状のアスペクト比によって磁化反転に要する電流密度の大きさが異なることを利用したもので、画素に供給する電流の大きさを調節することで、画素内で磁化反転するスピン注入磁化反転素子の個数を変化させることができるため、多階調表示が可能となる。
【特許文献１】特開２００８−６４８２５号公報（段落００４７〜００４９、図７）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に開示された空間光変調器の画素の構成では、一画素におけるスピン注入磁化反転素子の個数＋１の階調が表示可能であるが、より多階調の表示ができることが望ましく、さらに改良する余地がある。
【０００７】
本発明は前記問題点に鑑み創案されたもので、高精細および高速応答の可能なスピン注入磁化反転素子を画素に適用すると共に、表示階調数をいっそう増やすことの可能な磁気光学式の空間光変調器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】
【０００８】
前記課題を解決するために、本発明者らは鋭意研究した結果、サイズの小さいスピン注入磁化反転素子ほど小さい電流で磁化反転する現象を利用することで、さらなる改良を行うことを見出した。すなわち、請求項１に係る多素子空間光変調器は、２次元配列された複数の画素を有する画素アレイと、この画素アレイから１つ以上の画素を選択して当該画素の階調を指定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当該画素選択手段が指定した階調に応じた大きさの電流を供給する電流供給手段とを備える多素子空間光変調器であって、前記画素は、平面視形状が相似かつ面積が異なる複数のスピン注入磁化反転素子と、これらのスピン注入磁化反転素子を電気的に並列に接続して前記電流供給手段からの電流を供給する一対の電極とを備え、前記スピン注入磁化反転素子は、所定の電流が供給されると当該スピン注入磁化反転素子における磁化可変層の磁化が一方向またはその逆方向を示すものであると共に、入射した光の偏光方向を前記磁化の方向に応じて変化させて出射するものであり、前記画素内における前記複数のスピン注入磁化反転素子は、前記電流供給手段から供給された電流の大きさに応じて、それぞれの磁化可変層の磁化が、そのすべてが前記一方向となる状態と、そのすべてが前記逆方向となる状態と、そのすべての一部が前記一方向となりそれ以外が前記逆方向となる状態とを示し、前記画素は、当該画素内において磁化可変層の磁化が前記一方向を示すスピン注入磁化反転素子の平面視形状の面積の和に応じて階調を変化させることを特徴とする。
【０００９】
かかる構成により、多素子空間光変調器は、画素が面積の異なる複数の光変調素子（スピン注入磁化反転素子）を備えることで、画素に供給される電流の大きさにより、磁化反転する光変調素子が異なる。したがって、電流の大きさを変化させて供給することで、画素内のすべての光変調素子を磁化反転させたり、一部の光変調素子のみ磁化反転させることができる。画素に入射した偏光は、このような複数の光変調素子でその偏光の向きを変化させて出射するので、磁化可変層の磁化が同じ方向である光変調素子の面積の和により特定の偏光方向の出射偏光の光量が変化し、一画素での出射偏光に明／暗とその間にある１つ以上の段階を表示させることができる。
【００１０】
さらに、請求項２に係る多素子空間光変調器は、請求項１に記載の多素子空間光変調器において、前記画素における前記複数のスピン注入磁化反転素子は、互いに隣り合う間隔が６０ｎｍ以上となるように配置されていることを特徴とする。
【００１１】
かかる構成により、多素子空間光変調器は、画素内で複数の光変調素子を６０ｎｍ以上の間隔で配置されて備えることで、隣り合う光変調素子同士で生じる磁気的な影響を抑制し、光変調素子の磁化反転動作をより正確に制御することができる。
【００１２】
さらに、請求項３に係る多素子空間光変調器は、請求項１または請求項２に記載の多素子空間光変調器において、前記一対の電極は、前記複数のスピン注入磁化反転素子の上部に接続される上部電極と、当該複数のスピン注入磁化反転素子の下部に接続される下部電極とからなり、前記上部電極はその上方から照射された光が前記複数のスピン注入磁化反転素子に入射するように前記光を透過する材料で形成され、前記下部電極はその下方へ前記複数のスピン注入磁化反転素子から出射された光が照射されるように前記光を透過する材料で形成されることを特徴とする。
【００１３】
このような一対の電極で複数のスピン注入磁化反転素子を上下から挟む構成により、画素のピッチを狭くでき、さらに上下の電極が光を透過することにより、入射光および出射光の光量の減衰が抑制された透過型の空間光変調器となる。
【００１４】
また、請求項４に係る多素子空間光変調器は、請求項１または請求項２に記載の多素子空間光変調器において、前記一対の電極は、前記複数のスピン注入磁化反転素子の上部に接続される上部電極と、当該複数のスピン注入磁化反転素子の下部に接続される下部電極とからなり、前記上部電極は、その上方から照射された光が前記複数のスピン注入磁化反転素子に入射するように前記光を透過し、かつ、その上方へ前記複数のスピン注入磁化反転素子から出射された光が照射されるように前記光を透過する材料で形成され、前記下部電極は光を反射する材料で形成され、前記上方から照射された光を前記下部電極または前記スピン注入磁化反転素子で反射させて前記上方へ出射することを特徴とする。
【００１５】
このような一対の電極で複数のスピン注入磁化反転素子を上下から挟む構成により、画素のピッチを狭くでき、さらに上の電極が光を透過して下の電極が光を反射することにより、入射光および出射光の光量の減衰が抑制された反射型の空間光変調器となる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係る多素子空間光変調器によれば、スピン注入磁化反転素子を適用することで、画素の高精細化かつ高速応答が可能となり、一画素に複数の面積の異なるスピン注入磁化反転素子を備えることで、明／暗とその間にある１つ以上の段階の階調を一画素当たり一対の配線で制御して表示でき、さらに個々のスピン注入磁化反転素子によって表示される階調が異なるので、一画素におけるスピン注入磁化反転素子の個数に対して表示可能な階調数が多くなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明に係る多素子空間光変調器（以下、適宜、空間光変調器）の最良の形態について、図面を参照して説明する。
【００１８】
図１は、本発明の一実施形態に係る空間光変調器の構成を示す平面模式図である。なお、本明細書では、平面（上面）とは、空間光変調器の光の入射面を指すものとする。また、平面視での縦横とは、図１における縦横の方向を示す。図２は、図１に示す画素の拡大平面図であり、図３は、図１に示す画素の拡大断面図で、図２のＢ−Ｂ部分断面図である。以下に、本発明に係る空間光変調器を構成する各要素について説明する。
【００１９】
空間光変調器１は、図１に示すように、基板７（図３参照）上に２次元アレイ状に配列された複数の画素４からなる画素アレイ４０と、画素アレイ４０から１つ以上の画素４を選択して駆動する電流制御部１０と、を備える。また、空間光変調器１は、反射型の空間光変調器である。なお、本明細書における画素とは、空間光変調器において、情報（明／暗およびその間）を表示する最小単位の手段を指す。
【００２０】
図１に示すように、画素アレイ４０は、平面視で横（行）方向に延設された複数のストライプ状の上部電極２と、同じくストライプ状で、平面視で上部電極２と直交するように縦（列）方向に延設された複数の下部電極３と、を備え、上部電極２と下部電極３との交点毎に１つの画素４が構成される。したがって、画素アレイ４０において、横方向に配列された画素４，４，…が１つの上部電極２を共有し、縦方向に配列された画素４，４，…が１つの下部電極３を共有する構造となっている。空間光変調器１では、画素アレイ４０として、４行×４列の１６個の画素４からなる構成で例示している。なお、上部電極２と下部電極３は、以下、適宜、両者をまとめて電極２，３と称する。
【００２１】
図２および図３に示すように、画素４は、一対の電極としての上部電極２と下部電極３と、これらの電極２，３に上下から挟まれた４個の光変調素子（スピン注入磁化反転素子）５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄを備えている。ここでは、画素４として４個の光変調素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄを備えた構成を例示しているが、本発明に係る空間光変調器における画素が備える光変調素子の個数は、２個以上であれば特に限定されない。一画素に備える光変調素子の個数が多くなるほど、後記するように表示できる階調数（明／暗の２階調とその間にある１つ以上の段階との合計）も多くなる。ただし、光変調素子の個数が多いと階調表示の制御が複雑化するため、一画素における光変調素子の個数は１０個以下が好ましい。なお、本明細書では、光変調素子５とは、すべての光変調素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄのそれぞれを指す。画素アレイ４０における隙間、すなわち隣り合う上部電極２，２間、光変調素子５，５間、および下部電極３，３間は絶縁部材６で埋められている。本発明においては、画素４のサイズ（ピッチ）は一画素における光変調素子５の個数および平面視形状等によって異なり、２００ｎｍ〜２μｍ程度の範囲である。
【００２２】
図１に示すように、電流制御部１０は、上部電極２を選択する上部電極選択部１２と、下部電極３を選択する下部電極選択部１３と、これらの電極選択部１２，１３を制御する画素選択部（画素選択手段）１４と、電極２，３に電流を供給する電源（電流供給手段）１１と、を備える。これらはそれぞれ公知のものでよく、光変調素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄを動作させる適正な電流を供給するためのものである。
【００２３】
上部電極選択部１２は、特定の１つ以上の上部電極２を選択し、選択した上部電極２に対して電源１１から所定の電流を供給させる。下部電極選択部１３は、特定の１つ以上の下部電極３を選択し、選択した下部電極３に対して電源１１から所定の電流を供給させる。画素選択部１４は、例えば図示しない外部からの信号に基づいて、画素アレイ４０の特定の１つ以上の画素４を選択し、かつその階調を指定し、選択に基づいて上部電極選択部１２および下部電極選択部１３を制御し、さらに指定した階調に応じた所定の電流を供給するように電源１１を制御する。電源１１は、画素選択部１４が選択した画素４に備えられる光変調素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄの特定の１個以上を動作させるために、画素選択部１４が指定した階調に基づいた適正な電流を供給する。このような構成により、特定の画素４が選択され、この画素４の光変調素子５に所定の電流が供給されて後記の動作を行う。
【００２４】
次に、本発明の一実施形態に係る空間光変調器の画素の構成を、図１、図２、および図３を参照して、詳細に説明する。
【００２５】
図２および図３に示すように、上部電極２は、光変調素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄの上方に配され、横方向に帯状に延設される。図１に示すように、１つの上部電極２は、横一行に配置された複数の画素４，４，…のそれぞれの光変調素子５（５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ）に電流を供給する。一方、下部電極３は、光変調素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄの下方に配され、縦方向に帯状に延設される。１つの下部電極３は、縦一列に配置された複数の画素４，４，…のそれぞれの光変調素子５（５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ）に電流を供給する。上部電極２は、光変調素子５への入射光および出射光を遮らないように透明電極材料で構成される。一方、下部電極３は、上方（上部電極２側）から光変調素子５を透過して到達した光を再び上方へ出射させるため、反射率の高い金属電極材料で構成される。
【００２６】
上部電極２のように、電極（配線）を透明電極材料で構成する場合、電極とこの電極に接続する光変調素子との間に金属膜を設けることが好ましい。したがって、本実施形態に係る画素４の上部電極２は、図３に示すように、透明電極材料からなる透明電極２ａと、この透明電極２ａと光変調素子５（５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ）との間に積層された金属膜である下地層２ｂと、からなる。透明電極材料は一般的に金属電極材料より抵抗が大きいため、透明電極２ａと光変調素子５との間に金属膜である下地層２ｂを介在させることで、上部電極２−光変調素子５間の接触抵抗を低減させて応答速度を上げることができる。
【００２７】
透明電極２ａは、例えば、インジウム亜鉛酸化物（Indium Zinc Oxide：ＩＺＯ）、インジウム−スズ酸化物（Indium Tin Oxide：ＩＴＯ）、酸化スズ（ＳｎＯ2）、酸化アンチモン−酸化スズ系（ＡＴＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、フッ素ドープ酸化スズ（ＦＴＯ）、酸化インジウム（Ｉｎ2Ｏ3）等の公知の透明電極材料からなる。特に、比抵抗と成膜の容易さとの点からＩＺＯが最も好ましい。これらの透明電極材料は、スパッタリング法、真空蒸着法、塗布法等の公知の方法により成膜される。
【００２８】
下地層２ｂを構成する金属としては、例えば、Ａｕ，Ｒｕ，Ｔａ，Ａｇ，Ｃｕ、またはそれらの金属の２種以上からなる合金等を用いることができ、これらの金属または合金からなる膜は、スパッタリング法等公知の方法により成膜される。そして、下地層２ｂとその上の透明電極２ａとの密着性をよくして接触抵抗をさらに低減するため、下地層２ｂとなる金属膜は、透明電極２ａとなる透明電極材料と連続的に真空処理室にて成膜されることが好ましい。連続して成膜された膜は一緒に加工されることが多いため、図３に示すように、下地層２ｂは透明電極２ａと同じ平面視形状となるが、例えば４つに分割されてそれぞれが光変調素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄと同じ平面視形状であってもよい。詳細は、画素４の製造方法において説明する。下地層２ｂの厚さは、１ｎｍ未満であると連続した膜を形成し難く、一方、１０ｎｍを超えると光の透過量を低下させる。したがって、下地層２ｂの好ましい厚さは１〜１０ｎｍである。
【００２９】
下部電極３は、例えば、Ｃｕ，Ａｌ，Ｔａ，Ｃｒ等の金属やその合金のような一般的な電極用金属材料からなり、スパッタリング法等により成膜、フォトリソグラフィ等により前記したように帯状に形成される。
【００３０】
基板７には、例えば表面を熱酸化したＳｉ基板等の公知の基板を適用できる。絶縁部材６は、隣り合う上部電極２，２間、光変調素子５，５間（隣り合う画素４，４間におけるものを含む）、および下部電極３，３間（図３不図示）に配され、例えば、ＳｉＯ2やＡｌ2Ｏ3等からなる。
【００３１】
光変調素子５（５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ）は、図１および図２に示すように、平面視で上部電極２と下部電極３の直交する各部分すなわち画素４毎に、所定の個数（本実施形態では４個）ずつが前記電極２，３に上下から挟まれて配置される。したがって、１つの画素４に備えられた４個の光変調素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄは、その上下の電極２，３を共通する一対の電極として電気的に並列に接続されている。光変調素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄのそれぞれの平面視形状は、本実施形態においては横方向に長い長方形であるが、これに限定されるものではなく、例えば正方形でもよく、アスペクト比が１：１〜１：１０程度であることが好ましい。また、光変調素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄは、同じ積層構造（図３参照、詳細は後記する）からなるが、図２に示すように、それぞれの平面視形状は互いに面積が異なる相似形とし、さらに互いの面積の差が２０％以上であることが好ましい。本実施形態においては、平面視形状の面積が小さい方から順に、光変調素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄとし、それぞれの面積は、１：２：３：４の比とする。
【００３２】
画素４において、４個の光変調素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄは（２×２）個のマトリクス状に配置されているが、これに限定されるものではなく、光変調素子５の個数および平面視形状に応じて、画素面積を有効に利用できるように配置することが好ましい。例えば、１列に並べたり、１個と３個の２列に並べてもよい。ただし、光変調素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄは、平面視における向きを揃えて配置する。これは、後記するように、光変調素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄのそれぞれの磁化固定層５１（図３参照）の磁化が同一方向に固定され易いようにするためである。また、隣り合う光変調素子５，５同士の間隔ｄ（図２参照）を６０ｎｍ以上とすることが好ましい。これは、１つの画素４内に限られず、隣り合う画素４，４のそれぞれの光変調素子５，５同士についても同様である。間隔が６０ｎｍ未満で近接して配置されると、隣り合う光変調素子の磁化が互いに作用し合い、磁化反転に要する電流が増大する等、磁化反転動作に影響する虞があるからである。
【００３３】
光変調素子５（５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ）は、スピン注入磁化反転素子であり、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子、ＴＭＲ素子等の公知の素子からなる。光変調素子５の構成は、図３に示すように、下部電極３の上に、磁化固定層５１、中間層５２、磁化可変層５３、保護層５４の順に積層されてなり、すべて同じ構成である。これらの各層は、例えばスパッタリング法や分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法等の公知の方法によりそれぞれ成膜されて、積層され、電子線リソグラフィ等により前記形状に加工される。
【００３４】
磁化固定層５１および磁化可変層５３は磁性体であり、共に面内磁気異方性を有するか、または共に垂直磁気異方性を有する。そして、磁化固定層５１の磁化方向は固定されているのに対し、磁化可変層５３の磁化方向は固定されておらず、スピン注入によって容易に回転（反転）させることができる。これら２層の間に設けられる中間層５２は、光変調素子５がＴＭＲ素子であれば絶縁体、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子であれば非磁性の導体で形成される。これら３層でスピン注入磁化反転素子として動作するが、製造工程におけるダメージからこれらの層（特に磁化可変層５３）を保護するために、最上層に保護層５４が設けられる。
【００３５】
磁化固定層５１は、その厚さは数〜数十ｎｍであり、面内磁気異方性を有する磁化固定層５１とする場合は、強磁性金属（ＦＭ）や磁性半導体からなる。強磁性金属としては、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ等の遷移金属およびそれらを含む合金、ＦＭ／ＰｔＭｎ、ＦＭ／Ｒｕ／ＦＭ／ＰｔＭｎ（シンセティックピン層、積層フェリ構造）のような多層膜、さらにＩｒＭｎ等の磁化固着層を下層に設けたＦＭ／ＩｒＭｎ、ＦＭ／Ｒｕ／ＦＭ／ＩｒＭｎが挙げられる。また、磁性半導体としては、ＺｎＯ：Ｍｎ、ＺｎＯ：Ｍｎ1-XＦｅX、ＺｎＯ：Ｃｒ1-XＭｎX等のＺｎＯを母体とするもの、III-Ｖ族化合物半導体を母体とするもの、ＴｉＯを母体とするもの、II−VI族化合物半導体を母体とするものが挙げられる。一方、垂直磁気異方性を有する磁化固定層５１とする場合は、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ等の遷移金属およびそれらを含む合金、[Ｆｅ／Ｐｔ]×ｎ、[Ｃｏ／Ｐｔ]×ｎの多層膜、Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ等の希土類を含む合金のような強磁性金属が挙げられる。
【００３６】
中間層５２は、磁化固定層５１と磁化可変層５３との間に設けられる。光変調素子５がＴＭＲ素子であれば、中間層５２は、ＭｇＯ，Ａｌ2Ｏ3，ＨｆＯ2のような絶縁体や、Ｍｇ／ＭｇＯ／Ｍｇのような絶縁体を含む積層膜からなり、その厚さは０．５〜３ｎｍである。また、光変調素子５がＣＰＰ−ＧＭＲ素子であれば、中間層５２は、Ｃｕ，Ａｕ，Ｐｔのような非磁性金属からなり、その厚さは６ｎｍ以下である。
【００３７】
磁化可変層５３は、面内磁気異方性を有する場合は、強磁性金属や磁性半導体からなり、その厚さは１０ｎｍ以下である。強磁性金属としては、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ等の遷移金属およびそれらを含むＣｏＦｅ，ＣｏＦｅＢ，ＮｉＦｅ等の合金、これらの材料の２種以上からなる積層膜、ＦＭ／Ｒｕ／ＦＭ（シンセティックフリー層、積層フェリ構造）が挙げられる。また、磁性半導体としては、ＺｎＯ：Ｍｎ、ＺｎＯ：Ｍｎ1-XＦｅX、ＺｎＯ：Ｃｒ1-XＭｎX等のＺｎＯを母体とするもの、III-Ｖ族化合物半導体を母体とするもの、II−VI族化合物半導体を母体とするものが挙げられる。一方、垂直磁気異方性を有する磁化可変層５３とする場合は、材料として、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ等の遷移金属およびそれらを含む合金、[Ｆｅ／Ｐｔ]×ｎ、[Ｃｏ／Ｐｔ]×ｎの多層膜、Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ等の希土類を含む合金、ＭｎＢｉのような強磁性金属が挙げられ、その厚さは５０ｎｍ以下である。
【００３８】
保護層５４は、Ｔａ，Ｒｕ，Ｃｕの単層、または、Ｃｕ／Ｔａ，Ｃｕ／Ｒｕの２層等から構成される。なお、前記の２層とする場合は、いずれもＣｕを内側（下層）とする。保護層５４の厚さは、１ｎｍ未満であると連続した膜を形成し難く、一方、１０ｎｍを超えると入射偏光の透過光量を減衰させる。したがって、保護層５４の好ましい厚さは１〜１０ｎｍである。
【００３９】
次に、本発明の一実施形態に係る空間光変調器の画素（画素アレイ）の製造方法について、その一例を説明する。
まず、下部電極３を形成する。基板７の表面に、金属電極材料をスパッタリング法等により成膜し、フォトリソグラフィ等によりストライプ状に形成して下部電極３とする。そして、下部電極３，３間にＳｉＯ２等の絶縁膜（絶縁部材６となる）を堆積させる。
【００４０】
次に、光変調素子５（５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ）を形成する。下部電極３（および絶縁部材６）の上面に、連続して、磁化固定層５１、中間層５２、磁化可変層５３、保護層５４を、それぞれ成膜、積層する。これらの層を電子線リソグラフィ等により前記平面視形状に成形加工して、光変調素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄとする。光変調素子５の成形にマスクとして使用したレジストを残した状態で、絶縁膜を成膜して、光変調素子５，５間（隣り合う画素４，４間におけるものを含む）に堆積させ、レジストをその上の絶縁膜ごと除去して（リフトオフ）絶縁部材６とする。
【００４１】
次に、上部電極２を形成する。光変調素子５および絶縁部材６の上面に、金属膜、透明電極材料を連続して成膜し、下部電極３と直交するストライプ状に形成して上部電極２とする。最後に、上部電極２，２間に絶縁部材６を堆積して、画素４（画素アレイ４０）とする。
【００４２】
次に、本発明の一実施形態に係る空間光変調器の動作を、図４および図５を参照して説明する。図４は、空間光変調器の動作を説明する模式図で、図１のＡ−Ａ断面図である。図５は、光変調素子における磁化方向と入射光の旋光を説明するための画素の断面模式図である。なお、図５は、わかり易くするため、一画素内の光変調素子を１個として示す。
【００４３】
まず、図４を参照して、磁気光学式の空間光変調器の動作を説明する。空間光変調器１の画素アレイ４０の上方には、画素アレイ４０に向けて光を照射する光源９３と、光源９３から照射された光を画素アレイ４０に入射する前に偏光とする入射偏光フィルタ９１と、画素アレイ４０から出射した光から特定の向きの偏光のみを透過する出射偏光フィルタ９２と、出射偏光フィルタ９２を透過した光を検出する検出器９４とが配置される。
【００４４】
光源９３から照射された光（レーザー光等）は様々な偏光成分を含んでいるので、これを画素アレイ４０の上方の入射偏光フィルタ９１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のすべての画素４に所定の入射角で入射する。それぞれの画素４において、入射偏光は、上部電極２を透過して光変調素子５（５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ）に入射し、当該光変調素子５またはその下の下部電極３で反射して光変調素子５から出射し、再び上部電極２を透過して画素４から出射偏光として出射する。そして、それぞれの画素４から出射したすべての出射偏光は、出射偏光フィルタ９２に到達する。出射偏光フィルタ９２は、特定の偏光、ここでは入射偏光に対して角度θP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９４に入射される。偏光フィルタ９１，９２はそれぞれ偏光板等であり、検出器９４はスクリーン等の画像表示手段やカメラ等である。
【００４５】
ここで、光変調素子における磁化方向と入射光の旋光について、図５を参照して説明する。光変調素子５は、面内磁気異方性すなわち膜面方向の磁化を有するスピン注入磁化反転素子である。磁化固定層５１は、画素４における光変調素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄのすべて、さらに画素アレイ４０のすべての画素４において磁化方向が同一に固定され、図５では、磁化固定層５１の磁化を右方向で示す。一方、磁化可変層５３の磁化は膜面方向において回転可能である。なお、図５において、保護層５４は図示を省略する。
【００４６】
光変調素子５は、逆方向のスピンを持つ電子を注入することにより、すなわち電流を反対向きに供給することにより、磁化可変層５３の磁化方向を反転（スピン注入磁化反転）させて、磁化固定層５１の磁化方向と同じ方向または１８０°異なる方向にする。図５（ａ）に示すように、上部電極２を「＋」、下部電極３を「−」にして、磁化可変層５３側から磁化固定層５１へ電流を供給する（以下、負の電流を供給する、という）と、磁化可変層５３の磁化は磁化固定層５１の磁化方向と同じ方向になる。以下、この状態を光変調素子５の磁化が平行である（Ｐ：Parallel）という。この磁化が平行な光変調素子５に、図５（ｂ）に示すように、上部電極２を「−」、下部電極３を「＋」にして、磁化固定層５１側から磁化可変層５３へ電流を供給する（以下、正の電流を供給する、という）と、磁化可変層５３の磁化が１８０°回転（反転）して磁化固定層５１の磁化方向と逆方向になる。以下、この状態を光変調素子５の磁化が反平行である（ＡＰ：Anti-Parallel）という。さらに、この磁化が反平行な光変調素子５に、再び負の電流を供給すれば、図５（ａ）に示す磁化が平行な状態に戻る。このように、電流を供給する向きを切り換えることで、磁化可変層５３の磁化方向を反転させることができる。
【００４７】
光変調素子５に供給される電流は、パルス幅１ｐｓ〜１０ｍｓのパルス方式が好ましく、電源１１から電極２，３を介して供給される。光変調素子５は、前記の平行、反平行いずれかの磁化を示していればその磁化を反転させる電流が供給されるまでは磁化方向が保持されるため、パルス電流として磁化を反転させる電流値（反転電流）に一時的に到達する電流で動作させることができる。また、連続電流を供給されると、光変調素子５がジュール熱で加熱されて磁化反転動作に影響する虞がある。
【００４８】
光変調素子５に入射した偏光が、磁化可変層５３を透過し、中間層５２との界面で反射して、再び磁化可変層５３を透過して出射した場合、磁性体である磁化可変層５３を透過することで、ファラデー効果により、偏光はその向きが所定の角度（旋光角）に回転（旋光）する。さらに、磁化が平行な光変調素子５（図５（ａ））、反平行な光変調素子５（図５（ｂ））にそれぞれ入射した偏光は、磁化可変層５３の磁化方向が１８０°異なるため、前記旋光角で互いに逆方向に回転して出射する。そこで、前記の、磁化が平行、反平行の光変調素子５における旋光角をそれぞれθP，θAPと異なる角度で表せる。
【００４９】
なお、光変調素子５に入射した偏光が、磁化可変層５３、中間層５２、磁化固定層５１を透過し、下部電極３の上面で反射して、再び磁化固定層５１、中間層５２、磁化可変層５３を透過して出射した場合、同じく磁性体である磁化固定層５１によっても旋光するが、磁化固定層５１の磁化は一定であるので、旋光角θP，θAPの差は磁化可変層５３のみによって決定される。このように、光変調素子５が磁化反転すると、出射偏光は、同じ向きの入射偏光に対して旋光角θP，θAP回転した異なる向きの偏光となる。
【００５０】
この出射偏光の差を検出部９４への表示に利用するためには、例えば入射偏光に対してθP旋光した偏光のみ透過する偏光フィルタを、出射偏光フィルタ９２として画素アレイ４０の出射側に配すればよい。磁化が平行な光変調素子５を備える画素４からの出射偏光は、出射偏光フィルタ９２を透過するので、この画素４は検出部９４に明るく表示される。反対に、磁化が反平行な光変調素子５を備える画素４からの出射偏光は、出射偏光フィルタ９２で遮られるので、この画素４は検出部９４に暗く表示される。なお、光変調素子５が垂直磁気異方性を有する磁化固定層５１および磁化可変層５３を備える場合、磁化は垂直方向であり、磁化可変層５３の磁化は上向き／下向きで反転するが、この場合も同様にファラデー効果を生じる。
【００５１】
磁性体への光の入射角が、当該磁性体の磁化方向に平行または反平行に近いほど、磁気光学効果は大きく、磁性体からの出射光の旋光角を大きくすることができる。したがって、面内磁気異方性を有する光変調素子５においては、光（入射偏光）の入射角を、膜面すなわち画素アレイ４０の平面に対して平行（入射角０°）に近くするほど、旋光角θP，θAPおよび両旋光角の差を大きくすることができる。しかし、画素アレイ４０の構造上、光が光変調素子５に上面から入射するためには、入射角にある程度の傾斜が必要である。したがって、空間光変調器１における画素４への光の入射角は、動作時における光変調素子５の磁化可変層５３の磁化方向すなわち磁化固定層５１の磁化方向に対して１０°〜６０°の範囲が好ましく、図４に示すように、本実施形態の空間光変調器１は、画素アレイ４０に対して斜めに光が入射される。また、入射偏光、出射偏光共に光路が画素アレイ４０の上方にあるので、出射偏光フィルタ９２および検出器９４は入射偏光の光路を遮らない位置に、光源９３および入射偏光フィルタ９１は、出射偏光の光路を遮らない位置に、それぞれ配置される。
【００５２】
光変調素子５が垂直磁気異方性を有する場合は、磁化方向は垂直であるので偏光の入射角を９０°とすることが旋光角を大きくする上で望ましいが、このとき、出射偏光の光路が入射偏光の光路と一致する。そこで、入射角９０°から５°〜３０°程度傾けて、出射偏光フィルタ９２および検出部９４、光源９３および入射偏光フィルタ９１が、それぞれ入射偏光および出射偏光の光路を遮らない配置となるようにする。すなわち、偏光の入射角は、画素アレイ４０に対して６０°〜８５°とすることが好ましい。または、入射角９０°として、入射偏光フィルタ９１と画素アレイ４０との間にハーフミラーを配置して、出射偏光のみを側方へ反射させてもよい。この場合、出射偏光フィルタ９２および検出器９４は画素アレイ４０の側方に配置する。
【００５３】
次に、一画素における複数の光変調素子の磁化反転について、図６および図７を参照して説明する。図６および図７は、本発明の一実施形態に係る空間光変調器の画素における光変調素子それぞれの磁化反転および画素の階調の変化を説明するための画素の平面図であり、それぞれの光変調素子に、当該光変調素子の磁化可変層の磁化方向を矢印で示すものである。なお、図示しない磁化固定層の磁化は、すべての光変調素子において右方向に固定されている。また、後記するようにその出射偏光が出射偏光フィルタを透過しない光変調素子は、黒く塗り潰して表す。
【００５４】
図６（ａ）は、画素４のすべての光変調素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄが、磁化が反平行な状態であり、すなわちそれぞれの磁化可変層５３の磁化は左方向である。このとき、図５（ｂ）を参照して説明したように、光変調素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄそれぞれから出射した偏光はいずれも出射偏光フィルタ９２で遮られるので、画素４からの出射偏光の光量は０であり、検出器９４に黒く表示される（階調０％）。この状態の画素４に、電極２，３（図６，７では図示省略）から所定の大きさの負の電流を供給して、すべての光変調素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄを磁化反転させる。このとき供給された電流（パルス電流）の大きさを|Ｉ4|と定義する。この磁化反転で、図６（ｂ）に示すように、画素４のすべての光変調素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄが、磁化が平行な状態になり、すなわちそれぞれの磁化可変層５３の磁化は右方向となる。このとき、図５（ａ）を参照して説明したように、光変調素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄそれぞれから出射した偏光はいずれも出射偏光フィルタ９２を透過するので、画素４からの出射偏光の光量は最大であり、検出器９４に白く表示される（階調１００％）。また、この状態の画素４に、同じ大きさで逆向きすなわち＋Ｉ4の正の電流を供給すると、光変調素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄは再び磁化反転して図６（ａ）に示す状態となり、画素４の表示は暗転する。
【００５５】
ここで、スピン注入磁化反転素子の磁化反転に要する電流（反転電流）の大きさは、各層の材料や、そのスピン注入磁化反転素子の体積および平面視形状のアスペクト比等の形状に影響されることが知られている。そこで、積層構造が同じで平面視形状の面積（以下、適宜、面積という）の異なる２個の光変調素子（スピン注入磁化反転素子）について、Ｉ−Ｒ特性を比較した。図８は、磁化の平行な光変調素子にパルス電流の大きさ（絶対値）を漸増させながら電流を供給したときの、光変調素子の抵抗変化を示すＩ−Ｒ特性のグラフであり、（ａ）、（ｂ）は面積の異なる光変調素子のそれぞれにおけるＩ−Ｒ特性を示す。２個の光変調素子５ｅ，５ｆ（図示せず）の構成は共通であり、下層から、磁化固定層：IrMn(10)／CoFe(5)／Ru(0.75)／CoFe(5.5)、中間層：Cu(6)、磁化可変層：CoFeB(3)、保護層：Cu(5) ／Ru(5)である。なお、（ ）内数値は膜厚（単位ｎｍ）を示す。また、抵抗の変化を観測することにより反転電流を測定したため、電極は上下共にＣｕで形成されている。平面視形状は、図８（ａ）のＩ−Ｒ特性を示す光変調素子５ｅが２４０ｎｍ×８０ｎｍの長方形、図８（ｂ）のＩ−Ｒ特性を示す光変調素子５ｆが３００ｎｍ×１００ｎｍの長方形である。すなわち光変調素子５ｆの平面視形状は、光変調素子５ｅの１．２５倍の相似形で、面積では約１．５６倍である。光変調素子５ｅ，５ｆのそれぞれの磁化を反平行（抵抗大）から平行（抵抗小）に反転させる反転電流−ＩSTSは、図８（ａ）より光変調素子５ｅが約−７．２ｍＡ、図８（ｂ）より光変調素子５ｆが約−１１．６ｍＡであり、面積が大きいほど磁化反転に要する電流も大きくなることがわかる。さらに、この反転電流−ＩSTSを光変調素子５ｅ，５ｆの面積当たりに換算した反転電流密度Ｊcは、３．７５×１０7Ａ／ｃｍ、３．８７×１０7Ａ／ｃｍでほぼ一致する。
【００５６】
このように、膜厚も含めて同じ積層構造からなり、かつ平面視形状が相似な光変調素子同士では、反転電流密度Ｊcは一定であるので、それぞれの面積に比例する大きさの電流で磁化反転する。したがって、光変調素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄの個々の反転電流の大きさを|Ｉa|，|Ｉb|，|Ｉc|，|Ｉd|と定義すると、前記の面積比より、|Ｉa|：|Ｉb|：|Ｉc|：|Ｉd|＝１：２：３：４となる。例えば、光変調素子５ａの磁化を平行から反平行へ移行させるときは、＋Ｉa、反対に、反平行から平行へ移行させるときは、−Ｉaの電流を供給する。さらに、画素４において、光変調素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄは一対の電極２，３に電気的に並列に接続されているので、これら４個すべてを磁化反転させるための電流の大きさ|Ｉ4|は、|Ｉ4|≧|Ｉa|＋|Ｉb|＋|Ｉc|＋|Ｉd|で表せる。
【００５７】
電流の大きさを漸増させながら画素に供給したときの、光変調素子の磁化反転および画素の階調の変化を説明する。図６（ａ）に示す画素４に、大きさを漸増させて負の電流を供給していくと、電流が−Ｉ1に到達した時点で、面積が最小の光変調素子５ａが磁化反転する（図６（ｃ））。このとき、残りの光変調素子５ｂ，５ｃ，５ｄは磁化が反平行のままである。したがって、光変調素子５ａからの出射偏光のみが出射偏光フィルタ９２を透過するので、画素４の表示は、光変調素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄの面積比から（１／(１＋２＋３＋４)）であり、階調１０％となる。
【００５８】
さらに、大きさを漸増させて電流を供給していくと、電流が−Ｉ2（|Ｉ2|＞|Ｉ1|）に到達した時点で、光変調素子５ａの次に面積が小さい光変調素子５ｂが磁化反転する（図６（ｄ））。このとき、残りの光変調素子５ｃ，５ｄは磁化が反平行のままなので、光変調素子５ａ，５ｂからの出射偏光が出射偏光フィルタ９２を透過して、画素４の表示は（(１＋２)／(１＋２＋３＋４)）より階調３０％である。そして、さらに大きさを漸増させて電流を供給していくと、電流が−Ｉ3（|Ｉ2|＜|Ｉ3|＜|Ｉ4|）に到達した時点で、光変調素子５ｂの次に面積が小さい光変調素子５ｃが磁化反転する（図６（ｅ））。このとき、光変調素子５ａ，５ｂ，５ｃからの出射偏光が出射偏光フィルタ９２を透過するので、画素４の表示は（(１＋２＋３)／(１＋２＋３＋４)）より階調６０％である。そして、電流が−Ｉ4に到達すると、残る１個で面積が最大の光変調素子５ｄが磁化反転し、すべての光変調素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄが、磁化が平行な状態になる（図６（ｂ））。
【００５９】
このように、画素４に供給する電流の大きさにより、磁化反転する光変調素子５の種類および同じ磁化の状態を示す光変調素子５の個数が異なる。そのため、図４に示すように、画素４からの出射偏光の全部あるいは一部が出射偏光フィルタを透過して、またはまったく透過せず、画素４の多階調表示が可能となる。ここで、電流を段階的に増大させて画素４に供給する場合の電流の大きさ|Ｉ1|，|Ｉ2|，|Ｉ3|，|Ｉ4|について説明する。図６（ａ）→図６（ｃ）のように、光変調素子５ａのみを磁化反転させる電流の大きさ|Ｉ1|は、光変調素子５ａが磁化反転し、かつ光変調素子５ｂが磁化反転しない大きさの電流であるので、|Ｉa|≦|Ｉ1|＜|Ｉb|の範囲である。そして、図６（ｃ）→図６（ｄ）のように、光変調素子５ｂを磁化反転させて光変調素子５ａと同じ磁化の状態とする電流の大きさ|Ｉ2|は、光変調素子５ａ，５ｂが共に磁化反転し、かつ光変調素子５ｃが磁化反転しない大きさの電流であるので、|Ｉa|＋|Ｉb|≦|Ｉ2|＜|Ｉa|＋|Ｉc|の範囲である。さらに、図６（ｄ）→図６（ｅ）のように、光変調素子５ｃを磁化反転させて光変調素子５ａ，５ｂと同じ磁化の状態とする電流の大きさ|Ｉ3|は、光変調素子５ａ，５ｂ，５ｃが共に磁化反転し、かつ光変調素子５ｄが磁化反転しない大きさの電流であるので、|Ｉa|＋|Ｉb|＋|Ｉc|≦|Ｉ3|＜|Ｉa|＋|Ｉb|＋|Ｉd|の範囲である。
【００６０】
また、図６（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）のように、磁化が平行な光変調素子５と反平行な光変調素子５とが混在する画素４に、−Ｉ4または＋Ｉ4の電流を供給することにより、同時にすべての光変調素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄを、磁化が平行（図６（ｂ））または反平行（図６（ａ））にすることができる。なお、図６（ｄ）、（ｅ）のように、図６（ａ）から２個以上であって４個すべてではない光変調素子５（５ａ，５ｂ、または５ａ，５ｂ，５ｃ）を磁化反転させた状態とする場合には、前記したように、図６（ａ）→図６（ｃ）→図６（ｄ）、さらに図６（ｄ）→図６（ｅ）と段階を経て、画素４の階調表示を変化させることが好ましい。したがって、−Ｉ1→−Ｉ2の２段階、図６（ｅ）とする場合は−Ｉ1→−Ｉ2→−Ｉ3の３段階で電流の大きさを変化させて供給することが好ましい。このように、光変調素子５ａ，５ｂ，５ｃを、面積の小さいものから１個ずつ順に磁化反転させることにより、意図しない光変調素子５が磁化反転して誤った階調表示となるような誤動作を防止できる。
【００６１】
ここで、スピン注入磁化反転素子の反転電流の大きさは、一定の分布幅を有することが知られている。したがって、各段階で画素４に供給する電流の大きさ|Ｉ1|，|Ｉ2|，|Ｉ3|，|Ｉ4|は、互いにある程度以上の差を有していることが、画素４の階調表示を正確に制御する上で望ましい。そのために、光変調素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄの個々の反転電流の大きさ|Ｉa|，|Ｉb|，|Ｉc|，|Ｉd|が、互いの差が２０％以上となるように、光変調素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄのそれぞれの面積を、前記したように互いの差が２０％以上とすることが好ましい。このように設計すれば、画素４に供給する電流の大きさ|Ｉ1|，|Ｉ2|，|Ｉ3|，|Ｉ4|も、互いの差が２０％以上となるので、画素４の階調表示の制御がより正確なものとなる。
【００６２】
次に、すべての光変調素子の磁化が平行な状態の画素、すなわち階調１００％を表示する画素に、正の電流を段階的に増大させて（または大きさを漸増させながら）供給する場合の階調の変化を説明する。図７（ａ）は、画素４のすべての光変調素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄが、磁化が平行な状態であり、図６（ｂ）と同じ図である。なお、図７（ｂ）は、画素４のすべての光変調素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄが、磁化が反平行な状態で、図６（ａ）と同じ図である。したがって、図７（ａ）、（ｂ）間の磁化反転については、図６（ａ）、（ｂ）を参照して説明した通りであるので省略する。
【００６３】
図７（ａ）に示す画素４に＋Ｉ1の電流を供給すると、面積が最小の光変調素子５ａが磁化反転する（図７（ｃ））。このとき、残りの光変調素子５ｂ，５ｃ，５ｄは磁化が平行のままである。したがって、光変調素子５ａからの出射偏光のみが出射偏光フィルタ９２に遮られ、光変調素子５ｂ，５ｃ，５ｄからの出射偏光が出射偏光フィルタ９２を透過するので、画素４の表示は（(２＋３＋４)／(１＋２＋３＋４)）であり、階調９０％となる。さらに、大きさを増大させて＋Ｉ2の電流を供給すると、光変調素子５ａの次に面積が小さい光変調素子５ｂが磁化反転する（図７（ｄ））。このとき、残りの光変調素子５ｃ，５ｄは磁化が平行のままなので、これら光変調素子５ｃ，５ｄからの出射偏光が出射偏光フィルタ９２を透過して、画素４の表示は（(３＋４)／(１＋２＋３＋４)）より階調７０％となる。そして、さらに大きさを増大させて＋Ｉ3の電流を供給すると、光変調素子５ｂの次に面積が小さい光変調素子５ｃが磁化反転する（図７（ｅ））。このとき、光変調素子５ｄからの出射偏光のみが出射偏光フィルタ９２を透過するので、画素４の表示は（４／(１＋２＋３＋４)）より階調４０％である。そして、電流が＋Ｉ4に到達すると、残る１個で面積が最大の光変調素子５ｄが磁化反転し、すべての光変調素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄが、磁化が反平行な状態になる（図７（ｂ））。
【００６４】
このように、正の電流を供給する場合についても、その大きさにより、画素４において磁化反転する光変調素子５の種類および同じ磁化の状態を示す光変調素子５の個数が異なる。また、図６を参照して説明したように、図７（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）に示す、磁化が平行な光変調素子５と反平行な光変調素子５とが混在する画素４に、−Ｉ4または＋Ｉ4の電流を供給することにより、同時にすべての光変調素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄを、磁化が平行（図７（ａ））または反平行（図７（ｂ））とすることができる。すなわち、図７（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）は、それぞれ図６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）に対して、電流を逆向きに供給して光変調素子５の磁化の状態を平行・反平行で入れ替えたものである。すなわち、すべての光変調素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄについて磁化を平行として（図７（ａ））から正の電流を供給することで、同じ光変調素子５の組合せで白黒の表示が入れ替わり、負の電流を段階的に増大させて供給する場合とは異なる階調で表示される。したがって、本実施形態に係る空間光変調器の画素は、４個の光変調素子を備えることで、電流の向きおよび大きさ、そして供給する段階を変化させることにより、０％、１０％、３０％、４０％、６０％、７０％、９０％、１００％の全８階調の表示が可能となる。
【００６５】
以上、本発明を実施するための最良の形態について述べてきたが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。例えば、別の実施形態として、下部電極を透明電極材料で構成して、透過型の空間光変調器としてもよい（図示せず）。この場合、下部電極は上部電極と同様に、光変調素子との間に、金属膜である下地層を設けて接触抵抗を低減させることが好ましい。さらに、基板は、画素（上部電極、光変調素子、下部電極）を透過した光がさらに下方へ照射されるように、透明な材料、例えば、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、ＭｇＯ等からなる。その他の構成は、反射型の空間光変調器１と同様であるが、光変調素子５を構成する各層は、特に厚さが１０ｎｍを超える場合は透過率の高い材料で形成して、光を透過するようにする。また、この場合は磁化固定層５１と磁化可変層５３の位置を入れ替えて積層してもよい。出射偏光フィルタ９２および検出器９４は、空間光変調器の画素アレイ４０の下方に配置される。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明の一実施形態に係る空間光変調器の構成を示す平面模式図である。
【図２】図１に示す画素の拡大平面図である。
【図３】図１に示す画素の拡大断面図で、図２のＢ−Ｂ部分断面図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る空間光変調器の動作を説明する模式図で、図１のＡ−Ａ断面図である。
【図５】光変調素子における磁化方向と入射光の旋光を説明するための画素の断面模式図である。
【図６】（ａ）〜（ｅ）は、図１に示す画素における光変調素子それぞれの磁化反転および画素の階調の変化を説明するための画素の平面図である。
【図７】（ａ）〜（ｅ）は、図１に示す画素における光変調素子それぞれの磁化反転および画素の階調の変化を説明するための画素の平面図である。
【図８】（ａ）、（ｂ）は、それぞれ面積の異なる光変調素子のＩ−Ｒ特性を示すグラフである。
【符号の説明】
【００６７】
１ 空間光変調器（多素子空間光変調器）
１０ 電流制御部
１１ 電源（電流供給手段）
１４ 画素選択部（画素選択手段）
４０ 画素アレイ
４ 画素
２ 上部電極（電極）
３ 下部電極（電極）
５，５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ 光変調素子（スピン注入磁化反転素子）
５１ 磁化固定層
５２ 中間層
５３ 磁化可変層
６ 絶縁部材
７ 基板
【技術分野】
【０００１】
本発明は、入射した光を透過あるいは反射させた際に、磁気光学効果により光の位相や振幅、偏光等を空間的に変調する多素子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、ディスプレイ技術や記録技術等の分野で広く利用されている。空間光変調器として、従来より液晶が用いられているが、近年では、高速処理および画素の微細化の可能な磁気光学材料が用いられ、その磁気光学効果により光の偏光が変調する磁気光学式の空間光変調器が開発されている。特にスピン注入磁化反転素子を適用された画素によれば、数μｍ以下からさらに可視光波長サイズ（青色：４００ｎｍ）の高精細と、論理的に数ｐｓ程度となる高速応答とを同時に可能とする空間光変調器となる。
【０００３】
磁気光学式の空間光変調器においては、選択された画素における光変調素子の磁化方向とそれ以外の画素の磁化方向の違いにより、選択された画素を透過（または反射）した光とそれ以外の画素を透過（または反射）した光で、その光の偏光の回転角（旋光角）に差が生じるファラデー効果（反射の場合はカー効果）を利用している。このような旋光角の差をディスプレイ技術等に利用するためには、例えば、入射された偏光に対して選択されていない画素における旋光角だけ旋光した偏光のみ透過する偏光フィルタを、２次元アレイ状に配列された画素の出射側に配する。偏光フィルタにより、選択された画素からの出射偏光は遮られて黒く、それ以外の画素からの出射偏光は透過して白く表示されて、白／黒（明／暗）を画素毎に切り分けることができる（後記図５参照）。
【０００４】
空間光変調器には、このような白／黒の２階調に限られず両者の間も表示する多階調表示の機能も求められている。しかしながら、前記の磁気光学式の空間光変調器における光変調素子は、明／暗の２パターンの切り換えのみを行うものである。したがって、このような光変調素子を用いる場合は、個々に電極が接続された複数の光変調素子を一画素として構成してそれぞれの光変調素子の明／暗を個別に切り換えることで、一画素における多階調表示が可能となる。しかし、このような構成においては、光変調素子毎に別々に電流を供給する電極（配線）が必要となるため、階調を増やすほど配線の数が多く必要となり微細化には適さない。
【０００５】
そこで、本発明者らによって、一対の電極を接続した画素に、平面視形状の面積が等しく縦横比が異なるスピン注入磁化反転素子を複数備える空間光変調器が開示されている（例えば、特許文献１参照）。この空間光変調器は、スピン注入磁化反転素子の平面視形状のアスペクト比によって磁化反転に要する電流密度の大きさが異なることを利用したもので、画素に供給する電流の大きさを調節することで、画素内で磁化反転するスピン注入磁化反転素子の個数を変化させることができるため、多階調表示が可能となる。
【特許文献１】特開２００８−６４８２５号公報（段落００４７〜００４９、図７）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に開示された空間光変調器の画素の構成では、一画素におけるスピン注入磁化反転素子の個数＋１の階調が表示可能であるが、より多階調の表示ができることが望ましく、さらに改良する余地がある。
【０００７】
本発明は前記問題点に鑑み創案されたもので、高精細および高速応答の可能なスピン注入磁化反転素子を画素に適用すると共に、表示階調数をいっそう増やすことの可能な磁気光学式の空間光変調器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】
【０００８】
前記課題を解決するために、本発明者らは鋭意研究した結果、サイズの小さいスピン注入磁化反転素子ほど小さい電流で磁化反転する現象を利用することで、さらなる改良を行うことを見出した。すなわち、請求項１に係る多素子空間光変調器は、２次元配列された複数の画素を有する画素アレイと、この画素アレイから１つ以上の画素を選択して当該画素の階調を指定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当該画素選択手段が指定した階調に応じた大きさの電流を供給する電流供給手段とを備える多素子空間光変調器であって、前記画素は、平面視形状が相似かつ面積が異なる複数のスピン注入磁化反転素子と、これらのスピン注入磁化反転素子を電気的に並列に接続して前記電流供給手段からの電流を供給する一対の電極とを備え、前記スピン注入磁化反転素子は、所定の電流が供給されると当該スピン注入磁化反転素子における磁化可変層の磁化が一方向またはその逆方向を示すものであると共に、入射した光の偏光方向を前記磁化の方向に応じて変化させて出射するものであり、前記画素内における前記複数のスピン注入磁化反転素子は、前記電流供給手段から供給された電流の大きさに応じて、それぞれの磁化可変層の磁化が、そのすべてが前記一方向となる状態と、そのすべてが前記逆方向となる状態と、そのすべての一部が前記一方向となりそれ以外が前記逆方向となる状態とを示し、前記画素は、当該画素内において磁化可変層の磁化が前記一方向を示すスピン注入磁化反転素子の平面視形状の面積の和に応じて階調を変化させることを特徴とする。
【０００９】
かかる構成により、多素子空間光変調器は、画素が面積の異なる複数の光変調素子（スピン注入磁化反転素子）を備えることで、画素に供給される電流の大きさにより、磁化反転する光変調素子が異なる。したがって、電流の大きさを変化させて供給することで、画素内のすべての光変調素子を磁化反転させたり、一部の光変調素子のみ磁化反転させることができる。画素に入射した偏光は、このような複数の光変調素子でその偏光の向きを変化させて出射するので、磁化可変層の磁化が同じ方向である光変調素子の面積の和により特定の偏光方向の出射偏光の光量が変化し、一画素での出射偏光に明／暗とその間にある１つ以上の段階を表示させることができる。
【００１０】
さらに、請求項２に係る多素子空間光変調器は、請求項１に記載の多素子空間光変調器において、前記画素における前記複数のスピン注入磁化反転素子は、互いに隣り合う間隔が６０ｎｍ以上となるように配置されていることを特徴とする。
【００１１】
かかる構成により、多素子空間光変調器は、画素内で複数の光変調素子を６０ｎｍ以上の間隔で配置されて備えることで、隣り合う光変調素子同士で生じる磁気的な影響を抑制し、光変調素子の磁化反転動作をより正確に制御することができる。
【００１２】
さらに、請求項３に係る多素子空間光変調器は、請求項１または請求項２に記載の多素子空間光変調器において、前記一対の電極は、前記複数のスピン注入磁化反転素子の上部に接続される上部電極と、当該複数のスピン注入磁化反転素子の下部に接続される下部電極とからなり、前記上部電極はその上方から照射された光が前記複数のスピン注入磁化反転素子に入射するように前記光を透過する材料で形成され、前記下部電極はその下方へ前記複数のスピン注入磁化反転素子から出射された光が照射されるように前記光を透過する材料で形成されることを特徴とする。
【００１３】
このような一対の電極で複数のスピン注入磁化反転素子を上下から挟む構成により、画素のピッチを狭くでき、さらに上下の電極が光を透過することにより、入射光および出射光の光量の減衰が抑制された透過型の空間光変調器となる。
【００１４】
また、請求項４に係る多素子空間光変調器は、請求項１または請求項２に記載の多素子空間光変調器において、前記一対の電極は、前記複数のスピン注入磁化反転素子の上部に接続される上部電極と、当該複数のスピン注入磁化反転素子の下部に接続される下部電極とからなり、前記上部電極は、その上方から照射された光が前記複数のスピン注入磁化反転素子に入射するように前記光を透過し、かつ、その上方へ前記複数のスピン注入磁化反転素子から出射された光が照射されるように前記光を透過する材料で形成され、前記下部電極は光を反射する材料で形成され、前記上方から照射された光を前記下部電極または前記スピン注入磁化反転素子で反射させて前記上方へ出射することを特徴とする。
【００１５】
このような一対の電極で複数のスピン注入磁化反転素子を上下から挟む構成により、画素のピッチを狭くでき、さらに上の電極が光を透過して下の電極が光を反射することにより、入射光および出射光の光量の減衰が抑制された反射型の空間光変調器となる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係る多素子空間光変調器によれば、スピン注入磁化反転素子を適用することで、画素の高精細化かつ高速応答が可能となり、一画素に複数の面積の異なるスピン注入磁化反転素子を備えることで、明／暗とその間にある１つ以上の段階の階調を一画素当たり一対の配線で制御して表示でき、さらに個々のスピン注入磁化反転素子によって表示される階調が異なるので、一画素におけるスピン注入磁化反転素子の個数に対して表示可能な階調数が多くなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明に係る多素子空間光変調器（以下、適宜、空間光変調器）の最良の形態について、図面を参照して説明する。
【００１８】
図１は、本発明の一実施形態に係る空間光変調器の構成を示す平面模式図である。なお、本明細書では、平面（上面）とは、空間光変調器の光の入射面を指すものとする。また、平面視での縦横とは、図１における縦横の方向を示す。図２は、図１に示す画素の拡大平面図であり、図３は、図１に示す画素の拡大断面図で、図２のＢ−Ｂ部分断面図である。以下に、本発明に係る空間光変調器を構成する各要素について説明する。
【００１９】
空間光変調器１は、図１に示すように、基板７（図３参照）上に２次元アレイ状に配列された複数の画素４からなる画素アレイ４０と、画素アレイ４０から１つ以上の画素４を選択して駆動する電流制御部１０と、を備える。また、空間光変調器１は、反射型の空間光変調器である。なお、本明細書における画素とは、空間光変調器において、情報（明／暗およびその間）を表示する最小単位の手段を指す。
【００２０】
図１に示すように、画素アレイ４０は、平面視で横（行）方向に延設された複数のストライプ状の上部電極２と、同じくストライプ状で、平面視で上部電極２と直交するように縦（列）方向に延設された複数の下部電極３と、を備え、上部電極２と下部電極３との交点毎に１つの画素４が構成される。したがって、画素アレイ４０において、横方向に配列された画素４，４，…が１つの上部電極２を共有し、縦方向に配列された画素４，４，…が１つの下部電極３を共有する構造となっている。空間光変調器１では、画素アレイ４０として、４行×４列の１６個の画素４からなる構成で例示している。なお、上部電極２と下部電極３は、以下、適宜、両者をまとめて電極２，３と称する。
【００２１】
図２および図３に示すように、画素４は、一対の電極としての上部電極２と下部電極３と、これらの電極２，３に上下から挟まれた４個の光変調素子（スピン注入磁化反転素子）５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄを備えている。ここでは、画素４として４個の光変調素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄを備えた構成を例示しているが、本発明に係る空間光変調器における画素が備える光変調素子の個数は、２個以上であれば特に限定されない。一画素に備える光変調素子の個数が多くなるほど、後記するように表示できる階調数（明／暗の２階調とその間にある１つ以上の段階との合計）も多くなる。ただし、光変調素子の個数が多いと階調表示の制御が複雑化するため、一画素における光変調素子の個数は１０個以下が好ましい。なお、本明細書では、光変調素子５とは、すべての光変調素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄのそれぞれを指す。画素アレイ４０における隙間、すなわち隣り合う上部電極２，２間、光変調素子５，５間、および下部電極３，３間は絶縁部材６で埋められている。本発明においては、画素４のサイズ（ピッチ）は一画素における光変調素子５の個数および平面視形状等によって異なり、２００ｎｍ〜２μｍ程度の範囲である。
【００２２】
図１に示すように、電流制御部１０は、上部電極２を選択する上部電極選択部１２と、下部電極３を選択する下部電極選択部１３と、これらの電極選択部１２，１３を制御する画素選択部（画素選択手段）１４と、電極２，３に電流を供給する電源（電流供給手段）１１と、を備える。これらはそれぞれ公知のものでよく、光変調素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄを動作させる適正な電流を供給するためのものである。
【００２３】
上部電極選択部１２は、特定の１つ以上の上部電極２を選択し、選択した上部電極２に対して電源１１から所定の電流を供給させる。下部電極選択部１３は、特定の１つ以上の下部電極３を選択し、選択した下部電極３に対して電源１１から所定の電流を供給させる。画素選択部１４は、例えば図示しない外部からの信号に基づいて、画素アレイ４０の特定の１つ以上の画素４を選択し、かつその階調を指定し、選択に基づいて上部電極選択部１２および下部電極選択部１３を制御し、さらに指定した階調に応じた所定の電流を供給するように電源１１を制御する。電源１１は、画素選択部１４が選択した画素４に備えられる光変調素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄの特定の１個以上を動作させるために、画素選択部１４が指定した階調に基づいた適正な電流を供給する。このような構成により、特定の画素４が選択され、この画素４の光変調素子５に所定の電流が供給されて後記の動作を行う。
【００２４】
次に、本発明の一実施形態に係る空間光変調器の画素の構成を、図１、図２、および図３を参照して、詳細に説明する。
【００２５】
図２および図３に示すように、上部電極２は、光変調素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄの上方に配され、横方向に帯状に延設される。図１に示すように、１つの上部電極２は、横一行に配置された複数の画素４，４，…のそれぞれの光変調素子５（５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ）に電流を供給する。一方、下部電極３は、光変調素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄの下方に配され、縦方向に帯状に延設される。１つの下部電極３は、縦一列に配置された複数の画素４，４，…のそれぞれの光変調素子５（５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ）に電流を供給する。上部電極２は、光変調素子５への入射光および出射光を遮らないように透明電極材料で構成される。一方、下部電極３は、上方（上部電極２側）から光変調素子５を透過して到達した光を再び上方へ出射させるため、反射率の高い金属電極材料で構成される。
【００２６】
上部電極２のように、電極（配線）を透明電極材料で構成する場合、電極とこの電極に接続する光変調素子との間に金属膜を設けることが好ましい。したがって、本実施形態に係る画素４の上部電極２は、図３に示すように、透明電極材料からなる透明電極２ａと、この透明電極２ａと光変調素子５（５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ）との間に積層された金属膜である下地層２ｂと、からなる。透明電極材料は一般的に金属電極材料より抵抗が大きいため、透明電極２ａと光変調素子５との間に金属膜である下地層２ｂを介在させることで、上部電極２−光変調素子５間の接触抵抗を低減させて応答速度を上げることができる。
【００２７】
透明電極２ａは、例えば、インジウム亜鉛酸化物（Indium Zinc Oxide：ＩＺＯ）、インジウム−スズ酸化物（Indium Tin Oxide：ＩＴＯ）、酸化スズ（ＳｎＯ2）、酸化アンチモン−酸化スズ系（ＡＴＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、フッ素ドープ酸化スズ（ＦＴＯ）、酸化インジウム（Ｉｎ2Ｏ3）等の公知の透明電極材料からなる。特に、比抵抗と成膜の容易さとの点からＩＺＯが最も好ましい。これらの透明電極材料は、スパッタリング法、真空蒸着法、塗布法等の公知の方法により成膜される。
【００２８】
下地層２ｂを構成する金属としては、例えば、Ａｕ，Ｒｕ，Ｔａ，Ａｇ，Ｃｕ、またはそれらの金属の２種以上からなる合金等を用いることができ、これらの金属または合金からなる膜は、スパッタリング法等公知の方法により成膜される。そして、下地層２ｂとその上の透明電極２ａとの密着性をよくして接触抵抗をさらに低減するため、下地層２ｂとなる金属膜は、透明電極２ａとなる透明電極材料と連続的に真空処理室にて成膜されることが好ましい。連続して成膜された膜は一緒に加工されることが多いため、図３に示すように、下地層２ｂは透明電極２ａと同じ平面視形状となるが、例えば４つに分割されてそれぞれが光変調素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄと同じ平面視形状であってもよい。詳細は、画素４の製造方法において説明する。下地層２ｂの厚さは、１ｎｍ未満であると連続した膜を形成し難く、一方、１０ｎｍを超えると光の透過量を低下させる。したがって、下地層２ｂの好ましい厚さは１〜１０ｎｍである。
【００２９】
下部電極３は、例えば、Ｃｕ，Ａｌ，Ｔａ，Ｃｒ等の金属やその合金のような一般的な電極用金属材料からなり、スパッタリング法等により成膜、フォトリソグラフィ等により前記したように帯状に形成される。
【００３０】
基板７には、例えば表面を熱酸化したＳｉ基板等の公知の基板を適用できる。絶縁部材６は、隣り合う上部電極２，２間、光変調素子５，５間（隣り合う画素４，４間におけるものを含む）、および下部電極３，３間（図３不図示）に配され、例えば、ＳｉＯ2やＡｌ2Ｏ3等からなる。
【００３１】
光変調素子５（５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ）は、図１および図２に示すように、平面視で上部電極２と下部電極３の直交する各部分すなわち画素４毎に、所定の個数（本実施形態では４個）ずつが前記電極２，３に上下から挟まれて配置される。したがって、１つの画素４に備えられた４個の光変調素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄは、その上下の電極２，３を共通する一対の電極として電気的に並列に接続されている。光変調素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄのそれぞれの平面視形状は、本実施形態においては横方向に長い長方形であるが、これに限定されるものではなく、例えば正方形でもよく、アスペクト比が１：１〜１：１０程度であることが好ましい。また、光変調素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄは、同じ積層構造（図３参照、詳細は後記する）からなるが、図２に示すように、それぞれの平面視形状は互いに面積が異なる相似形とし、さらに互いの面積の差が２０％以上であることが好ましい。本実施形態においては、平面視形状の面積が小さい方から順に、光変調素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄとし、それぞれの面積は、１：２：３：４の比とする。
【００３２】
画素４において、４個の光変調素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄは（２×２）個のマトリクス状に配置されているが、これに限定されるものではなく、光変調素子５の個数および平面視形状に応じて、画素面積を有効に利用できるように配置することが好ましい。例えば、１列に並べたり、１個と３個の２列に並べてもよい。ただし、光変調素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄは、平面視における向きを揃えて配置する。これは、後記するように、光変調素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄのそれぞれの磁化固定層５１（図３参照）の磁化が同一方向に固定され易いようにするためである。また、隣り合う光変調素子５，５同士の間隔ｄ（図２参照）を６０ｎｍ以上とすることが好ましい。これは、１つの画素４内に限られず、隣り合う画素４，４のそれぞれの光変調素子５，５同士についても同様である。間隔が６０ｎｍ未満で近接して配置されると、隣り合う光変調素子の磁化が互いに作用し合い、磁化反転に要する電流が増大する等、磁化反転動作に影響する虞があるからである。
【００３３】
光変調素子５（５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ）は、スピン注入磁化反転素子であり、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子、ＴＭＲ素子等の公知の素子からなる。光変調素子５の構成は、図３に示すように、下部電極３の上に、磁化固定層５１、中間層５２、磁化可変層５３、保護層５４の順に積層されてなり、すべて同じ構成である。これらの各層は、例えばスパッタリング法や分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法等の公知の方法によりそれぞれ成膜されて、積層され、電子線リソグラフィ等により前記形状に加工される。
【００３４】
磁化固定層５１および磁化可変層５３は磁性体であり、共に面内磁気異方性を有するか、または共に垂直磁気異方性を有する。そして、磁化固定層５１の磁化方向は固定されているのに対し、磁化可変層５３の磁化方向は固定されておらず、スピン注入によって容易に回転（反転）させることができる。これら２層の間に設けられる中間層５２は、光変調素子５がＴＭＲ素子であれば絶縁体、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子であれば非磁性の導体で形成される。これら３層でスピン注入磁化反転素子として動作するが、製造工程におけるダメージからこれらの層（特に磁化可変層５３）を保護するために、最上層に保護層５４が設けられる。
【００３５】
磁化固定層５１は、その厚さは数〜数十ｎｍであり、面内磁気異方性を有する磁化固定層５１とする場合は、強磁性金属（ＦＭ）や磁性半導体からなる。強磁性金属としては、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ等の遷移金属およびそれらを含む合金、ＦＭ／ＰｔＭｎ、ＦＭ／Ｒｕ／ＦＭ／ＰｔＭｎ（シンセティックピン層、積層フェリ構造）のような多層膜、さらにＩｒＭｎ等の磁化固着層を下層に設けたＦＭ／ＩｒＭｎ、ＦＭ／Ｒｕ／ＦＭ／ＩｒＭｎが挙げられる。また、磁性半導体としては、ＺｎＯ：Ｍｎ、ＺｎＯ：Ｍｎ1-XＦｅX、ＺｎＯ：Ｃｒ1-XＭｎX等のＺｎＯを母体とするもの、III-Ｖ族化合物半導体を母体とするもの、ＴｉＯを母体とするもの、II−VI族化合物半導体を母体とするものが挙げられる。一方、垂直磁気異方性を有する磁化固定層５１とする場合は、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ等の遷移金属およびそれらを含む合金、[Ｆｅ／Ｐｔ]×ｎ、[Ｃｏ／Ｐｔ]×ｎの多層膜、Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ等の希土類を含む合金のような強磁性金属が挙げられる。
【００３６】
中間層５２は、磁化固定層５１と磁化可変層５３との間に設けられる。光変調素子５がＴＭＲ素子であれば、中間層５２は、ＭｇＯ，Ａｌ2Ｏ3，ＨｆＯ2のような絶縁体や、Ｍｇ／ＭｇＯ／Ｍｇのような絶縁体を含む積層膜からなり、その厚さは０．５〜３ｎｍである。また、光変調素子５がＣＰＰ−ＧＭＲ素子であれば、中間層５２は、Ｃｕ，Ａｕ，Ｐｔのような非磁性金属からなり、その厚さは６ｎｍ以下である。
【００３７】
磁化可変層５３は、面内磁気異方性を有する場合は、強磁性金属や磁性半導体からなり、その厚さは１０ｎｍ以下である。強磁性金属としては、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ等の遷移金属およびそれらを含むＣｏＦｅ，ＣｏＦｅＢ，ＮｉＦｅ等の合金、これらの材料の２種以上からなる積層膜、ＦＭ／Ｒｕ／ＦＭ（シンセティックフリー層、積層フェリ構造）が挙げられる。また、磁性半導体としては、ＺｎＯ：Ｍｎ、ＺｎＯ：Ｍｎ1-XＦｅX、ＺｎＯ：Ｃｒ1-XＭｎX等のＺｎＯを母体とするもの、III-Ｖ族化合物半導体を母体とするもの、II−VI族化合物半導体を母体とするものが挙げられる。一方、垂直磁気異方性を有する磁化可変層５３とする場合は、材料として、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ等の遷移金属およびそれらを含む合金、[Ｆｅ／Ｐｔ]×ｎ、[Ｃｏ／Ｐｔ]×ｎの多層膜、Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ等の希土類を含む合金、ＭｎＢｉのような強磁性金属が挙げられ、その厚さは５０ｎｍ以下である。
【００３８】
保護層５４は、Ｔａ，Ｒｕ，Ｃｕの単層、または、Ｃｕ／Ｔａ，Ｃｕ／Ｒｕの２層等から構成される。なお、前記の２層とする場合は、いずれもＣｕを内側（下層）とする。保護層５４の厚さは、１ｎｍ未満であると連続した膜を形成し難く、一方、１０ｎｍを超えると入射偏光の透過光量を減衰させる。したがって、保護層５４の好ましい厚さは１〜１０ｎｍである。
【００３９】
次に、本発明の一実施形態に係る空間光変調器の画素（画素アレイ）の製造方法について、その一例を説明する。
まず、下部電極３を形成する。基板７の表面に、金属電極材料をスパッタリング法等により成膜し、フォトリソグラフィ等によりストライプ状に形成して下部電極３とする。そして、下部電極３，３間にＳｉＯ２等の絶縁膜（絶縁部材６となる）を堆積させる。
【００４０】
次に、光変調素子５（５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ）を形成する。下部電極３（および絶縁部材６）の上面に、連続して、磁化固定層５１、中間層５２、磁化可変層５３、保護層５４を、それぞれ成膜、積層する。これらの層を電子線リソグラフィ等により前記平面視形状に成形加工して、光変調素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄとする。光変調素子５の成形にマスクとして使用したレジストを残した状態で、絶縁膜を成膜して、光変調素子５，５間（隣り合う画素４，４間におけるものを含む）に堆積させ、レジストをその上の絶縁膜ごと除去して（リフトオフ）絶縁部材６とする。
【００４１】
次に、上部電極２を形成する。光変調素子５および絶縁部材６の上面に、金属膜、透明電極材料を連続して成膜し、下部電極３と直交するストライプ状に形成して上部電極２とする。最後に、上部電極２，２間に絶縁部材６を堆積して、画素４（画素アレイ４０）とする。
【００４２】
次に、本発明の一実施形態に係る空間光変調器の動作を、図４および図５を参照して説明する。図４は、空間光変調器の動作を説明する模式図で、図１のＡ−Ａ断面図である。図５は、光変調素子における磁化方向と入射光の旋光を説明するための画素の断面模式図である。なお、図５は、わかり易くするため、一画素内の光変調素子を１個として示す。
【００４３】
まず、図４を参照して、磁気光学式の空間光変調器の動作を説明する。空間光変調器１の画素アレイ４０の上方には、画素アレイ４０に向けて光を照射する光源９３と、光源９３から照射された光を画素アレイ４０に入射する前に偏光とする入射偏光フィルタ９１と、画素アレイ４０から出射した光から特定の向きの偏光のみを透過する出射偏光フィルタ９２と、出射偏光フィルタ９２を透過した光を検出する検出器９４とが配置される。
【００４４】
光源９３から照射された光（レーザー光等）は様々な偏光成分を含んでいるので、これを画素アレイ４０の上方の入射偏光フィルタ９１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のすべての画素４に所定の入射角で入射する。それぞれの画素４において、入射偏光は、上部電極２を透過して光変調素子５（５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ）に入射し、当該光変調素子５またはその下の下部電極３で反射して光変調素子５から出射し、再び上部電極２を透過して画素４から出射偏光として出射する。そして、それぞれの画素４から出射したすべての出射偏光は、出射偏光フィルタ９２に到達する。出射偏光フィルタ９２は、特定の偏光、ここでは入射偏光に対して角度θP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９４に入射される。偏光フィルタ９１，９２はそれぞれ偏光板等であり、検出器９４はスクリーン等の画像表示手段やカメラ等である。
【００４５】
ここで、光変調素子における磁化方向と入射光の旋光について、図５を参照して説明する。光変調素子５は、面内磁気異方性すなわち膜面方向の磁化を有するスピン注入磁化反転素子である。磁化固定層５１は、画素４における光変調素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄのすべて、さらに画素アレイ４０のすべての画素４において磁化方向が同一に固定され、図５では、磁化固定層５１の磁化を右方向で示す。一方、磁化可変層５３の磁化は膜面方向において回転可能である。なお、図５において、保護層５４は図示を省略する。
【００４６】
光変調素子５は、逆方向のスピンを持つ電子を注入することにより、すなわち電流を反対向きに供給することにより、磁化可変層５３の磁化方向を反転（スピン注入磁化反転）させて、磁化固定層５１の磁化方向と同じ方向または１８０°異なる方向にする。図５（ａ）に示すように、上部電極２を「＋」、下部電極３を「−」にして、磁化可変層５３側から磁化固定層５１へ電流を供給する（以下、負の電流を供給する、という）と、磁化可変層５３の磁化は磁化固定層５１の磁化方向と同じ方向になる。以下、この状態を光変調素子５の磁化が平行である（Ｐ：Parallel）という。この磁化が平行な光変調素子５に、図５（ｂ）に示すように、上部電極２を「−」、下部電極３を「＋」にして、磁化固定層５１側から磁化可変層５３へ電流を供給する（以下、正の電流を供給する、という）と、磁化可変層５３の磁化が１８０°回転（反転）して磁化固定層５１の磁化方向と逆方向になる。以下、この状態を光変調素子５の磁化が反平行である（ＡＰ：Anti-Parallel）という。さらに、この磁化が反平行な光変調素子５に、再び負の電流を供給すれば、図５（ａ）に示す磁化が平行な状態に戻る。このように、電流を供給する向きを切り換えることで、磁化可変層５３の磁化方向を反転させることができる。
【００４７】
光変調素子５に供給される電流は、パルス幅１ｐｓ〜１０ｍｓのパルス方式が好ましく、電源１１から電極２，３を介して供給される。光変調素子５は、前記の平行、反平行いずれかの磁化を示していればその磁化を反転させる電流が供給されるまでは磁化方向が保持されるため、パルス電流として磁化を反転させる電流値（反転電流）に一時的に到達する電流で動作させることができる。また、連続電流を供給されると、光変調素子５がジュール熱で加熱されて磁化反転動作に影響する虞がある。
【００４８】
光変調素子５に入射した偏光が、磁化可変層５３を透過し、中間層５２との界面で反射して、再び磁化可変層５３を透過して出射した場合、磁性体である磁化可変層５３を透過することで、ファラデー効果により、偏光はその向きが所定の角度（旋光角）に回転（旋光）する。さらに、磁化が平行な光変調素子５（図５（ａ））、反平行な光変調素子５（図５（ｂ））にそれぞれ入射した偏光は、磁化可変層５３の磁化方向が１８０°異なるため、前記旋光角で互いに逆方向に回転して出射する。そこで、前記の、磁化が平行、反平行の光変調素子５における旋光角をそれぞれθP，θAPと異なる角度で表せる。
【００４９】
なお、光変調素子５に入射した偏光が、磁化可変層５３、中間層５２、磁化固定層５１を透過し、下部電極３の上面で反射して、再び磁化固定層５１、中間層５２、磁化可変層５３を透過して出射した場合、同じく磁性体である磁化固定層５１によっても旋光するが、磁化固定層５１の磁化は一定であるので、旋光角θP，θAPの差は磁化可変層５３のみによって決定される。このように、光変調素子５が磁化反転すると、出射偏光は、同じ向きの入射偏光に対して旋光角θP，θAP回転した異なる向きの偏光となる。
【００５０】
この出射偏光の差を検出部９４への表示に利用するためには、例えば入射偏光に対してθP旋光した偏光のみ透過する偏光フィルタを、出射偏光フィルタ９２として画素アレイ４０の出射側に配すればよい。磁化が平行な光変調素子５を備える画素４からの出射偏光は、出射偏光フィルタ９２を透過するので、この画素４は検出部９４に明るく表示される。反対に、磁化が反平行な光変調素子５を備える画素４からの出射偏光は、出射偏光フィルタ９２で遮られるので、この画素４は検出部９４に暗く表示される。なお、光変調素子５が垂直磁気異方性を有する磁化固定層５１および磁化可変層５３を備える場合、磁化は垂直方向であり、磁化可変層５３の磁化は上向き／下向きで反転するが、この場合も同様にファラデー効果を生じる。
【００５１】
磁性体への光の入射角が、当該磁性体の磁化方向に平行または反平行に近いほど、磁気光学効果は大きく、磁性体からの出射光の旋光角を大きくすることができる。したがって、面内磁気異方性を有する光変調素子５においては、光（入射偏光）の入射角を、膜面すなわち画素アレイ４０の平面に対して平行（入射角０°）に近くするほど、旋光角θP，θAPおよび両旋光角の差を大きくすることができる。しかし、画素アレイ４０の構造上、光が光変調素子５に上面から入射するためには、入射角にある程度の傾斜が必要である。したがって、空間光変調器１における画素４への光の入射角は、動作時における光変調素子５の磁化可変層５３の磁化方向すなわち磁化固定層５１の磁化方向に対して１０°〜６０°の範囲が好ましく、図４に示すように、本実施形態の空間光変調器１は、画素アレイ４０に対して斜めに光が入射される。また、入射偏光、出射偏光共に光路が画素アレイ４０の上方にあるので、出射偏光フィルタ９２および検出器９４は入射偏光の光路を遮らない位置に、光源９３および入射偏光フィルタ９１は、出射偏光の光路を遮らない位置に、それぞれ配置される。
【００５２】
光変調素子５が垂直磁気異方性を有する場合は、磁化方向は垂直であるので偏光の入射角を９０°とすることが旋光角を大きくする上で望ましいが、このとき、出射偏光の光路が入射偏光の光路と一致する。そこで、入射角９０°から５°〜３０°程度傾けて、出射偏光フィルタ９２および検出部９４、光源９３および入射偏光フィルタ９１が、それぞれ入射偏光および出射偏光の光路を遮らない配置となるようにする。すなわち、偏光の入射角は、画素アレイ４０に対して６０°〜８５°とすることが好ましい。または、入射角９０°として、入射偏光フィルタ９１と画素アレイ４０との間にハーフミラーを配置して、出射偏光のみを側方へ反射させてもよい。この場合、出射偏光フィルタ９２および検出器９４は画素アレイ４０の側方に配置する。
【００５３】
次に、一画素における複数の光変調素子の磁化反転について、図６および図７を参照して説明する。図６および図７は、本発明の一実施形態に係る空間光変調器の画素における光変調素子それぞれの磁化反転および画素の階調の変化を説明するための画素の平面図であり、それぞれの光変調素子に、当該光変調素子の磁化可変層の磁化方向を矢印で示すものである。なお、図示しない磁化固定層の磁化は、すべての光変調素子において右方向に固定されている。また、後記するようにその出射偏光が出射偏光フィルタを透過しない光変調素子は、黒く塗り潰して表す。
【００５４】
図６（ａ）は、画素４のすべての光変調素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄが、磁化が反平行な状態であり、すなわちそれぞれの磁化可変層５３の磁化は左方向である。このとき、図５（ｂ）を参照して説明したように、光変調素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄそれぞれから出射した偏光はいずれも出射偏光フィルタ９２で遮られるので、画素４からの出射偏光の光量は０であり、検出器９４に黒く表示される（階調０％）。この状態の画素４に、電極２，３（図６，７では図示省略）から所定の大きさの負の電流を供給して、すべての光変調素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄを磁化反転させる。このとき供給された電流（パルス電流）の大きさを|Ｉ4|と定義する。この磁化反転で、図６（ｂ）に示すように、画素４のすべての光変調素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄが、磁化が平行な状態になり、すなわちそれぞれの磁化可変層５３の磁化は右方向となる。このとき、図５（ａ）を参照して説明したように、光変調素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄそれぞれから出射した偏光はいずれも出射偏光フィルタ９２を透過するので、画素４からの出射偏光の光量は最大であり、検出器９４に白く表示される（階調１００％）。また、この状態の画素４に、同じ大きさで逆向きすなわち＋Ｉ4の正の電流を供給すると、光変調素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄは再び磁化反転して図６（ａ）に示す状態となり、画素４の表示は暗転する。
【００５５】
ここで、スピン注入磁化反転素子の磁化反転に要する電流（反転電流）の大きさは、各層の材料や、そのスピン注入磁化反転素子の体積および平面視形状のアスペクト比等の形状に影響されることが知られている。そこで、積層構造が同じで平面視形状の面積（以下、適宜、面積という）の異なる２個の光変調素子（スピン注入磁化反転素子）について、Ｉ−Ｒ特性を比較した。図８は、磁化の平行な光変調素子にパルス電流の大きさ（絶対値）を漸増させながら電流を供給したときの、光変調素子の抵抗変化を示すＩ−Ｒ特性のグラフであり、（ａ）、（ｂ）は面積の異なる光変調素子のそれぞれにおけるＩ−Ｒ特性を示す。２個の光変調素子５ｅ，５ｆ（図示せず）の構成は共通であり、下層から、磁化固定層：IrMn(10)／CoFe(5)／Ru(0.75)／CoFe(5.5)、中間層：Cu(6)、磁化可変層：CoFeB(3)、保護層：Cu(5) ／Ru(5)である。なお、（ ）内数値は膜厚（単位ｎｍ）を示す。また、抵抗の変化を観測することにより反転電流を測定したため、電極は上下共にＣｕで形成されている。平面視形状は、図８（ａ）のＩ−Ｒ特性を示す光変調素子５ｅが２４０ｎｍ×８０ｎｍの長方形、図８（ｂ）のＩ−Ｒ特性を示す光変調素子５ｆが３００ｎｍ×１００ｎｍの長方形である。すなわち光変調素子５ｆの平面視形状は、光変調素子５ｅの１．２５倍の相似形で、面積では約１．５６倍である。光変調素子５ｅ，５ｆのそれぞれの磁化を反平行（抵抗大）から平行（抵抗小）に反転させる反転電流−ＩSTSは、図８（ａ）より光変調素子５ｅが約−７．２ｍＡ、図８（ｂ）より光変調素子５ｆが約−１１．６ｍＡであり、面積が大きいほど磁化反転に要する電流も大きくなることがわかる。さらに、この反転電流−ＩSTSを光変調素子５ｅ，５ｆの面積当たりに換算した反転電流密度Ｊcは、３．７５×１０7Ａ／ｃｍ、３．８７×１０7Ａ／ｃｍでほぼ一致する。
【００５６】
このように、膜厚も含めて同じ積層構造からなり、かつ平面視形状が相似な光変調素子同士では、反転電流密度Ｊcは一定であるので、それぞれの面積に比例する大きさの電流で磁化反転する。したがって、光変調素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄの個々の反転電流の大きさを|Ｉa|，|Ｉb|，|Ｉc|，|Ｉd|と定義すると、前記の面積比より、|Ｉa|：|Ｉb|：|Ｉc|：|Ｉd|＝１：２：３：４となる。例えば、光変調素子５ａの磁化を平行から反平行へ移行させるときは、＋Ｉa、反対に、反平行から平行へ移行させるときは、−Ｉaの電流を供給する。さらに、画素４において、光変調素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄは一対の電極２，３に電気的に並列に接続されているので、これら４個すべてを磁化反転させるための電流の大きさ|Ｉ4|は、|Ｉ4|≧|Ｉa|＋|Ｉb|＋|Ｉc|＋|Ｉd|で表せる。
【００５７】
電流の大きさを漸増させながら画素に供給したときの、光変調素子の磁化反転および画素の階調の変化を説明する。図６（ａ）に示す画素４に、大きさを漸増させて負の電流を供給していくと、電流が−Ｉ1に到達した時点で、面積が最小の光変調素子５ａが磁化反転する（図６（ｃ））。このとき、残りの光変調素子５ｂ，５ｃ，５ｄは磁化が反平行のままである。したがって、光変調素子５ａからの出射偏光のみが出射偏光フィルタ９２を透過するので、画素４の表示は、光変調素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄの面積比から（１／(１＋２＋３＋４)）であり、階調１０％となる。
【００５８】
さらに、大きさを漸増させて電流を供給していくと、電流が−Ｉ2（|Ｉ2|＞|Ｉ1|）に到達した時点で、光変調素子５ａの次に面積が小さい光変調素子５ｂが磁化反転する（図６（ｄ））。このとき、残りの光変調素子５ｃ，５ｄは磁化が反平行のままなので、光変調素子５ａ，５ｂからの出射偏光が出射偏光フィルタ９２を透過して、画素４の表示は（(１＋２)／(１＋２＋３＋４)）より階調３０％である。そして、さらに大きさを漸増させて電流を供給していくと、電流が−Ｉ3（|Ｉ2|＜|Ｉ3|＜|Ｉ4|）に到達した時点で、光変調素子５ｂの次に面積が小さい光変調素子５ｃが磁化反転する（図６（ｅ））。このとき、光変調素子５ａ，５ｂ，５ｃからの出射偏光が出射偏光フィルタ９２を透過するので、画素４の表示は（(１＋２＋３)／(１＋２＋３＋４)）より階調６０％である。そして、電流が−Ｉ4に到達すると、残る１個で面積が最大の光変調素子５ｄが磁化反転し、すべての光変調素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄが、磁化が平行な状態になる（図６（ｂ））。
【００５９】
このように、画素４に供給する電流の大きさにより、磁化反転する光変調素子５の種類および同じ磁化の状態を示す光変調素子５の個数が異なる。そのため、図４に示すように、画素４からの出射偏光の全部あるいは一部が出射偏光フィルタを透過して、またはまったく透過せず、画素４の多階調表示が可能となる。ここで、電流を段階的に増大させて画素４に供給する場合の電流の大きさ|Ｉ1|，|Ｉ2|，|Ｉ3|，|Ｉ4|について説明する。図６（ａ）→図６（ｃ）のように、光変調素子５ａのみを磁化反転させる電流の大きさ|Ｉ1|は、光変調素子５ａが磁化反転し、かつ光変調素子５ｂが磁化反転しない大きさの電流であるので、|Ｉa|≦|Ｉ1|＜|Ｉb|の範囲である。そして、図６（ｃ）→図６（ｄ）のように、光変調素子５ｂを磁化反転させて光変調素子５ａと同じ磁化の状態とする電流の大きさ|Ｉ2|は、光変調素子５ａ，５ｂが共に磁化反転し、かつ光変調素子５ｃが磁化反転しない大きさの電流であるので、|Ｉa|＋|Ｉb|≦|Ｉ2|＜|Ｉa|＋|Ｉc|の範囲である。さらに、図６（ｄ）→図６（ｅ）のように、光変調素子５ｃを磁化反転させて光変調素子５ａ，５ｂと同じ磁化の状態とする電流の大きさ|Ｉ3|は、光変調素子５ａ，５ｂ，５ｃが共に磁化反転し、かつ光変調素子５ｄが磁化反転しない大きさの電流であるので、|Ｉa|＋|Ｉb|＋|Ｉc|≦|Ｉ3|＜|Ｉa|＋|Ｉb|＋|Ｉd|の範囲である。
【００６０】
また、図６（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）のように、磁化が平行な光変調素子５と反平行な光変調素子５とが混在する画素４に、−Ｉ4または＋Ｉ4の電流を供給することにより、同時にすべての光変調素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄを、磁化が平行（図６（ｂ））または反平行（図６（ａ））にすることができる。なお、図６（ｄ）、（ｅ）のように、図６（ａ）から２個以上であって４個すべてではない光変調素子５（５ａ，５ｂ、または５ａ，５ｂ，５ｃ）を磁化反転させた状態とする場合には、前記したように、図６（ａ）→図６（ｃ）→図６（ｄ）、さらに図６（ｄ）→図６（ｅ）と段階を経て、画素４の階調表示を変化させることが好ましい。したがって、−Ｉ1→−Ｉ2の２段階、図６（ｅ）とする場合は−Ｉ1→−Ｉ2→−Ｉ3の３段階で電流の大きさを変化させて供給することが好ましい。このように、光変調素子５ａ，５ｂ，５ｃを、面積の小さいものから１個ずつ順に磁化反転させることにより、意図しない光変調素子５が磁化反転して誤った階調表示となるような誤動作を防止できる。
【００６１】
ここで、スピン注入磁化反転素子の反転電流の大きさは、一定の分布幅を有することが知られている。したがって、各段階で画素４に供給する電流の大きさ|Ｉ1|，|Ｉ2|，|Ｉ3|，|Ｉ4|は、互いにある程度以上の差を有していることが、画素４の階調表示を正確に制御する上で望ましい。そのために、光変調素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄの個々の反転電流の大きさ|Ｉa|，|Ｉb|，|Ｉc|，|Ｉd|が、互いの差が２０％以上となるように、光変調素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄのそれぞれの面積を、前記したように互いの差が２０％以上とすることが好ましい。このように設計すれば、画素４に供給する電流の大きさ|Ｉ1|，|Ｉ2|，|Ｉ3|，|Ｉ4|も、互いの差が２０％以上となるので、画素４の階調表示の制御がより正確なものとなる。
【００６２】
次に、すべての光変調素子の磁化が平行な状態の画素、すなわち階調１００％を表示する画素に、正の電流を段階的に増大させて（または大きさを漸増させながら）供給する場合の階調の変化を説明する。図７（ａ）は、画素４のすべての光変調素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄが、磁化が平行な状態であり、図６（ｂ）と同じ図である。なお、図７（ｂ）は、画素４のすべての光変調素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄが、磁化が反平行な状態で、図６（ａ）と同じ図である。したがって、図７（ａ）、（ｂ）間の磁化反転については、図６（ａ）、（ｂ）を参照して説明した通りであるので省略する。
【００６３】
図７（ａ）に示す画素４に＋Ｉ1の電流を供給すると、面積が最小の光変調素子５ａが磁化反転する（図７（ｃ））。このとき、残りの光変調素子５ｂ，５ｃ，５ｄは磁化が平行のままである。したがって、光変調素子５ａからの出射偏光のみが出射偏光フィルタ９２に遮られ、光変調素子５ｂ，５ｃ，５ｄからの出射偏光が出射偏光フィルタ９２を透過するので、画素４の表示は（(２＋３＋４)／(１＋２＋３＋４)）であり、階調９０％となる。さらに、大きさを増大させて＋Ｉ2の電流を供給すると、光変調素子５ａの次に面積が小さい光変調素子５ｂが磁化反転する（図７（ｄ））。このとき、残りの光変調素子５ｃ，５ｄは磁化が平行のままなので、これら光変調素子５ｃ，５ｄからの出射偏光が出射偏光フィルタ９２を透過して、画素４の表示は（(３＋４)／(１＋２＋３＋４)）より階調７０％となる。そして、さらに大きさを増大させて＋Ｉ3の電流を供給すると、光変調素子５ｂの次に面積が小さい光変調素子５ｃが磁化反転する（図７（ｅ））。このとき、光変調素子５ｄからの出射偏光のみが出射偏光フィルタ９２を透過するので、画素４の表示は（４／(１＋２＋３＋４)）より階調４０％である。そして、電流が＋Ｉ4に到達すると、残る１個で面積が最大の光変調素子５ｄが磁化反転し、すべての光変調素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄが、磁化が反平行な状態になる（図７（ｂ））。
【００６４】
このように、正の電流を供給する場合についても、その大きさにより、画素４において磁化反転する光変調素子５の種類および同じ磁化の状態を示す光変調素子５の個数が異なる。また、図６を参照して説明したように、図７（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）に示す、磁化が平行な光変調素子５と反平行な光変調素子５とが混在する画素４に、−Ｉ4または＋Ｉ4の電流を供給することにより、同時にすべての光変調素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄを、磁化が平行（図７（ａ））または反平行（図７（ｂ））とすることができる。すなわち、図７（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）は、それぞれ図６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）に対して、電流を逆向きに供給して光変調素子５の磁化の状態を平行・反平行で入れ替えたものである。すなわち、すべての光変調素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄについて磁化を平行として（図７（ａ））から正の電流を供給することで、同じ光変調素子５の組合せで白黒の表示が入れ替わり、負の電流を段階的に増大させて供給する場合とは異なる階調で表示される。したがって、本実施形態に係る空間光変調器の画素は、４個の光変調素子を備えることで、電流の向きおよび大きさ、そして供給する段階を変化させることにより、０％、１０％、３０％、４０％、６０％、７０％、９０％、１００％の全８階調の表示が可能となる。
【００６５】
以上、本発明を実施するための最良の形態について述べてきたが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。例えば、別の実施形態として、下部電極を透明電極材料で構成して、透過型の空間光変調器としてもよい（図示せず）。この場合、下部電極は上部電極と同様に、光変調素子との間に、金属膜である下地層を設けて接触抵抗を低減させることが好ましい。さらに、基板は、画素（上部電極、光変調素子、下部電極）を透過した光がさらに下方へ照射されるように、透明な材料、例えば、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、ＭｇＯ等からなる。その他の構成は、反射型の空間光変調器１と同様であるが、光変調素子５を構成する各層は、特に厚さが１０ｎｍを超える場合は透過率の高い材料で形成して、光を透過するようにする。また、この場合は磁化固定層５１と磁化可変層５３の位置を入れ替えて積層してもよい。出射偏光フィルタ９２および検出器９４は、空間光変調器の画素アレイ４０の下方に配置される。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明の一実施形態に係る空間光変調器の構成を示す平面模式図である。
【図２】図１に示す画素の拡大平面図である。
【図３】図１に示す画素の拡大断面図で、図２のＢ−Ｂ部分断面図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る空間光変調器の動作を説明する模式図で、図１のＡ−Ａ断面図である。
【図５】光変調素子における磁化方向と入射光の旋光を説明するための画素の断面模式図である。
【図６】（ａ）〜（ｅ）は、図１に示す画素における光変調素子それぞれの磁化反転および画素の階調の変化を説明するための画素の平面図である。
【図７】（ａ）〜（ｅ）は、図１に示す画素における光変調素子それぞれの磁化反転および画素の階調の変化を説明するための画素の平面図である。
【図８】（ａ）、（ｂ）は、それぞれ面積の異なる光変調素子のＩ−Ｒ特性を示すグラフである。
【符号の説明】
【００６７】
１ 空間光変調器（多素子空間光変調器）
１０ 電流制御部
１１ 電源（電流供給手段）
１４ 画素選択部（画素選択手段）
４０ 画素アレイ
４ 画素
２ 上部電極（電極）
３ 下部電極（電極）
５，５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ 光変調素子（スピン注入磁化反転素子）
５１ 磁化固定層
５２ 中間層
５３ 磁化可変層
６ 絶縁部材
７ 基板
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２次元配列された複数の画素を有する画素アレイと、この画素アレイから１つ以上の画素を選択して当該画素の階調を指定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当該画素選択手段が指定した階調に応じた大きさの電流を供給する電流供給手段と、を備える多素子空間光変調器であって、
前記画素は、平面視形状が相似かつ面積が異なる複数のスピン注入磁化反転素子と、これらのスピン注入磁化反転素子を電気的に並列に接続して前記電流供給手段からの電流を供給する一対の電極と、を備え、
前記スピン注入磁化反転素子は、所定の電流が供給されると当該スピン注入磁化反転素子における磁化可変層の磁化が一方向またはその逆方向を示すものであると共に、入射した光の偏光方向を前記磁化の方向に応じて変化させて出射するものであり、
前記画素内における前記複数のスピン注入磁化反転素子は、前記電流供給手段から供給された電流の大きさに応じて、それぞれの磁化可変層の磁化が、そのすべてが前記一方向となる状態と、そのすべてが前記逆方向となる状態と、そのすべての一部が前記一方向となりそれ以外が前記逆方向となる状態と、を示し、
前記画素は、当該画素内において、磁化可変層の磁化が前記一方向を示すスピン注入磁化反転素子の平面視形状の面積の和に応じて、階調を変化させることを特徴とする多素子空間光変調器。
【請求項２】
前記画素において、前記複数のスピン注入磁化反転素子は、互いに隣り合う間隔が６０ｎｍ以上となるように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の多素子空間光変調器。
【請求項３】
前記一対の電極は、前記複数のスピン注入磁化反転素子の上部に接続される上部電極と、当該複数のスピン注入磁化反転素子の下部に接続される下部電極と、からなり、
前記上部電極は、その上方から照射された光が前記複数のスピン注入磁化反転素子に入射するように、前記光を透過する材料で形成され、
前記下部電極は、その下方へ前記複数のスピン注入磁化反転素子から出射された光が照射されるように、前記光を透過する材料で形成されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の多素子空間光変調器。
【請求項４】
前記一対の電極は、前記複数のスピン注入磁化反転素子の上部に接続される上部電極と、当該複数のスピン注入磁化反転素子の下部に接続される下部電極と、からなり、
前記上部電極は、その上方から照射された光が前記複数のスピン注入磁化反転素子に入射するように前記光を透過し、かつ、その上方へ前記複数のスピン注入磁化反転素子から出射された光が照射されるように前記光を透過する材料で形成され、
前記下部電極は、光を反射する材料で形成され、
前記上方から照射された光を前記下部電極または前記スピン注入磁化反転素子で反射させて前記上方へ出射することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の多素子空間光変調器。
【請求項１】
２次元配列された複数の画素を有する画素アレイと、この画素アレイから１つ以上の画素を選択して当該画素の階調を指定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当該画素選択手段が指定した階調に応じた大きさの電流を供給する電流供給手段と、を備える多素子空間光変調器であって、
前記画素は、平面視形状が相似かつ面積が異なる複数のスピン注入磁化反転素子と、これらのスピン注入磁化反転素子を電気的に並列に接続して前記電流供給手段からの電流を供給する一対の電極と、を備え、
前記スピン注入磁化反転素子は、所定の電流が供給されると当該スピン注入磁化反転素子における磁化可変層の磁化が一方向またはその逆方向を示すものであると共に、入射した光の偏光方向を前記磁化の方向に応じて変化させて出射するものであり、
前記画素内における前記複数のスピン注入磁化反転素子は、前記電流供給手段から供給された電流の大きさに応じて、それぞれの磁化可変層の磁化が、そのすべてが前記一方向となる状態と、そのすべてが前記逆方向となる状態と、そのすべての一部が前記一方向となりそれ以外が前記逆方向となる状態と、を示し、
前記画素は、当該画素内において、磁化可変層の磁化が前記一方向を示すスピン注入磁化反転素子の平面視形状の面積の和に応じて、階調を変化させることを特徴とする多素子空間光変調器。
【請求項２】
前記画素において、前記複数のスピン注入磁化反転素子は、互いに隣り合う間隔が６０ｎｍ以上となるように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の多素子空間光変調器。
【請求項３】
前記一対の電極は、前記複数のスピン注入磁化反転素子の上部に接続される上部電極と、当該複数のスピン注入磁化反転素子の下部に接続される下部電極と、からなり、
前記上部電極は、その上方から照射された光が前記複数のスピン注入磁化反転素子に入射するように、前記光を透過する材料で形成され、
前記下部電極は、その下方へ前記複数のスピン注入磁化反転素子から出射された光が照射されるように、前記光を透過する材料で形成されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の多素子空間光変調器。
【請求項４】
前記一対の電極は、前記複数のスピン注入磁化反転素子の上部に接続される上部電極と、当該複数のスピン注入磁化反転素子の下部に接続される下部電極と、からなり、
前記上部電極は、その上方から照射された光が前記複数のスピン注入磁化反転素子に入射するように前記光を透過し、かつ、その上方へ前記複数のスピン注入磁化反転素子から出射された光が照射されるように前記光を透過する材料で形成され、
前記下部電極は、光を反射する材料で形成され、
前記上方から照射された光を前記下部電極または前記スピン注入磁化反転素子で反射させて前記上方へ出射することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の多素子空間光変調器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１０−１４５４６２（Ｐ２０１０−１４５４６２Ａ）
【公開日】平成２２年７月１日（２０１０．７．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−３１９３４５（Ｐ２００８−３１９３４５）
【出願日】平成２０年１２月１６日（２００８．１２．１６）
【出願人】（０００００４３５２）日本放送協会 (2,206)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年７月１日（２０１０．７．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１２月１６日（２００８．１２．１６）
【出願人】（０００００４３５２）日本放送協会 (2,206)
【Ｆターム（参考）】
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