特許 7523597 光位相変調器、光デバイス、及び光演算装置

(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】

(24)【登録日】2024-07-18

(45)【発行日】2024-07-26

(54)【発明の名称】光位相変調器、光デバイス、及び光演算装置

(51)【国際特許分類】

   G02F 1/09 20060101AFI20240719BHJP

【ＦＩ】

G02F1/09 503

G02F1/09 505

【請求項の数】 11

(21)【出願番号】P 2022578473

(86)(22)【出願日】2022-01-27

(86)【国際出願番号】 JP2022003084

(87)【国際公開番号】W WO2022163753

(87)【国際公開日】2022-08-04

【審査請求日】2023-07-19

(31)【優先権主張番号】P 2021012353

(32)【優先日】2021-01-28

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000005186

【氏名又は名称】株式会社フジクラ

(74)【代理人】

【識別番号】110000338

【氏名又は名称】弁理士法人 ＨＡＲＡＫＥＮＺＯ ＷＯＲＬＤ ＰＡＴＥＮＴ ＆ ＴＲＡＤＥＭＡＲＫ

(72)【発明者】

【氏名】九内 雄一朗

【審査官】林 祥恵

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１９／１４９７５８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２００５－１８１７０７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－０１７８８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００１－２６４７１６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－１５３８５９（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０２０／０３３３６６８（ＵＳ，Ａ１）

【文献】SOBOLEWSKI, R. et al.，Magneto-optical modulator for superconducting digital output interface，IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY，2001年03月，Vol.11, No. 1，pp.727-730

【文献】WAN, J. et al.，Design of a novel high-speed magneto-optic modulator，PROCEEDINGS OF SPIE，2007年11月19日，Vol.6782，pp. 67821Q-1 - 67821Q-9

【文献】IWASAKI, K. et al.，Fabrication and properties of spatial light modulator with magneto-optical faraday effect，PROCEEDINGS OF SPIE，2006年，Vol.6311，pp.631116-1 - 631116-8

【文献】PARK, J. et al.，Magnetooptic spatial light modulator for volumetric digital recording system，JAPANESE JOURNAL OF APPLIED PHYSICS，2002年03月，Vol.41, Part 1, No. 3S，pp.1813-1816

【文献】IRVINE, S.E. et al.，A miniature broadband bismuth-substituted yttrium iron garnet magneto-optic modulator，JOURNAL OF PHYSICS D: APPLIED PHYSICS，2003年09月03日，Vol. 36，pp. 2218-2221

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０２Ｆ １／００－１／１２５

Ｇ０２Ｆ １／２１－３／００

Ｇ０２Ｂ ２７／２８

Ｈ０１Ｌ ２７／１０５

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０ （ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｄｉｒｅｃｔ

ＩＥＥＥ Ｘｐｌｏｒｅ

Ｓｃｏｐｕｓ

ＳＰＩＥ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｌｉｂｒａｒｙ

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

磁化自由層を構成するブロックであって、互いに対向する一対の第１の面及び第２の面と、前記第１の面及び前記第２の面とは異なり、且つ、光が入射及び出射する面である入射面及び出射面と、前記第１の面、前記第２の面、前記入射面、及び、前記出射面とは異なる面である第３の面及び第４の面とを含むブロックと、
前記第１の面に直接又は間接に設けられた第１の電極と、
前記第１の面に直接又は間接に設けられた第１の磁化固定層と、
前記第２の面に設けられ、且つ、前記第１の電極に対向する第２の電極と、
前記第３の面に設けられた第２の磁化固定層と、
互いに対向する一対の第３の電極及び第４の電極であって、前記ブロック及び前記第２の磁化固定層を挟み込む第３の電極及び第４の電極と、
を備えており、
前記第１の電極、前記第１の磁化固定層、前記ブロック、及び、前記第２の電極は、この順番で配置されている、
ことを特徴とする光位相変調器。

【請求項2】

前記第１の電極は、重金属を含む、
ことを特徴とする請求項１に記載の光位相変調器。

【請求項3】

前記第１の電極に接続され、且つ、パルス電圧又はパルス電流を生成する電源を更に備えている、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の光位相変調器。

【請求項4】

前記第１の磁化固定層の磁化方向と、前記入射面から前記出射面へ向かう方向とは、直交又は略直交している、
ことを特徴とする請求項１に記載の光位相変調器。

【請求項5】

前記第２の磁化固定層の磁化方向と、前記入射面から前記出射面へ向かう方向とは、平行又は略平行である、
ことを特徴とする請求項１又は４に記載の光位相変調器。

【請求項6】

前記ブロック及び前記第１の磁化固定層の各々を構成する材料は、何れも強磁性体であり、
前記ブロックを構成する前記材料の保磁力は、前記磁化固定層を構成する前記材料の保磁力よりも小さい、
ことを特徴とする請求項１、４及び５の何れか１項に記載の光位相変調器。

【請求項7】

前記ブロックと前記第１の磁化固定層との間に介在し、絶縁体により構成された層状部材であるスペーサ層を更に備えている、
ことを特徴とする請求項１及び４～６の何れか１項に記載の光位相変調器。

【請求項8】

請求項１～７の何れか１項に記載の光位相変調器である第１の光位相変調器及び第２の光位相変調器を備え、
前記第１の光位相変調器の前記出射面には、前記第２の光位相変調器の前記入射面が光学的に結合しており、
前記第１の光位相変調器における前記第１の面から前記第２の面へ向かう方向と、前記第２の光位相変調器における前記第１の面から前記第２の面へ向かう方向とは、直交又は略直交している、
ことを特徴とする光位相変調器。

【請求項9】

請求項１～７の何れか１項に記載の光位相変調器を複数備え、
少なくとも一部の光位相変調器は、特定の面の面内方向において周期的に配置されている、
ことを特徴とする光デバイス。

【請求項10】

前記各光位相変調器の前記ブロックは、厚み又は屈折率が互いに独立に設定された柱状のマイクロセルにより構成されている、
ことを特徴とする請求項９に記載の光デバイス。

【請求項11】

複数の請求項９又は１０に記載の光デバイスであって、前記特定の面の法線方向に沿って順番に配置された複数の光デバイスを備え、
各光デバイスは、入射する空間強度分布を有する光を別の空間強度分布を有する光に変換したうえで出力する、
ことを特徴とする光演算装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光位相変調器に関する。また、本発明は、光位相変調器を複数備えた光デバイス及び光演算装置にも関する。

【背景技術】

【0002】

複数の光変調器をマトリクス状に配置することにより空間光変調器が得られる。空間光変調器としては、ＬＣＯＳ（Liquid Crystal On Silicon、例えば特許文献１参照）及びＤＭＤ（Digital Mirror Device、例えば特許文献２参照）が知られている。これらの空間光変調器は、例えば、プロジェクターに用いられている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】日本国特開２０１７－１９８９４９号公報

【文献】日本国特表２００７－５１０１７４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

これらの空間光変調器には、ピクセルサイズを小さくすることが難しいという課題がある。

【0005】

また、ＬＣＯＳ及びＤＭＤには、高速で動作させることが難しいという課題がある。ＬＣＯＳは、液晶を用いるためであり、ＤＭＤは、ミラーを機械的に動かすためである。

【0006】

本発明は、上述した課題に鑑み成されたものであり、その目的は、小型化が可能であり、且つ、高速で動作可能な光位相変調器を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記の課題を解決するために、本発明の第１の態様に係る光位相変調器は、磁化自由層を構成するブロックであって、互いに対向する一対の第１の面及び第２の面と、前記第１の面及び前記第２の面とは異なり、且つ、光が入射及び出射する面である入射面及び出射面と、を含むブロックと、前記第１の面に直接又は間接に設けられた磁化固定層と、互いに対向する一対の第１の電極及び第２の電極であって、第１の電極、前記磁化固定層、前記ブロック、及び、第２の電極の順番で配置された第１の電極及び第２の電極と、を備えている。

【発明の効果】

【0008】

本発明の一態様によれば、小型化が可能であり、且つ、高速で動作可能な光位相変調器を提供することができる。また、そのような光位相変調器を複数備えた光デバイス及び光演算装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本発明の第１の実施形態に係る光位相変調器の斜視図である。

【図2】（ａ）及び（ｂ）は、図１に示した光位相変調器の模式図である。

【図3】図１に示した光位相変調器を構成するブロックの斜視図である。

【図4】（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、図１に示した光位相変調器の第１の変形例及び第２の変形例の模式図である。

【図5】（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第２の実施形態に係る光位相変調器の模式図である。

【図6】本発明の第３の実施形態に係る光位相変調器の斜視図である。

【図7】本発明の第４の実施形態に係る光デバイスの斜視図である。

【図8】本発明の第５の実施形態に係る光演算装置の側面図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

〔第１の実施形態〕
本発明の第１の実施形態に係る光位相変調器１１について、図１～図４を参照して説明する。図１は、光位相変調器１１の斜視図である。図２の（ａ）及び（ｂ）は、光位相変調器１１の模式図である。図２の（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、電極１７から電極１６に向かって電流が流れている状態、及び、電極１６から電極１７に向かって電流が流れている状態を示す。図３は、光位相変調器１１を構成するブロック１３の斜視図である。図３は、光位相変調器１１の機能を説明するための斜視図である。図４の（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、光位相変調器１１の第１の変形例及び第２の変形例の模式図である。図４の（ａ）及び（ｂ）は、何れも、電極１７から電極１６に向かって電流が流れている状態を示す。

【0011】

なお、本実施形態においては、光位相変調器１１に入射させる光Ｌｉｎ（図３参照）として波長が４００～８００ｎｍである可視光を採用している。ただし、光Ｌｉｎの波長は、可視光に限定されるものではなく、紫外域及び近赤外域などからも適宜選択することができる。

【0012】

＜光位相変調器の構成＞
光位相変調器１１は、図１に示すように、基板１２と、ブロック１３と、スペーサ層１４と、磁化固定層１５と、電極１６と、電極１７と、を備えている。

【0013】

なお、図１において、ブロック１３の入射面１３ｉｎ及び出射面１３ｏｕｔの法線方向であって、入射面１３ｉｎから出射面１３ｏｕｔに向かう方向をｘ軸正方向としている。また、ブロック１３の面１３１及び面１３２の法線方向であって、面１３１から面１３２に向かう方向をｚ軸正方向としている。また、ｘ軸正方向とｚ軸正方向とともに右手系の直交座標系を構成する方向をｙ軸正方向としている。

【0014】

光位相変調器１１において、光Ｌｉｎは、入射面１３ｉｎに対して垂直に、ｘ軸負方向から基板１２を介して入射する。入射面１３ｉｎに入射した光は、出射面１３ｏｕｔに向かってブロック１３の内部を伝搬する。図１においては、ブロック１３の内部を伝搬する光の進行方向を２点鎖線の矢印ｋで図示している。また、図２、図３、及び図４においても、矢印ｋを用いて光の進行方向を図示している。光の進行方向は、ｘ軸正方向と同じ向きである。ブロック１３の内部を伝搬し、出射面１３ｏｕｔに至った光は、出射面１３ｏｕｔから光Ｌｏｕｔとして出射される。光Ｌｏｕｔは、出射面１３ｏｕｔに対して垂直に、ｘ軸正方向へ出射する。ただし、光Ｌｉｎの入射面１３ｉｎに対する入射角は、９０°に限定されない。この入射角は、９０°であることが好ましいが、９０°からずれていてもよい。

【0015】

（基板）
基板１２は、光Ｌｉｎに対して透光性を有する材料により構成された板状部材である。基板１２の材料は、光Ｌｉｎに対してできるだけ高い透過率を有することが好ましい。本実施形態では、基板１２の材料として石英ガラスを採用している。ただし、基板１２の材料は、石英ガラスに限定されず、光Ｌｉｎに対する透過率及び屈折率や、硬さや、コストなどに応じて適宜選択することができる。また、基板１２の厚み（図１に示した座標系におけるｘ軸方向に沿った長さ）は、適宜定めることができる。基板１２の一方の主面（ｘ軸正方向側の主面）には、光位相変調器１１の入射面１３ｉｎを含む面（光位相変調器１１の背面とも呼ぶ）が固定されている。本実施形態では、基板１２と光位相変調器１１とを固定する固定部材として、透光性を有する樹脂を用いている。ただし、この固定部材は、これに限定されない。

【0016】

（ブロック）
ブロック１３は、基板１２と同様に、光Ｌｉｎに対して透光性を有する材料により構成されている。ただし、ブロック１３は、基板１２と異なり、磁性原子を含んでいる。ブロック１３は、その磁化の状態が固定されていない。このためブロック１３は、スピンの注入によって容易に磁化率を変化させられる材料であれば特に制限されるものではなく、常磁性体や強磁性体などの種々の材料を用いることができる。より高い磁化率を達成するためには、室温（例えば２５℃）において強磁性を示すように構成することが好ましく、スピン分極率が比較的高い強磁性体が好適に用いられる。スピン分極率は例えば５０％以上であることが好ましい。本実施形態においては、ブロック１３を構成する材料としてＣｏＦｅＢを採用している。しかし、これに限らず、ＣｏＦｅ、ＮｉＦｅ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ等も好適に用いることが出来る。また、単一組成から成るブロックである必要はなく、上述の微粒子を添加した絶縁体（例えばアルミナやガラス）も採用することができる。

【0017】

なお、後述するように、磁化固定層１５も強磁性（より詳しくは硬磁性）を示す材料により構成されている。ここで、ブロック１３の保磁力は、磁化固定層１５の保磁力よりも小さい。これにより、磁化固定層１５における磁化Ｍ１５の方向を固定したまま、ブロック１３の磁化Ｍ１３の方向を変化させることができる。磁化Ｍ１３は、磁化Ｍ１５と平行又は略平行な方向のうち、磁化Ｍ１５と同じ向きと逆の向きをとり得る。

【0018】

本実施形態においては、ブロック１３の材料として、室温における保磁力及び残留磁化が、十分に小さい強磁性体（すなわち軟磁性体）を採用している。ブロック１３の材料は、軟磁性体に限定されない。ただし、軟磁性体を用いてブロック１３を構成することによって、偏極した電子の注入をやめた場合にブロック１３に残留する残留磁化が室温における飽和磁化に対して十分に小さくなる。そのため、揮発性を有するブロック１３を用いる場合、ブロック１３の材料として、室温における残留磁化が、室温における飽和磁化に対して十分に小さい強磁性体を用いることが好ましい。ここで、室温における残留磁化が、室温における飽和磁化に対して十分に小さいとは、例えば、室温における飽和磁化に対して、室温における残留磁化が０％以上１０％未満であることを意味する。

【0019】

この構成によれば、スピン偏極した電子をブロック１３の内部に注入した場合、ブロック１３に含まれる磁性原子間に磁気的な相互作用が生じ、磁化Ｍ１３が生じる。また、スピン偏極した電子の注入を停止した場合、ブロック１３に含まれる磁性原子間に働いていた相互作用が消失し、磁化Ｍ１３も消失する。したがって、この構成によれば、スピン偏極した電子の注入を用いて、揮発的に磁化Ｍ１３を発生させたり消失させたりすることができる。その結果、光位相変調器１１は、ブロック１３の内部を伝搬している光のうち、所定の成分における位相の遅れ度合いを制御することができる。

【0020】

なお、図５を参照して後述する光位相変調器２１のように、室温における残留磁化が、室温における飽和磁化に対して比較的大きい強磁性体（すなわち硬磁性体）をブロック１３に用いてもよい。ここで、室温における残留磁化が、室温における飽和磁化に対して比較的大きいとは、例えば、室温における飽和磁化に対して、室温における残留磁化が９０％以上１００％以下であることを意味する。

【0021】

この構成によれば、スピン偏極した電子の注入により生じた磁化Ｍ１３は、スピン偏極した電子の注入を停止したあとに、消失せずに残る。したがって、この構成を採用した場合、スピン偏極した電子の注入を停止したあとにおいても、不揮発的に所定の成分における位相を遅らせることができる。

【0022】

なお、本発明の一態様において、ブロック１３を構成する材料における室温における飽和磁化に対する室温における残留磁化の割合は、０％以上１０％未満又は９０％以上１００％以下に限定されず、１０％以上９０％未満であってもよい。

【0023】

また、ブロック１３が常磁性を示す場合、磁化Ｍ１３は、さまざまな方向をとり得る。ただし、スピン偏極した電子がブロック１３に注入された場合、マクロにみた場合の磁化Ｍ１３は、磁化Ｍ１５と平行又は略平行な方向のうち、磁化Ｍ１５と同じ向きと逆の向きとをとり得る。

【0024】

図３に示すように、ブロック１３の形状は、直方体である。したがって、ブロック１３の表面は、６つの面により構成されている。ただし、ブロック１３の形状は、直方体に限定されず、直方体状であってもよい。また、後述するように、入射面１３ｉｎ及び出射面１３ｏｕｔの形状は、長方形あるいは長方形状に限定されない。

【0025】

図３において、ｘｙ平面と平行な２つの平面であって、互いに対向する面を面１３１，１３２とする。面１３１，１３２は、それぞれ、第１の面及び第２の面の一例である。また、図３において、ｙｚ平面と平行な２つの平面であって、互いに対向する面を入射面１３ｉｎ及び出射面１３ｏｕｔとする。また、図３において、ｚｘ平面と平行な２つの平面であって、互いに対向する面を面１３３，１３４とする。以下において、出射面１３ｏｕｔ及び入射面１３ｉｎを含む面を、それぞれ、光位相変調器１１の正面及び背面とし、面１３１～１３４を含む面を、それぞれ、光位相変調器１１の側面とする。

【0026】

ブロック１３は、入射面１３ｉｎ及び出射面１３ｏｕｔを一対の底面とした場合、柱状のマイクロセルともいえる。ここで、マイクロセルとは、セルサイズが１０μｍ未満のセルのことを指す。また、「セルサイズ」とは、入射面１３ｉｎ及び出射面１３ｏｕｔの面積の平方根のことを指す。なお、入射面１３ｉｎ及び出射面１３ｏｕｔの形状は、長方形あるいは長方形状であることが好ましい。なお、この形状は、少なくとも平行な一対の辺を含んでいることが好ましく、台形であってもよいし、平行四辺形であってもよい。

【0027】

以下において、ブロック１３を構成する各辺のうち、ｘ軸方向に沿った辺の長さ（ブロック１３の厚み）を長さＬ１とし、ｙ軸方向に沿った辺の長さ（入射面１３ｉｎ及び出射面１３ｏｕｔの一辺の長さ）を長さＬ２とし、ｚ軸方向に沿った辺の長さ（入射面１３ｉｎ及び出射面１３ｏｕｔの他の一辺の長さ）を長さＬ３とする。

【0028】

本実施形態において、長さＬ１は、およそ１μｍであり、長さＬ２及びＬ３は、およそ８００ｎｍである。ただし、長さＬ１，Ｌ２，Ｌ３は、これに限定されない。長さＬ２及びＬ３は、セルサイズが１０μｍ未満となる範囲内において適宜定めることができる。また、長さＬ１は、適宜定めることができる。また、ブロック１３においては、その材料を適宜調整することによって、屈折率が所望の値になるように定められていてもよい。

【0029】

本実施形態において、入射面１３ｉｎ及び出射面１３ｏｕｔは、何れも、平坦な面（すなわち平面）である。ただし、入射面１３ｉｎ及び出射面１３ｏｕｔは、平面に限定されず、凹凸が設けられていてもよい。この凸凹の構造は、周期的な構造であってもよいし、ランダムな構造であってもよい。この凸凹の構造を適宜設計することによって、入射面１３ｉｎ及び出射面１３ｏｕｔにおいて生じ得る反射損失を低減することができる。

【0030】

本実施形態において、面１３１，１３２は、互いに平行な平面である。後述するように、面１３１にはスペーサ層１４、磁化固定層１５、及び電極１６が設けられ、面１３２には、電極１７が設けられている。面１３１が平面であることによって、厚みが均一なスペーサ層１４を形成することが容易になる。また、面１３１，１３２が平行な平面であることによって、ブロック１３に対して電流密度が均一な電流を注入することが容易になる。したがって、面１３１，１３２は、互いに平行な平面であることが好ましい。ただし、面１３１，１３２は、凹凸を含んでいてもよいし、互いに平行でなくてもよい。

【0031】

また、本実施形態において、面１３３，１３４は、互いに平行な平面である。ただし、面１３３，１３４は、凹凸を含んでいてもよいし、互いに平行でなくてもよい。

【0032】

（スペーサ層）
スペーサ層１４は、絶縁体により構成された層状部材である。スペーサ層１４は、ブロック１３と、後述する磁化固定層１５との間に介在し、ブロック１３と磁化固定層１５とを絶縁する。スペーサ層１４は、ブロック１３及び磁化固定層１５とともにトンネル接合を形成する。したがって、スペーサ層１４は、電流がトンネル可能な範囲内において、その厚みを適宜さだめることができる。スペーサ層１４の典型的な厚みは、２ｎｍ以上３ｎｍ以下である。ただし、スペーサ層１４の厚みは、これに限定されない。スペーサ層１４は、良好なトンネル特性を示すために、ピンホールを含まず、且つ、厚みが均一な膜により構成されていることが好ましい。トンネル電流の担い手としてスピン偏極した電子を用いることにより、ブロック１３の磁化をより低い電力でより高速にスイッチングすることができる。

【0033】

本実施形態では、スペーサ層１４を構成する絶縁体として、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）を採用している。ただし、この絶縁体は、酸化アルミニウムに限定されない。この絶縁体としては、例えば、ＭＲＡＭ（Magnetoresistive Random Access Memory）のスペーサ層を構成する絶縁体を用いることができる。

【0034】

なお、光位相変調器１１においては、スペーサ層１４を省略することもできる。スペーサ層１４が設けられている場合、後述する磁化固定層１５は、スペーサ層１４を介して（すなわち間接に）面１３１に設けられる。一方、スペーサ層１４が省略されている場合、磁化固定層１５は、直接に面１３１に設けられる。

【0035】

（磁化固定層）
磁化固定層１５は、導電性を有する強磁性体により構成された層状部材である。本実施形態において、磁化固定層１５は、面１３１に対してスペーサ層１４を介して間接に設けられている。ただし、磁化固定層１５は、面１３１に対して直接に設けられていてもよい。

【0036】

磁化固定層１５を構成する強磁性体は、室温において強磁性を示す。磁化固定層１５の保磁力は、ブロック１３の保磁力よりも大きい。本実施形態においては、磁化固定層１５を構成する強磁性体として、ニッケルと鉄との合金であるパーマロイを採用している。ニッケルと鉄との組成比は、限定されないが、例えば、Ｎｉ８１Ｆｅ１９が挙げられる。また、この強磁性体は、パーマロイに限定されない。この強磁性体としては、例えば、酸化マグネシウムなど、ＭＲＡＭの磁化固定層を構成する強磁性体を用いることができる。

【0037】

また、磁化固定層１５の厚みも限定されず、適宜定めることができる。

【0038】

磁化固定層１５は、磁化Ｍ１５の方向に応じて、面直磁化型と、面内磁化型とに大別される。

【0039】

面直磁化型の磁化固定層１５においては、磁化Ｍ１５の方向は、図２に示すように、磁化固定層１５の主面の法線方向（ｚ軸方向）に対して平行になる。本実施形態では、面直磁化型であって、磁化Ｍ１５の方向がｚ軸負方向である磁化固定層１５を採用している。この構成によれば、磁化Ｍ１５の方向（ｚ軸方向）は、光の進行方向（ｘ軸方向）と直交又は略直交する（図３参照）。したがって、ブロック１３の内部をｘ軸方向と平行に伝搬する光のうち、偏光方向が磁化Ｍ１５の方向に直交している成分（偏光方向がｙ軸方向と平行な成分）の位相を遅らせることができる。以下において、この成分のことをｙ方向成分と呼ぶ。図３においては、光Ｌｉｎがブロック１３を透過し光Ｌｏｕｔに変換されることによって、偏光方向が磁化Ｍ１５の方向と平行な成分（以下において、ｘ方向成分と呼ぶ）と比較して、偏光方向が磁化Ｍ１５の方向に直交している成分の位相が１／４波長分遅れている状態を示している。なお、ブロック１３がｙ方向成分の位相を遅らせる度合いは、ブロック１３の内部に形成される磁場に依存する。したがって、この度合いは、磁化Ｍ１５の大きさに依存する。

【0040】

一方、面内磁化型の磁化固定層１５においては、磁化Ｍ１５の方向は、図４の（ａ）及び（ｂ）に示すように、磁化固定層１５の主面と平行になる。すなわち、磁化Ｍ１５の方向は、ｘｙ平面と平行な面内において何れかの方向をとり得る。面内磁化型の磁化固定層１５を採用する場合、図４の（ａ）に示す様に、磁化Ｍ１５の方向（ｙ軸方向）は、光の進行方向（ｘ軸方向）と交わっていればよく、直交していることがより好ましい。この構成によれば、ブロック１３の内部をｘ軸方向と平行に伝搬する光のうち、偏光方向が磁化Ｍ１５の方向に直交している成分（偏光方向がｚ軸方向と平行な成分）の位相を遅らせることができる。

【0041】

なお、図４の（ｂ）に示す様に、磁化Ｍ１５の方向がｘ軸方向と平行な磁化固定層１５を採用した場合、磁化Ｍ１５の方向と、光の進行方向（ｘ軸方向）とは平行になる。この場合、ブロック１３の内部をｘ軸方向と平行に伝搬する光の位相は、磁化Ｍ１５の影響をなんら受けない。したがって、本実施形態においては、磁化Ｍ１５の方向がｘ軸方向と平行な磁化固定層１５を採用することはできない。ただし、この構成は、図５を参照して後述するように、ブロック１３における位相を遅らせる機能をキャンセルするために用いることができる。

【0042】

なお、光位相変調器１１にスピン偏極した電子を流した場合に生じる磁化Ｍ１５の方向については、図２及び図４を参照して後述する。

【0043】

（一対の電極）
一対の電極である電極１６，１７は、何れも、導体により構成された層状部材である。本実施形態においては、電極１６，１７を構成する導体として銅を採用している。ただし、この導体は、銅に限定されない。この導体は、高い導電率を有することが好ましい。この導体の例としては、銅以外に、アルミニウム及び金が挙げられる。

【0044】

電極１６は、面１３１に対してスペーサ層１４及び磁化固定層１５を介して設けられている。したがって、面１３１には、スペーサ層１４、磁化固定層１５、及び電極１６がこの順番で積層されている。また、電極１７は、面１３２に対して直接設けられている。このように、電極１６，１７は、互いに対向するように設けられており、且つ、電極１６、磁化固定層１５、スペーサ層１４、及び、電極１７の順番で配置されている。電極１６，１７は、ブロック１３、スペーサ層１４、及び磁化固定層１５を挟み込んでいるともいえる。電極１６，１７は、それぞれ、第１の電極及び第２の電極の一例である。

【0045】

電極１６，１７には、それぞれ、電源ＰＳの正極及び負極の何れかが接続されており、電極間に電圧を印加可能である（図２及び図４参照）。電極１６，１７を用いてブロック１３にスピン偏極した電子を注入することによってブロック１３は、後述するように磁化する。ブロック１３は、入射面１３ｉｎから出射面１３ｏｕｔに向かって伝搬する光の光路として機能する。したがって、電極１６，１７は、入射面１３ｉｎから出射面１３ｏｕｔに向かって伝搬する光の光路上の少なくとも一部に磁場が生じるように、ブロック１３、スペーサ層１４、及び、磁化固定層１５に電圧を印加することができる。

【0046】

＜ブロックの磁化の方向＞
電源ＰＳが光位相変調器１１に対して、電流を供給した場合におけるブロック１３の磁化Ｍ１５について、図２及び図４を参照して説明する。

【0047】

（面直磁化型）
図２では、面直磁化型の磁化固定層１５であって、磁化Ｍ１５がブロック１３から電極１６へ向かう方向（ｚ軸負方向）である磁化固定層１５を採用した場合の磁化Ｍ１３について説明する。

【0048】

図２の（ａ）に示すように、電極１７に電源ＰＳの正極（電位が高い側の電極）を接続し、電極１６に負極（電位が低い側の電極）を接続する。この場合、光位相変調器１１において、電流の流れる向きは、電極１７から電極１６へ向かう方向（ｚ軸負方向）であり、電子の流れる向きは、電極１６から電極１７へ向かう方向（ｚ軸正方向）である。なお、図２においては、電子のうち、アップスピンを上向きの矢印で示し、ダウンスピンを下向きの矢印で示している。

【0049】

ダウンスピンは、磁化Ｍ１５と同じ方向を向いている。したがって、ダウンスピンは、電極１６から磁化固定層１５及びスペーサ層１４を介してブロック１３に注入され、電極１７に至る。すなわち、ダウンスピンは、光位相変調器１１の内部を流れることができる。

【0050】

一方、アップスピンは、磁化Ｍ１５と逆の方向を向いている。したがって、アップスピンは、電極１６と磁化固定層１５との界面において反射される。すなわち、アップスピンは、光位相変調器１１の内部を流れることができない。

【0051】

このように、電流を電極１７から電極１６に向かって流すことにより、ブロック１３の内部にスピン偏極した電子（ここでは、ダウンスピン）が多く注入される。ブロック１３に含まれる磁性原子間には、ダウンスピンを介した磁気的な相互作用が生じるため、ｚ軸負方向を向いた磁化Ｍ１３が生じる。

【0052】

また、図２の（ｂ）に示すように、電極１７に負極を接続し、電極１６に正極を接続する。この場合、光位相変調器１１において、電流の流れる向きは、電極１６から電極１７へ向かう方向（ｚ軸正方向）であり、電子の流れる向きは、電極１７から電極１６へ向かう方向（ｚ軸負方向）である。

【0053】

アップスピン及びダウンスピンは、何れも、電極１７からブロック１３及びスペーサ層１４を通過し、スペーサ層１４と磁化固定層１５との界面に至る。ここで、ダウンスピンは、磁化固定層１５に注入され、電極１６に至る。すなわち、ダウンスピンは、光位相変調器１１の内部を流れることができる。

【0054】

一方、アップスピンは、スペーサ層１４と磁化固定層１５との界面において反射される。すなわち、アップスピンは、光位相変調器１１の内部を流れることができない。

【0055】

このように、電流を電極１６から電極１７に向かって流すことにより、ブロック１３の内部にスピン偏極した電子（ここでは、アップスピン）が多く注入される。ブロック１３に含まれる磁性原子間には、アップスピンを介した磁気的な相互作用が生じるため、ｚ軸正方向を向いた磁化Ｍ１３が生じる。

【0056】

なお、磁化Ｍ１３の向きとしてｚ軸負方向及びｚ軸正方向の何れを採用するかは、適宜選択することができる。電流を流す方向に依存して、磁化Ｍ１３の大きさが異なる場合には、磁化Ｍ１３が大きくなる電流の方向を選択すればよい。

【0057】

（面内磁化型）
図４の（ａ）では、面内磁化型の磁化固定層１５であって、磁化Ｍ１５が光の進行方向に直交する磁化固定層１５を採用した場合の磁化Ｍ１３について説明する。また、図４の（ｂ）では、面内磁化型の磁化固定層１５であって、磁化Ｍ１５が光の進行方向と平行である磁化固定層１５を採用した場合の磁化Ｍ１３について説明する。なお、図４の（ａ）及び（ｂ）においては、電源ＰＳの正極及び負極を、それぞれ、電極１７及び電極１６に接続する場合を例に、磁化Ｍ１３について説明する。電源ＰＳの正極及び負極を、それぞれ、電極１６及び電極１７に接続する場合については、面直磁化型の場合と同様に理解することができるので、説明を省略する。

【0058】

磁化Ｍ１５が光の進行方向に直交する磁化固定層１５を採用した場合、光位相変調器１１において、電流の流れる向きは、電極１７から電極１６へ向かう方向（ｚ軸負方向）であり、電子の流れる向きは、電極１６から電極１７へ向かう方向（ｚ軸正方向）である。なお、図４の（ａ）においては、電子のうち、アップスピンを左向きの矢印で示し、ダウンスピンを右向きの矢印で示している。

【0059】

ダウンスピンは、磁化Ｍ１５と同じ方向を向いている。したがって、ダウンスピンは、電極１６から磁化固定層１５及びスペーサ層１４を介してブロック１３に注入され、電極１７に至る。すなわち、ダウンスピンは、光位相変調器１１の内部を流れることができる。

【0060】

一方、アップスピンは、磁化Ｍ１５と逆の方向を向いている。したがって、アップスピンは、電極１６と磁化固定層１５との界面において反射される。すなわち、アップスピンは、光位相変調器１１の内部を流れることができない。

【0061】

このように、電流を電極１７から電極１６に向かって流すことにより、ブロック１３の内部にスピン偏極した電子（ここでは、ダウンスピン）が多く注入される。ブロック１３に含まれる磁性原子間には、ダウンスピンを介した磁気的な相互作用が生じるため、ｙ軸正方向を向いた磁化Ｍ１３が生じる。

【0062】

また、磁化Ｍ１５が光の進行方向と平行である磁化固定層１５を採用した場合、光位相変調器１１において、電流の流れる向きは、電極１７から電極１６へ向かう方向（ｚ軸負方向）であり、電子の流れる向きは、電極１６から電極１７へ向かう方向（ｚ軸正方向）である。なお、図４の（ｂ）においては、電子のうち、アップスピンを図面の奥向き（ｘ軸負方向の向き）の矢印で示し、ダウンスピンを図面の手前向き（ｘ軸正方向の向き）の矢印で示している。

【0063】

ダウンスピンは、磁化Ｍ１５と同じ方向を向いている。したがって、ダウンスピンは、電極１６から磁化固定層１５及びスペーサ層１４を介してブロック１３に注入され、電極１７に至る。すなわち、ダウンスピンは、光位相変調器１１の内部を流れることができる。

【0064】

一方、アップスピンは、磁化Ｍ１５と逆の方向を向いている。したがって、アップスピンは、電極１６と磁化固定層１５との界面において反射される。すなわち、アップスピンは、光位相変調器１１の内部を流れることができない。

【0065】

このように、電流を電極１７から電極１６に向かって流すことにより、ブロック１３の内部にスピン偏極した電子（ここでは、ダウンスピン）が多く注入される。ブロック１３に含まれる磁性原子間には、ダウンスピンを介した磁気的な相互作用が生じるため、ｘ軸正方向を向いた磁化Ｍ１３が生じる。

【0066】

＜光位相変調器の第３の変形例＞
光位相変調器１１の第３の変形例においては、光位相変調器１１の構成から、スペーサ層１４と、磁化固定層１５と、電極１７とを省略することができる。すなわち、第３の変形例は、磁化自由層を構成するブロック１３であって、互いに対向する一対の面１３１及び面１３２（第１の面及び第２の面の一例）と、面１３１及び面１３２とは異なり、且つ、光が入射及び出射する面である入射面１３ｉｎ及び出射面１３ｏｕｔと、を含むブロック１３と、面１３１に直接又は間接に設けられた電極１６（第１の電極の一例）と、を備えている。

【0067】

光位相変調器１１は、磁化自由層がブロックにより構成されているものの、スピン移行トルク磁化反転（ＳＴＴ：Spin Transfer Torque）方式のＭＲＡＭ（Magnetoresistive Random Access Memory）と同様に構成されている。それに対して、第３の変形例比較例は、スピン起動トルク（ＳＯＴ：Spin Orbit Torque）方式のＭＲＡＭと同様に構成されている。このように、本発明の一態様に係る光位相変調器おいては、ＳＴＴ方式のＭＲＡＭ及びＳＯＴ方式のＭＲＡＭの何れの構成を用いてもよい。また、本発明の一態様に係る光位相変調器おいては、電圧トルク方式のＭＲＡＭの構成を用いてもよい。

【0068】

なお、第３の変形例において、電極１６は、重金属を含むことが好ましい。重金属の一例としては、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、タンタル（Ｔａ）、及び、タングステン（Ｗ）が挙げられる。電極１６は、これらの重金属のうち、何れか１種類の重金属により構成されていてもよいし、複数種類の重金属の合金により構成されていてもよい。また、電極１６は、これらの重金属の少なくとも何れかと、遷移金属との合金により構成されていてもよい。遷移金属の一例としては、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、及び、銅（Ｃｕ）が挙げられる。また、電極１６は、上述した重金属の少なくとも何れかからなる層と、上述した遷移金属の少なくとも何れかからなる層と、を含む多層膜により構成されていてもよい。

【0069】

また、第３の変形例において、電極１６に接続される電源ＰＳは、パルス電圧を生成するように構成されている。ただし、電源ＰＳは、パルス電流を生成するように構成されていてもよい。ここで、パルス電圧とは、横軸に時間をとり縦軸に電圧をとった場合に、ごく短い時間のみ電圧が所定の電圧を上回る波形を有する電圧を意味する。また、パルス電流とは、横軸に時間をとり縦軸に電流をとった場合に、短い時間に電流が所定の電流を上回る波形を有する電流を意味する。電極１６に接続される電源ＰＳが生成するパルス電圧は、連続パルスであってもよいし、単発パルスであってもよい。

【0070】

また、第３の変形例は、ブロック１３の面１３１と、電極１６との間に介在するスペーサ層１４を更に備えていてもよい。すなわち、電極１６は、面１３１に直接に設けられていてもよいし、スペーサ層１４を介して間接に設けられていてもよい。

【0071】

〔第２の実施形態〕
本発明の第２の実施形態に係る光位相変調器２１について、図５を参照して説明する。図５の（ａ）及び（ｂ）は、何れも、光位相変調器２１の模式図である。図５の（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、電極１７から電極１６に向かって電流が流れている状態、及び、電極２７から電極２６に向かって電流が流れている状態を示す。

【0072】

＜光位相変調器の構成＞
光位相変調器２１は、第１の実施形態で説明した光位相変調器１１に対して、スペーサ層２４、磁化固定層２５、電極２６、及び電極２７を追加することによって得られる（図５参照）。したがって、本実施形態においては、これらの部材について説明し、光位相変調器１１と共通する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。なお、磁化固定層１５は、第１の磁化固定層の一例であり、面直磁化型の構成を採用している（図２参照）。

【0073】

入射面１３ｉｎ及び出射面１３ｏｕｔを一対の底面とした場合、ブロック１３の側面は、面１３１～１３４により構成される。面１３１～１３４は、それぞれ、第１の面～第４の面の一例である。なお、入射面１３ｉｎは、図５には図示されていない（例えば図３参照）。

【0074】

（スペーサ層）
スペーサ層２４は、絶縁体により構成された層状部材である。スペーサ層２４は、ブロック１３と、後述する磁化固定層２５との間に介在し、ブロック１３と磁化固定層１５とを絶縁する。スペーサ層２４は、形成されている面が面１３１ではなく面１３３である点を除けば、スペーサ層１４と同様に構成されている。

【0075】

（磁化固定層）
磁化固定層２５は、導電性を有する強磁性体により構成された層状部材である。本実施形態において、磁化固定層２５は、面１３３に対してスペーサ層２４を介して間接に設けられている。ただし、磁化固定層２５は、面１３３に対して直接に設けられていてもよい。

【0076】

磁化固定層２５を構成する強磁性体は、磁化固定層１５を構成する強磁性体と同様である。ただし、本実施形態においては、磁化固定層２５を構成する強磁性体として、室温における残留磁化が、室温における飽和磁化に対して比較的大きい強磁性体を採用している。ここで、室温における残留磁化が、室温における飽和磁化に対して比較的大きいとは、例えば、室温における飽和磁化に対して、室温における残留磁化が９０％以上１００％以内であることを意味する。

【0077】

磁化固定層２５は、面内磁化型であって、その磁化（以下において、磁化Ｍ２５とする）が光の進行方向（図５に示すｘ軸正方向）と平行である構成を採用している（図５参照）。ここで、光の進行方向は、入射面１３ｉｎから出射面１３ｏｕｔに向かう方向である。なお、本実施形態において、磁化Ｍ２５は、光の進行方向と略平行であってもよい。

【0078】

（一対の電極）
一対の電極である電極２６，２７は、何れも、導体により構成された層状部材である。電極２６，２７を構成する導体は、電極１６，１７を構成する導体と同様である。したがって、ここでは、その説明を省略する。

【0079】

電極２６は、面１３３に対してスペーサ層２４及び磁化固定層２５を介して設けられている。したがって、面１３３には、スペーサ層２４、磁化固定層２５、及び電極２６がこの順番で積層されている。また、電極２７は、面１３４に対して直接設けられている。このように、電極２６，２７は、互いに対向するように設けられており、且つ、ブロック１３、スペーサ層２４、及び磁化固定層２５を挟み込んでいる。電極１６，１７は、それぞれ、第３の電極及び第４の電極の一例である。

【0080】

電極１７及び電極１６には、それぞれ電源ＰＳ１の正極及び負極が接続されている。また、電極２７及び電極２６には、それぞれ電源ＰＳ２の正極及び負極の何れかが接続されている（図５参照）。

【0081】

＜ブロックの磁化の方向＞
図５の（ａ）において、電源ＰＳ１から電極１７及び電極１６へ電圧を印加しつつ、電源ＰＳ２から電極２７及び電極２６へ電圧を印加しない状態を示す模式図である。図５の（ｂ）は、電源ＰＳ２から電極２７及び電極２６へ電圧を印加しつつ、電源ＰＳ１から電極１７及び電極１６へ電圧を印加しない状態を示す模式図である。なお、電源ＰＳ１は、図２及び図４に示した電源ＰＳの名称を便宜上、改めたものであり、電源ＰＳと同一の構成を有する。電源ＰＳ２は、電源ＰＳ１と同様に構成されている。

【0082】

図５の（ａ）に示す状態は、電源ＰＳ２が接続されているものの、その出力がゼロであるため、図２の（ａ）に示す状態と実質的に同じである。したがって、ブロック１３に含まれる磁性原子間には、磁気的な相互作用が生じるため、ｙ軸正方向を向いた磁化Ｍ１３が生じる。その結果、ブロック１３の内部をｘ軸方向と平行に伝搬する光のうち、ｙ方向成分の位相を遅らせることができる。

【0083】

また、上述したように、磁化固定層２５を構成する強磁性体として、室温における残留磁化が、室温における飽和磁化に対して比較的大きい強磁性体を採用している。したがって、光位相変調器２１は、スピン偏極した電子のブロック１３への注入を停止したあとにおいても、不揮発的に所定の成分（ｙ方向成分）における位相を遅らせることができる。

【0084】

図５の（ｂ）に示す状態においては、電源ＰＳ１の出力をゼロにした代わりに、光位相変調器２１において、電極２７から電極２６へ向かう方向（ｙ軸負方向）に電流を流している。すなわち、光位相変調器２１において、電極２６から電極２７へ向かう方向（ｙ軸正方向）に電子を流している。したがって、図５の（ｂ）に示す状態は、図４の（ｂ）に示した光位相変調器１１を、図面の面内方向において時計回り方向に９０°回転させた状態と同等である。したがって、ブロック１３に含まれる磁性原子間には、磁気的な相互作用が生じるため、ｘ軸正方向を向いた磁化Ｍ１３が生じる。その結果、ブロック１３の内部をｘ軸方向と平行に伝搬する光の方向成分の位相における遅れを解消することができる。

【0085】

なお、光位相変調器１１における第３の変形例の場合と同様に、光位相変調器２１の一変形例においては、光位相変調器２１の構成から、スペーサ層１４と、磁化固定層１５と、電極１７と、スペーサ層２４と、磁化固定層２５と、電極２７とを省略することができる。すなわち、光位相変調器２１の一変形例は、面１３１、面１３２、面１３３、面１３４、入射面１３ｉｎ、及び、出射面１３ｏｕｔを含むブロック１３と、面１３１に直接又は間接に設けられた電極１６と、面１３３に直接又は間接に設けられた電極２６と、を備えている構成であってもよい。本変形例における電極１６及び電極２６は、第３の変形例における電極１６と同様に構成することができる。したがって、本変形例における電極１６及び電極２６の説明は、省略する。また、電極１６に接続される電源ＰＳ１、及び、電極２６に接続される電源ＰＳ２についても、第３の変形例における電源ＰＳと同様に構成することができる。したがって、電源ＰＳ１、及び、電源ＰＳ２の説明は、省略する。

【0086】

〔第３の実施形態〕
本発明の第３の実施形態に係る光位相変調器３１について、図６を参照して説明する。図６は、光位相変調器３１の斜視図である。

【0087】

＜光位相変調器の構成＞
光位相変調器３１は、第１の実施形態で説明した光位相変調器１１をベースにして、同様の構成を有するもう１つの光位相変調器１１を追加することによって得られる。なお、図６に示した光位相変調器１１Ａは、図１に示した光位相変調器１１の名称を便宜上、改めたものであり、光位相変調器１１と同様の構成を有する。光位相変調器１１Ｂは、光位相変調器１１Ａと同様に構成されている。光位相変調器１１Ａ，１１Ｂは、それぞれ、第１の光位相変調器及び第２の光位相変調器の一例である。なお、本実施形態において、光位相変調器１１Ａの構成要素には、光位相変調器１１の各構成要素の符号の末尾に「Ａ」を追記した符号を付している。また、光位相変調器１１Ｂの構成要素には、光位相変調器１１の各構成要素の符号の末尾に「Ｂ」を追記した符号を付している。

【0088】

図６に示すように、基板１２の一方の主面（ｘ軸正方向側の主面）には、光位相変調器１１Ａを構成するブロック１３Ａの入射面１３Ａｉｎを含む面（光位相変調器１１Ａの背面）が固定されている。

【0089】

また、光位相変調器１１Ａを構成するブロック１３Ａの出射面１３Ａｏｕｔには、光位相変調器１１Ｂを構成するブロック１３Ｂの入射面１３Ｂｉｎが固定されている。したがって、出射面１３Ａｏｕｔと入射面１３Ｂｉｎとは、光学的に結合している。本実施形態では、出射面１３Ａｏｕｔと入射面１３Ｂｉｎとを固定する固定部材として、透光性を有する樹脂を用いている。ただし、この固定部材は、これに限定されない。

【0090】

また、ブロック１３Ａ及びブロック１３Ｂの各々が別個の部材であるものとして説明している。ただし、光位相変調器３１の一態様においては、ブロック１３Ａ及びブロック１３Ｂを一体成形したブロックを採用してもよい。この場合においても、出射面１３Ａｏｕｔと入射面１３Ｂｉｎとは、光学的に結合している。また、この場合、一体成形されたブロックのｘ軸方向に沿った辺の長さ（ブロックの厚み）は、図１に示した長さＬ１のおよそ２倍になる。

【0091】

光位相変調器１１Ａは、電極１６Ａから電極１７Ａへ向かう方向がｚ軸方向と平行になるように、その向きが定められている。一方、光位相変調器１１Ｂは、電極１６Ｂから電極１７Ｂへ向かう方向がｙ軸方向と平行になるように、その向きが定められている。したがって、光位相変調器３１において、電極１６Ａから電極１７Ａへ向かう方向と、電極１６Ｂから電極１７Ｂへ向かう方向とは、直交している。ただし、この２つの方向は、直交に限定されず略直交するように構成されていてもよい。なお、「略直交」とは、２つの方向の交わる角度が８０°以上１００°以下である状態を指す。

【0092】

なお、光位相変調器１１Ａ及び光位相変調器１１Ｂには、それぞれ、別個の電源が接続されていてもよい（例えば、図５参照）。また、光位相変調器１１Ａ及び光位相変調器１１Ｂには、１つの電源が接続されていてもよい。１つの電源を接続する場合、光位相変調器１１Ａ及び光位相変調器１１Ｂを並列に接続すればよい。この構成により、１つの電源を用いて光位相変調器１１Ａ及び光位相変調器１１Ｂを同時駆動することができる。

【0093】

なお、光位相変調器３１が備えている２つの光位相変調器１１Ａ及び光位相変調器１１Ｂの各々の代わりに、光位相変調器１１の第３の変形例を用いることもできる。

【0094】

〔第４の実施形態〕
本発明の第４の実施形態に係る光デバイス１０について、図７を参照して説明する。図７は、光デバイス１０の側面図である。

【0095】

＜光デバイスの構成＞
図７に示すように、光デバイス１０は、基板１２と、複数の光位相変調器１１とを備えている。

【0096】

図７に示した基板１２は、図１に示した基板１２と同様に構成されている。ただし、図７に示した基板１２においては、図１に示した基板１２と比較して、主面の面積が拡大されている。なお、基板１２における主面の面積は、主面上に設ける光位相変調器１１の数に応じて適宜定めることができる。また、基板１２の一対の主面のうち、複数の光位相変調器１１が設けられる側（ｘ軸正方向側）の主面は、特定の面の一例である。各光位相変調器１１は、各入射面１３ｉｎが基板１２の一方の主面に沿い、且つ、基板１２の一方の主面の面内方向において周期的に並ぶように配置されている。ただし、各光位相変調器１１の各入射面１３ｉｎは、滑らかな曲面上に配置されていてもよいし、段差を有する面（例えば、凹凸状の面及び階段状の面）上に配置されていてもよい。

【0097】

本実施形態において用いる光位相変調器１１は、図１に示した光位相変調器１１と同一に構成されている。ただし、光デバイス１０を構成する各光位相変調器は、光位相変調器１１に限定されない。例えば、光位相変調器３１を構成する各光位相変調器として、図５に示した光位相変調器２１を採用することもできるし、図６に示した光位相変調器３１を採用することもできる。

【0098】

各光位相変調器１１は、基板１２におけるｘ軸正方向側の主面の面内方向において、周期的に配置されている。本実施形態において、各光位相変調器１１は、ｙ軸方向に平行な方向を行方向とし、ｚ軸方向に平行な方向を列方向として、マトリクス状に配置されている。ただし、各光位相変調器１１を配置する場合の周期構造は、これに限定されない。

【0099】

なお、本実施形態において、各光位相変調器１１は、基板１２の有効領域の全域に亘って周期的に配置されている。すなわち、複数の光位相変調器１１は、その全てが周期的に配置されている。ただし、本発明の一態様においては、複数の光位相変調器１１のうち少なくとも一部の光位相変調器１１が上記有効領域の少なくとも一部において周期的に配置されていてもよい。この場合、残りの光位相変調器１１は、上記有効領域の残りの領域において非周期的に配置されている。また、周期的に配置されている光位相変調器１１の数及びこれらの光位相変調器１１が周期的に配置されている領域のサイズは、限定されず、適宜定めることができる。また、上記有効領域のうち各光位相変調器１１が周期的に配置されている領域は、１つであってもよいし、複数であってもよい。後者である場合、各領域における光位相変調器１１の周期は、同じであってもよいし、異なっていてもよい。また、各光位相変調器１１が周期的に配置されている１つの領域においては、複数の周期が混在していてもよい。

【0100】

第１の実施形態において説明したように、ブロック１３は、入射面１３ｉｎ及び出射面１３ｏｕｔを一対の底面とした場合、柱状のマイクロセルともいえる。各マイクロセルの厚みである各ブロック１３の長さＬ１又は屈折率は、各ブロック１３において、互いに独立に設定されている。

【0101】

（周期的な配置の具体例）
上記主面上に設ける光位相変調器１１において、長さＬ２，Ｌ３（図１参照）の例としては、８００μｍが挙げられる。また、上記主面上に設ける光位相変調器１１の数の例としては、４，０００，０００個が挙げられる。４，０００，０００個の光位相変調器１１を後述するようにマトリクス状に配置する場合、光デバイス１０は、例えば、２，０００行２，０００列の光位相変調器１１により構成される。

【0102】

（光デバイスの機能）
このように構成された光デバイス１０は、各光位相変調器１１の入射面１３ｉｎにより構成される面に対して、空間強度分布を有する光が入射した場合に、各セルの厚み又は屈折率に応じて、入射した光の空間強度分布を別の空間強度分布に変換したうえで出力することができる。したがって、光デバイス１０は、空間光位相変調器の一態様であり、光回折素子として好適に利用できる。

【0103】

なお、光デバイス１０が備えている複数の光位相変調器１１の各々の代わりに、光位相変調器１１の第３の変形例を用いることもできる。

【0104】

〔第５の実施形態〕
本発明の第５の実施形態に係る光演算装置１について、図８を参照して説明する。図８は、光演算装置１の側面図である。

【0105】

光演算装置１は、図７に示した光デバイス１０を５個備えている。以下において、５個の光デバイス１０を、それぞれ、光デバイス１０Ｃ，１０Ｄ，１０Ｅ，１０Ｆ，１０Ｇと呼び区別する。ただし、光演算装置１を構成する光デバイス１０の数は、複数であればよく、その用途に応じて適宜定めることができる。

【0106】

光デバイス１０Ｃ，１０Ｄ，１０Ｅ，１０Ｆ，１０Ｇは、各基板１２の法線方向（図７においては、ｘ軸正方向）に沿って、この順番で配置されている。光デバイス１０Ｃ，１０Ｄ，１０Ｅ，１０Ｆ，１０Ｇは、それぞれ、光位相変調器１１Ｃ，１１Ｄ，１１Ｅ，１１Ｆ，１１Ｇを備えている。図８に示した光位相変調器１１Ｃ，１１Ｄ，１１Ｅ，１１Ｆ，１１Ｇは、図１に示した光位相変調器１１の名称を便宜上、改めたものであり、光位相変調器１１と同様の構成を有する。

【0107】

光演算装置１においては、例えば、光デバイス１０Ｃの基板１２側の面を入射面として、光デバイス１０Ｇを構成する各ブロック１３の出射面１３ｏｕｔ側の面を出射面として利用することができる。

【0108】

光デバイス１０Ｃ，１０Ｄ，１０Ｅ，１０Ｆ，１０Ｇは、それぞれ、空間強度分布を有する光が前段から入射した場合に、各セルの厚み又は屈折率に応じて、入射した光の空間強度分布を別の空間強度分布に変換したうえで後段に出力する光回折素子として機能する。空間強度分布を有する光に対して各光デバイス１０Ｃ，１０Ｄ，１０Ｅ，１０Ｆ，１０Ｇが順番に作用することによって、光演算装置１は、光演算を実行することができる。

【0109】

この場合、各光デバイス１０Ｃ，１０Ｄ，１０Ｅ，１０Ｆ，１０Ｇにおける各マイクロセル（各ブロック１３）を透過する光の位相変化量を、スピン偏極した電子を用いて事後的に調整することができる。したがって、光演算装置１は、演算内容を事後的に調整可能な光演算装置を提供することができる。

【0110】

〔空間光位相変調器の他の用途〕
空間光位相変調器の一態様である光デバイス１０の用途としては、上述した光回折素子のほかに、３次元における光情報の操作、光マニピュレータ、及び波面制御素子が挙げられる。

【0111】

＜３次元における光情報の操作＞
３次元における光情報の操作の例としては、３次元の立体動画であるホログラフィーが挙げられる。また、ホログラフィーの方式を利用するデバイスとしては、ホログラフィックデータストレージが挙げられる。

【0112】

３次元の立体動画であるホログラフィーにおいては、５，０００本／ｍｍ程度の解像度を実現できることが好ましい。この解像度を実現するためには、ピクセル（すなわちブロック１３）のセルサイズが例えば２００ｎｍ以上５００ｎｍ以下程度である空間光位相変調器が求められている。図７に示した光デバイス１０には、ＬＣＯＳ及びＤＭＤのようにピクセルサイズに関する制約がないため、セルサイズが１００ｎｍ未満であるブロック１３を実現できると考えられる。したがって、光デバイス１０は、ホログラフィーに好適に利用できる。

【0113】

また、光デバイス１０をホログラフィックデータストレージに適用することにより、書き込み密度を高め、消費電力を削減することができる。また、ホログラフィックデータストレージは、ハードディスクドライブと比較して安定しているので、より長期の保存が可能である。

【0114】

＜光マニピュレータ＞
近年、有効領域にメタサーフェスの技術が用いられた光学素子、及び、回折光学素子（Diffractive Optical Element，ＤＯＥ）と呼ばれる光学素子が普及してきている。これらの光学素子は、用途別に設計することにより、レンズ、ビームスプリッター、パターンジェネレータ、ビームシェイパ、回折レンズ、レンズアレイ、シリンドリカルレンズ、グレーティング、及びランダム位相シフタとして機能する。これらの光学素子は、光マニピュレータと総称される。ただし、これらの光学素子は、静的な光学素子であり、あらかじめ設計された用途以外には利用することができない。

【0115】

光デバイス１０は、各マイクロセル（各ブロック１３）を透過する光の位相変化量を、スピン偏極した電子を用いて事後的に調整することができる。したがって、光デバイス１０は、各マイクロセルにおける位相変化量を事後的に調整することができるので、上述した機能のなかから特定の機能を事後的に選択可能な「動的な」光マニピュレータを実現することができる。

【0116】

また、光マニピュレータにおいては、可視光及び近赤外光に対する回折効率を高めるために、各マイクロセル（各ブロック１３）のピクセルサイズを１０ｎｍ以上８００ｎｍ以下にすることが求められている。光デバイス１０には、ＬＣＯＳ及びＤＭＤのようにピクセルサイズに関する制約がないため、ピクセルサイズが１０ｎｍ以上８００ｎｍ以下であるブロック１３を実現できると考えられる。したがって、複数段の光デバイス１０を備えた光演算装置１は、設計を最適化することにより、様々な機能のなかから特定の機能を事後的に選択可能な「動的な」光マニピュレータを実現することができる。

【0117】

また、「動的な」光マニピュレータは、３Ｄプリンタの光学系にも好適に適用することができる。「動的な」光マニピュレータを３Ｄプリンタの光学系に適用することにより、以下の効果をそうする。
・３Ｄプリンタのスポットをマルチ化する。
・動的にレーザ光を照射するスポットのパターンを変化させる。
・動的にレーザ光の深度を変化させる。
・加工する材料が様々に異なる場合（すなわち、材料の屈折率が異なる場合）であっても、光軸や深度合わせなどの学習を自動化する。

【0118】

また、「動的な」光マニピュレータは、分析機器の光学系にも好適に適用することができる。この構成によれば、マルチスポットの同時検出及びスペクトル解析を実施するときに求められる解像度の要求を満たすことができる。ＬＣＯＳ及びＤＭＤを分析機器の光学系に適用した場合、可視光を用いてマルチスポットの同時検出及びスペクトル解析を実施するためには、解像度が不十分である。

【0119】

＜波面制御素子＞
光デバイス１０は、入射した光の空間強度分布を別の空間強度分布に変換することができる。したがって、光デバイス１０は、光ディスクなどの光メモリに情報を書き込むための光学ヘッド、及び、レーザ加工機の加工ヘッドに好適に用いることができる。

【0120】

光デバイス１０を光学ヘッドに適用することにより、読み込み用及び／又は書き込み用のレーザ光の波面を事後的に制御することができる。また、この構成によれば、光学ヘッドにおいて生じ得るノイズを事後的に制御することができる。レーザ加工機の加工ヘッドについても同様である。
（まとめ）

【0121】

本発明の第１の態様に係る光位相変調器は、磁化自由層を構成するブロックであって、互いに対向する一対の第１の面及び第２の面と、前記第１の面及び前記第２の面とは異なり、且つ、光が入射及び出射する面である入射面及び出射面と、を含むブロックと、前記第１の面に直接又は間接に設けられた磁化固定層と、互いに対向する一対の第１の電極及び第２の電極であって、第１の電極、前記磁化固定層、前記ブロック、及び、第２の電極の順番で配置された第１の電極及び第２の電極と、を備えている。

【0122】

本光位相変調器は、ＬＣＯＳのように液晶を用いていないし、ＤＭＤのように機械的に動くミラーも用いていない。ＬＣＯＳやＤＭＤはその動作原理がバルクの物性に基づいているため、スムーズな動作にはある程度のサイズが必要である。構造を小さくするにつれて、特にナノサイズレベルでは、壁面からの分子間力などの影響が強くなり、本来の動作性が失われる。一方で、本光位相変調器は、磁化自由層がブロックにより構成されているものの、スピン移行トルク磁化反転（ＳＴＴ：Spin Transfer Torque）方式のＭＲＡＭ（Magnetoresistive Random Access Memory）と同様に構成されており、もともとナノサイズの空間で起こる現象を動作原理としている。このため、サイズを小さくする方が本来の高速動作に近づく特徴がある。したがって、本光位相変調器は、ＭＲＡＭと同様に、小型化可能であり、また、高速で動作可能である。

【0123】

ブロックには、スピン偏極した電子が第１の電極及び第２の電極を用いて注入される。ブロックを構成する材料は、スピン偏極した電子が溜まることによって磁化する。入射面から出射面へ向かって伝搬する光と、磁化したブロックとが相互作用することによって、入射面から出射面へ向かって伝搬する光のうち、ブロックの磁化方向と偏光方向が平行な直線偏光の位相は、他の光の位相よりも遅れる。すなわち、本光位相変調器は、光の位相を変調することができる。

【0124】

したがって、本光位相変調器は、小型化が可能であり、且つ、高速で動作可能な光位相変調器を提供することができる。

【0125】

なお、光位相変調器において、入射面及び出射面の大きさを、当該光位相変調器に入射する光の波長以下にすることによって、変調後の光に含まれる０次光（変調されていない成分）を抑制することができるので、変調効率を高めることができる。

【0126】

また、本発明の一態様に係る光位相変調器においては、上述した第１の態様に係る光位相変調器の構成から、磁化固定層と、第２の電極とを省略することができる。すなわち、本発明の一態様に係る光位相変調器は、磁化自由層を構成するブロックであって、互いに対向する一対の第１の面及び第２の面と、前記第１の面及び前記第２の面とは異なり、且つ、光が入射及び出射する面である入射面及び出射面と、を含むブロックと、前記第１の面に直接又は間接に設けられた第１の電極と、を備えている。

【0127】

本発明の第１の態様に係る光位相変調器は、上述したようにＳＴＴ方式のＭＲＡＭと同様の構成を有するのに対し、本発明の一態様に係る光位相変調器は、スピン起動トルク（ＳＯＴ：Spin Orbit Torque）方式のＭＲＡＭと同様に構成されている。このため、本発明の第１の態様に係る光位相変調器は、本発明の一態様に係る光位相変調器と同様に、小型化可能であり、また、高速で動作可能である。

【0128】

また、本発明の一態様に係る光位相変調器において、前記第１の電極は、重金属を含む、ことが好ましい。

【0129】

上記の構成によれば、電流を一方のスピンに偏極したスピン流に変換する変換効率を高めることができる。

【0130】

また、本発明の一態様に係る光位相変調器は、前記第１の電極に接続され、且つ、パルス電圧又はパルス電流を生成する電源を更に備えている、ことが好ましい。

【0131】

上記の構成によれば、前記変換効率をより高めることができる。

【0132】

また、本発明の第２の態様に係る光位相変調器においては、上述した第１の態様に係る光位相変調器の構成に加えて、前記磁化固定層の磁化方向と、前記入射面から前記出射面へ向かう方向とは、直交又は略直交している、構成が採用されている。

【0133】

上記の構成によれば、ブロックの磁化方向と、入射面から出射面へ向かって伝搬する光の伝搬方向とを直交又は略直交させることができるので、光の位相を確実に変調することができる。

【0134】

また、本発明の第３の態様に係る光位相変調器においては、上述した第１の態様又は第２の態様に係る光位相変調器の構成に加えて、前記磁化固定層を第１の磁化固定層として、前記ブロックは、前記第１の面、前記第２の面、前記入射面、及び、前記出射面とは異なる面である第３の面及び第４の面を更に含み、前記第３の面に設けられた第２の磁化固定層と、互いに対向する一対の第３の電極及び第４の電極であって、前記ブロック及び前記第２の磁化固定層を挟み込む第３の電極及び第４の電極と、を更に備えている、構成が採用されている。

【0135】

ブロックには、第１の電極及び第２の電極を用いてスピン偏極した電子を注入するための電流（第１の電流とする）に加えて、第３の電極及び第４の電極を用いてスピン偏極した電子を注入するための電流（第２の電流とする）を流すことができる。したがって、ブロックを構成する材料は、第２の電流との相互作用により、第１の電流に起因する磁化方向（第１の方向とする）とは異なる方向（第２の方向とする）に磁化することもできる。入射面から出射面へ向かって伝搬する光の伝搬方向と、第２の方向とが平行又は略平行である場合、磁化したブロックは、当該光の位相に影響を与えない。上記の構成によれば、第１の電流を用いて光の位相を遅らせることもできるし、第２の電流を用いて光の位相における遅れをキャンセルすることもできるので、光の位相を変調する場合における自由度を高めることができる。

【0136】

また、本発明の第４の態様に係る光位相変調器においては、上述した第３の態様に係る光位相変調器の構成に加えて、前記第２の磁化固定層の磁化方向と、前記入射面から前記出射面へ向かう前記方向とは、平行又は略平行である、構成が採用されている。

【0137】

上記の構成によれば、ブロックの磁化方向と、入射面から出射面へ向かって伝搬する光の伝搬方向とを平行又は略平行にすることができるので、光の位相における遅れを確実にキャンセルすることができる。

【0138】

また、本発明の第５の態様に係る光位相変調器においては、上述した第１の態様～第４の態様の何れか一態様に係る光位相変調器の構成に加えて、前記ブロック及び前記磁化固定層の各々を構成する材料は、何れも強磁性体であり、前記ブロックを構成する前記材料の保磁力は、前記磁化固定層を構成する前記材料の保磁力よりも小さい、構成が採用されている。

【0139】

上記の構成によれば、スピン偏極した電子の注入をやめたあとであっても、ブロックは、磁化を有する。したがって、本光位相変調器は、スピン偏極した電子の注入をやめたあとであっても、不揮発的に位相の変調度合いを保持することができる。

【0140】

また、本発明の第６の態様に係る光位相変調器においては、上述した第１の態様～第５の態様の何れか一態様に係る光位相変調器の構成に加えて、前記ブロックと前記磁化固定層との間に介在し、絶縁体により構成された層状部材であるスペーサ層を更に備えている、構成が採用されていてもよい。

【0141】

上記の構成によれば、ブロックの磁化をより低い電力でより高速にスイッチングすることができる。

【0142】

また、本発明の第７の態様に係る光位相変調器においては、上述した第１の態様～第６の態様の何れか一態様に係る光位相変調器である第１の光位相変調器及び第２の光位相変調器を備え、前記第１の光位相変調器の前記出射面には、前記第２の光位相変調器の前記入射面が光学的に結合しており、前記第１の光位相変調器における前記第１の電極から前記第２の電極へ向かう方向と、前記第２の光位相変調器における前記第１の電極から前記第２の電極へ向かう方向とは、直交又は略直交している、構成が採用されている。なお、前記第１の光位相変調器における前記第１の電極から前記第２の電極へ向かう方向は、前記第１の光位相変調器の前記ブロックにおける前記第１の面から前記第２の面に向かう方向と言い替えることができる。同様に、前記第２の光位相変調器における前記第１の電極から前記第２の電極へ向かう方向は、前記第２の光位相変調器の前記ブロックにおける前記第１の面から前記第２の面に向かう方向と言い替えることができる。

【0143】

上記の構成によれば、入射面から出射面へ向かって伝搬する光のうち、第１の光位相変調器におけるブロックの磁化方向と偏光方向が平行な直線偏光の位相に加えて、第２の光位相変調器におけるブロックの磁化方向と偏光方向が平行な直線偏光の位相を遅らせることができる。そのうえで、第１の光位相変調器におけるブロック（前段のブロックとする）の磁化方向と、第２の光位相変調器におけるブロック（後段のブロックとする）の磁化方向とが、直交又は略直交しているので、入射面から出射面へ向かって伝搬する光の位相を、その偏光方向にかかわらず遅らせることができる。

【0144】

本発明の第８の態様に係る光デバイスは、上述した第１の態様～第６の態様の何れか一態様に係る光位相変調器を複数備えている。本光デバイスにおいて、少なくとも一部の光位相変調器は、特定の面の面内方向において周期的に配置されている。

【0145】

上記の構成によれば、本発明の一態様に係る光位相変調器を複数用いて、空間光位相変調器を実現することができるので、小型化が可能であり、且つ、高速で動作可能な空間光位相変調器を実現することができる。本空間光位相変調器の用途の例としては、３次元における光情報の操作、光マニピュレータ、及び、波面制御素子が挙げられる。

【0146】

また、本発明の第９の態様に係る光デバイスは、上述した第８の態様に係る光デバイスの構成に加えて、前記各光位相変調器の前記ブロックは、厚み又は屈折率が互いに独立に設定された柱状のマイクロセルにより構成されている、構成が採用されている。

【0147】

本光デバイスは、空間強度分布を有する光が入射した場合に、各セルの厚み又は屈折率に応じて、入射した光の空間強度分布を別の空間強度分布に変換したうえで出力する光回折素子として機能する。そのうえで、本光デバイスは、各セルが本発明の一態様に係る光位相変調器を備えている。したがって、本光デバイスは、小型化が可能であり、且つ、高速で動作可能であり、且つ、製造後に各セルの位相変調量を調整可能な光回折素子を実現することができる。

【0148】

本発明の第１０の態様に係る光演算装置は、複数の上述した第８の態様又は第９の態様に係る光デバイスであって、前記特定の面の法線方向に沿って順番に配置された複数の光デバイスを備えている。本光演算装置においては、各光デバイスは、入射する空間強度分布を有する光を別の空間強度分布を有する光に変換したうえで出力する、ように構成されている。

【0149】

上記の構成によれば、各光デバイスは、その前段から入射する空間強度分布を有する光を別の空間強度分布を有する光に変換したうえでその後段に出力する。したがって、本光デバイスは、最初段の光デバイスに入射する空間強度分布を有する光に対して順番に作用しながら、その光の空間強度分布をその都度変換していくので、光偏算多段光フィルタ装置として機能する。したがって、本光演算装置は、小型化が可能であり、且つ、高速で動作可能な光演算装置を実現することができる。

【0150】

〔付記事項〕
本発明は上述した各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り、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0151】

１ 光演算装置
１０，１０Ｃ～１０Ｇ 光デバイス
１１，１１Ａ～１１Ｇ，２１，３１ 光位相変調器
１２ 基板
１３，１３Ａ，１３Ｂ ブロック（磁化自由層）
１３ｉｎ，１３ｏｕｔ，１３Ａｉｎ，１３Ａｏｕｔ，１３Ｂｉｎ，１３Ｂｏｕｔ 入射面，出射面
１３１，１３２，１３３，１３４ 面（第１の面，第２の面，第３の面，第４の面）
１４，２４，１４Ａ，１４Ｂ スペーサ層
１５，２５，１５Ａ，１５Ｂ 磁化固定層
１６，２６，１６Ａ，１６Ｂ 電極（第１の電極）
１７，２７，１７Ａ，１７Ｂ 電極（第２の電極）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】