JP3781553B2

JP3781553B2 - 光シャッター

Info

Publication number: JP3781553B2
Application number: JP12358398A
Authority: JP
Inventors: 忠雄桂川
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1998-05-06
Filing date: 1998-05-06
Publication date: 2006-05-31
Anticipated expiration: 2018-05-06
Also published as: US6243193B1; JPH11316360A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超高速度で、光を通過させたり、遮断したりする光シャッターに関し、とくに光源からの光の強弱に応じて光を通過させたり、遮断したりする光シャッターに関し、画像を形成したり、画像を加工処理したり、光を用いて計算したりする高速度光デバイスに用いることができる光シャッターに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
本発明は、従来、本発明者が研究してきた磁気光学効果素子に、まったく新規な特性があることを発見したことによりなされたものである。即ち、従来は、請求項１で規定した溝構造とその上の透明磁性膜で構成された素子において、溝表面にほぼ垂直に入射した光が巨大な磁気光学効果（磁化による光の偏光面の回転）を示すことを利用して、偏光子層と組み合わせた高コントラスト画像表示デバイスを提案してきた（例えば、「溝構造とその上の透明磁性膜で構成された素子」に関する出願として特願平９−１１７６２６号，特願平９−１８０８２０号，特願平９−２３６７６１号，特願平９−１７９０７１号，特願平９−３４０５８３号がある。この溝構造とその上の透明磁性膜で構成された素子は、強い波長依存性を示すことも分かっている。
しかし、本発明者は波長を選ぶことによって、入射される光の強度に応じて磁気光学効果が変化することを新規に見出し、本発明に至ったものである。
従って、本発明の従来技術との違いは、本発明はその構成要件として出力を強弱変化できる光源が必須である点である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術の欠点
（１）電気回路では、現在、最も高速なトランジスタでも、その開閉に要する時間を１０ピコ秒台以下にすることは困難である。すなわち、従来の電気を使うスイッチでは非常に遅くしか開閉ができないということである。
（２）非線形係数の大きい材料として、最近では、人工的な超格子構造を有した半導体材料や、特殊な有機材料が注目されている。このような材料を使うと、低いパワーレベルの光でも十分な非線形相互作用が得られる。また、これを微小な光の共振器と組み合わせると、光で光を開閉することができる。これを光−光ゲート或いは、オール光ゲートとよんでいる。例えば、ＧａＡｓとＡｌＧａＡｓという２種類の半導体を１０ｎｍ以下のピッチで積層したものでは、０.５ピコ秒という開閉時間が得られる。
（３）光−光ゲートを組み合わせれば、いろいろな光の論理素子や、メモリを作ることができるはずである。また、それによって光コンピュータを造ることができる。しかし、従来の技術では、これ以上の高速度な開閉はできなかった。
【０００４】
本発明の目的
本発明は、高速度な光のシャッターに関し、特に光で光の開閉を制御することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、基板の一方の表面に、０.２〜２.０μｍの等しい間隔で互いに平行に配列され０.１〜５μｍの高さを有する複数の直線状の溝と、該溝表面に形成された厚さ５〜１００ｎｍの透明磁性体膜から成る磁気光学素子及び、該磁気光学素子の表と裏の両面に設けた偏光層から成る光素子と、光の強弱を変調可能とした光源とで構成し、溝構造上の磁気膜の磁化部を通過して入射する光の強度に応じてその光の偏光面の回転角度を増減させ光の開閉を行うことを特徴とした光シャッターである。
【０００６】
請求項２の発明は、請求項１に記載された光シャッターにおいて、前記光素子の表裏に設けた偏光層は、強い光に対しては通過し、弱い光に対しては遮断するように、偏光軸を相互に回転させ固定されていることを特徴とする光シャッターである。
【０００７】
請求項３の発明は、請求項１に記載された光シャッターにおいて、前記光源は、パルス光を発信可能とした光を用いていることを特徴とする光シャッターである。
【０００８】
請求項４の発明は、請求項３に記載された光シャッターにおいて、前記光源が複数個設けられていることを特徴とする光シャッターである。
【０００９】
請求項５の発明は、請求項１に記載された光シャッターにおいて、前記透明磁性膜は溝の側面のみに形成されていることを特徴とする光シャッターである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図面を参考にして本発明をその実施の形態について説明する。
図１は、光シャッターを説明するための概略図である。図中２重線で囲まれた部分は光シャッターの素子１である。
本発明の光シャッターは、光強度を変調可能な光源，溝構造上の磁性膜１２，この磁性膜１２を挟む１対の偏光子２，偏光子（検光子）３の３部から成っている。
図２は、溝構造を説明するための断面図である。
図面を参考にして、溝構造１０上の磁性膜１２に関して説明する。溝構造１０とは、基板５の一方の表面に、直線上に０.２〜２.０μｍの等しい間隔で、高さ０.１〜５μｍの互いに平行な複数の溝１１を作製したものを言う。この構造は機械的な加工法によってもよいが、主としてはフォトリソグラフィ法によって作製される一般的には透過型のグレーティングと呼ばれるものである。
【００１１】
溝１１の断面構造は、図２に示すような矩形，波形のもの，更に三角波状等、その形状は特に制限されないが、通過する光の一部分は、溝１１の上の磁性膜１２に反射して、磁気光学効果の発生効率が高くなるよう設計することが望ましい。前述のように、該溝１１表面に、厚さ５〜１００ｎｍの透明磁性体膜１２が形成される。この磁性膜１２は溝構造１０上に連続して形成されても良いが、一部、例えば矩形の場合には、溝表面や溝底面の磁性層が剥離されても構わない。また、磁性層が複数層で形成されても構わない。
溝構造の溝部位は、特に他の材料で埋めなくても良く、基本的には屈折率の異なる部位を通過した光が干渉することによって、本発明の巨大磁気光学効果が生じ、同時に入射光強度に応じて、偏光面回転角が変化するので、溝部位と溝間（スペースとランド）の屈折率が異なれば良い。従って、溝中に基板と異なる屈折率を有する透明材料を埋めても良い。
【００１２】
次に、本発明の光シャッターの動作を簡単に説明する。
光源からの光は最初の偏光子２を通過して直線偏光になる。ついで溝構造１０上の磁気膜１２の磁化部を通過して偏光面が回転する。この偏光面の回転角度は、入射する光の強度に応じて異なり、強度が強い場合は弱い場合に比較して大きくなる。２枚の偏光子２，３の偏光軸（吸収軸）は、光の強度により大きく回転した変更面は通過でき（開）、回転が小さい偏光面は通過できない（閉）ように、あらかじめ回転して設定してある（開と閉は逆になるように設定することも容易である）。開と閉の偏光軸の角度は、クロスニコルの配置と言われる９０度が好ましいが、必ずしも９０度でなく、偏光機能（偏光度）が大きい偏光子を用いれば、９０度以下でも開と閉が可能である。
以上の説明から明らかなように、本発明の特徴は、溝構造上の磁気膜の磁化部を通過して入射する光の強度に応じて、その光の偏光面の回転角度を増減する全く新規な素子構造にある。この素子構造自体は、以前に本発明者が巨大な磁気光学効果が得られるものとして提案したものであるが、その素子構造が同時に光の強度にほぼ比例して透過光の回転角を増減することを初めて見い出した。本発明は、その原理を応用した新規な光シャッターを提案するものである。
【００１３】
従来、希土類鉄ガーネットやＭｎＢｉ，Ｂａフェライトのような透光性磁気膜には、このように透過光の偏光面の回転角が、光の強度に応じて変化することは全くなく、一定の回転角を与えるものであった。
本発明の透明磁性膜は特に限定されるものではない。上記希土類鉄ガーネットやＭｎＢｉ，Ｂａフェライトも利用可能である。しかし、これら磁性膜に対して入射光の一部は、基板面にほぼ垂直な磁性体表面にスレスレに、または浅い角度で反射して素子を通過する（図２にこの様子を示す。点線で囲った部分で、この現象が発生する）。本発明の入射光強度依存性の発現理由は、この通過の際の磁性膜への浸入深さが、光強度に依存するためではないかと考えられる。すなわち、光強度が強ければ、磁性膜中へ深く浸入し、従って通過膜厚が厚くなったと同様の効果が現れるのではないかと考えられる。
【００１４】
光の速度は約３０万ｋｍ／Ｓであるので、光が溝構造１０上の磁性膜１２（０.１〜５μｍ）を通過に要する時間は０.３３〜１６.７フェムト秒である。この時間で出口側の偏光子を通過したり、遮断したりできることになる。光の強度を強弱に変化できれば、特別な稼働部分がなくても光の開閉が可能となる。この光の強度を変化させるには、光パルスを用いる。
光パルスでは、ピコ秒台以下のパルス幅を得ることはそれほど難しいことではない。本発明は、この光パルスの高速性を利用するものである。
光パルスは、モードロッカーとして光変調器を使い、これに外部から変調を加えたモード同期という方法で得られる。更に光パルス圧縮という方法を用いれば、８フェムト秒の短い光パルスが得られる。
以上の説明から明らかなように、本発明ではフェムト秒で光を開閉することができる。
【００１５】
本発明に用いられる透明基板５には、石英ガラス，サファイア，結晶化透明ガラス，パイレックスガラス，Ａｌ₂Ｏ₃，ＭｇＯ，ＢｅＯ，ＺｒＯ₂，Ｙ₂Ｏ₃，ＴｈＯ₂，ＣａＯ，ＧＧＧ（ガドリニウム・ガリウム・ガーネット）などの無機透明材料やＭＭＡ，ＰＭＭＡ，ポリカーボネート，ポリプロピレン，アクリル系樹脂，スチレン系樹脂，ＡＢＳ樹脂，ポリアリレート，ポリサルフォン，ポリエーテル，サルフォン，エポキシ樹脂，ポリ−４−メチルペンテン−１，フッ素化ポリイミド，フッ素樹脂，フェノキシ樹脂，ポリオレフィン系樹脂，ナイロン樹脂等の透明プラスチックフィルムが用いられる。透明プラスチックフィルムを用いると、軽い，曲げやすい等の利点があるので利用しやすい。
偏光子層としては、各種の市販の偏光フィルムや、ビームスプリッタを用いた高透過率偏光子などが用いることができる。偏光フィルムには大別して多ハロゲン偏光フィルム，染料偏光フィルム，金属偏光フィルムなどがある。多ハロゲン偏光フィルムは２色性物質にヨウ素を用いているために、可視領域全般についてフラットな特性を有するが、湿度，高温等に弱いという欠点を有する。また染料偏光フィルムは偏光性能はヨウ素よりも劣るものの、熱，光，湿度に対して耐性が大きいという特徴を有している。偏光子層の露出面にはキズが付きやすいので、保護膜を設けることが好ましい。
次のような各種の偏光子も利用できるが、これらに制限されるものではない。
【００１６】
１．特開平１−９３７０２号公報に記載された偏光子
前記公報には、強磁性体微粒子からなる多数の棒状素子を含む偏光層を基板表面に一定方向に配列して固着形成することにより、製造が容易で、かつ光学的特性の優れた偏光板及びその製造方法が開示されている。
２．ワイヤグリット偏光子
東京農工大学佐藤勝昭教授著「現代人の物理１−光と磁気」１９８８年出版ページ１０３に記載されたもの。即ち、
２.５μｍより長波長の光に対する偏光子は、透明基板（臭化銀，ポリエチレン等）に微小な間隔で金やアルミニウムの線をひいたもの。この場合、線の間隔ｄ，波長をλとすると、λ＞ｄの波長に対して、透過光は線に垂直な振動面を持つ、ほぼ完全な直線偏光になることを利用している。中赤外用（２.５μｍから２５μｍ）としては、臭化銀基板にｄ＝０.３μｍ間隔で金線をひいたものが、遠赤外用（１６μｍから１００μｍ）としては、ポリエチレン板にｄ＝０.７μｍでアルミニウムをひいたものが用いられる。偏光度は９７％程度といわれる。
【００１７】
３．コーニング社製「ポーラコア」
ポーラコアというのは商品名である。長く延伸させた金属銀をガラス自身の中に一方向に配列させることにより、偏光特性をもたせたガラスで、従来の有機物偏光素子と異なり耐熱性，耐湿性，耐化学薬品性，レーザに対する耐性に非常に優れている。赤外線用が主であるが、特殊仕様として可視光用がある。
４．マイクロワイヤアレイ
東北大学で赤外線用にアルミニウムの表面を陽極酸化させアルミナとし、微細な穴を開けてこの中にＮｉやＣｕなどの金属を入れ偏光子として用いることが報告されている。
５．積層型偏光子
東北大学電気通信研究所の川上彰二郎教授が、１９９７年頃に発表されているもので、可視光用にはＲＦスパッタリング法で、６０〜８０Åの厚みのＧｅ（ゲルマニウム）と、１μｍ厚みのＳｉＯ₂を交互に６０μｍ厚みになるまで積層して作製している。０.６μｍの波長で測定した性能指数α_TE／α_TM（ＴＥ波とＴＭ波に対する消衰定数の比）は４００近く、０.８μｍの波長で測定した消光比は３５ｄＢ，挿入損出は０.１８ｄＢであり、可視光に対して十分なものである。
【００１８】
透明磁性層１２としては、従来一般に用いられている磁気光学効果を示す透明磁性材料で良いが、ファラデー効果が大きくて、透明性の大きい所謂性能指数の大きい磁性材料が好ましい。例えば、５０ｎｍ以下の粒子径を有する鉄，コバルト，Ｎｉ等強磁性金属の超微粒子膜が用いられる。この場合の金属超微粒子以外の膜組成としては酸素，炭素などである。鉄，コバルト，Ｎｉ等強磁性金属は大きな磁気光学効果を示すが、光の吸収も大きいためにそのままの薄膜では用いられなかったが、超微粒子膜とすると大きな性能指数を有するようになる。また粒子径の制御によって、適当な保磁力を得ることができる。ほかに希土類鉄ガーネットやＭｎＢｉ，Ｂａフェライト等の酸化物、ＦｅＢＯ₃，ＦｅＦ₃，ＹＦｅＯ₃，ＮｄＦｅＯ₃などの複屈折が大きな材料、ＭｎＢｉ，ＭｎＣｕＢｉ，ＰｔＣｏなどがある。磁気光学効果は、光の進行方向とスピンの方向とが平行の場合に最も大きな効果が得られるので、これらの材料は膜面に垂直に磁気異方性を有するものが好ましい。これらの透明磁性材料は一般的なスパッタ，真空蒸着，ＭＢＥなどのＰＶＤ法やＣＶＤ法，メッキ法等が用いられる。
パルス光を得るための電源は、一般に市販されているフェムト秒レーザでよい。使用波長は磁性体の磁気光学効果の波長依存性，偏光子の波長依存性にあわせて用いられる。
以下に実施例によって詳しく説明する。
【００１９】
実施例１（請求項１に対する実施例）
１ｍｍ厚の石英基板の片面に、合計で１２０ｎｍ厚となるようにＣｒ₂Ｏ₃、ついでＣｒの２層を設けた。更にこの上にポジ型レジストを設けた。このレジスト上にフォトマスクを配置し、ＵＶ光を用いて図２（Ｂ）でＬ＝１.０μｍとなるように露光する。ついで、ウェットエッチング法を用いて、上記レジスト層をエッチングし、更にフッ素系ガスを用いて石英表面をエッチングして、Ｈ＝０.６５μｍとなるように加工した。ついでレジスト層を剥離した。
上記石英基板の加工表面上にガス中蒸着法を用いて、基板加熱無しで鉄微粒子膜を蒸着した。使用したＡｒガスは５０ＣＣＭの流量で流し、全圧力で１.０Ｐａとした。平均膜厚は１００ｎｍであった。透過電子顕微鏡で測定した鉄微粒子の平均粒子径は６ｎｍであった。膜の組成は６６％が鉄であり他は酸素と炭素，窒素であった。平坦部で測定した鉄微粒子膜の保磁力は３２０Ｏｅ，面内方向の角型比は０.８０で、面内磁気異方性を有した膜であった。
【００２０】
日本分光株式会社製、磁気光学効果測定装置Ｋ２５０型で、上記のように作製した磁気光学素子の波長依存性（縦軸は偏光面回転角ｄｅｇ）を測定すると（入射光の偏光面とグレーティング溝方向とは直角に配置）、６３３ｎｍにピークが現れた。波長を６３３.７ｎｍ，最大印加磁界１０Ｋガウスとして、印加磁界に対する偏光面回転角のヒステリシスを測定した。光源のキセノン電流を５，６.５，８Ａとすると、試料へ入射する光のパワーは、２.２，３.０，３.８μＷであった。入射光パワーをこの３水準とし、測定した偏光面回転角のヒステリシスから、印加磁界がゼロガウスの場合の偏光面回転角を読むと、それぞれ４.７度，６.０度，７.０度であった（図３）。入射光パワーにほぼ比例して磁気旋光角度が増大した。
ついで同装置を用いて、試料への入射光パワーを３.８μＷとし、出射光側に偏光子を配置して、光が透過するように偏光面を合わせた。入射光パワーを２.２μＷとした場合は、光が透過せず光シャッターが得られた。
【００２１】
実施例２（請求項２，３，４に対応する）
実施例１と同様にして磁気光学素子を作製した後、該素子の表裏両面に偏光子を配置した。上記光シャッターに、波長６２８.８ｎｍの２つのレーザ光を、光軸を合わせて入射させた。また入射光の偏光面とグレーティング溝方向とは直角に配置した。２つの偏光子の偏光面は、２つのレーザ光のパルスが、時間的に重なって大きくなった時に、偏光面回転角が大きくなって、光が通過するように、また２つのパルスが時間的に重なることがなく、１つのパルスだけが入射する場合、回転角が小さくて通過できないように、吸収軸を回転して固定した。以上のようにして作製した光シャッターに、パルス間隔が１００フェムト秒と２００フェムト秒の２つのパルスレーザを連続して入射した。出力をスペクトルアナライザーで観察すると、２００フェムト秒で出力が観察され、１００フェムト秒間隔では出力が観察できなかった。２つのパルスが重畳した場合のみ出射光パルスが得られる所謂ＡＮＤ論理動作をさせることができた。
【００２２】
実施例３（請求項５に対応する）
実施例１において作製した磁気光学素子を、ＥＣＲ異方性エッチング装置を用いて、溝の表面及び底面の磁性層を剥離した（つまり溝の側面のみ磁性層を残した）。上記のようにして作製した磁気光学素子の波長渡存性を測定すると６３４.５ｎｍにピークが現れた。波長を６３５ｎｍ，最大印加磁界１０Ｋガウスとして、ヒステリシスを測定した。光源のキセノン電流を５，６.５，８Ａとして測定したヒステリシスから、印加磁界がゼロガウスの場合の偏光面回転角は、それぞれ４.４度，５.６度，５.８度であった。入射光パワーにほぼ比例する点は実施例と同様であった。
ついで実施例２のように、偏光子を配置して作製した光シャッターに、パルス幅１００フェムト秒のレーザ光を入射した。出力光を観察すると、パルス幅に応じた高速度の光開閉がされていることが確認できた。
【００２３】
比較例１（請求項１に対応する）
石英基板の表面に溝構造を作製することをしなかった他は、まったく実施例１と同様にして石英基板の上に鉄超微粒子膜を作製して磁気光学素子とし、入射光強度を変化させて、偏光面の回転を調べたが、回転角に変化はなかった。
【００２４】
比較例２（請求項２に対応する）
実施例１とまったく同様にして溝構造を作製し、その表面にスパッタ法を用いてＢｉ置換希土類鉄ガーネット膜を９００ｎｍの厚みに作製した。ターゲット組成はＢｉ₂Ｇｄ₁Ｆｅ_3.8Ａｌ_1.2Ｏ₁₂であった。基板温度は４００℃として作製したのち、６８０℃で３時間空気中加熱した。ガラス基板上に同時に作製した膜の保磁力は４００エールステッドで、ヒステリシスからは強い垂直磁気異方性を有していることがわかった。実施例１と同様にして磁気旋光角度を測定すると、５２０ｎｍ付近に旋光角度のピークを有していた。波長を５２０ｎｍ，最大印加磁界１０Ｋガウスとして、ヒステリシスを測定した。試料へ入射する光のパワーを変化させても、磁気旋光角度に変化はなかった。
【００２５】
比較例３（請求項５に対応する）
実施例１において作製した磁気光学素子を、溝の表面及び底面の磁性層を剥離することなく、実施例３と同様にして測定した結果は、実施例３と同じであった。しかし、波長を６３５ｎｍの光の透過率は、実施例３では８％であったが、溝の表面及び底面に磁性層を残したままの磁気光学素子では４％と低く測定時のノイズが大きかった。
【００２６】
【発明の効果】
請求項１に対する作用効果：基板の一方の表面に、波長オーダーの寸法の溝構造と、該溝表面に透明磁性体膜を形成して磁気光学素子とし、該素子の両面に偏光層を設け、さらに光を変調可能とした光源とで構成し、溝構造上の磁気膜の磁化部を通過して入射する光の強度に応じてその光の偏光面の回転角度を増減させて光の開閉を行うので、機械的または電気的な従来のシャッターより、簡便にまた高速度に光で光を開閉可能な光シャッターとすることができた。
【００２７】
請求項２に対応する効果：請求項１における磁気光学素子の２枚の偏光層は、レーザ光の強弱に対応して光を遮断するように、偏光軸を相互に回転させ固定したので、簡便にまた高速度に光で光を開閉可能な光シャッターとすることができた。
【００２８】
請求項３に対応する効果：請求項１において、光の強弱を変調可能とする光源として、パルス光を発信可能としたレーザ光を用いたので、簡便にまた高速度に光で光を開閉可能な光シャッターとすることができた。
【００２９】
請求項４に対応する効果：上記光シャッターにおいて、光源を複数個設けたので、光論理計算を高速度で可能とすることができた。
【００３０】
請求項５に対応する効果：請求項１において、透明磁性膜は溝の側面だけとし、溝表面と底面は作製後除去したので、より光の透過率を高めてノイズの少ない、高速度に光で光を開閉可能な光シャッターとすることができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による光シャッターを概略的に示した図である。
【図２】本発明の溝構造の断面図である。
【図３】入射光強度と磁気旋光角度との関係を表すグラフである。
【符号の説明】
１…ゲート（光シャッター素子）、２…偏光子、３…偏光子（検光子）、５…（透明）基板、１０…溝構造、１１…溝、１２…磁性（磁気）膜。

Claims

基板の一方の表面に、０.２〜２.０μｍの等しい間隔で互いに平行に配列され０.１〜５μｍの高さを有する複数の直線状の溝と、該溝表面に形成された厚さ５〜１００ｎｍの透明磁性体膜から成る磁気光学素子及び、該磁気光学素子の表と裏の両面に設けた偏光層から成る光素子と、光の強弱を変調可能とした光源とで構成し、溝構造上の磁気膜の磁化部を通過して入射する光の強度に応じてその光の偏光面の回転角度を増減させ光の開閉を行うことを特徴とした光シャッター。
請求項１に記載された光シャッターにおいて、前記光素子の表裏に設けた偏光層は、強い光に対しては通過し、弱い光に対しては遮断するように、偏光軸を相互に回転させ固定されていることを特徴とする光シャッター。
請求項１に記載された光シャッターにおいて、前記光源は、パルス光を発信可能とした光を用いていることを特徴とする光シャッター。
請求項３に記載された光シャッターにおいて、前記光源が複数個設けられていることを特徴とする光シャッター。
請求項１に記載された光シャッターにおいて、前記透明磁性膜は溝の側面のみに形成されていることを特徴とする光シャッター。