特許 5725212 可変光減衰器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5725212

(24)【登録日】2015年4月10日

(45)【発行日】2015年5月27日

(54)【発明の名称】可変光減衰器

(51)【国際特許分類】

   G02F 1/09 20060101AFI20150507BHJP

【ＦＩ】

   G02F1/09 501

【請求項の数】6

【全頁数】12

(21)【出願番号】特願2013-556213(P2013-556213)

(86)(22)【出願日】2012年12月14日

(86)【国際出願番号】JP2012082466

(87)【国際公開番号】WO2013114742

(87)【国際公開日】20130808

【審査請求日】2014年4月3日

(31)【優先権主張番号】特願2012-20540(P2012-20540)

(32)【優先日】2012年2月2日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000005234

【氏名又は名称】富士電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100125450

【弁理士】

【氏名又は名称】河野 広明

(74)【代理人】

【識別番号】100130960

【弁理士】

【氏名又は名称】岡本 正之

(72)【発明者】

【氏名】荻本 泰史

(72)【発明者】

【氏名】大登 正敬

【審査官】 廣崎 拓登

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００７−０３４０９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−２１３０７８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１２／０７７５１７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 M. J. Zhuo et al.，"Single [101]-oriented growth of La0.9Sr0.1MnO3 films on vicinal SrTiO3(001) substrates"，Applied Physics Letters，米国，２００６年 ２月１３日，Vol.88, No.7，071905

【文献】 N. Kida et al.，"Optical Magnetoelectric Effect of Patterned Oxide Superlattices with Ferromagnetic Interfaces"，Physical Review Letters，米国，２００７年１１月 ９日，Vol.99, No.19，197404

【文献】 K. X. Jin et al.，"Transport and photoinduced properties in La0.8Sn0.2MnO3 thin film"，Journal of Alloys and Compounds，米国，ELSEVIR，２００９年 ２月２０日，Vol.470, No.1-2，pp.552-556

【文献】 M. Saito et al.，"Gigantic Optical Magnetoelectric Effect in CuB2O4"，Journal of the Physical Society of Japan，２００８年 １月１０日，Vol.77, No.1，013705

【文献】 J. Igarashi et al.，"Analysis of optical magnetoelectric effect in GaFeO3"，Physical Review B，２００９年 ８月３１日，Vol.80, No.5，054418

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０２Ｆ １／００ − １／１２５

１／２１ − ７／００

Ｈ０１Ｌ ２９／８２

４３／００ −４３／１４

Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｄｉｒｅｃｔ

ＩＥＥＥ Ｘｐｌｏｒｅ

Ｇｏｏｇｌｅ Ｓｃｈｏｌａｒ

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

（２１０）面方位の基板の上に形成され、Ｌａ_１−ｘＳｒ_ｘＭｎＯ_３膜（ＬＳＭＯ膜、ただし、０．１＜ｘ＜０．７）および透明絶縁膜が交互に積層した超格子と、
該超格子に含まれているＬＳＭＯ膜のうちの少なくともいくつかにおける膜面内の磁化を制御する磁化制御手段と
を備え、
前記超格子のＬＳＭＯ膜の膜面内の磁化を制御することにより、該超格子の透過光に対する透過率が制御される
可変光減衰器。

【請求項2】

前記ＬＳＭＯ膜の各層の厚みが５単位胞以上１０単位胞以下である
請求項１に記載の可変光減衰器。

【請求項3】

前記透明絶縁膜の各層の厚みが２単位胞以上である
請求項１に記載の可変光減衰器。

【請求項4】

前記透明絶縁膜の材質が前記基板と同一の材質である
請求項１に記載の可変光減衰器。

【請求項5】

前記基板がＳｒＴｉＯ_３の組成である
請求項１に記載の可変光減衰器。

【請求項6】

前記透明絶縁膜がＳｒＴｉＯ_３の組成である
請求項１または請求項４に記載の可変光減衰器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は可変光減衰器に関する。さらに詳細には本発明は、電気磁気効果による光の非相反性を用いた可変光減衰器に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、光の非侵襲性やスペクトロスコピ―を活用したセンシング技術が注目を集めている。例えば、ヘモグロビンの酸素飽和度を測定する眼底検査装置や生体の特定部位に結合した蛍光たんぱくによる癌検査等では、可視から近赤外の波長範囲のレーザー光を用いたスペクトロスコピックなイメージング技術の開発が精力的に行われている。これらのイメージング装置や蛍光顕微鏡では用途に応じた多波長光源が必要であり、非線形光学結晶に超短パルスレーザー光を照射することにより発生するスーパーコンティニュウム光と呼ばれる白色レーザー光が用いられることが多い。ここで重要となるのは、連続した波長から必要となる波長を選択する可変波長フィルタ及びその強度を調整する可変光減衰器である。このうち、可変光減衰器として現在使用されているものは導波路タイプのものが多く、大面積化は困難である。

【0003】

一方、これまでと全く異なる動作原理が最近報告されている。これは、時間反転対称性を破る磁化と空間反転対称性を破る分極が共存する物質において、非相反性（nonreciprocity）に起因して方向二色性（directional dichroism）という性質が発現することを利用するものである。この方向二色性は、いわゆる電気磁気効果、すなわち電場により磁化が誘起され、磁場により分極が誘起される効果に基づくものである。例えば、ＧａＦｅＯ_３結晶に回折格子を形成し、１次回折光を磁化の方向により変える光スイッチや（特許文献１）、ＥｒをドープしたＢａＴｉＯ_３単結晶などの光ファイバーにより従来使用されている光アイソレータを省略しうること（特許文献２）が報告されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００７−０３４０９３号公報

【特許文献2】国際公開第２００６／１２９４５３号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、ＧａＦｅＯ_３は方向二色性の機能発現温度が室温（例えば３００Ｋ）より低いという問題がある。また、ＥｒをドープしたＢａＴｉＯ_３単結晶は常磁性であるため、方向二色性を得るには常に磁場を印加しなければならないという問題がある。

【0006】

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものである。本発明は、大面積化が容易であり、透過率を変化させる時以外は外場印加が不要であり、また、室温動作が可能であるような可変光減衰器を製造することに貢献するものである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記課題を吟味した結果、本願の発明者らは、高指数面基板の面の上に形成した強相関酸化物薄膜において、基板歪により誘起される結晶軸方向の分極が、物質の磁気的性質によらず、例えば３００Ｋを超える室温以上でも存在し続けることに着目した。そして、全く新たな原理に基づき上記課題の少なくともいずれかを解決しうる具体的手段を見出した。

【0008】

その具体的解決手段として、本発明のある態様においては、（２１０）面方位の基板の上に形成され、Ｌａ_１−ｘＳｒ_ｘＭｎＯ_３膜（ＬＳＭＯ膜、ただし、０．１＜ｘ＜０．７）および透明絶縁膜が交互に積層した超格子と、該超格子に含まれているＬＳＭＯ膜のうちの少なくともいくつかにおける膜面内の磁化を制御する磁化制御手段とを備え、前記超格子のＬＳＭＯ膜の膜面内の磁化を制御することにより、該超格子の透過光に対する透過率が制御される可変光減衰器が提供される。

【0009】

上記態様により、ＬＳＭＯ膜の膜内に、面内の成分として［−１２０］軸方向の成分を有する分極を室温で生成させることが可能となる。しかも、ＬＳＭＯ膜の膜面内の磁化は、上記分極の有無とは無関係に、例えば、［００１］軸あるいは［００−１］軸方向に生成することが可能となる。つまり、互いに直交する分極および磁化をＬＳＭＯ膜内に室温にて共存させることが可能となる。その結果、室温での電気磁気効果が利用可能となり、方向二色性を動作原理とする可変光減衰器を実現することができる。すなわち本構成では、例えば、概して平面状に形成した可変光減衰器の基板および超格子を含む構成（光変調素子）の表または裏側の面から光を入射させることが可能となるため、導波路とは異なり、大面積化が容易である。しかも、ＬＳＭＯ膜が強磁性であることから、変調された透過率を維持するために外場（外部磁場または注入電流）の印加を要さない。加えて、ＬＳＭＯ膜および透明絶縁膜が交互に積層した超格子を利用する本態様においては、透過率変調量を増大させることが可能となる。なお、本出願全般において、可変光減衰器を透過する際に減衰等により制御される光は、可視光のみならず、例えば光通信用の近赤外や赤外光をはじめとして、ＬＳＭＯ膜の方向二色性を発揮しうる任意の波長の電磁波を含んでいる。また、透明絶縁膜とは、制御される波長の光に対する透過性を示す絶縁性物質の膜を意味している。

【0010】

上記態様において磁化制御手段とは、ＬＳＭＯ膜の磁化についての方向および強度の少なくともいずれかを制御する任意の物理的手段を含む。典型的な磁化制御手段は、ＬＳＭＯ膜に対し外部から磁場を印加し、その磁場の強度や方向を変化させることができるような磁場印加手段を含む。

【0011】

また、上記態様の可変光減衰器において、前記ＬＳＭＯ膜の各層の厚みが１０単位胞以上であると好適である。この態様において、上記態様の可変光減衰器において、前記透明絶縁膜の各層の厚みが２単位胞以上であるとさらに好適である。なお、単位胞を単位として各層の厚みを特定する場合には、その単位胞を数える向きは、（２１０）面方位基板における面直方向であり３ｄ（２１０）が単位胞の厚みとなる。

【0012】

本発明のこれらの態様においては、電気磁気効果以外の吸収を抑制しつつＬＳＭＯ膜の合計の厚みを厚く堆積することが可能となり、電気磁気効果による方向二色性を動作原理とする透過率変化の範囲をより大きくすることが可能となる。これは、強磁性を保ちつつＬＳＭＯ膜の各層間のキャリアの伝搬を透明絶縁膜により抑制でき、例えばキャリアがバンド間遷移したり運動エネルギーとして失う吸収が抑制されるためである。

【0013】

さらに、上記態様の可変光減衰器において、前記透明絶縁膜の材質が前記基板と同一の材質であると好適である。この態様において、格子不整合による欠陥等のない超格子を容易に形成することが可能となる。

【0014】

そして、上記各態様の可変光減衰器において、前記基板がＳｒＴｉＯ_３の組成であると好適である。また、前記透明絶縁膜がＳｒＴｉＯ_３の組成であると好適である。ＳｒＴｉＯ_３を利用することにより、基板に対してエピタキシャルに成長させた超格子中のＬＳＭＯ膜における分極の向きを、基板に対して垂直方向に透過する透過光に対して有効な向きに向けることが可能となる。

【発明の効果】

【0015】

本発明の可変光減衰器は、基板上に形成した膜の電気磁気効果による方向二色性を原理とするため、大面積化が容易であり、透過率を変化させる時以外は外場印加が不要で室温動作可能な可変光減衰器を実現するとともに、透過率変化を増大させることが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】本発明のある実施形態の可変光減衰器の構成と、光変調素子の使用時の配置を示す説明図である。図１（ａ）は第１の配置、図１（ｂ）は第２の配置である。

【図2】本発明のある実施形態において、光変調素子の超格子の内部構造を示す概略断面図である。

【図3】本発明のある実施形態の光変調素子においてＬＳＭＯ膜の磁化と分極の配置を、光変調素子の膜面から見た向きで示す説明図である。図３（ａ）および（ｂ）はそれぞれ第１および第２の配置の場合である。

【図4】本発明のある実施形態における光変調素子の概略断面図であり、図４（ａ）は全体像を示し、図４（ｂ）はＬＳＭＯ膜の結晶構造を示す拡大図である。

【図5】本発明ある実施形態の可変光減衰器において磁場印加の様子を示す模式図（図５（ａ））と、光変調素子の透過率の変調の様子を示すグラフ（図５（ｂ））である。

【図6】本発明ある実施形態において、ＬＳＭＯ層の膜厚と、透明絶縁膜の膜厚との組合せに対して、良好な特性が得られる領域を示す説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

以下、本発明に係る可変光減衰器の実施形態を図面に基づき説明する。当該説明に際し特に言及がない限り、全図にわたり共通する部分または要素には共通する参照符号が付されている。また、図中、各実施形態の要素のそれぞれは、必ずしも互いの縮尺比を保って示されてはいない。

【0018】

＜第１実施形態＞
以下、本発明に係る可変光減衰器の実施形態を図１〜図６を参照して説明する。図１は、可変光減衰器１００の構成と、光変調素子１０の使用時の配置を示す説明図である。可変光減衰器１００は、光変調素子１０と磁化制御手段５０とを含んでいる。磁化制御手段５０は、典型的には磁場４の方向と強度を調整することができる任意の手段である。また光変調素子１０には、ＳｒＴｉＯ_３の（２１０）面方位の基板１の表面の上に、Ｌａ_１−ｘＳｒ_ｘＭｎＯ_３膜２１（以下「ＬＳＭＯ膜２１」という）と、透明絶縁体である透明絶縁膜２２とが交互に積層されてなる超格子２を形成する。ここでは、ＬＳＭＯ膜２１の具体的な組成についてｘ＝０．３の場合を例として説明する。基板１は、（２１０）面方位に作製されている。また、透明絶縁膜２２は、典型的には、基板１と同一の組成のＳｒＴｉＯ_３膜である。基板１のＳｒＴｉＯ_３の結晶構造は、（２１０）面方位に作製されており、例えばペロフスカイト構造である。

【0019】

可変光減衰器１００に含まれる光変調素子１０は、第１および第２の配置（configuration）により使用される。図１（ａ）は基板１側から入射光３１Ａを入射する第１の配置、図１（ｂ）は膜面側から入射光３１Ｂを入射する第２の配置をそれぞれ示したものである。第１および第２の配置の出射光は、それぞれ、出射光３２Ａおよび３２Ｂである。入射光３１Ａおよび入射光３１Ｂは、ともにＬＳＭＯ膜２１の結晶構造の［００１］軸方向に直線偏光した光である。これらの配置では、光の入射方向に加え、ＬＳＭＯ膜２１における磁化の方向も異なっている。つまり、第１および第２の配置は、ＬＳＭＯ膜２１の膜中の磁化および分極と、光の入射方向と、磁場印加方向の組合せとして図１（ａ）および図１（ｂ）のように設定される。

【0020】

図２は、光変調素子１０の超格子２の内部構造を示す概略断面図である。超格子２は、ＬＳＭＯ膜２１と透明絶縁膜２２とが交互に積層されて形成される超格子２である。典型的な超格子２は、ＬＳＭＯ膜２１と透明絶縁膜２２のＮセット（Ｎは整数）の積層体である。なお、超格子２の最上層は、図２に示したように、ＬＳＭＯ膜２１としても、また、透明絶縁膜によりキャップしても良い。ＬＳＭＯ膜２１および透明絶縁膜２２は、基板１の（２１０）面の上に、基板１の結晶構造に対してコヒーレントに成長させて形成する。このため、基板１、ＬＳＭＯ膜２１および透明絶縁膜２２のすべては、透明絶縁膜２２をＳｒＴｉＯ_３膜とした場合、後述する図４に示す（２１０）面方位の基板１の結晶方位を反映したペロフスカイト構造に形成される。なお、超格子２に含めるＬＳＭＯ膜２１と透明絶縁膜２２のセット数Ｎは、超格子２全体としての透過率の変調度を調整する目的を満たすように変更される。

【0021】

この際考慮すべきは、セット数Ｎを調整することによる透過率特性の変化である。ＬＳＭＯ膜２１と透明絶縁膜２２それぞれの厚みを固定した場合、一般に、セット数Ｎを増大させると、減衰が弱い状態の透過率（明状態の透過率）と、減衰が強い状態の透過率（暗状態の透過率）の比率を大きくすることができる。しかし、セット数Ｎを増大させると明状態の透過率が低下する弊害もある。したがって、可変光減衰器１００では、その適用用途に合わせ、明状態と暗状態の透過率の比率と、明状態の透過率とが適切になるようにセット数Ｎを調整する。特に留意すべきは、超格子２におけるＬＳＭＯ膜２１の膜厚の合計と同じ厚みで超格子とせず連続して形成したＬＳＭＯ膜では、その透過率が、上記超格子２に比べて低くなることである。つまり、本実施形態のように、光変調素子１０のＬＳＭＯ膜２１を、ＳｒＴｉＯ_３膜（透明絶縁膜２２）と交互に形成した超格子２とすることには、透過率の変調能力を確保しつつ、明状態における透過率の過剰な低下を防止する利点がある。

【0022】

図３は、本実施形態の光変調素子１０においてＬＳＭＯ膜２１の磁化５と分極６の配置を、光変調素子１０の膜面から見た向きで示す説明図であり、図３（ａ）および（ｂ）はそれぞれ、第１および第２の配置の場合の磁化５と分極６の配置を図１（ａ）および（ｂ）に対応させて示している。ＬＳＭＯ膜２１では磁化方向は膜面内となる。（２１０）基板１上に形成した超格子２中のＬＳＭＯ膜２１では後述するように、［−１２０］軸方向に分極６が生じている。この分極６は、図１では手前から奥へ、また図３では紙面上左から右に向かう向きに描いている。

【0023】

ＬＳＭＯ膜２１のキュリー温度（Ｔ_Ｃ）は３６０Ｋであり室温で強磁性を示す。また、その保磁力は２０Ｏｅ（約０．２５Ａ／ｍ）程度である。ＬＳＭＯ膜２１を１０単位胞の厚みに形成し、ＳｒＴｉＯ_３膜を２単位胞の厚みに形成し、このセットを繰り返し堆積した超格子２における保磁力は５０Ｏｅ程度とそれほど増加せず、キュリー温度（Ｔ_Ｃ）も３２０Ｋとそれほど低下しない。

【0024】

次に、本実施形態の可変光減衰器１００のＬＳＭＯ膜２１において利用される方向二色性を、第１の配置（図１（ａ）および図３（ａ））の場合について説明する。第１の配置では、磁化５を、図中上向き（［００１］軸方向）としておく。このため、図３（ａ）では右向きの分極６に対し磁化５は上向きであり、磁化５と分極６は超格子２の膜面内において直交している。第１の配置では、基板１側から入射させる入射光３１Ａに対してＬＳＭＯ膜２１の電気磁気効果により出射光３２Ａが弱まることから、透過率が低くなる。これに対し、この第１の配置において膜面側から入射した逆方向入射光（図示しない）に対してはＬＳＭＯ膜２１の電気磁気効果は作用せず、出射光（図示しない）は弱まりにくい。これは、逆方向入射光の場合、通常の膜表面の反射と膜自体の吸収以外の減衰を受けず透過するためである。このような伝播方向により透過率が異なる性質が方向二色性である。この方向二色性は、ＳｒＴｉＯ_３膜などの透明絶縁膜２２とともに積層されているＬＳＭＯ膜２１の各層において、同様に発現する。

【0025】

方向二色性は、第２の配置（図１（ｂ）および図３（ｂ））の場合にも発現する。第２の配置が第１の配置と異なるのは、図３（ｂ）に示した配置の通り、右向きの分極６に対し磁化５を図中下向き（［００１］軸とは反対向き）とすることである。このため、第２の配置では図３（ｂ）に示した配置の通りに下向きの磁化５と右向きの分極６となる。この場合、ＬＳＭＯ膜２１の側から入射させる入射光３１Ｂに対してＬＳＭＯ膜２１の電気磁気効果が作用し、出射光３２Ｂが弱まり透過率が低くなる。これに対し、基板１の側から入射させた逆方向入射光（図示しない）に対しては、ＬＳＭＯ膜２１の電気磁気効果は作用せず、出射光（図示しない）は弱まりにくい。第２の配置においても、ＳｒＴｉＯ_３膜などの透明絶縁膜２２とともに積層されているＬＳＭＯ膜２１の各層において、方向二色性が発現する。

【0026】

第１および第２の両配置においてみられる方向二色性の原因は、磁化５および分極６の光の進行方向に対する非対称性すなわち非相反性である。このため、本実施形態の光変調素子１０を使用する初期状態の配置を上述した第１または第２の配置のいずれかとする。つまり、入射光３１Ａおよび３１Ｂ、磁化５、および分極６の配置は、出射光３２Ａまたは３２Ｂが弱まりＬＳＭＯ膜２１の透過率が低くなる組合せを初期状態に設定する。初期状態は、その状態自体がＬＳＭＯ膜２１の磁化５により維持されている。

【0027】

可変光減衰器１００の典型的な変調動作は、この初期状態から、磁化制御手段５０による外部磁場４（以下「磁場４」という）を利用し透過率を変調するものである。初期状態から、磁化５と反対方向に磁場４を印加すると、上記の第１および第２の配置のいずれの場合でも磁化５が小さくなるかまたは反転し、透過光に対する減衰が弱まる結果、出射光３２Ａまたは３２Ｂが増大する。第１の配置において例示すれば、図１（ａ）の初期状態の［００１］向きの磁化５が、その向きのまま弱まるかまたは［００−１］向きとなり、出射光３２Ａが初期状態に比べ増大する。ここで、透過率を変調するために印加する磁場４の大きさをＬＳＭＯ膜２１の保磁力以下とする場合、磁化５は向きが変わらないものの大きさが変わる。したがって、磁場４の印加により磁化５の大きさを制御し、その磁化５の大きさに応じ出射光３２Ａの強度を制御する、という透過率の変調が実現される。しかも、磁場４の印加を停止しても、磁化５はＬＳＭＯ膜２１の性質により維持される。このため、可変光減衰器１００は、透過率を変調する時以外は磁場の印加は要さない。

【0028】

続いて、（２１０）面方位の基板１に形成したＬＳＭＯ膜２１それぞれにおける分極６を簡単に説明する。図４は、基板１の紙面上上方にＬＳＭＯ膜２１を向けた向きでの光変調素子１０の概略断面図であり、図４（ａ）は全体像を示し、図４（ｂ）はＬＳＭＯ膜２１の結晶構造を示す拡大図である。ＬＳＭＯ膜２１それぞれの膜中においては、図４（ａ）にやや上向きの右矢印により示すように、カチオンが酸素原子のアニオンに対して相対的に変位し、その結果分極も生じる。この分極の膜面内の成分は［−１２０］軸方向である。この原因を基板１およびＬＳＭＯ膜２１の結晶格子の方位に注目して説明する。（２１０）面方位の基板１は（０１０）面が約２６．６度傾いた結晶格子を有している。このため、図４（ｂ）に示すように、基板１の面の上にコヒーレントに形成した超格子２中のＬＳＭＯ膜２１においても、（Ｌａ，Ｓｒ）Ｏ−ＭｎＯ_２−（Ｌａ，Ｓｒ）Ｏ−ＭｎＯ_２−…というように、（Ｌａ，Ｓｒ）Ｏの原子面とＭｎを含むＭｎＯ_２原子面とが交互に積層された構造となる。なお、（Ｌａ，Ｓｒ）は、ペロフスカイトのＡサイトをＬａまたはＳｒがランダムに占めていることを意味する。図示しないものの、透明絶縁膜２２もＳｒＴｉＯ_３膜である場合、同様にＡサイトのカチオンとＢサイトのカチオンからなる原子面がＳｒＯ−ＴｉＯ_２−ＳｒＯ−ＴｉＯ_２−…と交互に積層されている。

【0029】

上記の原子面の交互の積層は、ＬＳＭＯ膜２１の面の法線方向（基板面直方向）に向かって形成されている。このようなＬＳＭＯ膜２１の結晶においては面内の対称性が破れる。その結果、図４（ｂ）の原子積層面において（Ｌａ，Ｓｒ）、Ｍｎそれぞれに付した矢印のように、（Ｌａ，Ｓｒ）、Ｍｎが空間的に変位する。そしてこの変位と同方向に、つまり、［−１２０］軸からやや積層方向に傾いた方向、すなわち［−１１０］軸方向に、分極６が生じるのである。本実施形態の可変光減衰器１００において、分極６は、主として基板１の結晶格子の向きに対応して定まる。

【0030】

ここで（２１０）基板１として採用可能な材質は、ＬＳＭＯ膜２１および透明絶縁膜２２の結晶をエピタキシャル成長させるために適する任意の材質である。このような材質の例は、（ＬａＡｌＯ_３）_０．３（ＳｒＡｌ_０．５Ｔａ_０．５Ｏ_３）_０．７（ＬＳＡＴ）やＳｒＴｉＯ_３を含んでいる。特にＳｒＴｉＯ_３を採用することは、超格子２中のＬＳＭＯ膜２１に発生した分極６が、垂直方向の透過光にとって有効に利用される点において有利である。すなわち、基板１からの伸張歪がＬＳＭＯ膜２１に影響すると分極６の基板表面からの角度は約１８．４度となる。その結果、光変調素子１０に対して垂直方向に伝播する透過光に対して作用する分極６の膜面内への射影成分は、分極６の大きさの約９５％程度まで高まり、生成された分極６の大半が透過光への非相反性に寄与する好適な構成となる。また、入射光に対する光変調素子の角度を任意に設定可能な場合には、（２１０）面内の磁化と基板表面から約１８．４度傾いた分極６がつくる平面（すなわち（１１０）面）に対して垂直に透過光が伝播するよう入射角を設定することにより、非相反性による強度変化をいささかたりとも減ずることなく利用することが可能である。

【0031】

ちなみに、上記分極６のような分極は、例えば面内が４回対称である（１００）面方位の基板の面にコヒーレントに形成された薄膜では得られないことを付記しておく。

【0032】

次に、第１の配置（図１（ａ）および図３（ａ））を例に、磁化と反対方向に磁場４を印加し透過率を変調する様子を、図５を参照して説明する。図５は、可変光減衰器１００において第１の配置の場合の磁場印加の様子を示す模式図（図５（ａ））と、光変調素子１０の透過率の変調の様子を示すグラフ（図５（ｂ））である。図５（ａ）に示すように、磁場４の印加により磁化５がその方向を保ちながら強度を減少させる。つまり、磁化５および分極６は、左端の（ａ１）に示した磁場４の印加前から、（ａ２）、（ａ３）…と磁場４を増加させるにつれて、磁化５が方向を変えず小さくなる。ここで印加される磁場４はＬＳＭＯ膜２１の保磁力以下としている。この磁化５の変化に対応しＬＳＭＯ膜２１の透過率が変化する。つまり、透過率は、磁場４の増大に応じ、図５（ｂ）に模式的に示すように増大する。このように、可変光減衰器１００の動作においては、磁化５と反対向きの磁場４を印加することにより磁化５の大きさを制御し、最終的に超格子２を有する光変調素子１０の透過率を変化させることが可能となる。

【0033】

なお上述したように、磁場４の印加などの磁化制御手段の動作を要するのは透過率をそれまでの値から変更する必要があるタイミングのみである。磁化制御手段が外部磁場を制御するものである場合、ＬＳＭＯ膜２１が磁化５を保持する強磁性体であるため、保磁力よりも弱い範囲で磁場４の印加を停止させればその停止時点の磁化５の強度が維持される。これに応じて透過率も、図５（ｂ）に矢印により示したように、印加した磁場を弱めて０とした後も維持される。この透過率は、多段階または連続的に変調することも可能となる。また、図５に関連する説明は第１の配置の場合のみ示したものの、第２の配置においても同様のメカニズムにて透過率を制御することが可能である。

【0034】

さて、図２に示すような超格子２を有する可変光減衰器１００において、ＬＳＭＯ膜２１と透明絶縁膜である透明絶縁膜２２各々の原子層数すなわち膜厚が透過率の変調特性に与える影響について説明する。図６は、ＬＳＭＯ層２１の膜厚と、透明絶縁膜２２の膜厚との組合せに対して、良好な特性が得られる領域を示す説明図である。横軸は、各ＬＳＭＯ膜２１の膜厚、縦軸はＳｒＴｉＯ_３膜などの各透明絶縁膜２２の膜厚を、それぞれの原子層数（単位胞数）を単位にして示したものである。図６のグラフ内のハッチングにより示した領域、すなわちＬＳＭＯ層数５〜１０単位胞、透明絶縁層数２単位胞以上の領域が、良好な透過率変調特性が得られる範囲である。この領域においては、ＬＳＭＯ膜２１の強磁性が保持され、かつ、可変光減衰器１００の使用条件の上で必要な程度の透過率が確保される。すなわち、ＬＳＭＯ膜２１が臨界膜厚以下の場合は、ＬＳＭＯ膜２１自体の強磁性は保持されず、超格子２のような積層構造の場合であっても、各々のＬＳＭＯ膜２１内の強磁性金属相を安定に存在させるためにはある程度の厚さが必要となる。しかし、ＬＳＭＯ膜２１の厚みを増大させると、その厚み自体によって、減衰が少ない明状態であっても、減衰が過大となって、可変光減衰器１００の使用条件を満たさない場合がある。このため、ＬＳＭＯ膜２１の厚みには上限があり、例えばｘ＝０．３の場合には１０単位胞である。これに対し、透明絶縁膜２２の厚みの条件は、ある厚み、ここでは２単位胞以上であれば良い、という条件である。このような超格子構造をとることにより、単膜でＬＳＭＯ膜２１を形成するよりもＬＳＭＯ膜２１自体の吸収を減らすことが可能である。つまり、超格子２の全体としてみたときには、ＬＳＭＯ膜２１の厚みの合計をより大きくしうる結果、電気磁気効果による方向二色性を原理とする透過率の可変範囲を広げることが可能となる。なお、透明絶縁膜２２の膜厚とのそれぞれの膜厚の効果は互いに異なるメカニズムに基づくものである。このため、図６においては、ＬＳＭＯ層２１の膜厚と透明絶縁膜２２の膜厚とのそれぞれの上記各範囲が可変光減衰器１００の良好な特性が得られる好適な範囲となる。

【0035】

そして、本実施形態の光変調素子１０の作製方法を説明する。本実施形態の光変調素子１０は、ＳｒＴｉＯ_３（２１０）面方位基板を基板１として、ＬＳＭＯ膜２１とＳｒＴｉＯ_３膜などの透明絶縁膜２２とを対にして交互に繰り返し堆積させることより作製することができる。具体的には、ＬＳＭＯ膜２１と、ＳｒＴｉＯ_３膜などの透明絶縁膜２２とをいずれもレーザーアブレーション法により形成する。各薄膜のためのターゲット材には、固相反応法により作製したそれぞれの材質の多結晶材料を採用する。最初に真空チャンバー内にＳｒＴｉＯ_３（２１０）基板を取り付けた後、例えば３×１０^−９Ｔｏｒｒ（４×１０^−７Ｐａ）以下に真空排気する。その後、高純度の酸素ガスを１ｍＴｏｒｒ（０．１３３Ｐａ）導入し、例えば到達温度９００℃程度の温度に基板を加熱する。続いて、例えば波長２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザなどのレーザーを、ＬＳＭＯのターゲットに照射することにより、ＬＳＭＯ膜２１としてＬＳＭＯを任意の原子層だけ形成する。ここで、膜厚つまり原子層数の制御は、事前に検討したレーザーパルスのショット数と原子層数との間の関係に基づき決定することができる。そして、引き続き同一雰囲気中で、ＳｒＴｉＯ_３のターゲットに上記レーザーを照射することにより、透明絶縁膜２２であるＳｒＴｉＯ_３の薄膜を任意の原子層だけ形成する。再びＬＳＭＯのターゲットを用い次のＬＳＭＯ膜２１を形成する。このような成膜を必要な回数だけ繰り返すことにより、任意のセット数だけＬＳＭＯ膜２１と透明絶縁膜２２を形成することができる。

【0036】

＜本実施形態の変形例：ＬＳＭＯ膜の組成範囲＞
上記実施形態の説明において、可変光減衰器１００はＬＳＭＯ膜２１のＬａ_１−ｘＳｒ_ｘＭｎＯ_３はｘ＝０．３のものを説明した。本発明の実施形態は、上記説明のｘ＝０．３以外の範囲のＬＳＭＯ膜２１を採用することも可能である。具体的には、０．１＜ｘ＜０．７の組成範囲が使用可能である。というのは、上記組成範囲において、Ｌａ_１−ｘＳｒ_ｘＭｎＯ_３は強磁性相を示すからである。さらに０．１＜ｘ＜０．１７の組成範囲においてはＬａ_１−ｘＳｒ_ｘＭｎＯ_３は強磁性絶縁相を示すため好適である。これは、ＬＳＭＯ膜２１の導電性が高い場合に増加する変調不能な吸収を削減することができるためである。

【0037】

以上説明したように、本実施形態の可変光減衰器１００は大面積化が容易であり、透過率を変化させる時以外は外場印加が不要で室温動作可能な可変光減衰器が実現可能となる。上述の各実施形態は、発明を説明するために記載されたものである。なお、薄膜や基板の材料やその組成、膜厚、形成方法、磁場印加手段の具体的種類、形成方法等は、上記実施形態に限定されるものではない。むしろ、本出願の発明の範囲は、請求の範囲の記載基づき定められるべきものである。また、各実施形態の他の組合せを含む本発明の範囲内に存在する変形例もまた、請求の範囲に含まれるものである。

【産業上の利用可能性】

【0038】

本発明は、可変光減衰器を利用する任意の装置に適用される。

【符号の説明】

【0039】

１００ 可変光減衰器
１０ 光変調素子
１ （２１０）面方位基板
２ 超格子
２１ Ｌａ_１−ｘＳｒ_ｘＭｎＯ_３膜（０．1＜ｘ＜０．７）
２２ 透明絶縁膜
３１Ａ、３１Ｂ 入射光
３２Ａ、３２Ｂ 出射光
４ 磁場（外部磁場）
５ 磁化
６ 分極
５０ 磁化制御手段

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】